东昆仑断裂带玛沁—玛曲段晚第四纪构造活动特征的地貌响应定量研究

李 昭 付碧宏

1)中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094 2)中国科学院大学，北京 100049

0 引言

构造地貌是构造活动与地表侵蚀过程相互作用的产物，其蕴含了区域构造变形过程、 侵蚀与沉积历史等重要信息(Whippleetal.，1999，2006； Gaoetal.，2013)。随着GIS技术与高精度DEM数据的发展，利用地貌指数从地表形态特征中提取构造活动信息的定量化地貌法已被广泛应用于活动构造的研究中(Fontetal.，2010； Sarpetal.，2012)。 与受限于测年方法精度、 野外考察范围的地质学方法和仅能反映短期地壳形变速率的大地测量技术相比，该方法在快速、 准确评价大规模区域的构造活动差异性方面发挥了重要作用(Alipooretal.，2011； 常直杨，2014)。其中，通过提取流域盆地体积残存率反演其演化状态的面积-高程积分(HI)可以从三维角度较好地揭示区域构造活动速率的空间差异(Strahler，1952； Chenetal.，2003)； 定量表征地貌侵蚀响应程度的地势起伏度(TR)可以从二维角度直观地反映区域构造活动水平的相对强弱分布(张会平等，2006)； 而对河流纵剖面局部异常较为敏感的河流坡降指数(SL)则能够从一维角度客观描绘近期的构造活动特征(Hack，1973； Hamdounietal.，2008)。这些地貌指数在喜马拉雅山(Brookfield，1998； Hurtrezetal.，1999)、 龙门山(赵国华等，2014)以及黄土高原(张会平等，2006)等不同构造变形区的实践应用中证明了构造活动对地貌演化过程的控制性作用。可见，利用地貌指数定量提取构造活动信息的方法是可行的。

自1900年以来，沿东昆仑断裂带的强震活动(MS≥6.9)呈加速释放趋势(张国民等，2003)，而位于该断裂带东段的玛沁—玛曲段在过去近300a中未发生过MS>6.5的大地震而成为“地震空区”(闻学泽，2018)。古地震学研究表明，玛沁—玛曲段主断裂带最近一次大地震的离逝时间已经超过强震复发周期(李春峰等，2005； 李陈侠等，2011)； 同时，数值模拟、 库仑应力分析、 InSAR反演等研究结果也揭示该段目前积累的构造挤压应变已具备发生M≥7高震级地震的能力(庞亚瑾等，2017； 徐晶等，2017； Zhuetal.，2021)，这均表明该段未来发生破裂的危险性较高。特别是2021年青海玛多MS7.4 地震发生后，玛沁—玛曲段主断裂带的构造应力呈现加载趋势，未来发生大地震的概率也具有增加的趋势(潘家伟等，2021； 宋向辉等，2021)，潜在大地震的发生直接威胁到青、 甘、 川三省交界区数十万人的生命财产和成兰铁路等国家重点工程的安全。因此，确定未来大地震最有可能发生的位置成为国内外学者高度重视的研究课题。

由于潜在发震断层的应力积累状态与其断裂活动速率息息相关，因此，研究断裂带沿走向的滑动速率分布模式有助于了解区域应变的累积与调整模式及其对相邻活动断裂的影响(Resoretal.，2018)。前人的研究表明，玛沁—玛曲段主断裂带的滑动速率沿走向呈现自西向东梯度式递减的趋势，但在导致速率递减的构造变形机制方面仍存在较大争议(Kirbyetal.，2007； 李陈侠等，2011，2016)。一方面，由于受到野外科考条件和测年方法的限制，特别是断层滑动速率估算的非标准化过程，导致精确厘定断裂滑动速率的点位有限，且估算结果常存在较大的不确定性(Zecharetal.，2009)； 另一方面，GPS技术虽然能为研究地壳水平形变运动提供较为全面、 可靠的数据支持，但其受到垂直速率精度与观测时间跨度较短的限制(刘根友，2004)。因此，亟需一套更为有效的研究方法来解决这些问题： 玛沁—玛曲段主断裂带的活动习性在空间上是如何分布的？导致该断裂带沿走向速率递减的构造变形机制是什么？此外，前人的研究主要聚焦于玛沁—玛曲段主断裂带的晚第四纪活动性及分段特征，对其主要分支断裂的几何结构特征和活动习性的研究则相对有限。因此，本研究将在充分利用高分辨率遥感图像解译分析玛沁—玛曲段主断裂带及其分支断裂的空间展布与几何结构的基础上，使用GIS空间分析技术对覆盖东昆仑断裂带玛沁—玛曲段30m精度的DEM数据(AW3D30)进行分析，系统提取研究区69个流域盆地的HI、 Hack剖面、SL及TR等地貌指数，再结合区域地质、 降水等影响因素的对比分析和典型构造地貌特征的野外调查测量结果进行研究，以期揭示东昆仑断裂带东段的晚第四纪活动性及其构造地貌响应，并探讨该断裂沿走向滑动速率递减的构造变形机制。

