引用本文
邹小波, 袁道阳, 邵延秀, 刘兴旺, 张波, 杨海波. 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[J]. 地震地质, 2017,39(6): 1198-1212.
ZOU Xiao-bo, YUAN Dao-yang, SHAO Yan-xiu, LIU Xing-wang, ZHANG Bo, YANG Hai-bo. USING STEREO-PAIR AND DIFFERENTIAL GPS TO REVEAL SURFACE DEFORMATION CHARACTERISTICS OF THE MINLE-YONGCHANG FAULT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(6): 1198-1212.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.06.008
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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
邹小波1,2, 袁道阳1,3, 邵延秀1,3, 刘兴旺1,3, 张波1,3, 杨海波4
1 中国地震局兰州地震研究所, 兰州 730000
2 甘肃省地震局高台地震台, 高台 734300
3 兰州地球物理国家野外科学观测研究站, 兰州 730000
4 中国地震局地质研究所, 北京 100029

〔作者简介〕 邹小波, 男, 1987年生, 中国地震局兰州地震研究所在读硕士研究生, 研究方向为活动构造与构造地貌, 电话: 0936-6628777, E-mail: 727630343@qq.com。

收稿日期: 2017-09-01
基金项目: 甘肃省青年科技基金计划(17JR5RA337)与国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(41661134011)共同资助
摘要

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。

关键词: 隐伏断裂; SPOT6立体像对; DEM; 构造变形特征
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)06-1198-15
USING STEREO-PAIR AND DIFFERENTIAL GPS TO REVEAL SURFACE DEFORMATION CHARACTERISTICS OF THE MINLE-YONGCHANG FAULT
ZOU Xiao-bo1,2, YUAN Dao-yang1,3, SHAO Yan-xiu1,3, LIU Xing-wang1,3, ZHANG Bo1,3, YANG Hai-bo4
1)Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China
2)Gaotai Seismic Station, Gaotai 734300, China
3)Lanzhou National Observatory of Geophysics, Lanzhou 730000, China
4)Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

Qilian Shan-Hexi Corridor is located in the northeastern margin of the Tibetan plateau, which hosts many active strike-slip and thrust faults as well as folds. Previous study on this area was mostly concerned with large faults at the boundary of the corridor, while rare work on active tectonics in the interior of the corridor. On 25 October 2003, the Minle-Shandan MS6.1 earthquake occurred in this area, which is related with the Minle-Yongchang fault hidden beneath the south piedmont of the Dahuangshan Mountains. As there is no obvious rupture trace on the surface, the quantitative study of this fault has never been reported so far.
In order to obtain quantitative parameters of this active structure efficiently, the software of ERDAS was used to generate pointscloud data from SPOT6 stereo-pair. Two-meter resolution DEM imagery from point cloud has the line accuracy of height about 1m. Three swath profiles were extracted from the DEM data, which show that high geomorphic surfaces are all uplifted and folded. By differential GPS measurement, the vertical uplift of the thrust-related fold is estimated to be about 2.0m on the T2, and the strike of the fold deformation is nearly 311°, which is close to the result of the fault parameter determined by aftershocks, and also in agreement with the focal mechanism solutions. Furthermore, the location of fold axial zone is consistent with the actual investigation data. These indicate that there is obvious tectonic deformation in the west part of the Minle-Yongchang fault. It supports the view that this fault is the seismogenic structure of the 2003 Minle-Shandan earthquake. Stereo-pair is of high importance in active tectonics research, which can provide significant guidance for field geologic investigations and determining the location of tectonic deformation, according to this research.

Keyword: Concealed Fault; Stereo-pair; DEM; Characteristics of surface deformation
0 引言

2003年民乐-山丹6.1级和5.8级强烈地震是河西走廊前陆盆地内部发生的强烈地震。针对本次地震的相关调查和研究工作认为, 民乐-永昌隐伏断裂是本次地震的孕震和发震构造(何文贵等, 2004b; 郑文俊等, 2005; 莘海亮等, 2008; 卢育霞等, 2010)。但是, 由于民乐-永昌隐伏断裂以褶皱变形为主, 未见到明显的地震地表破裂带, 断裂地表形迹不清楚(何文贵等, 2004b; 郑文俊等, 2005), 前人对其晚第四纪以来的最新活动性研究程度较低, 未能对盆地内部具有典型意义的活动构造的变形特征和机制开展深入研究。

