基于高精度地基LiDAR技术的活动断层错断地貌研究——以冷龙岭活动断裂带为例

高精度地形测量是活动断裂带定量研究的重要途径,通过对强震活动形成的错断地貌进行测量分析,可以估算断层位移,分析断层破裂的历史过程,揭示强震复发特征。激光雷达测距技术(LiDAR)为研究断层破裂特征提供了重要手段。选取青藏高原东北缘的冷龙岭活动断裂为研究目标,利用地基LiDAR对一些典型错断地貌进行了测量,并就地基LiDAR构建活动断层三维错断地貌的关键技术问题进行了分析。通过对测量得到的点云数据进行点云匹配、镶嵌、植物滤除以及不规则三角网建模处理,得到了0.05m空间分辨率的数字高程模型,划分了地貌单元,识别了断层陡坎与断层错断冲沟等地貌,实现了对断裂微地貌形态的高清晰度三维再现,并据此揭示了沿断裂带存在的多次地震事件,断裂主要表现为左旋走滑活动,并具有微小的倾滑运动分量。     

通过高分辨率地形数据解析圣安德烈斯断层带的构造地貌：以乔莱姆段为例

断层带上的高分辨率地形数据对描绘新近地表破裂具有非常重要的辅助作用。圣安德烈斯断层（sAF）中南部的乔莱姆段南15kin长的范围内保存着许多非常好的构造地貌现象,如阶地、槽谷、陡坎和线性山脊,这些都表明了地震的多次重复发生。近期获得的整个圣安德烈斯断层南段的LiDAR（Light Detectionand Range）地形数据（“B4”计划）的拍摄密度为3～4m。通过计算LiDAR反射数据,使用反距离权重插值计算（Inverse Distance Weighting,IDW）的局部面元组合方法（LocalBinning）来获得0．25～0．5m分辨率、0．8m或者更大查找半径的数字高程模型（DEM）。通过该数字高程模型对构造地貌的解译足以对古地震场地进行评估。仅使用LiDAR数据对新近地表破裂进行填图的结果与航片解译方法和野外调查所得到的结果具有很好的一致性。整个圣安德烈斯断层的宽度从数米到近lkm不等,且由许多长度为数米到数千米的雁列、叠瓦状的近平行的断裂组成。这些断裂所围限的运动块体运动方向各不相同,但它们的延伸方向与圣安德烈斯断层近于平行。对“活动的”的定义和地表次级断裂的重要性不同认识,影响着最终填图结果中断层的宽度和复杂性。     

基于高精度LiDAR数据的断裂活动习性精细定量——以香山-天景山断裂景泰小红山段为例

高精度、高分辨率的地形地貌数据是活动构造定量研究的重要基础数据。传统研究方法中,通过航卫片或遥感影像解译只能获取二维平面特征,中等分辨率DEM(5～10m网格单元)只适用于大尺度三维地貌特征的提取。激光雷达测量(Light Detection and Ranging,Li DAR)技术可直接对地貌进行高精度、全方位的三维地表形态测量,为活动构造研究提供了精细的地貌形态数据,有助于深化对断裂带地表破裂过程和断裂活动特性的理解。文中选取青藏高原东北缘香山-天景山断裂带西段的景泰小红山断裂中一段断错地貌明显的断裂段作为研究对象,基于高精度Li DAR数据生成了景泰小红山断裂0. 3m高分辨率的数字高程模型(DEM),沿断裂带详细识别并测量了地貌标志(冲沟、山脊和阶地)的断错位移,获得了地貌标志的82个水平位移和62个垂直位移,并分析了不同方向上的位移丛集特征。结果显示,沿断裂的水平与垂直位移均可识别出5个丛集,其中最小丛集可能指示最新一次地震的同震位移,而其它位移丛集则反映了断裂带多次地震活动累积的结果。通过对多个断错标志的水平和垂直位移合成的滑动矢量进行分析,可以看出该断层段的运动习性具有分段不均匀特征,不同段落的倾滑矢量有一定的差异。     

