王騰文，顏丙雷，閆 亮，邵崇建，賈召亮，游建飛（成都理工大學，四川成都 610059）

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甘孜
—玉樹斷裂北西段附近的構(gòu)造地貌特征研究

王騰文，顏丙雷，閆 亮，邵崇建，賈召亮，游建飛
（成都理工大學，四川成都 610059）

摘 要：基于ArcGIS10. 1，以SRTM3為使用數(shù)據(jù)，對甘孜—玉樹斷裂帶北西段及其周邊地區(qū)從地形形態(tài)和水系特征兩個方面行分析，歸納了該區(qū)的地貌特征以及地貌形態(tài)與斷裂之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明：1.甘孜—玉樹斷裂帶北西段及其周邊地區(qū)的坡度范圍在0°～80°之間，并且與斷裂的幾何分布有相關(guān)性；2.該區(qū)地形起伏度在0～1579m之間，以山地地形為主；3.通過對比分析研究區(qū)最大高程圖、平均高程圖及最小高程圖，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地形呈臺階狀并且高的臺地邊界不斷退縮，水系面積不斷擴大；4.研究區(qū)域內(nèi)山體上部有多級夷平面發(fā)育，主要夷平面在5000m左右，地形起伏度大，呈高山峽谷或者高山盆地的地貌樣式間隔排列；5.水系密度分為5級，范圍在0～0. 4km/ km2之間，與斷裂走向大致相當。另外，多條切過斷裂的分支河流，一致性地左旋錯動，并且水系密度最高值區(qū)域與區(qū)域斷裂的展布格架基本吻合，斷裂對水系展布的控制占主導作用。

關(guān)鍵詞：甘孜—玉樹斷裂；構(gòu)造地貌；地形形態(tài)；水系特征

0 引言

甘孜—玉樹斷裂帶由一系列NW向斜列狀排列的斷層組合而成，南東起于甘孜，經(jīng)馬尼干戈、鄧柯（洛須）、玉樹、當江至治多，全長約500km，可分為三段：治多到俄支西為北西段，俄支東至埡口為中段，埡口到甘孜為東南段（圖1）。甘孜—玉樹斷裂整體呈NW向展布，斷層傾向以NE為主，傾角70°～85°，并參與協(xié)調(diào)羌塘塊體與巴彥克拉塊體、川滇塊體三者之間的相對運動［1-2］。甘孜—玉樹斷裂是一條大型走滑邊界斷裂，歷史上曾有過多次大地震的記錄，其斷裂的幾何特征、斷裂活動習性、大地震復發(fā)間隔，以及斷層定量參數(shù)等都是國內(nèi)外學者關(guān)注的焦點［3-6］。2010 年4月14日，青海省玉樹地區(qū)發(fā)生Ms7. 1地震，造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，該地震的發(fā)震斷裂即為玉樹斷裂，屬于甘孜—玉樹斷裂北西段［7］。甘孜—玉樹斷裂上歷史文字記載的破壞性地震很不完整。最近200余年中有正式記載的強震共3次：1738年12月23日青海玉樹及其西北61/2級地震，根據(jù)野外破裂帶考察結(jié)果認為震級為71/2；1896年3月四川石渠縣洛須—青海玉樹間7級地震；1979年3月29日青海玉樹南東6級地震，均發(fā)生在斷裂的洛須以北［8-9］。說明沿甘孜—玉樹斷裂北西段同樣存在著很強的孕震能力。

但是，上述研究都是集中在地貌實地測量與編繪、第四紀地質(zhì)野外實地考察及構(gòu)造年代學等。這些方法是對傳統(tǒng)地質(zhì)學理論的繼承和發(fā)揚，但也存在諸多不足之處：一是對實地考察資料的讀取與消化，讀取結(jié)果的準確性和精確度與考察者地質(zhì)專業(yè)水平和經(jīng)驗有很大關(guān)系；二是實地考察與測量需要耗費大量的人力，且實地的地質(zhì)考察在地理條件艱苦險惡的地方，人力很難完成，形成了考察研究的死角區(qū)域，導致區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造信息的不完整。20世紀90年代以來3S技術(shù)不斷發(fā)展成熟，使得地質(zhì)與地貌學研究領(lǐng)域也進入了“數(shù)字地貌”時代，數(shù)字高程模型（DEM）在地質(zhì)學方面的廣泛應(yīng)用，并且取得了豐碩的成果［10-13］。構(gòu)造地貌是由地殼新構(gòu)造運動直接形成的一種動態(tài)的、積極活躍的地貌或地形［14］。斷層活動控制下的構(gòu)造地貌的發(fā)育演化可以作為比較直觀的斷層活動證據(jù)，例如山脊錯開、山脊突然消失，河流急轉(zhuǎn)彎，弧形山地，成對的出現(xiàn)隆起與坳陷，串珠狀沉積盆地是斷層水平運動的標志；古夷平面，山麓階梯和夷平面，侵蝕及堆積階地，肘狀、鉤狀水系，山脊與分水嶺錯位，河流襲奪、改道，高原及斷塊山地，掩埋階地是斷層垂直運動的標志；階地拱曲，地塹，地壘，盆嶺系則是斷層水平兼具垂直運動的標志。