近年来, 随着GPS、 卫星遥感等空间探测技术和GIS手段的迅猛发展和应用, 构造地貌学进展迅速, 为活动构造的定量研究提供了1个有效的途径。通过构造地貌学的方法可以有效地鉴别和定量研究构造作用和地貌变形, 其中较常用的构造地貌学分析方法有: 河流阶地测量、 廊带剖面、 河流地貌参数提取等。其中, 廊带剖面(Swath Profile)是提取出条带区内的最大、 最小和平均高程值, 从而快速直观地定量描述条带状区域内的地形及起伏特征。最大程度减少人为主观因素的影响, 已经成为地貌学定量分析的有力工具(Liu-zeng et al., 2008); 通过测量河流阶地的拱曲或错断变形量, 结合相应的变形模式和年代数据, 可以得到活动构造的变形速率等定量参数(杨晓平等, 2006, 2011; 冉勇康等, 2006; 刘兴旺等, 2012; 黄伟亮等, 2015)。

高精度数字高程模型(Digital Elevation Model, 简称DEM)数据是构造地貌研究的基础。与其他DEM获取手段相比, 通过立体像对提取大范围尺度DEM具有方便、 高效、 成本低等优势。目前基于ALOS PRISM、 ASTER、 P5、 FORMOSAT-2、 GeoEye-1、 IKONOS、 KOMPSAT-2、 OrbView-3、 QuickBird、 WorldView-1/2、 SPOT1— 5, 以及国产的资源三号、 天绘卫星系列等立体像对提取DEM的研究相对成熟, 并在相关领域获得了广泛应用(宫会玲, 2009; 刘华国等, 2011)。而基于SPOT6立体像对的DEM提取的研究比较有限, 本文通过1.5m的SPOT6立体像对提取高精度DEM, 并对提取方法和DEM精度进行分析。再利用生成的高精度DEM数据提取相关地表变形参数, 结合高精度差分GPS获得的河流阶地测量数据、 民乐-山丹地震应急科考资料和地震精定位数据对以往关注较少的走廊内部活动褶皱地表变形特征进行探讨。

1 区域构造背景

祁连山— 河西走廊是青藏块体向N挤压隆升扩展的前缘部位, 活动走滑断裂、 逆冲断裂和活动褶皱广泛发育(Tapponnier et al., 1990; 张培震等, 2003, 2006)。该地区晚第四纪以来构造活动显著, 地震活动频繁, 是中国的主要地震区之一。河西走廊为祁连山造山带的压陷性前陆盆地, 其南界是祁连山北缘断裂, 北界是走廊北缘断裂, 均具有向盆地挤压逆冲的特点。走廊内部发育的多个横向隆起将盆地分割。文殊山隆起、 榆木山隆起、 大黄山隆起将河西走廊前陆盆地自西向东分割为酒西盆地、 酒东盆地、 民乐盆地、 武威盆地(图1)。其中, 民乐盆地位于河西走廊中部, 南、 北侧分别为祁连山和龙首山, 东西为榆木山隆起和大黄山隆起所围限(国家地震局地质研究所等, 1993)。

图 1 河西走廊地质构造背景Fig. 1 Tectonic setting of Hexi Corridor.

北祁连-河西走廊的大地震主要集中于走廊两侧, 如公元180年表氏7$\frac{1}{2}$级、 756年张掖-酒泉7级、 1609年红崖堡7$\frac{1}{4}$级、 1954年山丹7$\frac{1}{4}$级地震及近年来的2002年玉门5.9级等地震(国家地震局兰州地震研究所, 1985; 何文贵等, 2004a; 罗浩等, 2010; 曹娜等, 2010; 刘兴旺等, 2011; 郑文俊等, 2013)。而在盆地内部强震很少发生, 自公元180年至今, 仅有2次6级以上强震发生在河西走廊盆地内部, 分别为1785年玉门惠回堡7$\frac{3}{4}$级地震和2003年民乐-山丹6.1级地震(国家地震局地质研究所等, 1993; 何文贵等, 2004b, 2010; 郑文俊等, 2005)。其中, 2007年M5.3地震, 2003年民乐-山丹6.1级、 5.8级地震和1978年民乐MS4.8地震均与民乐-永昌隐伏断裂的现今活动有密切的关系(图2)。

图 2 民乐盆地地质构造简图
F1 肃南-祁连断裂; F2 祁连山北缘断裂; F3 榆木山断裂; F4 民乐-永昌断裂; F5 龙首山南缘断裂; F6 龙首山北缘断裂Fig. 2 Geological map of the Minle Basin.

