王腾文，颜丙雷，闫 亮，邵崇建，贾召亮，游建飞（成都理工大学，四川成都 610059）



甘孜
—玉树断裂北西段附近的构造地貌特征研究

王腾文，颜丙雷，闫 亮，邵崇建，贾召亮，游建飞
（成都理工大学，四川成都 610059）

摘 要：基于ArcGIS10. 1，以SRTM3为使用数据，对甘孜—玉树断裂带北西段及其周边地区从地形形态和水系特征两个方面行分析，归纳了该区的地貌特征以及地貌形态与断裂之间的关系。分析结果表明：1.甘孜—玉树断裂带北西段及其周边地区的坡度范围在0°～80°之间，并且与断裂的几何分布有相关性；2.该区地形起伏度在0～1579m之间，以山地地形为主；3.通过对比分析研究区最大高程图、平均高程图及最小高程图，发现研究区地形呈台阶状并且高的台地边界不断退缩，水系面积不断扩大；4.研究区域内山体上部有多级夷平面发育，主要夷平面在5000m左右，地形起伏度大，呈高山峡谷或者高山盆地的地貌样式间隔排列；5.水系密度分为5级，范围在0～0. 4km/ km2之间，与断裂走向大致相当。另外，多条切过断裂的分支河流，一致性地左旋错动，并且水系密度最高值区域与区域断裂的展布格架基本吻合，断裂对水系展布的控制占主导作用。

关键词：甘孜—玉树断裂；构造地貌；地形形态；水系特征

0 引言

甘孜—玉树断裂带由一系列NW向斜列状排列的断层组合而成，南东起于甘孜，经马尼干戈、邓柯（洛须）、玉树、当江至治多，全长约500km，可分为三段：治多到俄支西为北西段，俄支东至垭口为中段，垭口到甘孜为东南段（图1）。甘孜—玉树断裂整体呈NW向展布，断层倾向以NE为主，倾角70°～85°，并参与协调羌塘块体与巴彦克拉块体、川滇块体三者之间的相对运动［1-2］。甘孜—玉树断裂是一条大型走滑边界断裂，历史上曾有过多次大地震的记录，其断裂的几何特征、断裂活动习性、大地震复发间隔，以及断层定量参数等都是国内外学者关注的焦点［3-6］。2010 年4月14日，青海省玉树地区发生Ms7. 1地震，造成大量人员伤亡和财产损失，该地震的发震断裂即为玉树断裂，属于甘孜—玉树断裂北西段［7］。甘孜—玉树断裂上历史文字记载的破坏性地震很不完整。最近200余年中有正式记载的强震共3次：1738年12月23日青海玉树及其西北61/2级地震，根据野外破裂带考察结果认为震级为71/2；1896年3月四川石渠县洛须—青海玉树间7级地震；1979年3月29日青海玉树南东6级地震，均发生在断裂的洛须以北［8-9］。说明沿甘孜—玉树断裂北西段同样存在着很强的孕震能力。

但是，上述研究都是集中在地貌实地测量与编绘、第四纪地质野外实地考察及构造年代学等。这些方法是对传统地质学理论的继承和发扬，但也存在诸多不足之处：一是对实地考察资料的读取与消化，读取结果的准确性和精确度与考察者地质专业水平和经验有很大关系；二是实地考察与测量需要耗费大量的人力，且实地的地质考察在地理条件艰苦险恶的地方，人力很难完成，形成了考察研究的死角区域，导致区域地质构造信息的不完整。20世纪90年代以来3S技术不断发展成熟，使得地质与地貌学研究领域也进入了“数字地貌”时代，数字高程模型（DEM）在地质学方面的广泛应用，并且取得了丰硕的成果［10-13］。构造地貌是由地壳新构造运动直接形成的一种动态的、积极活跃的地貌或地形［14］。断层活动控制下的构造地貌的发育演化可以作为比较直观的断层活动证据，例如山脊错开、山脊突然消失，河流急转弯，弧形山地，成对的出现隆起与坳陷，串珠状沉积盆地是断层水平运动的标志；古夷平面，山麓阶梯和夷平面，侵蚀及堆积阶地，肘状、钩状水系，山脊与分水岭错位，河流袭夺、改道，高原及断块山地，掩埋阶地是断层垂直运动的标志；阶地拱曲，地堑，地垒，盆岭系则是断层水平兼具垂直运动的标志。

