Application of 3D Laser Scanning and Quantitative Morphology Analysis Method to Bedrock Fault Surface in Paleo-seismic Research in Bedrock Area
-
摘要: 由于对第四纪地层的严重依赖，传统古地震探槽研究方法在基岩区难以发挥作用，导致无法获取基岩区断层的强震活动历史。本研究以山西地堑系的交城断裂为目标断裂，以断裂北段2处基岩断层面为研究对象，通过三维激光扫描技术获取基岩断层面高精度形貌，基于变差函数法结合滑动窗口操作量化断层表面形貌特征，开展在基岩区提取断裂古地震信息的实例研究。结果显示，2处基岩断层面的形貌在高度上具有明显的分段特征，指示了断层面在地震事件作用下的分段出露过程。这种断层面形貌分段特征可以用来识别古地震事件和同震位移量。在思西村基岩断层面上，识别出由老到新的3次古地震事件，同震倾滑位移量依次为2.0 m、1.9 m和2.3 m，在上兰镇基岩断层面上，识别出由老到新的3次古地震事件，同震倾滑位移量依次为1.4 m、2.5 m和2.0 m，指示了交城断裂北、中段具有产生同震位移量大于2 m、震级大于7.5级的破裂型地震的能力。上述研究成果表明，基于三维激光扫描和形貌量化分析方法开展基岩断层面古地震研究，可以准确而高效地识别古地震事件次数和同震位移量，扩展古地震的研究对象，拓宽古地震的研究空间。在未来的研究中，可以适时地开展宇宙成因核素测年以测定断层面的暴露年龄，获得发震年代，给予地震序列年龄框架。Abstract: Due to the heavy reliance on Quaternary strata, traditional trench research methods are difficult to apply in the bedrock area, resulting in the inability to obtain strong seismic activity history on faults in the bedrock area. In this study, the Jiaocheng Fault in the Shanxi Rift is selected as the target fault, and the two bedrock fault surfaces in the northern segment are taken as the study object to carry out case studies. The variogram combined with the sliding window operation quantifies the morphologic features of the fault surface and extracts the paleo-seismic information. The results show that the morphology of the two bedrock fault surfaces has segmentation in height, indicating the exposure process of the fault surfaces under the action of periodic seismic events. Therefore, paleo-earthquake events and co-seismic slips can be identified by the morphological segments. Accordingly, three paleo-earthquake events were identified on the bedrock fault of Sixi village, and the co-seismic dip slips were 2.0 m, 1.9 m and 2.3 m in sequence. The co-seismic dip slips of the three paleoearthquakes are 1.4m, 2.5 m and 2.0 m in sequence. The results indicate that the northern segment of the northern and middle segments of Jiaocheng fault can produce ruptures with a co-seismic slip greater than 2 m and a magnitude greater than M7.5. The above results also show that the paleo-seismic research on bedrock fault surfaces based on t-LiDAR and morphological quantitative analysis can accurately and efficiently identify the number of paleo-earthquake and co-seismic slips, increase the objects of paleo-earthquakes, and expand research space of paleo-earthquakes. In future research, cosmogenic nuclide dating can be carried out timely to determine the exposure age of the fault surface, obtain the earthquake ages, and provide an age frame to the earthquake sequences.1) 2为区分变量，此处用D0表示同震位移，与刘静等（1996）中同震位移D含义一致。
-
引言
