2.1   小尺度观测——露头实地工作遇到的问题

研究区地形起伏较大、露头风化严重、交通不便。笔者在前期的野外大比例尺地质填图中遇到了两大困难：①由于地形和交通原因，很难到达所有的关键观测点位；②研究区多种地质体并存且相互有复杂叠加改造关系，但由于风化剥蚀已很难在局部露头看清其全貌(分布范围和相互关系等)。例如，已在研究区发现了数以千计的小型地质体(如超基性岩团块、岩脉、节理等)，在区域地质调查和造山带宏观研究中，均不涉及它们空间分布(位置和范围)的精细刻画。

在更精细的大比例尺详查及填图中，从空间测量技术角度看，地质填图的比例尺越大，要求对地质体空间要素(位置和范围)的观测精度越高，所涉及的小型地质体也越多。目前常用的普通卫星定位设备精度一般在十米级精度(约10¹ m)，已难以满足大比例尺地质填图定位的要求。虽然也有其他方法可以做到更高的位置测量精度(如差分测量)，但由于小型地质体数量众多，在实际工作中难以遍历所有的地质体。所以在小尺度观测级别，需要找到更高效可靠的方法解决上述具体困难。

2.2   大尺度观测——卫星遥感影像信息提取

对地观测卫星一般运行在数百千米的LEO轨道，通过不断地“扫面”和“重返”，逐步积累了几乎覆盖整个地球表面的遥感影像。近年来，随着观测技术的升级迭代，遥感影像的光谱分辨率和空间分辨率也有很大提升，而且高质量数据的获取更便捷。

卫星遥感影像的最显著特点是覆盖面广，在识别提取大型构造要素方面优势明显(10³~10⁰ m)，已经在研究中得到广泛应用。主要侧重于2个维度：①光谱维度：通过提取影像光谱特征，将其与典型元素矿物的光谱曲线对比，从而实现大范围矿物岩性识别和元素丰度异常统计，例如对岩体内部不同期次岩浆活动的识别(王晓鹏等，2002；杨建民等，2007；魏永明等，2015；杨斌等，2015；李娜等，2021)；②几何维度：通过解译影像中的点线面等几何特征，识别出特定地质构造的空间分布和位置关系(王晓鹏等，2014；程三友等，2021)，例如断裂及大规模岩墙群空间分布的识别(冯乾文等, 2012a, b；2015)。

然而，由于卫星遥感影像空间分辨率最高只能到米级(约10⁰ m)，大量分布的小型构造几何大小(如岩脉、节理等一般为厘米级至分米级)已经超出了影像空间分辨率的极限，所以遥感解译不能提供局部构造变形的细节，还需要其他观测方法的补充。

2.3   中尺度观测——无人机超低空航拍技术

在上述大、小2个观测尺度之间还有一个尚未衔接的空白区，在这里地质体的尺度小于卫星遥感影像所能达到的分辨率极限，而利用传统露头工作方法进行大面积连续测量也难以实现，长期以来是大比例尺构造观测和填图的技术难题。

近10年来无人机技术的轻便化、智能化、普及化，为该问题提供了新的解决方案。典型的便携式无人机航拍系统主要包括飞行平台(有固定翼、多旋翼等类型，包括旋翼动力系统、飞行控制系统等)、航空相机载荷(包括飞行云台、镜头、CCD/CMOS影像传感器、影像处理单元等)、飞控和数传系统(包括上行无线电遥控、下行实时图像和飞行状态参数传输)、导航定位系统(包括机载GNSS定位，以及陀螺仪、地磁感应器、加速度计等姿态敏感器等)、电源系统(包括电池和充放电设备)等二级子系统。在此基础上，利用地面飞控及任务规划系统(遥控装置及飞控软件)，可以自动控制无人机按照预先规划的路线巡航拍摄，获得质量稳定且满足一定拼接重叠率要求的航拍影像集；进一步利用GIS影像处理技术进行影像拼接和校正，最终可获得覆盖较大面积的超高分辨率影像。另外，无人机也可悬停定点拍摄或者绕飞拍摄，获取目标区域多角度的影像。

下面从航拍的几何关系上，简要分析飞行高度与空间分辨率之间的关系。如图 2所示，对于飞行高度为H的无人机，设其航拍相机镜头的视场角为α，地物实际长度L与其成像长度C的比例系数为k，即：

