地貌參數提取方法以及與構造活動的關系
——以龍門山斷裂帶南段為例

劉漢永

(中國地震局 地殼應力研究所,北京 100083)

地貌參數提取方法以及與構造活動的關系
——以龍門山斷裂帶南段為例

劉漢永

(中國地震局 地殼應力研究所,北京 100083)

利用地貌特征來反映構造活動是活動構造的常用研究方法,而借助多種計算機軟件和高分辨率數字高程模型可以迅速而有效地提取各種地貌參數。介紹利用ArcGIS、RiverTools以及Matlab等軟件快速提取面積高程積分、河流分支比、河流坡降指數、Hack剖面、地貌起伏度以及坡度等地貌因子的方法,并以龍門山斷裂帶南段為例,介紹地貌特征與構造活動之間的關系。

地貌參數;構造活動;龍門山斷裂帶南段

構造活動對區域地貌演化研究具有很大的影響,可以通過對地貌的定量研究,來獲取區域構造活動的信息。

早在20世紀50年代,Strahler[1-2]就提出了面積—高程積分(HI)來定量表征流域內高程的分布,研究了河流分支比(Rb)和構造活動的關系。Hack也提出河流坡降指數(SL)來表征河流不同河段坡度的變化[3],而Hack剖面則可以討論流域的形態特征。在流域盆地內,前人提出了流域盆地不對稱度(AF)、流域形狀指數(BS)、河流坡降指數(SL)、地貌起伏度(TR)以及坡度(AS)等指數,定量描述流域內地貌特征,提出地貌與構造、氣候等因素的關系[4]。

近年來,隨著GIS軟件的普及以及高分辨率數值地形技術的高速發展,提取地貌參數的手段變得非常成熟,越來越多的研究致力于探討區域地貌特征與構造活動的關系[5-7]。從地貌參數的角度對龍門山地區進行研究,前人發現,龍門山斷裂帶中段活動性最強,北段次之,南段最弱,并討論了龍門山地區的構造特征的變化[5],指出了北川—映秀斷裂和雙石—大川斷裂是該地區主要的活動斷裂[8],趙國華等[9]根據Hack剖面和面積—高程積分討論了龍門山中段的構造活動性。

已有研究的成果大都集中在龍門山斷裂帶的中、北段,而南段的相關成果很少。本研究以龍門山南段為研究對象,利用由1∶5萬地形圖轉出的25 m分辨率DEM,基于ArcMap10.0水文分析模塊,提取了面積高程積分、河流分支比、Hack剖面、地貌起伏度以及坡度等來定量研究該區域的地貌特征,并探討其與構造活動的關系。

1 區域構造背景

龍門山位于青藏高原東緣,是世界屋脊青藏高原和四川盆地的分界,也是松潘—甘孜地塊與華南地塊相互碰撞的界線,同時也是南北地震帶的重要組成部分,在中國區域大地構造體系中具有重要的意義[10-11]。

龍門山構造帶由后山(茂縣—汶川)、中央(北川—映秀)、前山(灌縣—安縣)斷裂和山前隱伏斷裂等4條逆沖斷裂及其間所挾持的逆沖楔體組成[11-12]。其形成過程表現為自后山斷裂向東南方向發展的前展式逆沖斷層。受北川附近的NW向走滑斷層及都江堰附近的NW向三江口斷裂的切割,龍門山構造帶又可以進一步分為北段、中斷和南段[10-11,13]。其中龍門山南段三條主干斷裂帶依次稱為耿達—隴東(后山)斷裂、鹽井—五龍(中央)斷裂、雙石—大川(前山)斷裂,在前陸區發育有多條隱伏斷裂,呈疊瓦狀展布[14]。雙石—大川斷裂在大川鎮附近分為東西兩支:東支經過雙石鎮、大溪鄉,稱為雙石—大川斷裂;西支經小關子,稱為小關子斷裂,兩支斷裂在天全縣附近匯為一支。五龍斷裂在本區沿蜂桶寨—五龍一線展布,而耿達—隴東斷裂從隴東以北向南西匯入北西走向的金湯弧形斷裂(如圖1)。

