《Geocarto International》：The approach of automatic drainage anomalies extraction for active tectonic detection: Jizan coastal plain (Southwestern of Saudi Arabia)
编辑推荐：
本文开发了一种创新的ArcGIS Model Builder工具，通过数字高程模型（DEM）和排水网络分析自动提取排水异常作为新构造指标。该方法在沙特阿拉伯吉赞海岸平原的应用表明，27%的排水段存在异常，与已知的NE-SW至WNW-ESE走向隐伏断裂系统高度空间相关，为第四纪沉积物覆盖区活动断层识别和地震危险性评估提供了经济有效的替代方案。
2 材料与方法
2.1 研究区概况
吉赞地区位于沙特阿拉伯西南部，属于非洲-阿拉伯裂谷系统的一部分，处于红海、亚丁湾和阿法尔凹陷三联点构造带。该区域受阿拉伯板块与努比亚板块分离作用控制，红海扩张速率约为10-16毫米/年。地质上，研究区基底为前寒武纪阿拉伯地盾，上覆古近纪至全新世火山岩和厚层第四纪沉积物。地球物理探测显示，阿拉伯地壳厚度约40公里，但至吉赞海岸平原急剧减薄至18公里，反映了红海裂谷作用的强烈拉伸效应。
2.2 数据来源
研究采用30米分辨率的SRTM DEM数据（获取日期：2022年2月10日），结合沙特地质调查局（SGS）2007-2014年地震目录和区域地质图件。地形分析主要通过ArcGIS Pro软件的水文分析工具实现。
2.3 排水异常检测方法
排水系统对垂直变形和构造控制高度敏感，是新构造活动的重要指示器。排水异常主要表现为河道方向与区域地形坡向的偏差，包括斜向排水、反坡排水等异常模式。传统人工识别方法存在主观性强、效率低等问题，本研究开发了全自动排水异常检测工具（ADADT）。
方法核心包括两个关键参数计算：
- •
坡向（Sd）：通过DEM序列滤波（5×5最大值滤波、13×13中值滤波、10×10平滑滤波）生成包络面，再计算坡向方位角（0°-360°）。
- •
排水方向（Dd）：采用D8算法提取水文网络，通过空间连接为每个排水段分配方向属性。
异常判定标准为方向偏差（Dd-Sd）超出正常范围（-90°至90°、270°至360°或-360°至-270°），该阈值基于前人研究和实证测试确定，能有效识别构造控制的排水异常。
2.4 模型构建器自动化实现
通过ArcGIS Model Builder将整个工作流集成自动化流程，从DEM处理到异常分类无需人工干预，显著提高了处理效率和一致性。蒙特卡洛模拟（1000次迭代）验证了分类结果的稳健性，异常排水比例27%的95%置信区间为24.7%-29.3%。
3 结果
3.1 排水异常空间分布
自动化提取结果显示：
- •
73%的排水段呈现正常模式
- •
27%的排水段存在异常，空间分布非随机
- •
低阶河道（1-3级）异常占比达91%，对构造活动响应最敏感
3.2 构造方向识别
排水异常主要呈现两个优势方向：
- •
主趋势：NE-SW至ENE-WSW走向，与区域右行走滑断层系统一致
- •
次趋势：WNW-ESE走向，可能代表共轭剪切系统
3.3 异常密度与构造分带
排水异常密度图揭示明显构造分带：
- •
西部沿海高密度带：沿NE-SW走向分布，反映强烈剪切应变
- •
中部低密度带：对应NW-SE走向地堑构造，变形分散
- •
东部山地高密度带：NE-SW断层系统继续向东延伸
3.4 多源数据验证
空间统计分析显示地震震中呈显著集群分布（最邻近比0.73，z值-8.07，p<0.01），与排水异常和已知隐伏断裂空间耦合良好，证实了构造控制的有效性。
4 发现验证
4.1 地貌指数分析
应用三种地貌指数验证构造活动性：
- •
山前线弯曲度（Smf）：19个山前计算结果为1.1-1.4，指示中等构造活动水平
- •
盆地形状指数（Bs）：11个流域值域3.84-6.87，反映构造抬升主导盆地形态
- •
不对称因子（Af）：21个流域值域9.8-63.98，显示不同程度构造倾斜
这些定量指标与排水异常分析结果一致，共同证实了区域新构造活动的存在。
5 讨论
5.1 构造机制解析
排水异常的空间分布模式反映了红海裂谷作用下前寒武纪基底断裂的活化过程。NE-SW走向异常与地震震源机制揭示的右行走滑断层高度吻合，代表阿拉伯板块运动产生的现代应力场对古老构造的再活化。
5.2 方法学优势
自动排水异常检测方法将开源DEM数据转化为有效的构造活动指标，在第四纪覆盖区具有独特优势。虽然不能完全替代地球物理勘探，但可为靶区优选提供指导，降低成本提高效率。
5.3 应用前景
该方法不仅适用于构造研究，还可为城市规划和工程建设提供地震危险性评估依据，在吉赞等快速发展地区具有重要实用价值。
6 结论
本研究成功开发了自动排水异常提取方法，在吉赞海岸平原识别出27%的异常排水段，其中91%集中于低阶河道，空间上与NE-SW走向隐伏断裂系统高度相关。多源数据验证表明这些异常是基底断裂新构造活动的直接地貌响应。该方法为沉积物覆盖区活动构造探测提供了新的技术途径，对区域地震危险性评估和可持续发展具有重要科学和实践意义。
