麻城—团风断裂带分段活动特征遥感调查

齐 信， 刘广宁， 黄长生

(中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430223)

0 引言

遥感技术在城市活动断裂调查研究中发挥着重要作用，不仅用于宏观分析活动断裂的几何结构、构造地貌和空间展布，还可通过多波段处理技术分析和提取与活动断裂有关的含水异常信息、隐伏信息和二次特征信息等弱异常信息[1]，对城市地震危险性评价具有十分重要的意义。武汉市及外围地区在大地构造上分属秦岭—大别褶皱带和扬子准地台，存在许多断裂带[2]，其中，麻城—团风断裂带对武汉市及其外围地区地壳稳定性和人居环境的影响最大。该地带地壳结构和断裂构造系统复杂，历史上也曾多次发生较大级别的地震[3]，其中，1932年麻城黄土岗6级地震是湖北省历史记载中最大的一次破坏性地震，研究表明麻城—团风断裂为该次地震的发震断裂。因此，麻城—团风断裂带是一条规模大、新构造期以来有着强烈活动的孕震构造。前人对麻城—团风断裂带的研究较少，且鉴于历史时期调查手段的局限性，未能从宏观上把握该断裂带的活动性。1989年谢广林[4]首次利用遥感技术对该断裂带进行了图像解释和描述，但没有对其进行分段活动性论述。开展武汉城市圈活动构造与区域地壳稳定性评价方面的研究，合理避让断层、断裂活动带和地震活动带，对保证人民生命财产的安全和武汉城市圈长期、稳定和持续的发展具有十分重要的意义。

高分辨率遥感图像具有较高的空间分辨率和时间分辨率，使得单景图像的数据量显著增加，地物影像的几何结构和纹理信息更加明显。高分辨率遥感图像的出现使得在较小的空间尺度上观察地表的细节变化成为可能，不仅可以宏观把握断裂的展布情况，而且可以具体分析断裂沿线的多特征信息。综合多特征信息有利于提高对断裂活动判断的准确性，且具有较大的空间性、时效性、经济性和可行性。因此，本文基于高分辨率遥感图像数据，对麻城—团风断裂带进行宏观分析和分段性活动研究，以期为该断裂的深入研究提供科学依据和技术支持，为实地调查提供指导信息，提高调查效率与精度。

1 麻城—团风断裂带概况

麻城—团风断裂带为NNE向区域性断裂构造带，北起豫鄂边界的松子关，向南经麻城、团风、咸宁和通山进入湖南省，全长近400 km，在湖北省境内长度约280 km。该断裂带由一系列平行或斜列的断裂组成，在长江以北表现较明显。前白垩纪时期，断裂带以压剪性活动为特征，发育较宽的糜棱岩和硅化岩带，带内及旁侧有燕山期花岗岩分布，并经受强烈的动力变质[5]，在长竹园附近，其东盘北移现象明显。晚白垩世—古近纪时期，在区域引张作用的影响下，控制了麻城—新洲断陷盆地的形成，并接受了巨厚的陆相红色碎屑堆积[5]。第四纪时，断裂继承性复活，断裂两侧地形、水系特征及河流阶地高程明显不同，水准测量地壳垂直形变大，基本显示张剪性特征。历史记载表明，湖北省境内沿该断裂带曾发生过2次5级以上地震[3,6]。

对麻城—团风断裂带的研究，可以追朔到20世纪50—60年代。在1∶20万比例尺区域地质测量报告和1∶100万比例尺武汉幅大地构造图中，虽程度不等地涉及到该断裂带，但众多学者多集中于探讨东大别高压、超高压变质岩的形成与折返模型[7]，而对断裂带的论述则不多，单独论述该断裂带活动的文献也甚少。本文研究范围为麻城—团风断裂带，宽约18 km，长约108 km，总面积近2 000 km2。对麻城—团风断裂带的遥感解译结果如图1所示。根据遥感图像特征及其活动强度，将麻城—团风主断裂划分为3段： F1为北段，F2为中段，F3为南段。

(a) 麻城—团风断裂带遥感图像(B1(R)，B2(G)，B3(B)) (b) 断裂解译结果

图1麻城—团风断裂带遥感图像及其解译图

Fig.1RemotesensingimageandinterpretationmapofMacheng―Tuanfengfaultzone

2 断裂带及其活动性遥感解译

遥感图像不仅能从宏观上展现活动断裂及其他活动构造的图像全貌，而且能直观地揭示断裂活动的图像信息，为分析发震构造与强震孕育地段及断裂的活动状态与地震活动的关系提供丰富的信息[8-12]。利用遥感数据进行麻城—团风断裂带及其活动性调查,流程如图2所示。首先对多源遥感数据进行几何纠正、图像融合和镶嵌等预处理； 然后分别对图像数据进行增强和分割处理，综合波谱特征信息和空间形态特征信息等，建立遥感图像地物解译标志； 根据解译标志提取线性构造和多特征多地物相关信息，并结合解译区相关资料进行断裂带及其活动性的初步判断。

