2019, Vol.39
2 北德克萨斯大学地理与环境系, 德克萨斯州 76203, 美国)
北京平原区为我国人口稠密、经济发达的地区，由活断层引发的地震或无震地质灾害给国家造成了巨大的经济损失和人员伤亡。该区活断层多被第四纪沉积物覆盖，人类活动频繁，构造地貌特征被地表作用改造较大，断层地貌特征不明显，且由于活断层在无震时的活动量极小，而这些活动量通过基岩和沉积层的传导，反映在地形上就更加微弱了，况且还有其他人为或非人为因素的掺杂其中，所以研究难度较大。近年来，随着各种空间对地观测手段的不断发展，数字地形模型(DEM)精度不断提高，平原区的各种微地形特征可显漏无疑，而各种不断更新的地形分析技术[1~9]，使得通过地形地貌分析平原区的构造活动性成为了可能。
就北京地区地形地貌特征方面的研究，前人已经用水准测量或者Real-time kinematic(RTK)测量做了很多工作，王挺梅[10]结合考古、地质、地貌和实地调查等资料探讨了北京地区自秦汉以来的构造运动特征及地貌演化规律；王启梁[11]分析了近10年来北京地区形变趋向，显示北西西向的张应变为主导，北北东向压应变次要地位，认为北京凹陷中的通县、大厂凹陷中的香河、北京凹陷中的大兴西北地区均是面鼓胀区，其南北两端有明显的面收缩，是面应变明显分异的地方，具有较高的地震危险性；孟宪梁等[12]于1983年研究显示，通县-南苑断裂倾向北西，且北西盘下降，为正断层，黄庄-高丽营断裂倾向南东，且南东盘下降为正断层，顺义-良乡断裂倾向北西，其北西盘下降，为正断层；王若柏等[13~14]利用北京地区多年的水准资料，详细分析了北京自20世纪60~90年代近30年间的地壳形变特征以及构造活动趋势；徐锡伟等[15]研究认为，近2万年来，夏垫断裂的滑动速率大约在0.13 mm/a左右；张磊等[16]认为1万年来南口孙河断裂的平均滑动速率为0.31 mm/a左右，并认为南口孙河断裂的活动性明显较夏垫断裂更强；黄秀铭等[17]根据北京地区构造演化、断裂活动、新构造运动、现代构造运动及地震活动等多种资料，综合分析了北京地区的新构造运动特征，认为本区南、北段新构造运动特征存在明显差异，南段新构造活动较北段弱，未来地震危险性亦然；李腊月等[18]利用首都圈40多年来的跨断层流动观测资料进行了系统研究，分析了首都圈断层活动的总体特征和强弱趋势；赵海涛等[19]详细分析了中国区域ASTER GDEM和SRTM DEM的精度差别。
本文主要从地形特征的角度来分析和验证地形变化特征与断层构造活动性强弱的关系，选取了北京及其周边的部分地区为研究区，通过提取ZY3 DEM，并结合SRTM DEM、ASTER GDEM提取的数据对比分析了各种DEM在北京周边地区的应用优劣。并通过水系偏转特征、河长坡降指标(SL)、面积-高程积分值(HI)特征、高程等值线分级色彩显示以及断裂带粗糙度等数字地形分析方法，归纳总结了北京东部平原区的地形地貌特征及其与断层活动的相应关系。
1 研究区与实验数据 1.1 研究区研究区主要包括北京东部的通州、平谷、顺义、燕郊、大厂、三河等地，该区位于华北沉降带北部以及阴山东西向构造带的南缘，如图 1所示，为了方便水系的提取和面积-高程积分值的计算，将断裂所展布的长方形区域作为研究区。该区地势普遍北西略高，向南东逐渐变低，为一大范围的缓倾斜地形。该区除分布有北东向的夏垫断裂、黄庄-高丽营断裂、顺义-良乡断裂、通县-南苑断裂大兴断裂、河西务断裂、宝坻断裂外，还受北西向的南口-孙河断裂、马坊断裂(亦称之为二十里长山断裂)的影响。
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图 1 研究区地形与断裂构造叠加图 该图中的断层信息主要来自于邓起东等[20]2007年出版的中国活动构造图 Fig. 1 Overlay map of topography and fault structure in the study area. The fault information in this map mainly comes from the active tectonic map of China published by Deng Qidong et al. [20] in 2007 |
ZY3 DEM也即是资源三号测绘卫星立体像对提取的DEM，资源三号卫星搭载了四台光学相机，包括一台地面分辨率2.1 m的正视全色TDI CCD相机、两台地面分辨率3.6 m的前视和后视全色TDI CCD相机、一台地面分辨率5.8 m的正视多光谱相机。文章采用2016年的前视和后视影像组成立体像对，进行了DEM提取，生成的坐标系为WGS_1984_UTM_Zone_50N的ZY3 DEM如图 2a所示，其空间分辨率为5 m，相对精度可以达到2~3 m。
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图 2 几种DEM的对比 Fig. 2 Comparison of several DEMs |
SRTM DEM也即是航天飞机雷达地形测绘项目(NASA Shuttle Radar Topography Mission，简称SRTM)，是NASA在2003年发布的数字地形数据，共有4个版本：Version 1，2，3和4，其中V3和V4空间分辨率分别为1弧度秒(30 m)和3弧度秒(90 m)，它利用飞机获取的2000年的雷达影像，通过INSAR技术提取DEM，相比于光学影像对提取的DEM(如ASTER GDEM数据等)，它不受天气条件的影响，精度更为可靠，对平原区地形落差反应也较为客观。如图 2b所示为SRTM DEM V3。
ASTER GDEM数据即先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型(2009年发布)，根据NASA的新一代对地观测卫星Terra2000年以来获取的光学立体像对提取的DEM，空间分辨率为1弧度秒(30 m)，相对精度在7~14 m之间，覆盖全球，投影类型为UTM/WGS84，如图 2c所示。
