呼永強(qiáng)，李 偉

（1. 遼寧中醫(yī)藥大學(xué)，沈陽(yáng) 110167；2. 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029；3. 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心，西安 710054）

0 引言

斷層的走滑運(yùn)動(dòng)會(huì)斷錯(cuò)水系，這種位錯(cuò)可以是一次地震或通過(guò)多次位錯(cuò)逐漸積累起來(lái)的，也可以是通過(guò)斷層長(zhǎng)期的蠕滑運(yùn)動(dòng)發(fā)生。而水系方位的系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)或者流域盆地形態(tài)的變化（如壓扁和拉張等）只有在長(zhǎng)時(shí)間尺度、較寬的應(yīng)變帶的情況下才能發(fā)生；反之，現(xiàn)今發(fā)生系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)的水系必然反映的是長(zhǎng)時(shí)間尺度上的構(gòu)造作用和應(yīng)變。水系平面旋轉(zhuǎn)可以作為地殼應(yīng)變的標(biāo)識(shí)，評(píng)價(jià)遠(yuǎn)場(chǎng)變形的類型和速率[1]。如果想提取斷裂帶（或者塊體邊界）上長(zhǎng)時(shí)間尺度上的地貌演化信息，就必須了解水系類型隨著造山過(guò)程是如何演化的。

斷裂帶（或者塊體邊界）是一個(gè)寬廣的變形區(qū)域，在變形帶內(nèi)存在轉(zhuǎn)換，拉張或擠壓等構(gòu)造作用。這些大范圍的、較長(zhǎng)時(shí)間尺度（幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)年）的變形量的估計(jì)需要跟蹤地質(zhì)或地貌特征，而水系是教科書式的例子，可以用作指示構(gòu)造作用的地貌形變特征[1]。本文利用水系類型分析，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)，探討了龍日壩斷裂帶的走滑作用和巴顏喀拉地塊向東運(yùn)動(dòng)是如何控制該地區(qū)的水系類型以及水系如何響應(yīng)構(gòu)造作用。該研究對(duì)于今后利用水系類型研究和揭示構(gòu)造作用、應(yīng)變分配和積累、塊體運(yùn)動(dòng)具有重要的參考價(jià)值。需要注意的是，水系類型的形成是地質(zhì)作用長(zhǎng)期積累的結(jié)果（是一種反映斷裂帶長(zhǎng)時(shí)間尺度運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和特征的載體），與GPS（是一種反映斷裂帶短時(shí)間尺度運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和特征的媒介）揭示的現(xiàn)今構(gòu)造特征不同。但是，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的情況下，地質(zhì)時(shí)間尺度的構(gòu)造變形可以認(rèn)為是現(xiàn)今短時(shí)間尺度所觀測(cè)到的變形的一種積累或者說(shuō)“積分”。

前人在地震地質(zhì)方面對(duì)龍日壩斷裂帶的研究側(cè)重于查明斷裂的晚第四紀(jì)活動(dòng)性和地震危險(xiǎn)性[2-3]，而對(duì)水系類型的分析及其對(duì)構(gòu)造應(yīng)變的響應(yīng)特征等缺少研究。雖然已有較多基于GPS觀測(cè)的對(duì)該斷裂帶運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的研究[4-7]，但GPS觀測(cè)結(jié)果僅在短（十年）時(shí)間范圍內(nèi)。另外，當(dāng)GPS站點(diǎn)過(guò)于稀疏，而斷層的滑動(dòng)速率又非常低的時(shí)候，其結(jié)果可能并不能完全反映出大區(qū)域的、地質(zhì)歷史時(shí)間尺度的變形特征。

本文利用ALOS30m精度的DEM在arcgis軟件里自動(dòng)提取了龍日壩斷裂帶地區(qū)的匯水流域及其河流，并利用Topotoolbox[8]工具計(jì)算了匯水流域及河流的方位角和偏轉(zhuǎn)角。結(jié)果發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的流域和水系形態(tài)受構(gòu)造應(yīng)變的強(qiáng)烈控制：龍日壩斷裂帶中段的水系發(fā)生了系統(tǒng)性的偏轉(zhuǎn)；龍日壩斷裂帶北東段的水系發(fā)生了平行于斷層的壓扁和拉張，表現(xiàn)為對(duì)擠壓應(yīng)變的響應(yīng)。

