基于多源遥感数据的西藏羌多地区地质构造解译

刘新星，陈建平，曾 敏，代晶晶，裴英茹，任梦依，王 娜

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037;3.成都理工大学地球科学学院，成都 610059;4.中国地质环境监测院，北京 100081)

0 引言

1972年，第一颗地球资源技术卫星(ERTS，后改称Landsat1)进入预定轨道，开启了利用卫星图像解译地质信息的新时代，遥感技术也得到了广泛的应用。遥感作为一种先进的空间技术，具有较好的综合性、宏观性及直观性，对地质构造解译具有独特的优势［1－2］。受构造控制或影响的地质体、水体和植被等地物，其反射来自太阳的电磁波辐射的能力存在差异，在遥感影像上表现为不同的色调和形态特征，可用于直接或间接解译地质构造。但是，遥感图像通常都是为解决特定问题而设置空间分辨率等参数的，然而地质构造形迹从区域到手标本可划分为不同尺度，因而单一遥感数据并不能满足多尺度构造解译的要求。本文在研究多源遥感数据特点的基础上，发挥其不同传感器的波谱分辨率和空间分辨率等综合优势，开展了对地质构造解译方法的研究。

近年来的国土资源大调查和专题研究发现，班公湖—怒江成矿带不仅是一条重要的板块缝合带，而且对其南、北两侧南羌塘南缘和冈底斯北部的岩浆活动及构造演化也具有直接的控制作用，同时也是一条重要的成矿带［3］。本文的研究区位于班公湖—怒江成矿带西段的羌多地区，平均海拔5 000 m左右，5 800 m以上的山峰为冰雪覆盖区;自然条件恶劣，交通不便，开展常规地质工作困难，因而地质工作程度较低。但是，当地植被覆盖极为稀疏，基岩出露较好，为遥感地质调查提供了得天独厚的优越条件。为此，本文开展了基于 ETM+，ASTER，WorldView2及DEM等多源遥感数据的地质构造解译，为野外详细的地质调查做好准备，亦可弥补野外常规地质填图之不足。

1 研究区地质概况

研究区羌多地区位于西藏自治区西部，在行政区划上东部和北部分属日土县及革吉县管辖，地理范围在 E81°45'～82°30'，N33°10'～33°30'之间，总面积约2 500 km2。其大地构造位置处于班公湖—怒江缝合带西段北麓，缝合带呈NWW向从研究区西南部通过，缝合带以北为喀喇昆仑—南羌塘—左贡陆块。缝合带及陆块均属研究区内的Ⅰ级大地构造单元，经历了古特提斯阶段、新特提斯阶段和陆内汇聚高原隆升阶段的发展与演化，各阶段的地史演化、构造和岩浆活动均与板块运动密切相关［4］。受古特提斯洋和新特提斯洋演化的影响，研究区内形成了NWW向展布的班公湖—怒江缝合带、晚侏罗世－早白垩世残余海盆、晚三叠世前陆盆地和早－中二叠世活动大陆边缘盆地等。在陆内汇聚的作用下，大区内的构造变形由南向北呈现由强变弱的趋势，并且南部以近EW向右行走滑变形构造为主，北部以NE和NW向构造变形为主。NE和NW向构造多为拉张斜滑变形，形成古近纪－新近纪断陷盆地［3－5］。

研究区内从晚古生代以来，地层发育较齐全，岩浆活动较频繁，褶皱、断裂及推、滑覆构造较发育，新构造运动特征亦较明显，地质构造极为复杂［5－7］。通过研究已有地质资料了解到，区内主要的构造形迹为近EW向，SN向及NE或NW向。其中，EW向构造主要为逆冲推覆构造及相关的褶皱构造，NE与NW向构造多为走滑性质，NS向构造多为南北挤压、东西伸展所形成［8］。值得注意的是，SN向正断层及NE与NW向走滑断层是区内当前地貌特征最重要的控制因素。

2 遥感数据源的选择与处理

随着航天遥感技术的发展，遥感数据的种类不断增多，其空间分辨率、波谱分辨率、辐射分辨率及时间分辨率都有大幅度提高。综合考虑数据成本及数据的几何精度，本文选择存档的ETM+图像数据作为优选数据。由于ETM+图像存档数据丰富、经过正射纠正且云雪覆盖率低，故可供在区域上解译宏观大型构造。与ETM+图像相比，ASTER遥感数据的空间分辨率和光谱分辨率有很大提高，在短波红外光谱区设置了更多波段，可提取多种矿物及矿物组合的遥感信息;并能间接反映构造信息，其热红外波段还可以很好地反映含水断裂。WorldView2具有0.5 m的高空间分辨率，对地层产状及小型地质构造具有良好的识别效果，甚至可以结合高精度的DEM数据定量提取地层产状［9］。

在进行地质构造解译之前，对原始遥感数据进行了辐射校正、大气校正、几何纠正、数据融合、图像镶嵌和RGB彩色合成等图像预处理，为地质构造的目视解译提供了影像清晰、位置准确、信息丰富及可解译性强的基础遥感图像。

