地貌参数提取方法以及与构造活动的关系——以龙门山断裂带南段为例

刘汉永

(中国地震局 地壳应力研究所,北京 100083)

地貌参数提取方法以及与构造活动的关系
——以龙门山断裂带南段为例

刘汉永

(中国地震局 地壳应力研究所,北京 100083)

利用地貌特征来反映构造活动是活动构造的常用研究方法,而借助多种计算机软件和高分辨率数字高程模型可以迅速而有效地提取各种地貌参数。介绍利用ArcGIS、RiverTools以及Matlab等软件快速提取面积高程积分、河流分支比、河流坡降指数、Hack剖面、地貌起伏度以及坡度等地貌因子的方法,并以龙门山断裂带南段为例,介绍地貌特征与构造活动之间的关系。

地貌参数;构造活动;龙门山断裂带南段

构造活动对区域地貌演化研究具有很大的影响,可以通过对地貌的定量研究,来获取区域构造活动的信息。

早在20世纪50年代,Strahler[1-2]就提出了面积—高程积分(HI)来定量表征流域内高程的分布,研究了河流分支比(Rb)和构造活动的关系。Hack也提出河流坡降指数(SL)来表征河流不同河段坡度的变化[3],而Hack剖面则可以讨论流域的形态特征。在流域盆地内,前人提出了流域盆地不对称度(AF)、流域形状指数(BS)、河流坡降指数(SL)、地貌起伏度(TR)以及坡度(AS)等指数,定量描述流域内地貌特征,提出地貌与构造、气候等因素的关系[4]。

近年来,随着GIS软件的普及以及高分辨率数值地形技术的高速发展,提取地貌参数的手段变得非常成熟,越来越多的研究致力于探讨区域地貌特征与构造活动的关系[5-7]。从地貌参数的角度对龙门山地区进行研究,前人发现,龙门山断裂带中段活动性最强,北段次之,南段最弱,并讨论了龙门山地区的构造特征的变化[5],指出了北川—映秀断裂和双石—大川断裂是该地区主要的活动断裂[8],赵国华等[9]根据Hack剖面和面积—高程积分讨论了龙门山中段的构造活动性。

已有研究的成果大都集中在龙门山断裂带的中、北段,而南段的相关成果很少。本研究以龙门山南段为研究对象,利用由1∶5万地形图转出的25 m分辨率DEM,基于ArcMap10.0水文分析模块,提取了面积高程积分、河流分支比、Hack剖面、地貌起伏度以及坡度等来定量研究该区域的地貌特征,并探讨其与构造活动的关系。

1 区域构造背景

龙门山位于青藏高原东缘,是世界屋脊青藏高原和四川盆地的分界,也是松潘—甘孜地块与华南地块相互碰撞的界线,同时也是南北地震带的重要组成部分,在中国区域大地构造体系中具有重要的意义[10-11]。

龙门山构造带由后山(茂县—汶川)、中央(北川—映秀)、前山(灌县—安县)断裂和山前隐伏断裂等4条逆冲断裂及其间所挟持的逆冲楔体组成[11-12]。其形成过程表现为自后山断裂向东南方向发展的前展式逆冲断层。受北川附近的NW向走滑断层及都江堰附近的NW向三江口断裂的切割,龙门山构造带又可以进一步分为北段、中断和南段[10-11,13]。其中龙门山南段三条主干断裂带依次称为耿达—陇东(后山)断裂、盐井—五龙(中央)断裂、双石—大川(前山)断裂,在前陆区发育有多条隐伏断裂,呈叠瓦状展布[14]。双石—大川断裂在大川镇附近分为东西两支:东支经过双石镇、大溪乡,称为双石—大川断裂;西支经小关子,称为小关子断裂,两支断裂在天全县附近汇为一支。五龙断裂在本区沿蜂桶寨—五龙一线展布,而耿达—陇东断裂从陇东以北向南西汇入北西走向的金汤弧形断裂(如图1)。

图1 龙门山断裂带南段地貌与地质构造图Fig.1 Geomorphic and tectonic map of south segment of the Longmenshan Fault BeltBYF.北川—映秀断裂;GLF.耿达—陇东断裂;JGF.江油—灌县断裂;JTHF.金汤弧形断裂;MWF.茂县—汶川断裂;PXF.蒲江—新津断裂;SDF.双石—大川断裂;XGZF.小关子断裂;ZGF.中岗断裂;YYF.永富断裂。Q.第四系;E.新近系;K.白垩系;J.侏罗系;T.三叠系;C.石炭系;D.泥盆系;S.志留系;O.奥陶系;Zb.震旦系;Pt.新元古界;γ.花岗岩。