1 區(qū)域地質(zhì)及GPS形變

龍日壩斷裂帶是巴顏喀拉塊體內(nèi)部的一條次級(jí)塊體邊界，也是一個(gè)地貌邊界，向西是非常平坦的高原面，向東是高起伏度的龍門山。雖然，徐錫偉等[2]推測(cè)該斷裂帶的南西段和北東段晚第四紀(jì)以來(lái)也活動(dòng)過(guò)，而一些野外調(diào)查顯示晚更新世的沖積階地未被錯(cuò)斷[3]。沿著龍日壩斷裂帶中段發(fā)育非常明顯的構(gòu)造地貌現(xiàn)象，線性特征明顯，表明該段晚第四紀(jì)以來(lái)強(qiáng)烈活動(dòng)。任俊杰等[3]利用探槽法重建了龍日壩斷裂帶上的古地震歷史，并利用斷錯(cuò)階地坎計(jì)算了地質(zhì)上的滑動(dòng)速率，結(jié)果表明，龍日壩斷裂帶以右旋走滑為主兼有向南東逆沖的分量。與龍門山斷裂帶的滑動(dòng)速率對(duì)比表明，龍日壩斷裂帶具有與龍門山斷裂帶在高原東緣的應(yīng)變分配中具有一樣的重要作用[3]。

沿著龍日壩斷裂帶的基底主要涉及到三疊系的火成巖，包括花崗巖和松潘-甘孜復(fù)理石。新生代地層主要由古近系的礫巖、砂巖、粘土巖以及第四紀(jì)沖積、洪積、風(fēng)積沉積物組成。第四紀(jì)河流相和沖積相主要由含砂礫石、細(xì)砂、粉砂和粘土組成，主要沿著若爾蓋河和白河及其支流分布。風(fēng)成沉積物以位于山與河谷間的黃土階地為特征，以及河流階地上的薄層蓋層[3]。

根據(jù)王敏等[7]最新的GPS結(jié)果，松潘-甘孜地區(qū)和龍門山斷裂帶之間在約400 km的范圍內(nèi)存在約5 mm/a的縮短速率，這種分散的變形必然是因?yàn)榇嬖诙鄺l斷層共同調(diào)節(jié)擠壓匯聚的結(jié)果。另外，穿過(guò)龍門山斷裂帶存在約1 mm/a的右旋走滑，而在松潘-甘孜地區(qū)卻有高達(dá)8 mm/a的右旋走滑，主要分布在龍日壩斷裂帶的兩側(cè)，這表明龍日壩斷裂帶可能存在著較高的右旋走滑，并且以斷裂為中心兩側(cè)存在較寬的應(yīng)變帶或者叫變形帶。本文利用王敏等[7]發(fā)表的最新GPS數(shù)據(jù)，將參考框架轉(zhuǎn)換到華南塊體，分別垂直龍日壩斷裂中段和北東段提取了兩條速度剖面（圖1），并將速度矢量分別投影到垂直和平行斷層的方向上（圖2）。由圖2可以看出，跨龍日壩斷裂帶中段和北東段均有明顯的逆沖和右旋走滑。由圖1b區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)可以看出，龍日壩斷裂帶兩側(cè)具有較寬較高的應(yīng)變帶，且沿?cái)嗔褞ё呦虻姆植驾^為均勻。

圖1 區(qū)域地震構(gòu)造簡(jiǎn)圖

圖2 GPS速度剖面

2 水系特征及其構(gòu)造意義

水系的分布特征和幾何形態(tài)可以對(duì)斷層的活動(dòng)性及運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的研究提供重要信息[8-16]。斷裂帶或塊體邊界不只存在斷裂簡(jiǎn)單的逆沖或走滑，同時(shí)還在斷裂兩側(cè)一定范圍內(nèi)存在著構(gòu)造應(yīng)變，最好的例子就是水系方位的逐漸改變[1]。本文通過(guò)提取龍日壩斷裂帶地區(qū)水系、流域盆地、方位角和偏轉(zhuǎn)角，試圖揭示斷裂走滑和塊體運(yùn)動(dòng)與河流地貌之間的關(guān)系（圖3）。

