多源遙感揭示的郯廬斷裂帶江蘇段及鄰區特征

余 騰 朱益民 張 鵬 王 鑫 史坤朋 徐朝霞

1 宿遷學院建筑工程學院，江蘇省宿遷市黃河南路399號，223800 2 中國地質大學(北京)土地科學技術學院，北京市學院路29號，100083 3 南京工業大學交通運輸工程學院，南京市浦珠南路30號，211816 4 應急管理部國家自然災害防治研究院，北京市安寧莊路1號，100085 5 武漢大學測繪學院，武漢市珞喻路129號，430079

郯廬斷裂帶是東北亞一條規模宏大的NNE走向活動斷裂，它既是一條構造運動強烈的變形接合帶，也是中國東部平行于太平洋西岸的主要斷裂之一，對我國東部的地震起到控制作用[1]。郯廬斷裂帶一般按照構造特點分為北、中、南3段，北、中段一般以渤海灣為分界，中、南段一般以蘇魯交接處宿遷為分界[2]。郯廬斷裂帶江蘇段主要經過徐州、宿遷、淮安3市，區域人口稠密且經濟發展水平高，震災風險較大。

多年來，對郯廬斷裂帶江蘇段的研究較少且結論不一致，已有成果多是基于地質勘察、地球物理等背景研究。曹筠等[3]采用地震勘探聯合鉆孔剖面方法，判斷白芬子-浮來山斷裂屬于早第四紀斷層；白嘉啟等[4]對郯廬斷裂帶地溫場進行研究，得出斷裂帶中南段熱流值頻度最高，且明顯高于全球平均值的結論；梅衛萍等[5]采用多震相地震走時成像法反演郯廬斷裂帶魯蘇皖段及鄰區三維地殼速度結構，判斷未來可能發生大震的地區為33.4°～34.1°N、118.2°～118.8°E，重點是宿遷市城區和下轄的泗洪縣、沭陽縣；杜曉娟[6]等通過郯廬斷裂帶周邊重磁和斷面資料，分析郯廬斷裂帶南、北段深部構造差異并推斷南延邊界。目前郯廬斷裂帶江蘇段及鄰區遙感研究還主要局限在斷裂地貌形態解譯和重力構造研究上。王鑫等[7]使用美國鎖眼偵查衛星影像對郯廬斷裂帶江蘇段的馬陵山-重崗山斷裂(F5，見圖1)和新沂-新店斷裂(F2)進行解譯與定量分析，得出斷層逆沖活動性質；姜文亮等[8]運用可見光、重力遙感資料對郯廬斷裂帶蘇魯段晚第四紀以來的地貌進行分析，通過小波分解得到的細節圖分析蘇魯段地殼的非均勻性。

圖1 郯廬斷裂帶江蘇段地質構造概況Fig.1 Geological structure of Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

近年來隨著遙感衛星的廣泛應用，大尺度、高分辨率、多源多系統對地觀測成為可能。目前綜合利用這些多源、分辨率較高和現勢性較好的遙感資料，尤其是微波遙感手段對郯廬斷裂帶江蘇段進行的全面研究較為匱乏，因此本文基于可見光、微波、GPS和衛星重力數據對郯廬斷裂帶江蘇段近年活動進行多維聯合研究。

1 郯廬斷裂帶江蘇段地質構造背景

郯廬斷裂帶江蘇段是山東段向南的延伸，可細分為5條不同階段近似平行的次級斷裂F1～F5，其受華北板塊和下揚子板塊碰撞影響，被大別造山帶和蘇魯造山帶挾持，在郯廬斷裂帶主線周邊還發育若干次級斷裂，次級斷裂被郯廬斷裂帶主線控制。研究區還有造山帶、盆地和板塊交接的構造背景，如圖1所示(地形數據為earth_relief_03s，墨卡托投影)。

本文研究的江蘇段主體位于郯廬斷裂帶的南段，與郯廬斷裂帶中段也有重合。江蘇段基底較為復雜，以北的山東、遼寧等地區歷史構造活動明顯，多有大震發生；以南的安徽段也有全新世以來的活動證據，近年江蘇段周邊區域大震少、小震多，發震情況與斷層的閉鎖性緊密相關。

