臨沂地區斷裂構造遙感解譯

蔣科迪， 羅生龍， 周 立， 蔡冬荃， 肖紅吉

(1.淮海工學院 測繪與海洋信息學院，連云港 222000；2.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083)

0 引言

20世紀70年代初美國海軍科學研究局的Evelyn Pruitt[1]首次提出遙感(Remote Sensing)一詞。而后遙感憑借著其宏觀、高效、實時、海量數據、低成本等優點迅速發展并日趨成熟，被廣泛運用于科學調查、資源勘探、災害監測、國防安全等[2-3]。原始遙感影像在經過PCI Geomatica、ERDAS、 ENVI等專業遙感影像處理軟件處理后，通過解譯可呈現出與地質作用相關的直線、弧線、折線性(狀)，由此可分析區域發育的線性構造，判斷地下斷層的存在。

自1957年航磁大調查發現郯廬大斷裂后，前人通過綜合物探、地震層析及GPS等方法對其進行了深入研究，并取得了諸多成就。同時，部分學者基于TM、ETM+影像對沂沭斷裂帶北段地區進行了斷裂構造遙感解譯。筆者選擇沂沭斷裂帶南段的臨沂地區作為解譯區，通過對該區OLI影像進行圖像預處理、圖像拉伸、邊緣增強、多重主成分分析以及紋理分析等，提取并解譯該區的斷裂構造，進而為區域地質和地震研究提供遙感資料。

1 區域地質概況

沂沭斷裂帶不僅是中國東部非常重要的構造帶，更是地震集中帶。史料記載，安丘、郯城等地先后發生過多次里式7級以上大地震[4]。研究區為山東省南部，郯廬斷裂帶中段的臨沂地區(圖1)，是中生代以來環太平洋構造-巖漿活動帶的一小部分。部分學者認為臨沂地區境內發育4條NNE走向平行主斷裂，表現為“兩塹夾一壘”的斷層組合形式[5-6]。自東向西依次為昌邑-大店斷裂、安丘-莒縣斷裂、沂水-湯頭斷裂和鄌郚-葛溝斷裂[4]。其中昌邑-大店和安丘-莒縣兩條斷裂在第四紀活動性較強，以兼具逆沖活動的右旋走滑為主[7]。兩斷裂之間發育有一系列斜列式活動斷層，與1668年郯城大地震發震斷層區相一致[8]。前人研究表明，沂沭斷裂帶自第四紀以來就是一條主要的活動斷裂帶[9]，整體上表現為東強西弱、南強北弱的特點[10-11]。

圖1 山東沂沭斷裂帶區域地質簡圖[15]Fig.1 Geological sketch map of the area of Yishu fault in Shandong province[15]

沂沭斷裂帶貫穿臨沂地區并將其分隔成華北地臺魯東地塊和魯西地塊兩個II級大地構造單元。魯西地塊具有雙層結構，由前寒武系結晶基底和其上的沉積蓋層組成。基底主要為太古宇混合花崗巖、片麻巖等變質巖，蓋層由古生界、中生界、新生界碳酸鹽和碎屑巖組成[12]。魯西自遷西期至喜馬拉雅期均有巖漿發育，但以早前寒武紀侵入巖為主[13]。魯東地塊以前寒武系結晶基地為主，蓋層不發育[14]，基底主要是黑云變粒巖、黑云片巖和淺粒巖等變質巖。魯東巖漿活動的鼎盛時期為燕山期，多中酸性侵入巖和火山巖。依據侵入的先后順序，同位素年齡和巖石礦物成分將研究區巖漿巖劃分為10個超單元、37個單元。