地震小区划是对特定区域范围内可能遭遇到的地震影响进行划分，包括设计地震动参数小区划和地震地质灾害小区划。相比地震区划，地震小区划工作更重视局部场地条件的影响，更为详细地考虑周围的地震地质环境，其成果可为抗震设计、土地利用规划、震害防御等提供更精确的资料(胡聿贤，1999)。
地震小区划工作内容涉及地震活动性评价、地震构造评价、场地地震动分析等，工作量大，获取的数据也很丰富。传统地震小区划成果通常以文字报告、专题图件的形式提交，类型较单一，展示度较差，难以满足目前公共服务的需要。管理现有数据并充分利用数据推出更多服务型产品是目前包括地震小区划工作在内的地震工作信息化和现代化迫切需要。
随着GIS技术的发展，国内很多研究者逐步将GIS技术引入地震小区划研究工作中(张苏平等，2003；王庆满等，2011；李程程等，2014)，建立有关数据库和数据管理系统(田勤虎等，2011；龚磊等，2015)。但已建系统多以数据查询、展示为主，缺少分析功能和实际产出服务。本文以嘉兴科技城地震小区划工作为基础，将基础数据与地理信息系统(GIS)相结合，形成集查询、分析于一体的地震小区划成果数字化系统，可为不同用户提供不同数据服务。
1. 研究区概况
研究区位于嘉兴科技城，行政区划属于嘉兴市南湖区，面积约30km2，是浙江省四大科技平台之一。现聚集了包括浙江清华长三角研究院、浙江中科院应用技术研究院在内的一批高端院所，还建有多个国际技术合作平台、工程中心和产学研基地，是嘉兴市乃至浙江省重要的创业创新平台。
查询《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2015)可知，嘉兴市大部分地区由原来的Ⅵ度设防提升为Ⅶ度设防，设防水准的提高将对区内建设工程抗震设防、国土利用规划、社会经济发展等提出更高的要求。嘉兴科技城现处于Ⅶ度设防区内，加之人才产业聚集、产值高，地震灾害风险大。在该区进行地震小区划工作，可为该区提供更精确的抗震设防和土地规划资料，有效降低地震灾害风险。
2. 基础数据
根据相关规范要求，地震小区划工作内容包括地震地质及地震活动性资料的收集、场地钻探、场地土层反应分析等，涉及地质、地震、地球物理、工程勘察等多方面的数据，根据系统建设的需要归纳如下：
(1) 地震地质及地震活动性数据
研究区内地震地质及地震活动性专题图包括区域地震分布图、场地地震分布图、历史地震等震线分布图、区域构造图、区域断层分布图、近场构造图等，均为Mapinfo格式的矢量文件。
(2) 场地地震工程地质条件勘察数据
区划范围内布设60个钻孔，其中标准钻孔1个(孔深232.8m)，地震钻孔29个(深度不小于105m)，勘察孔30个(深度小于30m)，钻探总进尺4204m，浅层人工地震探测测线共21534m。系统建设收集的数据包括60幅钻孔柱状图、18条工程地质剖面、5幅浅层人工地震探测解译图，其中钻孔资料均以柱状图的形式提供，格式为AUTO CAD矢量文件，钻孔的其他信息以Excel表格的形式提供；工程地质剖面图和地震探测测线数据为PDF文档和栅格图片；勘察报告以PDF文档的形式提供。
场地内60个钻孔均进行了波速测试，钻孔代表性土层动三轴土样80件，收集的波速数据和动三轴数据以Excel表格的形式提供。
(3) 地震动分析与参数区划数据
根据土层地震动分析的需要，建立29个场地钻孔模型，数据格式为TXT文本。收集全球范围内天然地震记录1692条，人工合成地震波522条(每个钻孔3个超越概率各6条)，以TXT文本的形式提供。
地震小区划成果图件主要为地震动参数区化图，以Mapinfo矢量文件的形式提供。另外，还包括小区划报告的文本，以PDF文档的形式提供。
3. 系统设计
3.1 面向对象实现
地震小区划涉及钻孔、场地、强震记录、地震灾害等概念，其对象层次清晰，易于以面向对象的方式实现，形成地震小区划数字化系统。根据需求分析，首先将地震小区划数字化涉及的问题抽象成类，并建立类之间的消息机制及类之间的关系，即进行地震小区划数字化概念设计。
根据概念模型抽象出类，相应的类关系如图 1所示，地震小区划数字化主要类有CSolid(工程地质三维实体类)、CDrillHoles(钻孔集合类)、CSoilLayers(土层集合类)、CGroundMotion(强震动观测记录类)、CEarthQuake(场地地震动类)等。CDrillHoles类由CDrillHole类组合形成，并通过CreateTIN方法实现CTins类，由CTins类实现CSolid类，利用CGroundMotion类中SelectEarthQuake方法筛选出符合地质条件的历史强震记录，导入CSolid类，进行地震动分析，计算场地地震动参数峰值加速度、特征周期，并绘制峰值加速度等值线图和特征周期等值线图，由此生成场地地震小区划成果。
3.2 数据库设计
系统采用Access小型数据库实现场地基础地理信息数据、地震动数据、地震震陷数据、地震液化数据等的建库，结合GIS技术实现空间数据与属性数据的整合、矢量数据与栅格数据的整合、信息数据与分析数据的整合。数据库共包含9张数据表，分类如表 1所示。
表 1 数据库汇总Table 1. Database summary序号 表名 功能说明 1 ZkInfo 钻孔基本信息 2 ZkLayer 钻孔土层信息 3 StLayer 标准层序土层信息 4 ZkLique 钻孔砂土液化信息 5 ZkClay 钻孔软土震陷信息 6 ZkWave 钻孔土层剪切波速信息 7 ZkBG 钻孔土层标贯信息 8 ZkMx 钻孔动力分析模型信息 9 ZkSeis 钻孔动参数区划信息表 数据库逻辑设计如图 2所示。
3.3 系统物理设计
系统采用MapX作为GIS开发组件，数据库采用Access，在VB环境下完成开发，可运行于多个版本的windows操作系统中。
4. 系统功能实现
系统功能分为资料查询、成果应用、专题研究三大模块，其中专题研究整合了资料查询、成果应用模块的所有功能，详细的功能设计如图 3所示，系统主界面(专题研究模块)如图 4所示，主要对资料查询、成果应用模块进行介绍。
4.1 资料查询模块
该模块主要对地震小区划工作的基础资料及成果数据进行可视化展示，内容包括地震活动性、地震构造、场地勘察、地震区划等。由于部分功能展示的形式类似，对其中的部分功能进行介绍。
