遥感是应用航天、 航空等技术, 在远离目标情况下采集从目标发射或辐射的电磁波信息, 通过对观测到的电磁波特性分析, 反演与之发生相互作用的介质性质, 从而识别目标和周围环境的条件。随着现代光电探测技术及计算机图像处理系统的发展, 遥感地质的研究方法和应用领域不断深入和扩展, 已广泛应用于构造地质研究、 矿产勘查预测、 环境地质监测、 城市地质条件评价等领域, 并发挥着日益明显的经济效益。与此同时, 构造地质学在经历了长期的发展之后, 不管是在研究方法还是研究程度上都已经取得了很大的进步。构造地质学强调野外实地观测, 其研究精度随科学技术的发展而迅速提高, 这也对构造地质学的研究方法提出了更高的要求。利用遥感影像识别构造类型, 是构造地质学与遥感技术相结合所研究的重要内容。遥感影像可以从几百米、 几千米的空中或几百千米的空间获取信息, 利于从客观上把握区域构造总体特征。特别是在人迹罕至的地区, 当岩石出露条件良好时, 还可以从高分辨遥感影像上量测其产状要素。因此, 断裂构造的遥感识别、 解译已成为许多工程、 地质单位主要的技术手段。王桂宏等(1998)通过提取柴达木盆地第四系气田遥感信息, 研究其构造特征; 连长云等(1998)研究总结了中国大陆深大断裂构造的分形特征及其大地构造意义; 范湘涛等(2000)利用遥感手段分析库车冲断裂的新构造特征; 郝敏等(2014)基于断裂构造遥感影像特征对比分析了花山岩体与姑婆山岩体的成因关联性; 魏永明等(2015)将不同尺度构造遥感标志特征的研究运用到新疆西准噶尔地区的地质找矿工作中, 取得良好的进展。凡此种种, 都说明遥感技术是构造地质学研究的重要手段, 特别是对人迹罕至地区的构造研究尤为重要。

本项研究在遥感影像数据与基础地理信息数据、 数字图像增强技术与综合信息提取的基础上, 根据卫星遥感影像色彩、 色调异常、 微地貌特征、 水系和纹理特征, 提取了活动构造遥感地质解译的垂直错动标志与水平错动标志。依据这些标志, 对秦岭造山带的地质构造进行遥感解译, 通过野外地质考察验证与断层活动资料的分析对比, 把具有断裂性质的线形构造确定为断裂等, 从而得出本研究区域的断裂构造类型、 组合和展布规律, 为评价秦岭造山带的断裂活动性与发育演化提供了依据。

1 区域地质背景

秦岭造山带是经历长期多次不同构造活动而形成的横贯我国东西的一条复合型大陆造山带, 是扬子与华北两大板块俯冲、 碰撞及陆内造山作用的结果, 在中国大陆的形成与演化中占有重要地位(许志琴等, 1990, 2015; 裴先治等, 1995; 张国伟等, 1997; 宋传中等, 2002, 2006; 董云鹏等, 2003a, 2003b, 2008)。

根据地质、 地球物理、 地球化学等多学科综合研究表明, 秦岭造山带的形成演化主要经历了3个阶段: 1)晚太古代-古元古代造山带前寒武纪基底的形成演化(3.0～1.6 Ga); 2)新元古代-中三叠世, 以现代板块构造体制为基本特征的板块构造演化(0.8～0.2 Ga); 3)中新生代陆内造山作用与构造演化(裴先治等, 1998; 宋传中等, 1999, 2009; 张国伟等, 2000; 董云鹏等, 2003a, 2003b)。

在造山带发展、 演化的每一个阶段, 都伴随一系列断裂的产生, 并随着造山带的构造活动而演化着, 特别是北秦岭, 主断裂和次级断裂组成特有的构造图案, 反映出不同的构造型式和构造活动。所以, 利用断裂类型和断裂组合的构造图案可以研究断裂构造的形成特征, 探讨其变形规律性以及它们在秦岭造山带的演化过程中起着重要作用。

2 遥感影像机理及信息提取方法

本项研究所采用的遥感信息数据为美国陆地资源卫星Landsat-7接收的ETM⁺数据, 它的空间分辨率可见光、 近红外、 中红外及远红外波段为30 m, 热红外波段为60 m。遥感影像色彩鲜明, 层次感强, 影像纹理细节显示清晰。本文通过相关系数和优化指数分析, 使用Google Satelite Map Retriever下载信息量丰富的遥感影像作为人机交互式解译基础图像(图 1), 并选取局部增强和二维空间域定向卷积滤波相结合的数据处理方法, 对遥感影像进行解译, 取得了良好的效果。

