利用水系方位角和GPS數(shù)據(jù)研究龍門山后山斷裂運(yùn)動模式

李 偉，謝 超，程宏賓，馮 兵

（1.中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029；2.中國地震局第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054）

構(gòu)造地貌研究是揭示構(gòu)造活動的重要手段之一。由于構(gòu)造運(yùn)動速率通常十分緩慢，其效果需要長期積累才能表現(xiàn)得較為明顯，這種長期的積累，精密的測量儀器有時難以有效記錄。而構(gòu)造地貌為內(nèi)、外應(yīng)力共同作用的結(jié)果，且能夠記錄到這種長期累積的效果，并能通過相關(guān)的參數(shù)定量表達(dá)。前些年研究活動斷裂的相關(guān)地貌參數(shù)，主要基于河流或水系縱剖面提取，因此局限于反映斷層的垂直運(yùn)動上，缺乏反映斷裂走滑運(yùn)動的地貌參數(shù)（石峰等，2014，2018）。

利用水系偏轉(zhuǎn)角研究走滑斷層的運(yùn)動模式及空間展布等近年來發(fā)展為一種新穎的手段并得到了較好的應(yīng)用（謝超等，2016；石峰等，2018），但是傳統(tǒng)的提取水系偏轉(zhuǎn)角的方法大多數(shù)都是半自動半人工，即先提取某一出水口的上游的匯水流域，然后人工測量匯水流域長軸與斷層之間的夾角，這種方法工作量大且存在較多人為主觀因素，最終會導(dǎo)致測量結(jié)果具有較大的誤差，甚至得到錯誤信息而誤導(dǎo)認(rèn)識。本研究以龍門山后山斷裂兩側(cè)的水系提取為例，介紹了一種新的提取水系方位角（簡稱“方位”）的方法，即基于Arcgis軟件的水文分析工具先提取研究區(qū)的河網(wǎng)，然后利用空間統(tǒng)計工具，自動計算和提取水系的方位角，其原理為計算河流不同河段兩端節(jié)點(diǎn)連線與正北方向的夾角（或稱“羅盤角”），該方法大大減小了人工測量的工作量且極大地提高了測量精度，有望在日后的活動構(gòu)造與構(gòu)造地貌定量化和數(shù)值模擬中發(fā)揮較大作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

龍門山斷裂帶位于青藏高原東緣，呈NE向展布，總長度達(dá)580 km，構(gòu)成了青藏地塊與華南地塊的邊界帶（鄧起東等，1994；見圖1），龍門山斷裂帶主要由后山斷裂、主中央斷裂和山前主邊界斷裂組成。同時，龍門山斷裂帶具有較高的地震危險性，在2008年和2013年相繼發(fā)生了汶川8.0級和蘆山7.0級強(qiáng)震。根據(jù)已有活動構(gòu)造和GPS數(shù)據(jù)研究結(jié)果，該斷裂帶內(nèi)的單條斷裂的逆沖和走滑速率存在分段和差異性認(rèn)識（王小亞等，2002；張培震等，2003；唐文清等，2005；賈營營等，2010）。根據(jù)Wang et al（2020）最新的GPS結(jié)果，松潘—甘孜地區(qū)與龍門山斷裂帶之間約400 km范圍內(nèi)存在約5 mm/a的縮短速率，這種分散的變形必然存在多條斷層共同調(diào)節(jié)擠壓匯聚的結(jié)果。另外，跨龍門山斷裂帶存在約1 mm/a的右旋走滑，跨龍日壩斷裂帶兩側(cè)一定距離內(nèi)卻有高達(dá)8 mm/a的右旋走滑（Wang et al，2020）。本研究利用Wang等（2020）發(fā)表的最新GPS數(shù)據(jù)，將參考框架轉(zhuǎn)換到華南塊體，從垂直于龍門山后山斷裂提取了一條速度剖面，并將速度矢量分別投影到垂直和平行斷層的方向上。由圖2可以看出，跨龍門山后山斷裂區(qū)域有明顯的逆沖和右旋走滑。綜合形變結(jié)果認(rèn)為：龍門山斷裂帶內(nèi)的變形應(yīng)該由多條主干斷裂進(jìn)行吸收和調(diào)節(jié)，構(gòu)造應(yīng)變分布在了一個更寬的范圍內(nèi)。

