基于ASTER-GDEM数据的羊卓雍错地区构造地貌分析

陈麒光，邵兆刚，韩建恩，孟宪刚，余 佳，王 津

(中国地质科学院地质力学研究所，北京100081)

0 引言

数字高程模型 (Digital Elevation Model，DEM)是对地球表面地形地貌的数字化表达和模拟，基于DEM的地形地貌分析实质就是对地形进行数字计算的过程。目前DEM理论和相关的分析技术已得到了地学工作者的广泛关注，国际上已将其作为一种常规的地形地貌研究手段［1～3］。例如:Fielding［4］对青藏高原及其周边地区进行了大尺度地貌分析，认为青藏高原内部的剥蚀夷平和边缘造山带的剥蚀夷平显著不同;Chris Duncan等［5］利用3弧秒数据在喜马拉雅弧形碰撞带对尼泊尔和不丹境内的局部地形起伏、坡高等进行了分析和对比，并指出喜马拉雅造山带的地质及地貌在不丹和尼泊尔有很大差异，反映了其构造活动的差异性;洪顺英等［6］基于SRTM-DEM数据揭示了阿尔泰地区构造地貌特征并做了阶梯状地貌的相关讨论;张会平等［7］构建了岷山构造带数字高程模型，初步对岷山构造带，特别是岷山断裂带构造地貌特征进行了分析，通过坡度、坡向及地形起伏度和高程统计分析，得出了岷山地区夷平面及山顶面的分布特点。

羊卓雍错地区位于青藏高原南部，北邻雅鲁藏布江构造带，构造活动频繁，断裂发育，盆山构造地貌特征明显，对研究高原内部地貌演化及其对高原隆升响应等方面均具有重要意义。本文对羊卓雍错地区数字高程模型 (ASTER-GDEM)进行了详细分析，揭示了羊卓雍错地区的盆地地貌特征，对区域构造活动与高原内部地貌演化的关系进行了探讨，旨在为研究区的盆地地貌格局及其演化提供重要依据。

1 区域地质概况

研究区位于青藏高原南部，羊卓雍错盆地北起雅鲁藏布江南岸的贡嘎县，南至洛扎县境内，地理位置为东经89°30'—92°25'，北纬28°—29°30'。盆地内部河流水系发育，年降雨量351 mm，湖泊发育，主要包括羊卓雍错、普莫雍错、沉错、空母错、巴纠错和哲古错等湖泊，盆地地质历史时期曾经为统一的大湖［8］，并存在有短暂外流期，现今湖泊为统一大湖收缩分解后形成的。

研究区在大地构造位置上属于喜马拉雅造山带中的北喜马拉雅特提斯褶冲构造带，北以雅鲁藏布缝合带与拉萨地体相邻，南以藏南拆离系与高喜马拉雅结晶基底相连［9］，先后经历了始喜马拉雅印度板块与欧亚大陆俯冲碰撞和新喜马拉雅期伸展变形等地质演化过程，自南向北形成了近东西向的洛扎、绒布—哲古、邛多江等平行于造山带走向的断裂构造 (见图1)。在盆地东西两侧均发育了近南北向的断陷盆地，这些断陷盆地属藏南裂谷带中的桑日—错那断陷带和亚东—露谷断陷带的一部分，发育第四纪不同时期沉积建造和多期断层构造，时至今日仍然存在强烈的构造运动，控制了羊卓雍错盆地的东西向展布［10～11］。

图1 羊卓雍错地区地质简图 (据文献［8］略改)Fig.1 Geological map in the YamzhoYumco region

2 ASTER-GDEM数据来源与分析方法

本文中所采用的数据来源于美国航天局 (NASA)与日本经济产业省 (METI)共同发布的ASTER-GDEM数据，该数据是根据NASA的新一代对地观测卫星TERRA的详尽观测结果制作完成的［12～13］。相对于分辨率为90 m的SRTM数据，ASTER-GDEM数据水平精度为30 m，垂直精度为20 m，含有更加真实而丰富的地理信息。鉴于研究区面积47000 km2，最大高程差为4934 m，因此其水平误差范围0.0000006%，垂直误差范围0.4%，均控制在1%以内，其精度完全满足该地区构造地貌分析的要求。

本文对研究区域的DEM数据进行拼接、裁剪、密度分割及彩色晕染等预处理，在此基础之上依据区域地质简图提取DEM图中的线性影像构造 (见图2)。利用SPASS软件得出GIS统计的最佳分析窗口，做出研究区的平均高程、最大高程、最小高程、地势起伏度及坡度图，通过与实际野外现象对比，获得了该区的构造地貌特征。在盆地内部选择3个不同方向，提取并绘制出条带范围的高程值及地势起伏度剖面。通过GIS空间数据分析，提取了羊卓雍错盆地的流域范围。分别根据面积-高程积分 (Hi)、山前曲折度 (Smf)和盆地不对称度 (AF)等对盆地数字地貌指标进行了提取，并对数字地貌结果所反映的盆地地貌及其演化特征进行了探讨。