2 可見光遙感揭示的郯廬斷裂帶江蘇段特征及F5斷層南延位置確定

2.1 數據來源與依據

近年來研究區城鎮化建設導致地表改造較大，構造地形地貌痕跡和遺跡破壞較多，因此近20 a左右的高分辨率可見光遙感數據對于斷裂解譯和形變研究并不適用。本文主要選取Landsat7 ETM+、KH-4B衛星影像和SRTM(shuttle radar topography mission)的DEM數據。根據地表改造情況和冬季植被稀疏解譯誤差大小，選取1999-12的兩幅Landsat影像；同樣根據地表改造情況和分辨率大小，選擇地面分辨率為1.8 m的1970年代全色KH-4B衛星影像數據。SRTM由美國航空航天局和國防部國家測繪局聯合測量制作，雷達影像數據覆蓋中國全境，本文選用2000年高程精度為30 m、生產精度達1″的SRTM1數據進行研究。在部分研究區的解譯中，使用空間分辨率為5 m的日本ALOS(advanced land observing satellite)衛星影像數據進行輔助驗證。

2.2 數據處理方法

本文的可見光遙感影像處理方法及總體流程如圖2所示。顧及到斷裂區域大氣環境，選擇Rural氣溶膠模型并采用Gram-Schmidt Pan Sharpening模塊將無地理坐標的KH-4B影像與ETM+的8波段進行配準和圖像融合。在圖像信息增強中，采用易于解譯地質構造地貌邊界的最佳指數法(optimum index factors,OIF)。經對比實驗可知，對p121r36影像5、4、1波段進行假彩色合成能更清晰地分辨裸露基巖與第四紀沉積之間的邊界以及串珠狀水系，對p121r37影像經5、3、1波段組合后水系呈天藍色、基巖呈磚紅色，不同年代地層色調差異明顯，易于解譯斷裂形態。通過對Landsat7 ETM+影像進行4、3、2分量組合的纓帽變換，可以反映基巖與周圍第四紀地貌之間水分含量的差異以及兩者之間的分界線。對研究區DEM進行地貌渲染，通過設置太陽入射角和太陽高度角，可從特定角度辨析地形的起伏情況，以識別線性構造體。

圖2 郯廬斷裂帶江蘇段可見光遙感數據解譯流程Fig.2 Interpretation process of visible light remote sensing data in Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

2.3 主要結果與發現

活動斷裂作為一種線性構造，在遙感影像上的主要特征為兩側地層在色調上呈線性對比、活動構造會引起微地貌特征。在識別出線性體的同時，還要對其兩側是否發育異常水系格局和整體地質構造進行綜合研判。綜合考慮后，建立郯廬斷裂帶江蘇段的解譯標志(表1)。

表1 郯廬斷裂帶江蘇段遙感影像解譯標志

郯廬斷裂帶江蘇段北部被大量植被覆蓋，經圖像增強和濾波后線性特征增強，可識別出沖積扇和5～7條方向較為一致的少量右旋扭轉、位錯沖溝。通過與ALOS影像對比分析(圖3)可知，右旋結論可得到有效驗證，這也與普遍認為的第四紀以來郯廬斷裂帶右旋運動性質較為一致。

圖3 郯廬斷裂帶江蘇段北部南馬陵山西北角水系格局與右旋特征解譯Fig.3 Interpretation of water system pattern and dextral characteristics in the northwest corner of south Maling mountain in the north of Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

對郯廬斷裂帶江蘇段北段黃巢關水庫等地區地貌進行解譯發現，斷裂分隔了左側基巖山地與右側第四紀洪積。對山脊線進行解譯后發現疑似錯動情況，對經纓帽變換的4、3、2分量進行組合后發現，由于巖石、植被的含水量差異在圖中表現出不同的色調，南馬陵山東側發育有串珠狀水系，水系發育伸展方向總體為NE方向，且色調異常與串珠狀水系的走向和斷裂總體走向具有較高一致性，如圖4所示。

圖4 郯廬斷裂帶江蘇段北部特征地區遙感影像處理與解譯Fig.4 Remote sensing image processing and interpretation of northern characteristic area of Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

實驗發現，在郯廬斷裂帶江蘇段南部重崗山地區，以145°作為太陽入射角度可以更好地追蹤斷裂走向。重崗山西側斷層陡坎特征顯著，這與地質調查發現的東側磚紅色砂巖(K2w)逆沖到西側土黃色粘土層(Q3)上的結果具有一致性[1-2]，與Landsat7 ETM+影像的色調差異也有很好的一致性(圖5)。根據山體陰影處理效果可知，斷裂重崗山段北部線性特征并不明顯，中南部的線性特征較為顯著，具有隱伏斷層特征，此處解譯為江蘇段馬陵山-重崗山斷裂(F5)的南延。

圖5 郯廬斷裂帶江蘇段南部特征地區遙感影像處理與解譯Fig.5 Remote sensing image processing and interpretation of southern characteristic area of Jiangsu section of Tan-Lu fault zone

