引用本文
康文君, 徐锡伟, 于贵华, 罗佳宏. 2种基于Matlab平台的断层位移测量软件对比分析--以阿尔金断裂东段为例[J]. 地震地质, 2020,42(3): 732-747.
KANG Wen-jun, XU Xi-wei, YU Gui-hua, LUO Jia-hong. COMPARISON STUDY OF TWO KINDS OF CODES TO MEASURE FAULT-OFFSETS BASED ON MATLAB: A CASE STUDY ON EASTERN ALTYN TAGH FAULT[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(3): 732-747.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.03.013
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2种基于Matlab平台的断层位移测量软件对比分析--以阿尔金断裂东段为例
康文君1,2, 徐锡伟2,*, 于贵华1, 罗佳宏1
1)中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029
2)应急管理部国家自然灾害防治研究院, 北京 100085
*通讯作者: 徐锡伟, 男, 研究员, E-mail: xiweixu@vip.sina.com。

作者简介：康文君, 男, 1988年生, 2020年于中国地震局地质研究所获构造地质学博士学位, 主要研究方向为活动构造, 电话: 010-62009140, E-mail: kangwenjun002@foxmail.com。

收稿日期: 2019-10-05
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC1504104)、 国家自然科学基金(U1839204, 41572193, 41941016)和中国科学院重点部署项目(KFZD-SW-422)共同资助
摘要

测量地表的断层位移对于恢复同震位移和长期累积位移分布非常重要。 近年来, 编程软件的不断更新和高精度地形数据(例如激光雷达探测与测量和无人机航空摄影测量)的积累为测量密集的断层位移数据提供了前所未有的机会。 文中主要对2款比较常用的断层位移测量软件--LaDiCaoz和3D_Fault_Offsets进行介绍。 首先, 基于阿尔金断层东段石包城铁矿附近的1个位移测量实例分别说明这2款软件的工作原理; 然后, 分别对比和总结了其在目标地貌标志、 界面、 输入文件类型、 自动化程度、 适应性、 可重复性和输出文件类型等方面的差异和优劣; 最后, 基于2种软件在阿尔金断裂东段获得的2组断层位移数据的相关性研究, 探讨2种软件的结果是否相互验证, 以及线性地貌标志的弯曲程度对测量结果的影响。 通过对2种软件所得测量结果与野外地质测量结果的对比, 以及对软件测量结果的可靠性和地质意义的讨论, 我们认为目前这2款软件都存在自动化程度较低和人为因素影响较大等不足之处, 高度自动化和人工智能的引入可能是断层位移测量方法的发展方向。

关键词: 同震位移; 累积位移; LaDiCaoz; 3D_Fault_Offsets; 高精度地形数据; LiDAR
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)03-0732-16
COMPARISON STUDY OF TWO KINDS OF CODES TO MEASURE FAULT-OFFSETS BASED ON MATLAB: A CASE STUDY ON EASTERN ALTYN TAGH FAULT
KANG Wen-jun1,2, XU Xi-wei2, YU Gui-hua1, LUO Jia-hong1
1)Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
2)National Institute of Natural Hazards of China, MEMC, Beijing 100085, China
Abstract