1 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的区域概况

玛沁—玛曲段主断裂带是东昆仑断裂带东段的重要枢纽断裂，其自阿尼玛卿山北麓呈NWW向，向E经玛沁、 欧拉秀玛、 玛曲，而后横穿若尔盖盆地北侧与塔藏断裂相交，绵延330km，是一条以70°～80°向N倾斜、 兼有倾滑分量的晚第四纪左旋走滑断裂(van der Woerdetal.，2002； 李陈侠等，2009)，平均滑动速率为5～8mm/a(Kirbyetal.，2007； 李陈侠等，2011)。遥感图像解译及野外调查显示，该段主断裂带的几何结构复杂，总体由8条断续相接、 羽状斜列的次级断裂组成(李陈侠等，2009)，并在101°E附近与其分支阿万仓断裂、 尕海断裂相交，形成空间上向E散开的马尾状断裂系统(图 1)。

图 1 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的活动构造图(据邓起东(2002)和Fu等(2011)修改)Fig. 1 Map showing major active faults developed along the Maqin-Maqu segment of the East Kunlun fault zone(modified from DENG Qi-dong，2002 and Fu et al.，2011).EKLF 东昆仑断裂； AWCF 阿万仓断裂； GHF 尕海断裂； CMHF 西藏大沟-昌马河断裂； LMSF 郎木寺断裂； GDF 贵德断裂； LTF 临潭-宕昌断裂； MJXSNF 玛积雪山南缘断裂； ZTF 中铁断裂； GDSF 光盖山-迭山断裂。 底图为30m AW3D30数据

其中，南侧分支阿万仓断裂总体呈 N45°～60°W向延伸约185km，断面倾角为70°～85°，倾向NE，是一条左旋走滑兼具逆冲性质的全新世活动断裂(李陈侠等，2016)(图 1)。在交宗杂玛尔以西，该断裂由相距20km、 右阶斜列的东、 西支组成，与主断裂带依次相交于达贡卡东侧和欧拉秀玛西侧，呈NW-SE向斜切黄河南部山区后逐渐归并为一条，构成了阿万仓盆地与哈日山脉的截然分界线。该断裂沿线冲沟、 水系的系列偏转以及直线型S倾反向断层陡坎的发育显示其左旋走滑活动强烈，平均水平滑动速率约为3mm/a(李陈侠等，2016)。 在其穿越黄河进入沃特东南侧山间谷地后，断裂的线性形迹不甚清晰，最终消失于采日玛乡东12km处。NEE向的尕海断裂展布于主断裂带北侧(图 1)，其断面S倾，倾角约为30°～35°(高锐等，2011)，自欧拉秀玛北侧向E经多松、 哈让曲，延伸至尕海湖南缘，全长约160km，控制着沿线多松、 哈拉塘、 尕海等断陷盆地的发育(张岳桥等，2005)。因断层垂向运动而形成的线性断层陡崖、 断层陡坎、 系列挤压鼓包与断塞塘等构造地貌特别显著，反映该断裂晚第四纪期间以逆冲活动为主，目前尚缺乏相对精确的滑动速率研究结果。

图 2 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的地质构造图Fig. 2 Geologic map of the Maqin-Maqu segment in the East Kunlun fault zone.

玛沁—玛曲段及其周边地区的岩性主要由碎屑岩、 碳酸盐岩及构造混杂岩组成(图 2)。主断裂带北侧以出露二叠纪、 三叠纪碎屑岩与碳酸盐岩为特征，南侧主要由强烈变质变形的上古生界布青山-阿尼玛卿构造混杂岩群与三叠系砂泥质混杂岩组成，第四系则集中分布于研究区东部的断陷盆地与河谷盆地中(刘战庆，2011)。研究区位于高原大陆性气候区，由于受地形作用以及东亚季风的影响，主要接受大气降水补给(侯冰飞，2020)。区域水系较为发育，且在流经断裂带时显示出系统的左旋偏转特征(图 3)。 其中最为显著的是黄河受主断裂带活动改造，在玛曲以南由最初的NW-SE流向转为SE-NW流向，左旋位错距离达90km(van der Woerdetal.，2002； Fuetal.，2007； 付碧宏等，2009)，表明该区河流地貌的长期演化与断裂活动密切相关。此外，野外考察发现这些水系大多为基岩型河道或基岩-冲积混合型河道，且冬长夏短、 雨量偏少的气候条件使得河流地貌保存较好，便于开展定量化构造地貌研究。

图 3 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的水系分级和流域分布图Fig. 3 River system grading and drainage basins distribution map along the Maqin-Maqu segment in the East Kunlun fault zone.