對上述地區野外地質調查驗證后發現，郯廬斷裂帶江蘇段北部裸露的基巖以王氏組(K2w)紫紅砂巖為主，地表行跡方向以NE向為主，這與郯廬斷裂帶帶整體走向一致。以東被黃色粘土所覆蓋，在Landsat7 ETM+影像上也可看出，土壤色調差異明顯，且發育有斷層陡坎。在垂直于斷裂方向上發育有寬度約為0.4～2.0 m的沖溝，實地調查后發現，沖溝具有右旋性質。

綜上可知，通過對郯廬斷裂帶江蘇段北部的南馬陵山、黃巢關水庫、嶂山和南部的重崗山等地進行可見光遙感影像處理，加以實地勘察驗證，可更好地辨識活動斷裂的幾何特征和地表行跡。尤其是對郯廬斷裂帶江蘇段南部的一條活動隱伏斷裂——馬陵山-重崗山斷裂(F5)的確切位置給予較為明確的厘定，并得到地質探槽結果的驗證。

3 微波遙感揭示的郯廬斷裂帶江蘇段活動特征

3.1 SBAS-InSAR技術原理

為解決D-InSAR時空基線過長造成的兩景影像失相干問題，基于時間序列分析的SBAS-InSAR(small baseline subset InSAR)技術通過連接由長基線造成的相對獨立的SAR影像，形成短基線影像集合，以增加數據采樣率和提高形變監測能力。導入外部DEM數據可去除因地形引起的相位誤差，從而得到差分相位，并選取穩定的相干點進行相位解纏與定標處理。

3.2 SBAS-InSAR反演與分析

為研究郯廬斷裂帶江蘇段近年地表形變，選用2015～2020年28景升軌Sentinel-1A衛星SLC(single look complex)級IW(interferometric wide swath)格式影像數據。由于可公開下載的Sentinel-1降軌數據較少，不適用于SBAS-InSAR方法處理，本文采用ALOS衛星L波段SAR數據的處理結果作為升軌數據的驗證。反演所得的LOS向形變速率結果如圖6所示(紅框為特征剖面)，與ALOS衛星的PALSAR數據處理結果比對后可知，LOS向形變具有較好的一致性。

圖6 郯廬斷裂帶江蘇段及鄰區LOS向形變速率Fig.6 LOS directional rate diagram of Jiangsu section and adjacent area of Tan-Lu fault zone

為了更加充分地研究區域LOS向形變關系，選取兩處剖面P1、P2作濾波處理(圖7)。

圖7 剖面LOS向形變趨勢Fig.7 Deformation trend of sections in LOS direction

由圖6可知，郯廬斷裂帶江蘇段東部區域自徐州新沂至宿遷市城區主要表現為沉降，量級為2～4 mm/a；西部區域自臨沂至泗縣以北主要表現為抬升，量級為3～4 mm/a。由圖7可知，斷裂東西兩側不同地區形變趨勢不同甚至相反，量級為3～5 mm/a，間接反映了塊體運動情況。

研究區固體潮、降雨、地下水等自然環境和城市規模、城市開發程度和集中建設時間相近，無明顯背景值差異。從板塊力學的角度來看，產生這種現象的原因可能是近年斷裂兩側的水平應力差異較大。根據研究結果可知，郯廬斷裂帶江蘇段的中北部(泗洪以北)東側城市沉降區數量和沉降范圍明顯大于西側，總體呈現出東降西升的特點，可判斷郯廬斷裂帶江蘇段中北段具有右旋走滑特征；郯廬斷裂帶江蘇段南部(泗洪及以南)在LOS形變上與郯廬斷裂帶中段表現出相反趨勢，但地表沖溝表現出右旋性質，這種矛盾的現象與本文§5和相關學者揭示的此段近年深部閉鎖增強有一定關系，這也進一步驗證了郯廬斷裂帶總體呈現出明顯的分段性這一結論。因此，郯廬斷裂帶帶江蘇段總體表現為右旋走滑運動性質，與前人多數結論具有一致性[1,6,9]。

作為一條具有走滑性質的斷裂，走滑方向與斷裂延伸方向近似平行，且走滑量更能體現斷裂活動性。為將LOS向的形變速率分解至沿斷裂平行和垂直兩個主要方向，將對小范圍形變值分解影響較小的地球曲率視為一個平面，分解示意及分解后形變量如圖8所示。圖8(a)中OB為平行于斷裂的方向，AB為垂直于斷裂帶的方向，α為投影角，β為郯廬斷裂帶與正北方向的夾角，φ為SAR升軌影像相較于北方向的旋角。

圖8 LOS向分解示意和分解后的走滑速率Fig.8 Schematic diagram of LOS decomposition and strike slip rate after decomposition

