基于多源数据的郯庐断裂带安徽段遥感解译及其空间分布特征

2019-12-02赵卫东章浩南卫佳佳

自然资源遥感 2019年4期

赵卫东，郑勇，章浩南,2，姜琼，卫佳佳,2

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥 230009；2.合肥工业大学智能制造技术研究院，合肥 230088；3.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009)

0 引言

郯庐断裂带是一条由五河—合肥断裂等多条深大断裂组成的断裂构造破碎带。郯庐断裂带安徽段北起明光市嘉山、南到庐江县，沿大别山东麓延展，全长约400 km，宽度约20～40 km，在地貌上呈NNE向延伸的低山丘陵[1-2]。关于郯庐断裂带的组成及其空间分布特点，尽管存在较多学术争议[3-8]，但目前普遍认为郯庐断裂带安徽段主要由五河—合肥断裂、石门山断裂、池河—太湖断裂以及嘉山—庐江断裂等4条主干断裂共同组成。其中，五河—合肥断裂为郯庐断裂带安徽段的西界断裂，嘉山—庐江断裂为其东界断裂[1,9]。但也有部分学者持不同观点，张交东等[2]认为郯庐断裂带安徽段除上述4条主要断裂之外，在张八岭隆起以东的古河—散兵断裂也属于该断裂带；李云平等[10]则认为郯庐断裂带安徽段仅仅由1条或2条(池河—太湖断裂、嘉山—庐江断裂)主干断裂组成；聂峰等[11]通过对安徽北部郯庐断裂两侧的蚌埠隆起和池河魏岗山的花岗片麻岩、斜长角闪岩展开锆石U-Pb定年分析，确定郯庐断裂安徽段西界的主断裂为朱顶—石门山断裂；而张交东等[2]依据高精度大地电磁和人工地震剖面等资料认为该段由多条断裂组成，除上述4条主要断裂外，在张八岭隆起以东还存在一条古河—散兵断裂，主要反映下扬子板块与郯庐断裂带的分界线，应为郯庐断裂带的东界断裂。也有少量学者认为郯庐断裂带安徽段的边界应为若干断裂发育而形成的断裂束。芮柏[12]认为郯庐断裂带苏皖段主要由东、西2条边界断裂(束)组成：东界断裂(束)发育在安徽紫阳、嘉山、池河、古城、柘皋一线，走向延展为N5°E～N15°E，陡倾，主要表现为老地层(元古界胶东群、风阳群和张八岭群)与上白垩系红层直接接触的分界面；其西界断裂大致发育在安徽五河大巩山、定远练铺、肥东桥头集一线，总体走向N10°E左右，倾向W，断裂表现特征，除如东界断裂那样为新、老地层的分界外，还常常表现为强烈的挤压柔皱、片理化、透镜体化，常出露有强烈的挤压机械破碎作用以及强烈的硅化、糜棱岩带等。宋传中等[13]认为郯庐断裂带桐城—庐江段(安徽南段)构造特征明显，由东界断层和西界断层及伴生断层组合而成，它们是同一应力作用下的产物，表现出左行走滑的运动学特征。其中，东界断层主要出露在庐江县小烟墩、白兔山、青草山和桐城县的桐梓山一带，其余大部分被新生代沉积物覆盖，该断层走向N35°E～N50°E，倾向NW；西界断层区内出露在庐江县的长岗头、柯坦，桐城县的吕亭和桐城县城一带，该断层走向N35°E～N45°E直线状延伸，倾向E，断层带由数条平行的断层组合而成，带宽近百m。

由于郯庐断裂带历经多次构造运动的强烈改造，演化时间长、空间跨度大，形成了现今复杂的构造格局，同时受限于研究方法的不同，一些观点难免存在分歧。以往的研究区重点在大别山以北，即郯庐断裂带安徽段的北部(嘉山—庐江段)，对于郯庐断裂带在安徽南部(大别山地区)的空间分布研究甚少。但根据王小凤[14]的研究表明郯庐断裂带在安徽南部仍有分布，并延伸至湖北广济。因此，本研究利用多源遥感数据及GIS空间分析等方法，尝试对郯庐断裂带安徽段的准确边界及其空间分布特征进行探索，为进一步深化对郯庐断裂带空间分布规律的认识提供科学依据。