民乐-永昌隐伏断裂位于大黄山隆起区的南缘, 总体近EW向, 最西端走向为NWW。其中民乐— 大马营段主要表现为褶皱隆起、 地质地貌表现差, 且多处于隐伏状态, 其地震危险性往往容易被忽视。而相关地貌参数提取和野外实地考察发现民乐-永昌断裂的地表变形并非无迹可寻, 通过构造地貌学方法和相关资料对该活动构造开展定量研究, 探讨河西走廊内部典型逆冲断裂-褶皱带的构造活动特征和变形模式, 对于认识其在祁连山-河西走廊构造演化中的作用和地位(图3), 了解祁连山-河西走廊的构造演化具有重要的作用。

图 3 河西走廊及祁连山地区运动学特征模式(国家地震局地质研究所等, 1993)
a 祁连山地块与北部阿拉善地块的挤压模式, b 河西走廊盆地带中段剖面图; 1 地块运动方向, 2 区域挤压应力方向, 3 断裂及活动地块边界Fig. 3 Kinematics characteristic model of Hexi Corridor and Qilian Shan region(Institute of Geology, State Seismological Bureau, et al., 1993).

2 SPOT6立体像对DEM提取

SPOT6卫星2012年9月9日由印度火箭PSLV-C21搭载发射, 轨道高度695km, 幅宽60km, 侧视范围为± 45° , 全色空间分辨率1.5m, 多光谱有4个波段, 空间分辨率为6m, 数据采集的动态范围12bit/pix。SPOT6卫星具有高分辨率和大幅宽的特点, 且具备同轨立体像对(前视、 后视)和同轨三线阵立体像对(前视、 下视、 后视)的采集能力, 这些都有利于立体观测和影像匹配。其灵活的编程接收能力和拍摄能力尤其适用于DEM数据提取和监测等应用。遥感影像数据产品处理级别分为0级、 1A级、 1B级、 2A级、 2B级、 3级。其中, 1A级为经数据解析、 均一化辐射校正、 去噪、 MTFC、 CCD拼接、 波段配准等处理的影像数据, 并提供卫星的RPC文件。本文采用的SPOT6立体像对的处理级别为1A级, 分辨率为1.5m。数据采集时间为2017年6月16日, 数据具体情况如表1所示。

表1 SPOT6 立体像对数据信息 Table1 Parameters of SPOT6 stereo-pair
2.1 立体像对获取DEM 的原理

在天空2点(相当于人的2只眼睛)拍摄地面同一点时形成1个角, 当天空2点的空间位置确定后, 该角度越大地物点越高; 反之, 角度越小地物点越低。以此类推, 将地面所有的高程解算后就得到了数字地面模型。如图4所示, S1、S2为摄影基站(空中2点), A为地面点, a1、 a2为经S1和S2形成的与地面点A相对应的像素点:

图 4 基于立体像对提取DEM原理示意图Fig. 4 Schematic diagram of extracting DEM from stereo-pair.

利用高分辨率立体像对提取DEM, 关键技术包括相对定向、 绝对定向、 空间前方交会和影像匹配。其中, 相对定向是利用同名光线对应相交的特性, 来解算立体像对的相对定向元素, 用以描述立体像对2张像片的相对位置和姿态关系。而空间前方交会则利用立体像对2张像片的内方位元素、 像点坐标和像对的相对方位元素(或外方位元素)来解算模型点坐标(或地面坐标)。SPOT6使用的几何定位模型为有理函数模型(Rational Function Mode, 简称RFM), 理论上通过有理多项式系数(Rational Polynomial Coefficients, 简称RPC)可以完成影像的相对定向、 绝对定向、 空间前方交会。

2.2 SPOT6立体像对提取DEM 的流程

本文利用ERDAS的photogrammetry tool工具提取点云数据和DEM, 该工具能实现多类常见航天航空传感器相对定向、 空三加密、 立体测量和密集匹配, 还支持多种几何模型。其eATE模块是从立体像对自动提取高分辨率地形的新模块, 支持各种类型的立体像对, 不用区分左影像和右影像, 可以进行像素级别的密集匹配, 且生成高密度las格式点云, 便于点云滤波, 去除错误点, 生成高精度DEM。该软件利用立体像对提取DEM的主要流程如图5所示。

图 5 数据处理流程图Fig. 5 Flow chart of data processing.