2.1 断裂构造形成的影像机理

断裂构造的遥感解译主要是借助光谱特征和形状特征分析而判定的(魏永明等, 2005; Wu et al., 2008; Wang et al., 2012)。由于受构造活动的影响, 断裂带本身及其旁侧在含水性、 岩石成分及机构特征等方面与其外围均存在明显差异, 这些差异可以通过地物波谱异常反映出来。影像上呈现出不同的色调、 纹理结构, 在宏观上对应于不同的地表状况、 地形地貌及水系特征等。通过这些个性特征建立目视解译的标志和信息提取模型, 以此解译工作区的地质现象。

2.2 断裂构造信息提取与解译

断裂构造的线性特征提取, 首先采用空间滤波消除噪声、 增强边缘使图像清晰化, 边界、 线段与周围的像元形成高反差。在此基础上对滤波图像进行二值化处理(Ahn et al., 2008; Elnaggar and Noller, 2009; 雷天赐等, 2012)。本次空间滤波采用3×3的矩阵算子作为卷积函数:

$g\left( i,\text{ }j \right)=\sum \text{ }\sum f\left( K,\text{ }I \right)\cdot h\left( i-K,\text{ }j-I \right)$

(1)

二值化阙值由下式确定:

$T=255-Z$

(2)

选择Z使其满足:

$S = \sum\limits_{i = o}^Z H \left( {255 - I} \right) \le 20{\rm{\% }}$

(3)

公式(1)中, f为输入图像, h为滤波函数, g为滤波后的输出图像; 公式(3)中, H为滤波图像的直方图函数。根据北秦岭地区ETM⁺图像线形体方位的分布特征, 在目视解译基础上, 设计南北、 北西-南东、 北东-南西以及近东西向和全方位空间滤波卷积运算的方位模版(图 2); 与此同时, 采用多种方法综合使用, 增强并提取线性体在不同方位上的空间分布信息编制构造遥感解译图。

3 秦岭造山带断裂构造遥感解译 3.1 地质构造的识别

构造遥感研究的基础是识别显示在图像上客观存在的地质构造现象。一条规模较大的活动断裂可以控制第三纪、 第四纪的沉积及其相应时代的岩浆喷发, 沿断裂可以形成各种构造地貌, 造成断层两侧的地貌差异、 扭动变形与水系的同步转折等现象。因此, 断裂的构造活动状态在卫星图像上可以通过其形态特征信息与色调信息进行识别和判断(梅安新等, 2001; He et al., 2011; Sayer et al., 2012)。通常, 与构造相关的地物识别主要有以下几种:

(1)水平岩层的识别

在低分辨率的遥感影像上不容易发现水平岩层, 这是由于水平岩遭受侵蚀后, 往往由较硬的岩层形成保护层, 且形成陡坡, 保护了下部较软的岩层。在高分辨率遥感影像上可发现水平岩层经切割形成的地貌细节, 并可见硬岩的陡坡与软岩形成的缓坡呈同心圆状分布。如 图 3a所示, 硬岩的陡坡具有较深的阴影, 而软岩的色调较浅。

(2)倾斜岩层的识别

可以根据顺向坡有较长坡面, 逆向坡坡长较短的特点确定岩层的倾向, 也可在高分辨率遥感影像上利用常出现的岩层三角面(包括弧形面、 梯形面), 再根据岩层出露的形态及其与地形的关系确定倾斜岩层的产状。在相邻的沟谷间的山脊上出露的同一岩层可以构成一个三角面, 连接沟谷的直线指示了岩层的走向; 同一岩层构成的三角面或弧形面顶角指向位于山脊, 若顶角的尖端指向下游, 岩层向上游倾斜。若顶角的尖端指向上游时, 岩层向下游倾斜。

(3)断层及其类型的识别

通常断层在没有沉积物覆盖的情况下在遥感影像上都有明显的特征。断层是一种线形构造, 在遥感影像上表现为线性影像。它基本上有两种表现形式: 1)线性的色调异常, 即线性的色调与两侧的岩层色调都明显不同; 2)两种不同色调的分界面呈线状延伸。当然, 具备这两个影像特征的地物不一定都是断层, 如山脊、 较小的河流、 道路、 渠道、 堤坝、 岩层的走向、 岩层的界面等都具有线状特征。因此, 除了这两个基本影像特征之外, 还必须对断层两侧的岩性、 水系和整体地质构造进行研究, 才能确定是否是断层。特别是在高分辨率的遥感影像上, 可以通过对地层的鉴别确定断层, 如地层的缺失与重复, 走向不连续使两套岩层走向错断、 斜交等, 这对于判断与岩层走向一致或角度相近的断层是非常重要的标志。在具体确定是否存在断层时, 必须把影像的基本特征与岩性及整个构造结合起来考虑, 解译才能准确。

