GEOLOGICA CARPATHICA, 49, 5, BRATISLAVA, OCTOBER 1998

307–313

MORPHOSTRUCTURE PATTERNS IN SATELLITE

MULTISPECTRAL LANDSAT TM IMAGES

ISSAAK PARCHARIDIS

Earthquake Planning and Protection Organization, Xanthou 32, 154 51 Athens, Greece; eppogeo@hol.gr

(Manuscript received February 2, 1998; accepted in revised form September 1, 1998)

Abstract:  The  possibility  of  tectonic  observations  using  multispectral  remote  sensing  data  is  based  mainly  on

morphostructures, which could lead directly to the structural interpretation of the area. This work aims to contribute to

the  creation  of  a  morphostructure-code  with  a  corresponding  key-legend,  in  order  to  facilitate  the  acquisition  of

tectonic information by users, who do not  specialize in remote sensing. The studied area covers a great part of NW

Greece (Epirus Prefecture). During the summer and autumn of 1996, this region  was affected by strong and disastrous

earthquakes (up to 5.6 R). Data from Landsat TM have been selected and processed creating a false colour composite

image and then analyzed and interpreted in order to detect the tectonic features.

Key words: NW Greece, Epirus, tectonism, morphostructure, Remote Sensing, Landsat.

Introduction

The direct recognition of tectonic features on satellite multi-

spectral  data,  is  based  on  the  concept  of  morphostructures

which could lead, through their detection and interpretation, to

the tectonic analysis of an area. The recognition of the surfa-

cial traces of faults and folds is one of the advantages of re-

mote sensing. For many years the term “lineament” (O’Leary

et al. 1976) was used to describe linear features many of which

correspond to known geological structures. The possibility of

structural  observation  from  satellite  data  optical  or  radar,  is

based mainly on morphotectonics. The term morphotectonics

is simply a contradiction for tectonic geomorphology, that is,

the study of processes and forms related to any form of tecton-

ic activity (Embleton 1987).

Recently,  the  term  “morphoneotectonic”  has  been  intro-

duced.  It  is  based  on  the  concept  that  tectonic  movements

have brought about changes in the Earth’s surface. In general

these changes appear more marked and evident, the more re-

cent and bigger are the movements (Panizza 1991). The man-

ifestation of  tectonic features depends mainly on the charac-

ter  of  the  rock  and  on  the  operating  climatic  conditions.

Chorowicz (1984) mentioned the importance of pattern rec-

ognition for geological remote sensing applications, conclud-

ing that fundamental geological objects have their distinctive

shape and geomorphological expressions and that on the dig-

ital images, their automatic recognition by computer is possi-

ble. Faults, joints and lineaments most likely have a rectilin-

ear exposure on images and their determination depends on

morphological features or on particular patterns. The recog-

nition of folds can be done through geomorphology or the

pattern  of  the  elementary  geological  features.  The  simple

recognition of a fault does not seem to be the most important

factor, but the type and the dynamic that characterized it. Of

course  low-angle  faults  (nappes)  are  difficult  to  interprete

since  the  images  provide  planar  views  from  above.  Such

faults have a strongly curved or irregular surfacial trace and

can be inferred on the basis of discordance of the foliation

(Greiling 1983; Otsuki 1985; Gupta 1991). In  the  past, lists

of classifications of faults and their photo-interpretation cri-

teria  have  been  created  (Reading  1980;  Slemmons  1982;

Scanvic 1983). This paper presents an attempt to directly rec-

ognize the types of structure and their movement on the basis

of morphotectonic features.

Fig. 1. Sketch map with the study area.

308                                                                                            PARCHARIDIS

Location and tectonic setting of the area

The Prefecture of Epirus is located in North-western Greece

and Konitsa town is in the northern part of it (Fig. 1). The area

consists of a great thickness of sedimentary sequence which

geotectonically  belongs  to  the  Ionian  Zone.  Locally  in  the

north-eastern part of the region, there are sedimentary forma-

tions  of  the  Pindos  Zone  which  are  thrust  above  the  Ionian

Zone. The most recent sediments in the area are fluvial terrac-

es of the Aoos, Sarantaporos and Voidomatis rivers.