六盘山断裂带构造活动特征及流域盆地地貌响应

通过航卫片解译和野外实地调查,对六盘山断裂带新活动特征开展详细研究。调查发现六盘山东麓断裂为一条全新世活动的逆左旋走滑断裂,而六盘山西麓断裂为晚更新世活动的挤压逆冲断裂,二者的构造活动控制和影响了本区的地貌发育和地震活动。同时利用SRTM数据提取六盘山东西两侧泾河和水洛河上游流域盆地水系,得到流域盆地面积-高程积分值(HI值)分布图,探讨本区活动构造和地貌的响应关系。分析结果表明,在相同的岩性条件下六盘山东侧的HI值要低于西侧,反映了活动断裂对本地区地貌演化特征的不同影响。上述地貌分析研究为认识和理解六盘山地区地貌演化以及控制因素提供了基础数据和思路。     

基于ArcGIS平台的天山北麓活动逆断层智能化提取方法的研究与实现

数字地形分析是活动构造和构造地貌研究中的一种重要手段，目前已被广泛应用于地表过程分析中。随着高精度数字地形数据获取的日益便捷，精细定量化研究地貌参数已成为一个重要趋势。呼图壁断裂和独山子断裂位于天山山脉北麓，地表迹线十分典型而显著。在这2个区域内，前人已经完成了区域大比例尺活动断裂地质地貌填图，并发表了大量研究成果。因此，它们是十分理想的探索断层迹线自动化提取方法的2个区域。在实际提取过程中，根据逆断层陡坎的倾向是否与其所在地貌面坡向一致，文中分别定义了正向和反向逆断层陡坎。基于对这2种不同断层陡坎形态的分析，利用ArcGIS软件平台并选择恰当的地貌参数实现了对断层地表迹线的提取。通过坡度计算、冲沟提取、数据密度分析和流程建模等步骤，建立了2套智能化提取流程。最终提取结果与以往的地质地貌填图和遥感数据目视解译结果基本一致。除此之外，独山子研究区的提取结果还揭露了未曾被识别的反向断层陡坎迹线。这不仅说明文中提出的方法具有很好的适用性，同时也能够提取十分细小的逆断层地表迹线。与传统方法相比，这种人机交互式的半自动化方法大大提高了工作效率。但是，如何真正实现任意地质构造背景中逆断层地表迹线的...     

安宁河断裂带晚第四纪活动的基本特征及强震危险性分析

通过影像解译,结合野外地质调查,利用第四纪地貌填图、样品采集和差分GPS地貌面的测量等研究手段,对安宁河断裂带及其附近地区第四纪地貌特征与断层活动关系进行了研究,分析了安宁河断裂带晚第四纪以来的活动特征,探讨了该断裂上强震的危险性。结果表明,晚第四纪以来,安宁河断裂带有强烈左旋走滑和逆冲的双重运动特征,由此可将其划分为南、北两段,北段最后一次活动时间大约在公元15世纪,南段最后一次活动时间为1536年。安宁河断裂带北段的强震危险性大于南段,且未来地震的强度在7.5级左右。     

采用立体像对和差分GPS揭示民乐-永昌隐伏断裂地表变形特征

为高效获取民乐-永昌断裂西段活动构造研究的定量参数,利用ERDAS软件,基于SPOT6立体像对提取高分辨率点云数据,经过滤波和插值生成2m分辨率的数字高程模型(DEM);DEM数据线性高程精度达1m。基于DEM数据提取的高地貌面上的3条廊带剖面显示,区域存在明显的褶皱变形,后续通过高精度差分GPS实测河流阶地纵剖面进一步揭示T2阶地存在高度约2.0m的构造抬升。廊带剖面和河流阶地纵剖面显示断裂-褶皱变形整体走向为311°,与小震精定位反演拟合断层参数和震源机制解结果相近,其位置也与地震应急科考资料显示现场情况吻合。上述结果表明,民乐-永昌隐伏断裂西段民乐—大马营段存在明显的构造变形,支持该断裂为2003年民乐-山丹MS6.1和5.8级地震发震断层的认识。立体像对对于活动构造研究具有重要的作用,可为室内确定构造变形的空间位置和野外详细考察提供重要指导。     