1 郯庐断裂带安徽段概况

郯庐断裂带是中国东部最大的巨型断裂带，斜贯中国东部多个省份，南起湖北广济，经安徽大别山东麓、苏北、山东沂水沐河流域过渤海，进入辽宁省、吉林省，至中俄边境，总长度为2 420 km，总体走向为N25°E～N40°E[15]。郯庐断裂带安徽段是指北从五河县大巩山地区，经明光市石门山，定远县池河、藕塘和界牌，肥东县桴槎山，向南经庐江、太湖、宿松，止于长江北岸[16]，总体走向为N30°E～N40°E，宽约20～40 km[15,17]。研究区范围如图1所示。该研究区包含了郯庐断裂带安徽段经过的宿州、蚌埠、合肥、芜湖和安庆等地区，面积约3万km2，地理坐标范围为：E115°53′～118°34′，N29°53′～33°43′。区内地层多以第三系—上白垩统与侏罗系—下白垩统为主。地貌多以平原和丘陵为主，在皖西大别山区有部分低山和中山。依据地貌特征可划分为4大地貌单元：淮北平原、江淮波状平原、皖西山地、沿江丘陵平原。

图1 郯庐断裂带安徽段地貌及构造简图Fig.1 Geological and geomorphic map of the Anhui segment of the Tanlu fault zone

2 基于多源数据的郯庐断裂带遥感解译

2.1 数据来源

本文使用的多源数据包括Landsat8和资源3号遥感数据及ASTER GDEM (advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model )数据。其中，Landsat8卫星携带陆地成像仪(operational land imager，OLI)和热红外传感器(thermal infrared sensor，TIRS)，共有11个波段，其第2—7波段(多光谱波段)的空间分辨率为30 m；第10和11波段为热红外波段，空间分辨率为100 m；第8波段为全色波段，空间分辨率为15 m。资源3号卫星影像包括2.1 m空间分辨率的全色正视波段、3.6 m空间分辨率的全色前后视波段和4个5.8 m空间分辨率的多光谱波段，其中全色正视和多光谱波段构成了资源调查观测模式，适合获取微地貌和地物细节信息，可以精细反映小型次级断裂构造的线性影像特征[17]。ASTER GDEM具有20 m的垂直精度和30 m水平精度，适合提取坡度、坡向、坡度变化率和山体阴影等地貌因子，有较好的辅助解译作用[18]。

2.2 数据增强处理

数据增强处理包括Landsat8与资源3号影像的几何纠正、镶嵌、彩色合成、定向滤波以及对数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据进行坡度和山体阴影的提取。由于研究区范围较大，利用研究区1∶5万地形图对影像几何纠正后再进行多景影像的镶嵌处理，最终拼接成研究区完整的遥感影像。由于断裂构造多呈线性且具有较强的方向性，在对其线性特征进行提取时采用了特定模板卷积运算开展定向检测。由于郯庐断裂带为NNE向断裂，故在0～45°方向上每间隔5°进行一次定向滤波处理，提取影像线性信息。

在对影像特征进行解译的过程中，多波段以及多空间分辨率影像的融合对于提高解译精度具有重要作用。为此，分别选取Landsat8影像与资源3号影像数据的不同波段进行彩色合成。由于研究区内的植被覆盖度较高且解译的构造多为线性特征明显的断裂构造，故选择对植被、土壤和地质构造信息较敏感的Landsat8 B7(R)，B5(G)，B4(B)波段进行假彩色合成(图2(a))。该影像色调接近于自然色，反差适中、图像清晰，可作为后续遥感解译基础图像。对于资源3号影像数据，选取B4(R)，B3(G)，B2(B)波段进行假彩色合成(图2(b))。两者配合使用，效果较好。此外，利用DEM数据提取研究区坡度和山体阴影进行遥感影像辅助解译。

(a)Landsat8影像 (b)资源3号影像

图2 研究区遥感影像

Fig.2Remotesensingimagesofthestudyarea

2.3 遥感解译标志建立

断裂是一种线性构造，在遥感影像上的线性特征主要有2种表现形式：①线性色调异常，即线性色调与两侧的岩层色调明显不同；②2种不同色调的分界面呈线状延伸。除此之外，还必须对线性特征两侧的岩性、水系和整体地质构造等进行综合研究，才能确定是否为断裂。特别是在高空间分辨率遥感影像上，通过对地层或水系等细节特征的识别能够很好地对断裂进行判别[19]。综合考虑研究区植被、地形地貌和水系发育特征等因素，在前人研究的基础上本研究建立的郯庐断裂带安徽段断裂构造解译标志如表1所示。

