基于DEM数据的甘孜-玉树断裂东南段构造地貌研究

贾召亮，李 勇，闫 亮，王腾文，邵崇建

（成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610059）

基于DEM数据的甘孜-玉树断裂东南段构造地貌研究

贾召亮，李 勇，闫 亮，王腾文，邵崇建

（成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610059）

基于DEM数据，使用ArcGIS10.2软件提取了甘孜-玉树断裂东南段地区高程、地形起伏度、坡度、水系等地貌信息，结合地质资料，对其构造地貌特征进行初步研究探讨。研究表明，研究区地形起伏度在38～2088m之间、地形起伏度较大，地势总体上呈SW高、NE低的趋势；研究区总体坡度较大、地势较陡，断裂SW盘山体坡度值大于NE盘。甘孜-玉树断裂带活动影响下，断裂两盘地貌特征表现出明显的差异性。研究区内山体走向、河流流向与断裂走向一致，地貌形态受构造活动所控制。

DEM；构造地貌；地形起伏度；坡度；甘孜-玉树断裂

0 引言

构造地貌是由地球内应力造就并受地质构造活动控制的地貌。现今的地貌形态是内外动力共同作用的结果，对地貌的研究能有效地反映构造活动的一些特征。数字高程模型（DEM）是指对地球表面地貌的数字表达和模拟［1］。通过DEM可以高效、便捷的获取区域地貌信息，这已成为构造地貌研究的新方法。在我国利用DEM进行构造地貌的研究已被广泛应用，如祝士杰［2］等利用DEM计算了黄土高原的面积高程积分并以此为指标对黄土地貌进行分区；赵洪壮［3］等基于DEM数据提取了北天山的地貌信息并探究其与构造活动的关系；王睿博［4］等基于DEM提取了川西高原构造地貌信息来探究造山带的构造特征。

甘孜-玉树断裂带是鲜水河断裂带向北西延伸的一支羽列式孳生断裂带［5］。甘孜-玉树断裂是我国西南地区一条十分活跃的断裂带，2010年4月青海省玉树县MS7.1地震就发生在这条断裂上，对其构造地貌的研究对重大工程建设和地震预测都具有重要意义。地形起伏度、坡度是描述地貌形态重要指标，能反应区域地形形态和变化情况；水系对构造活动的响应非常灵敏，水系的走向、形态在一定程度上受断层活动控制。本文以30m分辨率DEM数据为基础，利用ArcGIS软件提取了甘孜-玉树断裂东南段高程、地形起伏度、坡度、水系等地貌信息并加以分析，探究其与活动构造之间的响应关系。

1 区域地质概况

甘孜-玉树断裂带是一条活跃的大型左旋走滑断裂，与鲜水河断裂带共同构成川滇块体与巴颜喀拉块体的边界，也是青藏高原内部物质向东南挤出的重要边界断裂带。断裂总体呈NW走向，倾角为70°～85°［6］，左旋滑动速率约为（12± 2）mm／a，垂直滑动速率约在0.6～1.2mm／a之间［7］。断裂沿线分布有甘孜盆地、马尼干戈盆地、竹庆盆地、邓柯盆地等一系列与断裂活动相关的盆地，其中甘孜盆地属于一个正在发育的拉分构造的雏形破裂区［5］。彭华［8］等根据断裂空间分布及活动性差异将甘孜-玉树断裂分为北西、中部、南东三段，本文以其东南段为研究对象。区域内岩性以二叠系、三叠系灰岩为主，局部有印支期、喜山期花岗岩出露。地貌上研究区位于著名的“世界屋脊”青藏高原上，地貌演化受高原构造活动所控制，表现为典型的高原、山原地貌，海拔高程在3000～6000m之间，地形起伏度较大，海拔由西北向东南逐渐降低。

2 地形起伏度提取与分析

地形起伏度是指单位面积内的高差，是划分地貌类型、描述地貌形态、研究地貌演化的重要指标［9］。利用DEM数据可以便捷地提取区域内地形起伏度信息，生成地形起伏度专题图。在提取过程中，分析窗口的变化会引起地形起伏度提取结果的变化，所以要获取有效的地形起伏度信息，关键在于确定最佳分析窗口。最佳分析窗口是指最大高差达到相对稳定的区域范围，需要满足山体完整性和区域普适性两个原则［10-11］。地形起伏度随分析窗口的变化而变化，这种关系存在一定的规律性。随着分析窗口的均匀增大，地形起伏度的增幅会出现由大变小的拐点，这个拐点尺度下的地形起伏度最为符合山体完整性和区域普适性。确定最佳分析窗口的方法主要有人工判定法、最大高差法、最大高差-面积比法等［12］。考虑各种方法的优缺点，本文采用最大高差-面积比法来确定最佳分析窗口，如式（1）所示，这种方法中相邻尺度最大起伏度差与邻域面积差比值（Ij）的最大值所对应的尺度即为拐点所对应的尺度，也就是我们要找的最佳尺度［13-14］。

