賈召亮，李 勇，閆 亮，王騰文，邵崇建

（成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610059）

基于DEM數(shù)據(jù)的甘孜-玉樹斷裂東南段構(gòu)造地貌研究

賈召亮，李 勇，閆 亮，王騰文，邵崇建

（成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610059）

基于DEM數(shù)據(jù)，使用ArcGIS10.2軟件提取了甘孜-玉樹斷裂東南段地區(qū)高程、地形起伏度、坡度、水系等地貌信息，結(jié)合地質(zhì)資料，對其構(gòu)造地貌特征進行初步研究探討。研究表明，研究區(qū)地形起伏度在38～2088m之間、地形起伏度較大，地勢總體上呈SW高、NE低的趨勢；研究區(qū)總體坡度較大、地勢較陡，斷裂SW盤山體坡度值大于NE盤。甘孜-玉樹斷裂帶活動影響下，斷裂兩盤地貌特征表現(xiàn)出明顯的差異性。研究區(qū)內(nèi)山體走向、河流流向與斷裂走向一致，地貌形態(tài)受構(gòu)造活動所控制。

DEM；構(gòu)造地貌；地形起伏度；坡度；甘孜-玉樹斷裂

0 引言

構(gòu)造地貌是由地球內(nèi)應(yīng)力造就并受地質(zhì)構(gòu)造活動控制的地貌?，F(xiàn)今的地貌形態(tài)是內(nèi)外動力共同作用的結(jié)果，對地貌的研究能有效地反映構(gòu)造活動的一些特征。數(shù)字高程模型（DEM）是指對地球表面地貌的數(shù)字表達和模擬［1］。通過DEM可以高效、便捷的獲取區(qū)域地貌信息，這已成為構(gòu)造地貌研究的新方法。在我國利用DEM進行構(gòu)造地貌的研究已被廣泛應(yīng)用，如祝士杰［2］等利用DEM計算了黃土高原的面積高程積分并以此為指標(biāo)對黃土地貌進行分區(qū)；趙洪壯［3］等基于DEM數(shù)據(jù)提取了北天山的地貌信息并探究其與構(gòu)造活動的關(guān)系；王睿博［4］等基于DEM提取了川西高原構(gòu)造地貌信息來探究造山帶的構(gòu)造特征。

甘孜-玉樹斷裂帶是鮮水河斷裂帶向北西延伸的一支羽列式孳生斷裂帶［5］。甘孜-玉樹斷裂是我國西南地區(qū)一條十分活躍的斷裂帶，2010年4月青海省玉樹縣MS7.1地震就發(fā)生在這條斷裂上，對其構(gòu)造地貌的研究對重大工程建設(shè)和地震預(yù)測都具有重要意義。地形起伏度、坡度是描述地貌形態(tài)重要指標(biāo)，能反應(yīng)區(qū)域地形形態(tài)和變化情況；水系對構(gòu)造活動的響應(yīng)非常靈敏，水系的走向、形態(tài)在一定程度上受斷層活動控制。本文以30m分辨率DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS軟件提取了甘孜-玉樹斷裂東南段高程、地形起伏度、坡度、水系等地貌信息并加以分析，探究其與活動構(gòu)造之間的響應(yīng)關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

甘孜-玉樹斷裂帶是一條活躍的大型左旋走滑斷裂，與鮮水河斷裂帶共同構(gòu)成川滇塊體與巴顏喀拉塊體的邊界，也是青藏高原內(nèi)部物質(zhì)向東南擠出的重要邊界斷裂帶。斷裂總體呈NW走向，傾角為70°～85°［6］，左旋滑動速率約為（12± 2）mm／a，垂直滑動速率約在0.6～1.2mm／a之間［7］。斷裂沿線分布有甘孜盆地、馬尼干戈盆地、竹慶盆地、鄧柯盆地等一系列與斷裂活動相關(guān)的盆地，其中甘孜盆地屬于一個正在發(fā)育的拉分構(gòu)造的雛形破裂區(qū)［5］。彭華［8］等根據(jù)斷裂空間分布及活動性差異將甘孜-玉樹斷裂分為北西、中部、南東三段，本文以其東南段為研究對象。區(qū)域內(nèi)巖性以二疊系、三疊系灰?guī)r為主，局部有印支期、喜山期花崗巖出露。地貌上研究區(qū)位于著名的“世界屋脊”青藏高原上，地貌演化受高原構(gòu)造活動所控制，表現(xiàn)為典型的高原、山原地貌，海拔高程在3000～6000m之間，地形起伏度較大，海拔由西北向東南逐漸降低。

