遥感技术具有影像覆盖面积广、信息量大、获取信息快等诸多特点。利用遥感技术可以获取大面积地表图像,克服了传统断裂研究中野外考察耗费大、周期长、局部性等不利因素,提高工作效率。将遥感技术与构造地貌学方法相结合,可以对活动断裂第四纪以来的构造地貌特征进行研究,从而对断裂活动性进行定性分析与定量评价(Kaya et al,2004; 谢小平等,2019)。本文基于对ASTER GDEM、Google Earth等多源遥感数据的处理,结合遥感数据的色调异常、微地貌特征、水系和纹理特征等,从宏观上解译海风园断层的几何结构和空间展布特征; 结合野外实地调查的方法,获取活动断层的分布位置及几何展布形态,进而分析断层的活动状态及其性质。

图2 研究区遥感影像(a)及其解译图(b)
Fig.2 A remote-sensing image of the study area(a)and its interpretation map(b)

在遥感影像上活动断裂一般界线清晰,呈连续展布,与两侧的色调有较大的差异,可快速圈定活动断层的发育范围和延伸方向。从图2a可见,海风园断层线性特征清楚,且连续分布,表现为一条贯通的、单一的断层构造,长度约5 km,走向约N20°E,断层迹线直观并且明确。养殖场断裂位于研究区中东部,在遥感影像上其断层迹线并非表现为单一线性,局部存在折弯,北段有分叉,南段地貌线性特征清晰,为早中更新世断裂(汪一鹏等,2013)。从图2b可见,在遥感影像上海风园断层地貌清楚,主要表现形式有断层槽地、线性山脊、断塞塘、陡坎等。养殖场断裂主要表现为断层沟槽地貌。

通过各种构造微地貌的综合分析,可以明确活动断层的平面几何形态、结构特征以及运动性质等(图3)。海风园断层延伸长度虽短,但在断层伸展方向上也有地质体发生明显的水平位移现象。如在前所村东侧及北东一带,可见多条冲沟横跨断层出现同步左旋位错,在图3b中每个冲沟位错特征十分清晰,其中最大左旋位移约50 m,最小左旋位移约10 m。这些被位错的冲沟都是延伸长度不大、无阶地发育的V型小沟,其形成时代应为全新世中、晚期,因此反映了断层全新世中晚期以来的左旋运动特征(宋方敏等,1998)。

现场调查发现,在海风园断层走向延伸方向上可见清楚的断层槽地,且呈现断断续续的线性排列。断层槽地是断层活动过程中,沿断裂带的物质被错动变疏松,之后易受冲刷搬运而形成,一般位于断层通过的山脚、地形斜坡或台地等部位。如在海风园北东一带断层主要表现为槽地地貌,槽地长约30 m,宽约15 m,断层顺槽地发育,形成笔直的断层槽地地貌(图4a)。在前所村东侧及北东一带可见明显的NE向狭长槽地,沟槽基本连续,断层顺槽地发育,地貌上形成清楚且连续分布的线性断层槽或断层谷(图4b),主要是由断层多期次错动而形成。

断塞塘是地震时地面拉张陷落,后期在下陷部位形成积水或无积水的洼地(宋方敏等,1998)。沿海风园断层进行追索,可见多个低洼地形和浅水塘呈线性分布,地形地貌特征明显。如在前所村南东方向约500 m处发现一积水的断塞塘,长约100 m、宽约70 m,常年积水无干涸现象(图4c)。在断塞塘东侧约100 m的缓斜坡上可见显著的线性山脊(图3a、图4d)。据ASTER GDEM数据分析结果显示(图3a),基岩山脊表现出明显的线性影像特征,从基岩山地到断塞塘,地形变化急剧,海拔从约1 950 m迅速降到1 820 m,构成了基岩与第四纪坡积物的界线,反映断层除了有走滑运动分量外,垂直运动分量也很明显。另外,有些断塞塘发育在较宽的断裂槽地中,构成了明显的低洼沉积区。如在前所村东侧展布的断层槽地中见到一处已干涸的小型断塞塘(图4b),形成的干涸洼地地形相对更低,地貌特征极为醒目。

图3 研究区山体阴影图(a)以及成像于20世纪六七十年代的历史航片图(b)
Fig.3 The hillshade map of the study area(a)and the historical aerial photos taken in the 1960s and 1970s(b)

图4 海风园断层构造地貌照片
Fig.4 The typical tectonic landform photos of the Haifengyuan Fault