本文使用的数据为SRTM3，是以3rad/ s为数据采样间隔，相当于约90m栅格分辨率，平面基准为WGS84，高差基准为EGM96，标称绝对平面精度约为20m，标称绝对高差精度约为16m，置信度为90%。作者基于ArcGIS10. 1对研究区DEM数据进行空间分析，分别从地形地貌形态及水系特征来介绍甘孜—玉树断裂带北西段的构造地貌特征，继而探讨甘孜—玉树断裂北西段活动与构造地貌之间的关系。

1 地形地貌形态空间分析

甘孜—玉树断裂北西段南东起于俄支北，走向NW，消失于治多县。主要分支断裂是巴塘断裂，走向NWW。研究区为高山峡谷地貌，高差范围0～2950m，断裂沿线呈串珠状发育的邓柯盆地、巴塘盆地及治多盆地，明显受断裂活动控制。（图2）。本文将从地形起伏度、地形形态及地形剖面三个方面来剖析甘孜—玉树断裂带北西段周边的地形地貌形态特征，并进一步探讨地貌形态与甘孜—玉树断裂活动的关系。

1. 1 地形起伏度分析

1. 1. 1 坡度

坡度（slope）是一项基本的地貌指标，它影响着地表物质能量迁移转换，其定量描述了地表单元内地面的倾斜程度［15］。地表坡度作为最重要的地形因子之一，能够指示地貌成因、地貌的发育阶段及程度，对研究新构造具有重要意义。使用ArcGIS10. 1空间分析的坡度分析，生成研究区坡度图并将生成的坡度图按照自然裂点法进行分级试验，经过反复试验，认为按照10、20、30、40、50、60、80来分级最能体现研究区的坡度变化。从坡度分布图可知，研究区的坡度范围在0°～80°之间。通过坡度分析，不难发现，断裂沿线两侧坡度变化很大，而且坡度的变化与地形高程变化具有很强的相关性，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。坡度变化剧烈的地方，其相对于的地形高程值也发生剧烈变化，这样的区域往往受到大断裂的控制。

1. 1. 2 地形起伏度

地形起伏是指一定范围内最大高程值与最小高程值之间的差值，能够直观的反应异构体内地形起伏特征［16］。计算地形起伏度，一般使用公式：

式中，R表示地形起伏度，Hmax、Hmin分别是分析窗口内的最大高程值和最小高程值。

利用ArcGIS10. 1的空间分析模块中的焦点统计工具，设置分析窗口后统计出最大高程值和最小高程值，再使用栅格计算器根据公式（1）计算出地形起伏度。

（1）最佳分析窗口

由上文可知，要计算起伏度，需要输入分析窗口的大小值，分析窗口值的变化相应的会引起最大高程值和最小高程值的变化，最终影响研究区内地形起伏度的计算结果。因此，确定最佳分析窗口是地形起伏度提取算法中的核心步骤和决定区域地形起伏度提取效果与有效性的关键［17］。按照地貌发育的基本理论，最佳分析窗口是指存在一个使最大高差达到相对稳定的区域范围，提取地形起伏度的最佳分析区域需要满足山体完整性和区域普适性［18］。一般情况下，随着窗口值不断变大，地形起伏度也会随之明显增加，但是，当窗口值增加到一定阀值时，地形起伏度的增加不再明显，并趋于平稳，此拐点对应的分析窗口恰好符合山体完整性，这个拐点阀值即为最佳分析窗口。

基于邻域分析方法计算地形起伏度时，应将分析窗口逐步扩大，计算不同尺度下的地形起伏度，进行比较，来找到这一拐点。目前常用和较为认可的方法是规则窗口递增法［19］，根据式（1），以n×n（n =3，5，7，…，59）栅格正方形作为分析窗口，3×3为起始窗口，对整个研究区进行遍历计算，到59×59终止，结果计入表1。

表1　窗口边长与最大地形起伏度关系Tab. 1 The relationship between Side length of the analysis window and the maximum topographic relief degrees