前人对龙门山南段活动构造研究甚少,只有一些讨论,如杨晓平等[15]认为五龙断裂和大川—双石断裂在晚更新世有活动,陈立春等[16]和Densmore et al.[17]根据探槽开挖的结果证明,大川—双石断裂是一条全新世活动断裂。龙门山南段缺乏断层的证据,这使讨论断层的活动时代和活动性十分困难。本文从定量地貌学的角度出发,根据多个地貌参数讨论地貌特征与断裂活动的关系,为研究本地区的构造活动性提供依据。

2 地貌参数的提取

2.1 面积—高程积分曲线

面积高程积分是Strahler提出的一个定量描述流域内高程的分布,表征未被侵蚀部分体积的一个参数[1],可以指示区域构造活动差异[18-19]。

在一个流域盆地演化的不同阶段,其地貌形态会发生较大的变化。在演化早期阶段,河流侵蚀能力强,地貌以深切河谷为主,流域内高海拔区域较大;随着河流演化进入后期,U形谷发育,流域内低海拔区域的面积逐渐增大。面积—高程积分曲线就是一个表征流域盆地内某一特定高程值之上的面积占全流域面积的比例函数,具体计算公式参见参考文献[20]。

由图2-b可知,流域积分曲线为上凸型时,其积分值也高;为下凹型时,积分值低。其中高积分值意味着流域内大部分物质体积未被侵蚀,地形演化时间短,地貌处于幼年期,积分曲线呈上凸型;反之,地形演化时间越长,流域内物质侵蚀殆尽,地貌处于老年期,积分曲线呈下凹型。介于凸型及凹型之间呈凹凸型的则为中年期。依据Strahler对HI的划分,可分为3级:幼年期HI>0.5;中年期HI值在0.4～0.5之间;老年期HI<0.4。

本研究选取了龙门山南段9支较大的流域,分别为青衣江宝兴境内的东河(L1)、西河(L2)、天全河(L3)、芦山河(L4),大渡河支流金汤河(L9),岷江流域的杂谷脑河(L5)、漩口河(L6)、西江河(L7)以及出河(L8),在每个流域内,再划分次级小流域,计算面积高程积分(图3)。

图2 面积高程积分示意图Fig.2 Sketch map of area elevation integration a.流域内高差大于h的部分投影到平面上的面积;b.面积高程积分曲线,其中黄色部分表示流域内未被侵蚀部分的比例,即面积高程积分。

本文利用ArcMap10.0提取DEM高程数据,在Matlab 2010b中计算x、y,在Grapher 3.6中作图。将ArcMap10.0导出的高程数据导入Matlab 2010b进行计算。

2.2 河流分支比

在造山带中,河流的演化和构造活动、气候变化有着密切的关系,其演化模式一直是地貌学研究的热点。发育程度相对比较成熟的水系具有河道距离远、支流多、流域网络复杂以及流域面积大等特征;而相反地,水系长度短、河流分支少等特征则表明了水系正处于演化过程的“幼年”、“青年”时期。由于水系对于构造、气候等外来因素的改变非常敏感,因此水系河流演化通常详细记录了造山带系统最新时期的细微变动[2,21-22]。

图3 SL与Hack剖面示意图[9]Fig.3 Diagram of SL and Hack profiles (a).呈对数曲线形态的均衡剖面河流纵剖面;(b).半对数坐标下的均衡河流纵剖面,即其Hack剖面,剖面的斜率k即其SL值;(c).受到构造抬升作用的河流纵剖面;(d).受到构造抬升作用的河流Hack剖面;(e).呈现曲线形态的Hack,此剖面由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 等4个均衡河段组成,每个河段均有其SL值,这些SL值即构成阶梯状SL曲线。当河流全河段达到“理想均衡剖面”状态时,其斜率为K,即为均衡坡降指标。

本研究采用Strahler分级方法对流域的水系进行分级,首先将所有河网弧段中没有支流的弧段定义为第1级,两个1级弧段汇流成的河网弧段定义为第2级,以此类推,一直到河网出水口[21],然后计算每一级河网弧段数目,并且定义Rb为低一级河网弧段数目与高一级河网弧段数目比值的平均值,即:

式中:m为水系级数;n为对应各级的弧段数。而且,河流各弧段数目的对数值与河流级数呈线性关系,即lg(n)=b-am其中,a和b分别为常数。

Rb是一个与维度无关的量,即不受流域形态、环境等方面的影响,但会受到地质条件的扰动,比如岩性、构造活动等。一般Rb值介于3～5之间,低的Rb值说明流域受地质方面的扰动较小,而高Rb值说明受到构造活动等因素的影响较大[2]。

首先在Rivertools软件中进行提取,提取阈值(Pruning threshole)设为5。然后在ArcMap10.0中导出河流流域参数,利用Matlab进行计算。在利用Matlab计算Rb值的过程中,对河流级数与河流弧段数(m—log(n))进行了线性拟合,删去了拟合程度较差的流域,最终选取了龙门山南段64个3级以上(含)流域的Rb值进行研究。

2.3 河流坡降指数

河流坡降指数是1973年Hack在研究美国西部河流纵剖面时提出来的。在合理均衡的理想情况下,河流纵剖面是一个指数曲线。以河段距源头的距离取对数为横坐标轴,以河段高程为纵坐标轴,河流纵剖面可表示为:

H=c-k×log(L)

式中:H为各河段的高程;L为从河流源头沿河道到该河段的长度;c、k为常数,k即为SL值。SL参数可以近似为由河流纵剖面局部段的坡度与离河流源头的距离的乘积来计算:

SL=(ΔH/ΔL)·L

式中:ΔH为单位河段的高程差;ΔL为单位河段的距离;L为河流源头至河段中点的距离[3,23-25]。

SL值对于河流坡度变化非常敏感,其控制因素主要为岩性和构造活动。当河段的抗侵蚀能力较强或构造抬升活跃的时候,SL值较高,反之则较低[19,26-27]。

Hack剖面则是描述河流纵剖面整体上的变化特征。最原始的Hack剖面研究对象是全河段抗蚀力相似的河流。但在自然界中,受岩性差异或构造活动的影响,Hack剖面多呈现上凸下凹等曲线状,并非一条直线[27-28]。 因此,可以从Hack剖面的源头到出水口画一条直线,来表示该河流全河段达到动力平衡时的状态,斜率即为均衡坡降指标K。一般来说,较大的河流相对较小的河流容易有较大K值和SL值。在比较不同河流间的河长坡降指标时,需要将不同河段SL参数进行标准化,用各河段的标准化河长坡降指标“SL/K”值进行对比。

笔者提取横跨龙门山南段的四条河流的坡降指数和河流剖面(河流位置及编号如图4),并进行标准化。

2.4 条带地形剖面

为了比较横向地貌变化,沿约北西45°方向,在三个不同的区域,沿同一方向提取了地形条带剖面(图5)。条带长100 km,宽10 km。沿条带长轴方向细分为宽100 m的次级条带,然后统计每个条带内的最大、最小和平均值,得到剖面图[29]。

图4 横跨龙门山断裂带南段河流分布图Fig.4 The rivers distribntion map which accross the south segment of Longmenshan Fault Belt R1-R4.SL剖面河流编号,其中R1到宝兴为止。

图5 龙门山断裂带南段地形条带剖面提取位置图Fig.5 The extractiong location of topographical stripe profile p1-p3.条带编号。

2.5 起伏度和坡度指数

地貌起伏度即一定面积内最高点高程和最低点高程之差,它能够表示地面侵蚀程度[5],可以通过区域内最高点高程减去最低点高程计算[5,30]。笔者把数字高程模型(DEM)分割成1 km2正方形的单元,提取小单元内高程最高与最低值之差,并将该差值赋给小单元,得到分辨率为1 000 m的栅格数据。然后,利用克里金法,把栅格重新插值,得到25 m分辨率的新栅格。

坡度即地表的倾斜程度。提取DEM中每个栅格的高程值,与其周围相邻的4个栅格的高程值分别计算坡度,取最大值赋给该栅格。然后,把得到的栅格数据重新分为1 km2正方形的单元,提取单元内坡度的最大值,得到分辨率为1 000 m的新栅格。利用克里金法,得到栅格插值为25 m分辨率的新栅格。

沿约北西45°方向,分别提取地貌起伏度、坡度条带剖面,条带长100 km,宽10 km。沿条带长轴方向细分为宽100 m的次级条带,然后统计每个条带内的最大、最小和平均值,得到剖面图。