1.3 几种DEM数据的对比分析通过以上3种高程的对比分析发现三者高程间存在系统误差，ZY3 DEM的高程范围(-9.4, 616)高差为625，其高程值范围最为接近本地高程实际测量值地形勾勒较为细致，如图 2a所示。SRTM高程范围(-55, 602)高差为657，如图 2b所示，地形整体均匀，坏点较少，但因为精度较低使地形剖面勾勒不够真实；ASTRE DEM的高程范围(-121, 613)高差为734，如图 2c所示。ASTER GDEM在北京及周边地区不够均匀，坏点较多；提取的ZY-3 DEM的不足之处是拼接处会有拼接误差，坏点也较SRTM DEM多，如图 2a上白色亮点所示，但高程精度明显高于SRTM DEM和ASTER GDEM，地形剖面图所示地形特征较为接近实际，因此计划采用ZY3 DEM进行面积高程积分分析、高程分级色彩显示和地形粗糙度分析，采用SRTM DEM进行水系提取以及河道偏转的分析，综合利用ZY3 DEM和SRTM DEM进行地形剖面的对比分析。
2 实验方法与实验结果 2.1 水系分析由于研究区为平原区，地形整体起伏度较小，水系流量普遍较小，甚至大多河流已经干枯，只剩下河谷依稀可以分辨，与山区水系有较大的区别，故提取时不能将这两种地形放在一起，而应该将平原区单独裁剪出来做，这也是选取该区作为研究区的原因。
为了便于验证水系提取的可靠度，主要通过两种方法提取水系，一种是通过在影像和DEM数据上目视解译出主要的水系网络，如图 3a所示为解译出的水系与夏垫断层的叠加图。识别出较大水系如潮白新河、鲍丘河、泃河以及泃河支流等；另一种是利用ArcGIS 10.0提供的水文分析工具对ZY3 DEM进行水系的提取和分析，通过包括填洼(得到无洼地的DEM)-流向分析-流量分析-提取河流网络-栅格河流矢量化等步骤提取出水系网络，此分析模型通过将中心栅格单元的8个邻域栅格编码与实际流向的8个方向相结合，确定出每个栅格单元的水流方向，该方法可以提取出地势较低的河谷作为水系，即使已经干涸的河床也可以提取，为了有效剔除较小的河流网路，保留较大河流网络，经验是设置流量大于1500 m3作为水系提取的阈值提取出水系网络，如图 3b所示；第三种是用同样方法对SRTM DEM V4.1进行自动水系提取的结果，如图 3c所示，为经过河网矢量平滑处理后的水系与夏垫断层叠加图。
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图 3 提取的水系网络 Fig. 3 Extracted channel network |
由图 3的3种提取结果可知，3种方法提取的大型水系大体上一致，但也有差别。目视解译中潮白新河S型拐弯处，方法二和三中却作为两条河流，分别提取了，而且在后边的流域提取中也作为两个流域提取了。另外目视识别北运河本来在中部有较大的转弯，方法三途中却将它截弯取直了。这是因为这些地方可能地势较高，而水系分析只是自动地寻找地势低的地方作为河谷水系网络，所以作为两条河流提取了，而目视解译显然不具备地势就低的分布特点，也难以识别较小的已干枯的水系，因此不利于水系与构造活动的分析。同样的阈值下分别对ZY3 DEM和SRTM DEM进行水系的提取，ZY3 DEM提取的河网密度最大，图 3b中右下侧的河流出现了中断不连续的现象，说明由于DEM此处误差较大，地势很难提取出较大的河床主干道。同样SRTM DEM V3也在此处难以提取出完整的河道。因此都不利于水系和构造活动性分析。SRTM DEM V4.1提取的河网较为完整，主干道清晰，河网密度也比ZY3 DEM提取的河网小一些，比较方便进行偏转和坡降的分析。因此，后续的水系分析均采用SRTM DEM V4.1提取的DEM(图 3c)来做。
2.1.1 水系偏转特征分析看图 3c可知，研究区水系流向均为由西北向东南，自西向东主要有潮白新河、潮白河、鲍丘河、泃河以及泃河支流组成，流向上已经反映了北西向构造较北东向构造活动强烈。从图 3c上显示潮白河、鲍丘河、泃河有整体向右扭转的趋势，反映与夏垫断裂及本区其他北东向延伸的黄庄-高丽营断裂、顺义-良乡断裂、大兴断裂等的右旋走滑活动有关。特别是泃河呈90度的转弯，明显反映受夏垫断裂北段活动的控制，说明夏垫断裂的右旋走滑活动，北东段较南西段强。
2.1.2 河长坡降(SL)特征分析河长坡降指标(Stream Length-gradient Index，简称SL)最早由Hack[21]提出，它是描述河床流向方向上坡度随河长降低的指标，他认为在充分考虑了气候、构造事件和地貌历史的情况下，河流沿线坡度指数的变化通常对应于河床底部岩性的差异，而这些岩性差异通常是由构造运动引起的。
为了分析河床纵剖面在断层通过处的坡降幅度，分别在蓟县断裂、顺义-良乡断裂以及夏垫断裂带处找到了4条一级或二级河道的纵剖面(如图 4所示)，并分别用ZY3 DEM、SRTM 30 m V3和SRTM 90 m V4.1进行了河床坡降对比分析，图 5中红色的标注位置即为断层通过处，可见河床坡度一般在断层下盘之后几米的位置有明显的降低。图 5中的4个剖面均显示3种DEM存在不一致性，ZY3 DEM高程范围普遍偏低，但剖面线刻画的较为流畅，接近真实地形特征，SRTM DEM地形刻画不够真实，这是因为分辨率所限，所以多为垂直转折型的线条。
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图 4 河长剖面位置选取 Fig. 4 Selection of river length profile location |
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图 5 跨断层的河床剖面图 Fig. 5 Longitudinal profiles of channels across faults |