It is obvious that intense tectonic activity affected the area

predominantly  during  the  Alpine  orogenetic  compressive

stress. The result of this is the presence of anticlinal and syn-

clinal forms with a NNW-SSE axial direction. These forms

are interrupted by a NE-SW transverse fracture zone, named

as the Konitsa fracture zone,  which is a product of a later ex-

tensional stress. A characteristic element of this zone is the

attenuation with smaller fractures in the two edges. Another

fault system with a NW-SE direction has also affected the

area. The rivers Aoos and Voidomatis are related to this fault

system (Papanikolaou & Parcharidis 1996).

In the 26 of July 1996 a strong earthquake was occurred in

the  area  with  magnitude  of  5.2  R  followed  by  less  intense

earthquakes,  while  a  new  greater  one  affected  the  area

(M=5.6  R).  Dangerous  phenomena  such  as  landslides  and

rock falls have been observed along the active faults.

Information sources

Remote sensing data

A digital image of Landsat 5 TM was selected covering the

area  (subscene  of  the  185-032  full  scene),  with  7  spectral

bands, dating 24-6-93 with 0 % cloud cover, 2500 columns

and 2500 lines for each band and pixel size 30

×

30 meters.

 An important parameter for structural applications is the

azimuth and elevation of the sun at the moment of acquisi-

tion of the scene. In this case the direction of illumination

(from ESE) is more or less perpendicular to the main struc-

tures. The sun’s elevation is high (beginning of summer) but

this does not create any problem for the information recorded

because the area is characterized by high relief.

First the raw data was radiometrically and geometrically

corrected so that the image can be represented on a planar

surface and have the integrity of a map. The next step was to

combine the adequate spectral bands and display them in the

RGB (Red, Green, Blue) colour system. Different combina-

Fig. 2. False Colour Composite image created from 7, 4, 1 spectral bands of Landsat TM satellite as RGB. The white squares represent

the epicenters of the main seismic events.

MORPHOSTRUCTURE PATTERNS IN SATELLITE MULTISPECTRAL LANDSAT TM IMAGES                       309

tions of the TM bands can be displayed to create different

composite effects. Different colour schemes can be used to

bring out or enhance the feature under study. There are 120

possible colour combinations of the data for a large number

of applications. Theory and experience, however, show that a

small number of colour combinations are suitable for most

applications. The optimum band combination is determined

by the terrain, climate and nature of the interpretation project

(Sabins 1997). In the present study the selected bands are 1,

4, 7 forming the false colour composite image 7, 4, 1 as RGB

(Fig. 2). This combination provides the maximum range of

colour signatures for the rock outcrops and is optimum for

geological interpretation in semiarid areas. The image shows

a region, mainly, of mountains and small plains composed of

bare rocks or soil, and cover by scrub and  extensive forested

areas. The bare rock and soil are represented by magenta and

pink tones, the scrub by darker greens and browns and the

forested  slopes  by  shades  of  green.  Cultivation  of  cereals,

fruit  and  vegetables  are  represented  by  the  bright  green

patches on the flatter ground especially in the Konitsa Valley

and along the rivers. In the center of the image the Tymfi Mt.

and the Konitsa Valley are recognized and the Aoos, Saran-

taporos and Voidomatis rivers too (in blue colour in the im-

age), forming a rectangular type of network. The anticlinal

forms of Mitsikeli and Dusko, with a NNW-SEE direction

can be recognized, but are interrupted, in the middle of the

image by the transverse fracture zone of Konitsa.

Field information

Two visits to the area, organized by E.P.P.O. (Earthquake

Planning and Protection Organization), have been made ac-

cording to a program of field studies, mapping and  evalua-

tion of the geological structures  followed by remote sensing

observation.  In  situ  observations  and  measurements  have

been done mainly in the geological structures which were al-

ready recognized on the image.

Seismological data

The seismological data from the last seismic events have

also  been  taken  in  account  (magnitude,  coordinates  of  the

epicenters  and  depths).  Earthquake  epicentral  distribution

may delineate active faults. In Figure 2 the epicenters of the

main seismic events are plotted (the coordinates of the epi-

centers were provided by the Earthquake Planning and Pro-

tection Organization seismological data base). These are dis-

tributed along the Sarantaporos River and the northwestern

slope of Tymfi Mountain.

