青海达日断裂中段构造活动与地貌发育的响应关系探讨

梁明剑 周荣军 闫 亮 赵国华 郭红梅

1)四川省地震局，成都 610041

2)国土资源部构造成矿成藏重点实验室(成都理工学院)，成都 610059

0 引言

构造地貌是构造作用导致的地壳隆升和地表过程引起的剥蚀作用相互交织的结果，反映了地球内动力作用和地表过程的耦合关系(王岸等，2005;史兴民等，2006;李勇等，2006;Burbank et al.，2012)。尤其在活动构造区内，流域盆地的地貌发育对构造隆升和气候等控制因素的变化最为敏感，其内部不同级别水系的发育与演化记录了不同尺度构造、气候和侵蚀过程变化的信息(Wobus et al.，2005;张会平等，2006a)，是理解构造－地貌－水系响应关系的理想场所(Whipple et al.，1999;Kirby et al.，2001，2003;Clark et al.，2004;刘静等，2009)。

青海省果洛藏族自治州达日地区发育了多条NW—NWW和近SN向的晚第四纪活动断裂。其中，达日断裂是青藏高原巴颜喀拉块体内部的一条活动性强的晚第四纪大型走滑断裂，断裂中段曾发生1947年7¾级地震(戴华光，1983;中国地震局震害防御司，1999)。早在20世纪80年代，前人曾对该次地震地表破裂带和宏观破坏情况进行过初步调查研究①青海省地震局，1984，青海省达日1947年7¾级地震考察报告。(戴华光，1983;张裕明等，1996)，但关于达日地区地貌发育对构造新活动的响应关系探讨甚少。由于达日断裂地处巴颜喀拉山的黄河源区，穿越了黄河上游多个亚流域盆地，为研究地表形成过程对新构造活动的响应提供了有利条件。

构造地貌研究除采用常规的与活动断裂调查相关的分析手段之外，还可以通过地貌发育特征参数加以定量研究。例如，活动构造发育区的山前弯曲度、谷肩比、河流陡峭系数、地形起伏度、坡度等(Kirby et al.，2001，2003)。Strahler(1952)提出以流域的面积－高程积分描述流域地貌的发育特征，即采用流域盆地的测高曲线(Hypsomertirc curve)描述流域地貌的演化过程(图1)。如果流域盆地的测高曲线呈凹形，表明流域地貌演化进入了“老年期”阶段，侵蚀程度高;若曲线呈凸形，则流域地貌演化为“幼年期”阶段;若曲线呈“S”形则表明流域地貌演化处于“壮年期”(Strahler，1952;陈彦杰等，2008)。面积－高程积分能够三维地描述构造地貌及发育程度(Chen et al.，2003;陈彦杰等，2008)。而且，流域盆地的面积－高程积分值(HI值)对构造活动、岩性差异和气候变化等的因素反应也比较敏感(Lifton et al.，1992;Masek et al.，1994;Hurtrez et al.，1999;Cheng et al.，2012)。

图1 面积－高程积分曲线与地貌演化关系示意图(Strahler，1952)Fig.1 Sketch showing the relationship between hypsometric curve and geomorphological evolution(Strahler，1952).

Pike等(1971)论证了高程起伏比(E)近似等于面积－高程积分值(HI)(公式1)。因此，本文以ASTER GDEM V2数据为基础，提取青海省达日地区的水系网络和亚流域盆地，并采用E作为HI值的简化算法，计算各个亚流域盆地的面积－高程积分曲线和研究区面积－高程积分值(HI值)，分析HI值分布特征，进而探讨达日断裂中段地区亚流域盆地地貌发育特征，及其对构造新活动、岩性等因素的响应关系。

式(1)中:Hmean、Hmax、Hmin分别为流域盆地的平均高程、最大高程和最小高程。

1 地质地貌特征

1.1 构造地质概况

根据区域地质资料(青海省地质矿产局第二区域地质调查队，1988)和近年来活动断裂考察结果(邓起东等，2010)，青海达日地区晚第四纪活动断裂众多，以NW—NNW向和近SN向为主，主要包括甘德南缘断裂(F1)、野牛沟断裂(F2)、达日断裂(F3)、桑日麻断裂(F4)、阿布达拉松多断裂(F5)和巴颜喀拉主峰断裂(F6)。其中以达日断裂新活动性最强，其性质以逆走滑为主。沿断裂广泛出露三叠系巴颜喀拉群复理石建造，地层受区域构造运动控制，其走向与区域构造线方向大体一致。局部分布了晚三叠世与早侏罗世火山岩，以及古近系－新近系红色陆相碎屑岩，第四系主要分布于第四纪断陷盆地和河谷盆地内(图2)。

图2 青海省达日地区活动构造简图Fig.2 The map of active tectonics'distribution in Dari area，Qinghai Province.