圖1 龍門山斷裂帶南段地貌與地質構造圖Fig.1 Geomorphic and tectonic map of south segment of the Longmenshan Fault BeltBYF.北川—映秀斷裂;GLF.耿達—隴東斷裂;JGF.江油—灌縣斷裂;JTHF.金湯弧形斷裂;MWF.茂縣—汶川斷裂;PXF.蒲江—新津斷裂;SDF.雙石—大川斷裂;XGZF.小關子斷裂;ZGF.中崗斷裂;YYF.永富斷裂。Q.第四系;E.新近系;K.白堊系;J.侏羅系;T.三疊系;C.石炭系;D.泥盆系;S.志留系;O.奧陶系;Zb.震旦系;Pt.新元古界;γ.花崗巖。

前人對龍門山南段活動構造研究甚少,只有一些討論,如楊曉平等[15]認為五龍斷裂和大川—雙石斷裂在晚更新世有活動,陳立春等[16]和Densmore et al.[17]根據探槽開挖的結果證明,大川—雙石斷裂是一條全新世活動斷裂。龍門山南段缺乏斷層的證據,這使討論斷層的活動時代和活動性十分困難。本文從定量地貌學的角度出發,根據多個地貌參數討論地貌特征與斷裂活動的關系,為研究本地區的構造活動性提供依據。

2 地貌參數的提取

2.1 面積—高程積分曲線

面積高程積分是Strahler提出的一個定量描述流域內高程的分布,表征未被侵蝕部分體積的一個參數[1],可以指示區域構造活動差異[18-19]。

在一個流域盆地演化的不同階段,其地貌形態會發生較大的變化。在演化早期階段,河流侵蝕能力強,地貌以深切河谷為主,流域內高海拔區域較大;隨著河流演化進入后期,U形谷發育,流域內低海拔區域的面積逐漸增大。面積—高程積分曲線就是一個表征流域盆地內某一特定高程值之上的面積占全流域面積的比例函數,具體計算公式參見參考文獻[20]。

由圖2-b可知,流域積分曲線為上凸型時,其積分值也高;為下凹型時,積分值低。其中高積分值意味著流域內大部分物質體積未被侵蝕,地形演化時間短,地貌處于幼年期,積分曲線呈上凸型;反之,地形演化時間越長,流域內物質侵蝕殆盡,地貌處于老年期,積分曲線呈下凹型。介于凸型及凹型之間呈凹凸型的則為中年期。依據Strahler對HI的劃分,可分為3級:幼年期HI>0.5;中年期HI值在0.4～0.5之間;老年期HI<0.4。

本研究選取了龍門山南段9支較大的流域,分別為青衣江寶興境內的東河(L1)、西河(L2)、天全河(L3)、蘆山河(L4),大渡河支流金湯河(L9),岷江流域的雜谷腦河(L5)、漩口河(L6)、西江河(L7)以及出河(L8),在每個流域內,再劃分次級小流域,計算面積高程積分(圖3)。

圖2 面積高程積分示意圖Fig.2 Sketch map of area elevation integration a.流域內高差大于h的部分投影到平面上的面積;b.面積高程積分曲線,其中黃色部分表示流域內未被侵蝕部分的比例,即面積高程積分。

本文利用ArcMap10.0提取DEM高程數據,在Matlab 2010b中計算x、y,在Grapher 3.6中作圖。將ArcMap10.0導出的高程數據導入Matlab 2010b進行計算。

2.2 河流分支比

在造山帶中,河流的演化和構造活動、氣候變化有著密切的關系,其演化模式一直是地貌學研究的熱點。發育程度相對比較成熟的水系具有河道距離遠、支流多、流域網絡復雜以及流域面積大等特征;而相反地,水系長度短、河流分支少等特征則表明了水系正處于演化過程的“幼年”、“青年”時期。由于水系對于構造、氣候等外來因素的改變非常敏感,因此水系河流演化通常詳細記錄了造山帶系統最新時期的細微變動[2,21-22]。

圖3 SL與Hack剖面示意圖[9]Fig.3 Diagram of SL and Hack profiles (a).呈對數曲線形態的均衡剖面河流縱剖面;(b).半對數坐標下的均衡河流縱剖面,即其Hack剖面,剖面的斜率k即其SL值;(c).受到構造抬升作用的河流縱剖面;(d).受到構造抬升作用的河流Hack剖面;(e).呈現曲線形態的Hack,此剖面由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 等4個均衡河段組成,每個河段均有其SL值,這些SL值即構成階梯狀SL曲線。當河流全河段達到“理想均衡剖面”狀態時,其斜率為K,即為均衡坡降指標。

本研究采用Strahler分級方法對流域的水系進行分級,首先將所有河網弧段中沒有支流的弧段定義為第1級,兩個1級弧段匯流成的河網弧段定義為第2級,以此類推,一直到河網出水口[21],然后計算每一級河網弧段數目,并且定義Rb為低一級河網弧段數目與高一級河網弧段數目比值的平均值,即:

式中:m為水系級數;n為對應各級的弧段數。而且,河流各弧段數目的對數值與河流級數呈線性關系,即lg(n)=b-am其中,a和b分別為常數。

Rb是一個與維度無關的量,即不受流域形態、環境等方面的影響,但會受到地質條件的擾動,比如巖性、構造活動等。一般Rb值介于3～5之間,低的Rb值說明流域受地質方面的擾動較小,而高Rb值說明受到構造活動等因素的影響較大[2]。

首先在Rivertools軟件中進行提取,提取閾值(Pruning threshole)設為5。然后在ArcMap10.0中導出河流流域參數,利用Matlab進行計算。在利用Matlab計算Rb值的過程中,對河流級數與河流弧段數(m—log(n))進行了線性擬合,刪去了擬合程度較差的流域,最終選取了龍門山南段64個3級以上(含)流域的Rb值進行研究。

2.3 河流坡降指數

河流坡降指數是1973年Hack在研究美國西部河流縱剖面時提出來的。在合理均衡的理想情況下,河流縱剖面是一個指數曲線。以河段距源頭的距離取對數為橫坐標軸,以河段高程為縱坐標軸,河流縱剖面可表示為:

H=c-k×log(L)

式中:H為各河段的高程;L為從河流源頭沿河道到該河段的長度;c、k為常數,k即為SL值。SL參數可以近似為由河流縱剖面局部段的坡度與離河流源頭的距離的乘積來計算:

SL=(ΔH/ΔL)·L

式中:ΔH為單位河段的高程差;ΔL為單位河段的距離;L為河流源頭至河段中點的距離[3,23-25]。

SL值對于河流坡度變化非常敏感,其控制因素主要為巖性和構造活動。當河段的抗侵蝕能力較強或構造抬升活躍的時候,SL值較高,反之則較低[19,26-27]。

Hack剖面則是描述河流縱剖面整體上的變化特征。最原始的Hack剖面研究對象是全河段抗蝕力相似的河流。但在自然界中,受巖性差異或構造活動的影響,Hack剖面多呈現上凸下凹等曲線狀,并非一條直線[27-28]。 因此,可以從Hack剖面的源頭到出水口畫一條直線,來表示該河流全河段達到動力平衡時的狀態,斜率即為均衡坡降指標K。一般來說,較大的河流相對較小的河流容易有較大K值和SL值。在比較不同河流間的河長坡降指標時,需要將不同河段SL參數進行標準化,用各河段的標準化河長坡降指標“SL/K”值進行對比。

筆者提取橫跨龍門山南段的四條河流的坡降指數和河流剖面(河流位置及編號如圖4),并進行標準化。

2.4 條帶地形剖面

為了比較橫向地貌變化,沿約北西45°方向,在三個不同的區域,沿同一方向提取了地形條帶剖面(圖5)。條帶長100 km,寬10 km。沿條帶長軸方向細分為寬100 m的次級條帶,然后統計每個條帶內的最大、最小和平均值,得到剖面圖[29]。

圖4 橫跨龍門山斷裂帶南段河流分布圖Fig.4 The rivers distribntion map which accross the south segment of Longmenshan Fault Belt R1-R4.SL剖面河流編號,其中R1到寶興為止。

圖5 龍門山斷裂帶南段地形條帶剖面提取位置圖Fig.5 The extractiong location of topographical stripe profile p1-p3.條帶編號。

2.5 起伏度和坡度指數

地貌起伏度即一定面積內最高點高程和最低點高程之差,它能夠表示地面侵蝕程度[5],可以通過區域內最高點高程減去最低點高程計算[5,30]。筆者把數字高程模型(DEM)分割成1 km2正方形的單元,提取小單元內高程最高與最低值之差,并將該差值賦給小單元,得到分辨率為1 000 m的柵格數據。然后,利用克里金法,把柵格重新插值,得到25 m分辨率的新柵格。

坡度即地表的傾斜程度。提取DEM中每個柵格的高程值,與其周圍相鄰的4個柵格的高程值分別計算坡度,取最大值賦給該柵格。然后,把得到的柵格數據重新分為1 km2正方形的單元,提取單元內坡度的最大值,得到分辨率為1 000 m的新柵格。利用克里金法,得到柵格插值為25 m分辨率的新柵格。

