利用水系方位角和GPS數據研究龍門山后山斷裂運動模式

李 偉，謝 超，程宏賓，馮 兵

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

構造地貌研究是揭示構造活動的重要手段之一。由于構造運動速率通常十分緩慢，其效果需要長期積累才能表現得較為明顯，這種長期的積累，精密的測量儀器有時難以有效記錄。而構造地貌為內、外應力共同作用的結果，且能夠記錄到這種長期累積的效果，并能通過相關的參數定量表達。前些年研究活動斷裂的相關地貌參數，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動上，缺乏反映斷裂走滑運動的地貌參數（石峰等，2014，2018）。

利用水系偏轉角研究走滑斷層的運動模式及空間展布等近年來發展為一種新穎的手段并得到了較好的應用（謝超等，2016；石峰等，2018），但是傳統的提取水系偏轉角的方法大多數都是半自動半人工，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，最終會導致測量結果具有較大的誤差，甚至得到錯誤信息而誤導認識。本研究以龍門山后山斷裂兩側的水系提取為例，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的河網，然后利用空間統計工具，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點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造與構造地貌定量化和數值模擬中發揮較大作用。

1 區域地質概況

龍門山斷裂帶位于青藏高原東緣，呈NE向展布，總長度達580 km，構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年相繼發生了汶川8.0級和蘆山7.0級強震。根據已有活動構造和GPS數據研究結果，該斷裂帶內的單條斷裂的逆沖和走滑速率存在分段和差異性認識（王小亞等，2002；張培震等，2003；唐文清等，2005；賈營營等，2010）。根據Wang et al（2020）最新的GPS結果，松潘—甘孜地區與龍門山斷裂帶之間約400 km范圍內存在約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節擠壓匯聚的結果。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一定距離內卻有高達8 mm/a的右旋走滑（Wang et al，2020）。本研究利用Wang等（2020）發表的最新GPS數據，將參考框架轉換到華南塊體，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域有明顯的逆沖和右旋走滑。綜合形變結果認為：龍門山斷裂帶內的變形應該由多條主干斷裂進行吸收和調節，構造應變分布在了一個更寬的范圍內。

圖1 區域地震構造簡圖

圖2 GPS速度剖面

2 水系方位的提取及其構造意義

水系的分布特征和幾何形態可以為斷層的活動性及運動性質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。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，我們利用了研究區的1∶20萬地質圖（圖3b），由圖3b可以看出，后山斷裂兩側的水系主要分布在彭灌雜巖體內，兩側巖性較為均一，并且水系在流經不同巖性地層的時候，方位沒有發生明顯變化，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（即偏轉角），然后將方位角和偏轉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角分布圖（見圖4和圖5）。根據提取的結果可知，水系方位角分布和水系偏轉角分布具有相似的特征，指示的是右旋走滑斷層兩側引起的系統偏轉，其中局部的一些變化可揭示斷層在不同分段區域存在不同運動學特征。

圖3 研究區水系、地質和水系方位分布

圖4 研究區斷層北西側和南東側水系方位分布

圖5 研究區斷層北西側（a）和南東側（b）水系偏轉角分布

3 結論及探討

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°，且由南向北呈現逐漸增大的趨勢，即水系發生了向北的偏轉，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°，且呈現出由南向北逐漸變小的趨勢，即水系發生了向南的偏轉，與斷層南東盤的相對運動方向一致。通過水系偏轉角的計算結果發現，斷層北西盤的水系偏轉角由南向北呈現逐漸增大的趨勢，斷層南東盤的水系偏轉角由南向北呈現出逐漸減小的趨勢，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動積累起來的。水系方位的系統偏轉只有在長時間尺度、較寬的應變帶的情況下才能發生，故發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。如果單純依賴水系方位的變化來判斷構造作用，判斷斷層的運動性質也必須謹慎，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，可能會出現不同情況的水系偏轉，甚至會出現水系偏轉方向與塊體或斷層運動學方向相反的情況；另外，如果一個變形帶內存在多條斷裂的時候，由于斷層之間的走滑運動相互影響，位于斷層之間的水系的方位角和偏轉角都可能變化很小；因此，在利用水系偏轉解析斷層的運動學模式和特征時，如果只依靠水系偏轉方向來判斷的話，可能會得到錯誤的認識和結果。水系方位角和偏轉角作為一種新穎的研究走滑斷裂水平運動特征的方法已經取得了一些成果，在活動構造地貌定量化參數日新月異的現代，如何發展好這一技術手段值得更多的關注和應用。