依据上述水系提取的结果，根据一定的阈值将研究区进一步划分出不同的亚流域，共分出356个亚流域。为了使亚流域面积高程积分值更能够反映构造活动性，再利用临近面合并的方法，合并小于2 km2较小流域到相邻较大的流域中，最终得到278个亚流域盆地，如图 6a所示。
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图 6 研究区亚流域盆地与面积高程积分值分布图 Fig. 6 The channel network and the hypsometric integral value map |
面积-高程积分值(HI)表达的是流域内不同高程所占面积与流域总面积的百分比[22]。可以反映流域内高于侵蚀基准面高程的相对物质总量，或者流域内物质的势能和侵蚀程度的大小[23]，在同为第四系沉积物的平原区，面积-高程积分值指示了流域地貌发育的阶段，反应了构造活动的强弱[24]。
本文以Pike和Wilson[23]的高程起伏比(高差)作为面积-高程积分值的算法计算公式为：
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(1) |
公式(1)中：hmax、hmin、hmean分别为不同流域区的最大高程、最小高程和平均高程。
通过各流域的面积-高程积分值计算，最终得到各个流域的面积-高程积分值分区图，如图 6b所示。
区内面积-积分值高值主要分布在鲍邱河上游流域的夏垫断裂处、孙河村西北侧的南口-孙河断裂处、香河县的西北部、夏垫镇附近的夏垫断裂处以及蓟县断裂的北部。面积-积分低值区主要位于金鸡河流域、错河流域、通惠河流域、北运河的中上游以及潮白河与鲍丘河之间的流域。高值区多在北东向断裂与北西向断梁裂的交汇处。比如南口-孙河断裂与顺义-良乡断裂、南苑-通县断裂、大兴断裂、夏垫断裂等的交汇处均是相对高值区域，再比如夏垫断裂中段与一北西向未命名断裂交汇处也是高值区域。
2.3 高程等值线分级色彩显示为了突出显示高程变化规律，按高程每间隔10 m，将ZY3 DEM栅格高程数据转化为矢量高程等值线，然后再将其通过彩色分级显示，如图 7所示，高程每变化10 m，颜色上就会有截然不同的变化，所以能够很明显地显示出研究区缓倾斜台阶状地形的变化特点。
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图 7 基于ZY3 DEM的地形等值线彩色分级显示与研究区断层叠加图 断层来自于邓起东等[20]2007年出版的中国活动构造图 Fig. 7 Color graded display of topographic contours and overlay map of faults in the study area based on the ZY3 DEM. The fault information in this map mainly comes from the active tectonic map of China published by Deng Qidong et al. [20] in 2007 |
大于50 m的高程值主要分布在研究区的东北部，其他地方高程均在50 m以下。本区北东向的阶梯状地形主要与北东向展布的断裂构造一致。等高线形状与密度分布极不均匀，白色空白处为等高线变化慢的缓坡，可知等高线疏密变化的地方均与已查明断裂带的展布一致。等高线的弯曲也与断裂带展布特征有关(图 7)。研究区中部和东北部由于两千年来北西向南口-孙河断裂与马坊断裂的活动打乱了这种阶梯状的规律，使地形起伏度变得复杂，另外在南口-孙河断裂带的东南端延伸方向，地势有东南端翘起的趋势，面积-高程积分值在此处也很高，反映此处断层的活动性较强。比较说明，断层的位置调查的越详细准确，地形变化与断层位置的耦合度越高。
2.4 地形粗糙度对比分析地形粗糙度是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标[25]。既然不同的构造断层运动会影响地表侵蚀的速度，进而影响地形粗糙度，地形粗糙度可用地表曲面表面积与投影面积之比表示，设δi区域D中Δδi(i=1，2，…n)为任意子域的投影面积，α为子域内的坡度，则区域D的曲面面积可以表达为
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(2) |
为了分析不同活动强度断层带内的地形粗糙度，将研究区内距离每条断层线1 km范围内的区域作为断层带区域，另外还选取了两个非断层带区域a和b，如图 8中所示。利用公式(2)的ZY3 DEM进行地形粗糙度的计算，从图 8中可知蓟县断裂带的地形粗糙度最高1.00109，另外顺义-良乡断裂带的地形粗糙度值也较高为1.000544，地形粗糙度值最低的黄庄-高丽营断裂和河西务断裂，分别是1.000154和1.000196，非断裂带区域a和b的地形粗糙度值分别是1.000208和1.000245，可知对于断裂活动性较大的区域地形粗糙度比较高，但由于人类活动的影响，一般活动性的断裂与非断裂带区域在地形粗糙度上的差别不大。
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图 8 基于ZY3 DEM的断裂带与非断裂带区域地形粗糙度对比图 Fig. 8 Comparison of RA between fault zone and non-fault zone based on ZY3 DEM |
以上实验结果均对本区地形和构造特征有着指示作用。值得思考的问题是在平原区的同一个地区，降雨量等气候因素基本相同，地表沉积物也基本一样的情况下，地面的起伏和落差应该主要来自于断层活动，作为燕山沉降带的西部边缘，褶皱对于起伏和落差的贡献应该不大。