图 2.  无人机航拍相机成像几何示意图

Figure 2.  The geometric relationship of UAV aerial photography

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对于焦平面上A行B列的传感器，设其像元边长为μ，根据成像的几何关系：

式中，kμ代表单个像素对应的实际地物长度，即航拍影像的空间分辨率。对于一般的定焦航拍相机，$\frac{\tan \left(\frac{\alpha}{2}\right)}{\sqrt{A^2+B^2}}$的值由相机镜头焦距及视场角、传感器尺寸等硬件参数决定，是个常数，所以空间分辨率kμ是飞行高度H的成正比例函数。

以本研究的无人机航拍器为例，其飞行高度为10~500 m；镜头焦距20 mm(35 mm格式等效)，视场角为94°；影像传感器为1/2.3英寸CMOS，有效像素1200万(照片为4000×3000)。将以上数值代入关系式中，可得该型无人机航拍器的空间分辨率为：

由此可见，无人机航拍器的理论空间分辨率可达厘米级乃至毫米级(10^-2~10^-3 m)。近年来，陆续出现的光学变焦、大尺寸传感器、高像素等无人机航拍器，可在获得更高空间分辨率的同时，也提高了成像的质量。另外低空航拍也在很大程度上减轻了大气层对成像的影响，即使是同等空间分辨率，其影像质量也远高于卫星遥感影像。

为了验证无人机航拍在识别节理等小型构造变形中的优势，笔者在某花岗岩体中进行了实拍对比(图 3)，在遥感影像中无法看到的节理等小尺度构造变形(图 3-a)，在无人机航拍影像中均清晰可辨(图 3-b、c)。

图 3.  卫星遥感影像与无人机航拍影像空间分辨率对比图

a—高分辨率卫星遥感影像中的花岗岩体; b、c—无人机超高分辨率航拍影像中花岗岩体中发育的节理

Figure 3.  Comparison of spatial resolution between satellite image and UAV aerial image

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需要注意的是，由于飞行器电源和飞行时长的限制(单次飞行一般在30 min左右)，只能在局部区域使用。另外，由于航拍影像集的数据量大，对数据处理也造成较大的负担。因此，无人机航拍虽然能获得超高分辨率的影像，但很难覆盖整个区域尺度，只能在局部重点区域使用。

2.4   多方法相结合的构造变形观测方法体系

综合以上分析，不同方法的观测精度和覆盖范围成反比。将上述不同的观测技术有机结合配套使用，可以涵盖大—中—小不同的观测尺度，兼顾了观测的精度和效率(图 4)。

图 4.  多方法相结合的构造地质观测方法示意图

Figure 4.  A diagrammatic sketch showing combined use of different investigation methods

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需要强调的是，对于构造变形来说，卫星遥感影像和无人机航拍影像从大—中—小不同的尺度，提供了构造变形的空间信息，虽然为典型构造要素提取提供了高效的手段，但仍然不能完全替代露头实地工作。

露头工作的重要意义在于：①基于卫星遥感影像和无人机航拍影像的构造解译，本质上都是遥感解译技术，需要对解译结果进行实地验证；②卫星遥感影像和无人机航拍影像，并不能反映三维地物的完整信息，而仅仅是三维地物的二维投影，需要在野外开展实地测量，获取关键部位的三维信息；③需要开展野外工作对特殊地质体采样，进行进一步室内分析；④对于更小尺度构造变形的识别、构造要素的完整测量，以及特殊构造变形的连续性观测和穿越构造线的剖面观测，必须通过露头实地工作才能完成(图 4)。

3.1   区域宏观构造特征的识别提取

笔者收集了覆盖整个库米什地区的高分辨率卫星遥感影像(可见光波段，最高空间分辨率可达0.26 m)，并开展了区内主要构造要素识别(图 5)。在影像中，可以清晰地看到南天山库米什断裂走向为NW—SE向，为略呈弯曲的线性特征，识别标志有断裂两侧地质体色调的显著差异，以及沿着断裂延伸的线性河谷(图 5-a)。