沿約北西45°方向,分別提取地貌起伏度、坡度條帶剖面,條帶長100 km,寬10 km。沿條帶長軸方向細分為寬100 m的次級條帶,然后統計每個條帶內的最大、最小和平均值,得到剖面圖。

3 結果與討論

3.1 面積—高程積分曲線和河流分支比

面積高程積分計算結果如圖6,可以看出,HI值的范圍為0.31～0.62,絕大部分在0.38～0.55之間,平均值為0.47,整體處于成熟期。在龍門山后山斷裂北西部分,HI值較高,相應流域的HI曲線多為上凸性,表示該區域地貌演化處于幼年期,以V型深谷為主。而在龍門山中央、前山斷裂區域,HI值逐漸變低,HI曲線多為下凹型,說明地貌成熟度升高,為成年期(圖6、圖7)。

河流分支比計算的結果Rb值的范圍在2.8～6.3之間,分布格局與HI值類似,在龍門山后山地區Rb值偏高,表明該地區地貌處于幼年期,前山地區較低,表明前山地區地貌演化處于青年期(圖8)。

3.2 河流坡降指數

河流坡降指數提取結果見圖9。從圖中可以發現,四條河流的SL/K主要有兩個峰值,一個位于永富斷裂周圍(P1),另一個位于鹽井五龍斷裂和雙石—大川斷裂(小關子斷裂)之間(P2)。這兩個峰值至少出現在三條河流上,而且跨越了不同巖性的地層,所以未受到巖性的影響,其主控因素可能是構造活動。另外,還有一些小的峰值,比如R1中,在鹽井—五龍斷裂的上盤有一個峰值,流經元古代地層和花崗巖體,抗侵蝕能力較強,可能是在巖性影響下形成的峰值。

3.3 條帶地形剖面和起伏度、坡度指數

條帶地形剖面的提取結果見圖10,筆者發現p1和p3條帶反映的地形變化趨勢和p2一致,都是以永富斷裂為界,北西側為高海拔地區,南東側地勢下降,鹽井—五龍斷裂和雙石—大川斷裂(小關子斷裂)作為次級地貌的分界,上盤高程要高于下盤高程,這說明本地區的地貌形態與斷裂展布格局基本一致。

起伏度、坡度指數的分布特征與條帶地形剖面十分類似(圖11、圖12),據此可將龍門山斷裂帶及其周邊地區分為三部分,其邊界分別為中崗斷裂和小關子斷裂。

圖6 龍門山斷裂帶南段河流流域劃分及小流域HI值圖Fig.6 River drainage divide of south segment of Longmenshan Fault Belt and HI values

圖7 龍門山斷裂帶南段幾組典型的HI曲線圖Fig.7 Typical HI curves of south segment of Longmenshan Fault Belt

在中崗斷裂(永富斷裂)以西,地貌高差、坡度都比較低,平均值分別在500 m和30°左右,但平均高程在3 000 m以上,最高可達4 500 m。本區域地貌上為高原,地貌起伏較小。

在中崗斷裂和小關子斷裂之間,地貌高差和坡度都比較高,二者平均值約為650 m和35°,而且變化較大,其中一個高值區域沿永富斷裂,最高平均值約為800 m和40°,另一個則在五龍斷裂和小關子斷裂之間,最高平均值也約為800 m和40°。在鹽井—五龍斷裂的下盤為低值區域。在隴東斷裂和五龍斷裂的上盤變化不大,趨勢較為平緩。而高程上,自中崗斷裂至隴東斷裂,高程為下降趨勢,在隴東斷裂和五龍之間為高地貌區,最高平均值可達3 500 m,另一個高地貌區出現在小關子斷裂上盤,最高平均值接近4 000 m。高程的變化趨勢和高差、坡度的趨勢恰好相反。中崗斷裂(永富斷裂)和小關子斷裂之間為高山峽谷地貌,起伏很大,可能和區域斷裂的活動有關。

圖8 龍門山斷裂帶南段各流域Rb值及其分級Fig.8 The Rb values and its rank of different drainages in south segment of Longmenshan Fault Belt

在小關子斷裂東側,高差、坡度以及高程都迅速降低,而且趨于平緩,前陸地區地貌變為低矮山地。這個變化趨勢可能和巖性以及構造活動有關。在小關子斷裂以西,地層巖性主要為灰巖、白云巖和花崗巖,抗侵蝕能力較強;而其東部,則主要為砂巖、粉砂巖泥巖等,比較容易被侵蝕風化。

