通过高分辨率地形数据解析圣安德烈斯断层带的构造地貌：以乔莱姆段为例

J.R.Arrowsmith O.Zielke

通过高分辨率地形数据解析圣安德烈斯断层带的构造地貌：以乔莱姆段为例

J.R.Arrowsmith O.Zielke

断层带上的高分辨率地形数据对描绘新近地表破裂具有非常重要的辅助作用。圣安德烈斯断层（SAF）中南部的乔莱姆段南15km长的范围内保存着许多非常好的构造地貌现象，如阶地、槽谷、陡坎和线性山脊，这些都表明了地震的多次重复发生。近期获得的整个圣安德烈斯断层南段的LiDAR（Light Detection and Range）地形数据（“B4”计划）的拍摄密度为3～4m－2。通过计算LiDAR反射数据，使用反距离权重插值计算（Inverse Distance Weighting，IDW）的局部面元组合方法（Local Binning）来获得0.25～0.5m分辨率、0.8m或者更大查找半径的数字高程模型（DEM）。通过该数字高程模型对构造地貌的解译足以对古地震场地进行评估。仅使用LiDAR数据对新近地表破裂进行填图的结果与航片解译方法和野外调查所得到的结果具有很好的一致性。整个圣安德烈斯断层的宽度从数米到近1km不等，且由许多长度为数米到数千米的雁列、叠瓦状的近平行的断裂组成。这些断裂所围限的运动块体运动方向各不相同，但它们的延伸方向与圣安德烈斯断层近于平行。对 “活动的”的定义和地表次级断裂的重要性不同认识，影响着最终填图结果中断层的宽度和复杂性。

构造地貌 LiDAR 圣安德烈斯断层 数字高程模型

引言

由于圣安德烈斯断层（SAF；图1）中南段一些数十米至数千米尺度的构造地貌现象保存的很完好，所以在地表留下了非常清晰的痕迹（图2；例如，Wallace，1975；Wallace and Schulz，1983；Wallace，1991）。通过断层带围限块体的近平行、不连续、弯曲、共面的断层面之间的重复滑动与河流对地表的影响和坡面作用（至少全新世以来；Bryant and Hart，2007），该断层带上发育了一系列的槽谷、山脊、断陷和断错水系。这些地貌现象对于研究断层带地表数千米下的地质构造（例如，Lawson，1908；Wallace，1991；Arrowsmith，2007）和断层带的数百年到数百万年地震活动历史（例如，Grant and Sieh，1994）具有非常重大的价值。此外，这些地貌现象对于预测下次地震最可能发生的地点具有至关重要的意义。

对圣安德烈斯断层带的构造地貌特征的解译具有很重要的价值。该断层带地下数千米的地质块体的几何形态和运动情况，对于研究破裂动力学、流体沿断层带的运动、断层带强度和断层带组构的演化（例如，Scholz，1991）都有重要意义。使用垂直和平行该断层带走向的地貌作为水平和垂向上的标志物，再结合第四纪地质年代学的方法，就为在千百年时间尺度上计算应力释放速率提供了一种可行的方法。这种方法在百万年尺度的地质应力释放速率计算方法和数十年尺度的大地测量应力累积速率方法（例如，Sieh and Jahns，1984；Noriegaetal，2006）之间建立起一座行之有效的桥梁。此外，该断层带上的米级地貌则可以用来指导古地震研究场址的选定和解译（例如，Mc－Calpin，1996）。探槽的位置应当根据指示活动断层位置的地形地貌来进行选取。冲沟中出露的地层产状则与该点地貌形态直接相关联。断层破裂的几何结构样式可以预计探槽露头中破裂的分布情况，且能够确定探槽是否横跨过了整个断层带。通过古地震的调查研究得到的每次地震事件的时间和滑动量信息对于地震破裂的预测是必不可少的（例如，2007Working Group on California Earthquake Probabilities，2008）。最 后，对非常活跃的和已经确定的断层带范围的划定，在预测地表破裂对构筑物的危害性工作中具有一定实用价值（例如，Bryant and Hart，2007）。

最近，机载激光扫描测绘（Airborne Laser Swath Mapping，ALSM）和 LiDAR地形测量数据常被用来对地质调查不清楚的地区和植被茂盛地区进行粗放性填图（例如，Haugerudetal，2003；Sherrodetal，2004；Bevisetal，2005；Kondoetal，2008）。这些数据可以对地震活动复发在地貌上所留下的现象，在适当的尺度（米）和精度（分米）上提供有用的量值。通常，美国在对断层带进行填图工作时，都使用美国地质调查局标准地形图和10m或30m的数字高程模型（http：//seamless.usgs.gov；图2）以及航空摄影（McCalpin，1996；Bryant and Hart，2007）等技术。虽然航片已经具备米级的分辨率，并且摄影测量技术可以用来构建高分辨率的数字高程模型，但是它们通常仅用作二维层面上断层破裂定位的底图，以及定性地用在三维空间立体辅助解译工作。