表1 郯庐断裂带安徽段断裂构造解译标志(据文献[20]修改)Tab.1 Interpretation marks of fracture structures in the study area

2.4 遥感解译方法

在充分收集研究区已有地质资料的基础上，以Landsat8卫星影像和资源3号卫星影像为主要数据源，辅以DEM数据，综合运用光谱分析、纹理特征分析、地貌特征分析和野外验证等方法，建立不同断裂构造的解译标志，并利用ENVI和ArcGIS等软件平台，以目视解译为主要手段对郯庐断裂带4条主干断裂及其伴生的次级断裂进行解译。具体解译流程如图3所示。由于郯庐断裂为深大断裂，其主干断裂走向为NNE向，除4条主干大断裂及其破碎带外还有不少次级断裂。次级断裂走向复杂，总体走向也主要为NNE走向。对于4条主干断裂的解译主要综合考虑它们在遥感影像上的色调变化及其对地貌及水系的控制作用。以池河—太湖主干断裂为例(图4)，该断裂在郯庐断裂带安徽段4条主干断裂中遥感影像特征最为明显。

图3 遥感解译技术流程

Fig.3Technicalflowchartofremotesensinginterpretation

(a)大别山东侧色调异常及水系直角状急转弯 (b)桴槎山断层崖地貌 (c)中湾村—界牌集串珠状水系 (d)大横山—门坎沈断裂线性特征

图4 池河—太湖断裂遥感解译影像

Fig.4RemotesensingimageinterpretationoftheChihe—Taihufault

该断裂在研究区南段沿着大别山东南麓展布，在影像图上表现出明显的色调差异，线性特征明显。该断裂由南到北依次经过宿松县、太湖县、潜山县、岳西县和桐城市等县市，表现为大别山区与沿江平原区的地貌单元分界线(图4(a))，并且通过高空间分辨率影像观察可知该断裂对水系有明显的切断作用(图4(a)中红色方框区域)，该水系被断裂穿过后呈现出直角状急转弯(图4(a)中红色箭头处)。由南到北该断层表现出的线性特征逐渐弱化，穿过巢湖后线性特征逐渐消失，但其对地貌及水系分布的控制作用明显。在巢湖以北的桴槎山系，断裂沿桴槎山西麓展布，具有明显的断层崖地貌特征(图4(b)中红色箭头处)，北延至中湾村—界牌集段。该段以平原地貌为主，水系密集，在影像图上能够清楚看到沿断裂方向，水系呈线性串珠状分布(图4(c)中红色箭头处)。该断层继续向北延伸至嘉山县城以北大横山—门坎沈段，其沿丘陵边缘分布，在Landsat8卫星影像上可见线性特征(图4(d)中红色箭头处)，断层为丘陵与平原地貌分界线。此外，对于其他3条郯庐断裂带主干断裂也同样利用色调、地貌、水系和植被等综合解译标志取得了良好的解译效果。

由于大别山区山势复杂且植被覆盖度较高，对于该区内郯庐断裂带内部细小断裂的解译需综合考虑遥感影像色调、水系和地貌变化，并对影像进行滤波增强后再结合DEM数据进行多方面综合考虑。图5为细小断裂解译成果图，图5(a)为对研究区Landsat8影像进行35°定向滤波后得到的结果，原本由于植被覆盖度过高导致线性特征不易被发现，经滤波后线性特征得到了明显增强；图5(b)为DEM山体阴影，通过对DEM数据进行渲染，突出了山脊线分布特征，由该图可明显看出该山脊线的错动呈线状排列；图5(c)与图5(d)分别为Landsat8影像上色调突变异常和资源3号影像上的水系异常，该处深切沟谷等呈线状分布，有明显方向性，对地表水系有一定的控制作用，水系局部河段出现直角状急转弯、直线河段以及水系错动明显等特征。对于大别山区的其他细小断裂也同样综合运用不同的解译标志完成了解译。