Geomorphic offsets displaced by coseismic surface rupture can be analyzed to identify earthquake recurrence behavior. Therefore, obtaining a sufficient and precise along-fault offset dataset is vital to identify long-term earthquake recurrence behavior. Furthermore, knowledge of along-fault slip distribution during a single-earthquake or multi-earthquakes is important for other reasons, including a better understanding of the relationship between earthquake size and coseismic displacements, fault kinematics and fault mechanics. A recent flourish of offsets-measuring software and high-resolution topographic data together offer an unprecedented opportunity to measure high-density fault offsets. Here, we introduce and compare two kinds of most popular software, LaDiCaoz and 3D_Fault_Offsets. We describe the workflow and principle of the two codes by taking a fault-offset example on the eastern Altyn Tagh Fault. LaDiCaoz iterates over the channel morphology and position parameters and determines the summed absolute elevation difference Σ[Δ(elevation)] between both transverse profiles. The optimal horizontal offset is defined by the parameter combination that results in the least mismatch between two profiles. Compared with LaDiCaoz, the principle of 3D_Fault_Offsets is more complicated by measuring the offset in three dimensions. It mathematically identifies and represents nine of the most prominent geometric characteristics of common sublinear markers along faults in three dimensions, such as the streambed(minimum elevation), top, free face and base of channel banks or scarps(minimum Laplacian, maximum gradient, and maximum Laplacian), and ridges(maximum elevation). By calculating best fit lines through the nine point clouds on either side of the fault, the code computes the lateral and vertical offsets between the piercing points of these lines onto the fault plane, providing nine lateral and nine vertical offset measures per marker. Through a Monte Carlo approach, the code calculates the total uncertainty on each offset. Although both 3D_Fault_Offsets and LaDiCaoz are developed based on the Matlab platform, there are significant differences in principles, linear marker, software interface, repeatability, input-file types, degree of automation, adaptability, output file types, etc. In this part, we compare and summarize their features, advantages, and disadvantages. Finally, we calculate the correlation of two groups of fault-offset data derived from the two methods along the eastern ATF. By doing this, we try to explore if the two methods can be crosschecked and to study how sinuosity of the linear geomorphic markers affect the measuring results. By discussing and comparing the accuracy of the two measuring methods, we consider that LaDiCaoz is better than 3D_Fault_Offsets in accuracy aspect. In our opinion, there exist some disadvantages in the both software, and higher automation and introduction of artificial intelligence will be the future development direction.

Keyword: eastern Altyn Tagh Fault; co-seismic offset; cumulative Offsets; LaDicaoZ; 3D_Fault_Offsets; high-resolution topographic data
0 引言

测量活动断层在最新一次的地震活动的位移(同震位移)和多次地震活动的叠加位移(累积位移)是地震地质学研究中的一项重要工作, 可帮助研究者更好地理解断层的运动学过程和机制(Armijo et al., 1989; Gaudemer et al., 1995; Van der Woerd et al., 1998, 2002; Manighetti et al., 2001, 2004; Replumaz et al., 2001; Hubert-Ferrari et al., 2002)、 地震活动和累积位移的关系(Peltzer et al., 1988; Gaudemer et al., 1995; Tapponnier et al., 2001; Li et al., 2012; Zielke et al., 2015)以及震级大小和应变分布的关系(Lasserre et al., 1999; Klinger et al., 2011; Zielke et al., 2012; Manighetti et al., 2015; Perrin et al., 2016)。 断层位移的精确测量对于恢复地震位移(包括同震位移和累积位移)沿断层的分布是非常重要的。

地表的断层位移通常以断错地貌标志的形式被保存下来(Sieh, 1984; Arrowsmith et al., 2009), 这些标志主要包括季节性河流和常年河流的河道、 冲沟、 被废弃的河流阶地陡坎和洪积扇扇缘等(Sieh, 1978; Klinger et al., 2000; Lienkaemper, 2001; Van der Woerd et al., 2002; Gold et al., 2009; Zielke et al., 2010)(图 1)。 这些线性或者亚线性位移标志的形成和保存需要特定的构造作用、 沉积作用和地貌过程(Sieh, 1978; Lienkaemper, 2001; Ouchi, 2005; Salisbury et al., 2012; Zielke et al., 2012, 2015)。

图 1 主要地貌位移标志类型
a 河流或冲沟(Zielke et al., 2012); b 洪积扇扇缘(Frankel et al., 2007a); c 河流阶地陡坎(Chevalier et al., 2017)Fig. 1 Main kinds of fault-offset geomorphic markers.

在测量软件出现之前, 断层位移(尤其是走滑断层)都是通过手动测量获得的(Sieh, 1978; Armijo et al., 1989; Gaudemer et al., 1995; Ritz et al., 1995; Van der Woerd et al., 1998, 2002; Replumaz et al., 2001; Frankel et al., 2007b; Gold et al., 2009; Klinger et al., 2011; Li et al., 2012; Ansberque et al., 2016)。 断层位移标志的识别与位移量的测量往往需要卫星影像解译和活动构造领域的专业人员进行。 尽管已有大量的应用实例, 但由于该方法仅通过目视解译得到结果, 其中包含的不确定性和误差可能会使结果具有争议性, 此外仅基于原始地貌正射影像的断错标志进行测量非常耗时。 与传统的遥感方法相比, 机载雷达探测与测量(Light Detection and Ranging, LiDAR)直接测量地表, 其激光脉冲能部分穿透植被, 可有效消除植被覆盖, 且基本不受光照和阴影的影响, 在某些难以到达的复杂地形区能获取高分辨率采集数据(陈涛, 2014)。 由于高分辨率LiDAR技术的蓬勃发展, 使得快速、 精准地测量密集分布的断裂位移成为可能, 一些基于Matlab开发的配套的测量软件也应运而生。 其中, 具有代表性的软件包括Zielke等(2012)开发的LaDiCaoz(最新的版本为LaDiCaoz_V2)和Stewart等(2018)开发的3D_Fault_Offsets。