本文使用的數(shù)據(jù)為SRTM3，是以3rad/ s為數(shù)據(jù)采樣間隔，相當于約90m柵格分辨率，平面基準為WGS84，高差基準為EGM96，標稱絕對平面精度約為20m，標稱絕對高差精度約為16m，置信度為90%。作者基于ArcGIS10. 1對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進行空間分析，分別從地形地貌形態(tài)及水系特征來介紹甘孜—玉樹斷裂帶北西段的構(gòu)造地貌特征，繼而探討甘孜—玉樹斷裂北西段活動與構(gòu)造地貌之間的關(guān)系。

1 地形地貌形態(tài)空間分析

甘孜—玉樹斷裂北西段南東起于俄支北，走向NW，消失于治多縣。主要分支斷裂是巴塘斷裂，走向NWW。研究區(qū)為高山峽谷地貌，高差范圍0～2950m，斷裂沿線呈串珠狀發(fā)育的鄧柯盆地、巴塘盆地及治多盆地，明顯受斷裂活動控制。（圖2）。本文將從地形起伏度、地形形態(tài)及地形剖面三個方面來剖析甘孜—玉樹斷裂帶北西段周邊的地形地貌形態(tài)特征，并進一步探討地貌形態(tài)與甘孜—玉樹斷裂活動的關(guān)系。

1. 1 地形起伏度分析

1. 1. 1 坡度

坡度（slope）是一項基本的地貌指標，它影響著地表物質(zhì)能量遷移轉(zhuǎn)換，其定量描述了地表單元內(nèi)地面的傾斜程度［15］。地表坡度作為最重要的地形因子之一，能夠指示地貌成因、地貌的發(fā)育階段及程度，對研究新構(gòu)造具有重要意義。使用ArcGIS10. 1空間分析的坡度分析，生成研究區(qū)坡度圖并將生成的坡度圖按照自然裂點法進行分級試驗，經(jīng)過反復試驗，認為按照10、20、30、40、50、60、80來分級最能體現(xiàn)研究區(qū)的坡度變化。從坡度分布圖可知，研究區(qū)的坡度范圍在0°～80°之間。通過坡度分析，不難發(fā)現(xiàn)，斷裂沿線兩側(cè)坡度變化很大，而且坡度的變化與地形高程變化具有很強的相關(guān)性，地形高程值大的地方，坡度值也大，地形高程值小的地方，如盆地、丘陵、平原等，坡度值就小。坡度變化劇烈的地方，其相對于的地形高程值也發(fā)生劇烈變化，這樣的區(qū)域往往受到大斷裂的控制。

1. 1. 2 地形起伏度

地形起伏是指一定范圍內(nèi)最大高程值與最小高程值之間的差值，能夠直觀的反應(yīng)異構(gòu)體內(nèi)地形起伏特征［16］。計算地形起伏度，一般使用公式：

式中，R表示地形起伏度，Hmax、Hmin分別是分析窗口內(nèi)的最大高程值和最小高程值。

利用ArcGIS10. 1的空間分析模塊中的焦點統(tǒng)計工具，設(shè)置分析窗口后統(tǒng)計出最大高程值和最小高程值，再使用柵格計算器根據(jù)公式（1）計算出地形起伏度。

（1）最佳分析窗口

由上文可知，要計算起伏度，需要輸入分析窗口的大小值，分析窗口值的變化相應(yīng)的會引起最大高程值和最小高程值的變化，最終影響研究區(qū)內(nèi)地形起伏度的計算結(jié)果。因此，確定最佳分析窗口是地形起伏度提取算法中的核心步驟和決定區(qū)域地形起伏度提取效果與有效性的關(guān)鍵［17］。按照地貌發(fā)育的基本理論，最佳分析窗口是指存在一個使最大高差達到相對穩(wěn)定的區(qū)域范圍，提取地形起伏度的最佳分析區(qū)域需要滿足山體完整性和區(qū)域普適性［18］。一般情況下，隨著窗口值不斷變大，地形起伏度也會隨之明顯增加，但是，當窗口值增加到一定閥值時，地形起伏度的增加不再明顯，并趨于平穩(wěn)，此拐點對應(yīng)的分析窗口恰好符合山體完整性，這個拐點閥值即為最佳分析窗口。