Recognition, description and analysis

of the structural patterns

The manifestation of tectonic features depends on many pa-

rameters, especially on the rock type and operating climatic

conditions. The freshness of appearance and type of geomor-

phic expression of faults is related to the age of faulting (Mat-

suda 1975). Geomorphological investigations into faulting can

yield considerable information (Doornkamp 1986). A consid-

erable number of geomorphological direct and indirect indica-

tors of tectonic or recent activity exist such as: distortion of

river terraces (Popp 1971), prominent high angle scarps (Cot-

ton  1948),  fresh  sygmoid-shaped  of  ridges  (Migiros  et  al.

1995), shutter ridges that is topographic ridges that have been

offset  laterally  to  shut  off  drainage  channels  (Cotton  1948),

segmentation  and  deformation  of  alluvial  fans  (Hook  1972;

Bull  1977),  displacement  of  synthetic  structures  (Rogers  &

Nason 1971), faceted ridges created when scarps cut a topo-

graphic ridge (Thornbury 1954), formation of sag ponds (Cot-

ton 1948), offset drainage channels which are especially sig-

nificant  because  they  also  indicate  the  sense  and  amount  of

lateral displacement along a fault (Adams 1975; Parcharidis

1996), river capture (Biancotti 1979). Drainage is also a sensi-

tive indicator of neotectonic events. Streams and rivers can ei-

ther  be  displaced  by  such  an  event  or  have  their  gradients

changed. In either case the response may be quite rapid. How-

ever, complications exist, because causes other than tectonics

can produce similar changes (Cooke & Doornkamp 1990) and

last but non least,  arcuate scarps or sets of concentric scarps

(Slemmons 1982). The above geomorphological characteris-

tics could be detected on remotely sensed imagery at appropri-

ate products and scales, interpreted and correlated allowing us

to  assess  composite  fault  systems  and  the  overall  sense  of

movement of blocks of the crust which the faults bound. The

heterogeneities of the crusts nature and the stress, involved dur-

ing a period of strong deformation, mean that all the types of

fault may occur in an area. Overview of the geomorphology al-

lows delineation of key locations for morphotectonic investiga-

tion. The representation of morphostructures, related to faults,

through spectral reflectance of the terrain characteristics have

been recognized and described for the studied area as follows:

a—Bayonnette type structures (Figs. 3 and 4)

More than one are located in the transversal fracture zone

of Konitsa with a NE-SW direction. They are presented like

“bayonnettes”,  perfectly  linear  and  about  10  km  in  length.

The main topographic feature is the scarp easily recognized

from the shadow effect with moderate slope (the sun azimuth

is perpendicular to the structure) and the presence of the veg-

etation  along  the  topographic  depression  of  the  scarp.  The

structure corresponds to a fault with a horizontal movement

and an extension regime in the central part of it (better devel-

opment of vertical displacement). A very characteristic fea-

ture is the attenuation of the stress patterns in the two edges

of the structure recorded in the image by a minor scarp relief

with a polyline edge.

b—Strike slip faults

The  Sarantaporos  structure  (Fig.  5)  coincides  with  the

straight  part  of  the  homonymous  river  running  through  the

area with a NE-SW direction and length of 30 km. The total

length of the structure is greater but it is not clearly recognized

in the image. The drainage network of the area, including the

Sarantaporos  River,  could  be  characterized  as  rectangular,

which means that is strongly controlled by the tectonic regime.

310                                                                                            PARCHARIDIS

The bluish colour in the river basin corresponds to conglomer-

ates and deposits transported by the river. The basin shows the

geomorphic  characteristics  of  a  strike-slip  fault.  The  above

conclusion  is  based  on  facts  such  as  the  development  of  a

strike-slip type basin which is elongated, parallel to the strike-

slip system, and in this case is relatively deep in relation to its

width. Although the displacement along the strike-slip faults is

dominantly  horizontal,  the  most  obvious  motion  at  any  one

place may be oblique-slip. This vertical movement is not so

clear in the Sarantaporos fault. In the area just before the Sa-

rantaporos meets Aoos the fault forms a larger basin due to the

curvature  formed  by  the  fault  (extension).  In  addition,  mor-

phological criteria, confirming the type of the fault, include a

characteristic assemblage of landforms such as offset or de-

flected streams, small scarps, shutter ridges, combined with in

situ information (presence of  thermal springs along the basin,

commonly associated with strike-slip zones). It is very inter-

esting that in the middle, the river basin is crossed by a fault

with  a  NW-SE  direction  which  provokes  a  small  scale  dis-

placement (dextral movement) of the river’s route.