图1 加利福利亚南部活动断层（U.S.Geological Survey and California Geological Survey，2006）、圣安德烈斯断层B4计划LiDAR数据范围和乔莱姆研究区（图2的范围）。LA是洛杉矶，PKF是帕克菲尔德，CP是卡里索平原

B4计划的圣安德烈斯断层南部的最新成像结果（Bevisetal，2005；http：//www.earthsciences.osu.edu/b4）对 我 们 研究和理解圣安德烈斯断层的构造地质情况、地貌和最新的形变历史提供了许多新的机会。检验如何让这些新数据最大效率地用于对活动断层的填图工作，解析古地震场地的地貌特征，评估传统填图方法（LiDAR技术之前）和使用LiDAR地形数据进行断层破裂填图的差异，是本文的几个主要目的。

本文中，我们在前人对断层破裂填图结果和古地震研究的基础上，对圣安德烈斯断层上的一部分（乔莱姆段南部；图1和图2）进行了研究，并将其与新的LiDAR地形数据结合起来，探索其在解译圣安德烈斯断层构造地貌特征中的应用。首先，我们试验在提取构造地貌特征方面，何种配置参数可以构建出最理想的数字高程模型。然后，解析LY4古地震场地的地貌特征（Stoneetal，2002；Youngetal，2002）。最后，对研究区域内活动断层的三种填图方法进行对比：Vedder和Wallace（1970）使用的以野外调查和航片解译为基础的 “经典”方法、以野外调查为基础并在LY4场地进行勘察的代表性方法（Stoneetal，1998；Stone，1999）以及本文合著者Zielke所使用的仅依靠Li－DAR地形数据的全新填图方法。本文中研究的乔莱姆段具有一定的代表性和挑战性，所得的结果可能可以广泛地用于能使用Li－DAR技术扫描的其他断层的地貌特征研究工作中。

1 构造地貌和古地震研究现状

圣安德烈斯断层在从帕克菲尔德到乔莱姆和卡里索平原的这一段存在着一条显著的孕震段（图1）。作为圣安德烈斯断层的一段，由于在中新世以来发生了最大的破裂总量（约315km；如见Sims，1993），并具有整个圣安德烈斯断层上最大的滑移速率（测得的晚全新世以来滑动速率约为35mm/a；如见Sieh and Jahns，1984），以及有显著的稳定的深部（约地表下12km）滑动且其速度也是约35mm/a（Noriegaetal，2006），使得该区域闻名于世。同时由于指示断层活动性的构造地貌保存的非常完好，该区域也是非常具有代表性的一段。该断层段上的槽地、陡坎、阶地、断陷和山脊等可以确定断层带位置的地貌现象，可以很清楚地从空中以及在高分辨率的LiDAR地形图上看到。

1966年帕克菲尔德地震之后所进行的科学研究工作，主要是对圣安德烈斯断层发生破裂的活动断层进行详细的填图（Ross，1969；Brown，1970；Vedder and Wallace，1970），其 中 Vedder和 Wallace的填图区域包括乔莱姆和卡里索平原部分。他们注意到，圣安德烈斯断层上有许多地震复发的证据（其中大部分是1857年的地震活动）。此外，他们认为整个断层带具有很多近平行、连续、更长的断层破裂，而不是之前认为的主要分布在北西段（Brown，1970）和南东段（Ross，1969），同时他们也指出各种现象能得到良好的保存，不仅依赖于干旱的环境，还可能受断层行为的变化性的影响。

沿着圣安德烈斯断层，地震活动的应变释放行为发生了过渡性的变化：从帕克菲尔德北部的完全蠕变，到帕克菲尔德处蠕变的衰减和数个6级地震活动（Tokéand Arrowsmith，2006），再到乔莱姆和卡里索平原的完全闭锁及复发周期在100～200年时间尺度的M＞7的地震事件（Grant and Sieh，1994；Akcizetal，2009）。在1857年的地震事件中，滑移量在帕克菲尔德东南部是1～2m，在乔莱姆段为3～5m（Sieh，1978；Lienkaemper，2001；Youngetal，2002；但是在局部可能更高，例如，Runnerstormetal，2002），在卡里索平原则上升到了8m（Sieh，1978；Liu－Zengetal，2006；Arrowsmith and Zielke，2008）。