本文首先以阿尔金断裂东段的1个断层位移为例, 简述和对比这2种位移测量软件的原理; 之后介绍了相关的应用实例以及2种软件各自的特色与优劣, 然后基于阿尔金断裂东段一系列实际测量结果来研究2种软件的测量结果是否可以相互检验, 最后介绍这2种软件目前存在的问题。

1 软件原理及应用实例

断层在地表发生相对位移时, 各种横跨断层的线性地貌标志物会形成沿着断层迹线分布的位移, 这些地貌位移是研究断裂活动特性的重要基础。 由于断裂带内的水系沿断裂发生错断的现象非常普遍, 故测量断层位移距离时常以冲沟、 河流阶地陡坎、 山脊线等线性标志作为参照物。 这些位移中, 只经历最新一次地震形成的位移称为同震位移, 而多次地震形成的位移称为累积位移。 下文以阿尔金断裂带东端石包城铁矿附近的一个位移测量为例, 介绍2种软件测量位移的原理, 并对比两者的异同。

1.1 LaDiCaoz

LaDiCaoz是一款基于Matlab开发的具有可视化界面的软件, 可基于LiDAR数据或其它高精度地形数据提取的网格文件快速测量断层位移量。 在计算断层位移之前, 用户需要依次输入DEM文件(asc格式), 创建DEM山影图和等高线图, 定义断裂迹线位置、 地形横断面位置和地貌标志的方向(冲沟、 河道或陡坎方向)。 尽管LaDiCaoz的几个版本在功能上存在差异(如V2之后的版本可测量垂直方向的位移), 但其计算水平方向位移的原理是一致的。

图 2 通过LaDiCaoz_V2软件测量阿尔金断裂东段石包城铁矿处位移实例的工作流程及结果
a 断裂迹线、 河道、 剖面位置; b 位移恢复结果; c 地形横剖面高程; d 地形纵剖面高程; e 地形横剖面计算结果; f 纵剖面位移恢复图Fig. 2 Measuring workflow and result of fault-offset examples located in the eastern Altyn Tagh Fault by LaDiCaoz_V2.

以Ladicaoz_V2实测阿尔金断裂东段石包城铁矿附近的一处位移为例(图 1), 在实际操作中: 1)用户定义断层的位置以及跨冲沟上游(蓝色)和冲沟下游(红色)的横剖面位置(图2a); 2)软件显示上、 下游冲沟横剖面的高程拓扑信息(图2c); 3)将红色的剖面形态进行水平移动(步长为dx)、 垂直移动(步长为dy)和拉伸调整(步长为dz)(图 3), 最终求得这2条剖面的高程差绝对值之和的最小值, 即Σ Δ [(elevation)](具体原理见图 3), 其对应的水平移动距离即为最佳位移值, 最终利用LaDiCaoz获得该点的水平位移最佳值为10.1m(图2e)。 为确保测量结果可被检查和重复, LaDiCaoz提供导出多个文件的功能, 包括: 1)现今和重建的高分辨率地形; 2)剖面位置、 横截面高程图和拟合程度曲线; 3)参数文件, 其存储了测量所需的参数。 将这些文件导入LadiCaoz即可重现之前的测量结果。

图 3 LaDiCaoz计算位移最佳值的原理图
分别通过a 垂直平移、 b 垂直拉伸和c 水平平移计算其对高程差(灰色区域)绝对值总和的影响, 当总和最小时则认为找到了水平位移最佳值(修改自Zielke et al., 2012)Fig. 3 The principle of calculating the optimal offset by LaDiCaoz.