首先提取了4個(gè)較大的匯水流域，如圖3a中黃色多邊形所示；這4個(gè)匯水流域中的河流均發(fā)生了較明顯的S形彎曲和Y形分叉，如圖3a中深藍(lán)色實(shí)線所示。同時(shí)，匯水流域的形狀也發(fā)生了明顯的變化，由寬闊變?yōu)楠M長(zhǎng)，表明匯水流域的形態(tài)受塊體運(yùn)動(dòng)擠壓應(yīng)變的強(qiáng)烈控制。

為了排除巖性對(duì)流域形態(tài)和水系方位可能的影響，查閱了研究區(qū)的1∶20萬(wàn)地質(zhì)圖（圖3b）。由地質(zhì)圖可以看出，龍日壩斷裂帶地區(qū)的水系主要分布在三疊系地層中，同時(shí)一些較大的水系兩側(cè)堆積了晚第四紀(jì)沖洪積地層，總體上該地區(qū)地層巖性變化不大；雖然該地區(qū)的地層走向分布具有一定的規(guī)律，但水系并沒有明顯沿著地層或地層邊界發(fā)育的特征，甚至有與地層斜交和直交的趨勢(shì)；并且水系在流經(jīng)不同巖性地層的時(shí)候，方位沒有發(fā)生明顯變化，表明地層對(duì)水系的方位不起控制作用（圖3b）。

最終利用arcgis軟件自動(dòng)提取了17個(gè)次級(jí)匯水流域，再利用Topotoolbox[8]工具計(jì)算了方位角（河流不同河段兩端節(jié)點(diǎn)連線與正北方向的夾角，以河流上游至下游的方向?yàn)闇?zhǔn)，角度介于0°～360°之間）和偏轉(zhuǎn)角（即河流與斷層之間的夾角，角度介于0°～180°之間，同一河流的偏轉(zhuǎn)角可以是銳角或鈍角，但在統(tǒng)計(jì)不同河流與斷層之間的偏轉(zhuǎn)角時(shí)，必須以河流相同一側(cè)的角度為準(zhǔn)）（圖3c，圖4），并將方位角和偏轉(zhuǎn)角按照由SW-NE至S-N的方向投影到一條接近斷層走向的剖面上，即圖3c中的黑色實(shí)線，分別得到了水系方位角分布圖和水系偏轉(zhuǎn)角分布圖（圖4）。根據(jù)所得結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水系方位角分布和水系偏轉(zhuǎn)角分布都具有一定的規(guī)律性或者趨勢(shì)性，龍日壩斷裂帶中段北西側(cè)的水系發(fā)生了沿著斷裂走滑方向或者說(shuō)塊體相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的系統(tǒng)性偏轉(zhuǎn)，與斷層的走向呈現(xiàn)出明顯斜交特征，同時(shí)具有一定的拉長(zhǎng)特征；而龍日壩斷裂帶北東段兩側(cè)的水系呈現(xiàn)出明顯與斷層走向近平行特征，同時(shí)表現(xiàn)出明顯的EW向壓扁和NS向拉長(zhǎng)。另外，從圖4中可以看出，斷裂帶附近的水系方位角總體上分布在0°和350°左右，即河流大致向北流；而水系的偏轉(zhuǎn)角從斷裂帶中段向斷裂帶北東段逐漸減小，即從與斷層斜交變?yōu)榻叫小?/p>

圖3 研究區(qū)水系分布圖

圖4 研究區(qū)水系方位角和偏轉(zhuǎn)角

3 討論

通過(guò)提取研究區(qū)內(nèi)較大一級(jí)的匯水流域（圖3a）發(fā)現(xiàn)，匯水流域的形態(tài)呈現(xiàn)出順著塊體運(yùn)動(dòng)或者說(shuō)擠壓方向由開闊狀轉(zhuǎn)狹長(zhǎng)狀的變化，并且流域的長(zhǎng)軸逐漸變?yōu)榇怪眽K體擠壓方向和平行于斷層走向，證明構(gòu)造應(yīng)變對(duì)流域形態(tài)的控制作用，狹長(zhǎng)狀流域?qū)?yīng)著塊體擠壓最強(qiáng)烈和應(yīng)變積累最大的地方[17]（圖5）。然后，分析了地層巖性可能對(duì)水系形態(tài)產(chǎn)生的改變和影響，結(jié)果表明，水系形態(tài)和地層巖性沒有絕對(duì)的關(guān)系，地層不是影響水系形態(tài)的因素。