2 地形起伏度提取與分析

地形起伏度是指單位面積內(nèi)的高差，是劃分地貌類型、描述地貌形態(tài)、研究地貌演化的重要指標(biāo)［9］。利用DEM數(shù)據(jù)可以便捷地提取區(qū)域內(nèi)地形起伏度信息，生成地形起伏度專題圖。在提取過程中，分析窗口的變化會引起地形起伏度提取結(jié)果的變化，所以要獲取有效的地形起伏度信息，關(guān)鍵在于確定最佳分析窗口。最佳分析窗口是指最大高差達到相對穩(wěn)定的區(qū)域范圍，需要滿足山體完整性和區(qū)域普適性兩個原則［10-11］。地形起伏度隨分析窗口的變化而變化，這種關(guān)系存在一定的規(guī)律性。隨著分析窗口的均勻增大，地形起伏度的增幅會出現(xiàn)由大變小的拐點，這個拐點尺度下的地形起伏度最為符合山體完整性和區(qū)域普適性。確定最佳分析窗口的方法主要有人工判定法、最大高差法、最大高差-面積比法等［12］。考慮各種方法的優(yōu)缺點，本文采用最大高差-面積比法來確定最佳分析窗口，如式（1）所示，這種方法中相鄰尺度最大起伏度差與鄰域面積差比值（Ij）的最大值所對應(yīng)的尺度即為拐點所對應(yīng)的尺度，也就是我們要找的最佳尺度［13-14］。

式中j表示分析窗口的尺度，Sj表示j尺度下分析窗口的面積，Rj表示j尺度下地形起伏度的最大值。本文中分析窗口從3×3（j×j）遞增至101× 101，分別計算了Ij值，生成Ij隨分析窗口邊長變化的趨勢圖，直觀地反應(yīng)了Ij的變化趨勢和最大值。由圖2可以看出，當(dāng)邊長為2730m及分析窗口大小為91×91時，Ij取得最大值，研究區(qū)地形起伏度適宜計算尺度為7.45km2。

基于所得最佳分析窗口 91×91，使用ArcGIS10.2軟件生成區(qū)域地形起伏度專題圖（圖3）。由圖3可知，區(qū)域內(nèi)地形起伏度較大，由西南至東北呈遞減趨勢。由地形起伏度統(tǒng)計可知，研究區(qū)地形起伏度在1122～2088m之間較為集中，占全區(qū)面積46.26%；其次是在38～386m之間，占全區(qū)面積18.49%；地形起伏度在386～1122m之間各分段內(nèi)地形起伏度分布較為平均，均占8%左右。甘孜-玉樹斷裂帶兩側(cè)地形起伏度表現(xiàn)出明顯的差異性，斷層SW盤地形起伏度大于NE盤。斷裂沿線地形起伏度較小，主要是因為沿斷裂分布著一系列地形平坦的盆地和較寬闊的河谷。地形起伏度是研究地表侵蝕度的重要指標(biāo)，可以指示研究區(qū)構(gòu)造帶的活動情況［15］。地形起伏度越大地表侵蝕度越高，構(gòu)造活動越活躍。斷裂帶兩側(cè)均表現(xiàn)為較大地形起伏度，表明斷層附近構(gòu)造活動性較強。SW盤構(gòu)造活動要比NE盤更活躍，這與其不同的大地構(gòu)造位置以及斷裂帶構(gòu)造活動有關(guān)。

在我國數(shù)字地貌圖的制作過程中，將地形起伏度分為7個等級：平原（＜30m）、臺地（30～70m）、丘陵（70～200m）、小起伏山地（200～500m）、中起伏山地（500～1000m）、大起伏山地（1000～2500m）、極大起伏山地（＞2500m）［16］。研究區(qū)地形起伏度約在30～2000m之間，海拔在3000～6000m之間，高差達3000m，以100m為單位劃分高程可以展示不同地貌類型（臺地、丘陵、小起伏度山地、大起伏度山地）在不同海拔高程范圍內(nèi)的變化情況，本文將海拔高程以100m為間隔分為33級（2814～2913，2914～3013，3014～3113，…，5814～5913，5914～6013，6014～6084m），并使用ArcGIS中分區(qū)統(tǒng)計工具計算每一級的平均地形起伏度，生成平均地形起伏度與高程關(guān)系圖（圖4）。