通常用三种方法来确定最佳分析窗口，分别是人工判定法、最大高差法及最大高程-面积比法。人工判定法可通过制作地形起伏度和分析窗口边长的拟合曲线来判别，通过寻找拐点来判定最佳分析窗口（图4）；最大高差法认为相邻分析窗口之间的地形起伏度变化最大时的拐点即为最佳分析窗口，可用公式ΔHi= Ri- Ri-2计算，式中，Ri为第i个尺度下的最大地形起伏度值；ΔHi为第i个尺度下相邻地形起伏度值之差，取ΔHi最大时对应的第i点即为拐点（图5）；最大高差-面积比法是基于计算相邻尺度的最大起伏度差与邻域面积差的比值来确定最佳分析窗口，可用公式Ij=（Rj+2- Rj）/［（Sj+ 2- Sj）/（Sj+ 2）×100］，式中，Rj为第j个尺度下的最大地形起伏度值，Sj为第j个尺度下的分析窗口的面积。从所有Ij中选择最大值，其所对应的j点即为拐点，即I值最大的那个点，即为最佳分析窗口（图6）。由图4可知，第11、12、13这三个点“疑似拐点”，由图5可知，第6、12这两个点“疑似拐点”，由图6可知，第12个点是拐点。通过这三种方法相互对比验证，认为第12个点对应的窗口即是最佳窗口，对应表1可知，研究区最佳分析窗口是25×25。

（2）地形起伏度平面分布特征

据上文，基于ArcGIS10. 1的空间分析功能，以25×25为提取地形起伏度的最佳窗口，参考中国1：100万数字地貌制图规范中的分级标准［20］，生成地形起伏度分级图，并计算各级所占的比例（图7）。如图7所示，起伏度值在200～800m之间的占77. 3%，占据了研究区大部分地区，800～1579m占8. 01%，主要沿断裂两侧分布，推测这样的分布特性与断裂活动有着相关性，可能是因为断层上下盘活动造成断层面两侧的地貌存在较大差异的原因。起伏度0～100m之间的区域大多是盆地、平原地区。在我国地形起伏度达到200m属于山地地形，超过600m属于高山地形［16］。因此，甘孜—玉树断裂北西段及其周边区域以山地地形为主，部分地区属于高山地形，总体上山势陡峻。

1. 2 地形形态分析

高程图能够非常直观的反映出区域的地形形态，本文基于ArcGIS10. 1中的焦点统计功能，以25×25为最佳阀值窗口，分别提取了甘孜—玉树断裂带北西段区域最大高程图、最小高程图及平均高程图（图8）。最大高程图相当于在研究区内覆盖于地形最高点之上的一个虚拟面，因此，最大高程图平滑研究区最高点附近的地形，消除由于河流、冰川、风化等侵蚀作用形成的局部不规则形态，可看作未受侵蚀作用的初始地形形态；相反，最小高程图则可认为是侵蚀的最终形态。平均高程图是指在特定阀值窗口内提取的平均高程值，滤波作用平滑了原始DEM数据的高频信息，从而突出高程图的低频信息，因此，平均高程图可作为现今研究区的宏观地貌。图8中最大高程、平均高程及最小高程则表现出甘孜—玉树断裂带北西段地貌按照“未受侵蚀的地貌形态—现今侵蚀地貌形态—侵蚀的最终形态”的演化过程，不难发现，研究区地形呈台阶状并且高的台地边界不断退缩。三种状态的高程值，总体上呈现“削高磨平”的形式发展，这也符合地球内外动力作用的规律。但是，在甘孜—玉树断裂带北西段两侧的高程值却呈现出不一样的变化，并没有随着时间的推移而减低，反而有所增加，说明断裂附近的地貌明显受断层的控制，从一定程度上来说，断裂对地貌的作用大于正常的“削高磨平”作用。另外，随着时间的推移，流域面积不断加宽，这与河流的侧蚀作用有着直接关系，但是，与甘孜—玉树断裂的左旋走滑作用也密不可分。