(a)35°滤波结果 (b)DEM山体阴影 (c)影像色调异常 (d)水系异常

图5 大别山区域细小断裂遥感解译

Fig.5RemotesensinginterpretationofsmallfaultsintheDabieMountains

3 结果与分析

3.1 遥感解译成果及验证

利用多源遥感影像解译方法，在研究区范围内共解译出断裂132条，其中，4条主干断裂五河—合肥断裂、石门山断裂、池河—太湖断裂及嘉山—庐江断裂均得到了良好解译效果。此外，通过本次遥感解译及综合分析，郯庐断裂的次级断裂在大别山区的分布情况得到了补充和完善。由于大别山区地质环境复杂，在以往的地质调查中大多以实测断裂为主，解译出的123条次级断裂中与1∶20万地质图实测断裂相吻合的共计87条，存在偏差的断裂共计12条，存在偏差的断裂与实测断裂在长度上的最大偏移量约为2.1 km，平均偏移量约为0.9 km，最大偏移角度约13.3°，平均偏移角度约9.7°。此外，还有24条断裂是此次遥感解译新发现的隐伏推测断裂，但现有资料并不能完全将其验证，有待于未来做进一步研究。在上述断裂解译成果的基础上，综合考虑郯庐断裂带安徽段的地质构造背景和已有相关研究成果，在1∶25万地图上初步确定了郯庐断裂带安徽段的边界。将本文解译的4条主干断裂及大别山区的细小断裂分别与王鑫等[21]利用重力、航空电磁法等技术获得的研究区断裂构造解译结果(图6(a))以及1∶20万地质图中断裂(图6(b))进行叠加对比分析。结果表明，解译出的4条主干断裂和大别山区的次级断裂的分布基本与上述两者吻合，反映出解译成果具有较高的可靠性。

(a)4条主干断裂与文献[21]结果对比 (b)细小断裂与1∶20万地质图中断裂对比

图6 遥感解译断裂结果对比

Fig.6Comparisonoffractureresultsbyremotesensing

3.2 郯庐断裂带安徽段空间分布特征

综合上述解译成果，利用GIS统计分析功能，统计出郯庐断裂带主要断裂总体走向如表2所示。从表2中可以清楚看出，郯庐断裂带主要断裂总体走向为NNE向。此外，在大别山区还解译出123条次级断裂，这些次级断裂对于研究郯庐断裂带在大别山地区横向分布特点具有重要意义。

表2 郯庐断裂带主干断裂总体走向Tab.2 Main fractures trends of Tanlu fault zone (°)

3.2.1 郯庐断裂带安徽段边界确定

由于研究区内郯庐断裂带南段和北段空间分布差异较大，结合现有地质资料和解译断裂的空间分布特征，以晓天—磨子潭断裂为郯庐断裂带南北段的分界断裂，以北为研究区郯庐断裂带北段(五河—庐江段)，以南为郯庐断裂带南段(庐江—宿松段)。

以往关于郯庐断裂带庐江—宿松段边界问题鲜有研究。本研究试图利用遥感解译成果并结合现有各类地质构造等资料综合确定其边界。首先，在前述解译得到的池河—太湖主干断裂及大别山区次级断裂基础上，利用GIS统计分析等功能，对所有走向小于45°的次级断裂进行统计，得到NNE向断裂密集区如图7所示。

(a)研究区NNE向断裂 (b)II区域局部放大

图7 研究区断裂构造解译结果

Fig.7Fracturestructureinterpretationresultsinthestudyarea

从图7(a)中可明显看出南部大别山区内NNE向次级断裂在一定范围内(I和II区域)呈现出明显的聚集态势。Ⅰ和Ⅱ区域内NNE向断裂总体走向的统计结果如表3和表4所示。

表3 Ⅰ区域内NNE向断裂统计Tab.3 Fault trend of NNE trending fractures in region I (°)

表4 Ⅱ区域内NNE向断裂统计Tab.4 Fault trend of NNE trending fractures in region Ⅱ (°)