(1)打开ERDAS 的Imagine photogrammetry tool, 新建工程, 设置传感器几何模型为有理函数模型, 然后选择SPOT6 RPC, 并选择合适的投影坐标系, 完成工程的参数设置。

(2)导入立体像对影像, 加载立体像对的RPC文件完成影像的初始内定向、 外定向。

(3)通过控制点和自动匹配生成连接点, 并根据初始的内外方位信息, 进行空中三角测量, ERDAS空三结果可以通过均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)来体现, 预览每个同名点的坐标和精度(RMSE), 来调整剔除误差较大的同名点, 重新进行空三计算, 直至满足要求(RMSE< 0.2)。完成空三加密, 更新内外方位信息。

(4)根据空间前方交会原理, 利用eATE模块对立体像对进行密集匹配, 提取las格式的高密度点云, 并对点云进行滤波插值生成DEM。

3 结果和讨论
3.1 SPOT6立体像对提取DEM 的结果分析

本文在利用ERDAS提取DEM时, 导入2个控制点, 自动生成30个连接点。其中, 控制点通过高精度差分GPS测得, 其误差< 5cm。最终空中三角测量结果RMSE为0.09 pixels, 通过这32个点, 利用eATE模块NCC全局匹配算法, 经过9次迭代后, 密集匹配生成分辨率为1.62m的点云。利用相关程序对点云进行滤波插值生成分辨率为2m的DEM。以下为ERDAS给出的DEM精度评估结果(表2, 3)。

表2 检查点精度结果 Table2 Accuracy checking resultsm
表3 生成DEM统计表 Table3 DEM extracting resultsm

为了进一检验生成DEM的精度, 利用高精度差分GPS(测量误差< 5cm)测得地面点高程与通过ArcGIS提取DEM对应点的高程进行对比, 计算中误差, 检查DEM数据的高程精度。DEM的高程精度即中误差计算公式为

式中, Zk(k=1, 2, 3, …, n)为检查点的高程, Rk为通过 DEM提取对应点的高程, σDEM为高程中误差。

生成的DEM、 检查点误差与高程误差直方图如图6所示。通过计算得到检查点的高程最大误差为1.93m、 最小误差为0.01m、 中误差为0.98m, 与ERDAS给出的RMSE结果相当。根据中误差计算公式和原理可知, 中误差 σ越小, 绝对值较小的误差越多。在误差值满足正态分布的情况下, 根据正态分布原理, 误差绝对值 > 2σ的概率为 4.5%, 所以一般取 2σ作为极限误差, 本次试验中最大误差值与2倍中误差值相近。在没有采用控制点的情况下, 高程中误差达到了15m, 且为系统性误差, 这主要是由于在没有控制点的情况下, 绝对定向不准确, 从而引起提取的DEM数据出现系统性偏差。而添加2个控制点之后高程中误差大幅度缩小; 虽然由于控制点少、 分布不均, 生成DEM也存在系统偏差, 但该误差已经明显减小。误差统计和精度对比分析的结果表明, DEM基本满足区域精细填图和地貌参数提取的需求。有关学者通过实验分析得出每个立体像对只需要5个地面控制点即可达到较好的平面和高程精度(黄华平, 2012)。因此, 在利用立体像对提取DEM时, 最好添加足够且分布合理的控制点以提高DEM精度。

图 6 基于立体像对提取的DEM及误差统计
a 研究区DEM影像, 图中噪点为云造成的错误点; b 实测点和DEM对应点的高程对比; c 高程误差直方图Fig. 6 DEM imagery from stereo-pair and error statistics.

3.2 民乐-永昌构造变形特征

通过SPOT6立体像对提取高精度DEM, 对研究区进行阶地划分和地质填图(图8), 并利用DEM提取研究区的廊带剖面(剖面位置见图7)。室内解译和廊带剖面显示, 2003年民乐-山丹地震的极震区附近的永固镇存在明显的褶皱隆起变形。之后, 通过差分GPS提取河流阶地的纵剖面, 结合相关资料对该断裂的构造变形特征进行综合分析。

图 7 研究区余震分布、 烈度及廊带剖面位置示意图
F1 祁连山北缘断裂, F2 民乐-永昌断裂, F3 龙首山南缘断裂; 粗红虚线为永固镇附近坡向转折点的走向Fig. 7 Distribution of aftershocks, seismic intensity, and locations of swath profiles.

图 8 阶地分布及测量剖面位置Fig. 8 Distribution of terraces and measurement profiles.

3.2.1 廊带剖面和河流阶地纵剖面

以SPOT6立体像对提取DEM为基础, 获得Q2f和T3高地貌面上3条廊带剖面(剖面位置见图7), 条带宽度分别为3km、 260m、 3km。廊带剖面显示高地貌面存在显著的褶皱变形(图9)。根据DEM对研究区进行细致填图, 并采用高精度差分GPS对童子坝河的T0、 T1、 T2阶地进行测量(剖面位置见图8)。阶地纵剖面显示T0、 T1阶地没有明显的构造变形, 而T2阶地褶皱隆起量约为2.0m, T3与T2的拔河高差约为22.3m(图10)。T2、 T3阶地变形显示阶地北部比南部存在明显的抬升, 而3条廊带剖面也显示明显的地壳抬升, 这与河西走廊以NE-SW向的挤压-缩短变形为主的构造背景一致(国家地震局地质研究所等, 1993)。

图 9 高地貌面上的廊带剖面Fig. 9 Swath profiles on high geomorphic surfaces.