使用该软件得到的位移量的最大值、 最小值通常是通过“ 试错” 的方式获得的。 在获取位移最佳值之后, 尝试回滑(back-slipping)一定的位移值(最佳值附近)(图 4), 当冲沟两侧边缘的趋势线分别对齐之后, 即获得最大值和最小值(图4b)。 以阿尔金断裂东段石包城铁矿处的断层位移为例, 经过上述工作流程测量之后, 获得的最小值、 最佳值和最大值分别为9m、 10.1m和12.5m, 因此该处的水平位移量为(10.1-1.1)~(10.1+2.4)m。

图 4 通过回滑(back-slipping)估计水平位移最大值和最小值的原理
黑色虚线代表冲沟或河道线性标志的趋势线拟合结果, 红色实线代表断层位置, 蓝色箭头代表流向。a 当前地貌; b 地貌重建结果(红色趋势线代表线性标志对齐)Fig. 4 Workflow for offset maxima and minima by back-slipping.

LaDiCaoz目前已有很多应用实例。 Zielke等(2010)在圣德列斯断裂带Carrizo Plain段首次通过该软件测得了一系列m级冲沟错断, 继而推断1957年Fort Tejon地震在该段的同震位移约为5m, 而不是之前认为的约10m, 这项工作为将LaDiCaoz软件和LiDAR数据综合应用于活动构造研究的最具代表性的重要工作中。 Salisbury等(2015)在San Jacinto断层Clark段应用该软件对最新地表破裂的位移分布进行了测量, 发现1918年的1次6.9级地震的水平同震位移仅为2.5~2.9m; Ren等(2016)利用该软件研究了1920年8.5级大地震的同震地表位移分布以及位移丛集分布与古地震之间的关系; Haddon等(2016)利用V2版软件获取了1872年发生在欧文谷地断层的地震的水平同震位移, 结果为1~6m, 而垂向同震位移为0.1~2.4m。 这些成果多次证明了LaDiCaoz软件在断层位移测量方面是非常有效的工具。

1.2 3D_Fault_Offsets

与LaDiCaoz相同, 3D_Fault_Offsets软件也基于Matlab(2016a以上版本)平台, 但与LaDiCaoz不同的是3D_Fault_Offsets软件并不具有可视化交互界面, 用户需要通过在Matlab命令窗口通过输入简单的指令进行操作。

3D_Fault_Offsets软件的原理比LaDiCaoz稍微复杂一些, 该方法的位移计算对象是断层两侧的2组线性地貌标志, 每组共9个, 其中包括河道横截面最低点(1个)、 最大拉普拉斯点(河道两侧各1个)、 最小拉普拉斯点(河道两侧各1个)、 坡度最陡的位置(河道两侧各1个)和河道横截面最高点(河道两侧各1个)(图 5)。 其中, 上、 下拉普拉斯点为河道横截面地形曲线二阶导数最大和最小值对应点的位置, 即地形曲线的上凸点和下凹点, 地质上对应河流阶地陡坎的上缘和下缘; 坡度最陡的位置为河道横截面地形曲线一阶导数的最大值对应点的位置, 地质含义为由于坡面侵蚀和堆积作用而形成的陡坎的最中部位置。

图 5 3D_Fault_Offsets通过运算识别出的9个线性地貌标志的示意图(修改自Stewart et al., 2018)Fig. 5 Idealized representation of the nine geometric features identified mathematically by the 3D_Fault_Offsets code(adapted after Stewart et al., 2018).

理论上, 每次位移测量均可提取(最小二乘法拟合)2组9对共18个线性地貌标志, 这9对一一对应的直线在用户设置的断层面上形成9对穿透点(pierecing points), 分别提取这9对穿透点的x(水平方向)和z(垂直方向)坐标, 并计算它们之间的差值即可得到断层的水平位移和垂直位移。

