利用水系類型和GPS數據研究龍日壩斷裂帶變形模式

呼永強，李 偉

（1. 遼寧中醫(yī)藥大學，沈陽 110167；2. 中國地震局地質研究所，北京 100029；3. 中國地震局第二監(jiān)測中心，西安 710054）

0 引言

斷層的走滑運動會斷錯水系，這種位錯可以是一次地震或通過多次位錯逐漸積累起來的，也可以是通過斷層長期的蠕滑運動發(fā)生。而水系方位的系統偏轉或者流域盆地形態(tài)的變化（如壓扁和拉張等）只有在長時間尺度、較寬的應變帶的情況下才能發(fā)生；反之，現今發(fā)生系統偏轉的水系必然反映的是長時間尺度上的構造作用和應變。水系平面旋轉可以作為地殼應變的標識，評價遠場變形的類型和速率[1]。如果想提取斷裂帶（或者塊體邊界）上長時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程是如何演化的。

斷裂帶（或者塊體邊界）是一個寬廣的變形區(qū)域，在變形帶內存在轉換，拉張或擠壓等構造作用。這些大范圍的、較長時間尺度（幾十萬至幾百萬年）的變形量的估計需要跟蹤地質或地貌特征，而水系是教科書式的例子，可以用作指示構造作用的地貌形變特征[1]。本文利用水系類型分析，結合GPS數據，探討了龍日壩斷裂帶的走滑作用和巴顏喀拉地塊向東運動是如何控制該地區(qū)的水系類型以及水系如何響應構造作用。該研究對于今后利用水系類型研究和揭示構造作用、應變分配和積累、塊體運動具有重要的參考價值。需要注意的是，水系類型的形成是地質作用長期積累的結果（是一種反映斷裂帶長時間尺度運動性質和特征的載體），與GPS（是一種反映斷裂帶短時間尺度運動性質和特征的媒介）揭示的現今構造特征不同。但是，在構造運動長期保持穩(wěn)定的情況下，地質時間尺度的構造變形可以認為是現今短時間尺度所觀測到的變形的一種積累或者說“積分”。

前人在地震地質方面對龍日壩斷裂帶的研究側重于查明斷裂的晚第四紀活動性和地震危險性[2-3]，而對水系類型的分析及其對構造應變的響應特征等缺少研究。雖然已有較多基于GPS觀測的對該斷裂帶運動學特征的研究[4-7]，但GPS觀測結果僅在短（十年）時間范圍內。另外，當GPS站點過于稀疏，而斷層的滑動速率又非常低的時候，其結果可能并不能完全反映出大區(qū)域的、地質歷史時間尺度的變形特征。

本文利用ALOS30m精度的DEM在arcgis軟件里自動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]工具計算了匯水流域及河流的方位角和偏轉角。結果發(fā)現該地區(qū)的流域和水系形態(tài)受構造應變的強烈控制：龍日壩斷裂帶中段的水系發(fā)生了系統性的偏轉；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，表現為對擠壓應變的響應。

1 區(qū)域地質及GPS形變

龍日壩斷裂帶是巴顏喀拉塊體內部的一條次級塊體邊界，也是一個地貌邊界，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]推測該斷裂帶的南西段和北東段晚第四紀以來也活動過，而一些野外調查顯示晚更新世的沖積階地未被錯斷[3]。沿著龍日壩斷裂帶中段發(fā)育非常明顯的構造地貌現象，線性特征明顯，表明該段晚第四紀以來強烈活動。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，并利用斷錯階地坎計算了地質上的滑動速率，結果表明，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速率對比表明，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、粘土巖以及第四紀沖積、洪積、風積沉積物組成。第四紀河流相和沖積相主要由含砂礫石、細砂、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]。

根據王敏等[7]最新的GPS結果，松潘-甘孜地區(qū)和龍門山斷裂帶之間在約400 km的范圍內存在約5 mm/a的縮短速率，這種分散的變形必然是因為存在多條斷層共同調節(jié)擠壓匯聚的結果。另外，穿過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8 mm/a的右旋走滑，主要分布在龍日壩斷裂帶的兩側，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存在較寬的應變帶或者叫變形帶。本文利用王敏等[7]發(fā)表的最新GPS數據，將參考框架轉換到華南塊體，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)域應變場可以看出，龍日壩斷裂帶兩側具有較寬較高的應變帶，且沿斷裂帶走向的分布較為均勻。

圖1 區(qū)域地震構造簡圖

圖2 GPS速度剖面

2 水系特征及其構造意義

水系的分布特征和幾何形態(tài)可以對斷層的活動性及運動性質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單的逆沖或走滑，同時還在斷裂兩側一定范圍內存在著構造應變，最好的例子就是水系方位的逐漸改變[1]。本文通過提取龍日壩斷裂帶地區(qū)水系、流域盆地、方位角和偏轉角，試圖揭示斷裂走滑和塊體運動與河流地貌之間的關系（圖3）。