涪江流域河流地貌特征对虎牙断裂带活动性的响应

青藏高原东缘岷山东边界的虎牙断裂带强震频发,但因第四系保留有限,目前对于该断裂的活动性仍认识不清。而基岩山区河流地貌与活动构造关系研究发现,河流地貌特征能够很好地记录构造活动信息。虎牙断裂带横跨涪江流域,这为通过河流地貌研究虎牙断裂的活动特征提供了条件。文中选择涪江流域SRTM 30m精度数字高程模型(DEM)数据,利用GIS技术提取了涪江流域坡度(slope)、局部起伏度(local relief)、标准化陡峭指数(ksn)、面积-高程积分值(HI)等地貌指数,并对跨虎牙断裂带小流域盆地的平均陡峭指数(ks)和面积-高程积分值进行对比,结合野外调查、岩性、降水与现代侵蚀速率等特征,分析讨论了涪江流域地貌特征与虎牙断裂带活动特征的关系。研究表明:1)涪江流域基本处于稳态状况,区内仅有跨雪山断裂带的河道剖面显示明显的裂点,其余跨断裂河道剖面无明显裂点存在;2)虎牙断裂带两侧地貌指数差异明显,整体上表现为西高东低,这应与虎牙断裂的逆断活动有关;3)断裂两侧的小流域地貌指数差异分析表明,沿虎牙断裂带自北向南抬升作用逐渐增强,反映了虎牙断裂带北段以走滑为主,南段以逆断为主。该研究有助于提高对青藏高原东缘隆升变形机制的理解。     

天山内部那拉提断裂晚第四纪活动速率

在大比例尺遥感影像解译的基础上,利用野外调查测量、探槽开挖及热释光测年的方法,对那拉提断裂进行了研究。那拉提断裂是一条晚第四纪以来仍有较强的活动大型逆冲左旋走滑断裂带,断裂带宽度巨大,由多条倾向不同的次级断裂组成,分布在南北宽数千米的范围内。断裂断错了那拉提山前晚第四纪以来的各级地貌面,主要表现为断层陡坎、冲沟水系和地貌面的左旋位移,根据实测陡坎高度及对应地貌面的定年,获得断裂所造成的南北向地壳缩短速率在0.7～1.0 mm/a左右,这表明天山内部同样存在明显的构造变形。     

基于网络/基站RTK移动摄影测量数据的垂向精度分析

移动摄影测量技术SfM（Structure from Motion）的发展使活动构造研究中快速获得野外中小区域内高精度DEM数据更便捷,DEM数据精度是目前活动构造与测量领域较关注的问题。本文通过对比非RTK模式无人机摄影测量并结合地面控制点（GCPs）生成的SfM DEM数据与基于RTK移动摄影测量技术获取的RTK-SfM DEM数据差异,重点分析搭载RTK模块的移动摄影测量技术获取的DEM数据在垂向上的精度。数据采集、处理与对比结果表明:在添加地面控制点后的非RTK模式无人机摄影测量生成的DEM数据中,除测量区域边缘照片较少而产生畸变外,大部分地区畸变率较小;基于移动RTK技术摄影测量获取的高程数据畸变率更小,且与非RTK模式无人机摄影结合地面控制点生成的高程数据存在约0.85 m的系统高程误差,减去该误差后,点云对比结果表明二者95%以上的点垂向误差均＜0.05 m;搭载RTK模块的移动摄影测量技术获取的DEM数据在垂向上具有更高的精度,且节省了时间与人工成本。     

基于微型无人机摄影技术的微构造信息提取研究——以博-阿断裂乌苏通沟东岸为例

利用微型无人机摄影测量技术,获取了博-阿断裂在乌苏通沟东岸的高精度地形、地貌数据,解译DEM数据,并结合野外调查工作,明确了断裂在乌苏通沟东岸冲洪积扇上19.3～31.1m的水平位错。分析获取的陡坎剖面,且对比陡坎两侧地貌的剥蚀程度,认为陡坎形成后受到后期水流的侵蚀,部分陡坎的高度在一定程度上被放大,断裂的实际垂直位错在0.7m左右。通过实例展示了无人机摄影技术在活动构造研究中的巨大潜力以及在微构造信息提取中的独特优势。     