3.2 断裂运动学特征识别

断裂构造往往经过多期活动, 各期次构造活动特征也不尽相同。如果能准确识别断裂的运动学特征, 对研究断裂构造活动特征及演化将有着重要意义。活动断裂遥感影像标志可以归纳为垂直错动标志和水平错动标志(Quincey et al., 2006; Silva et al., 2008; 王华林等, 2012)。在活动断裂遥感地质解译中, 水平错动标志要比垂直错动标志易于识别。

(1)垂直差异升降标志

通过卫星图像中活动断裂的垂直差异升降的影像信息特征、 形态特征等分析, 垂直差异升降标志主要有以下几种: 1)地层断错标志: 活动构造两侧的地层岩性成分的差异、 地质体的厚度差异、 地层的拖拽现象等, 在影像特征上主要表现为: 两侧色调的差异及灰阶的差异、 第四系和基岩的分界线、 黄土地区滑坡弧的出现、 植被生长状况的不同等特征, 这些特征在遥感影像上都非常清晰, 容易识别和判断; 2)断层崖与断层三角面标志: 断裂的垂直升降一般表现为一盘上升, 一盘下降, 沿断裂形成陡峭的断层崖, 或者发育一系列整齐排列的断层三角面。在遥感图像上, 断层崖与断层三角面的形态典型影像特征一般表现为暗色调阴影明显, 易于鉴别(图 3b); 3)水系展布特征变化标志: 垂直升降显著的活动断裂两侧, 常常呈现不同的水系形式, 活动断裂通常成为两种水系形式的转折点, 在上升盘水系形式一般呈深切的树枝状水系或格子状水系, 在下降盘一般形成浅切割的树枝状水系、 平行状水系、 羽状水系或扇形水系。水系特征在卫星图像上影像清晰, 形式典型, 是判读断裂构造的最主要影像标志之一; 4)冲击扇标志: 断裂两侧强烈的垂直差异错动, 往往造成断裂两盘形成了两种对照鲜明、 地形反差大的地貌类型, 抬升的一盘隆起成为山地, 下降的一盘发育了一系列冲-洪积扇, 它们沿断裂呈整齐的线状排列, 扇顶部明显受活动断裂的控制, 有时同一条活动断裂控制着几期洪积扇或冲积扇发育, 可以作为断裂经历了几次垂直差异错动和相对稳定的变化过程的识别标志, 它是活动断裂的阶段性隆升所致, 在影像上表现为几期冲-洪积扇的叠加; 5)地貌形态变化标志: 各种地貌形态都是新生代以来内、 外地质应力联合作用的结果。利用地貌类型对比法可以在卫星图像上分析断裂垂直差异错动的状况, 在影像特征上主要表现为地形上形成陡坎, 两侧地貌类型有明显差异, 夷平面及河流阶地的高度差异, 沙丘、 泉水、 水井等沿一条直线定向排列, 断层切割山体形成负地形, 负地形呈直线状排列。

(2)水平运动标志

断裂活动的水平运动可以引起两盘地层的牵引、 拖拽、 变形、 褶曲和错断, 在遥感影像中常常出现以下标志: 1)岩性地层标志: 在遥感影响上主要表现为地层的重复与缺失、 岩层产状的突然改变、 地质体的错开、 正负地形的不对称接触, 在遥感影像图上, 断裂两侧颜色特征的差异十分醒目, 易于识别; 2)地貌形态标志: 现代地貌形态一般都是新生代发育成形的, 因此当活动断裂具有较大的水平错距时, 往往山脊、 山嘴条带状剥夷面等被错开并发生扭动变形; 3)盆地与湖泊的扭动变形: 受活动断裂控制的盆地与湖泊, 当断裂两盘发生显著的水平错动时会发生扭动变形, 这种扭动变形与一些大规模的活动断裂有关, 在影像上表现为一些大范围的变化; 4)水系格局的异常: 断裂两盘的水平错动导致穿过活动断裂的河流和冲沟发生同步转折和扭曲, 活动断裂水平错距的大小, 左旋和右旋错动方式的不同, 可以导致河流和冲沟在平面上呈现出不同的形态, 是一种判断断裂水平错动的重要标志; 5)洪积扇形态的变形: 洪积扇、 冲击扇的发育虽是活动断裂垂直差异错动的标志, 但当它们的形态发生偏扭变形, 冲击扇的偏轴线与断裂斜交时, 往往表征了活动断裂兼具水平错动, 且其偏扭摆动方向反映了所在盘的水平运动方向。