(1) 地震活动性查询：可查询区域地震、场地地震、历史地震影响烈度及场地地震综合评价。按地震震级自动统计地震活动性情况，通过地点地图及数据表的方式查询当前地震发生日期、经度、纬度、震级、震源深度等相关信息，成果展示如图 5所示。
(2) 地震区划：对区内潜在震源区的划分情况及地震小区划成果进行查询，成果以可视化的形式展示，包括区划的范围、相关的地震动参数及标定的反应谱，成果展示如图 6所示。
(3) 钻孔快捷查询：可对区内所有勘察钻孔进行集中展示，包括钻孔柱状图、钻孔土层剪切波速、抗震类别判定、砂土液化和软土震陷情况判断等所有信息，成果展示如图 7所示。
4.2 成果应用
该模块基于现有基础资料，通过建立分析模型对数据进行数字化分析，生成相应的成果数据。该模块主要包括虚拟勘察、场地分析及国土规划3个子模块，其中虚拟勘察模块包括虚拟钻孔、工程地质剖面、地层等值线等，场地分析模块包括砂土液化、软土震陷分析及场地抗震类别判定，国土规划模块包括断层分布及地震小区划。
(1) 虚拟钻孔：采用delaunay三角网上的线性内插算法，根据坐标输入或地图点选获得示范区内任意位置钻孔(虚拟)的相关资料，包括钻孔柱状图、场地抗震类别判定、砂土液化和软土震陷分析、历史地震、地震动参数等。虚拟钻孔的柱状图以栅格图片或CAD矢量文件的形式导出，所有虚拟钻孔信息还可以Word文档的形式导出，内容包括场地土层信息、场地地震动参数、场地类别等，涵盖了地震工程大部分基础资料，可供相关单位参考使用，如图 8所示。
(2) 工程地质剖面：根据连续的坐标输入或在底图上绘制剖面线生成研究区内相应的工程地质剖面图(见图 9)，可将剖面图以栅格图片或CAD矢量文件的形式导出。
(3) 地震地质灾害：包括场地内的砂土液化和软土震陷。根据部分钻孔试验参数，采用建规中的判别方法对场地内钻孔进行判定，给出其液化程度和震陷情况。
(4) 地震动分析：根据点选的坐标位置，选择距离最近的地震钻孔数据，输入筛选要素，从天然地震时程库中选取符合要求的天然地震时程；根据人工合成的基岩地震动计算得到各超越概率下的场地地表地震动参数，成果展示如图 10所示。
5. 结论与建议
通过对地震小区划数据的整理，基于GIS软件开发地震小区划成果数字化系统。在实现项目成果数据查询与可视化展示的同时，还可导出数字化分析成果。相比传统的地震小区划工作，该系统的成果更丰富，形式更多样，为地震工作服务能力的提升进行了尝试。同时，需指出的是，此次建立的系统仅为单机版，与实现公共服务仍存在一定差距，后续还需进行更多的研究，补充和完善相关功能，以期建立高效便捷的在线服务系统。
-
图 1 基岩断层面高精度形貌的扫描与处理
Figure 1. Scanning and processing of high-precision morphology of bedrock fault surfaces
图 2 基岩断层面高精度形貌的量化分析
Figure 2. Quantitative analysis of high-precision morphology of bedrock fault surfaces
图 3 基岩断层面的出露过程和相应的形貌特征
Figure 3. The exposure process of the bedrock fault surface and the corresponding morphological characteristics
图 4 目标断裂与研究点的位置和基本信息
Figure 4. Location and basic information of the aimed fault and study points
图 6 思西村基岩断层面形貌的定量分析和古地震事件识别结果
Figure 6. Quantitative morphology analysis and paleo-earthquake identification results for Sixi village bedrock fault surface
图 8 上兰镇基岩断层面形貌定量分析和古地震事件识别结果
Figure 8. Quantitative morphology and paleo-earthquake identification results of Shanglanzhen bedrock fault surface
图 9 思西村和上兰镇调查点的Student’s t-test分段检验结果
Figure 9. Morphology segmentation results of Sixi village and Shanglanzhen survey points based on Student's t-test method
图 10 交城断裂简图与全新世以来古地震信息
Figure 10. Schematic map and paleoearthquake information of the JCF since the Holocene
表 1 思西村基岩断层面的分形维数与分段高度
Table 1. Characteristic fractal value （D）and heights of morphological segments on Sixi village bedrock fault surface
断层面 滑动窗口尺寸 分形维数（D） 标准差（σ） 下段 中段 上段 下段 中段 上段 思西村
断层面66 mm×66 mm 2.4303 2.4118 2.3218 0.0506 0.0331 0.0485 130 mm×130 mm 2.4107 2.3876 2.2979 0.0500 0.0262 0.0458 258 mm×258 mm 2.3889 2.3771 2.2842 0.0441 0.0361 0.0339 分段高度H/m / 2.3 1.9 2.0 / / / 
下载: 导出CSV
表 2 上兰镇基岩断层面的分形维数和分段高度
Table 2. Characteristic fractal value （D） and heights of morphological segments on Shanglanzhen bedrock fault surface
断层面 滑动窗口尺寸 分形维数（D） 标准差（σ） 下段 中段 上段 下段 中段 上段 上兰镇