根据遥感数据对研究断层空间展布特征的解译结果,沿断层展布方向进行野外地质调查,在海风园附近的一处陡坎上发现1个错断晚第四纪地层的断层剖面(图5),剖面坐标为(24.964°N,103.005°E)。该剖面出露的地层层序根据岩性特征自下而上主要划分为:①砾砂层,为冲洪积堆积物(Q^apl₃),棕黄色-褐黄色,砾石大小混杂,未见明显层理,分选一般,磨圆度中等,次棱角-次圆状,砾石空隙可见黏土物质充填,少量由砂类土充填,该层厚度较大,未揭穿底界; ②黏土层,疑似湖积层(Q^l₃),褐红色-褐色,整体呈条带状展布,部分呈透镜体状延伸,在砾砂层中逐渐尖灭,厚度不等; ③表土层,为全新世堆积物(Q^dl₄),棕褐色-浅红色,表层松散,易垮塌,混杂结构,植物根系发育,夹有大量的草根。

从图5b可见3条主干断层及1条分支断层发育,主干断层近平行排列,其产状分别为:10°/NW∠65°(f_1-1),15°/NW∠80°(f_1-2),12°/NW∠85°(f_1-3)。f_1-1发育在砾砂层之中,被上覆表土层覆盖,主干断层向上出现分叉,左侧分支断层具有明显的逆冲性质,错断黏土层,右侧分支断层消失在砾砂层内,表明f_1-1在黏土层形成之后到表土层形成之前活动。f_1-2发育在砾砂层之内,并且向上延伸进入表土层,但未断错上覆的表土层,根据断层两侧被错断的黏土层,说明f_1-2为逆断层性质,错距约0.5 m,剖面上f_1-2的活动特征可以反映海风园断层的最新活动时代。f_1-3发育在砾砂层之内,并未延伸进入上覆表土层,根据断层附近黏土层发生的牵引变形特征,说明f_1-3为正断层性质,错距约0.2 m,其形成时代至少为黏土层形成之后到表土层形成之前。

在倾角近直立的情况下地表表现形式受多种因素的影响,其垂向运动方式可以表现出逆断层和正断层性质(哈广浩等,2022),可能与较复杂的断裂带几何分布有关(闻学泽等,2011)。整个断层剖面表明,海风园断层活动切割了全新统坡积或冲洪积层,直达表土层,虽未直通地表但表层仅覆盖有较薄的现代耕植土,说明晚第四纪以来断层活动强烈,属于全新世活动断层。

图5 海风园附近断层出露剖面(a)与素描图(b)
Fig.5 Profile(a)and sketch map(b)of the fault outcrop near Haifengyuan Village

高密度电法作为一种有效的地球物理探测方法,同时具备电阻率剖面和测深测量功能,具有采集信息量大、观测精度高、探测速度快和解释方便等优点,在隐伏断裂探测方面已有很多应用实例,并取得了很好的效果(李清林等,2006; 朱涛等,2012; 戚帮申等,2019)。

高密度电法是以岩土体导电性的差异为基础,研究人工建立的稳定电场在地下传导电流的分布规律。根据1:20万昆明幅和宜良幅区域地质资料和现场实地调查,测区附近发育的地层主要有二叠系和新近系,其中,二叠系以灰岩为主,新近系岩性主要是红色黏土和褐色砾石层,以及第四纪冲积、洪积和湖积层。断层带两侧地层电性差异或断层破碎带与周围地层电性差异是识别断层的主要标志(朱涛等,2009; 吴教兵等,2019)。因此,测区内不同地层岩性的电阻率物性特征存在明显的差异,满足开展高密度电法勘探研究所需要的前提条件。为准确限定研究断层的空间位置,在遥感影像解译断层大体空间位置的基础上,跨断层布设了2条近似平行的高密度电法勘探测线。结合场地实况,测线按照近东西向布设,且与研究断层走向近似垂直(图2b)。2条测线均采用温纳排列系统进行观测,每条测线实接电极数为120道,电极间距10 m,测线总长均为1 200 m。

测区地形起伏明显,故对原始数据进行了地形校正。根据野外观测数据,对实测原始数据进行处理,采用相同的电阻率色标及其对数等值线对所有的剖面线进行反演,便于2条测线反演结果的对比分析。