在地形剖面上,五龍斷裂和小關子斷裂(雙石—大川斷裂)之間地勢明顯隆起,尤其是在p2條帶剖面上最為明顯。而Hack剖面也有類似的規律,R2-R4河流橫跨五龍斷裂和小關子斷裂,在二者之間,SL/K值有明顯升高,意味著河道變陡。而巖性變化與SL/K值變化不一致,說明SL/K值變化,即得到變陡的主要原因是構造活動。

這可能暗示,在五龍斷裂和小關子斷裂之間,發育有隱伏構造,其活動導致了河道變陡和高地貌。在小關子斷裂之下,地貌趨于平緩,說明小關子斷裂(雙石—大川斷裂)的逆沖活動對褶皺變形有一定的控制作用。龍門山構造帶南段的隱伏斷層和小關子斷裂的活動性應引起重視。

圖9 橫跨龍門山斷裂帶南段河流Hack剖面和SL/K值圖Fig.9 Hack profile and SL/K values of rivers in south segment of Longmenshan Fault Belt ZGF.中崗斷裂;YFF.永富斷裂;GLF.耿達—隴東斷裂;YWF.鹽井—五龍斷裂;XGZF.小關子斷裂;SDF.雙石大川—斷裂。元古宇(PT).白云巖;古生界(O—P).灰巖、白云巖夾砂巖;中生界(T—K).頁巖、砂泥巖;γ.花崗巖。河流分布見圖4。

4 結論

(1) 利用ArcGIS和Rivertools等軟件可以快速高效地從DEM中提取各種地貌參數,為研究區域構造活動性提供依據。

(2) 面積高程積分和河流分支比指示,龍門山南段耿達—隴東斷裂北西側地貌成熟度較低,向南東方向地貌成熟度逐漸升高,在雙石—大川斷裂的南東方向地貌成熟度最高。面積高程積分和河流分支比的變化可能受到巖性的影響。

圖10 龍門山斷裂帶南段條帶地形剖面圖Fig.10 The profile diagram of stripe topography in south segment of Longmanshan Fault Belt

圖11 龍門山斷裂帶南段地貌起伏度和坡度圖Fig.11 Landforms relief degree and slope degree of south segment of Longmenshan Fault Belta.起伏度;b.坡度;c、d.起伏度和坡度條帶提取位置(提取結果見圖12)。

(3) 河流坡降指數、條帶地形剖面、起伏度和坡降指數存在兩個峰值,一個在永富斷裂,另一個在五龍斷裂和小關子斷裂(雙石—大川斷裂)之間,而且峰值和巖性的相關性不明顯,可能是在構造作用下形成的。

(4) 地形條帶剖面和Hack剖面在五龍斷裂—小關子斷裂之間的一致趨勢可能暗示有下伏構造活動。

圖12 地貌起伏度(c)和坡度(d)、高程條帶剖面(p2)和地質剖面圖(條帶位置分別見圖5、圖11)Fig.12 Landforms relief degree(c),slope(d),altitude stripe profile(p2)and geological profile ZGF.中崗斷裂;GLF.耿達—隴東斷裂;YWF.鹽井—五龍斷裂;XGZF.小關子斷裂;SDF.雙石—大川斷裂。古生界(O—P).灰巖、白云巖夾砂巖;中生界(T—K).頁巖、砂泥巖;γ.花崗巖。

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(責任編輯：費雯麗)

Geomorphic Indexes Extracting Method and its Relationship with Tectonic Activities— A Case Study of the South Segment of Longmenshan Fault Belt

LIU Hanyong

(TheInstituteofCrustalDynamics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100083)

The geomorphic features are always used to reflect the tectonic activities. And we can extract lots of geomorphic indexes from high resolution DEM by using many computer software. The author introduces how to extract area elevation integral HI,river branching ratio Rb,stream gradient index SL,Hack profile,landform relief degree TR and slope AS by ArcGIS,RiverTools and Matlab. Further,the auther explains how the geomorphic characteristics relate to the tectonic activities by giving an example of south segment of the Longmenshan Fault Belt.

geomorphic index; tectonic activities; south segment of the Longmenshan Fault Belt

2017-01-11;改回日期:2017-02-14

劉漢永(1989-),男,碩士,構造地質學專業,從事活動構造地貌研究。E-mail:grehotness@mail.com

P931.2; P542

A

1671-1211(2017)03-0343-09

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.022

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1757.038.html 數字出版日期:2017-05-16 17:57