3 基于ETM+和ASTER的构造解译

3.1 线性构造

线性构造在遥感图像中比较直观醒目，信息量也相对丰富。线性构造解译可分为直接解译和间接解译2种方法。直接解译法可依据岩性、地层或构造等不连续影像特征，解译出线性构造［10］。图1中，F1断裂西北与东南两侧地层的走向不同，西北侧地层走向大致近EW方向，东南侧地层走向为NW方向，说明地层明显受断裂错动而发生不连续;且F2断裂被F1断裂切断，因此可直接解译出F1断裂。

图1 根据地层及构造不连续直接解译线性构造Fig.1 Linear structures interpreted according to discontinuity of stratum and structure

间接解译法主要是依据影像的色调、地貌、水系、土壤植被、岩浆岩、蚀变带分布及综合景观特征间接推断线性构造。图2(a)中，断裂两侧地貌及色调特征均有明显差异，并且分布有SN走向的陡崖，据此解译出SN向断裂。图2(b)中，依据水系受断裂控制呈直角转弯的特征，可解译出NNW向断裂。图2(c)中，依据水系受断裂控制和影响呈直线状分布的特征，解译出NW向断裂。图2(d)中，由于构造隆升，冲积扇在山口呈线状排列，据此解译出NW向断裂。

图2 线性构造的间接解译标志Fig.2 Indirect interpretation keys of linear structure

利用ASTER数据，经图像处理及系列试验发现，ASTER(B4/B5)(R)(B4/B6)(G)(B4/B7)(B)假彩色合成图像可以清晰地反映研究区的岩性单元(图3)。

图3 研究区ASTER(B4/B5)(R)(B4/B6)(G)(B4/B7)(B)假彩色合成图像Fig.3 False color composition image of the study area composed with ASTER(B4/B5)(R)(B4/B6)(G)(B4/B7)(B)

结合用ASTER数据解译出的岩性单元和用WorldView2高分辨率图像解译出的地层产状，可以解译出研究区的地质构造。强烈的构造运动在一定程度上会产生一系列的破碎带，同时也会有构造蚀变带的存在。利用ASTER短波红外波段数据提取的遥感蚀变信息中［11－13］，发现有粘土蚀变呈线性分布，指示了线性构造的存在。

3.2 环形构造

环形构造指在遥感图像中具有地质意义的环形影像，包括基底穹窿及各时代沉积岩系的圆形、椭圆形构造(陆核、古潜山、油气构造及盐丘等)，隐伏的隆起、坳陷，穹窿构造及向斜构造，以及火山机构、环形侵入体、爆破岩筒、各种蚀变晕圈、环形断裂和热液通道等［14］;在遥感图像上通过色调环、地貌环、水系环、植被环、影纹环或复合类型的环状特征表现出来。在地貌上，环形构造往往形成独特的高地或洼地，发育环形或放射形向心型、背心型水系［10］。图4中出现的深褐色色环，地貌为环形高地，可综合解译为环形构造。

图4 环形构造形成的色调环及地貌环Fig.4 Tone ring and geomorphic ring formed by ring structure

图5中红褐色的地质体呈现出椭圆状色环，且部分水系呈背心放射状，据此解译为环形构造。

图5 环形构造形成的色调环及放射状水系Fig.5 Tone ring and radial drainage formed by ring structure

4 基于WorldView2的构造解译

4.1 基于WorldView2数据的地层产状解译

在遥感图像中，同一倾斜岩层地表露头线上的任意山脊点和与其相邻的2个河谷点相连接可以构成三角形面(即“岩层三角面”)。因岩层具有一定的延伸性，故该三角形面在一定程度上能够反映地层的产状。利用遥感图像进行地质构造解译，其中最基础的工作是利用WorldView2高分辨率数据解译地层走向，并在基岩出露区利用“岩层三角面”解译地层产状。水平岩层或近水平岩层一般指倾角小于5°的岩层，这类岩层的倾向与倾角很难用肉眼识别。水平岩层的影像特征与地层切割程度有关，在平坦地区，由于切割不深，图像中只反映水平岩层顶部特征，因而水平岩层的影像都显得单一而均匀。倾斜岩层是指倾角在5°～80°之间的岩层，这类岩层较为常见。受岩性与地层切割的影响，遥感图像中的岩层三角面不一定都是三角形，还可呈熨斗形、半圆形或梯形等形状。多个岩层三角面常沿岩层倾向形成叠瓦状影像特征，沿岩层走向断续相连形成锯齿状、波浪状或不规则的折线状影像特征。据此，通过对WorldView2高空间分辩率数据的目视解译，可以初步解译研究区的地层产状［15－16］。如图6所示，岩层三角面底边的延伸方向(SN)即为地层的走向，岩层三角面的倾向(W)即为地层的倾向。

图6 利用W orldView2图像中的岩层三角面解译地层产状Fig.6 Stratum attitude interpreted by using lithologic triangle face in W orldView2 image