2 研究方法

目前，在全球开放获取的DEM数据(30m SRTM1 DEM、 90m SRTM3 DEM、 30m ASTER GDEM和30m AW3D30)中，30m AW3D30数据在空间分辨率与数据质量方面具有显著优势——绝对与相对垂直精度最优且在较大地形起伏区域内的河网提取精度最高(武文娇，2018)。因此，本研究使用30m AW3D30数据进行东昆仑断裂带玛沁—玛曲段及其周边地区的定量化地貌研究。 数据的水平基准为WGS1984，高程基准为EGM96，精度为±30m。通过ArcGIS 10.6的水文分析模块提取7级区域水系(图 3)，然后利用青藏高原 1︰25万水系数据集进行数据清洗以减小后续的计算误差。

2.1 面积-高程积分

面积-高程积分(Hypsometric Integral，HI)是Strahler(1952)提出的一种利用流域盆地内的高度与面积的比例描述地貌演化阶段的数值模型，其值可定量反映流域盆地受侵蚀的状态。在考虑岩性、 气候等影响因子的基础上，通过比较不同流域盆地HI的空间差异，可以较好地评价区域构造活动强度的空间分布(Chenetal.，2003； Hamdounietal.，2008； 苏琦等，2016a)。虽然HI对DEM数据空间分辨率的变化具有鲁棒性(Hurtrezetal.，1999)，但却存在空间分布与面积依赖性(赵洪壮等，2010； 常直杨，2014)，即流域尺度过大或过小均不能较好地体现其构造指示意义。Chen等(2003)对HI尺度效应的研究表明，当初始集水面积阈值在3～5km2范围内时，HI能够较好地反映区域构造活动特征。此外，流域盆地级别的选取也要满足一定的统计要求，HI值的计算精度会随流域盆地划分级别的降低而增加(Chenetal.，2003)，但分级过小则会导致对流域盆地的形态识别不够精准而产生较大误差(Obaidetal.，2019； 周朝等，2020)。因此，本研究在流量统计过程中将最小蓄积阈值设定为4000(即最小集水面积为3.6km2)，并选定研究区内3级以上水系与黄河干流及其主要支流(洮河、 黑河、 白河)的交会点作为出水口，共提取69个3级以上的流域盆地进行HI计算。

在目前的研究中，计算HI的方法主要有起伏比法(Pikeetal.，1971)、 积分曲线法(Pérez-Peaetal.，2009a)和体积比例法(常直杨，2014)。这3种方法计算的结果精度基本一致，但起伏比法更为高效、 便捷，更适用于本研究流域数目较多的情况(常直杨，2014)。其计算公式(Pikeetal.，1971)为

(1)

式(1)中，Elevmax、Elevmin和Elevmean分别为流域盆地的最大、 最小和平均高程值，可以利用ArcGIS 10.6中的Zonal Statistics工具从DEM数据中提取。此外，为了更好地分析HI的空间分布特征，本研究依据Strahler(1952)提出的HI分级体系将计算所得的HI值划分为3级，分别表征受轻微侵蚀的构造活跃区(0.6

2.2 Hack剖面与河流坡降指数

Hack剖面与河流坡降指数(Stream Length Gradient Index，SL)表征不同尺度的河流地貌特征，前者常用于反映河流纵剖面的宏观变化，后者则主要突出局部坡度变化(Chenetal.，2003)。其计算公式分别为(Hack，1973)

H=C-k×lnL

(2)

(3)

式(2)、 (3)中，ΔH为河流纵剖面上单位河段的垂直高差，ΔL为对应的河段长度，H为河流纵剖面某点的高度，L为该河段中点与河源的距离，C为常数，k为曲线斜率。由于Hack剖面的曲率是自河流发育以来构造-侵蚀作用的净累积结果，当河流处于稳态条件时，其通常呈直线形态(此时的k即为均衡坡降指标K)； 而当断裂活动控制河流演化时，Hack剖面将会出现上凸或上凸下凹的形态变化(赵洪壮等，2010)(图 4)。SL则对局部的断裂作用或岩性变化较为敏感(Chenetal.，2003)，当河流穿过坚硬基岩区或断裂活动部位时，其通常呈现异常高值，而当流经软弱地层或平行于走滑断裂带时，则显示为异常低值(Brookfield，1998)。因此，在岩性、 气候等均一的条件下，Hack剖面的曲率变化与SL值的异常高低可近似表征区域构造活动的强度(Pérez-Peaetal.，2009b； Alipooretal.，2011； Gaoetal.，2013)。

图 4 Hack剖面示意图(据Chen等(2003)修改)Fig. 4 Conceptual diagram of Hack profiles(modified from Chen et al.，2003).a 理想均衡状态下的河流纵剖面； b 半对数坐标下的理想均衡河流纵剖面，即Hack剖面，其斜率k为SL指数； c、 d 受构造抬升而隆起的河流纵剖面及相应Hack剖面形态； e “弯曲”的Hack剖面可分为4段线性拟合河段(Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ)且每段 均有固定的SL值，其拟合直线的斜率K为均衡坡降指标，代表动态平衡状态下的理想河流剖面