存在以下關系：

Dstrike=DLOS·cosα

Dvertical=DLOS·sinα

式中，Dstrike為斷裂滑動，Dvertical為垂直于斷裂的形變速率。研究區影像旋角φ約為8°，斷裂方位角β約為12°，LOS向形變分解后可得斷裂兩側相對走滑量約為4 mm/a。值得注意的是，近年來郯廬斷裂帶江蘇段除東、西兩側存在形變差異外，南、北兩側也存在一定差異：以宿遷市城區為界，郯廬斷裂帶江蘇段中、北部以沉降特征為主，南部以抬升特征為主，差異沉降速率約為3 mm/a。

4 GPS揭示的郯廬斷裂帶江蘇段活動特征

以歐亞板塊為參考背景，通過GAMIT/GLOBK處理1998年以來的GPS數據，得到江蘇段周邊GPS站點在ITRF2008框架下的坐標，GPS水平與垂直速度場(90%置信橢圓)如圖9所示。

圖9 郯廬斷裂帶江蘇段及鄰區水平與垂向GPS速度場Fig.9 Horizontal and vertical GPS velocity fields of Jiangsu segment of Tan-Lu fault zone and its adjacent areas

由圖可知，郯廬斷裂帶江蘇段所在的華北板塊總體向東偏移，量級約為6 mm/a，運動方向近乎垂直于斷裂走向，垂直位移反映出本區域相較于歐亞板塊總體表現為沉降特征。

為有效解決原始GPS數據空間分辨率低的問題，采用三次樣條函數插值法對南北向與東西向的速度矢量進行插值，計算結果如圖10所示。

圖10 郯廬斷裂帶江蘇段及鄰區GPS速度場水平向插值Fig.10 Horizontal decomposition and interpolation of GPS velocity in Jiangsu segment of Tan-Lu fault zone and its adjacent areas

由圖10(a)可見，C、D區域呈現明顯的梯度性，南北向速度場與斷裂走向近似平行，D區域平行于斷裂方向的速率約為-1 mm/a，而斷裂所在區域速率約為-2.2 mm/a，C區域約為-0.7 mm/a，即斷裂相對于東西兩側出現向南滑動現象，且這一現象向北遞減。到了A、B區域，再次出現斷裂帶兩側分異的情況，這一現象仍然保持著東側相對于西側向南滑動，走滑的運動性質比南段稍弱。由圖10(b)可見，斷裂東西向速率的分異性與南北向速率的分異性類似，C、D兩處垂直于斷裂方向的速率分別約為7.4 mm/a和6.6 mm/a，表現為東側塊體的擠壓占主導。綜上可知，郯廬斷裂帶帶表現為右旋走滑的運動性質，這與李臘月等[10]借助近年GPS數據通過塊體負位錯模型對郯廬斷裂帶中南段滑動速率的反演結果有較好的一致性。

5 重力遙感體現的郯廬斷裂帶江蘇段深部特征

重力異常反映了地球內部不同深度到地表所有密度不均勻物質的分布性質，可以揭示地質體邊緣分布、殼幔結構以及斷裂的線性展布特征，并為地下、地殼至上地幔深度處的地質構造研究提供約束[11-12]。其導數可反映不同地質體的交接關系，識別不同構造的邊界，抑制深部構造信息的影響，可劃分不同深度和大小異常場源產生的疊加異常，導數階次越高分辨率越強，其原理是基于諾依曼無限平面外部問題的解。本文根據EGM2008球面調和系數計算得到的布格重力異常網格數據，并使用FA2BOUG模型計算區域尺度上的布格修正。收集的重力異常數據分辨率為2′，采樣間隔約為2 km。采用位場數據處理方法對近似場源深度進行反演，結果如圖11所示。

由圖11(a)可見，X方向的方向導數對NS走向斷裂形跡有較好的突顯作用，研究區近乎南北向的高正值異常線性特征明顯且方向與郯廬斷裂帶江蘇段走向吻合度較好，其東、西各區域大體上均為負異常區域，可見郯廬斷裂帶分隔了兩側的地質體，與“兩塹一壘”的構造格局一致性較好。在其東、西兩側分布有NS向斷續分布的線性體構造，可能為郯廬斷裂帶系在我國東部延展與破碎的證據。東側斜列的NS向低異常區域與蘇膠塊體中的幾大凹陷對應明顯。

由圖11(b)可見，Y方向的方向導數對EW走向斷裂形跡突顯效果較好，具有明顯異常特征的斷裂主要位于下揚子板塊與郯廬斷裂帶交接處、斜切的淮陰-響水斷裂以及蘇魯造山帶，沭陽凹陷被一圈高正值異常所圍繞，形成孤立的低異常區，據此可以推測凹陷的范圍。進行更高階的求導也是推斷凹陷深度的一種途徑。