圖1 區(qū)域地震構(gòu)造簡圖

圖2 GPS速度剖面

2 水系方位的提取及其構(gòu)造意義

水系的分布特征和幾何形態(tài)可以為斷層的活動性及運(yùn)動性質(zhì)的研究提供重要信息（謝超等，2016；林愛民等，2013）。斷裂帶或塊體邊界不只存在斷裂簡單的逆沖或走滑，同時還在斷裂兩側(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。本研究通過提取龍門山斷裂帶后山斷裂中段的水系方位（水系方位φ），以此反映斷裂的走滑運(yùn)動對地貌的控制作用（見圖3）。為了排除巖性對水系方位可能的影響，我們利用了研究區(qū)的1∶20萬地質(zhì)圖（圖3b），由圖3b可以看出，后山斷裂兩側(cè)的水系主要分布在彭灌雜巖體內(nèi)，兩側(cè)巖性較為均一，并且水系在流經(jīng)不同巖性地層的時候，方位沒有發(fā)生明顯變化，表明地層巖性對水系的方位不起控制作用。

本研究利用Arcgis軟件提取了沿龍門山后山斷層走向兩側(cè)分布的54個水系的方位角，其中，斷層北西盤（上盤）20個，斷層南東盤（下盤）34個。將水系方位角換算成水系與斷層的夾角（即偏轉(zhuǎn)角），然后將方位角和偏轉(zhuǎn)角按照由南向北的方向投影到一條接近斷層走向的剖面上，即圖3c中的黑色實線，分別得到了水系方位角分布和水系偏轉(zhuǎn)角分布圖（見圖4和圖5）。根據(jù)提取的結(jié)果可知，水系方位角分布和水系偏轉(zhuǎn)角分布具有相似的特征，指示的是右旋走滑斷層兩側(cè)引起的系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)，其中局部的一些變化可揭示斷層在不同分段區(qū)域存在不同運(yùn)動學(xué)特征。

圖3 研究區(qū)水系、地質(zhì)和水系方位分布

圖4 研究區(qū)斷層北西側(cè)和南東側(cè)水系方位分布

圖5 研究區(qū)斷層北西側(cè)（a）和南東側(cè)（b）水系偏轉(zhuǎn)角分布

3 結(jié)論及探討

本研究利用SRTM 30 m精度的DEM，使用Arcgis提取的沿龍門山后山斷層走向兩側(cè)分布的54個水系的方位角，斷層北西盤（上盤）的水系方位角分布在88°～165°，且由南向北呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，即水系發(fā)生了向北的偏轉(zhuǎn)，顯示出斷層北西盤的右旋走滑特征；斷層南東盤（下盤）的水系方位角主要分布在262°～344°，且呈現(xiàn)出由南向北逐漸變小的趨勢，即水系發(fā)生了向南的偏轉(zhuǎn)，與斷層南東盤的相對運(yùn)動方向一致。通過水系偏轉(zhuǎn)角的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斷層北西盤的水系偏轉(zhuǎn)角由南向北呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，斷層南東盤的水系偏轉(zhuǎn)角由南向北呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，這種變化也表明斷層具有右旋走滑的特征。

斷層的走滑運(yùn)動會錯斷水系，這種單純的位錯可以是一次地震或多次地震逐漸積累起來的，也可以是通過斷層長期的蠕滑運(yùn)動積累起來的。水系方位的系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)只有在長時間尺度、較寬的應(yīng)變帶的情況下才能發(fā)生，故發(fā)生系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)的水系必然反映的是長時間尺度上的構(gòu)造作用和應(yīng)變。如果單純依賴水系方位的變化來判斷構(gòu)造作用，判斷斷層的運(yùn)動性質(zhì)也必須謹(jǐn)慎，因為在斷層的走滑速率、變形帶寬度、隆升差異等條件不同的情況下，可能會出現(xiàn)不同情況的水系偏轉(zhuǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)水系偏轉(zhuǎn)方向與塊體或斷層運(yùn)動學(xué)方向相反的情況；另外，如果一個變形帶內(nèi)存在多條斷裂的時候，由于斷層之間的走滑運(yùn)動相互影響，位于斷層之間的水系的方位角和偏轉(zhuǎn)角都可能變化很??；因此，在利用水系偏轉(zhuǎn)解析斷層的運(yùn)動學(xué)模式和特征時，如果只依靠水系偏轉(zhuǎn)方向來判斷的話，可能會得到錯誤的認(rèn)識和結(jié)果。水系方位角和偏轉(zhuǎn)角作為一種新穎的研究走滑斷裂水平運(yùn)動特征的方法已經(jīng)取得了一些成果，在活動構(gòu)造地貌定量化參數(shù)日新月異的現(xiàn)代，如何發(fā)展好這一技術(shù)手段值得更多的關(guān)注和應(yīng)用。