SL的计算需要设置一个合适的ΔL值。若ΔL过小，则DEM数据的原始误差将对计算结果的精度造成较大干扰； 若ΔL过大，则会导致坡度数据过分离散而无法准确评估河道岩性、 降水条件及断裂活动等因素在SL异常中的贡献量(Pérez-Peaetal.，2009b； Sarpetal.，2012)。因此，本研究参考Pérez-Pea等(2009b)的研究方法，设置ΔL=150m以提取研究区内24条主要河流的Hack剖面曲率及其SL值的变化特征。考虑到SL值受不同河流的规模限制而无法直接进行比较，Seeber等(1983)提出利用河流均衡坡降指标(K)将SL值标准化处理为标准化河流坡降指数(SLK)，通过该值不仅可以直接对不同河流进行横向对比分析，同时其也更好地反映了某特定流域内构造活动性的纵向差异。一般而言，若SLK≥10则代表河段极为陡峭，表明受区域构造活动的影响较强； 若SLK≤2则代表河段坡度较缓，指示区域构造活动幅度较弱(Seeberetal.，1983)。

2.3 地势起伏度

地势起伏度(Topographic Relief，TR)是描述特定范围内地貌高差的定量参数，其客观反映了区域构造抬升的地表侵蚀响应程度，因此被广泛用于评价区域构造活动的强度(Whippleetal.，1999； 张会平等，2006； 周朝等，2020)。现有的研究一般采用高程条带法和高程阈值法获取区域地势起伏信息。其中，高程条带法可以直接、 客观地反映地形细节信息，但条带的位置及宽度设定却需要较为丰富的专家经验； 高程阈值法虽然在细节展示方面稍有欠缺，但其提取的地貌信息量更为丰富、 全面(张会平等，2006)。因此，本研究将上述2种方法相结合，提取研究区域的地势起伏信息。

TR值的计算需设定合适的采样窗口尺寸以满足山体完整性与区域普适性原则，采样窗口过小可能导致TR值的计算结果仅能反映局部地形高差或包含较大噪音(常直杨，2014)。本研究参考韩海辉等(2012)的理论方法，在考虑DEM数据边界效应的基础上，使用ArcGIS 10.6的Arctoolbox程序包进行最佳地势起伏度采样窗口阈值的计算。首先利用Block Statistics工具动态调整采样窗口尺寸(2×2，3×3，……，45×45)以求取不同空间尺度下的TR值分布。由图 5 可知，TR值随统计单元面积增加而增大的增速在达到特定阈值后减缓。因此，我们采用当只有1个变点时检验最有效的均值变点法进行分析(常直杨，2014)，据此获得本研究区的最佳TR值分析窗口为18×18，最佳统计面积为291600m2。

图 5 基于30m AW3D30数据的TR散点分布图Fig. 5 Relationship between statistics units and topographic relief(30m).

3 研究结果

3.1 HI的空间分布特征

研究结果显示(图 6)，全区HI值的变化范围为0.11～0.89，平均值约为0.62。HI>0.6的高值区约占全区面积的48.90%，主要集中在多松—交宗杂玛尔一线的西侧，表明该区域的流域演化整体受构造活动的强烈影响而处于幼年阶段；HI低值(HI≤0.4)则集中在玛曲县东部、 东南部地区。HI指数的空间差异性及其分布特征指示玛沁—玛曲段主断裂带及其分支阿万仓断裂、 尕海断裂的活动性存在显著的分段特征。其中，主断裂带自西向东可分为玛沁—欧拉秀玛段、 欧拉秀玛—贡玛段和玛曲段，断裂沿线的HI值总体呈现自西向东逐渐减小的变化特征； 阿万仓断裂以交宗杂玛尔、 沃特为界可分为3段，其HI值也呈现自NW向SE递减的变化趋势； 尕海断裂可分为多松段、 哈拉塘—哈让曲段和尕海段，多松段的HI值约为0.77，哈拉塘—哈让曲段则为0.49～0.51，约为尕海段(均值为(0.35±0.12))的1.4倍。由于HI值与区域构造活动强度显著正相关(Chenetal.，2003)，因此，沿玛沁—玛曲段主断裂带及阿万仓断裂、 尕海断裂等分支断裂的HI空间变化特征揭示这3条断裂的活动性均具有自西向东递减的变化特征。但若要更精细地体现HI的构造指示意义，还应综合考虑岩性、 气候等因素的影响。

图 6 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的HI空间分布图Fig. 6 HI map of the Maqin-Maqu segment in the East Kunlun fault zone.

3.2 Hack剖面与SL值的空间分布特征

稳态条件下Hack剖面的斜率K可定量表征水力侵蚀强度，与区域构造活动强度呈正相关(赵国华等，2014)。统计结果(表1)显示，玛沁—玛曲段主断裂的平均K值最高(Kmean=71.74)，其次为阿万仓断裂(Kmean=56.66)，尕海断裂相对较小(Kmean=51.50)。K值沿玛沁—玛曲段主断裂自西向东逐渐降低(由R1的97.43降低至R10的30.57)； 阿万仓断裂沿线的K值北西段最高(Kmean=74.15)，南东段最低(Kmean=33.22)； 尕海断裂3条次级断裂段的K值差异并不显著，整体上中段最高(Kmean=55.47)，而西段(Kmean=40.25)和东段(Kmean=50.83)相对较低。

表 1 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的河流地貌参数Table1 The river geomorphic parameters of the Maqin-Maqu segment in the East Kunlun fault zone