图2 A）本文研究的圣安德烈斯断层乔莱姆段南部17km长的一段（位置见图1；加州46号高速路东南33～50km）。图中灰色条带为使用B4计划的LiDAR数据所生成的0.5m分辨率数字高程模型阴影图叠加在蓝色部分表示的使用国家高程数据库（NED；http：//seamless.usgs.gov）数据生成的10m分辨率的阴影图上。在LiDAR阴影图中可以清楚地看到圣安德烈斯断层在地表不连续的痕迹和水系的错断或者在局部断塞成塘的现象。方框为LY4的位置（图3～6）。图B和C是截取自航片的倾斜视角。B）从北东向对LY4场址进行观察的航片倾斜视角，可以看见断层迹线（黑色的三角形之间）和一座建于1940年代的水坝。C）从南东东向对鲸背挤压脊（WB）和已经切入鲸背隆升面的拉斯耶格河（LY）进行观察的航片倾斜视角

考虑到1857年地震事件及其前震活动和其后累积的超过4m的滑移量，以及在卡里索平原东北的古地震遗址留下的一条主要破裂，Arrowsmith与其硕士生Elizabeth Zima（neéStone；Stone，1999）以及博士生Jeri Young（Young，2004）将工作主要集中在乔莱姆段南边15km的地方，并在那里发掘了一个古地震研究场址，命名为LY4（图2）。Arrowsmith、Stone和同事一起对近期活动的断层和该区域的构造地貌进行填图以确定LY4的位置（见下文对填图工作的更多讨论）。填图工作的成果在Stone（1999）的文章中发表，关于古地震的成果则发表在Stone等（2002）和 Young等（2002）的文章中。其中根据LY4的一系列探槽可以确定公元1030年以来包括1857年地震在内至少发生了3次地震事件，在其中一个探槽5m的范围内可以确定出1857年的地震在这里发生了3±0.5m的位移量。

2 B4计划圣安德烈斯断层激光扫描数据集

2005年对圣安德烈斯断层南段和圣哈辛托断层带进行了LiDAR扫描（Bevisetal，2005； http：//www.earthsciences.osu.edu/b4；图1）。B4计划的目的是为了收集高精度的地形（和影像）数据资料，以对未来大地震中的近场地表变形进行详细的特征分析，并在其基础上进行构造和古地震研究，进而完善定期收集研究级别数据所必需的综合性技术和方案（LiDAR、GPS和IMU）。将一台机载激光测量仪（Optech ALTM 3100）安装在一架飞机（Cessna 310）上，在600m左右的高度进行飞行扫描。扫描仪的工作频率为70Hz，扫描角度为20°，扫描的激光束直径为15cm，扫描出来的区域是一条约430m宽的带。每条带上规定的扫描间隔在星下点为0.6m，在扫描带的边缘为1m。本计划中，飞机飞行5次，扫描了覆盖圣安德烈斯断层的宽度为1～1.5km的区域。收集扫描数据的是由俄亥俄州立大学带头的队伍，包括美国地质调查局、美国国家机载激光测绘中心（NCALM）和UNAVCO公司。不久该数据就可以被公众所获得。而且，GEON计 划 （http：//www.geongrid.org 或 http：//www.opentopography.org） 通 过GEON LIDAR工作流程 （Crosbyetal，2006；Jaeger－Franketal，2006）使得一些科研机构可以获得这些未处理过的点云（point cloud）数据，并用其来建立起自定义分辨率和其他进程参数的数字高程模型（DEM；见下文）。

3 方法和分析

3.1 数字高程模型准备

由于能够获得B4计划的LiDAR扫描点云数据，我们就可以研究前期预处理方法和数字高程模型的分辨率等参数对于进行构造地貌和地震地质研究的解译的影响。数字高程模型把地形表示为非均匀分布的、三维反射激光束测量获得高程值、恒定分辨率的二维网格。使用这些分散的数据来计算数字高程模型是一件计算量大却又相对直接的工作。有许多计算方法都可以用来执行这类计算（例如，El－Sheimyetal，2005）。在那些分辨率比标准扫描间隔大的地方，数字高程模型预处理常使用的方法是局部面元组合法（local binning；如见El－Sheimyetal，2005；Kimetal，2006）。在这些面元上，数字高程模型上节点的值是具有特定查找半径（r）的点的简单函数 ［如，最大值、最小值、平均值和反距离权重函数（IDW）］。提高查找半径可以确保扫描点能够被查找到（否则就会给网格节点分配一个空值），但是该点的值实际上代表的是一个比该点面积更大的区域的值（图3）。反距离权重（1/r2）方法通过赋予近点比远点更高的权重而在一定程度上克服了这种问题（例如，El－Sheimy et al，2005）。而当出现某个区域所需要的分辨率比扫描密度小的时候，就需要运用插值法。在这种情况下，局域面元就能以足够大的查找半径来进行工作，不过常常用到的方法是样条法（spline）、克里金插值法（Kriging）和不规则三角网法（Triangular Irregular Networks，TIN）。

