麻城—團風斷裂帶分段活動特征遙感調查

齊 信， 劉廣寧， 黃長生

(中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢 430223)

0 引言

遙感技術在城市活動斷裂調查研究中發揮著重要作用，不僅用于宏觀分析活動斷裂的幾何結構、構造地貌和空間展布，還可通過多波段處理技術分析和提取與活動斷裂有關的含水異常信息、隱伏信息和二次特征信息等弱異常信息[1]，對城市地震危險性評價具有十分重要的意義。武漢市及外圍地區在大地構造上分屬秦嶺—大別褶皺帶和揚子準地臺，存在許多斷裂帶[2]，其中，麻城—團風斷裂帶對武漢市及其外圍地區地殼穩定性和人居環境的影響最大。該地帶地殼結構和斷裂構造系統復雜，歷史上也曾多次發生較大級別的地震[3]，其中，1932年麻城黃土崗6級地震是湖北省歷史記載中最大的一次破壞性地震，研究表明麻城—團風斷裂為該次地震的發震斷裂。因此，麻城—團風斷裂帶是一條規模大、新構造期以來有著強烈活動的孕震構造。前人對麻城—團風斷裂帶的研究較少，且鑒于歷史時期調查手段的局限性，未能從宏觀上把握該斷裂帶的活動性。1989年謝廣林[4]首次利用遙感技術對該斷裂帶進行了圖像解釋和描述，但沒有對其進行分段活動性論述。開展武漢城市圈活動構造與區域地殼穩定性評價方面的研究，合理避讓斷層、斷裂活動帶和地震活動帶，對保證人民生命財產的安全和武漢城市圈長期、穩定和持續的發展具有十分重要的意義。

高分辨率遙感圖像具有較高的空間分辨率和時間分辨率，使得單景圖像的數據量顯著增加，地物影像的幾何結構和紋理信息更加明顯。高分辨率遙感圖像的出現使得在較小的空間尺度上觀察地表的細節變化成為可能，不僅可以宏觀把握斷裂的展布情況，而且可以具體分析斷裂沿線的多特征信息。綜合多特征信息有利于提高對斷裂活動判斷的準確性，且具有較大的空間性、時效性、經濟性和可行性。因此，本文基于高分辨率遙感圖像數據，對麻城—團風斷裂帶進行宏觀分析和分段性活動研究，以期為該斷裂的深入研究提供科學依據和技術支持，為實地調查提供指導信息，提高調查效率與精度。

1 麻城—團風斷裂帶概況

麻城—團風斷裂帶為NNE向區域性斷裂構造帶，北起豫鄂邊界的松子關，向南經麻城、團風、咸寧和通山進入湖南省，全長近400 km，在湖北省境內長度約280 km。該斷裂帶由一系列平行或斜列的斷裂組成，在長江以北表現較明顯。前白堊紀時期，斷裂帶以壓剪性活動為特征，發育較寬的糜棱巖和硅化巖帶，帶內及旁側有燕山期花崗巖分布，并經受強烈的動力變質[5]，在長竹園附近，其東盤北移現象明顯。晚白堊世—古近紀時期，在區域引張作用的影響下，控制了麻城—新洲斷陷盆地的形成，并接受了巨厚的陸相紅色碎屑堆積[5]。第四紀時，斷裂繼承性復活，斷裂兩側地形、水系特征及河流階地高程明顯不同，水準測量地殼垂直形變大，基本顯示張剪性特征。歷史記載表明，湖北省境內沿該斷裂帶曾發生過2次5級以上地震[3,6]。

對麻城—團風斷裂帶的研究，可以追朔到20世紀50—60年代。在1∶20萬比例尺區域地質測量報告和1∶100萬比例尺武漢幅大地構造圖中，雖程度不等地涉及到該斷裂帶，但眾多學者多集中于探討東大別高壓、超高壓變質巖的形成與折返模型[7]，而對斷裂帶的論述則不多，單獨論述該斷裂帶活動的文獻也甚少。本文研究范圍為麻城—團風斷裂帶，寬約18 km，長約108 km，總面積近2 000 km2。對麻城—團風斷裂帶的遙感解譯結果如圖1所示。根據遙感圖像特征及其活動強度，將麻城—團風主斷裂劃分為3段： F1為北段，F2為中段，F3為南段。