因為已將高程分級處理，在相同等級的海拔范圍內(nèi)平面分布差異已被平均化，內(nèi)動力和巖性對地形起伏度的影響可以認(rèn)為是一致的，地形起伏的變化情況主要受外動力影響。高程在1～3級（海拔2814～3113m）范圍內(nèi)為山間盆地，河流出山后流速迅速減小河流泥沙快速沉積導(dǎo)致地形起伏度減小。高程在3～10級（海拔3114～3813m）范圍內(nèi)平均地形起伏度在900m左右波動，這一高程范圍表現(xiàn)為深切河谷，河流下蝕能力強，海拔升高下蝕能力增強導(dǎo)致地形起伏度增大，研究區(qū)不同河流其河谷的高程也不同，多個高程級河谷的存在使地形起伏度出現(xiàn)波動性變化。10～14級（海拔4314～4713m）之間地形起伏度隨高程增加而減小，這一高程范圍內(nèi)隨海拔升高河流變少且為低級支流，河流的動力弱，河水的侵蝕能力差，海拔越高河流對地形的影響越小，表現(xiàn)為地形起伏度隨海拔升高而減小。在14～19級（海拔4714～5213m）范圍內(nèi)平均地形起伏度出現(xiàn)一個低谷，這一高程范圍內(nèi)基本不發(fā)育流動水系且積雪少，河流侵蝕作用、冰劈作用及冰川作用對地形起伏度的影響不大，地形起伏度較小且基本不變。研究區(qū)高程在19級之后地形起伏度持續(xù)增大，在31級左右出現(xiàn)地形起伏度最大值，這一高程范圍內(nèi)，隨海拔的升高氣溫降低，常年積雪覆蓋，巖石在冰劈作用、冰川運動、坡面重力影響下被侵蝕崩塌，山勢陡峻、地形高差大。

3 地表坡度提取與分析

坡度是一個基本的地貌形態(tài)指標(biāo)，是對地面傾斜程度的定量描述。地表坡度作為重要的地形因子之一，能夠指示地貌的成因、地貌的發(fā)育階段及程度，對研究新構(gòu)造具有重要意義［17］。本文基于數(shù)字高程模型，使用ArcGIS空間分析工具中的坡度分析可生成研究區(qū)坡度專題圖（圖5）。

由圖5可知，甘孜-玉樹斷裂帶沿線地勢平坦、山體坡度較小，斷裂帶兩側(cè)山體坡度較大，斷裂SW盤坡度值明顯大于NE盤，由于甘孜—玉樹斷裂為逆沖型走滑斷裂，兩盤坡度的變化可能因斷層兩盤垂直運動的差異性導(dǎo)致。通過坡度統(tǒng)計可知，區(qū)域內(nèi)坡度最小值為0，最大達82°。在累計百分比上，約80%的山體坡度大于18°，70%的山體坡度大于25°，51%的山體坡度大于40°。在以往的劃分標(biāo)準(zhǔn)中坡度小于7°為平原或臺地、7°～15°為平緩山地、15°～25°為緩山地、25°～35°為陡山地、大于35°為極陡山地［16］。與圖4對比可知，坡度與地形起伏度相似性較高，坡度小的盆地地區(qū)地形起伏度也較小，坡度較大的山地、河谷內(nèi)地形起伏度也較大。以坡度和地形起伏度為地貌劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)表現(xiàn)為以極陡山地為主。

4 水系提取與分析

河流地貌是地表水流長期的侵蝕、搬運和堆積作用形成的，河流作用受氣候、河水流量、巖性和構(gòu)造運動所控制。地表水流對構(gòu)造作用的響應(yīng)十分敏感，構(gòu)造運動對水系的流向、流量和密度等性質(zhì)具有明顯的控制作用。數(shù)字高程模型中包含了高程、山谷、洼地、坡向等地形地貌信息，借助這些信息可以提取一定范圍內(nèi)的水系信息［18］。本文基于DEM，通過地表徑流模擬法來提取研究區(qū)水系信息，生成研究區(qū)水系分級專題圖（圖6）。

由圖6可知，區(qū)域內(nèi)水系較為發(fā)育，水系形態(tài)與區(qū)域構(gòu)造線關(guān)系密切。通天河、金沙江、雅礱江、鮮水河等主要河流均發(fā)育多級支流，流向大致為SE向，呈現(xiàn)樹枝狀、平形狀等多種形態(tài)。