图2 断裂带及其活动性遥感解译流程图Fig.2 Flow chart of remote sensing interpretation for fault zone and its activity

2.1 遥感数据预处理

本文采用的遥感图像增强方法主要包括图像滤波和图像变换[13-18]。由于地质构造信息与地表地物呈复杂相关，很难找到一种对所有地质构造信息提取都有效果的遥感图像处理方法，因此针对不同地物目标需要采用不同的遥感图像处理方法提取断裂构造信息。

2.2 断裂构造解译方法

断裂构造遥感解译方法是根据遥感图像的光谱特征、形状特征、纹理特征、等级特征和关系特征(即形状、大小、阴影、色调、纹理、图案、位置和布局等)建立地物图像和实地目标地物之间的对应关系，从而建立断裂构造的遥感解译标志。根据解译标志，采用不同方法对遥感图像进行解译，勾绘地物类型界线，标注地物类别，形成预解译图[12]。本文采用的遥感解译方法包括直判法、追索法、类比法及综合多特征信息法等，尤其是综合多特征信息法对断裂解译有较好的效果，易于识别断裂带沿线地物的遥感特征。该方法包括图像预处理、图像特征提取和分类综合判别，以所要提取的光谱、形状和纹理特征信息为依据进行分类，综合判断地物，从而在很大程度上提高了对地质构造解译的准确性。

2.3 断裂解译标志

任何地表和埋藏一定深度的断裂，由于其力学性质、活动特征和伸展状态及两侧自然景观的不同，反射电磁波谱的能量也有差异，从而构成遥感图像中的不同色调和几何形状[19-21]。遥感图像经预处理后，首先要建立断裂构造带解译标志，才能正确识别遥感图像中的断裂构造。本文建立的断裂构造遥感解译标志主要包括色调异常、水系异常、地貌差异、线性异常和多尺度信息等，尤其是线性色调异常带，河流或冲沟在跨越线性地物处有规律的扭动和拐弯，在地貌上线性排列的挤压脊、鼓包、断层陡坎和拉分盆地等微地貌，都是判断断裂构造的直接标志。另外，多尺度信息综合了光谱特征、纹理特征和形状特征等信息，提取断裂带的多尺度信息，相当于融合了以上多种解译标志。

3 断裂带分段活动性调查与分析

麻城—团风断裂带在遥感图像中由麻城东北的黄土咀起，向南经阎家河、白果东、夫子河、道观河、旧街、淋山河至团风，并延伸过长江，走向NE15°～30°。该断裂带的东侧地貌属于构造剥蚀型，主要包括低山、剥蚀丘陵和岗状平原等，地层年代较老； 西侧地貌则属于堆积型盆地，主要包括河漫滩和Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级阶地等，地层年代较新。根据遥感图像中显示出的线性特征，麻城—团风断裂带由黄土咀至团风大致可以分为3段，即F1，F2和F3(图1(b))。

3.1 F1黄土咀至白果东段

F1段在遥感图像(图3)中主要表现为基岩区与构造盆地间明显的线性界线，造成了东部老地层组成的山地与西部新地层覆盖的盆地相接，界线平直，犹如刀切。循断裂延伸方向，地势低洼，构造河发育。这些短小的构造河多半自断裂东侧山地流出，穿过断裂带进入盆地后即改变流向汇入沿盆地东缘南流的较大河流。

(a) 麻城市东侧原始影像(b) 麻城市东侧增强影像(c) 黄土咀东侧原始影像 (d) 黄土咀东侧增强影像

图3F1段线性图像特征

Fig.3LinearimagecharacteristicsofF1section

图3为经过增强处理后的F1段的部分遥感图像。处理后图像中浅色基岩区与深色覆盖区的相接界线明显，沿边界处发育有明显的断层三角面和三角面山。图3(a)中基岩区流出的数条河流进入覆盖区盆地后均发生了大于90°的同步弯转现象，这些河流的弯转点间接揭示了F1段在遥感图像中通过的位置。野外调查中发现，盆地外围变质岩中小型断裂有所发育，NEE和EW走向小型断裂发育，多为脆性正断裂(图4)。

图4 F1段断裂露头野外照片Fig.4 Field photo of outcrop of F1 section

图3(c)中显示的河流流向变化说明了F1段断裂构造运动具有左旋倾滑的特点，控制断裂2盘东升西降运动，后期野外验证证明了解译的正确性。图3(b)中北部沿河流发育断层三角面界线明显，南部基岩区与盆地交界处断层三角面因长期侵蚀而出现“后退”现象。同时，在麻城市东部沿线发现大量玄武岩出露，呈EW向串珠状发育，亦说明麻城—团风断裂北段断裂活动特征明显。图5为F1段玄武岩露头野外照片，其中P1和P2为玄武岩露头位置。