图2 羊卓雍错地区DEM图Fig.2 DEM image of the YamzhoYumco region

3 羊卓雍错地区构造地貌分析

3.1 DEM高程及地势起伏度分析

以ASTER-GDEM数据为基础，利用GIS空间统计分析技术与彩色晕染方法，对羊卓雍错地区的地貌特征进行分析 (见图2)。研究区内总体地势分布南高北低，高程变化范围为2581～7515 m，全区平均海拔为4775 m;羊卓雍错流域海拔分布呈现出中间低四周高的近南东东—北西西向带状展布的盆地地貌特征，与南北两侧山体及区域深大断裂的走向基本一致;在流域范围内呈南东高、北西低的地势分布，控制了盆地水流的整体趋势;盆地南北边缘则呈现出不同的地貌特点:南缘凹凸不平、高而宽阔，北缘平直、低而狭窄。

按500 m间距对高程进行详细分割，绘制了羊卓雍错地区平均高程图 (见图3a)。图中显示羊卓雍错地区高程从盆地周缘向流域内部呈南西—东—北西向的三级阶梯:Ⅰ级阶梯高程在5000～5500 m之间，分布于流域南部的普莫雍错地区及流域四周所围限的甘巴拉山、蒙达岗日等，占全区面积的19.42%;Ⅱ级阶梯高程4500～5000 m，对应羊卓雍错水系至周围山麓之间的区域范围，占全区面积的28.42%;Ⅲ级阶梯高程在4000～4500 m，对应现今羊卓雍错水系分布地区，占全区总面积的37.19%。高程统计结果 (见表1)显示，整个区域中海拔区域仅占0.23%，主要分布在研究区北部的雅鲁藏布江一带;全区占64.86%的多数地区为高海拔区域;极高海拔占有34.91%，其中大于6000 m的海拔零星出现在研究区南部的山地，这样的海拔分布在图3a中也有很好的印证，体现了研究区地貌高程自南向北降低的地貌格局。

图3 羊卓雍错地区4种高程图Fig.3 Four types of DEM maps of the YamzhoYumco region

表1 羊卓雍错地区高程统计Table 1 Height statistics of the YamzhoYumco region

在区域地貌研究中，地势起伏度是反映构造与地表侵蚀相互作用的基本指标［14］。将DEM数据按30×30象元采样阈值空间窗口［15］，分别获得了研究区的最大和最小高程图(见图3b，3c)，通过栅格计算，可以得到区域的地势起伏度示意图 (见图3d)。地势起伏度结果 (图3d，表2)显示，盆地中部较为平坦，盆地边缘起伏度迅速增大，最大起伏度为1713 m，平均起伏度314 m。其中平原主要分布在羊卓雍错、普莫雍错、沉错、空母错、巴纠错几大湖泊及其附属水系流经区域，占全区面积的2.45%;丘陵分布在流域内水系之间的绝大多数区域及水系边缘，占22.83%;小起伏山地主要分布在盆地边缘地带以及四周的山区，占62.44%。综合图2和图3来看，羊卓雍错流域内部地貌与四周山区的沟壑纵横相比具有明显不同的特征:其内呈现出地貌演化晚期的丘陵-平原地貌特点 (见图4a，4b)，与早期统一的古湖泊发育区域对应，而边缘山地带则由于冰川与水流切割作用，使得地形高程急剧变化 (见图4c)。

表2 羊卓雍错地区地势起伏度统计Table 2 Amplitude statistics of the YamzhoYumco region

图4 羊卓雍错地区地貌特征与湖相沉积Fig.4 Geomorphologic characteristics of the YamzhoYumco region and it’s lake sediments

3.2 地表坡度分析

空间统计分析表明，研究区最大坡度值可达81°，平均坡度约为19°。坡度小于5°的低缓坡面积占总面积的11.67%，主要位于羊卓雍错、普莫雍错、巴纠错等地和雅鲁藏布江地带;有11.25%的地区为5°—9°的缓坡，分布在现今湖泊水系的周围;大于9°的陡坡(75.31%)中以9°—21°的低陡坡 (36.44%)为主，主要分布在盆山过渡地带;而陡崖(＞45°)则分布较少，不到2%，主要集中在盆地边缘山体的山脊山顶及穹窿构造的顶部(见图5，图6)。由此可见，羊卓雍错流域内绝大部分地区坡度小于15°且纵降比较小，与古湖泊发育以及内流盆地底部侵蚀微弱，低缓的湖泊地貌得以保存密切相关。而在流域边缘地带坡度急剧增加到27°—39°，反映了流域边缘强烈的山体抬升构造活动。