相对垂直运动而言, 水平运动的断裂及运动性质更容易被识别和判断。

4 北秦岭地区构造变形分析

由于秦岭造山带山高林密, 部分地段很难进行地质考察。基于遥感技术的发展以及对断裂构造的遥感影像解读及运动学判断, 针对北秦岭地区进行了基于遥感影像断裂构造研究, 以期从造山带角度研究秦岭造山带内的断裂构造现象及其活动特征。通过对北秦岭地区遥感影像(图 1)的影像处理、 解译与判读, 认为该地区的断裂带以近东西向的主干断裂为主, 与之配套的次级断裂和主干断裂共同组成特殊的构造样式。断裂性质主要为平移断层和逆冲断层。

北秦岭遥感影像上具有近东西向线性特征的影像较多, 是该区的主干断裂, 自北向南主要有车村断裂(F₁)、 洛栾断裂(F₂)、 瓦乔断裂(F₃)、 朱夏断裂(F₄)和商丹断裂(F₅)等(图 4), 根据断裂之间构造岩片变形形态以及相关构造痕迹等信息, 认为它们大多具有左行平移特征。

F₁为车村断裂, 断裂经过昭平台水库使得岸口处出现北西向东南方向的延展(图 3c), 且断裂两侧色调差异明显。断裂东部为一系列小型洪积扇构成的倾斜平地, 洪积扇源端均位于断层线上。断裂带途经仓房地区呈现若干条近东西向平行排列的山脊线, 之间夹着S型构造形迹, 呈枣核形在两端拖尾(图 3d), 由此判断该断裂具有左行平移的构造特征。

F₂为洛栾断裂带, 在遥感影像上线性特征明显, 由一套近东西向断续发育的多条近平行的剪切带组合而成, 断裂两侧纹理异常、 色调异常十分显著, 线性特征清晰、 平直、 延伸较远, 是研究区内重要的地质分界线。水系通过断裂东侧岸口处发生北西向东南方向扭转, 南盘向东牵引现象, 显示出该断裂为左行走滑性质的断裂。F₂断裂经栾川县西南部地区的遥感影像显示为舒缓波状(图 3e), 北盘海拔较高, 属低山的顶部, 并在断裂构造旁伴生有一系列环形构造与南盘共同构成帽状山和高丘。与此同时, 在相邻环形构造间夹杂有密集排列的S形构造形迹, 呈现出逆冲推覆所形成的花状构造图案, 由此可以判断该处区域为由北向南的逆冲断层(刘如琦等, 2005)。F₂中段经过栾川县西北部地区出现同向倾斜的逆冲断层控制的叠瓦扇的典型影像(图 3f)。该区域上下盘之间为不连续的线性构造, 上盘是呈线状排列的多个孤立的高丘, 且为多条弧形构造组成的扇形隆起, 与下盘共同构成椭圆状山地。两盘间是由较短的不连续的线性形成的圆弧状组合, 且组合图案位于断裂的北盘, 也同样表明该区域为由北向南的逆冲推覆构造。因此, 认为F₂断裂不仅具有左旋平移性质, 还具有逆冲推覆特征。

F₃为瓦乔断裂, 在遥感影像上的中部, 总体走向与F₂近平行, 约为290°。一般而言, 断裂因岩石的破碎常常导致地形低洼形成河流与湖泊, F₃断裂东部经过南阳鸭河口水库(图 3g), 水库周围北西向的支流表现出瓦乔断裂北侧的次级断裂, 是花状构造的平面展布形态, 是断裂南侧由南向北的俯冲兼走滑的结果。

F₄、 F₅分别为朱夏断裂带与商丹断裂带, 水系一般沿断裂构造发育, 在遥感影像上清晰可见其构造形迹。F₄走向为北西-南东向, 与F₅间夹杂有大量的花岗岩体。F₅走向近东西向, 断裂北盘地势明显高于南盘, 并且比南盘色调深, 若干条近平行的河流经过断裂中部时发生偏转(图 3h), 显示出断层北盘西移, 南盘东移的现象, 说明F₅为一左旋性质的平移断层。

通过对北秦岭地区遥感影像的处理、 解译和分析可知秦岭造山带内断层发育独具特色, 遥感解译图如 图 4所示。该区近东西向断裂是本区主体方向的构造系统, 断裂带的强变形带由多条断裂组成, 数量多, 规模大, 对本区的构造演化格局起着主导性作用。断层具有多期活动, 大多数具有左旋平移断层的效应, 常把延伸的褶皱和不同岩系左旋错开, 水平错距达十余公里, 甚至更远, 且西段强东段弱。后期叠加了由北向南的逆冲推覆, 从而形成北秦岭现今的构造格局, 与前人的构造研究结果相一致。