1. 3 剖面分析

地形剖面能够直观反映地形表面形态，并定量分析沿特定方向的地形起伏变化，在地形分析中具有重要作用［21］。条带剖面指在数字地形图上设定宽度，确定一条带状区域范围，以指定间距生成数条与等高线相交的平行剖面线；然后在垂直于剖面线方向上，按采样间距计算出最大高程值、最小高程值和平均高程值；最后在地形剖面图中用3条曲线定量描述条带状区域内的地形起伏特征［22］。传统的线状剖面图虽然也能反映出地形的变化情况，但是存在很大的主观人为因素，而且不能反映出剖面线两侧的地形信息，本文基于ArcGIS10. 1中的渔网功能及分区统计功能，垂直与构造线，提取出A—A′、B—B′、C—C′三个条带状剖面（图2、图9）。对三条条带剖面线展开分析，不难得出研究区地貌形态及规模明显受地质构造控制，在新构造运动影响下，山体上部有多级夷平面发育，主要夷平面在5000m左右。最低海拔约3500m，最高海拔约5500m，海拔起伏度大，呈高山峡谷或者高山盆地的构造样式间隔排列。邓柯盆地、巴塘盆地及治多盆地呈串珠状夹于高海拔之间，受断裂控制明显。

2 水系特征分析

研究区内发育三条主河流，分别是沧澜江、金沙江及雅砻江。其中，金沙江与甘孜—玉树断裂带北西段关系最为密切，特别是巴塘至俄支一带，金沙江的几何展布与甘孜—玉树断裂带北西段几乎一致（图1）。

本文使用ArcGIS10. 1的强大分析功能，按照填洼—流向—流量—栅格计算器—河网分级，对研究区DEM数据进行处理，提取出研究区的河网水系（图10）。其中，阀值的确定对河网提取结果影响甚大，阀值越小，提取的河网越密集；阀值越大，提取的河网越稀疏。经过反复试验，将阀值设定为800，与实际水系最为吻合。研究区水系共分为5级，有三条主河道，分别是沧澜江、金沙江及雅砻江，流向均为NW向。其中，金沙江与甘孜—玉树断裂北西段有重叠部分，金沙江会明显的受到甘孜—玉树断裂活动的影响。

提取到河流网格后，可以进一步统计研究区的水系密度。首先，利用ArcGIS10. 1中的“渔网工具”创建格网，用“几何计算”计算出每个格网的面积，用“相交工具”将所得格网与上述河流水系相交，再使用“汇总工具”计算出每个格网中河流总的长度，最后使用“几何计算器”根据河流长度/格网单位面积来计算出水系密度。本文根据上述方法，提取出研究区水系密度（图11），将水系密度分为5级，范围在0～0. 4km/ km2之间，水系密度呈NW向，与断裂走向大致相当，与河流流向也几乎一致；另外，多条切过断裂的分支河流，一致性地左旋错动。水系密度较大的区域集中在盆地地区，如邓柯盆地、巴塘盆地及治多盆地。线密度最高值区域与区域断裂的展布格架基本吻合，说明研究区内的构造运动是控制水系展布格局的主要因素。

3 结论

甘孜—玉树断裂是一条大型左旋走滑断裂，该断裂上发生过多起大地震，众多学者对其从滑动速率、几何构造、地震危险背景等方面都作了详细的研究［2-4］。但是以构造地貌与断裂活动性关系为切入点的研究却很少，特别是对甘孜—玉树断裂北西段的研究更是寥寥无几。本文基于ArcGIS10. 1对甘孜—玉树断裂及其周边地区的DEM数据进行处理，以地形地貌形态空间特征和水系特征这两方面为研究对象，提取了研究区地形起伏度平面分布、最大高程、最小高程、平均高程、条带剖面、河网水系及水系密度。根据各个地形地貌图所反应出的特征，总结出以下结论：

（1）甘孜—玉树断裂带北西段及其周边地区的坡度范围在0°～80°之间，坡度变化剧烈的地方，其相对于的地形高程值也发生剧烈变化，这样的区域往往受到大断裂的控制。

（2）甘孜—玉树断裂北西段及其周边区域地形起伏度值在200～800m之间的占77. 3%，占据了研究区大部分地区，800～1579m占8. 01%，并且主要沿断裂两侧分布，研究区以山地地形为主，部分地区属于高山地形。

（3）通过对最大高程图、平均高程图及最小高程图的对比分析表明，研究区地形呈台阶状并且高的台地边界不断退缩，水系面积不断扩大。

（4）研究区域内山体上部有多级夷平面发育，主要夷平面在5000m左右，最低海拔在3500左右，海拔起伏度大，呈高山峡谷或者高山盆地的构造样式间隔排列。

（5）水系密度分为5级，范围在0～0. 4km/ km2之间，水系密度呈NW向，与断裂走向大致相当，并且水系密度最高值区域与区域断裂的展布格架基本吻合，说明研究区内的构造运动是控制水系展布格局的主要因素。

参考文献

［1］ 闻学泽，徐锡伟，郑荣章，等.甘孜-玉树断裂的平均滑动速率与近代大地震破裂［J］.中国科学D辑，2003，33（z1）：199-208.