式中j表示分析窗口的尺度，Sj表示j尺度下分析窗口的面积，Rj表示j尺度下地形起伏度的最大值。本文中分析窗口从3×3（j×j）递增至101× 101，分别计算了Ij值，生成Ij随分析窗口边长变化的趋势图，直观地反应了Ij的变化趋势和最大值。由图2可以看出，当边长为2730m及分析窗口大小为91×91时，Ij取得最大值，研究区地形起伏度适宜计算尺度为7.45km2。

基于所得最佳分析窗口 91×91，使用ArcGIS10.2软件生成区域地形起伏度专题图（图3）。由图3可知，区域内地形起伏度较大，由西南至东北呈递减趋势。由地形起伏度统计可知，研究区地形起伏度在1122～2088m之间较为集中，占全区面积46.26%；其次是在38～386m之间，占全区面积18.49%；地形起伏度在386～1122m之间各分段内地形起伏度分布较为平均，均占8%左右。甘孜-玉树断裂带两侧地形起伏度表现出明显的差异性，断层SW盘地形起伏度大于NE盘。断裂沿线地形起伏度较小，主要是因为沿断裂分布着一系列地形平坦的盆地和较宽阔的河谷。地形起伏度是研究地表侵蚀度的重要指标，可以指示研究区构造带的活动情况［15］。地形起伏度越大地表侵蚀度越高，构造活动越活跃。断裂带两侧均表现为较大地形起伏度，表明断层附近构造活动性较强。SW盘构造活动要比NE盘更活跃，这与其不同的大地构造位置以及断裂带构造活动有关。

在我国数字地貌图的制作过程中，将地形起伏度分为7个等级：平原（＜30m）、台地（30～70m）、丘陵（70～200m）、小起伏山地（200～500m）、中起伏山地（500～1000m）、大起伏山地（1000～2500m）、极大起伏山地（＞2500m）［16］。研究区地形起伏度约在30～2000m之间，海拔在3000～6000m之间，高差达3000m，以100m为单位划分高程可以展示不同地貌类型（台地、丘陵、小起伏度山地、大起伏度山地）在不同海拔高程范围内的变化情况，本文将海拔高程以100m为间隔分为33级（2814～2913，2914～3013，3014～3113，…，5814～5913，5914～6013，6014～6084m），并使用ArcGIS中分区统计工具计算每一级的平均地形起伏度，生成平均地形起伏度与高程关系图（图4）。

因为已将高程分级处理，在相同等级的海拔范围内平面分布差异已被平均化，内动力和岩性对地形起伏度的影响可以认为是一致的，地形起伏的变化情况主要受外动力影响。高程在1～3级（海拔2814～3113m）范围内为山间盆地，河流出山后流速迅速减小河流泥沙快速沉积导致地形起伏度减小。高程在3～10级（海拔3114～3813m）范围内平均地形起伏度在900m左右波动，这一高程范围表现为深切河谷，河流下蚀能力强，海拔升高下蚀能力增强导致地形起伏度增大，研究区不同河流其河谷的高程也不同，多个高程级河谷的存在使地形起伏度出现波动性变化。10～14级（海拔4314～4713m）之间地形起伏度随高程增加而减小，这一高程范围内随海拔升高河流变少且为低级支流，河流的动力弱，河水的侵蚀能力差，海拔越高河流对地形的影响越小，表现为地形起伏度随海拔升高而减小。在14～19级（海拔4714～5213m）范围内平均地形起伏度出现一个低谷，这一高程范围内基本不发育流动水系且积雪少，河流侵蚀作用、冰劈作用及冰川作用对地形起伏度的影响不大，地形起伏度较小且基本不变。研究区高程在19级之后地形起伏度持续增大，在31级左右出现地形起伏度最大值，这一高程范围内，随海拔的升高气温降低，常年积雪覆盖，岩石在冰劈作用、冰川运动、坡面重力影响下被侵蚀崩塌，山势陡峻、地形高差大。

3 地表坡度提取与分析

坡度是一个基本的地貌形态指标，是对地面倾斜程度的定量描述。地表坡度作为重要的地形因子之一，能够指示地貌的成因、地貌的发育阶段及程度，对研究新构造具有重要意义［17］。本文基于数字高程模型，使用ArcGIS空间分析工具中的坡度分析可生成研究区坡度专题图（图5）。

由图5可知，甘孜-玉树断裂带沿线地势平坦、山体坡度较小，断裂带两侧山体坡度较大，断裂SW盘坡度值明显大于NE盘，由于甘孜—玉树断裂为逆冲型走滑断裂，两盘坡度的变化可能因断层两盘垂直运动的差异性导致。通过坡度统计可知，区域内坡度最小值为0，最大达82°。在累计百分比上，约80%的山体坡度大于18°，70%的山体坡度大于25°，51%的山体坡度大于40°。在以往的划分标准中坡度小于7°为平原或台地、7°～15°为平缓山地、15°～25°为缓山地、25°～35°为陡山地、大于35°为极陡山地［16］。与图4对比可知，坡度与地形起伏度相似性较高，坡度小的盆地地区地形起伏度也较小，坡度较大的山地、河谷内地形起伏度也较大。以坡度和地形起伏度为地貌划分标准，研究区表现为以极陡山地为主。