图 7 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的河流Hack剖面与相对应的SLKFig. 7 Hack profile and SLK index along the Maqin-Maqu segment in the East Kunlun fault zone.蓝色实线代表SLK，黄色实线为对应河段的Hack剖面，红色虚线表示河段中SLK异常区

由于半对数坐标系下的Hack剖面会放大上游河段而压缩中、 下游，这极易造成河段信息失去解析度(苏琦等，2016b； 徐伟等，2017)。因此，本研究选取来自不同构造段落的9条河流，将其SLK异常区放大并与相应的Hack剖面叠加。如图 7 所示，这些河流的Hack剖面整体均呈现出上凸形态，只是由于受岩性、 构造活动等的影响程度不同而表现为凸度不一，且断裂附近河流的SLK分布也均具有较高的异常值，表明断裂活动对该区的河流地貌演化产生了重要影响。沿玛沁—玛曲段主断裂带，R5(中段)的Hack剖面凸性最大，其次为R4(西段)，R9(东段)最小，且以上河段的SLK异常峰值存在类似的分布特征。沿阿万仓断裂，R13(北西段)的Hack剖面显著上凸且其对应的SLK异常值最高，而R16(中段)和R19(南东段)则表现出“S”形上凸下凹、 曲线拐点下移的变化特征。沿尕海断裂，R20(西段)的Hack剖面凸度及SLK异常峰值最高，R20(中段)和R24(东段)则相对较小。Hack剖面的曲率、K值以及SLK值沿断裂走向的变化综合指示了玛沁—玛曲段主断裂带的构造活动性最强，分支断裂(阿万仓断裂和尕海断裂)的构造活动性相对较弱，3条断裂的构造活动强度整体上具有西高东低的变化特征。

3.3 地势起伏度分析

研究区TR的变化范围为0～556m，平均起伏度为137.69m。玛沁—多松一线和其北侧及欧拉秀玛乡南部、 东南部地区的地势起伏度较高，玛曲县东部、 东南部地区及阿万仓、 尕海等山间盆地区的起伏度较低(图 8)。

沿玛沁—玛曲段主断裂带的TR分布显示出显著的线性特征。 玛沁—欧拉秀玛一带断层交会区的地表侵蚀量约达400m，而其中段、 东段的地势起伏则逐渐变缓，侵蚀量分别为150～180m和50～72m，反映出主断裂带西段晚第四纪以来的构造活动性强于中段和东段的特点。沿阿万仓断裂，TR值也表现出自NW向SE逐渐减小的分布特征，其地表侵蚀量由北西段的280～350m降低至南东段的18～65m。而尕海断裂沿线的地表侵蚀作用以哈拉塘—哈让曲段最强，该段形成了地貌落差约为250m的线性陡峭地形带，而尕海段的地形起伏则相对平缓(25～100m)，与其形成了鲜明对比。上述特征反映断裂活动在地貌塑造过程中起到了重要的控制作用，与地貌侵蚀响应相关的TR值沿3条断裂均表现出自西向东逐渐下降的分布特征，指示其断裂活动性均存在自西向东减弱的趋势。

图 8 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的TR空间分布图Fig. 8 Topographic relief map of the Maqin-Maqu segment in the East Kunlun fault zone.a 基于高程阈值法提取的东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的地势起伏分布图； b—d 基于高程条带法提取的东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的二维面性地势起伏信息，其中AA′、 BB′、 CC′分别横跨玛沁—玛曲段主断裂带及分支阿万仓断裂、 尕海断裂的西段、 中段、 东段

4 讨论

4.1 地貌指数的影响因素与构造指示意义

在利用地貌指数推断以构造活动为导向的结论时，需要综合考虑岩性、 气候及流域面积等因素的影响。玛沁—玛曲段及其周缘的流域盆地同处于高原大陆性气候的影响框架内，1982—2005年间平均降水量约为615mm/a，且空间异质性较小(侯冰飞，2020)，因此可认为研究区内的降水较为均匀。其次，考虑到流域盆地受构造活动的影响程度可能与其发育规模有关(徐伟等，2017)，本研究利用Kendall检验法对HI、SLK与流域面积的相关性进行统计分析。结果显示，τ值分别为-0.024、 0.283(图 9)，说明流域规模的大小与地貌指数值的变化并无实质性的因果关系。Hurtrez等(1999)在尼泊尔中部地区的地貌指数研究也认为流域面积变化对HI指数的影响十分有限，并非其主要的控制因素。

图 9 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的HI、 SLK与流域面积的Kendall相关性分析Fig. 9 Correlation analysis between geomorphic index(HI，SLK) and basin area of the Maqin-Maqu segment in the East Kunlun fault zone.a HI值与其相应流域面积的Kendall相关性统计结果，相关系数τ为-0.024，显示二者无显著相关性； b SLK的平均值与其相应流域面积的Kendall相关性统计结果，相关系数τ为0.283，表明二者之间相关程度较低