图 5.  库米什地区主要构造要素的高分辨率卫星遥感影像(蛇绿岩的分布范围用黑色虚线表示，蛇绿岩露头为影像中大量的黑色及暗绿色团块)

a—库米什地区主要断裂及蛇绿混杂岩的分布；b—铜花山蛇绿岩的详细特征；c—硫磺山蛇绿岩的详细特征。

Figure 5.  Satellite images of major tectonic elements in Kumish region

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以库米什断裂为界，将本文研究区划分为断裂北侧单元和断裂南侧单元。其中，断裂北侧单元组成较单一，主要为泥盆纪阿拉塔格组，在遥感影像中为一套SN向宽5 km左右，沿着库米什断裂走向超过20 km的变质岩系，其内部影像特征为一系列走向NW—SE的黄色—黄褐色、灰色、浅黄色、白色的条带(其中白色条带最醒目，为细长的大理岩带)。上述不同的颜色条带，代表了该变质岩系中不同的岩性组成，总体上可见其面理走向与库米什断裂接近平行，反映该变质岩受到库米什断裂的强烈改造。

断裂南侧单元组成较复杂，从西到东主要由花岗岩体、泥盆纪变质岩、蛇绿混杂岩带，以及大量穿切于其中的小型地质要素组成。结合遥感影像可以看到，侵入岩体总体上为近椭圆浅色(棕黄色为主)地质体，与周围地质体之间边界清晰，泥盆纪变质岩为深灰褐色高地，内部条带特征不明显，蛇绿混杂岩地带为地势较低的开阔谷地，内部含有大量深灰绿色超基性岩团块(图 5-b、c)。

3.2   岩体边界及内部脆性变形

在高分辨率卫星影像图中，可见研究区西部的花岗岩体(图 6-a中的F、图 6-b中的F′)的北侧边界有一部分被库米什断裂所限制，为清晰的NW—SE走向(图 6-a中的A)，而另外一部分越过了库米什断裂(图 6-a中的B)。以上特征反映，该花岗岩体的侵入应该在库米什断裂形成之后。

图 6.  花岗岩体边界及内部脆性变形

a—花岗岩体边界与库米什断裂的接触关系；b—库米什断裂带局部航拍影像(倾斜摄影)；c—花岗岩体内部2组主要的节理的无人机航拍影像(正射投影)；d—走向NE—SW节理中发育的岩脉及其变形。A、B分别表示岩体边界被断裂所限制、岩体越过断裂；C~F、C’~F’分别表示卫星遥感影像与无人机航拍影像中主要特征点的对应关系

Figure 6.  Investigation of boundary and brittle deformations of a granitic pluton

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另外，在岩体内部及靠近断裂的部位，未观察到与断裂北侧变质岩系中类似的与断裂右行韧性剪切有关的宏观特征(如大型糜棱面理)，但能在内部看到大量节理，主要为NW—SE向和NE—SW向2组走向，前者数量较多，影像特征为沿着上述走向的色调变化，推测是由于节理面的存在，造成岩体局部反射性质的变化。

选取岩体内部的典型部位(附近有一个石材矿)，开展了详细的高精度遥感解译与露头实地观测的对比验证。在多幅拼接的无人机航拍正射影像中，证实了上述2组节理的存在，它们是岩体中最具优势的2组节理，二者平均夹角为54°(图 6-c)。此外，还有其他走向的小型节理。露头可见主节理面局部位置有酸性岩脉侵入(图 6-d)。露头观察岩体为典型的块状特征，无明显定向排列。

岩体缺少明显的韧性变形，而脆性变形非常密集，反映出岩体形成之后的变形以脆性变形为主，受区域韧性变形的影响不大，说明该岩体形成于区域强烈韧性变形之后。这从另一个角度印证了该岩体的时代较区域俯冲和碰撞构造期晚(王润三等，1999；杨经绥等，2011)。

3.3   蛇绿混杂岩的多尺度特征

在1 : 20万区域地质图中，将库米什地区蛇绿岩中的基性岩和超基性岩表示为大面积成片展布，但在卫星遥感影像图中表现为数以千计的小型暗色团块，大者十几米，小者几十厘米不等(图 5-b、c)。在野外工作中，笔者通过露头观察和无人机航拍，证实该区域大量的暗色团块为基性岩和超基性岩的侵入体或残片，虽然经历了严重风化，但仍具有蛇纹石化特有的暗绿色(图 7-a、b)。

