青海玉樹MS7.1級地震地表破裂帶的遙感影像解譯1

石 峰何宏林張 英

1）中國地震局地質研究所國家地震活動斷層研究中心，北京 100029

2）中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101

3）中國科學院研究生院，北京 100049

青海玉樹MS7.1級地震地表破裂帶的遙感影像解譯1

石 峰1)何宏林1)張 英2,3)

1）中國地震局地質研究所國家地震活動斷層研究中心，北京 100029

2）中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101

3）中國科學院研究生院，北京 100049

2010年4月14日青海省玉樹發生MS7.1級地震，造成嚴重的人員傷亡和重大的經濟損失。除組織現場快速震害評估和地表破裂帶調查外，利用高分辨率衛星影像解譯是迅速給出初步震害評估和同震地表破裂的位置和展布的最佳途徑。本文通過對震前、震后高分辨率SPOT衛星影像的對比，解譯出了12km長的同震地表破裂帶，其在影像上主要表現為線性陰影和色彩變化。地表破裂帶位置和先存的斷層、老破裂帶位置一致，說明青海玉樹地震屬于原地復發型地震。同時，解譯結果也得到了來自野外實地調查結果的驗證，證明了遙感解譯的可信性和及時性。但解譯破裂長度遠小于實際破裂長度，也說明了基于2.5m分辨率的SPOT衛星影像的遙感解譯存在較大的局限性。

玉樹地震 遙感解譯 地表破裂

引言

遙感解譯在抗震救災和恢復重建中發揮了重要的作用（黃鐵青等，2008；李德仁等，2008），同時也是研究活動構造的重要方法。青海玉樹地震發生后，除組織現場快速震害評估和地表破裂帶調查外，高分辨率衛星影像解譯是迅速給出初步震害評估、同震地表破裂位置以及展布的最佳途徑。2010年4月14日7點49分，青海玉樹（33.1°N，96.7°E）發生了MS7.1級地震（中國地震信息網，2010），矩震級為MW6.9（USGS，2010；陳運泰，2010），造成巨大的人員傷亡和經濟損失。地震發生當天，中國地震局派遣到現場的工作隊迅速奔赴震區開展震害評估和地表破裂帶調查，獲得了豐富的第一手資料。為配合現場調查、快速了解地震破裂帶整體形態和大致位置，本文作者在獲得地震前后的SPOT衛星影像后，對極震區的破裂帶進行了解譯，識別出了12km長的地表破裂帶。

1 青海玉樹地震的構造背景

青海玉樹 MS7.1級地震發生在甘孜-玉樹斷裂帶的中段，結隆與巴塘之間。甘孜-玉樹斷裂帶是鮮水河-小江斷裂系的西北段，它與該斷裂系中的其它斷裂（鮮水河斷裂、安寧河斷裂、則木河斷裂、大涼山斷裂和小江斷裂）一起，構成了順時針旋轉的青藏高原南東地塊的北邊界（張培震等，2003; He等，2006）。甘孜-玉樹斷裂帶由斜列狀排列的一組北西向斷層組合而成，西起青海治多縣那王草曲塘，經當江、玉樹、鄧柯、玉隆，至四川甘孜縣城南，全長約500km。斷裂整體呈北西向展布，僅在當江附近走向北西西，斷層傾向以北東為主（僅擋拖一帶傾向南西），傾角70°—85°（李閩峰等，1995）。

甘孜-玉樹斷裂帶是在前第四紀基巖斷裂帶的基礎上發展起來的一條全新世強烈活動斷裂，老的基巖斷裂破碎帶一般寬數十米至百余米，局部地段達數百米（周榮軍等，1996）。新斷層在地貌上表現為線性延伸的斷層陡坎、坡中槽、水系錯斷等。在遙感影像上，斷裂顯示出清晰的線性特征，并有明顯的水系錯斷、山脊錯斷、坡中槽等現象，主要以左旋走滑為主，并伴有較小的垂直運動（彭華等，2006）。甘孜-玉樹斷裂帶晚第四紀平均滑動速率為7 mm/a（周榮軍等，1996），5萬年以來平均滑動速率為12 mm/a（聞學澤等，2003），GPS觀測的現代滑動速率也在10 mm/a左右（張培震，2008）。