由于基岩抗侵蚀能力的差异会对河流的侵蚀过程产生较大影响(高明星等，2015)，因此，本研究利用岩石的形成时代与不同类型来讨论其对地貌指数的影响。在区域构造背景与降水条件相似的情况下，盆地B1—B6的HI值并未随其下伏地层的改变而出现明显变化，反而是位于侏倭组地层内的盆地B7—B11的HI值呈现出显著差异(0.44～0.75)(图10a)。此外，克鲁斯卡尔-沃利斯(K-W)检验结果也显示不同形成时代、 不同类型的岩石与HI指数的相关性显著程度(P)分别为0.176、 0.203(图10b，c)，这均说明岩性不是控制本区内HI值的主导因素。Gao等(2013)在青藏高原东北缘的河流地貌研究也支持这一认识。

图 10 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段HI与岩性的相关性分析Fig. 10 Correlation analysis between HI and lithology of the Maqin-Maqu segment in the East Kunlun fault zone.a 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段及其周边地区HI与岩性分布的叠加图，其中，地层颜色及其指示意义如图2所示； b 不同形成时代的岩石与其对应HI的K-W分析结果； c 不同类型的岩石与其对应HI的K-W分析结果。图中岩石类型划分为： 1 灰岩； 2 变质碎屑岩与碳酸盐岩； 3 构造混杂岩； 4 花岗岩； 5 砂岩、 砾岩； 6 灰岩与泥灰岩； 7 砂岩、 板岩； 8 砂岩、 板岩与碳酸盐岩； 9 冰碛物

为了更好地讨论岩性与断裂活动对SLK的控制作用，本研究将3.2节中的SLK异常区与岩性、 断裂等地质信息叠加进行综合分析(图 11)。河流R4、 R9、 R20、 R22中断裂穿过处的SLK呈异常高值且Hack剖面出现明显坡折，相应河段内的岩性均一，表明上述地貌指数异常主要受断裂活动控制； 河流R5、 R13中的SLK异常区不仅与活动断裂位置相对应，也恰好位于岩性分界处，因此其SLK异常主要受岩性变化与断裂作用的共同影响； 河流R19、 R24虽然均存在2处SLK异常峰值，但其中位于均一岩性区内的SLK高值异常与断裂位置相吻合，表明其主要由断裂活动引起； 河流R16中与阿万仓断裂平行的河段出现SLK低值异常，鉴于其流经岩性分界处时无明显变化，因此推断断裂活动是导致该河段SLK异常的主导因素。综上所述，断裂活动与岩性变化虽然均对区域内河流的SLK异常与Hack剖面形态起到控制作用，但仍以断裂构造作用为主。Font等(2010)和赵国华等(2014)的研究也获得了类似的结论，他们认为SLK异常与断裂活动密切相关，而受岩性变化的影响有限。

图 11 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段SLK与岩性的相关性分析Fig. 11 Correlation analysis between SLK and lithology of the Maqin-Maqu segment in the East Kunlun fault zone.蓝色实线为SLK，黄色实线为对应河段的Hack剖面，黑色虚线指示断裂，岩性代号同图2

综合区域地质、 降水等影响因素的讨论可知，断裂活动性差异是引起研究区内地貌指数值变化的主导因素。因此，沿玛沁—玛曲段主断裂带及其分支阿万仓断裂、 尕海断裂的HI、 Hack剖面、SLK及TR等地貌指数值的空间变化应是对断裂分段活动性的直接反映，它们总体上均显示出沿断裂走向自西向东递减的空间变化特点，指示上述3条断裂具有自西向东逐渐减弱的分段活动特征。为了更好地限定这3条断裂晚第四纪活动性的空间变化并讨论地貌指数定量化研究的有效性，本研究对典型断裂段落开展了详细的野外构造地貌调查。

玛沁—玛曲段主断裂带总体走向近EW，断层迹线清晰(图12a)。其西段(玛沁—欧拉秀玛段)发育显著的线性断层陡坎与断层三角面(图12b，d)，且系列水系沿断裂带出现横向约(48±2)m的左旋错动(图12c)，这可能代表该段最新的走滑活动幅度。在中段(欧拉秀玛—贡玛段)，断裂穿过山坡时形成了线性断层槽谷、 断层陡坎地貌(图12e)，断错地貌的显著程度稍弱于西段。而在玛曲县西侧，断裂并未形成显著的水平错动现象，而以断面N倾、 高约(4.8±0.3)m的断层陡坎地貌为主(图12f，g)，且随着断裂向E扩展至若尔盖盆地北缘，断裂形迹在高精度遥感影像上较难分辨，指示该段的晚第四纪活动性较弱。

图 12 东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的构造地貌特征Fig. 12 Tectono-geomorpgic characteristics along the Maqin-Maqu segment.a 玛沁—玛曲段主断裂带的构造解译图，底图为30m AW3D30数据； b 玛沁县西侧断层陡坎地貌的三维显示图，底图为Google卫星图； c 基于野外无人机实测的断裂切割山前冲洪积物并左旋断错系列水系的地貌特征； d 欧拉秀玛乡西侧发育的反向断层陡坎及断塞塘构造地貌； e 欧拉秀玛乡东侧断层的线性地貌； f 玛曲县西侧南高北低的断层陡坎线性地貌，底图 为基于无人机正射测量获得DEM数据； g 基于图f中的DEM数据测量得到的断层陡坎高度示意图