考虑到DEM的分辨率、 用于拟合线性标志点的位置以及断层的位置、 走向、 倾角等不确定性参数, 3D_Fault_Offsets使用蒙特卡洛方法计算测量结果的误差。 蒙特卡洛法也称统计试验法, 是按抽样统计值计算未知特性量的计算方法。 基于蒙特卡洛原理, 3D_Fault_Offsets通过高斯概率随机赋予所有影响断层位移计算的不确定性参数(即前面提到的几种参数), 以进行一系列尝试(trial)。 蒙特卡洛的每次尝试(trial)主要分为以下3步: 1)根据随机获得的点的集合拟合线性标志; 2)计算线性标志与断层面的穿透点; 3)计算每对线性标志的水平位移和垂直位移。 最终可获得9个水平位移和9个垂直位移的概率分布(图6d中的彩色线), 每对线性标志的测量结果以1个标准差σ (68%的置信区间)作为测量误差(图6d)。 将获取的9对地貌标志的水平位移和垂直位移的概率分布进行叠加求和, 获得总体分布曲线(图6d中的红色粗线), 并使用高斯分布函数对求和结果进行拟合, 以获得全局最优位移(图6d中的黑色粗线), 以1个标准差(σ )作为最佳值的测量误差。 与LaDiCaoz获得最大值和最小值的方式不同, 3D_Fault_Offsets是在考虑了多个误差源的基础上通过蒙特卡洛方法计算得到的, 这些误差源包括DEM的分辨率、 用于拟合线性标志的趋势线、 拟合的趋势线投影到断层面的投影点位置误差和断层的位置、 走向、 倾角误差。

图 6 通过3D_Fault_Offsets软件测量阿尔金断裂东段石包城铁矿处位移实例的工作流程及结果
a 原始地形山影图; b 断裂迹线位置、 河道多边形形状和位置; c 位移最佳拟合值; d 水平位移和垂直位移计算结果; e 水平位移恢复山影图; f 垂直位移恢复结果Fig. 6 Measuring workflow and result of fault-offset examples located in the eastern Altyn Tagh Fault by 3D_Fault_Offsets.

利用3D_Fault_Offsets软件对上文中提到的石包城铁矿断裂位移点进行测量, 得到水平位移的结果为(9.5± 1.2)m(图6d), 与利用LaDiCaoz得到的结果((10.1-1.1)~(10.1+2.4)m)十分吻合。

Stewart等(2018)利用3D_Fault_Offsets测量了部分沿圣安德列斯、 欧文谷地和Hope断层分布的共88个线性标志位移, 获得了303个系列位移测量结果, 共包括5i454个水平和垂直位移, 之后又分析了该软件对不同条件的敏感性, 这些条件包括圈定地貌标志的多边形的长度、 宽度、 形状、 朝向和DEM数据的分辨率等。 分析表明, 3D_Fault_Offsets软件对多边形的长度比较敏感, 而对多边形的宽度、 形状、 朝向和DEM的分辨率不敏感。 将这些水平位移结果和前人利用LaDiCaoz获取的测量结果进行对比, 两者整体显示出较好的一致性。 由此可见, 3D_Fault_Offsets软件除提供了一种新的获取断层位移的手段外, 也为通过LaDiCaoz和其它方式获取的断层位移结果提供了交叉检验的途径。

3D_Fault_Offsets软件较新, 目前除Stewart等(2018)的工作外, 该软件的其它应用实例较少。 下文将总结3D_Fault_Offsets和LaDiCaoz的特性和优劣。

1.3 主要特性对比

尽管3D_Fault_Offsets和LaDiCaoz都是基于Matlab平台开发的, 但其在原理、 目标地貌标志、 界面、 可重复性、 输入文件类型、 自动化程度、 适应性、 可重复性和输出文件类型等方面都存在显著差异(表1)。 下文将着重介绍几个比较重要的方面。

表1 LaDiCaoz系列软件与3D_Fault_Offsets的异同点对比 Table1 Comparison of similarities and differences between LaDiCaoz and 3D_Fault_Offsets

在自动化程度方面, LaDiCaoz需要手动提取断层迹线和线性标志, 参数也需要手动输入, 但可自动进行计算, 因此其属于半自动(偏低)方法; 而3D_Fault_Offsets仅需手动提取断层迹线和手动圈定2个多边形, 其余部分均可自动完成, 包括冲沟、 线性地貌标志的提取及计算, 因此3D_Fault_Offsets属于半自动(偏高)方法。 虽然2款软件都属于半自动化方法, 但是在使用过程中都需要一定的人工干预操作, 因此这2款软件的自动化程序均不够理想。

在适应性的方面, LaDiCaoz对地貌标志要求很低, 可适用于各种分辨率DEM、 不同宽度的冲沟、 河道、 甚至阶地面陡坎、 洪积扇扇缘等; 而3D_Fault_Offsets对地貌标志的要求较高, 只适用于对称的地貌标志, 如河道和冲沟等, 无法测量阶地陡坎(原理决定), 且所测量的冲沟的长度与其宽度相比不能太短, 否则得到的线性地貌标志的拟合结果不理想。