图 10 河流阶地纵剖面Fig. 10 Longitudinal profiles of river terraces.

在永固镇一带的T2阶地纵剖面揭示的变形带总体走向为311° (图8), 而在西坡村一带的T2阶地和T3阶地揭示的变形总体近EW向。民乐山丹地震极震区呈肾型(何文贵等, 2004b; 郑文俊等, 2005), 可能与阶地揭示的这种变形特征有关。另外, 阶地Q2f的坡向转折点比年轻的阶地更靠北(图8), 似乎脱离了构造变形的总体走向趋势, 这可能是由于该地貌面后期遭受严重侵蚀, 导致转折点后退造成的, 这从该地貌面被许多各种流向的冲沟所切割也可得到印证。

3.2.2 余震、 烈度分布和震源机制解

2003年民乐-山丹地震后, 在霍城— 永固一带后续发生数百次余震, 利用Hypo2000对该区域的地震进行重定位后, 利用HypoDD双差定位程序对重定位结果进行精定位(Waldhauser et al., 2000)。精定位后地震数目为313个, 双差定位采用LSQR法, 定位结果水平误差为0.5km, 深度误差为1.1km。精定位后地震空间分布如图7所示。

针对本次地震的地震应急现场考察显示, 宏观震中位于民乐县永固镇姚寨子村和山丹县霍城镇刘庄村一带, 地震烈度分布图如图7所示。极震区烈度为Ⅷ 度, 长轴总体走向300° , 长轴长18km, 短轴长6.8km, 呈弯豆状。地面变形不太多见, 仅在极震区部分地方有规模不等的地裂缝和地震陷坑, 且与极震区走向和余震分布位置关系密切, 表明地裂缝分布除了地形地貌的影响外, 还受到活动构造位置的影响(何文贵等, 2004b; 郑文俊等, 2005)。从图7可以看出极震区与余震分布位置基本吻合。主震位置与宏观极震区位置一致(何文贵等, 2004b)。利用精定位地震数据进行断层拟合(万永革等, 2008), 反演结果显示该断层的走向为327° , 该结果与河流阶地纵剖面显示的变形位置和走向(图7)基本一致。而哈佛大学震源机制解的节面I也给出相近的结果(表4)。

表4 民乐-山丹MS6.1地震震源机制解 Table4 Focal mechanism solutions of the Minle-Shandan MS6.1 earthquake

根据地震的破坏程度可以反映断层两侧的运动和变形特征, 即地震灾害评价中的上盘效应(张冬丽等, 2009; 黄润秋等, 2009)。民乐-山丹MS6.1地震的极震区及其余震均位于河流阶地纵剖面和廊带剖面显示的构造变形带的北侧, 说明变形带的北侧为断裂的上盘。而阶地纵剖面和廊带剖面显示变形带北侧存在构造抬升, 说明该断裂具有逆冲性质。而哈佛大学震源机制解的节面I给出民乐-山丹地震的滑动角为116° , 以逆冲为主, 这与阶地变形和地震灾害分布所反映的特征一致。

4 结论

(1)虽然民乐-山丹地震在地表没有产生明显的地表破裂, 但是多条与构造走向一致的地裂缝是本次地震产生的地表变形的直观反映。而且, 获取的阶地变形特征、 余震、 烈度分布和震源机制解等资料表明, 民乐-永昌隐伏断裂为2003年民乐-山丹地震的发震断层, 进一步印证了地震地质考察的推测结果(何文贵等, 2004b; 郑文俊等, 2005)。

(2)河流阶地纵剖面显示T2阶地存在明显变形, 说明民乐-永昌断裂在全新世或晚更新世以来有活动。近年来该区域的1978年MS4.8地震、 2003年MS6.1、 5.8强震, 以及2007年M5.3地震均表明该断裂现今仍在活动。

(3)立体像对对于活动构造研究具有重要的作用, 可以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。

另外, 本文在利用立体像对提取DEM时, 由于控制点偏少, 且未能均匀分布于图幅, 造成绝对定向存在偏差, 使得最后提取的DEM结果存在一定的系统误差。下一步将采集更多控制点, 来提升DEM的精度。

致谢 审稿专家对本文修改提出了许多有益的建议, 万永革研究员提供了断层面计算程序, 在此一并深表谢意。

The authors have declared that no competing interests exist.

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