图5 F1段玄武岩露头野外照片Fig.5 Field photos of basalt outcrops of F1 section

3.2 F2白果东至淋山河段

遥感图像显示该段断裂因受到多条互相平行的NW―NNW向断裂的影响，造成了山地与盆地相接处线性特征的减弱和模糊，这说明麻城—团风断裂在该段的活动性和控制力有所减弱。

图6为经过增强处理后的F2段部分遥感图像。图像显示浅色基岩区(山地)与深色覆盖区(盆地)之间的界线比较模糊，在图像上表现为宽约1 km的交界带。交界带东侧基岩区发育有多条呈NW—NNW向分布的次级断裂构造，这些断裂构造与麻城—团风断裂带相交，交接关系复杂而难以从遥感图像中清晰辨认。此处麻城—团风断裂带或切过NW—NNW向断裂，或被多条NW—NNW向断裂切割成多条平行或斜列的断裂或断裂带。

(a) 原始影像(b) 增强影像

图6F2段线性图像特征

Fig.6LinearimagecharacteristicsofF2section

因此，麻城—团风断裂带在该段通过的精确位置需要通过野外调查和勘探予以确认。在野外调查中发现了断裂带的局部露头，如在夫子河镇发现了宽约20 m的断裂破碎带(图7)。该断裂破碎带露头中碎裂岩、硅化带和断层泥发育，剖面内多条小断裂相互切割，呈斜列分布，但断裂性质难以确定。

图7 F2段断裂破碎带野外照片Fig.7 Field photo of fault fracture zone of F2 section

3.3 F3淋山河至团风段

麻城—团风断裂带F3段地表为第三纪红层及第四纪覆盖层，断裂形迹不清； 但在断裂延伸处第三纪红层裂隙发育，同时在团风附近长江阶地有西低成湖、东高且向南东倾斜之势，据此推测可能存在隐伏断裂。

F3段线性图像特征如图8所示。图8(a)为经过边缘增强处理的F3段部分的遥感图像。图像范围内的地层为第四系覆盖(更新统冲洪积)，图像显示南碛湖湖泊形状为长条状，且湖岸边界平直，走向NE，可能是F3段通过的位置。

(a) 长江南岸南碛湖原始影像 (b) 长江南岸南碛湖增强影像(c) 淋山河东侧原始影像 (d) 淋山河东侧增强影像

图8F3段线性图像特征

Fig.8LinearimagecharacteristicsofF3section

图8(b)为经过增强处理的F3段另一部分的遥感图像。图像显示不同斑纹地貌相接的平直边界，界线分明，走向NNE。界线两侧地物色调差异明显，这可能是因界线两侧地下水水位不同所引起。该特征显示了F3段两侧地层运动方式以西升东降为主。因此，该界线可能是F3段通过的位置。野外调查证实该处断裂为西升东降，显示正断裂性质。该出露点位于淋山河镇南东部一开挖剖面，断面产状90°∠74°，发育角砾岩和碎裂岩等，发育有宽约2 m的断裂破碎带，断裂带内劈理和片理发育(图9)。

图9 F3段断裂露头素描图Fig.9 Sketch map of fault outcrop of F3 section

4 结论

1)本文采用遥感技术对麻城—团风断裂带遥感图像的线性展布和分段特征进行了分析，根据处理后遥感图像中的线性图像特征，将麻城—团风断裂分为北(F1)、中(F2)、南(F3)3段。经遥感解译，麻城—团风断裂在遥感图像中总体呈右行斜列式分布，断裂形成时以左旋倾滑为主，兼具走滑特征。

2)麻城—团风断裂带处在地壳相对稳定的弱震环境中，从遥感图像中可发现该断裂带活动性不均的特点。F1和F2段断裂以东盘抬升西盘下降运动为主，F3段断裂以东盘下降西盘抬升运动为主。麻城—团风断裂F1段控制力较强，断裂构造解译标志明显，线性特征图像清晰； F2段活动性减弱，受NW—NNW向断裂影响，其线性特征图像模糊； F3段为隐伏断裂，根据遥感图像推测至少存在2处断裂可能通过的路径。

3)水系格局异常、断层三角面和断层谷负地形等多种断裂微地貌标志均在麻城—团风断裂带中有所体现。笔者已有研究表明，麻城—团风断裂带的活动性还表现在发现EW向线性玄武岩带[22]。因此，本次遥感研究可直接或间接地判断麻城—团风断裂带活动是存在的。

4)研究表明，遥感技术在麻城—团风断裂构造调查中可以发挥相当重要的作用，特别是高分辨率遥感图像和遥感图像处理技术的应用不仅可以加快调查进度，还能为实地调查提供指导信息，因而显著提高了调查效率与精度。本次遥感研究为下一步对麻城—团风断裂带的深入研究提供了科学依据和技术支持，适应了武汉城市圈的城市规划和社会发展的需要。

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