［2］ 陈正位，杨攀新，李智敏，等.玉树7. 1级地震断裂特征与地震地表破裂带［J］.第四纪研究，2010，30 （3）：628-631.

［3］ 周荣军，马声浩，蔡长星.甘孜-玉树断裂带的晚第四纪活动特征［J］.中国地震，1996，（3）：250-260.

［4］ 彭华，马秀敏，白嘉启，等.甘孜玉树断裂带第四纪活动特征［J］.地质力学学报，2006，12（3）：295-304.

［5］ 乔学军，王琪，杜瑞林，等.川滇地区活动地块现今地壳形变特征［J］.地球物理学报，2004，47（5）：805-811.

［6］ Lin AM，Jia D，Gang R，et al. Recurrent morphogenic earthquakes in the past millennium along the strike slip Yushu fault，central ibetan Plateau［J］. Bulletin of the Seismological Society of America，2011，101（6）：2755-2764.

［7］ 闻学泽，杜方，张培震.巴颜喀拉块体北和东边界大地震序列的关联性与2008年汶川地震［J］.地球物理学报，2011，54（3）：457-462.

［8］ 熊探宇，姚鑫，张永双.鲜水河断裂带全新世活动性研究进展综述［J］.地质力学学报，2010. 16（2）：176- 188.

［9］ 吴中海，周春景，冯卉，等.青海玉树地区活动断裂与地震［J］.地质通报，2014，33（4）：419-469.

［10］ 邓起东，陈立春，冉勇康.活动构造定量研究与应用［J］.地学前缘，2004，（4）：383-392

［11］ 史兴民，杨景春.河流地貌对构造活动的响应［J］.水土保持研究，2003，（3）：48-51

［12］ 唐从国，刘从强.基于Arc Hydro Tools的流域特征自动提取［J］.地球与环境，2006，34（3）：30-37

［13］ 王若柏，郭良迁，韩慕康.用GIS方法研究唐山和邢台地震区全新世隐伏活动构造［J］.华北地震科学，2001，19（3）：34-40

［14］ 何祥丽，张绪教，何泽新，等.基于构造地貌参数的新构造运动研究进展与思考［J］.现代地质，2014，（1）：119-130.

［15］ 刘亢，曲国胜，宁宝坤，等.坡度分析在昆明盆地断层分段中的应用［J］.防灾科技学院学报，2012，14 （4）：1-7.

［16］ 付博，王忠礼.基于DEM的地势起伏度研究［J］.吉林建筑大学学报，2013，30（6）：16-18.

［17］ 郑琴文，马维峰，刘文婷，等.三峡库区地势起伏度研究［J］.厦门理工学院学报，2014，（5）：82-87.

［18］ 张锦明，游雄.地形起伏度最佳分析区域研究［J］.测绘科学技术学报，2011，28（5）：369-373.

［19］ 周侗，龙毅，汤国安，等.面向DEM地形复杂度分析的分形方法研究［J］.地理与地理信息科学，2006，22（1）：26-30.

［20］ 周成虎，程维明，钱金凯，等.中国陆地1：100万数字地貌分类体系研究［J］.地球信息科学学报，2009，（6）：707-724.

［21］ 张会平，刘少峰.利用DEM进行地形高程剖面分析的新方法［J］.地学前缘，2004，11（3）：226.

［22］ FIELDING E J. Tibet uplift and erosion［J］. Tectonophysics，1996，260：55- 84.

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

中图分类号：P315. 2

文献标识码：A

文章编号：1673-8047（2016）01-0009-10

收稿日期：2015-12-09

基金项目：国家青年自然科学基金项目（41402159）

作者简介：王腾文（1991—），男，硕士研究生，主要从事构造地质学方向的研究。