其中，达日断裂晚第四纪新活动性最为显著，并具有明显的分段性。该断裂NW段(苏士贡玛以北段)断裂沿线的NNW向山梁明显将NW向河谷分割，构成了支流分水岭，NW向河谷呈现相对老化的地貌特点，表明该段断裂晚第四纪以来新活动性不显著①同29页①。。断裂中段(苏士贡玛—吉迈段)晚第四纪新活动性尤为显著，构造样式也比较复杂，曾发生过1947年7¾级大地震，断裂沿线亚流域盆地地貌对断裂新活动性的响应明显。达日断裂向SE延入四川省境内后，断裂新活动形迹明显减弱。

对达日断裂中段及1947年达日地震的地表破裂进行了详细野外调查后，发现1947年达日地震地表破裂带的构造样式在不同的段落表现出多样性。地震地表破裂SE端(吉迈—达日金渡)表现出破裂带尾端效应，发散成多支次级破裂，呈张性性质(图3a);延伸至达日金渡—昂苍沟一带，破裂带由NWW向转为NW向，与NE向主压应力场相对应，破裂样式多呈挤压性质，表现为鼓包、挤压脊等地貌形态(图3b，c)。过了昂苍沟，转为NWW向的破裂带表现为走滑性质，造成一系列小冲沟左旋位错(图3d)。破裂带延伸至桑日麻NW，行迹不甚明显，近SN向的桑日麻断裂可能起到了捩断层的作用。

图3 1947年达日 7¾级地震地表破裂带Fig.3 The surface ruptures of the Dari M 7¾ earthquake in 1947.

1.2 地貌特征

研究区位于巴颜喀拉山南段，其现代地貌骨架成型于燕山运动，随后受到喜马拉雅运动的影响和改造，形成了一系列亚流域盆地和第四纪山间断陷盆地。同时，第四纪气候变化也造就了该地区丰富多彩的冰川地貌，如阿布达拉松多一带的山岳冰川地貌，海拔在4500m以上，强烈剥蚀形成刃脊、角峰、冰斗等冰蚀地貌(青海省地质矿产局第二区域地质调查队，1988;朱建立，1992)。

区内总体高程3650～5300m左右，黄河横穿研究区的中北部，地形呈SW、NE较高，向黄河河谷逐渐减小的总体趋势(图4)。利用条带状剖面，统计一定条带范围内的地形高程的最大、最小和平均值，可以定量分析研究区的山脊、河谷高程变化和侵蚀程度(张会平等，2006b)。区内的断裂大多呈NW、NWW方向延伸，选取了垂直区域断裂走向的A—A'剖面和平行区域断裂走向B—B'剖面进行分析(图5)。从B—B'剖面可以看出，研究区山峰的高程基本在4500～5000m左右，构成了该地区主要的夷平面;而且地形起伏并不大，变化幅度大致在500m以内，局部下凹为第四纪断陷盆地分布的地方。跨断裂走向的A—A'剖面则显示了相对较大的地形起伏，起伏较大的地方一般有断裂构造或水系通过，反映了局部构造活动、岩性和侵蚀程度的差异。

图4 研究区地形地貌及主要水系分布图Fig.4 The map of topography and major drainage in the study area.

黄河在区内主要发育了6个主要亚流域盆地:岗曲、吉迈曲、达日曲、昂苍沟、柯曲和夏曲，并发育了Ⅰ～Ⅲ级河流阶地，Ⅰ和Ⅱ级阶地分布比较广泛，拔河高度3～15m左右;Ⅲ级阶地仅分布于达日县城黄河以南和特合土乡等地，拔河高度一般仅为20～40m，堆积物主要为砾石和亚砂土层，偶见次生黄土夹层。达日断裂的新活动性明显地影响了该地区水系与亚流域盆地的发育与演化(图4)，在黄河以南，断裂切过达日曲、昂苍沟和柯曲等水系形成的亚流域盆地，断裂沿线的山脊成为黄河一些直系小支流与达日曲、昂苍沟和柯曲等大支流的更次级水系的分水岭。

图5 A—A'和B—B'条带状剖面图Fig.5 A－A'and B－B'swath profiles.

2 流域地貌分析

达日断裂的新活动性已对研究区的水系造成了影响，而且1947年达日地震地表破裂的构造样式在不同断裂段表现出多样性，那么研究区的地貌发育是否对其构造活动的差异存在不同的响应呢?这是我们关注的重点，本文拟从不同尺度亚流域盆地的面积－高程积分值和面积－高程积分值来探讨该地区地貌对构造新活动的响应关系。

2.1 主要次级流域盆地面积－高程积分曲线及地貌演化

基于Strahler(1952)的理论方法，我们获取了岗曲(B1)、吉迈曲(B2)、达日曲(B3)、昂苍沟(B4)、柯曲(B5)和夏曲(B6)这6个亚流域盆地的面积－高程积分曲线。从图6可以看出，这6个次级流域盆地的面积－高程积分曲线均呈“S”形，它们的平均曲线(AV)也是“S”形，表明研究区的亚流域地貌演化处于“壮年期”阶段。

图6 研究区次级流域盆地分布及其面积－高程积分曲线Fig.6 Distribution of sub-basins and its hypsometric curves.