首先，本区水系的展布多北西向东南，自西向东主要有潮白新河、潮白河、鲍丘河、泃河以及泃河支流组成，反映了先期的北东向断裂活动形成的北西高而南东低的缓倾斜坡地形。而北西向构造控制了该区的河流流向。水系的普遍右旋偏转也能反映断裂活动的普遍右旋走滑趋势，潮白河、鲍丘河、泃河有整体向右扭转的趋势，反映与夏垫断裂及本区其他北东向延伸的黄庄-高丽营断裂、顺义-良乡断裂、大兴断裂等的右旋走滑活动有关，但从水系普遍右旋偏转在夏垫断裂处最大来看，认为夏垫断裂对水系右旋偏转的贡献较其他北东向断裂大。特别是泃河呈90度的转弯，明显反映受夏垫断裂北段活动的控制，说明夏垫断裂的右旋走滑活动，北东段较南西段强。而夏垫断裂被南口-孙河断裂割裂开的南西段，水系右旋偏转趋势不明显。因为南口-孙河断裂的活动，改变了力学性质，减弱了右旋走滑活动的趋势，相对比较独立。
然后，河长坡降特征反映在断层通过处(多偏向于上盘一侧)，河床有较大的纵坡降，推测这可能是因为断层通过处(特别是上盘)由于运动而使岩土松软，加快了侵蚀速度，同时断层的垂向差异运动也使地形在此有较大的变化，这在本区跨越众多河流的北东向断层处均能反应出来。
另外，不同流域面积-高程积分值的差别反映了不同北西向断裂所控制的流域之间构造活动强弱的差异。但值得思考的是，既然面积-高程积分潜在的价值在于评估侵蚀、沉积、地壳均衡、构造在地貌发育中所扮演的角色，那么平原区与山区的面积-高程积分值所表达的构造活动程度是否一样？我们认为山区只有构造活动和侵蚀两种作用结果，而平原区除了前两种还多了一个沉积作用，而且平原区的地形反映的是断层在沉积层中的形变差异，与山区反映的断层在基岩中的形变差异稍有不同，再者对于两者的危险性划分标准也不在同一个标准中。因此，同样的面积-高程积分值，平原区反映的构造活动性应该不能与山区相提并论，这是一个值得思考的问题。平原区地形落差没有山区那么大，水动力远没有山区那么足，因此认为平原区地貌演化的幼年阶段开始的阈值应该比山区小一些，老年阶段开始的阈值要比山区的大一些。结合Strahler[22]、陈彦杰[26]、刘蓓蓓等[27]、程璐等[28]对地貌发育阶段的划分，再依据研究区的实际情况，本文将研究区地貌发育阶段的划分阈值调整为幼年阶段(大于0.55)、壮年阶段(大于0.4且小于0.55)和老年阶段(小于0.4)。
Siddiqui和Soldati[29]、邵崇建等[30]认为HI值在平原区的分布特征可以反映地下隐伏断裂的活动。若其附近有隐伏断裂通过，则HI呈现高值。对比邓起东[20]对中国活断层研究的成果，总体显示南口-孙河断裂与本区其他北东向断裂的交汇处，以及夏垫断裂的中段均通过面积-高程积分高值反映出较强的活动性。另外香河县西北部的高值区也反映可能此处存在着隐伏断裂，并且有较强的活动性，推测可能为南口-孙河断裂向南东延伸的隐伏段。另外，面积-高程积分值的高值区与低值区相临接的地方，如香河的西北部、孙河的西北部、通县的东南部与潮白新河之间、夏垫附近，均是高值区与低值区的临街处，应该是地壳差异活动较大的地方，同时也是地震危险性较大的地方。
再者，高程的分级色彩显示也可以反映高程变化的不均匀行性，这个不均匀性与断层的展布位置有关，断裂带多处在地形疏密变化的衔接处，地形的陡坡带多处在正断层的上盘处，地形等高线的紊乱处也与断层活动有关系。
本区北东向构造主要控制着本区的阶梯状地形。这是由于早期北东向的断层活动较强造成的，等高线形状与密度均与断层带的展布位置有关系，断裂带的走向控制着等高线的弯曲方向。中部由于两千年来北西向南口-孙河断裂与马坊断裂的活动打乱了这种阶梯状的规律，使地形起伏度变得复杂，另外在南口-孙河断裂带的东南端延伸方向，地势有东南端翘起的趋势，面积-高程积分值在此处也很高，说明此处断层的活动性较强。
最后，断层带与非断层带的地形粗糙度对比也反映断层区的地形粗糙度较大，且与断层活动性的大小有较好的正相关性。
以上分析与王挺梅[10]的研究结论有较多的一致性。她认为新构造期以来，由于华北地区区域应力场的改变，主压应力方向由北西向转变为北东东向，近代构造运动以北西向断裂控制的差异活动为其主要形式，这一转变从公元前475~221年开始，北西向构造开始逐渐活跃，永定河流向由东北逐步转向东南，潮白河、泃河分别在顺义、马坊一带同步拐弯，到辽金时代(公元907~1125年)北西向构造已占控制地位，而北东向构造活动逐渐减弱，北西向构造在控制破坏性地震活动方面是主要的。徐锡伟等[15]2000年研究认为，近2万年来，夏垫断裂的滑动速率大约在0.13 mm/a左右；据张磊等[16]所述，认为1万年来南口-孙河断裂的平均滑动速率为0.31 mm/a左右，显然，南口-孙河断裂的活动性较夏垫断裂更强。这也与车兆宏[31]的结论一致，他认为，南口-孙河断层是首都圈几条主要北东向断层破裂分段的界面，被南口-孙河断层切割的北东向断层的南北段，应作为具独立破裂特征的结构单元，王启梁[11]的研究也显示近10年来北京形变趋向显示北西西向的张应变为主导，北北东向压应变次要地位，他认为北京凹陷中的通县、大厂凹陷中的香河、北京凹陷中的大兴西北地区均是面鼓胀区，其南北两端有明显的面收缩，是面应变明显分异的地方，具有较高的地震危险性，而他所述这些地方均在我们计算出的面积高程积分值中显示出高值区与低值区相临的区域，也验证了这一观点。
4 结论利用ZY3 DEM和SRTM DEM数据，通过水系偏转特征分析、河长坡降指标分析、面积-高程积分值分析、高程等值线分级色彩显示、地形粗糙度对比分析等，并结合前人研究成果，综合分析了北京平原区的构造地貌特征及其与断层活动的关系，探讨了这类平原区近隐伏或半隐伏断层在地形地貌特征上的反映特点。主要的结论有几点：
(1) 研究区水系提取的结果反映水系在断裂带附近普遍右旋偏转，与本区北东向断裂的普遍右旋走滑活动有关，但从水系普遍右旋偏转在夏垫断裂处最大来看，认为夏垫断裂对水系右旋偏转的贡献较其他北东向断裂大。
(2) 跨断层的河长坡降指标显示，在断层通过处河道纵剖面地形均有较明显的落差或者称为陡坡。