5 秦岭造山带遥感地质解译的野外检验

在上述基础上, 重点对崔庄-仓房构造剖面、 庙子构造剖面进行考察, 对解译结果进行野外实地检验。

5.1 崔庄-仓房构造剖面

本剖面最北观察点仓房村以北主要为花岗岩岩体, 自北向南观察可见花岗岩中发育有角闪片岩和黑云斜长片麻岩(图 5), 岩片中顺层石英脉及斜穿层面的花岗岩为宽坪岩群的捕虏体。往南可见S-C面理组合, C面理产状325°∠8°、 345°∠60°, S面理产状0°∠86°、 10°∠65°, 二者夹角为35°, 由S-C组合及斑晶的拖尾构造可看出北盘向上逆冲、 南盘向下俯冲。在圣垛山附近的公路边出露片麻岩与辉石角闪岩条带, 辉石角闪岩往南为强蚀变带, 面理10°∠58°, 带内变形强烈, 常见黑白相间的强变形带, 发育有无根褶皱和S-C面理组合, 均反应北盘向南逆冲。再往南面理较直立, 有肉红色钾长石条带, 显示左旋平移特征。最南侧崔庄附近出露变形强烈的混合岩, 面理185°∠55°。基体为角闪斜长片麻岩, 脉体为长英质, 褶皱十分发育, 显示由北向南逆冲。以上特征均显示秦岭造山带在该剖面上具有由北向南逆冲推覆和左行平移的特征, 与遥感影像解译结果相符。

5.2 庙子构造剖面

庙子构造剖面岩石组成复杂(图 6), 是北侧栾川群、 陶湾群和南侧宽坪岩群以及各种构造岩的岩石混杂堆积带, 是受洛栾断裂带构造活动的影响挤压、 堆积、 叠置在一起的。剖面最北端为陶湾群灰岩, 最南端为宽坪岩群片岩, 从北向南依次出露灰岩-构造角砾岩-含方解石的宽坪岩群构造片岩-糜棱岩-宽坪岩群绿泥黑云片岩、 斜长角闪片岩夹长英质糜棱岩, 并呈互层状, 面理为28°∠69°。往南出露宽坪岩群构造片岩夹方解石脉, 含条带状石英脉, 片麻理及变形强烈, 运动学指向为由北向南逆冲。再往南发育宽坪岩群绿泥黑云片岩、 斜长角闪片岩夹糜棱岩。岩石强烈紧闭褶皱, 轴面北倾, 反映出由北向南逆冲推覆挤压作用, 糜棱岩致密坚硬反映其遭受强烈的挤压作用。总之, 在该剖面可见构造片岩和糜棱岩广泛发育, 显示了该处发生了强烈的挤压作用和剪切作用, 带中的面理、 线理、 透镜体和矿物残斑以及S-C面理特征都显示出断裂具有北盘上升、 南盘下降的逆冲特征。

6 结论

由于断裂构造的形态特征可以在遥感影像上清晰地表现, 使得从造山带尺度研究断裂构造成为构造研究的重要手段。本文利用ERDAS软件通过不同的卷积滤波模型突出了研究区南北、 北西-南东、 北东-南西、 东西向的边界纹理信息, 较好地反映出断裂带的构造特征, 通过对北秦岭造山带断裂构造的研究与野外实地调查, 主要取得以下几点认识, 为秦岭造山带的构造研究提供了遥感方面的技术和依据。

(1)在秦岭造山带地区共解译出近东西向的5条主干断裂, 自北向南分别是车村断裂、 洛栾断裂、 瓦乔断裂、 朱夏断裂、 商丹断裂。

(2)通过对北秦岭地区断裂之间的构造岩片变形形态的遥感影像解译, 对断裂带的运动学特征进行研判, 分析出该区断裂存在左行走滑和逆冲推覆两种构造方式, 北秦岭构造带的断裂主要是这两种断裂形式的断裂组合。

(3)利用遥感影像呈现出北秦岭主干断裂和次要断裂的组合图案为正花状构造, 显示该区具有由南向北俯冲兼有左行走滑的构造样式。

(4)结合前人地质历史的研究, 可以推断出北秦岭构造带的演化与形成方式为: 各岩片在由南向北的俯冲过程中同时产生左行平移作用, 形成了北秦岭现今的构造格局。