(a) 麻城—團風斷裂帶遙感圖像(B1(R)，B2(G)，B3(B)) (b) 斷裂解譯結果

圖1麻城—團風斷裂帶遙感圖像及其解譯圖

Fig.1RemotesensingimageandinterpretationmapofMacheng―Tuanfengfaultzone

2 斷裂帶及其活動性遙感解譯

遙感圖像不僅能從宏觀上展現活動斷裂及其他活動構造的圖像全貌，而且能直觀地揭示斷裂活動的圖像信息，為分析發震構造與強震孕育地段及斷裂的活動狀態與地震活動的關系提供豐富的信息[8-12]。利用遙感數據進行麻城—團風斷裂帶及其活動性調查,流程如圖2所示。首先對多源遙感數據進行幾何糾正、圖像融合和鑲嵌等預處理； 然后分別對圖像數據進行增強和分割處理，綜合波譜特征信息和空間形態特征信息等，建立遙感圖像地物解譯標志； 根據解譯標志提取線性構造和多特征多地物相關信息，并結合解譯區相關資料進行斷裂帶及其活動性的初步判斷。

圖2 斷裂帶及其活動性遙感解譯流程圖Fig.2 Flow chart of remote sensing interpretation for fault zone and its activity

2.1 遙感數據預處理

本文采用的遙感圖像增強方法主要包括圖像濾波和圖像變換[13-18]。由于地質構造信息與地表地物呈復雜相關，很難找到一種對所有地質構造信息提取都有效果的遙感圖像處理方法，因此針對不同地物目標需要采用不同的遙感圖像處理方法提取斷裂構造信息。

2.2 斷裂構造解譯方法

斷裂構造遙感解譯方法是根據遙感圖像的光譜特征、形狀特征、紋理特征、等級特征和關系特征(即形狀、大小、陰影、色調、紋理、圖案、位置和布局等)建立地物圖像和實地目標地物之間的對應關系，從而建立斷裂構造的遙感解譯標志。根據解譯標志，采用不同方法對遙感圖像進行解譯，勾繪地物類型界線，標注地物類別，形成預解譯圖[12]。本文采用的遙感解譯方法包括直判法、追索法、類比法及綜合多特征信息法等，尤其是綜合多特征信息法對斷裂解譯有較好的效果，易于識別斷裂帶沿線地物的遙感特征。該方法包括圖像預處理、圖像特征提取和分類綜合判別，以所要提取的光譜、形狀和紋理特征信息為依據進行分類，綜合判斷地物，從而在很大程度上提高了對地質構造解譯的準確性。

2.3 斷裂解譯標志

任何地表和埋藏一定深度的斷裂，由于其力學性質、活動特征和伸展狀態及兩側自然景觀的不同，反射電磁波譜的能量也有差異，從而構成遙感圖像中的不同色調和幾何形狀[19-21]。遙感圖像經預處理后，首先要建立斷裂構造帶解譯標志，才能正確識別遙感圖像中的斷裂構造。本文建立的斷裂構造遙感解譯標志主要包括色調異常、水系異常、地貌差異、線性異常和多尺度信息等，尤其是線性色調異常帶，河流或沖溝在跨越線性地物處有規律的扭動和拐彎，在地貌上線性排列的擠壓脊、鼓包、斷層陡坎和拉分盆地等微地貌，都是判斷斷裂構造的直接標志。另外，多尺度信息綜合了光譜特征、紋理特征和形狀特征等信息，提取斷裂帶的多尺度信息，相當于融合了以上多種解譯標志。