(3) 面积-高程积分是一种指示流域地貌发育阶段、反映构造活动强弱的宏观地形指标。研究区各亚流域面积-高程积分值高值区大多位于断裂带的交汇处，或者隐伏断层的端部。面积高程积分值反映的地貌演化阶段划分阈值不同于山区。另外，面积-高程积分值的高值区与低值区相临接的地方，往往是地震危险性较大的地方。
(4) 地形等值线分级色彩显示对地形的变化非常敏感，将之与已经查明的断层叠合，发现地形突变的地方，大多与断层的活动有关，地形变化规律与断层活动规律有较好的耦合关系。
(5) 地形粗糙度分析结果显示蓟县断裂、顺义-良乡断裂、夏垫断裂以及南口-孙河断裂的地形粗糙度较大，说明地形粗糙度与断裂活动程度呈正相关关系。
但鉴于ZY3 DEM以及SRTM DEM数据精度有限，还很难准确反映一些更为细致的地貌信息，比如断层陡坎的高度和坡度等，以及断层地貌的演化规律等。另外，数据本身的误差也还有待进一步去查明和修正，以免给地形分析带来一些误解。
总之，平原区地形虽然没有山区的起伏度那么大，而且还掺杂着人类活动的干扰信息，但其各种地形特征指标也给我们揭示了丰富的构造活动信息。相信随着未来DEM精度的提高，以及数字地形分析技术的发展，肯定能解释出更多的构造活动和演化的信息。
致谢: 感谢审稿专家刘耕年老师和另外匿名审稿专家对本文的悉心审阅和提出的宝贵建设性意见，才使论文最终得到提炼和升华。感谢期刊副主编杨美芳老师及其他编辑老师们对论文的校对和排版工作，在此过程中感受到了细心、耐心和高效率。感谢“祁连山西段党河流域地貌特征及其构造指示意义”文章的作者苏琦博士在面积-高程积分计算方法上给予的帮助。
| [1] |
Hooper D M, Bursik M I, Webb F H. Application of high-resolution, interferometric DEMs to geomorphic studies of fault scarps, Fish Lake Valley, Nevada-California, USA[J]. Remote Sensing of Environment, 2003, 84(2): 255-267. DOI:10.1016/S0034-4257(02)00110-4 |
| [2] |
Bhosle B, Parkash B, Awasthi A K, et al. Use of digital elevation models and drainage patterns for locating active faults in the Upper Gangetic Plain, India[J]. International Journal of Remote Sensing, 2009, 30(3): 673-691. DOI:10.1080/01431160802392604 |
| [3] |
Ahmad S, Akhtar A, Bashir A, et al. Geomorphic evidence of unrecognized Balapur fault segment in the southwest Kashmir basin of northwest Himalayas[J]. Geomorphology, 2015, 250: 159-172. DOI:10.1016/j.geomorph.2015.09.006 |
| [4] |
Whitney B B, Hengesh J V. Geomorphological evidence of neotectonic deformation in the Carnarvon Basin, Western Australia[J]. Geomorphology, 2015, 228: 579-596. DOI:10.1016/j.geomorph.2014.10.020 |
| [5] |
Mahmood S A, Gloaguen R. Appraisal of active tectonics in Hindu Kush:Insights from DEM derived geomorphic indices and drainage analysis[J]. Geoscience Frontiers, 2012, 3(4): 407-428. DOI:10.1016/j.gsf.2011.12.002 |
| [6] |
Shabir A, Akhtar A, Bashir A, et al. Geomorphic evidence of unrecognized Balapur fault segment in the southwest Kashmir basin of northwest Himalayas[J]. Geomorphology, 2015, 250: 159-172. DOI:10.1016/j.geomorph.2015.09.006 |
| [7] |
王艳萍, 沈军, 宋英杰, 等. 基于ASTER GDEM的河南西部伏牛山区断裂构造特征解译[J]. 地震工程学报, 2017, 39(4): 767-773. Wang Yanping, Shen Jun, Song Yingjie, et al. Interpretation of Funiu Mountain's fault structure characteristics in western Henan based on ASTER GDEM[J]. China Earthquake Engineering Journal, 2017, 39(4): 767-773. DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2017.04.0767 |
| [8] |
