譚錫斌 徐錫偉 于貴華 吳國(guó)棟 陳建波 沈 軍 方 偉 宋和平

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三維激光掃描技術(shù)在正斷層型地表破裂調(diào)查中的應(yīng)用——以2008S7.3于田地震為例1

譚錫斌1）徐錫偉1）于貴華1）吳國(guó)棟2）陳建波2）沈 軍3）方 偉2）宋和平2）

1）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所中國(guó)地震局活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029?2）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊830011?3）防災(zāi)科技學(xué)院，廊坊 065201

隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于震后同震位移參數(shù)等基礎(chǔ)資料的獲取。本文簡(jiǎn)要介紹了三維激光掃描儀的基本原理和工作流程，然后以2008年于田S7.3級(jí)地震為例，介紹了三維激光掃描在正斷層型地震的同震位移等參數(shù)獲取中的應(yīng)用，并分析了實(shí)際垂直位移與視垂直位移的比值（o）與地形坡度角（）以及斷層傾角（）的關(guān)系。通過5個(gè)典型斷錯(cuò)地貌的三維激光掃描，獲得了2008年于田S7.3級(jí)地震的垂直和水平同震滑移量，垂向和左旋位移均為1—3.5m左右，揭示出于田S7.3級(jí)地震為一次正斷與左旋運(yùn)動(dòng)分量大致相當(dāng)?shù)牡卣?。由于斷層走向的變化，在地表破裂南段表現(xiàn)為左旋位移大于垂直位移。5處測(cè)量點(diǎn)的地表變形帶寬度介于10—25m之間。

三維激光掃描 于田地震 正斷層 同震位移

引言

地震發(fā)生之后的地表破裂調(diào)查及同震位移參數(shù)的獲取為地震研究提供了重要的基礎(chǔ)資料。三維激光掃描技術(shù)近年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，它能夠完整并高精度地獲取物體的空間三維信息，因此在地震之后的科學(xué)考察及災(zāi)后重建中得到了廣泛應(yīng)用（董秀軍等，2008；陳桂華等，2009；Wei等，2010；趙俊蘭等，2012；陳波等，2015）。

2008年3月21日，在新疆于田、策勒與西藏交界的昆侖山（平均海拔5500m）無(wú)人區(qū)發(fā)生了S7.3級(jí)強(qiáng)烈地震（Furuya等，2011；Xu等，2013）。中國(guó)地震局地質(zhì)研究所和新疆維吾爾自治區(qū)地震局于2011年5月8日至5月25日聯(lián)合組織了“新疆于田7.3級(jí)地震與阿什庫(kù)勒火山綜合科學(xué)考察”。野外考察地表破裂時(shí)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)地震地表破裂主要沿著山麓碎石帶展布，破裂帶寬度大多在10—25m（圖1），這使得采用傳統(tǒng)技術(shù)獲取地表破裂同震位移的測(cè)量產(chǎn)生了一定的困難。為此，筆者采用三維激光掃描儀對(duì)地震地表破裂的5個(gè)典型地段進(jìn)行了三維測(cè)量，獲得了不同位置的5個(gè)三維點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)后期的數(shù)據(jù)處理，獲得了這5個(gè)典型地表破裂段的同震位移量和地表變形寬度等重要基礎(chǔ)資料。

1 2008年于田MS7.3級(jí)地震

2008年3月21日06時(shí)33分02秒在新疆于田、策勒與西藏交界處發(fā)生S7.3級(jí)地震，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的震中位于35.60°N，81.60°E，矩震級(jí)W6.9，震源深度33km（陳學(xué)忠等，2008）。USGS給出的震中位于35.398°N，81.020°E，震源深度22.9km，可能的發(fā)震斷層走向219°，傾角69°，滑動(dòng)角-68°。哈佛大學(xué)給出的震中位于35.54°N，81.38°E，矩震級(jí)W7.1，面波震級(jí)S7.2，震源深度12km。GlobalCMT給出的震中位于35.43°N，81.37°E，矩震級(jí)W7.1，面波震級(jí)S7.3，震源深度12km，發(fā)震斷層走向203°，傾角52°，滑動(dòng)角-74°，顯示為一條近NNE至近SN走向、帶有左旋走滑分量的正斷層錯(cuò)動(dòng)事件（陳學(xué)忠等，2008；徐錫偉等，2011）。

于田地震地表破裂及余震位于阿爾金斷裂西南端、近EW向康西瓦斷裂和瑪爾蓋茶卡斷裂交匯部位，呈近SN向分布，總長(zhǎng)度約31km（徐錫偉等，2011；Xu等，2013）（圖2），由NW向、NNW至NS向和NNE至NE向等幾組基本類型的張剪切破裂組合而成，總體表現(xiàn)為一條近NS向至NNE向同時(shí)兼有左旋走滑和正斷傾滑分量的破裂帶，最大左旋位移約3.6m，最大垂直位移約3.3m。