4.2 褶皱构造解译

褶皱的主要解译标志为不同色调的平行条带呈闭合状、岩层三角面或单面山的对称出现、岩层对称重复出现、转折端及特殊水系等。利用前文中WorldView2图像解译的地层产状解译成果，在研究区识别出一系列轴向近EW的褶皱。如图7所示，由岩层三角面显示在龙格组(P2lg)灰岩中存在相对的地层产状(南翼向北倾，北翼向南倾)及岩层的对称重复出现，可解译为轴向近EW的向斜构造。

图7 根据WorldView2数据所得地层产状解译向斜构造Fig.7 Syncline structure interpretation based on stratum attitude acquired from W orldView2 data

综合考虑地层分布特征及产状，解译出了一些走向NWW的断层与轴向NWW的褶皱。图8中的背景图像均为ASTER［(B6+B9)/B8］(R)(B1/B2+B5/B3)(G)［(B5+B7)/B6］(B)假彩色合成图像，可较好地反映地层岩性信息。

图8 根据岩性分布、地层产状及构造组合特征解译向斜构造Fig.8 Syncline structure interpretated according to lithologic distribution，stratum attitude and structural combination characteristics

根据图8(a)中破碎带特征，解译出了NWW走向的逆冲断层(F1)，其上盘(南盘)为一轴向NWW向的向斜。该向斜的解译依据为:①核部为较新的龙格组(P2lg)灰岩;②两翼分别出露吞龙共巴组(P1－2t)碎屑岩夹火山碎屑岩;③根据岩层三角面解译所得产状数据显示两翼地层相对而倾(野外测得的地层产状同样具有此特征)。向斜构造在其东端向南发生了偏转，可能因其东侧的SN向正断层(F2)导致。图8(b)为图8(a)所示区域的三维地表视图，可更直观地显示其发育特征。

4.3 断裂解译

研究区内广泛发育着小规模断裂，本文以该区1个小型走滑断裂的解译(图9)为例，来说明此断层在WorldView2图像中有明显的表现。

图9 NW向走滑断层在W orldView2图像中的特征Fig.9 Characteristics of strike－slip fault in NW strike in W orldView2 image

图9中，沿NW走向的断层，两盘地层的产状出现了明显的差异:东北盘近EW走向，西南盘近NW走向，推断该产状差异应为走滑断裂作用的结果。野外调查发现，该断裂破碎带规模较小(长约1～2 m)，在其内部出现的擦痕构造的产状近水平，表明断层2盘发生了水平方向的相对运动。

5 野外验证及全区解译

经野外验证发现，研究区内的断裂带往往伴随有明显的褐铁矿化，导致断裂带露头形成典型的红褐色特征;虽然这种褐铁矿化对所有的地层都有影响，但往往沿断裂带更为强烈，表观色调特征也更为明显，这为依据褐铁矿化影像进行部分断裂带的解译提供了条件。沿走滑断裂带中出露的基岩，破碎变形十分强烈。如图10(a)所示的龙格组(P2lg)碳酸盐岩，在强烈的走滑剪切作用下，形成了近乎平行于剪切带的面理构造。角砾岩化和大理岩化同样是断裂带内或附近经常出现的变形特征(图10(b))。

图10 与走滑断裂带相关的面理构造和变形构造的实景照片Fig.10 Field photos of foliation deformation structures associated with strike－slip fault zone

根据对World View2图像的初步构造解译及野外验证结果，编制了整个研究的构造解译图(图11)。

图11 研究区地质构造解译图Fig.11 Geological structural interpretation map of study area

从图11可以看出，可解译的地质构造数量明显增加，提高了研究区的构造解译程度。主要的构造迹线有:①近EW向;②SN向;③NE或NW向。其中，近EW向构造主要为逆冲推覆构造及相关的褶皱构造，此类构造在研究区内极为发育，且形成时间最早，是区内地层分布的主要控制因素。近EW向构造往往被后期的构造活动所改造，导致其局部走向或动力学性质发生改变。NE和NW向构造通常具走滑性质，常与SN向正断层相伴发育，与青藏高原EW向伸展的大地构造特点相协调。SN向正断层及NE或NW向走滑断层是研究区内当前地貌特征最重要的控制因素。环形构造主要分布在研究区北部的吞龙共巴组(P1－2t)地层内，野外工作表明该区的环形构造主要受岩浆作用控制明显。

6 结论

1)利用中等分辨率的ETM+数据可以宏观把握区域构造展布，根据ASTER数据提供的蚀变及地质体边界信息也可以为构造解译提供依据(特别是对于构造架构的解译)，还可以验证ETM+数据的地质构造解译结果。

2)利用WorldView2高空间分辨率数据可以解译地层产状，对进一步解译构造及确定构造性质有一定的辅助作用。

3)基于DEM数据构建的三维场景，在一定程度上也有助于地质构造的解译。

4)结合研究区的大地构造背景及应力模式，可确定地质构造的性质。

研究结果表明，综合利用多源遥感数据，基于不同分辨率遥感数据提取并分析不同尺度的地质构造信息，可大大提高地质构造解译的可信度和准确度，这是任何单一遥感数据不能做到的。

志谢:本文写作过程中得到了中国地质科学院矿产资源研究所王登红研究员的悉心指导和帮助，中国地质大学(北京)孟苗苗博士也提供了修改意见，在此一并表示衷心的感谢。

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