武登云, 张天琪, 程璐, 等. 地貌形态指标揭示的北天山乌鲁木齐河流域新构造活动特征[J]. 第四纪研究, 2018, 38(1): 193-203. Wu Dengyun, Zhang Tianqi, Cheng Lu, et al. Neotectonic activation of the Vrümqi River basin revealed by geomorphic indices[J]. Quaternary Sciences, 2018, 38(1): 193-203. |
| [9] |
谢小平, 白毛伟, 陈芝聪, 等. 龙门山北东段山前断裂第四纪构造活动性与构造地貌特征[J]. 第四纪研究, 2018, 38(1): 247-260. Xie Xiaoping, Bai Maowei, Chen Zhicong, et al. Quaternary tectonic activity and tectono-geomorphic in the northeastern Longmen Mountains foreland faults zone[J]. Quaternary Sciences, 2018, 38(1): 247-260. |
| [10] |
王挺梅. 北京地区近代构造与地震活动的初步研究[J]. 地震地质, 1979, 1(2): 38-45. Wang Tingmei. A preliminary study on the tectonic and seismic activity in Beijing area[J]. Seismology and Geology, 1979, 1(2): 38-45. |
| [11] |
王启梁. 近十年来北京地区的水平形变[J]. 大地测量与地球动力学, 1981(2): 27-33. Wang Qiliang. Horizontal deformation of Beijing in recent ten years[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 1981(2): 27-33. |
| [12] |
孟宪梁, 杜春涛, 王瑞, 等. 1679年三河-平谷大震的地震断裂带[J]. 地震, 1983(3): 18. Meng Xianliang, Du Chuntao, Wang Rui, et al. Seismic fault zone of the 1679 Sanhe-Pinggu earthquake[J]. Earthquake, 1983(3): 18-23. |
| [13] |
王若柏, 黄立人. 北京地区的水平形变及其构造含义[J]. 地震地质, 1984, 6(4): 17-24. Wang Ruobo, Huang Liren. Horizontal deformation and its tectonic implications in Beijing area[J]. Seismology and Geology, 1984, 6(4): 17-24. |
| [14] |
王若柏, 杨国华, 耿士昌, 等. 北京地区地壳形变场及其动态特征[J]. 地震地质, 1994, 16(1): 1-9. Wang Ruobo, Yang Guohua, Geng Shichang, et al. The crustal deformation field and its dynamic features in Beijing area[J]. Seismology and Geology, 1994, 16(1): 1-9. |
| [15] |
徐锡伟, 计凤桔, 于贵华, 等. 用钻孔地层剖面记录恢复古地震序列:河北夏垫断裂古地震研究[J]. 地震地质, 2000, 22(1): 9-19. Xu Xiwei, Ji Fengju, Yu Guihua, et al. Reconstruction of paleoearth quake sequence using stratigraphic records from drill logs:A study at the Xiadian fault, Beijing[J]. Seismology and Geology, 2000, 22(1): 9-19. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2000.01.002 |
| [16] |
张磊, 白凌燕, 蔡向民, 等. 北京平原南口-孙河断裂带北西段活动性分析[J]. 中国地质, 2014, 41(3): 902-911. Zhang Lei, Bai Lingyan, Cai Xiangmin, et al. An analysis of the activity of the northwest part of Nankou-Sunhe fault[J]. Geology in China, 2014, 41(3): 902-911. DOI:10.3969/j.issn.1000-3657.2014.03.017 |
| [17] |
黄秀铭, 汪良谋, 徐杰. 北京地区新构造运动特征[J]. 地震地质, 1991, 13(1): 43-51. Huang Xiuming, Wang Liangmou, Xu Jie, et al. Characteristics of neotectonic movement in Beijing area[J]. Seismology and Geology, 1991, 13(1): 43-51. |
| [18] |