安宁河断裂带晚第四纪运动特征及模式的讨论

安宁河断裂带是中国西南地区一条重要的地震活动断层， 地方志记载公元1536年曾发生过震级大于7级的破坏性地震. 详细的断裂地貌航片解译和野外调查表明， 安宁河断裂带除具有主要的左旋走滑断层活动外，还兼有重要的逆冲运动分量. 根据冲沟和阶地面的位错量及其热释光测年结果估计，该断裂带晚更新世以来平均左旋走滑速率为3~7 mm/a. 根据滑移方向与断层走向的关系，推测跨安宁河断裂带东西向由于逆冲断层运动造成的挤压缩短速率约为1.7~4.0 mm/a； 简单分解鲜水河断裂带上的滑动速率，估计分配在大凉山断裂带上的滑动速率与安宁河断裂带上的大致相当，约为3~7 mm/a. 此外，根据野外调查结果，并结合最近青藏高原构造动力学研究的新认识， 建立了安宁河断裂带的动力学模型，认为安宁河断裂带是一条逆冲走滑断裂带. 其下盘（西盘）主动向南东方向下插，造成了上盘（东盘）向北西方向的上冲运动.      

南迦巴瓦构造结周边地区主要断裂现今运动特征

本文基于南迦巴瓦构造结周边16个宽频带地震台的观测波形数据,对地震事件进行相关分析,使用MSDP软件进行多台定位,编制了研究区内的地震目录,并利用CAP方法获得了研究区内主要断裂带两侧10km范围内M 3.0以上地震的震源机制解,用于分析主要断裂带的现今运动特征。研究结果表明:研究区内的地震活动受主要断裂带的控制;墨脱断裂带现今运动主要为左旋逆冲运动;米林断裂带以左旋正断运动为主;嘉黎断裂带以右旋逆冲为主,兼有左旋和正断运动;阿帕龙断裂带以右旋逆冲运动为主;边坝-达木新生断裂带运动以右旋逆冲运动为主,兼有正断和左旋运动;各主要断裂带的现今运动特征与地质和GPS观测结果相同,表明南迦巴瓦构造结周边地区主要断裂带的现今运动主要受阿萨姆构造结俯冲作用的控制。     

基于P5立体像对和高分辨率Google Earth影像的丽江-小金河断裂断错地貌解译

丽江-小金河断裂斜切中国西南“川滇菱块”,走向北东,为一高角度斜滑断裂.与平面遥感影像相比,通过三维影像解译断错地貌有显著的优越性.印度P5卫星数据具备真正2.5m分辨率,在制图方面,像对生成DEM以及制图精度可达1∶25000.本文依据立体像对提取DEM的原理,利用ENVI软件DEM Extraction模块提耿出了丽江-小金河断裂带P5立体像对的DEM.文中利用等高线套合分析法和剖面线法对DEM精度进行评价,结论认为,DEM精度优于1∶5万地形图等高线高程精度,而且与实时动态差分（RTK）测量结果比较一致.文章重点选取了丽江市北东方向干塘子和西南方向南溪盆地两处,将三种高程数据——从P5立体像对提取出的DEM、google earth影像地形高程和1∶5万矢量地形图等高线生成的DEM,结合Google Earth影像做成三维立体影像,较为直观地对三种高程数据进行了有效的对比,结论认为,P5立体像对生成的DEM精度最高.在室内利用高精度三维立体图对丽江-小金河断裂断层地貌进行了解译,经过野外踏勘和探槽验证,证明三维影像解译具有很高的利用价值.     