2 遙感解譯可行性分析

遙感圖像是按一定比例縮小的地面立體模型，遙感線性構造解譯主要依據斷裂等線性構造在遙感圖像上的空間結構特征和光譜特征。研究表明，遙感圖像上的直線、弧線、折線(狀)，其成因與地質作用有關，能間接地反映地下斷層的存在。斷裂是構造應力的產物，構造應力狀態的差異和巖性的變化會導致差異侵蝕和差異分化，從而斷裂帶在遙感圖像上會形成獨特色調、紋理等光譜特征[16]。同時，地下斷裂的存在會導致地表河流改向，溫泉以及泉眼、湖泊的規律性分布，這些都使得遙感解譯線性構造成為可行[17]。郯廬斷裂帶中段的臨沂地區，發育有規模較大的活動斷裂，控制了晚新近紀-第四紀的沉積及同期的巖漿作用，沿斷裂形成了各種構造地貌，造成斷層兩側的地貌差異、扭動變形及水系的同步轉折等[18]，這些地質現象可在圖像處理后的遙感影像上清晰地表示出來。

3 遙感影像質量

原始遙感影像是2015年6月5日Landsat-8 OLI影像，具體波段信息見表1、表2，本研究選取其中的7、5、4波段解譯臨沂地區發育的線性構造。

表1 Landsat-8 OLl陸地成像儀各波段參數Tab.1 Landsat-8 OLl land imager band parameters

表2 Landsat-8 TIRS載荷參數Tab.2 Landsat-8 TIRS load parameters

4 遙感影像處理

原始影像受遙感衛星探測器靈敏度、衛星軌道高度、軌道傾角、偏移系數、大氣等影響將在遙感影像上產生一定誤差，且解譯單波段影像時，解譯標志不夠明顯。研究使用ENVI 5.1圖像處理軟件對原始影像進行校正、線性構造增強，紋理分析等來增強遙感線性解譯標志，最終解譯臨沂地區發育的主要線性構造。

4.1 遙感圖像預處理

圖像預處理主要分為輻射定標、大氣校正、幾何校正、波段合成、圖像裁剪、影像融合等六部分。經Radiometric Calibration工具輻射定標后，無量綱DN值轉換成具有實際物理意義的大氣頂層輻射亮度或反射率。依據影像成像時間和區域緯度位置，選擇“Mid-Latitude Summer”大氣模型進行FLAASH大氣校正，并選用Rural氣溶膠模型和K-T氣溶膠反演法進行大氣校正。選用1∶50 000地形圖6度帶高斯投影實現幾何校正，波段合成后以7波、5波、4波段進行彩色合成(圖2),裁剪后影像范圍是 118°00′～119°00′E、34°40′～35°20′N(圖3)。選用Gram-Schmidt Spectral Sharping工具將低分辨率的多光譜影像和高分辨率的單波段(Band 8)影像重采樣，實現影像融合，其分辨率提高至15 m。

圖2 臨沂地區-(7、5、4)彩色合成Fig.2 Color composition(Band7、5、4) of Linyi area

圖3 臨沂地區遙感影像(OLI 7、5、4)Fig.3 Remote sensing image of Linyi area (OLI 7、5、4)

圖4 臨沂地區-線性拉伸Fig.4 Linear stretch image of Linyi area

4.2 遙感影像線性構造增強

不同尺度的線性體單元構成了一幅空間結構復雜的構造景觀圖像。通過研究構造線性體結構樣式 可建立具有構造幾何學意義的構造線性體模式，獲得形象逼真連續的空間信息[19]。基于線狀構造信息兩側不同的顏色、地貌、形狀等特征解譯并提取出主要斷裂構造。

改變波段中單個像素值可以實現圖像增強，結合圖像直方圖特征和實際解譯需要，這里采用線性對比度拉伸。經Interactive stretching工具擴大原始圖像的灰度值的范圍后，圖像灰度值直方圖趨于飽和，5條NNE向的線性構造信息得到增強(圖4)。