图3 在生成的数字高程模型中查找半径对局部面元组合结果的影响。0.5m分辨率的数字高程模型是用反距离权重的局部面元法生成的（Kimet al，2006）。当查找半径从0.25m（A）增大为0.5m（B）、1m（C）、2m（D）时，空值（查找半径内没有激光返回，即为空值）的数量急剧减少（F）。单位面积上扫描点的数量（E）不同是由于往返扫描时扫描带发生重叠所致。（D）中的矩形为图4的位置

LY4研究场址的平均扫描密度大约为3.6±1.1m－2，密度范围从0到超过10m－2（图3E），这也是整个B4计划中绝大部分区域的密度（卡里索平原和索尔顿湖也是；虽然我们没有进行过系统分析）。生成的数字高程模型的密度和定性的评价表明，0.5m的数字高程模型很好地解决了局部面元组合问题。而每平方米4次拍摄的密度也满足0.5m的数字高程模型中的节点数。使用了反距离权重的局部面元组合方法（Kimet al，2006）后问题就变成了对于适用的反距离权重方法，最佳的查找半径是多少？如果在查找半径内找不到反射激光束，则该数字高程模型上该处的节点值就会返回为空值（图3照片中的孔）。随着查找半径的增加，返回的空值数会迅速降低，并逐渐接近于反常的大片没有激光返回（水——图3左下角）的区域所确定的最小值。在肩部附近区域能指示出最佳的查找半径，其中约0.8～1m的半径值能同时将空值的数目和查找半径最优化（图3F）。

尽管刚才讨论的0.5m的数字高程模型在仅考虑分辨率的情况下可能是最理想的，那么如果我们采用更高的分辨率如0.25m时会怎样呢？文件大小会增大1/4。图4显示了几种不同图像的差异：1m查找半径、反距离权重计算、0.5m分辨率的数字高程模型参考模型，0.8m查找半径、反距离权重计算、效果更好的0.25m分辨率的数字高程模型，以及通过 ArcGIS（http：//www.esti.com/software/arcgis）默认的样条法获得的模型（正规化、权重为0.1、点数为12）。

以样条法为基础的数字高程模型使图像上显出灯芯绒一样的条格状突起和凹槽（图4和图5），而这正是在许多LiDAR研究中经常出现的。飞机的往返飞行使得发生了近乎0.1m的相对错位。当波长为米级、振幅为分米级时，差异在点云和生成的数字高程模型中就会显得非常明显，它们主要是一些垂直于飞行方向的有规则的凹槽和突起（图5）。其中使用样条法的数字高程模型形成的起伏最深（约20cm），而反距离权重插值处理则能将曲线平滑1/2或者更多。

此外在每0.5m进行一次1m半径查找的情况下，本来起伏的数字高程模型已经开始抵消重复扫描带的位错所造成的影响。平行于扫描方向（约北偏东45°；图4和图6的指向标志）的光照，有效地降低了凹凸现象对解译的干扰。

3.2 对圣安德烈斯断层活动断层和构造地貌的填图

3.2.1 代表性填图方法

本文选取断层填图的3种代表性方法进行对比评价。Vedder和wallace（1970）对航片和地形图进行系统分析，结合野外考察，对活动断层进行了1∶24 000比例尺的填图工作。我们将以这种 “经典”方法为参照，对比另外2种方法。第一种是在航空地形图基础上进行野外工作，并对LY4场址进行勘察（Stone et al，1998；Stone，1999）。第二种则是本文另一作者Zielke为该项研究所使用的全新方法，即仅使用LiDAR数据（无野外检验）的填图方法。这些不同的方法都广泛地用于活动断层带的填图工作。本节内容的目的就是为了定性地对比这3种方法对乔莱姆段构造地貌范围的描述。本文中所得的结果普遍适用于其他可获取LiDAR数据的断层。

3.2.2 Vedder和 Wallace（1970）

Vedder和 Wallace（1970）曾经发表过一份加州乔莱姆峡谷和蒂洪山口之间圣安德烈斯断层的带状图。他们当时采取地面实地踏勘调查和垂向航片解译相结合的方法来确定活动断层在地表的迹线（图7）。在野外调查时，他们找到了许多与活动断层相关的地貌现象：陡坎、槽地、豁口、平行褶皱、断错水系、断陷小湖、断陷沉积、淤塞洼地和闸门脊。他们在填图成果上将活动断层标为实线（图7），断层最近发生活动的野外和照片证据包括断层崖、槽地、断陷小湖、泉线或植被差异现象。此外现象不明显但可能是断层的地方则用虚线表示。他们还在典型的现象处标注了简洁的注释。地形数据被编译在1∶24 000比例的地形四角图上。他们认为，在这个尺度的地形图上能表示出来的现象，其误差普遍能精确到50ft（15.2m）以内，但是在某些更低的地方偏差能达到150ft（45.7m）。Zielke在本研究中调整了Vedder和Wallace的原始图件的扫描版本，以便与美国地质调查局的数字栅格地图（Digital Raster Graphic，DRG）相匹配，然后不经过重新解译和定位就把图件数字化。