2 儀器、原理及工作流程

本次測(cè)量所采用的儀器為Trimble VX空間測(cè)站儀，是一種集GPS、三維激光掃描、全站儀于一體的新型測(cè)繪儀器，可將三維空間技術(shù)與現(xiàn)代經(jīng)典測(cè)量技術(shù)相互結(jié)合。三維激光掃描的工作原理是通過測(cè)距系統(tǒng)獲取每個(gè)掃描點(diǎn)到掃描儀的距離，再配合測(cè)角系統(tǒng)獲取掃描的水平角和垂直角，利用公式（1）即可計(jì)算出每一個(gè)掃描點(diǎn)（如p點(diǎn)）與掃描儀的空間相對(duì)三維坐標(biāo)信息p、p、p（張啟福等，2011；陳波等，2015）。

（1）

利用儀器本身的垂直和水平馬達(dá)等傳動(dòng)裝置，完成對(duì)目標(biāo)物體的全方位掃描，并最終獲取掃描體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（陳波等，2015）。Trimble VX空間測(cè)站儀掃描范圍大于150m，掃描速度最高15個(gè)點(diǎn)/s（一般5個(gè)點(diǎn)/s），最小點(diǎn)間隔10mm，角度精度1”，即100m范圍內(nèi)的精度達(dá)mm級(jí)。

三維掃描系統(tǒng)流程包括：外業(yè)數(shù)據(jù)采集（即野外掃描）和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。野外掃描時(shí)，首先勘察現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，選擇掃描儀和標(biāo)靶的架設(shè)位置，以確保不同站點(diǎn)掃描的數(shù)據(jù)能夠覆蓋目標(biāo)區(qū)域。其中標(biāo)靶盡可能處于高地，以讓不同站點(diǎn)都能看到為最佳。不同站點(diǎn)原則上至少看到2個(gè)標(biāo)靶，但是實(shí)際操作中盡量使用3—5個(gè)標(biāo)靶以減小站點(diǎn)位置的誤差。外業(yè)數(shù)據(jù)采集的儀器操作流程如下：“對(duì)中整平”→“創(chuàng)建Job文件”→“設(shè)置測(cè)站”→“掃描參數(shù)設(shè)置”→“開始掃描”。其中“設(shè)置測(cè)站”步驟是指，第一個(gè)站點(diǎn)的坐標(biāo)通過儀器自帶的GPS獲得，之后的站點(diǎn)通過“后方交匯”獲取，其余操作步驟與第一個(gè)站點(diǎn)一致。野外工作中應(yīng)對(duì)重要標(biāo)志物進(jìn)行高分辨率掃描，如沖溝、階地坎、斷層坎等。

野外測(cè)量完成后，從儀器中導(dǎo)出點(diǎn)云的、、三維坐標(biāo)，然后通過專業(yè)的后處理軟件（也可以通過Surfer、ArcGIS或者GMT軟件）處理，采用自然鄰近法獲取局部高分辨率DEM（分辨率為分米級(jí)）。在高精度DEM上，首先識(shí)別出地表破裂的位置，然后選擇點(diǎn)云密度比較高的區(qū)域，沿著垂直于破裂走向的方向獲取一個(gè)比較典型的地形線。根據(jù)地形線獲得其視垂直位移（），并在視垂直位移的基礎(chǔ)上，估算實(shí)際垂直位移（o）（詳見下一節(jié)）。垂直于斷層陡坎、發(fā)育較好的沖溝等標(biāo)志物可以用來(lái)估算同震水平位移。

3 測(cè)量結(jié)果及分析

本次工作選擇了5處典型破裂地貌點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)三維測(cè)量，它們集中分布在地表破裂最明顯的中間段落，具體位置見圖3。測(cè)量結(jié)果見表1和圖4—圖8。其中地表坡度的測(cè)量值為原始剖面，即地震前的地表坡度，因此需要分別計(jì)算斷層兩側(cè)的坡度。通過對(duì)斷層兩側(cè)垂直于斷層的地形線進(jìn)行最小二乘法擬合，分別得到了地形趨勢(shì)線，選擇坡度比較一致的剖面用來(lái)計(jì)算視垂直位移（），精度達(dá)分米級(jí)。水平方向的位錯(cuò)則需要確定標(biāo)志線（如小型河道）的位置，并結(jié)合野外測(cè)量共同約束獲取（Xu等，2013）。

由于此次地震的地表破裂沿著山麓展布（圖1），測(cè)量區(qū)域的地表面均存在一定的坡度，通過實(shí)際測(cè)量獲得的地形坡度介于14—34°之間（表1），因此測(cè)得的視垂直位移（）與實(shí)際垂直位移（o）存在一定的差別（圖9a）。如圖9a所示，地形坡度為，斷層傾角為，AB代表實(shí)際的同震滑移量，AC代表實(shí)際垂直位移量（o），為視垂直位移。通常在測(cè)量過程中往往只能獲得視垂直位移，當(dāng)?shù)乇砥露冉咏诹銜r(shí)，視垂直位移等同于實(shí)際的垂直位移o，但是當(dāng)?shù)乇泶嬖谝欢ǖ钠露葧r(shí)，實(shí)際的垂直位移o往往要大于視垂直位移（圖9a）。本研究中的5處典型破裂地貌面均存在一定的原始坡度，因此需要進(jìn)一步通過計(jì)算獲得其實(shí)際的垂直位移o。