在输出结果方面, LaDiCaoz可以输出kmz文件和JPG栅格文件, 且其可导出的测量参数文件为他人检查测量结果的可靠性提供了可能, 比较透明; 而3D_Fault_Offsets的输出结果只允许导出矢量图, 不够透明。

2 2种软件测量结果的相关性研究

为探究3D_Fault_Offsets和LaDiCaoz是否可以在阿尔金断裂东段也获得比较一致的水平位移测量结果, 随机选取包括河道和冲沟的34个水平位移测量点, 测量点处的弯曲程度各不相同。 地形数据来自阿尔金断裂东段的机载LiDAR数据, 其中点云密度> 8点/m2, 点云高程精度为0.15m, DEM分辨率为0.5m, 高程精度为0.2m。 在软件操作时, 3D_Fault_Offsets圈定的线性标志范围与LaDiCaoz圈定的线性标志范围相近, 其它流程与操作方法保持一致。

图 7 阿尔金断裂带东段3D_Fault_Offsets与LaDiCaoz_V2水平位移测量结果对比
灰色虚线代表完全一致Fig. 7 Comparison of horizontal offsets on the eastern Altyn Tagh Fault measured by 3D_Fault_Offsets and LaDiCaoz_V2.

经测量共获得2组共68个水平位移数据, 如图 7 所示。 利用SPSS统计软件计算基于2种软件获得结果的相关系数为95.3%, 这表明2种软件所得结果具有较高的一致性, 与Stewart等(2018)得到的分析结果相吻合。 进一步分析可发现, 2组数据中不同弯曲程度的线性标志(亚线性)所对应的结果似乎显示出不同的特征。 将所有线性标志根据弯曲程度分为高弯曲程度和低弯曲程度2组, 并分别研究其相关性特点。 SPSS分析显示, 对于低弯曲程度的线性标志, 2组数据具有96.5%的相关性(图8a); 而对于高弯曲程度的线性标志而言, 2组数据的相关系数为95%, 略低于前者。 这可能是由于高弯曲程度的线性标志增加了3D_Fault_Offsets线性拟合的不确定度, 最终导致所得结果的精度较差, 而LaDiCaoz并不存在这个问题(结果更真实可靠), 因此这2种方法得到的结果将存在一定偏差。

图 8 不同弯曲程度下3D_Fault_Offsets与LaDiCaoz_V2水平位移测量结果对比(灰色虚线代表100%相关)
a 高弯曲度地貌标志; b 低弯曲度地貌标志Fig. 8 Comparison of horizontal offsets for different sinuosity measured by 3D_Fault_Offsets and LaDiCaoz_V2.

尽管 2 种软件对弯曲程度不同的地貌标志的测量结果有差异(对低弯曲程度线性标志的测量结果一致性更强), 但整体而言还是保持了95%以上的高相关性, 表明其测量结果较为可靠。

3 软件测量结果的可靠性

对于软件测量获取的位移结果, 一般可与野外实际观测数据进行对比, 从而评价其可靠性。 Ren等(2016)对比了利用LaDiCaoz获取的海原断裂带的水平位移值与野外观测值, 结果显示两者具有很强的相关性(R2=0.956); Zielke等(2012)和Haddon等(2016)对比了利用LaDiCaoz获取的圣安德列斯断层的水平位移值与野外观测值, 结果同样显示了很强的相关性。 以上结果表明, 利用LaDiCaoz测量的位移值与野外实地观测值有较高的一致性, 说明该软件的测量结果与野外观测结果可相互印证, 具有较高的可靠性。 而Stewart等(2018)对比了利用3D_Fault_Offsets获取的圣安德列斯断层的水平位移值与野外观测值, 结果显示两者的相关系数为78%甚至更低。 与LaDiCaoz相比, 利用3D_Fault_Offsets测得的结果与野外实测结果的相关性较弱, 应用实例也较少, 可靠性相对较低。

图 9 吓日拉排研究点的断层位移
a LaDiCaoz定义的断层(浅蓝色线)的走向和位置, 带有等高线的山影图中显示的上游(蓝色)和下游(红色)的地形剖面位置; b 显示断层位置和照片镜像的坡度图; c 11.9m位移量回滑后的地形重建结果; d 显示断层走向和位移的野外照片, 插图中的曲线表明剖面的高程分布和水平位移量的最佳拟合结果为11.9mFig. 9 Fault offset of Xiarilapai site.