图4 改变LY4场址的数字高程模型的分辨率、光照方向（左边为北偏西45°，右边为北偏东45°）和网格化计算方法后的效果。A）0.5m分辨率、1m查找半径的反距离权重的数字高程模型的空值数较少，因此是我们分析所使用的参考模型。B）0.25m分辨率、0.8m查找半径的反距离权重的数字高程模型的空值数（表现为北东向的黑线）较多，但在对现象的表现方面比（A）稍好一些。在图6C中也可发现同样的情况。C）ArcGIS样条法获取的0.25m分辨率的数字高程模型有许多干扰性的凹凸现象，尤其是在扫描条带重叠的地方。图中的黑线、红线和蓝线分别对应图5中的地形剖面

图5 从不同的数字高程模型上截取的地形剖面（位置见图4）。各条剖面的位置相同，但是所采用的数据不同。从图中可以很明显地看出一个向上凸出的冲积扇和一条平坦土路的形态，但是高频率的凹凸现象显示出不同的 “灯芯绒”形状。灯芯绒是样条中的最高振幅，但是在0.5m这样一个较差分辨率的数字高程模型中反而得到最大程度的削弱

3.2.3 Stone和Arrowsmith

1990年代晚期，为了在乔莱姆段上找到适合的古地震研究场址，我们（Stone、Arrowsmith和其他同事）一起对断层带上约17km的范围进行了填图工作（Stone et al，1998；Stone，1999；图7），包括对1930年航片的立体图像的解译和野外实地检查，并对航片以1∶10 000的输出文件进行了编辑。我们根据米级地形图上所显示出来的断层最新活动的地形不连续证据，严格地划定了活动断层的范围。那些在野外不能辨认的现象都舍弃而不填入图中。有些特征不能明确说明该处发生过滑动但又有很大可能是断层的，则在图中圈定了大概轮廓。这样严格的标准，使得填图结果相对于Vedder和 Walalce（1970）或者Zielke（见下文）的结果，在图上所标识出来的特征就很少（图7）。我们还将新近活动的滑坡也填入图中。断层迹线和滑坡陡坎以及沉积物都编入航片中，并将这些航片对照美国地质调查局的数字栅格地图进行了调整（Stone，1999）。Arrowsmith在本研究中，将相关的填图结果做了再次修正和数字化。Stone和Arrowsmith填图结果的定位精度为数十米。

3.2.4 Zielke（本研究）

图6 0.25m分辨率、0.8m查找半径、反距离权重数字高程模型上LY4古地震场址地貌图。图中红色部分为圣安德烈斯断层新近发生活动的范围。在有些地方，断层的活动只能依靠像北西边的隆起带这样的地貌现象来确定，因此红色部分在该处会较宽。而在探槽中，我们可以很准确地知道断层的位置。探槽位置选在此处是因为年轻的冲积扇沉积物规律地将地表破裂掩盖起来。图中的水塘、水坝、人工塘底、小型卡车、用来采集数据的GPS天线和三脚架都可以作为比例尺和分辨率的参考

Zielke使用的是一种完全数字化、以GIS为基础、不进行任何野外检验的方法。他仅仅利用数字高程模型（0.5m分辨率，1m查找半径，反距离权重）和分析B4计划LiDAR扫描所生成的阴影图来进行填图工作，其中相关部分的结果显示在图7中。他在滑坡陡坎和沉积物的填图工作中，将之看作是单一的多边形。他寻找断层崖、错断和歪斜（主要为水系）以及其他现象来确定断层位置（分别为图7中的红线和蓝线）。根据质量分级，分别表示为 “确定的”、 “不确定的”、“推测的”和 “有疑问的”4个等级。断层主要的破裂为单一的，其最可能在1857年地震中发生了活动，在地表也发育了非常好的现象，包括非常清晰的断层崖以及水系的偏转和断错。如果地表显示出多条平行的断层迹线，那么就将其中地貌现象消退最少的那条断层作为主断层。次级断层破裂从图中可以清晰地辨认出，只是可能在最近不活跃或者滑动速率很低。这些次级断层破裂通常与主断层破裂近于平行，但是有的地方距离主断层达数百米远，说明断层带的总宽度比在最近几次地震中活动的断层要大得多。“确定的”地貌特征（无论是主断层的还是次级断层的）明显地沿断层陡坎或断错地貌线性延伸。“不确定的”地貌特征通常不很明显，并且没有断错的证据，但却是次级断层破裂的地貌现象等级中最高的。“推测的”则是指那些不能确定在最近发生过活动，但在 “确定的”或者 “不确定的”断层的延长线上，或者被年轻的沉积物所掩埋的情况。最后，“有疑问的”则是指除上述情况之外的似有似无的现象。