断层面66 mm×66 mm 2.7105 2.5331 2.2361 0.0266 0.0815 0.0419 130 mm ×130 mm 2.6810 2.5204 2.2122 0.0441 0.0653 0.0458 258 mm×258 mm 2.6596 2.5025 2.1685 0.0165 0.0502 0.0174 分段高度H/m / 2.0 2.5 1.4 / / /
下载: 导出CSV
-
[1] 郭慧, 江娃利, 谢新生, 2012. 山西交城断裂北端及中段3个大型探槽全新世断错现象分析. 地震地质, 34（1）: 76—92 doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.008Guo H. , Jiang W. L. , Xie X. S. , 2012. Analysis of Holocene faulting phenomena revealed in the three trenches along the northern and central Jiaocheng Fault, Shanxi. Seismology and Geology, 34(1): 76—92. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.008 [2] 李峰, 徐锡伟, 陈桂华等, 2008. 高精度测量方法在汶川MS 8.0地震地表破裂带考察中的应用. 地震地质, 30（4）: 1065—1075 doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2008.04.022Li F. , Xu X. W. , Chen G. H. , et al. , 2008. The application of different high-precision survey methods in the investigation of the MS 8.0 Wenchuan earthquake surface ruptures. Seismology and Geology, 30(4): 1065—1075. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2008.04.022 [3] 刘静, 汪良谋, 1996. 震级与地震破裂参数统计关系式系数的讨论. 地震地质, 18（3）: 225—236Liu J. , Wang L. M. , 1996. Discussion on coefficients of statistical regressions between magnitude and earthquake rupture parameters. Seismology and Geology, 18(3): 225—236. (in Chinese) [4] 毛凤英, 张培震, 1995. 古地震研究的逐次限定方法与新疆北部主要断裂带的古地震研究. 活动断裂研究, （4）: 153—164Mao F. Y. , Zhang P. Z. , 1995. Progressive constraining method in paleoseismic study and paleoearthquakes along the major active faults in northern Xinjiang. Research on Active Fault, (4): 153—164. (in Chinese) [5] 王林, 田勤俭, 李德文, 等, 2017. 蔚广盆地南缘断裂带唐山口段山前断层活动性研究. 震灾防御技术, 12（2）: 319—328 doi: 10.11899/zzfy20170208Wang L. , Tian Q. J. , Li D. W. , et al. , 2017. The activity of the piedmont fault along the Tangshankou segment of Yuguang basin southern marginal fault. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 12(2): 319—328. (in Chinese) doi: 10.11899/zzfy20170208 [6] 谢新生, 江娃利, 孙昌斌等, 2008. 山西交城断裂带多个大探槽全新世古地震活动对比研究. 地震地质, 30（2）: 412—430 doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2008.02.007Xie X. S. , Jiang W. L. , Sun C. B. , et al. , 2008. Comparison study on Holocene paleoseismic activities among multi-trenches along the Jiaocheng Fault zone, Shanxi. Seismology and Geology, 30(2): 412—430. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0253-4967.2008.02.007 [7] Bi L. S., He H. L., Wei Z. Y., et al., 2012. Fractal properties of landforms in the ordos block and surrounding areas, China. Geomorphology, 175—176: 151—162. [8] Chase C. G. , 1992. Fluvial landsculpting and the fractal dimension of topography. Geomorphology, 5(1—2): 39—57. doi: 10.1016/0169-555X(92)90057-U [9] Davies S. , Hall P. , 