阿万仓断裂的北西段(阿布达拉段)以NW向线性展布的断层沟槽、 断层陡坎与鞍状地貌为主(图13b，c)，且跨越断裂的水系、 山脊被同步左旋错动约120m(图13c)，指示该段晚第四纪以来的构造活动较强。中段(交宗杂玛尔—沃特段)的断面NE倾且其上覆的泥炭层被错断(图13f，g)，在地表形成高3～5m的反向断层陡坎，同时基于无人机DEM数据解译发现该段沿线的T1阶地被左旋错动约(60±3)m(图13d，e)。在南东段(沃特—采日玛段)，其构造地貌以基本无水平运动分量的断塞塘与断层陡坎为主，断裂的走滑活动特征不显著。

图 13 阿万仓断裂的构造地貌特征Fig. 13 Tectono-geomorphic characteristics along the Awancang Fault.a 阿万仓断裂的构造解译图，底图为30m AW3D30数据； b 达贡卡东侧阿万仓断裂北西段西支无人机高精度图像显示出的线性断层陡坎与鞍状地貌； c 欧拉秀玛西侧阿万仓断裂北西段东支无人机高精度图像显示出的线性断层沟槽及水系、 山脊的同步左旋位错； d 无人机DEM图像显示的阿万仓断裂中段线性断错地貌特征； e 阿万仓断裂中段基于无人机高精度图像的 活动断裂解译图； f 阿万仓断裂中段的断层剖面； g 图f的断层剖面解译图，红色实线指示断层

尕海断裂西段(多松段)沿线发育显著断层三角面与断层陡坎，阶地处的断层剖面可见灰白色砾石层、 黄色砂土层及黑色黏土层被错断，断面S倾、 南盘抬升的剖面特征指示断裂具有逆冲性质。而中段(哈拉塘—哈让曲段)的不同地貌组合指示该段存在2期断裂活动(图14b)： 早期以左旋走滑作用为主，断裂斜切山坡使得水系左旋错动并形成多级南高北低的断层陡坎(图14c，d)； 后期向N迁移形成断层陡坎、 挤压鼓包与断层沟槽等地貌现象(图14e)，显示出较强的逆冲活动性。断裂向E延伸至尕海南缘，其地表变形规模与中、 西段相比显著减弱，指示该段晚第四纪以来活动性不显著。

图 14 尕海断裂的构造地貌特征Fig. 14 Tectono-geomorphic characteristics along the Gahai Fault.a 尕海断裂的解译图，底图为30m AW3D30数据； b 哈拉塘—哈让曲段线性断错地貌的三维显示图，底图为Google卫星图； c 基于无人机航拍图像显示的尕海断裂中段处的断层陡坎、 鞍状地貌及水系左旋错动现象； d 断裂切过山坡形成的线性断层陡坎地貌； e 活动断裂于山麓地带形成的线性断层沟槽与挤压鼓包

野外调查结果同样表明，玛沁—玛曲段主断裂带及其分支断裂——阿万仓断裂、 尕海断裂晚第四纪以来具有显著的分段活动性，且不同构造段落的活动特征指示各断裂带西段的晚第四纪走滑活动性明显强于中、 东段。此外，根据前人对主断裂带晚第四纪以来滑动速率的研究，其西、 中、 东段的活动速率依次为7～9mm/a、 5～6mm/a、 3～5mm/a(Kirbyetal.，2007； Harkinsetal.，2008； 李陈侠等，2011)，也同样显示出自西向东梯度递减的变化趋势。这与地貌指数值所反映的断裂活动性具有西强东弱的变化特征一致，进一步说明了定量化地貌研究在评价断裂差异活动性方面的有效性。

4.2 东昆仑断裂带东段滑动速率递减的成因

现有的研究结果表明，东昆仑断裂带东段玛沁—玛曲段主断裂带的晚第四纪滑动速率以及现今GPS观测速度场总体呈现出自西向东梯度递减的趋势(Kirbyetal.，2007； 李陈侠等，2011，2016)。具体表现为在玛沁以西其滑动速率值为10～12mm/a，向E至101°E附近减小至6～8mm/a，而在玛曲附近仅为3～5mm/a(van der Woerdetal.，2002； Fuetal.，2007； Kirbyetal.，2007； Harkinsetal.，2008； 李陈侠等，2011)。Kirby等(2007，2013)指出玛沁—玛曲段主断裂带晚第四纪走滑速率的梯度式衰减现象与该段的构造转换密切相关，并推测构造转换通过主断裂带向E扩展、 旋转变形或阿尼玛卿山地壳缩短来实现，而最有可能的是由阿尼玛卿山的缩短增厚与东昆仑断裂带东段的顺时针旋转变形共同控制。而李陈侠等(2016)的研究则认为左旋走滑速率约3mm/a的玛沁—玛曲段的分支断裂——阿万仓断裂吸收、 分解了主断裂带向NE扩展过程中的部分滑动速率，起到了构造转换的作用。但上述研究对该区域断裂系统的空间展布和几何形态特征缺少整体的解译综合分析，尤其对分支断裂的晚第四纪活动性缺少详细研究。