根據(jù)圖9a所展示的幾何關(guān)系，實(shí)際的垂直位移o與視垂直位移的關(guān)系可用公式（2）表示：

o=+/（tan/tan-1） （2）

即

o/=1+1/（tan/tan-1）

其中，為地形坡度角；為斷層傾角。

圖9b展示了o/與之間的變化關(guān)系，o/隨著的減小和的增大而趨近于1，即越小或者越大，實(shí)際的垂直位移o與視垂直位移越接近。由于斷層傾角值不確定，因此無(wú)法獲得準(zhǔn)確的實(shí)際垂直位移o。假設(shè)斷層傾角值介于50—90°，計(jì)算所得的o存在一定的范圍，如表1所示。

表1 3D掃描點(diǎn)坐標(biāo)及同震位移、破裂寬度

4 討論與結(jié)論

2008年于田s7.3級(jí)地震與一般地震的正斷層類似，斷裂帶往往分布于山麓地帶，比如五臺(tái)山北麓斷裂（劉光勛等，1991）、霍山山前斷裂（徐岳仁等，2013）等，地形上往往存在一定的坡度，而本身的地形坡度往往對(duì)于地表破裂同震位移參數(shù)的測(cè)量造成一定的影響。因此，傳統(tǒng)的測(cè)量在進(jìn)行此類地震的同震位移參數(shù)獲取過程中，存在一定的局限性，而三維激光掃描技術(shù)能夠獲取地震地表破裂帶附近區(qū)域的高精度DEM。同時(shí)結(jié)合照片可精確有效地保存地震后地表破裂的地形狀態(tài)，并在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，獲取同震變形的水平和垂直位移參數(shù)，有效避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法的主觀因素（如標(biāo)志物選取等）對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。另外，三維激光掃描技術(shù)還能夠獲取同震地表破裂寬度信息，為防震減災(zāi)的法規(guī)制定提供重要的基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。

本文通過5個(gè)典型斷錯(cuò)地貌的三維激光掃描，獲得了2008年于田S7.3級(jí)地震的垂直和水平同震滑移量，垂向和左旋同震位移均為1—3.5m左右，揭示出于田S7.3級(jí)地震為一次正斷與左旋運(yùn)動(dòng)分量大致相當(dāng)?shù)牡卣?。由于斷層走向的變化，在地表破裂南段（YT18）表現(xiàn)為左旋位移大于垂直位移。5處測(cè)量點(diǎn)的地表變形帶寬度介于10—25m之間。

致謝：審稿人提出的修改意見使本文有了較大的改善和提高，在此表示誠(chéng)摯的謝意。另外，感謝野外工作中給予幫助的新疆地震局的司機(jī)以及后勤保障團(tuán)隊(duì)。

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The Application of 3D Laser Scanning Technology in Surface Rupture Survey of the Normal Fault: An Example of the 2008S7.3 Yutian Earthquake

Tan Xibin1), Xu Xiwei1), Yu Guihua1), Wu Guodong2), Chen Jianbo2), Shen Jun3), Fang Wei2)and Song Heping2)

1）Key Laboratory of Active Tectonic & Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China?2）Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous region, Urumqi 830011, China?3）Institute of Disaster Prevention, Langfang 065201, China

As the recently developed technology of 3D laser scanning, it has been widely used in the basic data investigation after big earthquake. In this paper the principle and workflow of 3D laser scanner is introduced briefly, and then 5 samples for the using of the 3D laser scanning technology on the survey of co-seismic displacement of the 2008S7.3 Yutian earthquake are shown. As the land slopes of the 5 samples are between 14-34 degrees, which make some difference between the true vertical displacement (O) and the apparent vertical displacement (), the formula between the ratio of the true vertical displacement and the apparent vertical displacement (O), the terra slope () and the dip angle of fault () are given. In this research, we get the vertical and horizontal co-seismic displacement of the 2008S7.3 Yutian earthquake in five sites, using the 3D laser scanner. Both the vertical and the horizontal co-seismic slip are between ca.1-3.5 m, which indicates that this earthquake has almost the same sinistral and vertical displacement. In the southern segment of the rupture, the sinistral displacement is bigger than the vertical displacement, which should be subject to the change of the orientation of the fault. The data that show the widths of the surface rupture in the 5 sites are between 10-25 m.

3D laser scanning; Yutian earthquake; Normal fault; Co-seismic displacement

地震行業(yè)科研專項(xiàng)“新疆于田7.3級(jí)地震與阿什庫(kù)勒火山綜合科學(xué)考察”（項(xiàng)目編號(hào)：201008004）和科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目（2009DFA21280）共同資助

2015-07-22

譚錫斌，男，生于1985年。助理研究員。主要從事活動(dòng)構(gòu)造及新構(gòu)造研究。E-mail: tanxibin@sina.com