图5 羊卓雍错地区坡度统计直方图Fig.5 Slope statistics of the Yamzho Yumco region

图6 羊卓雍错地区坡度分级示意图Fig.6 Slope classification schematic diagram of the YamzhoYumco region

强烈的断裂活动，往往造成断裂两侧高程及地貌坡度出现强烈反差［6，16］，在坡度图中常常表现出线性影像特征，能够反映断裂走向及规模等构造特征。对研究区的坡度数据进行分析，可见5条主要断裂带发育，即雅鲁藏布江构造带、桑日—错那断陷带、亚东—露谷断陷带、邛多江断裂及绒布—哲古断裂 (见图6)，该区盆地地貌的形成、演化等与这5条断裂密切相关。

雅鲁藏布江构造带从盆地北部沿东西向横穿而过，受活动强度和规模的影响，表现出最为明显的影像特征，限制了北部甘巴拉山的地势，是整体地貌主要影响因素之一;桑日—错那断陷带与亚东—露谷断陷，近南北向分布，线性影像特征比较明显，活动带较宽且其内坡度和高程值较小，两侧边缘的高程和坡度则急剧增大，表现出东西向差异性变化，是南北向构造带长期活动的体现;邛多江断裂和绒布—哲古断裂，近东西向分布在盆地的南部，南北向差异性变化较小，反映断裂活动及对盆地的限制作用微弱。地质资料显示，桑日—错那断陷带与亚东—露谷断陷带属藏南裂谷带的一部分，形成于新近纪晚期，这2条断裂带是由一系列近南北向断陷盆地组成，规模达数百千米，并且时至今日仍具有强烈的活动性［17～20］。绒布—哲古断裂为特提斯喜马拉雅前陆褶冲带沙拉岗—查拉普复式褶皱带和错美—隆子复式褶皱带的边界性断裂，邛多江断裂属雅鲁藏布缝合带南界断裂，均为区域次级断裂，总体呈东西向展布，主要表现为由北而南逆冲推覆［21～22］。

3.3 条带剖面分析

以研究区DEM为基础，以5 km宽度提取了羊卓雍错地区的3个条带剖面A-A'、B-B'、C-C'(剖面位置见图2)，包括最大高程、最小高程、平均高程及地势起伏度曲线 (见图7)，分别反映了带状区域内最高峰顶面、水系沟谷、平均海拔高度及切割剥蚀程度等地形特征［23～26］。

由图7可见研究区条带剖面特征，剖面总体呈边缘高中间低的高程分布形态，盆地内部海拔由东向西、由南向北逐渐降低，反映了羊卓雍错流域总体地貌特征。流域盆地周围的山体地势起伏度变化范围大、剥蚀严重，为山体构造隆升和强烈剥蚀作用的结果。而盆地底部受地表长期削高填低作用，在盆地内流期间，成为整个流域的侵蚀基准面，剥蚀程度大为减弱，盆地底部以平原和丘陵地貌为主，呈晚期地貌演化特征。由最大高程曲线可见，盆地内部由四周山体向盆底发育有三级地貌阶梯:Ⅰ级阶地主要分布在盆地南部的普莫雍错及东部高地，海拔高度在5000～5100 m;Ⅱ级阶地发育在羊卓雍错水系外周边及盆地东部，高程在4800～5000 m，地势略有起伏;Ⅲ级阶地分布在盆地中部，高程约4400～4600 m，地势平坦。当地处于藏南古大湖发育区，结合有关学者在当地发现的大范围高位湖相地层［27］(见图4d)，笔者认为该区域三级阶梯地貌与湖泊作用密切相关。

在剖面A-A'中，分布在羊卓雍错流域盆地东侧的邛多江断陷盆地为桑日—错那南北向大型断陷带的一部分，为地堑式正断层显示，控制了羊卓雍错的东缘。西部的热龙盆地属于亚东—露谷南北向大型断陷裂谷带，整体为正断显示，断裂下盘控制了羊卓雍错盆地的西部边界。盆地内部发育的邛多江断裂和绒布—哲古断裂对盆地控制相对较弱，一方面，邛多江断裂西部横穿现今湖泊发育区，属盆地现今最为平坦的区域;盆地南侧，北倾的绒布—哲古逆冲断裂北侧海拔明显低于南侧，这些特征反映上述2条断裂后期的活动微弱。另一方面，羊卓雍错盆地南北边缘的表现截然不同，其中盆地北缘平直，南缘则凹凸不平。经过计算，流域盆地南北缘山前曲折度 (S mf)分别为2.1和5.6，盆地不对称度AF值为16，反映盆地两侧遭受了不同程度的河流侵蚀作用，南侧河流侵蚀远比北侧要发育，其特征应与盆地北侧发育的雅鲁藏布江断裂的活动有关［28～30］。