基于鄰域分析方法計算地形起伏度時，應(yīng)將分析窗口逐步擴大，計算不同尺度下的地形起伏度，進行比較，來找到這一拐點。目前常用和較為認可的方法是規(guī)則窗口遞增法［19］，根據(jù)式（1），以n×n（n =3，5，7，…，59）柵格正方形作為分析窗口，3×3為起始窗口，對整個研究區(qū)進行遍歷計算，到59×59終止，結(jié)果計入表1。

表1　窗口邊長與最大地形起伏度關(guān)系Tab. 1 The relationship between Side length of the analysis window and the maximum topographic relief degrees

通常用三種方法來確定最佳分析窗口，分別是人工判定法、最大高差法及最大高程-面積比法。人工判定法可通過制作地形起伏度和分析窗口邊長的擬合曲線來判別，通過尋找拐點來判定最佳分析窗口（圖4）；最大高差法認為相鄰分析窗口之間的地形起伏度變化最大時的拐點即為最佳分析窗口，可用公式ΔHi= Ri- Ri-2計算，式中，Ri為第i個尺度下的最大地形起伏度值；ΔHi為第i個尺度下相鄰地形起伏度值之差，取ΔHi最大時對應(yīng)的第i點即為拐點（圖5）；最大高差-面積比法是基于計算相鄰尺度的最大起伏度差與鄰域面積差的比值來確定最佳分析窗口，可用公式Ij=（Rj+2- Rj）/［（Sj+ 2- Sj）/（Sj+ 2）×100］，式中，Rj為第j個尺度下的最大地形起伏度值，Sj為第j個尺度下的分析窗口的面積。從所有Ij中選擇最大值，其所對應(yīng)的j點即為拐點，即I值最大的那個點，即為最佳分析窗口（圖6）。由圖4可知，第11、12、13這三個點“疑似拐點”，由圖5可知，第6、12這兩個點“疑似拐點”，由圖6可知，第12個點是拐點。通過這三種方法相互對比驗證，認為第12個點對應(yīng)的窗口即是最佳窗口，對應(yīng)表1可知，研究區(qū)最佳分析窗口是25×25。

（2）地形起伏度平面分布特征

據(jù)上文，基于ArcGIS10. 1的空間分析功能，以25×25為提取地形起伏度的最佳窗口，參考中國1：100萬數(shù)字地貌制圖規(guī)范中的分級標準［20］，生成地形起伏度分級圖，并計算各級所占的比例（圖7）。如圖7所示，起伏度值在200～800m之間的占77. 3%，占據(jù)了研究區(qū)大部分地區(qū)，800～1579m占8. 01%，主要沿斷裂兩側(cè)分布，推測這樣的分布特性與斷裂活動有著相關(guān)性，可能是因為斷層上下盤活動造成斷層面兩側(cè)的地貌存在較大差異的原因。起伏度0～100m之間的區(qū)域大多是盆地、平原地區(qū)。在我國地形起伏度達到200m屬于山地地形，超過600m屬于高山地形［16］。因此，甘孜—玉樹斷裂北西段及其周邊區(qū)域以山地地形為主，部分地區(qū)屬于高山地形，總體上山勢陡峻。