我们通过对东昆仑断裂带玛沁—玛曲段的高精度遥感图像详细解译及野外考察表明，主断裂带显示出强烈的左旋走滑活动地貌特征，并与2条规模较大的分支活动断裂——NW向左旋走滑兼具逆冲性质的阿万仓断裂及NE向以逆冲运动为主的尕海断裂在101°E附近相交，空间上形成一个典型的马尾状断裂系统(图 15)。综合前述讨论，HI、TR等地貌指数值可有效指示断裂不同段落的活动性差异，其空间变化特征均揭示了玛沁—玛曲段主断裂带晚第四纪以来的相对构造活动强度在穿越玛沁-欧拉秀玛断裂交会区后向E开始显著减弱，且其分支断裂也出现了活动性自西向东逐渐减弱的趋势。这与前人通过分析主断裂带长期滑动速率的空间分布所得到的结论一致(Kirbyetal.，2007； 李陈侠等，2011，2016)。GPS测量与InSAR反演结果同样证实沿主断裂带的滑动速率存在自西向东递减的变化特征(由玛沁附近的6～8mm/a向E逐渐降低至2～3mm/a)，并且揭示了主断裂带在玛沁—欧拉秀玛一带存在较高的闭锁系数(Zhuetal.，2020，2021)。深地震反射剖面的研究结果显示，玛沁—玛曲段的分支断裂——阿万仓断裂与尕海断裂自地表向下倾向逐渐变缓并最终归并于主断裂带上，共同形成了压扭性应力状态下的典型正花状构造(高锐等，2011)。此外，Sun等(2019)和詹艳等(2021)对跨越东昆仑断裂带的大地电磁剖面的研究表明，玛沁—玛曲段具有高—低—次高阻混杂的深部电性结构，并在垂直剖面上与其南、 北两侧表现为显著陡立电性差异带的分支断裂共同组成了具有低阻破碎结构特征的收缩构造体系。因此，本研究推断玛沁—玛曲段主断裂带滑动速率的锐减发生在玛沁—欧拉秀玛一带的断裂交会区并与该部位复杂的马尾状断裂结构有关，分支断裂通过左旋走滑与逆冲变形吸收、 分解了主断裂带向E扩展过程中的部分左旋走滑速率，从而实现了断裂间滑动速率的重新调整与转换。这种构造转换模式也存在于阿尔金断裂带东段末端的构造变形中，其走滑速率的减少量转换为党河南山断裂、 昌马断裂等左旋走滑、 逆冲活动及断裂间盆地的缩短变形(Yinetal.，2002； Duetal.，2019)。这进一步表明大型走滑断裂带尾端的分支断裂系统所控制的区域构造运动转换模式具有普遍意义。

图 15 东昆仑断裂带东段沿走向滑动速率向E递减的构造变形模型示意图Fig. 15 Three-dimensional tectonic deformation model showing the eastward slip rate gradients along the East Kunlun fault zone.断裂数据来自邓起东(2002)、 Fu等(2011)及野外调查结果

5 结论

本研究通过地貌指数的定量提取分析、 高精度遥感图像地貌解析，结合构造地貌的野外调查，开展了东昆仑断裂带东段晚第四纪构造活动强度的地貌响应特征研究，取得了以下结论与认识：

(1)沿断裂带的HI、 Hack剖面与SLK及地势起伏度等地貌指数值均呈现自西向东逐渐下降的变化特征，与玛沁—玛曲段晚第四纪滑动速率自西向东梯度递减及沿阿万仓断裂、 尕海断裂的构造地貌显著程度自西向东减弱的变化规律具有较好匹配度，有效指示了区域构造活动强度的空间分布特征。

(2)地貌指数值的空间差异特征指示玛沁—玛曲段主断裂及分支断裂(阿万仓断裂、 尕海断裂)晚第四纪活动性具有显著的分段特性，均以西段活动性最强，中、 东段逐渐减弱为特点。其中，HI与地势起伏度清晰地揭示出构造活动强度自玛沁—欧拉秀玛一带的断裂交会区向E开始显著衰减的地貌响应特征。

(3)由玛沁—玛曲段主断裂与阿万仓断裂、 尕海断裂等分支断裂构成的马尾状断裂系统共同调节和吸收了东昆仑断裂带向E扩展过程中的运动分量，对东昆仑断裂带东段的构造转换、 变形分解和地貌生长起到了关键的控制作用。

致谢审稿专家为本文提出了宝贵意见； 中国科学院空天信息创新研究院时丕龙副研究员、 杜家昕和陈庆宇在野外考察期间及室内无人机数据处理过程中给予了大力支持与帮助； 本研究使用的30m AW3D30数据来源于日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)网站(1)https： ∥www.eorc. jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/。，青藏高原 1︰25万水系数据集来源于国家科技基础条件平台——国家地球系统科学数据中心(2)http： ∥www.geodata.cn。，最佳地势起伏度的Arctoolbox程序包来自中国专业IT社区CSDN平台(3)https： ∥blog.csdn.net/haichao062/article/details/38318525。。在此一并表示感谢！