利用水系类型和GPS数据研究龙日坝断裂带变形模式

呼永强，李 伟

（1. 辽宁中医药大学，沈阳 110167；2. 中国地震局地质研究所，北京 100029；3. 中国地震局第二监测中心，西安 710054）

0 引言

断层的走滑运动会断错水系，这种位错可以是一次地震或通过多次位错逐渐积累起来的，也可以是通过断层长期的蠕滑运动发生。而水系方位的系统偏转或者流域盆地形态的变化（如压扁和拉张等）只有在长时间尺度、较宽的应变带的情况下才能发生；反之，现今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。水系平面旋转可以作为地壳应变的标识，评价远场变形的类型和速率[1]。如果想提取断裂带（或者块体边界）上长时间尺度上的地貌演化信息，就必须了解水系类型随着造山过程是如何演化的。

断裂带（或者块体边界）是一个宽广的变形区域，在变形带内存在转换，拉张或挤压等构造作用。这些大范围的、较长时间尺度（几十万至几百万年）的变形量的估计需要跟踪地质或地貌特征，而水系是教科书式的例子，可以用作指示构造作用的地貌形变特征[1]。本文利用水系类型分析，结合GPS数据，探讨了龙日坝断裂带的走滑作用和巴颜喀拉地块向东运动是如何控制该地区的水系类型以及水系如何响应构造作用。该研究对于今后利用水系类型研究和揭示构造作用、应变分配和积累、块体运动具有重要的参考价值。需要注意的是，水系类型的形成是地质作用长期积累的结果（是一种反映断裂带长时间尺度运动性质和特征的载体），与GPS（是一种反映断裂带短时间尺度运动性质和特征的媒介）揭示的现今构造特征不同。但是，在构造运动长期保持稳定的情况下，地质时间尺度的构造变形可以认为是现今短时间尺度所观测到的变形的一种积累或者说“积分”。

前人在地震地质方面对龙日坝断裂带的研究侧重于查明断裂的晚第四纪活动性和地震危险性[2-3]，而对水系类型的分析及其对构造应变的响应特征等缺少研究。虽然已有较多基于GPS观测的对该断裂带运动学特征的研究[4-7]，但GPS观测结果仅在短（十年）时间范围内。另外，当GPS站点过于稀疏，而断层的滑动速率又非常低的时候，其结果可能并不能完全反映出大区域的、地质历史时间尺度的变形特征。

本文利用ALOS30m精度的DEM在arcgis软件里自动提取了龙日坝断裂带地区的汇水流域及其河流，并利用Topotoolbox[8]工具计算了汇水流域及河流的方位角和偏转角。结果发现该地区的流域和水系形态受构造应变的强烈控制：龙日坝断裂带中段的水系发生了系统性的偏转；龙日坝断裂带北东段的水系发生了平行于断层的压扁和拉张，表现为对挤压应变的响应。

1 区域地质及GPS形变

龙日坝断裂带是巴颜喀拉块体内部的一条次级块体边界，也是一个地貌边界，向西是非常平坦的高原面，向东是高起伏度的龙门山。虽然，徐锡伟等[2]推测该断裂带的南西段和北东段晚第四纪以来也活动过，而一些野外调查显示晚更新世的冲积阶地未被错断[3]。沿着龙日坝断裂带中段发育非常明显的构造地貌现象，线性特征明显，表明该段晚第四纪以来强烈活动。任俊杰等[3]利用探槽法重建了龙日坝断裂带上的古地震历史，并利用断错阶地坎计算了地质上的滑动速率，结果表明，龙日坝断裂带以右旋走滑为主兼有向南东逆冲的分量。与龙门山断裂带的滑动速率对比表明，龙日坝断裂带具有与龙门山断裂带在高原东缘的应变分配中具有一样的重要作用[3]。

沿着龙日坝断裂带的基底主要涉及到三叠系的火成岩，包括花岗岩和松潘-甘孜复理石。新生代地层主要由古近系的砾岩、砂岩、粘土岩以及第四纪冲积、洪积、风积沉积物组成。第四纪河流相和冲积相主要由含砂砾石、细砂、粉砂和粘土组成，主要沿着若尔盖河和白河及其支流分布。风成沉积物以位于山与河谷间的黄土阶地为特征，以及河流阶地上的薄层盖层[3]。

根据王敏等[7]最新的GPS结果，松潘-甘孜地区和龙门山断裂带之间在约400 km的范围内存在约5 mm/a的缩短速率，这种分散的变形必然是因为存在多条断层共同调节挤压汇聚的结果。另外，穿过龙门山断裂带存在约1 mm/a的右旋走滑，而在松潘-甘孜地区却有高达8 mm/a的右旋走滑，主要分布在龙日坝断裂带的两侧，这表明龙日坝断裂带可能存在着较高的右旋走滑，并且以断裂为中心两侧存在较宽的应变带或者叫变形带。本文利用王敏等[7]发表的最新GPS数据，将参考框架转换到华南块体，分别垂直龙日坝断裂中段和北东段提取了两条速度剖面（图1），并将速度矢量分别投影到垂直和平行断层的方向上（图2）。由图2可以看出，跨龙日坝断裂带中段和北东段均有明显的逆冲和右旋走滑。由图1b区域应变场可以看出，龙日坝断裂带两侧具有较宽较高的应变带，且沿断裂带走向的分布较为均匀。

图1 区域地震构造简图

图2 GPS速度剖面

2 水系特征及其构造意义

水系的分布特征和几何形态可以对断层的活动性及运动性质的研究提供重要信息[8-16]。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[1]。本文通过提取龙日坝断裂带地区水系、流域盆地、方位角和偏转角，试图揭示断裂走滑和块体运动与河流地貌之间的关系（图3）。