1. 2 地形形態(tài)分析

高程圖能夠非常直觀的反映出區(qū)域的地形形態(tài)，本文基于ArcGIS10. 1中的焦點統(tǒng)計功能，以25×25為最佳閥值窗口，分別提取了甘孜—玉樹斷裂帶北西段區(qū)域最大高程圖、最小高程圖及平均高程圖（圖8）。最大高程圖相當于在研究區(qū)內(nèi)覆蓋于地形最高點之上的一個虛擬面，因此，最大高程圖平滑研究區(qū)最高點附近的地形，消除由于河流、冰川、風化等侵蝕作用形成的局部不規(guī)則形態(tài)，可看作未受侵蝕作用的初始地形形態(tài)；相反，最小高程圖則可認為是侵蝕的最終形態(tài)。平均高程圖是指在特定閥值窗口內(nèi)提取的平均高程值，濾波作用平滑了原始DEM數(shù)據(jù)的高頻信息，從而突出高程圖的低頻信息，因此，平均高程圖可作為現(xiàn)今研究區(qū)的宏觀地貌。圖8中最大高程、平均高程及最小高程則表現(xiàn)出甘孜—玉樹斷裂帶北西段地貌按照“未受侵蝕的地貌形態(tài)—現(xiàn)今侵蝕地貌形態(tài)—侵蝕的最終形態(tài)”的演化過程，不難發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地形呈臺階狀并且高的臺地邊界不斷退縮。三種狀態(tài)的高程值，總體上呈現(xiàn)“削高磨平”的形式發(fā)展，這也符合地球內(nèi)外動力作用的規(guī)律。但是，在甘孜—玉樹斷裂帶北西段兩側(cè)的高程值卻呈現(xiàn)出不一樣的變化，并沒有隨著時間的推移而減低，反而有所增加，說明斷裂附近的地貌明顯受斷層的控制，從一定程度上來說，斷裂對地貌的作用大于正常的“削高磨平”作用。另外，隨著時間的推移，流域面積不斷加寬，這與河流的側(cè)蝕作用有著直接關(guān)系，但是，與甘孜—玉樹斷裂的左旋走滑作用也密不可分。

1. 3 剖面分析

地形剖面能夠直觀反映地形表面形態(tài)，并定量分析沿特定方向的地形起伏變化，在地形分析中具有重要作用［21］。條帶剖面指在數(shù)字地形圖上設(shè)定寬度，確定一條帶狀區(qū)域范圍，以指定間距生成數(shù)條與等高線相交的平行剖面線；然后在垂直于剖面線方向上，按采樣間距計算出最大高程值、最小高程值和平均高程值；最后在地形剖面圖中用3條曲線定量描述條帶狀區(qū)域內(nèi)的地形起伏特征［22］。傳統(tǒng)的線狀剖面圖雖然也能反映出地形的變化情況，但是存在很大的主觀人為因素，而且不能反映出剖面線兩側(cè)的地形信息，本文基于ArcGIS10. 1中的漁網(wǎng)功能及分區(qū)統(tǒng)計功能，垂直與構(gòu)造線，提取出A—A′、B—B′、C—C′三個條帶狀剖面（圖2、圖9）。對三條條帶剖面線展開分析，不難得出研究區(qū)地貌形態(tài)及規(guī)模明顯受地質(zhì)構(gòu)造控制，在新構(gòu)造運動影響下，山體上部有多級夷平面發(fā)育，主要夷平面在5000m左右。最低海拔約3500m，最高海拔約5500m，海拔起伏度大，呈高山峽谷或者高山盆地的構(gòu)造樣式間隔排列。鄧柯盆地、巴塘盆地及治多盆地呈串珠狀夾于高海拔之間，受斷裂控制明顯。

2 水系特征分析

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育三條主河流，分別是滄瀾江、金沙江及雅礱江。其中，金沙江與甘孜—玉樹斷裂帶北西段關(guān)系最為密切，特別是巴塘至俄支一帶，金沙江的幾何展布與甘孜—玉樹斷裂帶北西段幾乎一致（圖1）。

本文使用ArcGIS10. 1的強大分析功能，按照填洼—流向—流量—柵格計算器—河網(wǎng)分級，對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進行處理，提取出研究區(qū)的河網(wǎng)水系（圖10）。其中，閥值的確定對河網(wǎng)提取結(jié)果影響甚大，閥值越小，提取的河網(wǎng)越密集；閥值越大，提取的河網(wǎng)越稀疏。經(jīng)過反復試驗，將閥值設(shè)定為800，與實際水系最為吻合。研究區(qū)水系共分為5級，有三條主河道，分別是滄瀾江、金沙江及雅礱江，流向均為NW向。其中，金沙江與甘孜—玉樹斷裂北西段有重疊部分，金沙江會明顯的受到甘孜—玉樹斷裂活動的影響。