测线1(GM1)高密度电法反演剖面显示(图6a):剖面中部的视电阻率值高于其左右两侧, 左右两侧区域的电阻率为6.63～73.1 Ω·m,推测为新近系黏土; 中部区域的电阻率为163～1 797 Ω·m,现场调查发现中部山体上覆盖层较薄,多处基岩出露,风化程度低,主要为下二叠统灰岩的电阻率反映。在剖面桩号390～460 m处,出现大规模不规则低阻异常体圈闭现象,异常区轮廓结构清晰,显示为向下延伸较深且陡立的低阻异常区,视电阻率为6.63～32.9 Ω·m, 且与其左右两侧电阻率值差异巨大; 视电阻率值变化陡峭形成梯度带,形成“两高夹一低”的现象(朱涛等,2009),推测为海风园断层的电阻率异常反映,其视倾向为SE,视倾角约为60°,上断点埋深接近地表,破碎带宽度约为70 m。在剖面桩号870～930 m处,存在一个明显的低阻异常区,视电阻率为6.63～32.9 Ω·m,浅层异常中心发生圈闭,深部异常一直延伸到剖面底部,并且与其左侧电阻率值差异变化明显,表现出明显的高-低阻异常现象; 现场调查为负地形地貌,推测为养殖场断裂的电阻率异常反映,其视倾向为SE,视倾角约为40°,上断点埋深接近地表。

测线2(GM2)高密度电法反演剖面显示(图6b):左右两侧为低阻区,视电阻率为7.80～109 Ω·m,推测为新近系黏土的电性显示; 中部处于高阻区,视电阻率为210～783 Ω·m,主要与近地表出露的灰岩有关。剖面桩号140～190 m处,存在一个明显的低阻异常区,异常区轮廓结构清晰,异常结构相对稳定,异常现象从浅部一直延伸到剖面底部,视电阻率为7.80～29.1 Ω·m,与其左右两侧电阻率差异巨大,视电阻率变化陡峭形成梯度带,具有中间低阻两侧高阻的特征,形成“两高夹一低”的现象(朱涛等,2009),推测为海风园断层的电阻率异常反映,其视倾向为SE,视倾角约为70°,上断点埋深接近地表,破碎带宽度约为50 m。在测线剖面桩号680～760 m附近,存在一个明显的低阻异常区,视电阻率为7.80～29.1 Ω·m; 上部异常中心发生圈闭,深部异常一直延伸到剖面底部,与其左侧电阻率值差异变化明显,表现出明显的高-低电阻异常现象,并且为负地形地貌,推测为养殖场断裂的电阻率异常反映,其视倾向为SE,视倾角约为40°,上断点埋深接近地表。

为了验证高密度电法探测结果的可靠性,在测线1(GM1)剖面桩号390～460 m的低电阻异常关键部位布设了一个大型探槽,以确定研究断层的存在、精确定位断层的空间位置及断层断错最新地层的情况。探槽走向为SEE,与电法测线平行并且与目标断层走向垂直,探槽位置见图2b。

为了能精细地分析和表征断层的最新活动特征,依据探槽所揭示的沉积结构和断层出露情况,选取探槽中主干断层出露的重点区段进行描述(图7)。通过探槽N壁和S壁揭露的地层对比划分,主要出露的地层分为:①褐黄色表土层,为现代松散堆积物(Q^dl₄),厚度约0.3 m,植物根系发育; ②灰白色砂砾层(Q^apl₃),分选性和磨圆度一般,砾石空隙为黏土物质充填,局部地段相变为砂土,探槽开挖未揭穿底界; ③褐红色黏土层(N₂),因失水收缩强烈,故土层表面收缩,裂隙发育,完整性较差,探槽开挖未揭穿底界。

探槽剖面中间为主干断层经过区域,在探槽N、S两壁上主干断层相互连通,断层行迹非常清晰,

图6 测线1(a)和测线2(b)高密度电法反演剖面及地质解释推断结果
Fig.6 Profiles inverted by the High-density Resistivity Method and inference maps of Line 1(a)and Line 2(b)by geological interpretation

断层产状为17°/SE∠50°。断层面附近见灰黑色淤泥质土发育并具有强烈的扰动和变形现象,灰黑色断层泥带向上延伸进入上覆表土层,接近于地表,错断上覆全新统坡积物。通过断层与第四纪覆盖层之间的错断关系,可用于约束断层活动的最新时代,再次说明海风园断层为全新世活动断层。

探槽内主干断层出露点在地形地貌上因人类改造强烈,但隐约显示出横切斜坡地形发育的微型陡坎地貌,具有反向逆冲陡坎的性质特征,与剖面上断层导致的地层挤压变形呈上冲形态相呼应,表现为新近系褐红色黏土层逆冲在第四系砾砂层之上。因此,根据地表构造地貌形态及剖面地层变形特征,判断海风园断层最新活动特征表现为逆冲性质的断层。但本文没有对剖面上断层的活动年代进行精确的测年,从而无法精确约束断层活动的最新时代。经探槽验证,高密度电法测线反演剖面在断层破碎带附近的电性结构异常特征与探槽剖面揭露的地质特征大体上是一致的,能够完好地控制海风园断层的空间展布特征及空间位置。不难看出,电性结构异常位置与断层出露位置一致,并且电阻率异常区倾向与主干断层倾向相同。