以灰度突變為出發點，通過一階、二階導數，增大邊緣與局域其他像素的灰度對比度，可獲得圖像每個像素在其鄰域內的灰度變化。常用一階微分算子有Prewitt、Robert、Krisch、Isotropic Sobel，常用的二階微分算子有Laplace、LOG。經Robert、Laplace算子處理后5條主干斷裂信息進一步增強(圖5～圖6)。

圖5 臨沂地區-RobertFig.5 Robert operator image of Linyi area

圖6 臨沂地區-LaplaceFig.6 Laplace operator image of Linyi area

運用中值濾波、均值濾波或同態濾波[20]后可以去除孤立點、去噪聲。此處采用5×5卷積核的中值濾波去噪、平滑圖像，削弱圖像中的細節特征(圖7)。

圖7 臨沂 地區-中值濾波Fig.7 Median filtering image of Linyi area

4.3 多重主成分分析

主成份分析(K-L變換或PCA)，是在統計特征基礎上的多維正交線形變換[21]，所謂多重，指對主成分分析的結果與其他處理結果及原始數據經過有針對性地選擇后，組合起來再次進行主成分分析，也可以是幾種不同主成分分析結果的組合[22]。

研究區OLI波段間相關系數較高(表3)，輸入經過拉伸、空間濾波處理后的臨沂地區OLI影像1-7波段。第一次主成分分析后得到PCA1(1-7)和其特征向量矩陣(表4)。彩色合成PCA1(2，3，4)影像，提取出主成分信息(圖8)。

表3 OLI-7波段間相關系數Tab.3 Correlation coefficient of OLI 1-7 band

表4 OLI 1-7 特征向量矩陣Tab.4 Eigenvector matrix of OLI 1-7 band

表5 PCA2特征向量矩陣Tab 5 Eigenvector matrix of PCA2

輸入OLI2波段、5波段、6波段、7波段，第二次主成分分析后得到PCA2(1-4)和其特征向量矩陣(表5)。彩色合成PCA1(3，2)，PCA2(3)影像，PCA2主要對專題信息的數據壓縮和信息分離(圖9)。輸入OLI5波段、6波段、7波段，PCA3一般用于提取不同巖性的信息。第三次主成分分析后得到PCA3(1-3)(圖10)和其特征向量矩陣(表6)，彩色合成PCA1(4)、PCA2(3)、PCA3(2)影像，線性構造信息進一步加強(圖11)。

表6 PCA3特征向量矩陣Tab.6 Eigenvector matrix of PCA3

圖8 臨沂地區-PCA1(2、3、4)Fig.8 PCA1(2、3、4)image of Linyi area

圖9 臨沂地區- PCA(3、2)PCA2(3)Fig.9 PCA(3、2)PCA2(3) image of Linyi are

圖10 臨沂地區-PCA(1-3)Fig.10 PCA(1-3)image of Linyi area

圖11 臨沂地區- PCA1(4)PCA2(3)PCA3(2)Fig.11 PCA1(4)PCA2(3)PCA3(2) image of Linyi area

5 目視解譯與制圖

多重主成分分析為目視解譯提供了很好的基礎，等為進一步提取臨沂地區的斷層信息，在多重主成分分析后，進行紋理分析，其主要方法有統計法、幾何法、模型法以及信號處理法等。

經二階概率統計[23]后影像呈現出宏觀、清晰的線性構造特征，解譯標志明顯，且反映出區域發育眾多沿NNE、NW-SE、近SN、近EW向展布的小型斷裂(圖12、圖13)。結合遙感影像目視解譯標志，可提取出臨沂地區主要線性構造的發育及分布情況(圖14～圖15)。

綜合多重主成分分析結果和紋理分析后影像呈現出的宏觀、清晰的線性構造特征(圖14)進行目視解譯。研究區4條NNE走向的主干斷裂切割深度大、延伸范圍廣。自東向西為昌邑-大店斷裂、白芬子-浮來山斷裂、沂水-湯頭斷裂、鄌郚-葛溝斷裂[24]。但紋理分析后的影像(圖12～圖13)顯示，在昌邑-大店和白芬子-浮來山斷裂之間發育多條獨立且破碎的斷裂，其構成了安丘-莒縣斷裂。因此，部分學者認為的安丘-莒縣斷裂應是白芬子-浮來山和安丘-莒縣兩條平行主干斷裂，即臨沂地區發育有5條近于平行的主干斷裂。