甘孜-玉樹斷裂NE盤，雅礱江、鮮水河等大型水系呈平行狀排列，與區(qū)域內(nèi)達日、玉科等多條斷裂帶走向近乎一致，說明其明顯受區(qū)域斷裂帶活動控制。流域內(nèi)巖性以三疊系變質(zhì)砂巖、板巖為主，砂巖與板巖互層，為河流的發(fā)育提供了良好的條件。各水系沿山谷發(fā)育有大量一、二級支流，這些支流數(shù)量大、流程短，與干流近垂直相交。雅礱江水系呈樹枝狀，為典型的侵蝕型水系，干流流向與甘孜-玉樹斷裂走向大致相同。斷裂SW盤主要發(fā)育金沙江、通天河等樹枝狀水系，其與雅礱江的分水嶺與甘孜-玉樹斷裂走向一致。金沙江流域一、二級支流大量發(fā)育，支流短而密，無明顯方向性，與干流呈銳角相交。與圖4、圖5對比發(fā)現(xiàn)，平行狀發(fā)育的鮮水河、色曲、達曲河流域內(nèi)山體坡度較小、地形起伏度不大；樹枝狀發(fā)育的雅礱江、金沙江、通天河流域內(nèi)山體坡度大、地形起伏度大，而且金沙江流域坡度和地形起伏度明顯大于雅礱江流域；表明金沙江、雅礱江流域內(nèi)河流有較強的垂向侵蝕能力。

5 結(jié)論及討論

本文使用ArcGIS軟件提取了甘孜-玉樹斷裂東南段地形起伏度、地表坡度、水系分布等地貌信息，生成了相關(guān)專題圖來分析其構(gòu)造地貌的特征，試探性探究地貌特征與區(qū)域構(gòu)造活動之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

（1）30m分辨率DEM下研究區(qū)地形起伏度適宜計算尺度為7.45km2。研究區(qū)地形起伏度起伏度在38～2088m之間，斷裂SW盤地形起伏度大于NE盤，地形起伏度與海拔高程間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，指示了不同高程區(qū)間外力作用的變化。

（2）研究區(qū)總體坡度較大、地勢較陡，斷裂SW盤山體坡度值大于NE盤，地貌上表現(xiàn)為以極陡山地為主。山脈、河流的發(fā)育嚴(yán)格受斷裂活動所控制，山脈走向和河流流向與斷裂走向一致。金沙江流域坡度和地形起伏度明顯大于雅礱江流域，表明金沙江、雅礱江流域內(nèi)河流有較強的垂向侵蝕能力。。

（3）基于DEM提取地形、水系信息研究地貌特征的方法較為便捷、實用，彌補了野外調(diào)查工作的不足，但數(shù)字高程模型包含的信息有限，影響地貌形成及演化的因素復(fù)雜多樣，在實際應(yīng)用中應(yīng)該注意結(jié)合實地調(diào)查資料、綜合考慮各方面因素的影響。

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Study on Tectonic Geomorphology of South?eastern Section of Ganzi?Yushu Fault Based on DEM Data

Jia Zhaoliang1，Li Yong1，Yan Liang1，Wang Tengwen1，Shao Chongjian1

（State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Based on DEM data，this paper acquired such geomorphological information as elevation，relief amplitude，swath profile，gradient and drainage system of the south?eastern section of Ganzi?Yushu fault by ArcGIS10.2 software.Together with some geological information，tectonic landform features of this section were preliminarily investigated.As the result indicates，the sutdy area under exploration has the following features：a large relief amplitude ranging from 38m to 2088m，a general terrain trend of high?lying SW and low?lying NE，a generally large slope and a steep terrain，a larger gradient value of the SW side of the section than that of the NE side.Besides，under the influence of Ganzi?Yushu fault activity，there appears a big difference of topographical features between the two walls of the section.The range of mountain and the stretch of rivers are consistent with the trend of the fault，indicating that topography is under the control of tectonic activities.

DEM；tectonic landform；relief amplitude；slope；Ganzi?Yushu fault

P931.2

1673-8047（2016）04-0001-07

2016-07-15

國家自然科學(xué)基金（41402159，41340005）

賈召亮（1992—），男，碩士研究生，主要從事構(gòu)造地貌學(xué)方面的研究。