李腊月, 邢成起, 武安绪. 首都圈断层活动及其与地震关系探讨[J]. 中国地震, 2012, 28(2): 167-178. Li Layue, Xing Chengqi, Wu Anxu, et al. Fault activity in capital circle and its relation with earthquakes[J]. Earthquake Research in China, 2012, 28(2): 167-178. DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2012.02.006 |
| [19] |
赵海涛, 张兵, 左正立, 等. 中国及周边区域ASTER DEM数据的坡度叠加图GDEM与SRTMDEM高程对比分析及互补修复[J]. 测绘科学, 2012, 37(1): 8-11. Zhao Haitao, Zhang Bing, Zuo Zhengli, et al. DEM comparison and complementary repair of ASTER GDEM and SRTM DEM in China and surround areas[J]. Science of Surveying and Mapping, 2012, 37(1): 8-11. |
| [20] |
邓起东, 冉永康, 郑荣章, 等. 中国活动构造图(1:400万)[M]. 北京: 地震出版社, 2007. Deng Qidong, Ran Yongkang, Zheng Rongzhang, et al. Active Tectonic Map of China(1:4 million)[M]. Beijing: Seismological Press, 2007. |
| [21] |
Hack J T. Stream porfile analysis and stream gradient index[J]. Journal Research of United States Geological Survey, 1973, 1(4): 421-429. |
| [22] |
Strahler A N. Hypsometric(area-altitude)analysis of erosional topography[J]. Geological Society of America Bulletin, 1952, 63(11): 1117-1142. DOI:10.1130/0016-7606(1952)63[1117:HAAOET]2.0.CO;2 |
| [23] |
Pike R J, Wilson S E. Elevation-relief ratio, hypsometric integral, and geomorphic area-altitude analysis[J]. Geological Society of America Bulletin, 1971, 82(4): 1079-1084. DOI:10.1130/0016-7606(1971)82[1079:ERHIAG]2.0.CO;2 |
| [24] |
Walcott R C, Summerfield M A. Scale dependence of hypsometric integrals:An analysis of Southeast African basins[J]. Geomorphology, 2008, 96(1): 174-186. |
| [25] |
苏琦, 袁道阳, 谢虹, 等. 祁连山西段党河流域地貌特征及其构造指示意义[J]. 第四纪研究, 2015, 35(1): 48-59. Su Qi, Yuan Daoyang, Xie Hong, et al. Geomorphic features of the Danghe river drainage basin in western Qilian Shan Mountain and its tectonic implications[J]. Quaternary Sciences, 2015, 35(1): 48-59. |
| [26] |
陈彦杰.台湾山脉的构造地形指标特性——以面积高度积分、地形碎形参数与河流坡降指标为依据[D].台南: 成功大学地球科学研究所博士论文, 2008: 1-84. Chen Yen-chieh. Morphotectonic Features of Taiwan Mountain Belt Based on Hypsometric Integral, Topographic Fractals and SL Index[D]. Tainan: The Doctor's Degree Thesis of Cheng Kung University, 2008: 1-84. |
| [27] |
刘蓓蓓, 崔之久, 刘耕年, 等. 基于面积-高程积分法的岷山雪宝顶-九寨沟地貌形态分析[J]. 第四纪研究, 2017, 37(2): 224-233. Liu Beibei, Cui Zhijiu, Liu Gengnian, et al. Geomorphologic analysis of the Xuebaoding-Jiuzhaigou area in Min Shan based on Hypsometric Integral method[J]. Quaternary Sciences, 2017, 37(2): 224-233. |
| [28] |
程璐, 武登云, 靳文, 等. 基于地貌计量指标分析的钱塘江流域地貌演化特征[J]. 第四纪研究, 2017, 37(2): 343. Cheng Lu, Wu Dengyun, Jin Wen, et al. Geomorphic evolution of the Qiantang River drainage basin based on the analysis of topographic indexs[J]. Quaternary Sciences, 2017, 37(2): 343-352. |