基于高分辨率地形数据的富蕴M8.0地震地表破裂带精细特征

同震地表破裂带的空间展布及形变特征是地球深部断层活动在地表的直观地貌表现,不但记录着地震破裂和断层运动的信息,还反映了区域应力和地壳运动状况.因此,开展震后地震地表破裂带调查对于了解发震断层的构造活动尤为重要.高精度地形观测技术可以获取前所未有的高时空分辨率的地球表面特征,为辨别历史地震地表破裂遗迹、提取地表同震位移、活动构造地质填图等提供高质量数据.文中选取富蕴1931年地震地表破裂带作为研究区,利用SfM(Structural from Motion)摄影测量技术生成分辨率为1 m的数字高程模型(DEM),详细识别地表破裂并测量冲沟的右旋位移.基于地表破裂的几何及构造地貌特征,将富蕴地震地表破裂带由北向南分为S1、S2、S3、S44段,其间以挤压隆起或拉分盆地相连接.沿破裂带共获得194组最新冲沟的右旋水平位移,得到1931年同震位移的平均值为(5.06±0.13)m.同震位移局部缺失或突变的区域与几何阶区的位置也有良好的对应关系.以上结果填补了对富蕴地震地表破裂精细形态研究的空白,也进一步展示高分辨率的地形数据在活动构造研究中良好的应用价值.     

龙陵-瑞丽断裂带附近的构造地貌与断裂活动性

利用ALOS全色、ASTER多光谱遥感影像和SRTM数字高程模型数据解译,并结合野外地质调查和实时差分GPS测量,对龙陵-瑞丽断裂带晚第四纪活动的构造地貌和地质特征进行了研究。综合遥感解译、构造地貌和地震地质调查的结果认为,龙陵-瑞丽断裂带是一条以左旋走滑作用为主的断裂,在晚第四纪具有一定的活动性;并确定了龙陵-瑞丽断裂带各活动段落的空间分布情况。选取朱家寨一带开展了探槽挖掘工作。探槽很好地揭露了基岩中发育的新鲜断层面和晚第四纪冲洪积层,但是未发现断层错动晚第四纪沉积物的迹象。采集了冲洪积层底部的植物化石进行了14C测年,结果为（1150±30）a BP。据此推测,从距今1150年以来,龙陵-瑞丽断裂带活动断层在北段未再发生过破坏性古地震事件。综合分析1976年龙陵地震的发震特点,认为1976年发生在龙陵的大地震未发生在龙陵-瑞丽断裂带上,其震源机制解和余震分布特征表明地震活动与NNW向展布的新生断裂带活动有关,这很有可能造成了NE向龙陵-瑞丽断裂带晚第四纪构造活动性减弱。     

念青唐古拉山东南麓断裂带构造地貌特征与活动性遥感研究

选用高分辨率ALOS和中等分辨率ETM+图像,结合研究区已有研究成果,采用信息增强及图像融合方法,对图像中各类构造地貌表现出的纹理、色调及含水性特征进行研究,建立了解译标志,并结合野外调查结果,系统解译了念青唐古拉山东南麓断裂带的展布与发育情况;同时引入河长坡降指标参数(SL index)和Hack剖面(河流高程剖面半对数坐标图)2个构造地貌参数,分析其对区域构造活动的指示意义并比较断裂带不同分段的活动性。研究表明,念青唐古拉山东南麓断裂带呈三段式展布,遥感解译的地貌标志基本反映了断裂带以正断层为主兼具走滑运动性质。呈明显的上凸形态的河流Hack剖面反映了区内构造差异隆升强烈,河长标准化坡降指标明显异常地带指示为构造运动活跃区,这种异常变化不仅印证了断层活动对河床剖面的影响,而且结合该变化特征进行遥感解译可以提高断裂位置解译的准确性。断裂的活动性从F1向F3依次增强,F1、F2段正断层活动性相对较弱,走滑活动增强,F3段正断层活动性较强。     