The structure along the artificial lake of Aoos sources (Fig.

6) is also a strike-slip fault. It is presented as a linear feature

with a NNW-SSE direction. The typical geomorphic features

are, the linear canyon, eroded and non scarps, a pond activat-

ed actually as a technical lake for energy production, drag-

ging of crests easy detected in the southeastern block (in the

center of the image).

c—The Konitsa fault (Fig. 7)

The Konitsa fault is a long well marked fracture zone with

a NE-SW direction  interrupting  the Alpine fold system with

a  NW-SE axis direction. It is classified as a normal fault but

also with a component of horizontal movement according to

the  geomorphic  features  recognized  on  the  figure.  In  this

case it is  interesting to study  the slope and the basic ele-

ments of it. The crest of the slope produced by faulting seems

to be sharp only in the area of the Konitsa Basin, this conti-

nuity  is  interrupt  by  small  sharp  breaks  with  channels  that

cross  the  scarp.  The  free  face,  presented  as  a  straight  seg-

ment, is under shadow because the azimuth of the sun’s illu-

mination  is  perpendicular  to  the  direction  of  the  structure.

Locally the free face is modified by the accumulation of de-

bris and gulling. The debris slope is clearly recognized in the

image covered by vegetation (light green color in the figure).

The Konitsa Basin is the result of the extensive stress of the

fault and the Aoos River which crosses the basin is of braid-

ed type, with a flow direction from NE to SW, due to the lack

of a thick amount of sediments in the basin. In the southwest-

ern part, the fault interrupts the anticline form of Mitsikeli

provoking the displacement of the fold’s axis, enhancing the

horizontal component of the structure which seems to be of

left displacement.

Conclusions

The  super-synoptic  view  provided  by  satellite  images  is

ideal for detecting or re-evaluating the tectonic patterns over

Fig.  4. Bayonnette type structure, extension zone (1), attenuation

of the stress (2).

Fig.  3. Bayonnette type structure, extension zone (1), attenuation

of the stress (2).

MORPHOSTRUCTURE PATTERNS IN SATELLITE MULTISPECTRAL LANDSAT TM IMAGES                       311

Fig. 6. Structure with NW-SE direction along the artificial lake (1), dragging crests (2).

Fig. 5. Sarantaporos River structure with NE-SW direction, material transported by the river and deposited in small basins (1), a small

displacement in the river route, due to the activity of a fault, with dextral movement (2).

312                                                                                            PARCHARIDIS

Fig. 7. Konitsa fault with NE-SW direction where the basic slope elements are well recognized, crest of the slope (1), free face (2) and

debris slope (3).

large areas. In addition the synoptic view of the satellite imag-

es enables widely separated pieces of evidence to be linked in

their continuation. The best results come from areas of high re-

lief and recent activity, where the faults are well expressed and

the movement directions is clear. Difficulties in the interpreta-

tion could arise when their surface expression is deep eroded.

Photographic interpretation or computer aided interpretation

of faults is often more reliable than their detection in the field. If

multispectral images are available  morphostructures  may be

more distinct on particular spectral bands. For example interpre-

tations using Landsat images may be enhanced by using infrared

bands, as shadows are sharp and vegetation patterns are distinct.

MORPHOSTRUCTURE PATTERNS IN SATELLITE MULTISPECTRAL LANDSAT TM IMAGES                       313

A plethora of more sophisticated processing techniques could

enhance the information contained in the image even more.

In conclusion the remote sensing techniques and data can

be  effective  in  detecting,  delineating    and  describing  the

character  of  active  faults,  and  the  near  future  will  be  very

promising  when  data  of  very  high  resolution  (1–2  m  pixel

size) is available.

References

Adams D.P., 1975: Geomorphic evidence for late Holocene tilting

in  southern  San  Mateo  County,  California.  J.  Res.  US  Geol.

Surv., 8, 72–76.

Biancotti A., 1979: Relations between morphology and tectonic in

Cuneese basin. Geografia Fisicia e Dinamica Quaternaria, 2,

51–6 (in Italian).

Bull W. B., 1977: The alluvial fan environment. Prog. Phys. Geog.

1, 222–270.

Chorowicz J., 1984: Importance of pattern recognition for geolog-

ical  remote  sensing  applications  and  new  look  at  geological

maps. Remote Sensing for geological mapping. In: Teleki P.