4 水系提取与分析

河流地貌是地表水流长期的侵蚀、搬运和堆积作用形成的，河流作用受气候、河水流量、岩性和构造运动所控制。地表水流对构造作用的响应十分敏感，构造运动对水系的流向、流量和密度等性质具有明显的控制作用。数字高程模型中包含了高程、山谷、洼地、坡向等地形地貌信息，借助这些信息可以提取一定范围内的水系信息［18］。本文基于DEM，通过地表径流模拟法来提取研究区水系信息，生成研究区水系分级专题图（图6）。

由图6可知，区域内水系较为发育，水系形态与区域构造线关系密切。通天河、金沙江、雅砻江、鲜水河等主要河流均发育多级支流，流向大致为SE向，呈现树枝状、平形状等多种形态。

甘孜-玉树断裂NE盘，雅砻江、鲜水河等大型水系呈平行状排列，与区域内达日、玉科等多条断裂带走向近乎一致，说明其明显受区域断裂带活动控制。流域内岩性以三叠系变质砂岩、板岩为主，砂岩与板岩互层，为河流的发育提供了良好的条件。各水系沿山谷发育有大量一、二级支流，这些支流数量大、流程短，与干流近垂直相交。雅砻江水系呈树枝状，为典型的侵蚀型水系，干流流向与甘孜-玉树断裂走向大致相同。断裂SW盘主要发育金沙江、通天河等树枝状水系，其与雅砻江的分水岭与甘孜-玉树断裂走向一致。金沙江流域一、二级支流大量发育，支流短而密，无明显方向性，与干流呈锐角相交。与图4、图5对比发现，平行状发育的鲜水河、色曲、达曲河流域内山体坡度较小、地形起伏度不大；树枝状发育的雅砻江、金沙江、通天河流域内山体坡度大、地形起伏度大，而且金沙江流域坡度和地形起伏度明显大于雅砻江流域；表明金沙江、雅砻江流域内河流有较强的垂向侵蚀能力。

5 结论及讨论

本文使用ArcGIS软件提取了甘孜-玉树断裂东南段地形起伏度、地表坡度、水系分布等地貌信息，生成了相关专题图来分析其构造地貌的特征，试探性探究地貌特征与区域构造活动之间的关系，主要结论如下：

（1）30m分辨率DEM下研究区地形起伏度适宜计算尺度为7.45km2。研究区地形起伏度起伏度在38～2088m之间，断裂SW盘地形起伏度大于NE盘，地形起伏度与海拔高程间表现出明显的相关性，指示了不同高程区间外力作用的变化。

（2）研究区总体坡度较大、地势较陡，断裂SW盘山体坡度值大于NE盘，地貌上表现为以极陡山地为主。山脉、河流的发育严格受断裂活动所控制，山脉走向和河流流向与断裂走向一致。金沙江流域坡度和地形起伏度明显大于雅砻江流域，表明金沙江、雅砻江流域内河流有较强的垂向侵蚀能力。。

（3）基于DEM提取地形、水系信息研究地貌特征的方法较为便捷、实用，弥补了野外调查工作的不足，但数字高程模型包含的信息有限，影响地貌形成及演化的因素复杂多样，在实际应用中应该注意结合实地调查资料、综合考虑各方面因素的影响。

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Study on Tectonic Geomorphology of South⁃eastern Section of Ganzi⁃Yushu Fault Based on DEM Data

Jia Zhaoliang1，Li Yong1，Yan Liang1，Wang Tengwen1，Shao Chongjian1

（State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Based on DEM data，this paper acquired such geomorphological information as elevation，relief amplitude，swath profile，gradient and drainage system of the south⁃eastern section of Ganzi⁃Yushu fault by ArcGIS10.2 software.Together with some geological information，tectonic landform features of this section were preliminarily investigated.As the result indicates，the sutdy area under exploration has the following features：a large relief amplitude ranging from 38m to 2088m，a general terrain trend of high⁃lying SW and low⁃lying NE，a generally large slope and a steep terrain，a larger gradient value of the SW side of the section than that of the NE side.Besides，under the influence of Ganzi⁃Yushu fault activity，there appears a big difference of topographical features between the two walls of the section.The range of mountain and the stretch of rivers are consistent with the trend of the fault，indicating that topography is under the control of tectonic activities.

DEM；tectonic landform；relief amplitude；slope；Ganzi⁃Yushu fault

P931.2

1673-8047（2016）04-0001-07

2016-07-15

国家自然科学基金（41402159，41340005）

贾召亮（1992—），男，硕士研究生，主要从事构造地貌学方面的研究。