圖5 研究區(qū)變形模式圖

共提取沿?cái)鄬幼呦蚍植嫉?7個(gè)次級(jí)匯水流域的方位角和偏轉(zhuǎn)角，其中，沿龍日壩斷裂帶中段（北西盤）和北東段（西盤）分別為7個(gè)和10個(gè)，方位角均主要分布在0°和350°左右?？傮w上看，方位角沿?cái)鄬幼呦虻淖兓淮?，均大致流向近正北方向（圖3～4）。另外，通過(guò)計(jì)算每個(gè)匯水流域與斷層的夾角（即水系偏轉(zhuǎn)角）發(fā)現(xiàn)，沿龍日壩斷裂帶中段（北西盤）的7個(gè)匯水流域與斷層大致斜交，表現(xiàn)出沿著斷層走滑方向的系統(tǒng)性偏轉(zhuǎn)和拉長(zhǎng)，表明主要受到了斷層走滑作用的影響，與利用GPS剖面所獲得的跨龍日壩斷裂中段具有明顯的右旋走滑特征所一致（圖2）；沿龍日壩斷裂帶北東段（西盤）的10個(gè)匯水流域與斷層近平行，水系形態(tài)受到了明顯壓扁和拉長(zhǎng)，表明主要受塊體運(yùn)動(dòng)方向上的擠壓應(yīng)變所主導(dǎo)（圖5），與利用GPS剖面所獲得的跨龍日壩斷裂北段具有明顯的擠壓和右旋走滑特征所一致（圖2）。利用水系類型和GPS所揭示出的龍日壩斷裂帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征是相同的，說(shuō)明現(xiàn)今的GPS觀測(cè)是可以反映斷層較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的。另外，跨過(guò)龍日壩斷裂帶的GPS速度剖面所指示出的明顯的右旋走滑和擠壓特征，以及應(yīng)變率場(chǎng)所指示出的龍日壩斷裂帶兩側(cè)較連續(xù)寬闊的高應(yīng)變率均證明構(gòu)造應(yīng)變對(duì)水系平面形態(tài)的主導(dǎo)作用（圖1b，圖2）。

值得注意的是，這些次級(jí)流域盆地的長(zhǎng)軸方向或者說(shuō)拉長(zhǎng)方向近垂直于主剪切帶里的張破裂（圖5a，b），而流域內(nèi)的河流方位或者說(shuō)流向則對(duì)應(yīng)著主剪切帶內(nèi)的拉張區(qū)（圖5a，b）。這些現(xiàn)象可以很好地用里德爾剪切模型解釋（圖5）。圖5a中的M主滑動(dòng)面對(duì)應(yīng)圖5b中的主斷裂位置，圖5a中的灰色長(zhǎng)箭頭對(duì)應(yīng)圖5b中的黑色長(zhǎng)箭頭，圖5a中的灰色粗箭頭對(duì)應(yīng)圖5b中的白色粗箭頭。因?yàn)閺埰屏阉幍膮^(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)或者說(shuō)擠壓區(qū)，如圖5a中灰色區(qū)域所示，主應(yīng)力方向垂直于水系長(zhǎng)軸方向或者說(shuō)拉長(zhǎng)方向；而主剪切帶內(nèi)的拉張區(qū)所對(duì)應(yīng)的區(qū)域是應(yīng)力釋放區(qū)或者說(shuō)拉張區(qū)，如圖5a中的白色區(qū)域所示，主應(yīng)力方向平行于水系的水系長(zhǎng)軸方向或者說(shuō)流向。這些現(xiàn)象表明水系趨向于流經(jīng)拉張應(yīng)力區(qū)或者那些容易“逃逸”的張性通道。

4 結(jié)論

本文首次利用arcgis軟件提取了龍日壩斷裂帶地區(qū)的匯水流域及其河流，利用Topotoolbox工具計(jì)算了匯水流域及河流的方位角和偏轉(zhuǎn)角，結(jié)合GPS運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)研究了龍日壩斷裂帶地區(qū)的水系形態(tài)和構(gòu)造作用之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，龍日壩斷裂帶地區(qū)的水系形態(tài)受到了斷層走滑作用和變形帶內(nèi)構(gòu)造應(yīng)變的強(qiáng)烈影響，主要表現(xiàn)為沿著斷層走滑方向的系統(tǒng)性偏轉(zhuǎn)和拉長(zhǎng)以及垂直塊體擠出方向的壓扁和伸長(zhǎng)。