歷史上，在該斷裂帶上曾發生過3次強震，它們分別是：1738年12月23日青海玉樹及其西北的級地震、1896年3月四川石渠縣洛須-青海玉樹間的7級地震、1979年3月29日青海玉樹南東的6.2級地震（圖1）（國家地震局震害防御司，1995；中國地震局震害防御司，1999）。這些地震在地表都留下了清晰的破裂痕跡，在線Google影像上都能清楚地辨認出斷層反向坎、山脊和沖溝的左旋位移。

2 數據來源

青海玉樹地震遙感解譯用到的衛星影像主要為SPOT2.5m和10m分辨率的地震前、后影像數據。數據采集時間分別為：2008年1月4日、2010年2月26日、2010年3月30日、2009年11月5日和2010年4月15日；協調時時間、太陽方位角、入射角等參數基本一致。范圍覆蓋震中兩景（長120km，寬60km），選用時間相距較近的衛星影像可以盡可能最大限度地排除人工建筑改造等的影響，協調時時間、太陽方位角、入射角的一致確保了不會由于角度問題導致產生的陰影不一致。

3 解譯結果

通過分析震區SPOT影像，發現玉樹地震地表破裂位置和先存活動斷層位置一致，玉樹地震屬于原地復發型地震。玉樹地震的發震構造為典型的左旋走滑斷層，走滑斷層一般呈直線延伸，甚至穿越起伏很大的地形仍保持直線性，在SPOT影像上可以清晰地發現斷層的線性構造和山脊、水系的左旋位錯。我們在該段解譯出近40km活動斷層和先存破裂，并在此基礎上，通過分析對比地震前、后影像的光學差異，解譯識別出了12km長的同震地表破裂帶（圖2）。同震地表破裂帶在遙感影像上主要表現為線性深色陰影、色彩變化等現象。線性陰影主要為斷層陡坎，色彩變化主要指示了滑坡和基巖斷裂。

3.1 玉樹縣城西北13km地表破裂（N33°2'47.3"，E96°52'12.1"— N33°2'22.5"，E96°52'58.1"）

青海玉樹地震前的影像（圖3a）表現出的先存斷層為一明顯的淺色條帶，該條帶反映的是斷層南盤線性隆起而造成的強反射，淺色條帶與北側（斷層北盤）之間鮮明的顏色分界線指示了先存斷層跡線。而從青海玉樹地震后的影像（圖 3b）上可以看出，沿先存斷層跡線存在一條明顯的深灰色細條帶（紅色箭頭指示），線性特征相對于震前影像更加清晰，反映的是玉樹地震形成的地表破裂——反向斷坎。根據影像測量，此段破裂長約1300m。該破裂表現平直，在中部存在一個間斷，略顯左階特征，說明了玉樹地震的左旋破裂性質。

圖2 玉樹地震破裂帶遙感解譯圖（底圖來自2.5m分辨率SPOT衛星影像，下同）Fig.2 Distribution of Yushu earthquake surface rupture from remote sensing

1 http://10.3.210.3/html/8a834a81158a15aa01158a1bbbd40003/yushu/index.html.

圖3 震前SPOT衛星影像（a）與震后影像和解譯同震地表破裂（b）（紅色箭頭指示破裂帶位置）Fig.3 SPOT images of pre-earthquake (a) and post-earthquake, and interpretation of co-seismic rupture (b) (indicated by red arrows)

3.2 玉樹縣城西北11km地表破裂（N33°2'4.4"，E96°53'16.4"— N33°1'40.1"，E96°54'2.1"）

從青海玉樹地震前、后的影像對比（圖 4）可以看出，地震前影像上表現出的線性斷層特征明顯比地震后的清晰，但是從地震后的影像上可以判讀出類似于圖3b深灰色細條帶（紅色箭頭指示）（圖4b），規模上遠小于圖3b所顯現的破裂帶。而且，地表破裂的位置也與先存斷層跡線完全一致。中國地震局地質研究所野外工作隊從現場發回的照片也顯示（圖4c），大量的地表破裂表現的是小尺度的“羽列”狀張剪裂隙帶。在該照片的拍攝位置（圖4b中的白色框），從地震后的影像上沒有判讀出任何破裂的跡象，這說明衛星影像在精度上的局限性，分辨率2.5m的精度還無法識別出小于該尺度的地表破裂。無論是從震前還是震后的影像上，都能清晰地判讀出明顯的山脊錯斷（圖4b黑色箭頭指示），錯斷量約50m，應為多次地震的累積位移。