4 结果

4.1 古地震场址分析——LY4

选取一个场地进行古地震的详细分析工作（例如横切断层的探槽）都需要对场址附近的地形地貌情况了如指掌。在这个例子中，我们选取LY4场址之后，使用B4计划的数据来分析场地地形地貌特征（Stone et al，2002；Young et al，2002；图3～6）。那两个北东向光照的反距离权重数字高程模型（图4A，B）非常清晰地显示了场地的构造地貌特征。0.25m 分辨率、0.8m 查找半径、反距离权重插值处理的数字高程模型（图4B）的场地影像最清晰，即使是植被、地形起伏的影响也能被消减至最小。图6采用光照方向为北偏东45°的0.25m分辨率的数字高程模型，将相似光照下的0.5m分辨率的阴影图放在其下以填补图4B中很明显的空值，最后把场地的构造地貌完整地显示出来。圣安德烈斯断层在地表的迹线由北西边隆起带内一系列雁列状槽地和南东边的断层崖清晰地显示出来（图6），而中间的冲积扇则将多次发生的地表破裂掩埋起来，使这里成为研究古地震的理想地点（Stone et al，2002；Young et al，2002）。一些好的地貌特征如水洼和探槽附近冲积扇上的植被都由于分辨率的提高而变得更加清晰（比较图4A和B）。

4.2 断层带填图

在下面的几小节中，我们对Vedder和Wallace、Stone和Arrowsmith以及Zielke对圣安德烈斯断层的构造地貌和断层破裂的填图进行详细的对比分析（图7）。

4.2.1 北西段——图7B

该断层带（图7B）北西部6km范围内很好地保存了重要的不连续段、分散的断层变形和LY4场地。Vedder和Wallace的图中断层带的宽度随地点不断发生变化，从单一的线逐渐变化为宽达735m的带。Stone和Arrowsmith的图中两条近平行的断层破裂（见下文）之间的阶区很大（～100m），并在LY4场地附近达到近200m。Zielke确定的活动断层除了阶区几乎就是一条单一的线。如果考虑到次级断层，整个断层带的宽度为300～500m。

鲸背（图7B中的WB，图2B中也有标注）是非正式命名的新近隆升的块体，其北东边的大部以圣安德烈斯断层的活动断层所围限。而穿过鲸背的水系（在WB字母的南东边）及其支流被主流方向为北西的拉斯耶格河所阻断，转而向南东流去。那些切入鲸背的废弃河道的微小痕迹，在野外和某些光照角度下的LiDAR数据数字高程模型上则很明显。鲸背的隆升显著地将拉斯耶格河往南西方向 “推”，并沿河岸形成了许多切口状的沟。许多滑坡体（Stone/Arrowsmith和Zielke已进行填图）的形成也证明了新近发生的隆升和侵蚀。鲸背的北西缘则以活动断层（Stone/Arrowsmith和 Zielke）上的明显左阶现象为标志。Stone（1999）把鲸背的隆升解释为，在阶区的深部，两条断层之间的跨距可能比地表所显示出来的要更大。Vedder和Wallace，以及Zielke在较小的范围内，把该断层带在鲸背的北西段表示为不连续的洼地和陡坡。

LY4场址位于一段以直、连续、叠瓦状为标志特征的断层带上，拉斯耶格河在这里流入由鲸背形成的河床侵蚀交汇点（详情见上文及图6）。LY4场地古地震研究结果需要重点关注的是第二条断层带（向南西方）在该处活动的剧烈程度。Stone等（2002）和Young等（2002）都认为，其对滑动的贡献程度来说并不是很重要，因而忽略了它。虽然对它的活动性等级认定不一，但是所有3个填图的数据集都将其显示出来。Young等（2002）认为，主断裂在1857年的地震活动中贡献了约3m的滑动量。Lienkaemper（2001）和 Arrowsmith/Zielke（2008）的结论则认为，该量在1857年地震事件释放出来的可能的总滑动量中只占小部分，且超出了沟渠和其他地形的断错现象所显示的滑动量范围。那么次级断裂在实际中能贡献出这剩余的1～2m的滑动量吗？Young等（2002）根据已经退化的断层崖和未变形的全新世沉积层（出露在探槽点的西―北西边）认为，它（次级断裂）并没有在最近发生过活动。从LiDAR影像和填图结果（图7B）来看，这条不很确定的破裂在该处地形的数万年发展过程中，其总的活动量不会超过数米（如见，Arrowsmithetal，1998），在1857年地震事件中也没有发生过米级的滑动。