图 7.  蛇绿混杂岩区及不同规模的岩脉

a—蛇绿混杂岩区的高分辨率卫星遥感影像；b—蛇绿混杂岩区局部无人机航拍影像(倾斜拍摄)；c—大型酸性岩脉切割蛇绿岩；d—两组走向小岩脉的无人机航拍影像(正射投影)；e—走向100°的小岩脉切割变质岩；f—中基性岩脉与围岩的平直边界。A~F、A’~F’分别表示卫星遥感影像、无人机航拍影像主要蛇绿岩露头的对应关系

Figure 7.  Different sized veins cutting across ophiolite and other rocks

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3.4   其他小尺度构造要素的分析

除上述主要岩石和构造变形外，还发育大量酸性和中基性岩脉。其中酸性岩脉数量较少但规模大，影像特征为棕黄色线性地质体，走向为近EW向，长度数百米，宽度几十米。沿着岩脉追索(露头和无人机航拍)，可见其在不同位置分别切穿了变质岩系和蛇绿混杂岩(图 7-a、c)。中基性岩脉的影像特征为深灰色线性地质体，宽度几十厘米，数量众多，平行或近平行排列可划分为一组，其中走向NEE—SWW向数量较多，近SN向数量较少(图 7-d、e)。在局部露头可见，中基性岩脉与围岩之间边界平直，岩脉边部发育冷凝边(图 7-f)，这些典型特征表明它们是后期岩浆沿着早期形成的围岩节理面形成的，代表了较晚的岩浆活动。

另外，在变质岩系中发育大量石英岩脉，变形细节仅能在露头上实地观察。岩脉走向为NE—SW向，与当地变质岩的面理走向高角度相切，宽度仅数毫米，单个脉体为透镜状，也有数量较多的反S形脉体。岩体排列为雁列状，也有大量细脉交错形成网脉状(图 8)。以上特征反映，当时局部位置较强烈流体活动的同时伴随着持续的韧性变形。

图 8.  密集发育石英细脉的露头

a—露头整体照片及位置关系；b、c、d—石英岩脉变形及排列的局部特征

Figure 8.  Intensive tiny quartz veins and their deformational characteristics on a field outcrop

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4.1   多方法相结合、多尺度相衔接的地质观测技术

通过本文在技术层面对不同观测方法的分析，以及在典型研究区对多种类型和尺度的构造要素观测，笔者认为，传统的露头实地工作(含单个点位、剖面观测等方式)、无人机低空航拍影像遥感解译、卫星遥感影像解译，可分别在小、中、大观测尺度上承担构造研究地质观测的需要(图 4)。

通过在南天山库米什地区的试验和实际应用，前文总结了不同观测方法的优势和局限性，提出了各自的适用场景和结合使用的具体工作模式。显然，不同的观测方法之间不是互斥关系，在具体工作中应互相补充优化结合，可以大幅度提高构造观测的精度和效率。未来，随着卫星遥感技术和航拍影像技术的进步，以及数据综合处理技术的进步，将进一步减少野外工作的负担，为构造变形研究提供更高质量的数据资料。

4.2   库米什地区多尺度构造变形的观测结果

本文将库米什地区作为研究试验区，在验证多方法构造观测技术的同时，也从宏观和局部的不同尺度，刻画和分析了该区的多类型岩石组成和构造变形，从另一个侧面印证了该区蛇绿混杂岩就位、大型断裂及剪切变形、区域变质岩系、酸性和中基性多期次岩浆活动、后期脆性变形的叠加改造等复杂的构造演化历史。

其中，花岗岩体与库米什断裂的边界特征及内部缺少大规模韧性变形，反映该岩体形成于库米什断裂强烈变形之后，也应晚于榆树沟一带的石炭纪高压麻粒岩。2组主要节理代表了晚期的浅表层次的脆性变形。研究区酸性和中基性岩脉切割不同地质要素的事实表明，该区还存在较晚的多期次岩浆活动。

前人对库米什榆树沟、铜花山地区蛇绿混杂岩的时代研究表明，其形成代表了早古生代洋盆的存在，而通过对麻粒岩和剪切糜棱岩的年代学研究表明，蛇绿岩在泥盆纪早期经历了变质改造，代表板块俯冲碰撞及其区域剪切发生在早泥盆世。而通过本文的研究，在上述从洋盆到碰撞的主体构造事件基础上，进一步从多尺度地质关系上解析了叠加于上述地质纪录之上的多期构造事件，反映出该地区构造变形由强变弱、岩浆活动由区域到局部的总体趋势。