| [29] |
Siddiqui Saima, Soldati Mauro. Appraisal of active tectonics using DEM-based hypsometric integral and trend surface analysis in Emilia-Romagna Apennines, Northern Italy[J]. Turkish Journal of Earth Sciences, 2014, 23(3): 277-292. |
| [30] |
邵崇建, 李勇, 颜照坤, 等. 基于DEM数据的龙门山流域地形起伏度研究[J]. 四川师范大学学报:自然科学版, 2015, 38(5): 766-773. Shao Chongjian, Li Yong, Yan Zhaokun, et al. Research on the DEM of topographic relief in Longmenshan river basin[J]. Journal of Sichuan Normal University(Natural Science), 2015, 38(5): 766-773. |
| [31] |
车兆宏. 南口-孙河断层括动性研究[J]. 地震地质, 1994, 16(2): 116-120. Che Zhaohong. A research of Nankou Sunhe fault including[J]. Seismology and Geology, 1994, 16(2): 114-120. |
2 Department of Geography and the Environment, University of North Texas, TX 76203, USA)
Abstract
This paper presents the methods and results of geomorphic analysis in the Beijing Plain using ZY3 DEM and SRTM DEM. Several geomorphic parameters related to fault activity are analyzed, including the drainage system deflection, stream length-gradient (SL), hypsometric integral (HI), contour color display and terrain roughness.The right lateral deflection of the drainage system confirms the right lateral strike slip activity of the North-East trending faults in this area, including Xiadian fault and other adjacent faults. The SL-Indices indicate that all longitudinal sections of the riverbeds passing through faults have steep slopes. The high value of HI is mainly at the intersection of Nankou-Sunhe fault and other NE-trending faults in this area, and the middle segment of Xiadian fault, which reflects the strong tectonic activity. In addition, the high value of HI in the north-west of Xianghe County also reflects that there may be hidden active faults. It is presumed that where the high and low values of HI are adjacent to each other, they are often places with high seismic risk. In addition, the authors believe that the tectonic activity in plain area should be greater than that in mountainous area with the same HI value. The contour color display is very sensitive to the change of topography. When overlapped with the recognized faults, most of the places where topographic changes abruptly are related to the fault activity. The terrain roughness in different fault zones shows a positive correlation between the intensity of fault activity and the terrain roughness. The topographic index of the plain area not only reflects the result of erosion and deposition, but also shows the level of tectonic activity.