提取到河流網(wǎng)格后，可以進一步統(tǒng)計研究區(qū)的水系密度。首先，利用ArcGIS10. 1中的“漁網(wǎng)工具”創(chuàng)建格網(wǎng)，用“幾何計算”計算出每個格網(wǎng)的面積，用“相交工具”將所得格網(wǎng)與上述河流水系相交，再使用“匯總工具”計算出每個格網(wǎng)中河流總的長度，最后使用“幾何計算器”根據(jù)河流長度/格網(wǎng)單位面積來計算出水系密度。本文根據(jù)上述方法，提取出研究區(qū)水系密度（圖11），將水系密度分為5級，范圍在0～0. 4km/ km2之間，水系密度呈NW向，與斷裂走向大致相當，與河流流向也幾乎一致；另外，多條切過斷裂的分支河流，一致性地左旋錯動。水系密度較大的區(qū)域集中在盆地地區(qū)，如鄧柯盆地、巴塘盆地及治多盆地。線密度最高值區(qū)域與區(qū)域斷裂的展布格架基本吻合，說明研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造運動是控制水系展布格局的主要因素。

3 結(jié)論

甘孜—玉樹斷裂是一條大型左旋走滑斷裂，該斷裂上發(fā)生過多起大地震，眾多學者對其從滑動速率、幾何構(gòu)造、地震危險背景等方面都作了詳細的研究［2-4］。但是以構(gòu)造地貌與斷裂活動性關(guān)系為切入點的研究卻很少，特別是對甘孜—玉樹斷裂北西段的研究更是寥寥無幾。本文基于ArcGIS10. 1對甘孜—玉樹斷裂及其周邊地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進行處理，以地形地貌形態(tài)空間特征和水系特征這兩方面為研究對象，提取了研究區(qū)地形起伏度平面分布、最大高程、最小高程、平均高程、條帶剖面、河網(wǎng)水系及水系密度。根據(jù)各個地形地貌圖所反應(yīng)出的特征，總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）甘孜—玉樹斷裂帶北西段及其周邊地區(qū)的坡度范圍在0°～80°之間，坡度變化劇烈的地方，其相對于的地形高程值也發(fā)生劇烈變化，這樣的區(qū)域往往受到大斷裂的控制。

（2）甘孜—玉樹斷裂北西段及其周邊區(qū)域地形起伏度值在200～800m之間的占77. 3%，占據(jù)了研究區(qū)大部分地區(qū)，800～1579m占8. 01%，并且主要沿斷裂兩側(cè)分布，研究區(qū)以山地地形為主，部分地區(qū)屬于高山地形。

（3）通過對最大高程圖、平均高程圖及最小高程圖的對比分析表明，研究區(qū)地形呈臺階狀并且高的臺地邊界不斷退縮，水系面積不斷擴大。

（4）研究區(qū)域內(nèi)山體上部有多級夷平面發(fā)育，主要夷平面在5000m左右，最低海拔在3500左右，海拔起伏度大，呈高山峽谷或者高山盆地的構(gòu)造樣式間隔排列。

（5）水系密度分為5級，范圍在0～0. 4km/ km2之間，水系密度呈NW向，與斷裂走向大致相當，并且水系密度最高值區(qū)域與區(qū)域斷裂的展布格架基本吻合，說明研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造運動是控制水系展布格局的主要因素。

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Tectonic-geomorphologic Feature of the Northwestern Section of Ganzi-Yushu Fault and Surrounding Zone

Wang Tengwen，Yan Binglei，Yan Liang，Shao Chongjian，Jia Zhaoliang，You Jianfei
（Chengdu University of Technology，Chengdu 610059）

Abstract：Based on ArcGIS10. 1 and SRTM3 data，analyzing northwestern section of Ganzi-Yushu Fault zone and its surrounding areas from the morphology of the terrain and drainage characteristics，we summed up the area 's topographical features，and the relationship between the morphology and fracture. Analyzing results show that：1. Northwestern section of Ganzi-Yushu Fault zone and its surrounding areas slope ranges between 0～80°，and correlates with geometric distribution of fault；2. The relief amplitude ranges 0- 1579 m，mainly mountainous terrain；3. The terrain in the study area is constantly retreating step and high platform boundaries，drainage area expands unceasingly；4. Developing multistage leveled surfaces in study zone and the mainly leveled surfaces elevation reach about 5000m；the elevation relief has a great change，radial arrangement with alpine valleys or mountain basin；5. Drainage density is divided into 5 levels，in the range between 0-0. 4 km/ km2，roughly with the strike of the fault；and drainage density peak area is basically consistent with regional fracture distribution grid，explaining fault controls the river system distribution.

Keywords：Ganzi-Yushu Fault；tectonic geomorphology；landscape morphology；drainage characteristics

中圖分類號：P315. 2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8047（2016）01-0009-10

收稿日期：2015-12-09

基金項目：國家青年自然科學基金項目（41402159）

作者簡介：王騰文（1991—），男，碩士研究生，主要從事構(gòu)造地質(zhì)學方向的研究。