利用水系方位角和GPS数据研究龙门山后山断裂运动模式

李 伟，谢 超，程宏宾，冯 兵

（1.中国地震局地质研究所，北京 100029；2.中国地震局第二监测中心，陕西 西安 710054）

构造地貌研究是揭示构造活动的重要手段之一。由于构造运动速率通常十分缓慢，其效果需要长期积累才能表现得较为明显，这种长期的积累，精密的测量仪器有时难以有效记录。而构造地貌为内、外应力共同作用的结果，且能够记录到这种长期累积的效果，并能通过相关的参数定量表达。前些年研究活动断裂的相关地貌参数，主要基于河流或水系纵剖面提取，因此局限于反映断层的垂直运动上，缺乏反映断裂走滑运动的地貌参数（石峰等，2014，2018）。

利用水系偏转角研究走滑断层的运动模式及空间展布等近年来发展为一种新颖的手段并得到了较好的应用（谢超等，2016；石峰等，2018），但是传统的提取水系偏转角的方法大多数都是半自动半人工，即先提取某一出水口的上游的汇水流域，然后人工测量汇水流域长轴与断层之间的夹角，这种方法工作量大且存在较多人为主观因素，最终会导致测量结果具有较大的误差，甚至得到错误信息而误导认识。本研究以龙门山后山断裂两侧的水系提取为例，介绍了一种新的提取水系方位角（简称“方位”）的方法，即基于Arcgis软件的水文分析工具先提取研究区的河网，然后利用空间统计工具，自动计算和提取水系的方位角，其原理为计算河流不同河段两端节点连线与正北方向的夹角（或称“罗盘角”），该方法大大减小了人工测量的工作量且极大地提高了测量精度，有望在日后的活动构造与构造地貌定量化和数值模拟中发挥较大作用。

1 区域地质概况

龙门山断裂带位于青藏高原东缘，呈NE向展布，总长度达580 km，构成了青藏地块与华南地块的边界带（邓起东等，1994；见图1），龙门山断裂带主要由后山断裂、主中央断裂和山前主边界断裂组成。同时，龙门山断裂带具有较高的地震危险性，在2008年和2013年相继发生了汶川8.0级和芦山7.0级强震。根据已有活动构造和GPS数据研究结果，该断裂带内的单条断裂的逆冲和走滑速率存在分段和差异性认识（王小亚等，2002；张培震等，2003；唐文清等，2005；贾营营等，2010）。根据Wang et al（2020）最新的GPS结果，松潘—甘孜地区与龙门山断裂带之间约400 km范围内存在约5 mm/a的缩短速率，这种分散的变形必然存在多条断层共同调节挤压汇聚的结果。另外，跨龙门山断裂带存在约1 mm/a的右旋走滑，跨龙日坝断裂带两侧一定距离内却有高达8 mm/a的右旋走滑（Wang et al，2020）。本研究利用Wang等（2020）发表的最新GPS数据，将参考框架转换到华南块体，从垂直于龙门山后山断裂提取了一条速度剖面，并将速度矢量分别投影到垂直和平行断层的方向上。由图2可以看出，跨龙门山后山断裂区域有明显的逆冲和右旋走滑。综合形变结果认为：龙门山断裂带内的变形应该由多条主干断裂进行吸收和调节，构造应变分布在了一个更宽的范围内。

图1 区域地震构造简图

图2 GPS速度剖面

2 水系方位的提取及其构造意义

水系的分布特征和几何形态可以为断层的活动性及运动性质的研究提供重要信息（谢超等，2016；林爱民等，2013）。断裂带或块体边界不只存在断裂简单的逆冲或走滑，同时还在断裂两侧一定范围内存在着构造应变，最好的例子就是水系方位的逐渐改变。本研究通过提取龙门山断裂带后山断裂中段的水系方位（水系方位φ），以此反映断裂的走滑运动对地貌的控制作用（见图3）。为了排除岩性对水系方位可能的影响，我们利用了研究区的1∶20万地质图（图3b），由图3b可以看出，后山断裂两侧的水系主要分布在彭灌杂岩体内，两侧岩性较为均一，并且水系在流经不同岩性地层的时候，方位没有发生明显变化，表明地层岩性对水系的方位不起控制作用。

本研究利用Arcgis软件提取了沿龙门山后山断层走向两侧分布的54个水系的方位角，其中，断层北西盘（上盘）20个，断层南东盘（下盘）34个。将水系方位角换算成水系与断层的夹角（即偏转角），然后将方位角和偏转角按照由南向北的方向投影到一条接近断层走向的剖面上，即图3c中的黑色实线，分别得到了水系方位角分布和水系偏转角分布图（见图4和图5）。根据提取的结果可知，水系方位角分布和水系偏转角分布具有相似的特征，指示的是右旋走滑断层两侧引起的系统偏转，其中局部的一些变化可揭示断层在不同分段区域存在不同运动学特征。

图3 研究区水系、地质和水系方位分布

图4 研究区断层北西侧和南东侧水系方位分布

图5 研究区断层北西侧（a）和南东侧（b）水系偏转角分布

3 结论及探讨

本研究利用SRTM 30 m精度的DEM，使用Arcgis提取的沿龙门山后山断层走向两侧分布的54个水系的方位角，断层北西盘（上盘）的水系方位角分布在88°～165°，且由南向北呈现逐渐增大的趋势，即水系发生了向北的偏转，显示出断层北西盘的右旋走滑特征；断层南东盘（下盘）的水系方位角主要分布在262°～344°，且呈现出由南向北逐渐变小的趋势，即水系发生了向南的偏转，与断层南东盘的相对运动方向一致。通过水系偏转角的计算结果发现，断层北西盘的水系偏转角由南向北呈现逐渐增大的趋势，断层南东盘的水系偏转角由南向北呈现出逐渐减小的趋势，这种变化也表明断层具有右旋走滑的特征。

断层的走滑运动会错断水系，这种单纯的位错可以是一次地震或多次地震逐渐积累起来的，也可以是通过断层长期的蠕滑运动积累起来的。水系方位的系统偏转只有在长时间尺度、较宽的应变带的情况下才能发生，故发生系统偏转的水系必然反映的是长时间尺度上的构造作用和应变。如果单纯依赖水系方位的变化来判断构造作用，判断断层的运动性质也必须谨慎，因为在断层的走滑速率、变形带宽度、隆升差异等条件不同的情况下，可能会出现不同情况的水系偏转，甚至会出现水系偏转方向与块体或断层运动学方向相反的情况；另外，如果一个变形带内存在多条断裂的时候，由于断层之间的走滑运动相互影响，位于断层之间的水系的方位角和偏转角都可能变化很小；因此，在利用水系偏转解析断层的运动学模式和特征时，如果只依靠水系偏转方向来判断的话，可能会得到错误的认识和结果。水系方位角和偏转角作为一种新颖的研究走滑断裂水平运动特征的方法已经取得了一些成果，在活动构造地貌定量化参数日新月异的现代，如何发展好这一技术手段值得更多的关注和应用。