3 斷裂帶分段活動性調查與分析

麻城—團風斷裂帶在遙感圖像中由麻城東北的黃土咀起，向南經閻家河、白果東、夫子河、道觀河、舊街、淋山河至團風，并延伸過長江，走向NE15°～30°。該斷裂帶的東側地貌屬于構造剝蝕型，主要包括低山、剝蝕丘陵和崗狀平原等，地層年代較老； 西側地貌則屬于堆積型盆地，主要包括河漫灘和Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級階地等，地層年代較新。根據遙感圖像中顯示出的線性特征，麻城—團風斷裂帶由黃土咀至團風大致可以分為3段，即F1，F2和F3(圖1(b))。

3.1 F1黃土咀至白果東段

F1段在遙感圖像(圖3)中主要表現為基巖區與構造盆地間明顯的線性界線，造成了東部老地層組成的山地與西部新地層覆蓋的盆地相接，界線平直，猶如刀切。循斷裂延伸方向，地勢低洼，構造河發育。這些短小的構造河多半自斷裂東側山地流出，穿過斷裂帶進入盆地后即改變流向匯入沿盆地東緣南流的較大河流。

(a) 麻城市東側原始影像(b) 麻城市東側增強影像(c) 黃土咀東側原始影像 (d) 黃土咀東側增強影像

圖3F1段線性圖像特征

Fig.3LinearimagecharacteristicsofF1section

圖3為經過增強處理后的F1段的部分遙感圖像。處理后圖像中淺色基巖區與深色覆蓋區的相接界線明顯，沿邊界處發育有明顯的斷層三角面和三角面山。圖3(a)中基巖區流出的數條河流進入覆蓋區盆地后均發生了大于90°的同步彎轉現象，這些河流的彎轉點間接揭示了F1段在遙感圖像中通過的位置。野外調查中發現，盆地外圍變質巖中小型斷裂有所發育，NEE和EW走向小型斷裂發育，多為脆性正斷裂(圖4)。

圖4 F1段斷裂露頭野外照片Fig.4 Field photo of outcrop of F1 section

圖3(c)中顯示的河流流向變化說明了F1段斷裂構造運動具有左旋傾滑的特點，控制斷裂2盤東升西降運動，后期野外驗證證明了解譯的正確性。圖3(b)中北部沿河流發育斷層三角面界線明顯，南部基巖區與盆地交界處斷層三角面因長期侵蝕而出現“后退”現象。同時，在麻城市東部沿線發現大量玄武巖出露，呈EW向串珠狀發育，亦說明麻城—團風斷裂北段斷裂活動特征明顯。圖5為F1段玄武巖露頭野外照片，其中P1和P2為玄武巖露頭位置。

圖5 F1段玄武巖露頭野外照片Fig.5 Field photos of basalt outcrops of F1 section

3.2 F2白果東至淋山河段

遙感圖像顯示該段斷裂因受到多條互相平行的NW―NNW向斷裂的影響，造成了山地與盆地相接處線性特征的減弱和模糊，這說明麻城—團風斷裂在該段的活動性和控制力有所減弱。

圖6為經過增強處理后的F2段部分遙感圖像。圖像顯示淺色基巖區(山地)與深色覆蓋區(盆地)之間的界線比較模糊，在圖像上表現為寬約1 km的交界帶。交界帶東側基巖區發育有多條呈NW—NNW向分布的次級斷裂構造，這些斷裂構造與麻城—團風斷裂帶相交，交接關系復雜而難以從遙感圖像中清晰辨認。此處麻城—團風斷裂帶或切過NW—NNW向斷裂，或被多條NW—NNW向斷裂切割成多條平行或斜列的斷裂或斷裂帶。

(a) 原始影像(b) 增強影像

圖6F2段線性圖像特征

Fig.6LinearimagecharacteristicsofF2section

因此，麻城—團風斷裂帶在該段通過的精確位置需要通過野外調查和勘探予以確認。在野外調查中發現了斷裂帶的局部露頭，如在夫子河鎮發現了寬約20 m的斷裂破碎帶(圖7)。該斷裂破碎帶露頭中碎裂巖、硅化帶和斷層泥發育，剖面內多條小斷裂相互切割，呈斜列分布，但斷裂性質難以確定。