圖4 震前SPOT衛星影像（a）；震后影像和解譯同震地表破裂（b）（紅色箭頭指示破裂帶位置，白框指示圖c位置）；野外照片（c），鏡向NW（來自中國地震局地質研究所1http://10.3.210.3/html/8a834a81158a15aa01158a1bbbd40003/_content/10_04/20/1271742262418.html）Fig.4 SPOT images of pre-earthquake (a) and post-earthquake and interpretation of co-seismic rupture (indicated by red arrows) (b), and photo of rupture in the field, view to NW (c) (index box in b) (from Institute of Geology, China Earthquake Administration)

3.3 玉樹縣城西北16km地表破裂（N33°3'28.8"，E96°51'2.9"— N33°03'1.7"，E96°51'37.3"）

該處的地表破裂在衛星影像上與上兩節的表現形式相同，都是深灰色細條帶，長約700m（紅色箭頭指示）（圖 5b），明顯不同于背景。而且，地表破裂的位置也與先存斷層跡線完全一致。無論是在震前還是震后的影像上，先存構造地貌都表現得十分明顯，有左旋位錯山脊、位錯沖溝和斷塞塘等（圖5b中用黑色箭頭表示）。從震前、震后的影像上都可以判讀出約15m的沖溝左旋累積位錯（圖5b左上用黑色箭頭表示）。在震后影像的右下角，存在明顯的色彩變化，明顯比背景鮮艷，與震前影像也有顯著差異，可判讀為滑坡或基巖破裂。來自中國地震局地質研究所野外工作隊的野外照片也證實了上述判讀結果（圖 5c），箭頭指示了照片中的地表破裂帶和基巖破裂的位置。

圖5 震前SPOT衛星影像（a）；震后影像和解譯同震地表破裂（b）（紅色箭頭指示破裂帶位置）；野外照片（c），鏡像SE（來自中國地震局地質研究所1http://10.3.210.3/html/8a834a81158a15aa01158a1bbbd40003/_content/10_04/20/1271742262418.html）Fig.5 SPOT images of pre-earthquake (a) and post-earthquake and interpretation of co-seismic rupture (indicated by red arrows) (b), and photo of rupture in the field, view to SE (c) (from field team of Institute of Geology, China Earthquake Administration)

4 討論

根據走滑型地震的地表破裂長度L與矩震級MW之間的統計經驗關系（Wells等，1994）：MW＝5.16＋1.12logL，可推測出青海玉樹地震的地表破裂約為 36km左右。實際上，中國地震局地質研究所野外現場工作隊的調查結果也顯示，青海玉樹地震的地表破裂帶長度在31—51km之間，最大位移為1.8m（陳立春等，2010），與上述根據經驗關系推測的結果基本一致。而通過對比地震前、后的SPOT影像，可得到玉樹地震部分同震地表破裂的分布情況，可被顯著識別的同震地表破裂段約12km，其位置與野外調查結果吻合得很好。

從上述的影像分析可知，深灰色陰影條帶是識別玉樹地震的重要標志，陰影的大小、清晰程度與地表破裂的規模直接相關。由于玉樹地震的破裂方式為走滑型，而通常走滑破裂帶的寬度較??；同時，玉樹地震的水平位錯量不大，通過地震波反演的最大位移只有1.3m（陳運泰等，2010）。所以，通過精度為2.5m的SPOT影像解譯玉樹地震的走滑型地表破裂存在較大的局限，一般認為地物的識別是在影像分辨率的1/2左右（趙英時等，2003），當小于該值的地物時很難識別，這也造成了部分地表破裂帶的無法識別。因而，通過解譯、對比地震前后的SPOT影像，只能識別出其中的一部分。所以，目前基于這種分辨率的遙感解譯，還無法代替對破裂帶的野外實地調查。如要解決這一問題，還需要使用更高分辨率的衛星影像數據，或使用最近幾年發展起來的空載LiDAR技術。