研究区属于中高山中切割区，切割深度仅有500m左右，切割密度较小。山顶面多呈秃缓、浑圆，分水岭两侧较接近，沟谷宽平，主干河流阶地发育较好。这些地貌特点和地貌组合比较符合流域地貌演化至“壮年期”阶段的特征。距今3.4Ma左右，青藏高原整体抬升，遭受剥蚀，形成主夷平面，盆地中沉积了巨厚的扇砾岩相的红色碎屑岩建造(李吉均等，1996)。随后的强烈差异性隆升，原来的夷平面与盆地解体，盆地内沉积的上新统碎屑岩抬升，形成了次一级夷平面，如昂苍沟(B4)与柯曲(B5)这2个亚流域盆地的分水岭顶面就分布了上新统砾岩，同时沉积形成了第四纪盆地。黄河上游流域盆地地貌是在青藏高原阶段性隆升的背景下，黄河水系阶段性下切、袭夺、溯源侵蚀和扩展水系源头演化而来的(张智勇等，2003)，黄河上游流域的现代水系格局逐渐成型(李吉均等，1996;张智勇等，2003)。区内的6个亚流域盆地也是伴随着青藏高原隆升和地区性造山隆起而形成的，其演化过程受区域构造新活动控制。

不过，规模大的流域盆地一般会横跨多条活动断裂，甚至可能跨越多个构造区或地层区。因此，其面积－高程积分曲线更多地反映了区域构造隆升或沉降作用的总体结果，以及区域性构造地貌的演化阶段，但不能很好地反映局部构造作用和地层岩性的差异性。

2.2 亚流域盆地HI值分布特征及构造地质意义

为了更细致地探讨地貌发育对局部构造作用和地层岩性差异的响应关系，首先基于ASTER GDEM V2数据提取研究区的水系网络，并对水系进行Strahler分级，提取各级亚流域盆地，然后计算亚流域盆地的HI值。

由于较大的流域盆地可能横跨多条活动断裂或多个新构造分区，其HI值主要反映区域性的新构造活动差异对流域盆地地形的影响;而较小流域盆地的HI值更容易反映岩性差异和局部构造作用的影响(陈彦杰等，2008)。研究区范围比较小，处于同一气候影响框架内，地层主要为三叠系巴颜喀拉群复理石建造，局部分布了早侏罗世、晚三叠世火山岩和古近系—新近系红色陆相碎屑岩，第四系主要分布于山间断陷盆地和宽缓的河谷盆地内。因此，较小流域盆地的HI值更有可能反映的是局部构造作用、地层岩性和地表过程的差异。这里选取研究区内黄河上游4级、5级和6级亚流域盆地(包括306个4级亚流域盆地，155个5级亚流域盆地和98个6级亚流域盆地)，采用公式(1)计算相应的HI值。为了便于分析，对获得的HI值进行空间插值，生成等值分区图(图7)。

图7 选取的亚流域盆地分布及HI值等值分区图Fig.7 The distribution of the sub-basins and its HI values.

从图7可以看出，HI低值区基本与山间断陷盆地和宽缓河谷盆地的分布范围相吻合，尤其桑日麻一带为第四纪断陷盆地，表现出成片的HI低值区，反映了构造沉降和侵蚀作用的结果。特土合乡、阿布达拉松多地区可能反映的是地层岩性的差异，因为特土合乡以北出露了早侏罗世花岗闪长岩体，阿布达拉松多出露较大范围的晚三叠世花岗闪长岩体，与周围的巴颜喀拉群浅变质砂、板岩明显不一样。达日金渡—吉迈一线的东北出现范围较大的HI高值区，与达日断裂在这一带存在NWW—NW的转向，断裂走向与区域NE向主压应力相对，存在局部构造挤压抬升作用，HI高值区的出现也表明了亚流域地貌对局部构造作用的响应。

3 结论

达日断裂中段具有明显晚第四纪新活动性，该地区亚流域盆地地貌发育对断裂新活动性的响应明显。而且，至今仍保存有1947年7¾级大地震的地表破裂带，地震地表破裂带的构造样式在不同的段落表现出多样性。

研究区内黄河上游6个较大规模的亚流域盆地均处于地貌演化阶段的“壮年期”，其演化过程表现出很好的同步性，反映了区域性构造隆升或沉降作用的总体结果。大约始于3.4Ma前，青藏高原整体抬升，主夷平面解体，盆地中沉积扇砾岩相的红色碎屑岩建造，随后的强烈差异性隆升，上新统碎屑岩沉积抬升，形成了次一级夷平面。黄河上游流域盆地地貌是在青藏高原阶段性隆升的背景下，黄河水系阶段性下切、袭夺、溯源侵蚀和扩展水系源头演化而来的。因此，这6个亚流域盆地也应是伴随着青藏高原隆升和地区性造山隆起而形成的，其演化过程受区域构造新活动所控制。

而且，区内次级亚流域盆地的面积－高程积分值(HI值)分布特征表明，HI低值分布与第四纪断陷盆地和河谷盆地范围相一致，反映了局部构造沉降和侵蚀作用的不同;HI高值则主要出现在达日地震地表破裂带由NWW向NW转向的部位，以及早侏罗世与晚三叠世花岗闪长岩体分布的地方，也很好地反映了局部构造作用的变化和地层岩性的差异。

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