图7 Vedder和 Wallace（1970）、Stone和Arrowsmith（Stone，1999）以及Zielke在本研究中的断层带状填图结果。A）对地质图的符号解释和位置分段。B）、C）、D）分别为断层北西段、中段和南东段的填图结果，底图为北偏西45°光照、0.5m分辨率的数字高程模型。LY4古地震场址的位置（如，Stone et al，2002；Young et al，2002；图4～6）在A和B中皆有标示。详情见正文

图7（续）

4.2.2 中段——图7C

填图区域中间的6km是非常值得注意的一段，因为在该段的北西部有一个潜在的古地震研究场址，主断层控制的水系和该段中间一系列短的、不连续的、方向多变的断层，以及长的、向南东转变过渡为直的断层。Vedder和 Wallace确定的此段断层宽度大约为300m，而Stone和Arrowsmith则认为该段在北西边和南东边各有一条简单的破裂，它们共同围限了一个约150m宽的线性构造为主的带。Zielke划定的活动断层在中部的不连续区的位置是不确定的，而次级断裂显示的情况为断层带从本段西北的750m宽，向南东逐渐缩减为一条单一的仅数米宽的断层。

Vedder和Wallace在图的北西边标注了一个大的断陷湖。Stone（1999）将此地命名为 “拉斯耶格点”。该点是一个非常适合研究古地震的好地方（Stoneetal，1998）。正如所有的填图结果所显示的那样，整个断层破裂切过冲积扇，从北东方对沼泽洼地补给物质。

Vedder和Wallace所确定的断层控制的水系使Stone和Arrowsmith在野外填图时困惑不已。我们在此处花费了大量的精力来区分断层成因和河流成因的陡坎。就在该水系的南东边，断层带甚至变得更为复杂了。Vedder和Wallace把这里描述为“山丘和洼地之地”。Stone和Arrowsmith认为这里不存在很确定的断层。Zielke只能在中间画一条不确定的主断层，然后用次级断层来限定断层带的宽度。LiDAR地形图 与 Stone/Arrowsmith和 Vedder/Wallace的填图所示的山脊间夹洼地的情况相一致。该区域大约由10个不连续的断块组成，它们的运动方向不尽相同，有的向上有的向下，由此产生出了这种很显著的洼地和山脊相间的地貌特征。Stone（1999）把该片区域在立体空间上描述为花朵状构造，该构造由一个较连续的贯穿断层向上扩展形成，而这些断层面就是朵花的花瓣（该断层被覆盖的破裂或许就是Zielke所确定的断层）。假如这个断层真的存在，那么花瓣（断层面）的深度可能近似于该结构的水平范围（即几百米）。

4.2.3 南东段——图7D

填图范围南东端5km的段相对于北西段来说，它的构造几何形态则简单许多。Vedder和Wallace在图中确定了一条50～100m宽的有许多洼地、槽地和山丘构成的条带。Stone和Arrowsmith则确定了一条1～2km长的阶状断层破裂以及一个由滑坡为主的30m高的断层崖。Zielke则在图上简单地勾勒了一条约100m的向左稍弯、向南东延伸的断层（该现象也反映在Vedder和Wallace的图中）。Zielke确定的次级断裂约有1km长，与主破裂近于平行，共同组成一条约500m宽的断层带。

5 讨论

图8 沿近期活动走滑断层（如圣安德烈斯断层南中段）常见的地貌现象。A）Vedder和Wallace（1970）给出的经典地貌方框图。B）LiDAR数字高程模型的高程分层设色地形图中较为典型一段的倾斜视角图，该图展示了图A中几乎所有的典型地貌，这些现象主要为与鲸背挤压脊相关的变形。C）通过地形数据获得的定量化的坡度分级图。图B和C截取自图7B，但却具有更广泛的代表性