由圖11(c)可見，垂直于重力場方向的一階導數可以反映垂向梯度的變化，對于判斷重力局部異常、劃分構造單元和分析斷裂構造處地形等方面意義重大。從正、負異常區的分布來看，其規律性不強，地表表現較為破碎，反映出該區域地殼環境的復雜性。值得一提的是，對于泗洪地區，無論是在原始的布格重力異常圖上還是在垂向的導數圖上，均表現為高正值異常，根據前人的研究[10]，該地區局部隆升，可能是上地幔高密度物質上涌所致。

重力數據隨場源深度的變化而變化，沉積層對觀測高度的變化相對于深部地質體來說更為敏感。為根據實測數據計算出場源之外的異常值信息，本文采用向上解析延拓減弱淺層地質體的影響，進而增強深部地質構造格局信息。如圖11(d)所示，向地表延拓20 km后，原始的高值異常區依然保留，增強了固鎮-靈璧-泗縣一帶以及研究區西北角的高值異常信息。橫向上的變化比縱向劇烈，而郯廬斷裂帶中南段本身的高值異常明顯大于周邊地區，可作為郯廬斷裂帶是一條NNE走向的莫霍面突變帶的依據[13]。

綜合各方向導數及向上延拓研究成果，并由圖11(e)可知，縱貫研究區中央的郯廬斷裂帶使東、西兩側重力異常出現明顯的西低東高特征分異，西側的華北板塊重力低值異常和東側的蘇魯造山帶重力高值異常都十分明顯，由F6(無錫-宿遷斷裂)、F9(海泗斷裂)、F10(邵店-桑墟斷裂)形成的三角形閉域，包含了沭陽凹陷的低值異常區，往南高值異常稍有緩解。F11(淮陰-響水斷裂)與F12(洪澤-溝墩斷裂)之間斜列的串珠狀NE向的低值異常區對應于鹽阜坳陷，同時也分隔了下揚子板塊。以F23(阜陽-固鎮坳陷南緣斷裂)為分界線，以南EW向的低異常閉圈對應著固鎮坳陷，說明郯廬斷裂帶是該區域一條重要的地球物理分隔帶。究其原因，反映了地殼起伏較大，推覆構造應力作用使深部的均衡狀態被打破。

6 結 語

1)對郯廬斷裂帶江蘇段色差、水系分布、沖溝扭轉及斷層陡坎等地表行跡進行解譯，直接解譯活動斷裂總長度約為36 km，平均走向約為NNE10°。結果表明，南、北兩部的斷裂出露差異較大，與地震活動分區差異有關。

2)利用SBAS-InSAR反演斷裂區LOS向和走滑方向形變速率，結果表明，郯廬斷裂帶江蘇段中、北段為右旋運動，東部區域主要表現為沉降且量級約為2～4 mm/a，西部主要表現為抬升且量級約為3～4 mm/a。斷裂兩側相對走滑量約為4 mm/a，江蘇段北部以沉降特征為主，南部以抬升特征為主，差異沉降速率約為3 mm/a，間接體現了近年來的塊體運動特征。

3)研究區近20 a的GPS速度場研究呈現出西高東低、北高南低的整體格局，三次樣條插值后高密度數據表明，南北兩側相對滑動量約為2 mm/a，東西兩側相對滑動量約為1.4 mm/a，這與斷裂帶兩側占主導的走滑特征具有一致性。長周期的GPS速度場與短周期的SBAS-InSAR數據結果的差異顯示，近年郯廬斷裂帶江蘇段有走滑加速的趨勢。

4)通過研究區布格重力異常、方向導數和向上延拓的研究，闡述研究區地質體之間的交接關系，并探討該區域構造應力的宏觀格局，體現出郯廬斷裂帶使東、西兩側重力異常出現明顯的西低東高特征分異。

需再次提出，本文作者及其他學者近年來對郯廬斷裂帶江蘇段G-R關系及b值指示意義的研究[14-15]均顯示，南部閉鎖特征較北部更強，尤其是泗洪至合肥段斷層閉鎖程度較高，易于產生地殼應力累積，且近300 a歷史上未發生大震，再結合近年相關地球物理探測和地震研判成果，此區間發生中、強地震的概率和風險值得關注。

致謝：感謝應急管理部國家自然災害防治研究院、南京工業大學交通運輸工程學院、宿遷市地震服務中心和江蘇宿遷地震臺提供相關資料和幫助。