3.4 流域面积-高程积分

流域地貌的发育不仅有地球内动力作用，还伴随着地表物质的侵蚀、搬运与沉积等外营力作用，所以任一发育阶段的流域地貌，可以用反映地表物质相对侵蚀量的面积-高程积分曲线来表示［31］。根据戴维斯地貌侵蚀旋回理论，当该曲线呈上凸型，Hi＞0.50时，流域侵蚀剧烈，表现出构造活跃的幼年期特征;当该曲线呈S型，0.40≤Hi≤0.50时，为壮年期阶段;当曲线呈下凹型，Hi值＜0.40时，侵蚀过程缓和，地貌形态具有趋于稳定状态的老年期特征。因此根据Hi值可以推测流域的地貌特征。

图7 羊卓雍错地区A、B、C条带剖面图Fig.7 Swath profile graph of the YamzhoYumco region

图8 羊卓雍错流域示意图Fig.8 The YamzhoYumco watershed range diagram based on DEM

图9 羊卓雍错流域面积—高程积分曲线图Fig.9 Curve of hypsometric integral in the YamzhoYumco watershed

对羊卓雍错流域 (见图8)以10 m为等高线间距计算出每条等高线对应的面积a和高程差h值及总面积A和最大高程差H，最终作出流域的面积-高程积分曲线图 (见图9)。该流域面积-高程积分曲线呈下凹型，并且计算得Hi值为0.22，这表明了研究区因长期的内流沉积作用，盆地底部剥蚀程度微弱，地势起伏度小，总体地形趋于平坦，已经处于侵蚀作用的老年期阶段。其中，AB段 (5373～7193 m)占流域总面积的7.24%，曲线急剧下凹，代表了盆地边缘山体由于剥蚀剧烈、切割强烈而地势陡峭;BD段 (4460～5373 m)较为平缓，占流域总面积的92.76%，代表了盆地内部地势由于削高补低的内流沉积作用而趋于平坦。在BD段中，BC段与CD段的曲线斜率略有不同，C点海拔属于Ⅱ级阶地内。由此分析，羊卓雍错流域内部存在长期的内流沉积作用，其内由于碎屑物质的削高填低，使得盆地内部地势不断降低，地貌趋于平坦;而BC段与CD段斜率不同，C点为分界点，反映出了流域盆地在海拔5373～4880 m以及4880～4460 m范围内经历不同程度的侵蚀作用，与盆地大湖期以来，盆地以内部湖泊水位为侵蚀基准面的变化相关。

4 结论

在GIS技术支持下，通过对羊卓雍错流域范围内地貌参数的提取与分析，结合相关区域地质资料，初步得出了该地区的盆地地貌特征，为研究高原腹地地貌格局的演化提供有意义借鉴和基础资料。

研究区整体地貌处于高海拔—极高海拔区域，中部为地势平坦的平原—丘陵地貌，四周为海拔较高且地势变化较大的山区，盆地除西部白地乡存在短暂外流河流外，整体为一发育完整的高原内部盆地地貌。盆地底部受地表长期削高填低作用，在盆地内流期间，成为整个流域的侵蚀基准面，在盆地底部出现以平原和丘陵地貌为主的地貌特征。

盆地内部发育有三级层状阶梯地貌，分别位于4400～4600 m、4800～5000 m、5000～5100 m之间。结合当地高位湖相层分析，认为阶梯地貌的出现与盆地湖泊作用密切相关，是盆地古湖水位多次变化逐渐形成的结果。

盆地分布受断裂控制明显，其中，东西展布受邛多江断陷带和热龙断陷控制。盆地内部发育的邛多江断裂和绒布—哲古断裂对盆地控制较弱，盆地北部受雅鲁藏布江断裂活动的作用，盆地北缘发育平直。

羊卓雍错流域盆地的面积-高程积分值 (Hi)为0.22，表示地貌演化进入晚期阶段，是流域内部长期内流沉积作用下削高填低的结果，其演化特征代表了高原内部所发育的内流盆地，长期以各自盆地底部为侵蚀基准面的地貌夷平演化过程。

羊卓雍错地区现存的盆地地貌演化受高原隆升以及内部流域盆地剥蚀夷平的共同作用，出现盆地周缘陡峻，盆地底部广阔平坦的高原盆地地貌。众多的高原腹地内流盆地共同形成高原现今盆岭相间的地貌形态。

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