圖12 臨沂地區- Second MomentFig.12 Second Moment image of Linyi area

圖13 臨沂地區- HomogenityFig.13 Homogenity image of Linyi area

圖14 臨沂地區-OLI影像解譯Fig.14 Interpretation of -OLI image in Linyi area

圖15 臨沂地區-斷層線提取Fig.15 Fault line extraction of Linyi are

1)安丘-莒縣斷裂產生于全新世，自晚更新世晚期后沂沭斷裂帶的新構造活動主要表現在安丘-莒縣斷裂上，1668年郯城81/2級地震即發生在該斷裂中段[25]。

2)昌邑-大店、白芬子-浮來山這兩條主干斷裂之間是區域歷史形變破碎帶，它們均被2條近EW向斷裂切割，發生左行走滑，這與郯廬斷裂帶曾發生過大規模 “左行走滑”活動觀點一致。區內一條NW-SE向斷裂被昌邑-大店、白芬子-浮來山兩條主干斷裂切割，并發生較大距離錯位，表明其形成時間早于昌邑-大店、白芬子-浮來山斷裂。作為沂沭斷裂帶的東部邊界，昌邑-大店主斷裂控制了膠東斷塊和泰沂蒙斷塊的發育。白芬子-浮來山斷裂是東地塹的西部邊界，控制中生代白堊系上統王氏群地層的發育。

3)沂水-湯頭斷裂是汞丹山地壘的西部邊界，同時也是馬站-蘇村地塹的東界。該斷裂被一條狹長的NW-SE向和一條近EW向的次級斷層切割，其走向變化較大。沂水-湯頭斷裂郯城附近的東西兩側發育大量相互切割的小斷裂。

4)鄌郚-葛溝斷裂是沂沭斷裂帶的西部邊界，北段以逆斷層為主，擠壓、扭曲明顯。在鄌郚-葛溝斷裂西側，發育有多條近SN 向次級斷裂，這些斷裂延伸較短，斷層兩側巖石巖性大多不同，與沂沭斷裂帶中斷層有一定差別。鄌郚-葛溝以西的魯西地塊小斷裂眾多且互相切割，它們基本都沿著區域內次級斷裂分布。

整體而言，5條NNE向的主干斷裂分布呈現“北疏南密”、“東密西疏”的特點。這與沂沭斷裂帶在第四紀以來整體上表現出東強西弱、南強北弱的特點相一致[11,12]。此外，5條主干斷裂周圍發育大量NNE向小斷裂，充分反映出5條主干斷裂對于區域構造的控制。

6 結論

1)基于OLI影像，經圖像預處理、圖像拉伸、空間濾波增強、多重主成分分析以及紋理分析等處理后，最終解譯臨沂地區主要斷裂分布情況為,臨沂地區主要發育大量NNE向、NW-SE向、近SN向和近EW向4個方向的斷裂，斷裂間表現出明顯的切割錯位關系。

2)區域主干斷裂共5條，主干斷裂走向均為NNE向。自東向西依次為昌邑-大店斷裂、安丘-莒縣斷裂、白芬子-浮來山斷裂、沂水-湯頭斷裂及鄌郚-葛溝斷裂。這些斷裂切割深度大、延伸范圍廣，控制著區域歷史地震和現代地震的發生，在遙感圖像上表現出明顯的線性構造特征和清晰色調界限。

3)區域主要次級斷裂共12條，有較大的切割深度，延展范圍較廣，其中NNE向次級斷裂2條，NW-SE次級斷裂4條，近SN向次級斷裂3條，近EW向3條。

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