1999. Fractal analysis of surface roughness by using spatial data. Journal of the Royal Statistical Society: Series B (Statistical Methodology), 61(1): 3—37. doi: 10.1111/1467-9868.00160 [10] Elliot J. K. , 1989. An investigation of the change in surface roughness through time on the foreland of Austre Okstindbreen, North Norway. Computers & Geosciences, 15(2): 209—217. [11] Galli P. , Galadini F. , Pantosti D. , 2008. Twenty years of paleoseismology in Italy. Earth-Science Reviews, 88(1—2): 89—117. doi: 10.1016/j.earscirev.2008.01.001 [12] Giaccio B. , Galadini F. , Sposato A. , et al. , 2003. Image processing and roughness analysis of exposed bedrock fault planes as a tool for paleoseismological analysis: results from the Campo Felice fault (central Apennines, Italy). Geomorphology, 49(3—4): 281—301. doi: 10.1016/S0169-555X(02)00191-5 [13] Goodall H. J. , Gregory L. C. , Wedmore L. N. J. , et al. , 2021. Determining histories of slip on normal faults with bedrock scarps using cosmogenic nuclide exposure data. Tectonics, 40(3): e2020TC006457. [14] He H. L. , Wei Z. Y. , Densmore A. , 2016. Quantitative morphology of bedrock fault surfaces and identification of paleo-earthquakes. Tectonophysics, 693: 22—31. doi: 10.1016/j.tecto.2016.09.032 [15] Jones R. R. , Kokkalas S. , McCaffrey K. J. W. , 2009. Quantitative analysis and visualization of nonplanar fault surfaces using terrestrial laser scanning (LiDAR)—The Arkitsa fault, Central Greece, as a case study. Geosphere, 5(6): 465—482. [16] Klinkenberg B., 1992. Fractals and morphometric measures: is there a relationship? Geomorphology, 5(1—2): 5—20. [17] Mandelbrot B. , 1967. How long is the coast of Britain? Statistical self-similarity and fractional dimension. Science, 156(3775): 636—638. doi: 10.1126/science.156.3775.636 [18] McCalpin J., 2009. Paleoseismology. 2nd ed. Burlington: Academic Press. [19] Palumbo L. , Benedetti L. , Bourlès D. , et al. , 2004. Slip history of the Magnola fault (Apennines, Central Italy) from 36Cl surface exposure dating: evidence for strong earthquakes over the Holocene. Earth and Planetary Science Letters, 225(1—2): 163—176. doi: 10.1016/j.jpgl.2004.06.012 [20] Power W. L. , Tullis T. E. , 1991. Euclidean and fractal models for the description of rock surface roughness. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 96(B1): 415—424. doi: 10.1029/90JB02107 [21] Ran Y. K. , Chen L. C. , Chen J. , et al. , 2010. Paleoseismic evidence and repeat time of large earthquakes at three sites along the Longmenshan fault zone. Tectonophysics, 491(1—4): 141—153. doi: 10.1016/j.tecto.2010.01.009 [22] Sagy A. , Brodsky E. E. , Axen G. J. , 2007. Evolution of fault-surface roughness with slip. Geology, 35(3): 283—286. doi: 10.1130/G23235A.1 [23] Sagy A. , Brodsky E. E. , 2009. Geometric and rheological asperities in an exposed fault zone. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 114(B2): B02301. [24] Sieh K. E. , 1978. Prehistoric large earthquakes produced by slip on the San Andreas Fault at Pallett Creek, California. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 83(B8): 3907—3939. doi: 10.1029/JB083iB08p03907 [25] Sieh K. E. , 1984. Lateral offsets and revised dates of large prehistoric earthquakes at Pallett Creek, southern California. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 89(B9): 7641—7670. doi: 10.1029/JB089iB09p07641 [26] Sung Q. C., Chen Y. C., Chao P. C., 1998. Spatial variation of fractal parameters and its geological implications. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 9(4): 655—672. [27] Sung Q. C. , Chen Y. C. , 2004. Self-affinity dimensions of topography and its implications in morphotectonics: an example from Taiwan. Geomorphology, 62(3—4): 181—198. doi: 10.1016/j.geomorph.2004.02.012 [28] Wells D. L. , Coppersmith K. J. , 1994. New empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement. Bulletin of the Seismological Society of America, 84(4): 974—1002. [29] Wiatr T. , Papanikolaou I. , Fernández-Steeger T. , et al. , 2015. Bedrock fault scarp history: insight from t-LiDAR backscatter behaviour and analysis of structure changes. Geomorphology, 228: 421—431. doi: 10.1016/j.geomorph.2014.09.021 [30] Young J. J. , Arrowsmith J. R. , Colini L. , et al. , 2002. Three-dimensional excavation and recent rupture history along the Cholame segment of the San Andreas fault. Bulletin of the Seismological Society of America, 92(7): 2670—2688. doi: 10.1785/0120000604 [31] Zou J. J. , He H. L. , Yokoyama Y. , et al. , 2020. Seismic history of a bedrock fault scarp using quantitative morphology together with multiple dating methods: a case study of the Luoyunshan piedmont fault, southwestern Shanxi Rift, China. Tectonophysics, 788: 228473. doi: 10.1016/j.tecto.2020.228473 [32] Zou J. J., He H. L., Yokoyama Y., et al., 2021. Identification of Paleoearthquakes and Coseismic Slips on a Normal Fault Using High-Precision Quantitative Morphology: application to the Jiaocheng Fault in the Shanxi Rift, China. Lithosphere, (Special 2): 2550879. [33] Zreda M. , Noll J. S. , 1998. Ages of prehistoric earthquakes revealed by cosmogenic chlorine-36 in a bedrock fault scarp at Hebgen Lake. Science, 282(5391): 1097—1099. doi: 10.1126/science.282.5391.1097 -
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 332
- HTML全文浏览量: 70
- PDF下载量: 28
- 被引次数: 0