这套显示走滑断层近期活动的地形地貌可从图8A中得到 “教科书”式的解释。其中任何一个单一的地形（如：阶地、陡坎或者槽地）都不足以确定一条活动断层。但是一旦把它们按照它们的空间关系和方向组合起来，就成为确定断层位置的强有力的证据（就像沿着这样的地形地貌特征带、形成的历史地震地表破裂和成功揭露出断层在近期活动的相关证据的古地震探槽）。运用像ArcScene （http：//www.esri.com/software/arcgis）一样的GIS可视化工具，我们可以校正一张图片并显现出它的一些新的特征（图8B）。无论图8A还是B都是对新近活动断层所产生的地形地貌的一个充分概括，但是图8B则更加写实和具体。它对于训练研究人员和学生分辨类似的地形地貌特征是否有用还有待观察。但是，我们可以通过这些可视化工具从许多虚拟的视角、不同的色度或者其他的处理方式来观察地形地貌特征。

本文介绍了关于高分辨率地形数据实用性的前期分析，而只要是像圣安德烈斯断层这样的断层都可以很容易获取这种地形数据。我们把分析结果应用到古地震场址的评估和断层破裂填图的工作中（从而在活动断层带比地形数据的范围要更大时给出相应的提示）。许多学者（即 Sieh，1978；Lienkaemper，2001）正在对错断的河道和其他地形进行量化分析和系统分析的工作（Arrowsmithetal，2006；Arrowsmith and Zielke，2008）。

不同的填图结果显示，大多数主要的地貌特征都是非常明显确定的。但我们不提倡没有野外调查的填图方式。Vedder/Wallace和Stone/Arrowsmith都在野外工作之前对航空照片进行解译和检验。任何这种检验都是非常有用的步骤。LiDAR的数字高程模型提供了另一个有用且地理坐标参考系良好的数据集。事实上，LiDAR数据的地理坐标参考系比现在较为普遍的1m的美国地质调查局数字正射影像四角图来说要好得多（可能至少精确一个数量级）。因此，使用LiDAR数字高程模型及其成果作为底图进行野外调查的前期、期中以及调查完成之后的数字化工作都将提高最终图件上地理位置的精确度。

B4计划的LiDAR扫描区域是南加州的一个没有植被覆盖的很大范围。这些数据没有根据地面返回和植被返回的不同而进行分类。圣安德烈斯断层以及加州和其他地方的相关断层在 “裸露的”数字高程模型中显得非常明显 （例如，Haugerudetal，2003；Sherrodetal，2004；Kondoetal，2008）。在这样的条件下，LiDAR技术的优越性甚至比我们在这里讨论的还要更大。

本文的研究在很大程度上是定性的，并具有非常大的主观性（这是选址定位和填图所需要的）。地质/地貌工作者的眼睛和思维能力才是最有价值的工具。在GIS环境中，LiDAR分析工作则是一个强有力的辅助手段。透过这些 “漂亮的图片”会让人对崩塌、滑坡、河流面作用与断层作用和散布的变形之间相互作用的速率和过程有更好的了解。拉斯耶格河穿过 “鲸背”隆升区附近的岸边高坡在图8C中非常清楚，并与填图时发现的该处滑坡灾害很集中的现象相吻合（Stone/Arrowsmith和Zielke的填图结果，图7B）。而坡度更高的窄带则在LY4场址附近以及 “鲸背”北西（左边）出露了新近发生活动的断层破裂。断层陡坎则指示了这些断层的地表破裂，并记录下了其形态学特征（Arrowsmithetal，1998）。把这种思路进一步扩展，Hilley和Arrowsmith（2008）运用LiDAR的数字高程模型，结合对卡里索平原上圣安德烈斯断层挤压山脊的构造活动的认识，描述了一个岩石短暂隆升区域的地形地貌的发展过程。

6 结论

对断层带进行带状扫描以获取高分辨率地形数据的方式在确定活动断层的工作中是非常重要的。LiDAR数据，如B4计划对圣安德烈斯断层南段的激光扫描，其密度达到了3～4m－2，并能通过反距离权重算法局部面元组合，栅格化为0.25～0.5m分辨率和0.8m或者更大查找半径的模型。这样的分辨率能足够精细到确定古地震场地的构造地形地貌特征并对它们进行解析。本文还详细地对比了填图工作中的两种方法，即仅以LiDAR数据为基础的方法和航片与野外调查相结合的方法。但是LiDAR技术、野外调查和光谱成像技术（即航空摄影）相结合，则会得到最佳的结果。用来描述 “活动的”词的语义变化和次级断裂的重要性都会影响最终确定的断层的宽度和复杂性。我们研究的乔莱姆段显示出一系列的构造特征，并对我们提出了一定的挑战。这些分析同样适用于沿圣安德烈斯断层进行其他相似的研究和其他能够获取到LiDAR地形数据的活动断层的研究工作。

译自：Geomorphology.2009.113：70～81

原题：Tectonic geomorphology of the San Andreas Fault zone from high resolution topography： An example from the Cholame segment

（中国地震局地质研究所 孙浩越；石 峰校；吕春来复校）