测量结果的可靠性与测量原理直接相关。 下文将以阿尔金断裂东段吓日拉排研究点(95.53° E, 39.73° N)的测量结果为例(图 9), 对比LaDiCaoz软件与野外测量断层位移的原理及两者所得结果的可靠性。 野外测量断层位移通常通过测量断层2盘线性地貌标志的断距获得结果, 该方法非常依赖对线性地貌标志的识别, 如线性标志在断层附近不平直, 所测得的断距则具有相当大的不确定性。 另外, 由于野外观测者所能看到的地形仅为局部情况, 对断层的精确位置以及断距的认识存在很大的局限性, 难以在现场评价测量结果。 以图9d中断层两侧的阶地陡坎为例, 断层北侧的河流陡坎在断层附近呈弧形, 而断层南侧的河流陡坎则比较平直, 在此处通过野外测量法确定断距将引入较大误差。 LaDiCaoz则是通过对比断层2盘陡坎的剖面形态, 当高程差绝对值之和最小时(图9d右上角插图), 则认为找到了水平位移的最大值, 为11.9m。 最终通过断层回滑(back-slipping)相应的位移量重建原始地形, 检查相应的线性地貌标志是否恢复为原始地形(图9c), 从而评估断层位移的合理性。 该方法并非测量单一的点断距, 而是对断层两侧地形剖面的形态进行整体评估得到最终结果, 这个过程不仅具有地质意义, 同时也消除了因野外观察者视觉误差等带来的不确定因素, 可靠性高于野外实地测量。

3D_Fault_Offsets软件通过测量9对线性标志的断距以获得断层位移, 该方法的准确度非常依赖线性标志的可识别程度与线性标志拟合结果的可靠性, 对于线性标志难以识别或识别位置不准确的情况, 其所获得结果的可靠程度就不高。 3D_Fault_Offsets测量的9对线性标志具有比较明确的地质意义, 分别代表了河道底部(River bed)、 阶地面顶部(Ridge× 2)、 河道阶地陡坎上缘(Riser Top× 2)、 下缘(Riser Base× 2)与自由面(Free Face× 2), 最后获得的位移值及误差(σ )是9对线性标志位移概率分布的平均结果。 由于2种软件的测量原理明显不同, 但均为通过定量方法精确匹配断层两侧整体地貌形态, 可消除野外人工测量时引入的视觉误差等, 故均明显优于传统的野外人工测量方法。 另外, 3D_Fault_Offsets在评价不确定度时考虑了多个误差来源, 与LaDiCaoz相比其评价更为全面和完备。

4 结论

本文讨论并对比了LaDiCaoz和3D_Fault_Offsets 2种软件在原理、 目标地貌标志、 界面、 输入文件类型、 自动化程度、 适应性、 可重复性、 输出文件类型等方面的差异, 认为3D_Fault_Offsets与LaDiCaoz各有优势。 以阿尔金断裂东段的实测数据为例, 经计算表明: 1)2种方法的测量结果非常一致, 相关性可达到95%以上; 2)对于弯曲程度不同的线性地貌标志, 2种方法得到的结果具有微小差异, 对弯曲程度较低的线性标志获得的结果更加一致, 相关性更高。 2种软件都具有明确的地质意义, 在可靠性方面都优于野外人工测量方法, 但前人研究表明LaDiCaoz的可靠性要优于3D_Fault_Offsets。 在误差评价方面, 由于3D_Fault_Offsets软件考虑了多个误差来源, 与LaDiCaoz相比其评价更为全面和完备。

目前, 2种软件的自动化程度均不理想, 都需要一定的人工干预操作。 此外, 其测量结果在一定程度上仍受到测量者的经验和对断层地貌演化理解的影响, 在不同观测者或者不同观测方法所得结果存在分歧时无法判断哪种结果更符合实际情况。 当前在多数情况下, 断层位移测量工作还是一项半定量且效率较低的重复性工作, 提高测量软件的自动化程度以及人工智能的引入可能是未来该领域的发展趋势。

参考文献
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