图7 探槽N壁(a)和S壁(b)揭露的断层剖面
Fig.7 Fault profile exposed by the north wall(a)and the south wall(b)of the trench

经过遥感影像和DEM数据联合解析可知,海风园断层是一条贯通的、由单条断层构成的平直断层构造。遥感影像上断层线性特征清晰,连续性较好,宏观地貌显著,沿断层发育断层槽地、线性山脊、断塞塘、水系位错等活动地貌,这些构造地貌单元均指示了断层的展布位置。利用遥感影像快速解译明确了海风园断层的穿越位置,有效圈定了断层的展布范围,缩小了调查区域,为后续的野外地质调查和进一步的高密度电法精细化探测起到了关键作用。

本文利用2条测线组成平行测线组,测线所处的总体地质环境相近,周围干扰因素较少,探测条件相同,获取控制同一断层的电性剖面在相似位置都出现低阻异常反应,异常位置可以相互对比和补充,避免了单一测线的局限性,能够有效反映断层构造的相关地质参数。通过2条电法测线反演的断面图可知,电法探测对断层构造展布位置和大致倾向反映较为一致,异常形态和异常结构特征较为明显。海风园断层破碎带宽度为50～70 m,视倾向为SE,视倾角为60°～70°; 养殖场断层视倾向为SE,视倾角为40°。根据2条测线剖面上电阻率异常位置的对应关系,构成断层的延伸方向,可确定出断层的空间展布特征。海风园断层在测线1上出露的位置为桩号390～460 m处,延伸到测线2上出露的位置在桩号140～190 m处,走向近似为N20°E。养殖场断层在测线1上出露的位置为桩号870～930 m处,延伸到测线2上出露的位置在桩号680～760 m处,走向近似为N30°E。高密度电法确定的断层走向与遥感解译结果较一致,直观地指示了目标断层在地表的投影位置。所以,高密度电法进一步查明了海风园断层的位置、破碎带范围、产状及其浅部结构特征,具有较好的勘探效果。

根据探槽开挖验证,结合剖面揭露的断层信息以及断层切、盖地层关系分析,探槽剖面上主干断层倾向为SE,倾角为 50°,实测倾角与高密度电法探测解译结果有一定的偏差(罗登贵等,2014)。但是探槽剖面地质特征与高密度电法探测剖面中显示的在断层破碎带附近的电性结构间断面位置是大体一致的,能够准确地控制海风园断层的空间展布特征及位置。同时,经过仔细清理和详细观察整个探槽剖面,可见多条分支及次级小断层,主要位于主干断层两侧。多条分支小断层与主干断层走向大致相同,沿主干断层呈平行条带状分布,识别出包括主干断层、分支或次小级断层在内的宽度约60 m的变形带,与高密度电法反演剖面解译的低阻异常区域较一致。因此,探槽开挖结果进一步证实了高密度电法在探测断层位置、划分破碎带范围以及精细显示断层浅部结构特征方面的可靠性和高效性。

理论与实践表明,在第四系覆盖地区开展活动断层探测应充分利用多种技术手段,遵循“先整体后局部、先粗略后精细,多种技术结合使用、互相验证、互相补充、互相约束”的综合探测体系要求。各种技术手段的组合应该按照以下原则,全面、准确地进行活动断层探测:

(1)整体探测。利用遥感技术快速、高效的特点对目标断层可能存在的区域进行整体探测,快速识别活动断层在沟谷、斜坡、基岩、堆积体等不同地貌上的表现特征,控制断层的宏观走向,有效圈定断裂的位置与范围,缩小调查区域。

(2)局部精细探测。利用高密度电法野外工作便利、效率高、成本较低、受地形影响小等优点,对活动断层可能存在的重点区域进行精细探测,揭示活动断层的浅部电性特性和电性结构,进而准确查明断层的中心位置,划分出断层破碎带的宽度范围。

(3)地质调查。针对物探异常区选择最适合开挖探槽验证的关键位置,采用探槽揭露法来进一步确定目标断层的位置、规模和产状,验证物探解译的活动断层与破碎带宽度是否与实际相符,提高探测结果的可靠性。

遵循上述体系原则,活断层判识采用“遥感定展布、物探定结构、地质定结论”的技术体系进行综合研究是完全可行的。不仅考虑到每一种技术方法具有不同的探测优势、工作效率和成本; 而且可以避免单一方法的多解性,实现优势互补,相互佐证,达到最佳组合方式; 又能有效地减少探槽开挖的工作量,大幅度降低人员的劳动强度,保证了第四系覆盖区活动断层探测结果的准确性和可靠性,取得良好的勘探效果。