甘加盆地西缘断裂带发现新活动证据

甘加盆地位于西秦岭北缘断裂带西端,盆地西缘发育了三条近南北向的断层（东支、中支、西支）,表现为西高东低的弧形地貌阶梯带。基于高分辨率卫星遥感影像解译、地质地貌调查、UAV航拍测量、剖面清理与¹⁴C测年等工作,对甘加盆地西缘断裂带进行综合研究,发现该断裂带第四纪晚期有新活动。断层新活动在地貌上表现为不同级别的断层陡坎、阶地与洪积台地断错以及冲沟与阶地右旋等特征。断层剖面与擦痕揭示,该断裂带具右旋逆冲性质,断层断错最新地层为全新统。根据测量与测年数据,初步估算甘加盆地西缘断裂带西支全新世中期以来的平均水平右旋滑动速率为0.89 mm/a,平均垂直滑动速率为0.30 mm/a。     

2008年汶川M_S8.0地震多断裂破裂的近地表同震滑移及滑移分解

为深入理解汶川地震破裂的构造运动机制,我们选取典型的观测点,利用多种地质地貌标志测绘分析得到了汶川MS8.0地震发震断裂的近地表三维同震滑移矢量。结果显示,北川-映秀断裂上的白水河-高川破裂段北西盘沿88°方位角水平滑移2.58m、垂直滑移3.70m;安县-灌县断裂上的白鹿-汉旺破裂北西盘沿134°方位角水平滑移1.63m,垂直滑移2.00m;小鱼洞破裂带南西盘沿76°~79°方位角水平滑移2.15~2.71m,垂直滑移1.36~1.51m。平行的白水河-高川破裂段和白鹿-汉旺破裂段合计形成1.72m右旋走滑和3.49m垂直断裂带的NW向水平缩短,总滑移方向(106°)与断裂带整体走向(42°)呈64°夹角,整个龙门山推覆构造带处于斜向挤压的构造环境。结合震源过程反演成果的分析显示,斜滑的白水河-高川破裂段和逆冲型白鹿-汉旺破裂段可能是在汶川地震最大的一次子事件过程中以滑移分解的形式同时破裂形成的,滑移分解作用使两条断裂以斜滑与逆冲组合的力学性质产生破裂而非相同性质的斜滑破裂。小鱼洞破裂以低角度斜滑为主,可能是安县-灌县断裂与北川-映秀断裂以滑移分解形式同时破裂的纽带。小鱼洞断裂是龙门山断裂带长期处于斜向挤压的构造环境的产物,不只是逆冲断裂系中的简单捩断层。     

2008年汶川MS8.0地震多断裂破裂的近地表同震滑移及滑移分解

为深入理解汶川地震破裂的构造运动机制,本文选取典型的观测点,利用多种地质地貌标志测绘分析得到了汶川M_S8.0地震发震断裂的近地表三维同震滑移矢量.结果显示,北川—映秀断裂上的白水河—高川破裂段北西盘沿88°方位角水平滑移2.58 m、垂直滑移3.70 m;安县—灌县断裂上的白鹿—汉旺破裂北西盘沿134°方位角水平滑移1.63 m,垂直滑移2.00 m;小鱼洞破裂带南西盘沿76°~79°方位角水平滑移2.15~2.71 m,垂直滑移1.36~1.51 m.平行的白水河—高川破裂段和白鹿—汉旺破裂段合计形成1.72 m右旋走滑和3.49 m垂直断裂带的NW向水平缩短,总滑移方向（106°）与断裂带整体走向（42°）呈64°夹角,整个龙门山推覆构造带处于斜向挤压的构造环境.结合震源过程反演成果的分析显示,斜滑的白水河—高川破裂段和逆冲型白鹿—汉旺破裂段可能是在汶川地震中最大的一次子事件过程以滑移分解的形式而同时破裂形成的,滑移分解作用使两条断裂以斜滑与逆冲组合的力学性质产生破裂而非相同性质的斜滑破裂.小鱼洞破裂以低角度斜滑为主,可能是安县—灌县断裂与北川—映秀断裂以滑移分解形式同时破裂的纽带.小鱼洞断裂是龙门山断裂带长期处于斜向挤压的构造环境的产物,不只是逆冲断裂系中的捩断层.