本文的解譯結果顯示，玉樹地震的地表破裂完全沿先存斷層（破裂）展布，同時與先存斷層重合，這說明玉樹地震為原地復發型。歷史上，在甘孜-玉樹斷裂帶上曾發生過3次強震，它們分別是：1738年12月23日青海玉樹及其西北的6?級地震；1896年3月四川石渠縣洛須-青海玉樹間的7級地震；1979年3月29日青海玉樹南東的6.2級地震（國家地震局震害防御司，1995；中國地震局震害防御司，1999）。其中，1738年的6?級地震震中烈度為Ⅷ度，影響范圍較大（顧功敘，1983），有史料記載：“玉樹附近十一族共計被傷番民一百五戶，內傷亡無存者四十四戶，尚堪成戶者四十九戶，止存婦女幼孩不堪成戶者十二戶”（謝毓壽，1983）。根據歷史記載得到的1738年6?級地震震中位于安圖司附近（33.3oN，96.6oE），接近此次玉樹地震的震中（33.1oN，96.7oE），其等震線所掩蓋的范圍大部分也與此次玉樹地震的影響范圍相當，這說明1738年發生的6?級地震與此次玉樹地震屬于同一個發震構造。周榮軍等（1997）和聞學澤等（2003）都認為，對1738年發生的6?級地震的震級估計偏低，該地震應不小于7級。依此，我們判斷在地震前SPOT衛星影像上判讀出的40km長的活動斷層可能與1738年發生的地震相關，該地震是否造成了地表破裂帶值得研究。同時，這也進一步說明了玉樹地震為原地復發型破裂，與其他研究者的結果一致（陳立春等，2010）。

對于原地復發型地震，如果能在解譯活動構造的基礎上進行解譯同震地表破裂，將大大提高解譯的效率與準確性，同時，也可以更好地為野外實地考察工作提供輔助。

5 結論

（1）基于青海玉樹地震前后SPOT衛星影像的解譯、對比，識別出了12km長的同震地表破裂帶，及時地獲得了玉樹地震的破裂信息。陰影和色彩是遙感影像識別地表破裂的重要標識，通過對比震前、震后的影像可以識別同震地表破裂。但是，通過2.5m分辨率的SPOT影像解譯玉樹地震這樣的走滑型地震的地表破裂還存在較大的局限性，有些地表破裂難以識別。

（2）解譯結果表明，玉樹地震地表破裂完全沿先存斷層（破裂）展布，與先存斷層重合，說明玉樹地震為原地復發型地震。

（3）對于原地復發型地震，在解譯活動構造的基礎上同時進行解譯同震地表破裂，將大大提高解譯的效率與準確性，同時，也可更好地為野外實地考察工作提供輔助。

致謝：感謝北京視寶影像公司提供SPOT衛星影像。

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Remote Sensing Interpretation of the MS7.1 Yushu Earthquake Surface Ruptures

Shi Feng1), He Honglin1)and Zhang Ying2,3)

1) National Centre of Active Fault Studies, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2) Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China
3) Graduate University of CAS, Beijing 100049, China

The April 14th, 2010 Yushu earthquake (MS7.1) in Qinghai province, led to severe casualties and a huge economic loss. High resolution remote sensing technique is an effective method to estimate the degree of disaster and to distinguish the co-seismic surface ruptures in time. By comparing pre- and post- earthquake SPOT images, we have interpreted a 12km-long co-seismic surface rupture, which is characterized by linear shadow and color shift in satellite images. The interpreted co-seismic surface rupture is consistent with the old rupture and old fault. It implies that Yushu earthquake is of in-situ recurrence feature. Our results are also verified by the field investigation, which suggests that remote sensing technique is a timely method. However, the length of co-seismic surface ruptures in our result is shorter than that from the field survey. This suggests that 2.5m SPOT image-based remote sensing interpretation has some limitations to some degree in determination of earthquake surface ruptures.

Yushu earthquake; Remote sensing interpretation; Surface ruptures

石峰，何宏林，張英，2010. 青海玉樹MS7.1級地震地表破裂帶的遙感影像解譯. 震災防御技術，5（2）：220—227.

國家自然科學基金資助項目（項目編號40872128和40841019）共同資助

2010-04-26

石峰，男，生于1984年。碩士研究生。主要從事活動構造研究。E-mail：skywazy@126.com