首先提取了4个较大的汇水流域，如图3a中黄色多边形所示；这4个汇水流域中的河流均发生了较明显的S形弯曲和Y形分叉，如图3a中深蓝色实线所示。同时，汇水流域的形状也发生了明显的变化，由宽阔变为狭长，表明汇水流域的形态受块体运动挤压应变的强烈控制。

为了排除岩性对流域形态和水系方位可能的影响，查阅了研究区的1∶20万地质图（图3b）。由地质图可以看出，龙日坝断裂带地区的水系主要分布在三叠系地层中，同时一些较大的水系两侧堆积了晚第四纪冲洪积地层，总体上该地区地层岩性变化不大；虽然该地区的地层走向分布具有一定的规律，但水系并没有明显沿着地层或地层边界发育的特征，甚至有与地层斜交和直交的趋势；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，表明地层对水系的方位不起控制作用（图3b）。

最终利用arcgis软件自动提取了17个次级汇水流域，再利用Topotoolbox[8]工具计算了方位角（河流不同河段两端节点连线与正北方向的夹角，以河流上游至下游的方向为准，角度介于0°～360°之间）和偏转角（即河流与断层之间的夹角，角度介于0°～180°之间，同一河流的偏转角可以是锐角或钝角，但在统计不同河流与断层之间的偏转角时，必须以河流相同一侧的角度为准）（图3c，图4），并将方位角和偏转角按照由SW-NE至S-N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图和水系偏转角分布图（图4）。根据所得结果发现，水系方位角分布和水系偏转角分布都具有一定的规律性或者趋势性，龙日坝断裂带中段北西侧的水系发生了沿着断裂走滑方向或者说块体相对运动方向的系统性偏转，与断层的走向呈现出明显斜交特征，同时具有一定的拉长特征；而龙日坝断裂带北东段两侧的水系呈现出明显与断层走向近平行特征，同时表现出明显的EW向压扁和NS向拉长。另外，从图4中可以看出，断裂带附近的水系方位角总体上分布在0°和350°左右，即河流大致向北流；而水系的偏转角从断裂带中段向断裂带北东段逐渐减小，即从与断层斜交变为近平行。

图3 研究区水系分布图

图4 研究区水系方位角和偏转角

3 讨论

通过提取研究区内较大一级的汇水流域（图3a）发现，汇水流域的形态呈现出顺着块体运动或者说挤压方向由开阔状转狭长状的变化，并且流域的长轴逐渐变为垂直块体挤压方向和平行于断层走向，证明构造应变对流域形态的控制作用，狭长状流域对应着块体挤压最强烈和应变积累最大的地方[17]（图5）。然后，分析了地层岩性可能对水系形态产生的改变和影响，结果表明，水系形态和地层岩性没有绝对的关系，地层不是影响水系形态的因素。

图5 研究区变形模式图

共提取沿断层走向分布的17个次级汇水流域的方位角和偏转角，其中，沿龙日坝断裂带中段（北西盘）和北东段（西盘）分别为7个和10个，方位角均主要分布在0°和350°左右。总体上看，方位角沿断层走向的变化不大，均大致流向近正北方向（图3～4）。另外，通过计算每个汇水流域与断层的夹角（即水系偏转角）发现，沿龙日坝断裂带中段（北西盘）的7个汇水流域与断层大致斜交，表现出沿着断层走滑方向的系统性偏转和拉长，表明主要受到了断层走滑作用的影响，与利用GPS剖面所获得的跨龙日坝断裂中段具有明显的右旋走滑特征所一致（图2）；沿龙日坝断裂带北东段（西盘）的10个汇水流域与断层近平行，水系形态受到了明显压扁和拉长，表明主要受块体运动方向上的挤压应变所主导（图5），与利用GPS剖面所获得的跨龙日坝断裂北段具有明显的挤压和右旋走滑特征所一致（图2）。利用水系类型和GPS所揭示出的龙日坝断裂带的运动学特征是相同的，说明现今的GPS观测是可以反映断层较长时间尺度上的运动性质的。另外，跨过龙日坝断裂带的GPS速度剖面所指示出的明显的右旋走滑和挤压特征，以及应变率场所指示出的龙日坝断裂带两侧较连续宽阔的高应变率均证明构造应变对水系平面形态的主导作用（图1b，图2）。

值得注意的是，这些次级流域盆地的长轴方向或者说拉长方向近垂直于主剪切带里的张破裂（图5a，b），而流域内的河流方位或者说流向则对应着主剪切带内的拉张区（图5a，b）。这些现象可以很好地用里德尔剪切模型解释（图5）。图5a中的M主滑动面对应图5b中的主断裂位置，图5a中的灰色长箭头对应图5b中的黑色长箭头，图5a中的灰色粗箭头对应图5b中的白色粗箭头。因为张破裂所处的区域为应力集中区或者说挤压区，如图5a中灰色区域所示，主应力方向垂直于水系长轴方向或者说拉长方向；而主剪切带内的拉张区所对应的区域是应力释放区或者说拉张区，如图5a中的白色区域所示，主应力方向平行于水系的水系长轴方向或者说流向。这些现象表明水系趋向于流经拉张应力区或者那些容易“逃逸”的张性通道。

4 结论

本文首次利用arcgis软件提取了龙日坝断裂带地区的汇水流域及其河流，利用Topotoolbox工具计算了汇水流域及河流的方位角和偏转角，结合GPS运动学数据研究了龙日坝断裂带地区的水系形态和构造作用之间的关系。结果显示，龙日坝断裂带地区的水系形态受到了断层走滑作用和变形带内构造应变的强烈影响，主要表现为沿着断层走滑方向的系统性偏转和拉长以及垂直块体挤出方向的压扁和伸长。