圖7 F2段斷裂破碎帶野外照片Fig.7 Field photo of fault fracture zone of F2 section

3.3 F3淋山河至團風段

麻城—團風斷裂帶F3段地表為第三紀紅層及第四紀覆蓋層，斷裂形跡不清； 但在斷裂延伸處第三紀紅層裂隙發育，同時在團風附近長江階地有西低成湖、東高且向南東傾斜之勢，據此推測可能存在隱伏斷裂。

F3段線性圖像特征如圖8所示。圖8(a)為經過邊緣增強處理的F3段部分的遙感圖像。圖像范圍內的地層為第四系覆蓋(更新統沖洪積)，圖像顯示南磧湖湖泊形狀為長條狀，且湖岸邊界平直，走向NE，可能是F3段通過的位置。

(a) 長江南岸南磧湖原始影像 (b) 長江南岸南磧湖增強影像(c) 淋山河東側原始影像 (d) 淋山河東側增強影像

圖8F3段線性圖像特征

Fig.8LinearimagecharacteristicsofF3section

圖8(b)為經過增強處理的F3段另一部分的遙感圖像。圖像顯示不同斑紋地貌相接的平直邊界，界線分明，走向NNE。界線兩側地物色調差異明顯，這可能是因界線兩側地下水水位不同所引起。該特征顯示了F3段兩側地層運動方式以西升東降為主。因此，該界線可能是F3段通過的位置。野外調查證實該處斷裂為西升東降，顯示正斷裂性質。該出露點位于淋山河鎮南東部一開挖剖面，斷面產狀90°∠74°，發育角礫巖和碎裂巖等，發育有寬約2 m的斷裂破碎帶，斷裂帶內劈理和片理發育(圖9)。

圖9 F3段斷裂露頭素描圖Fig.9 Sketch map of fault outcrop of F3 section

4 結論

1)本文采用遙感技術對麻城—團風斷裂帶遙感圖像的線性展布和分段特征進行了分析，根據處理后遙感圖像中的線性圖像特征，將麻城—團風斷裂分為北(F1)、中(F2)、南(F3)3段。經遙感解譯，麻城—團風斷裂在遙感圖像中總體呈右行斜列式分布，斷裂形成時以左旋傾滑為主，兼具走滑特征。

2)麻城—團風斷裂帶處在地殼相對穩定的弱震環境中，從遙感圖像中可發現該斷裂帶活動性不均的特點。F1和F2段斷裂以東盤抬升西盤下降運動為主，F3段斷裂以東盤下降西盤抬升運動為主。麻城—團風斷裂F1段控制力較強，斷裂構造解譯標志明顯，線性特征圖像清晰； F2段活動性減弱，受NW—NNW向斷裂影響，其線性特征圖像模糊； F3段為隱伏斷裂，根據遙感圖像推測至少存在2處斷裂可能通過的路徑。

3)水系格局異常、斷層三角面和斷層谷負地形等多種斷裂微地貌標志均在麻城—團風斷裂帶中有所體現。筆者已有研究表明，麻城—團風斷裂帶的活動性還表現在發現EW向線性玄武巖帶[22]。因此，本次遙感研究可直接或間接地判斷麻城—團風斷裂帶活動是存在的。

4)研究表明，遙感技術在麻城—團風斷裂構造調查中可以發揮相當重要的作用，特別是高分辨率遙感圖像和遙感圖像處理技術的應用不僅可以加快調查進度，還能為實地調查提供指導信息，因而顯著提高了調查效率與精度。本次遙感研究為下一步對麻城—團風斷裂帶的深入研究提供了科學依據和技術支持，適應了武漢城市圈的城市規劃和社會發展的需要。

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