&  Weber  C.  (Eds.):  Documents  BRGM  n.  82,  Publication

IUGS n. 18, 29–40.

Cooke  R.U.  &  Doornkamp  J.C.,  1990:  Geomorphology  in  environ-

mental management: An introduction. Clarendon Press, Oxford.

Cotton C.A., 1948: Landscape. CUP, Cambridge.

Doornkamp J.C., 1986: Geomorphological approaches to the study

of neotectonics. J. Geol. Soc. (London), 143, 335–342.

Embleton  C.,  1987:  Neotectonic  and  morphotectonic  research.  Z.

Geomorphol. N. F., Suppl. Bd. 63, 1–7.

Greiling  R.,  1983:  Fracture  patterns,  foliations  and  low-angle

thrusts,  interpreted  from  Landsat  images  and  aerial  photo-

graphs  from  two  basement  culminations  in  the  north-central

Scandinavian Caledonides. International Basement Tectonics

Assoc., Publ. 4, 321–330.

Gupta R.P., 1991: Remote Sensing Geology. Springer-Verlag, Berlin.

Hook  R.B.,  1972:  Geomorphic  evidence  for  late-Wisconsin  and

Holocene  tectonic  deformation,  Death  Valley,  California.

Geol. Soc. Amer. Bull., 83, 2073–2098.

Matsuda  T.,  1975:  Magnitude  and  recurrence  interval  of  earth-

quakes from a fault. Earthquake, Ser. 2, 28, 269–283 (in Japa-

nese, abstract in English).

Migiros G., Pavlopoulos A. & Parcharidis I., 1995: Recognition of

fracture  zones  by  using  spatial  models  and  remote  sensing

data:  an  application  in  western  Attica  (Greece).  Proc.  of  the

XV congress of the Carpatho-Balcan Geol. Ass., Sept. 1995,

Athens (Gr), Geol. Soc. Greece, Sp. Pub. No. 4, 1041–1049.

O’Leary  D.W.,  Friedman  J.D.  &  Pohn  H.A.,  1976:  Lineaments,

linear,  lineations  some  standards  for  old  terms.  Geol.  Soc.

Am. Bull., 87, 1463–1469.

Otsuki K., 1985: Plate tectonics of Eastern Eurasia in the Light of

fault Systems. Science Reports of the Tohuku University, Sen-

dai, Second Series (Geology), 55,  2, 141–251.

Panizza  M.,  1991:  Geomorphology  and  seismic  risk.  Earth-Sc.

Rev., 31, 11–20.

Papanikolaou  D.  &  Parcharidis  I.,  1996:  Landsat  MSS  and  TM

data  for  local  and  regional  tectonic  observations  in  the  Epi-

rus–Konitsa  area.  Symposium  on  Remote  sensing  applica-

tions, Athens 28-29/11/96. Abstracts.

Parcharidis  I.,  1996:  Integration  of  ERS-1  satellite  data  and

DEM—derived spatial models for a geo-structural scenario in

the  Kozani  basin  (Greece).  International  Meeting  on  results

of  the  May  13,  1995  earthaquake  of  West  Macedonia:  one

year after. Abstract.

Popp N., 1971: Hydrogeographical and geomorphological aspects

regarding the problem of the recent vertical movements of the

crust in Romania. Z. Geomorphol., 15, 445–459 (in German).

Reading H.G., 1980: Characteristics and recognition of strike-slip

fault systems. Spec. Publ. Int. Assoc. Sediment., 4, 7–26.

Rogers T.H. & Nason R.D., 1971: Active displacement on the Ca-

laveras fault zone at Hollister, California. Bull. Seismological

Soc. Am., 61, 399–416.

Sabins F.F., 1997: Remote Sensing: Principles and interpretation.

W.H. Freeman and Co., New York.

 Scanvic J.C., 1983: The use of  Remote Sensing in geosciences.

Bureau  de  recherches  geol.  Et  minieres,  Manuels  et  meth-

odes, n. 7 ( in French).

Slemmons D.B., 1982: A procedure for analyzing fault-controlled

lineaments and the activity of faults. Proceed. 3

rd

 Intern. Con-

fer.  On  basement  Tectonics,  In:  O’Leary  D.W  &  Earl  L.J.

(Eds.): International basement tectonics Association, 33.

Thornbury W.D., 1954: Principles of geomorphology. Wiley, New York.