由上述统计结果可知，其中Ⅰ区域内共有13条NNE向断裂，其平均走向约为N19.7°E。该区域内次级断裂的平均走向与沿着大别山分布的郯庐断裂带池河—太湖主干断裂的走向(N31.2°E)相差较大，且该区域内的断裂离郯庐断裂带主干断裂较远，平均距离约为98.73 km。而现有研究一般认为郯庐断裂带宽约20～40 km。此外，上述断裂所处的大别造山带为扬子与华北板块的碰撞带，是秦岭造山带向东延伸的部分。姚大全等[22]的研究表明：新近纪以后，该区域内NNE向断裂仅在局部展布，具有明显的新生性；分布最广的是NE向断裂，它们构成一系列断续分布、规模不等的断裂破碎带，平行和近平行展布，该研究成果与I区域内所解译的断裂分布情况基本吻合。而郯庐断裂带起源于印支期华北与华南板块的碰撞之中，属于中生代初期形成的巨型断裂，其从孕育、发展到形成，尤其是在发展阶段，受其他方向应力的影响和改造，沿断裂两侧会形成剪切面，后期在遥感影像上反映为线状构造裂隙，该线状构造裂隙分布应密集连续，从图7可以明显看出I区域内的断裂分布稀疏，且在走向上与郯庐断裂带的走向不相符合。因此，综合解译成果与该区域地质构造背景认为上述Ⅰ区域内的13条NNE向断裂属新生断裂，不属于郯庐断裂带的次级断裂。Ⅱ区域内共有40条NNE向断裂，其平均走向约为N30.1°E，该区域内次级断裂的平均走向与沿着大别山分布的郯庐断裂带池河—太湖主干断裂的走向(N31.2°E)基本一致且离池河—太湖主干断裂的距离小于40 km。因此，认为Ⅱ区域内的40条NNE向断裂为郯庐断裂带的次级断裂，并将上述断裂中最西边的断裂走向线作为郯庐断裂带庐江—宿松段的西界。

嘉山—庐江断裂带的巢湖—庐江段的平均走向约为N38.9°E，而黄梅断裂的走向约为N44.7°E，2条断裂的走向大体一致。黄梅断裂与嘉山—庐江断裂在形态上与池河—太湖断裂近似平行，且嘉山—庐江断裂在巢湖—庐江段与池河—太湖断裂的横向距离约为6.72 km，黄梅断裂与池河—太湖断裂的横向距离约为7.87 km。因此，将嘉山—庐江断裂与黄梅断裂之间的连线作为郯庐断裂带安徽段的东界。南部边界为安徽省的省界。

根据前人研究[9]以及遥感解译结果，本文以五河—合肥断裂为郯庐断裂带五河—庐江段的西界，嘉山—庐江断裂为东界，北部边界为安徽省的省界。

3.2.2 郯庐断裂带安徽段空间分布特征

根据前述确定的郯庐断裂带安徽段的边界，郯庐断裂带安徽段的分布范围及其主干断裂和次级断裂的分布如图8所示。郯庐断裂带安徽段空间分布特征的统计信息如表5所示。根据此次遥感解译的结果，位于合肥盆地处的郯庐断裂带宽度约为22.8 km，与张交东等[23]根据地球物理资料得到的郯庐断裂带(与合肥盆地接触的部分)在平面上是一个破碎带，宽度约22 km的结论一致，在一定程度上佐证了本文关于郯庐断裂带边界划分的合理性。

图8 郯庐断裂带安徽段空间分布Fig.8 Spatial distribution of the Anhui segment of the Tanlu fault zone

表5 郯庐断裂带安徽段分段及整体统计信息Tab.5 Segmentation and overall statistical information of the Anhui segment of the Tanlu fault zone

依据遥感解译空间分析统计结果，郯庐断裂带安徽段具有以下显著空间分布特征：郯庐断裂带安徽段的南北2段中断裂组成存在明显差异。其中，北段(嘉山—庐江段)在藕塘以南由嘉山—庐江断裂、池河—太湖断裂、石门山断裂及五河—合肥断裂4条主干断裂组成，在藕塘以北由嘉山—庐江断裂、石门山断裂及五河—合肥断裂3条主干断裂组成；南段(庐江—宿松段)主要由池河—太湖主干断裂、黄梅断裂及大别山区的40条NNE向次级断裂组成。

郯庐断裂带安徽段的南北2段的长度和宽度差异较大。郯庐断裂带安徽段的平均长度约397.83 km，平均宽度约30.35 km，但其南北2段的长度与宽度存在较大差异，总体表现出明显的“南短北长”、“南宽北窄”的空间分布特点。其中，南段(庐江—宿松段)平均长度约为136.7 4 km，平均宽度约为38.38 km；北段(嘉山—庐江段)平均长度约为261.09 km，平均宽度约为25.99 km。

郯庐断裂带安徽段南北2段的总体走向存在较大差异。郯庐断裂带安徽段的总体走向约N33.3°E，南段(庐江—宿松段)总体走向约N34.9°E，北段(嘉山—庐江段)总体走向约N23.5°E，其南北2段的走向总体表现为“由南段到北段断裂带的总体走向逐步向北偏”的特点。