首先提取了4個較大的匯水流域，如圖3a中黃色多邊形所示；這4個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中深藍色實線所示。同時，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，表明匯水流域的形態(tài)受塊體運動擠壓應變的強烈控制。

為了排除巖性對流域形態(tài)和水系方位可能的影響，查閱了研究區(qū)的1∶20萬地質圖（圖3b）。由地質圖可以看出，龍日壩斷裂帶地區(qū)的水系主要分布在三疊系地層中，同時一些較大的水系兩側堆積了晚第四紀沖洪積地層，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；并且水系在流經不同巖性地層的時候，方位沒有發(fā)生明顯變化，表明地層對水系的方位不起控制作用（圖3b）。

最終利用arcgis軟件自動提取了17個次級匯水流域，再利用Topotoolbox[8]工具計算了方位角（河流不同河段兩端節(jié)點連線與正北方向的夾角，以河流上游至下游的方向為準，角度介于0°～360°之間）和偏轉角（即河流與斷層之間的夾角，角度介于0°～180°之間，同一河流的偏轉角可以是銳角或鈍角，但在統計不同河流與斷層之間的偏轉角時，必須以河流相同一側的角度為準）（圖3c，圖4），并將方位角和偏轉角按照由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中的黑色實線，分別得到了水系方位角分布圖和水系偏轉角分布圖（圖4）。根據所得結果發(fā)現，水系方位角分布和水系偏轉角分布都具有一定的規(guī)律性或者趨勢性，龍日壩斷裂帶中段北西側的水系發(fā)生了沿著斷裂走滑方向或者說塊體相對運動方向的系統性偏轉，與斷層的走向呈現出明顯斜交特征，同時具有一定的拉長特征；而龍日壩斷裂帶北東段兩側的水系呈現出明顯與斷層走向近平行特征，同時表現出明顯的EW向壓扁和NS向拉長。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)水系方位角和偏轉角

3 討論

通過提取研究區(qū)內較大一級的匯水流域（圖3a）發(fā)現，匯水流域的形態(tài)呈現出順著塊體運動或者說擠壓方向由開闊狀轉狹長狀的變化，并且流域的長軸逐漸變?yōu)榇怪眽K體擠壓方向和平行于斷層走向，證明構造應變對流域形態(tài)的控制作用，狹長狀流域對應著塊體擠壓最強烈和應變積累最大的地方[17]（圖5）。然后，分析了地層巖性可能對水系形態(tài)產生的改變和影響，結果表明，水系形態(tài)和地層巖性沒有絕對的關系，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

共提取沿斷層走向分布的17個次級匯水流域的方位角和偏轉角，其中，沿龍日壩斷裂帶中段（北西盤）和北東段（西盤）分別為7個和10個，方位角均主要分布在0°和350°左右。總體上看，方位角沿斷層走向的變化不大，均大致流向近正北方向（圖3～4）。另外，通過計算每個匯水流域與斷層的夾角（即水系偏轉角）發(fā)現，沿龍日壩斷裂帶中段（北西盤）的7個匯水流域與斷層大致斜交，表現出沿著斷層走滑方向的系統性偏轉和拉長，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，表明主要受塊體運動方向上的擠壓應變所主導（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動學特征是相同的，說明現今的GPS觀測是可以反映斷層較長時間尺度上的運動性質的。另外，跨過龍日壩斷裂帶的GPS速度剖面所指示出的明顯的右旋走滑和擠壓特征，以及應變率場所指示出的龍日壩斷裂帶兩側較連續(xù)寬闊的高應變率均證明構造應變對水系平面形態(tài)的主導作用（圖1b，圖2）。

值得注意的是，這些次級流域盆地的長軸方向或者說拉長方向近垂直于主剪切帶里的張破裂（圖5a，b），而流域內的河流方位或者說流向則對應著主剪切帶內的拉張區(qū)（圖5a，b）。這些現象可以很好地用里德爾剪切模型解釋（圖5）。圖5a中的M主滑動面對應圖5b中的主斷裂位置，圖5a中的灰色長箭頭對應圖5b中的黑色長箭頭，圖5a中的灰色粗箭頭對應圖5b中的白色粗箭頭。因為張破裂所處的區(qū)域為應力集中區(qū)或者說擠壓區(qū)，如圖5a中灰色區(qū)域所示，主應力方向垂直于水系長軸方向或者說拉長方向；而主剪切帶內的拉張區(qū)所對應的區(qū)域是應力釋放區(qū)或者說拉張區(qū)，如圖5a中的白色區(qū)域所示，主應力方向平行于水系的水系長軸方向或者說流向。這些現象表明水系趨向于流經拉張應力區(qū)或者那些容易“逃逸”的張性通道。

4 結論

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工具計算了匯水流域及河流的方位角和偏轉角，結合GPS運動學數據研究了龍日壩斷裂帶地區(qū)的水系形態(tài)和構造作用之間的關系。結果顯示，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構造應變的強烈影響，主要表現為沿著斷層走滑方向的系統性偏轉和拉長以及垂直塊體擠出方向的壓扁和伸長。