3 结果与讨论

3.1 面积—高程积分曲线和河流分支比

面积高程积分计算结果如图6,可以看出,HI值的范围为0.31～0.62,绝大部分在0.38～0.55之间,平均值为0.47,整体处于成熟期。在龙门山后山断裂北西部分,HI值较高,相应流域的HI曲线多为上凸性,表示该区域地貌演化处于幼年期,以V型深谷为主。而在龙门山中央、前山断裂区域,HI值逐渐变低,HI曲线多为下凹型,说明地貌成熟度升高,为成年期(图6、图7)。

河流分支比计算的结果Rb值的范围在2.8～6.3之间,分布格局与HI值类似,在龙门山后山地区Rb值偏高,表明该地区地貌处于幼年期,前山地区较低,表明前山地区地貌演化处于青年期(图8)。

3.2 河流坡降指数

河流坡降指数提取结果见图9。从图中可以发现,四条河流的SL/K主要有两个峰值,一个位于永富断裂周围(P1),另一个位于盐井五龙断裂和双石—大川断裂(小关子断裂)之间(P2)。这两个峰值至少出现在三条河流上,而且跨越了不同岩性的地层,所以未受到岩性的影响,其主控因素可能是构造活动。另外,还有一些小的峰值,比如R1中,在盐井—五龙断裂的上盘有一个峰值,流经元古代地层和花岗岩体,抗侵蚀能力较强,可能是在岩性影响下形成的峰值。

3.3 条带地形剖面和起伏度、坡度指数

条带地形剖面的提取结果见图10,笔者发现p1和p3条带反映的地形变化趋势和p2一致,都是以永富断裂为界,北西侧为高海拔地区,南东侧地势下降,盐井—五龙断裂和双石—大川断裂(小关子断裂)作为次级地貌的分界,上盘高程要高于下盘高程,这说明本地区的地貌形态与断裂展布格局基本一致。

起伏度、坡度指数的分布特征与条带地形剖面十分类似(图11、图12),据此可将龙门山断裂带及其周边地区分为三部分,其边界分别为中岗断裂和小关子断裂。

图6 龙门山断裂带南段河流流域划分及小流域HI值图Fig.6 River drainage divide of south segment of Longmenshan Fault Belt and HI values

图7 龙门山断裂带南段几组典型的HI曲线图Fig.7 Typical HI curves of south segment of Longmenshan Fault Belt

在中岗断裂(永富断裂)以西,地貌高差、坡度都比较低,平均值分别在500 m和30°左右,但平均高程在3 000 m以上,最高可达4 500 m。本区域地貌上为高原,地貌起伏较小。

在中岗断裂和小关子断裂之间,地貌高差和坡度都比较高,二者平均值约为650 m和35°,而且变化较大,其中一个高值区域沿永富断裂,最高平均值约为800 m和40°,另一个则在五龙断裂和小关子断裂之间,最高平均值也约为800 m和40°。在盐井—五龙断裂的下盘为低值区域。在陇东断裂和五龙断裂的上盘变化不大,趋势较为平缓。而高程上,自中岗断裂至陇东断裂,高程为下降趋势,在陇东断裂和五龙之间为高地貌区,最高平均值可达3 500 m,另一个高地貌区出现在小关子断裂上盘,最高平均值接近4 000 m。高程的变化趋势和高差、坡度的趋势恰好相反。中岗断裂(永富断裂)和小关子断裂之间为高山峡谷地貌,起伏很大,可能和区域断裂的活动有关。

图8 龙门山断裂带南段各流域Rb值及其分级Fig.8 The Rb values and its rank of different drainages in south segment of Longmenshan Fault Belt

在小关子断裂东侧,高差、坡度以及高程都迅速降低,而且趋于平缓,前陆地区地貌变为低矮山地。这个变化趋势可能和岩性以及构造活动有关。在小关子断裂以西,地层岩性主要为灰岩、白云岩和花岗岩,抗侵蚀能力较强;而其东部,则主要为砂岩、粉砂岩泥岩等,比较容易被侵蚀风化。

在地形剖面上,五龙断裂和小关子断裂(双石—大川断裂)之间地势明显隆起,尤其是在p2条带剖面上最为明显。而Hack剖面也有类似的规律,R2-R4河流横跨五龙断裂和小关子断裂,在二者之间,SL/K值有明显升高,意味着河道变陡。而岩性变化与SL/K值变化不一致,说明SL/K值变化,即得到变陡的主要原因是构造活动。

这可能暗示,在五龙断裂和小关子断裂之间,发育有隐伏构造,其活动导致了河道变陡和高地貌。在小关子断裂之下,地貌趋于平缓,说明小关子断裂(双石—大川断裂)的逆冲活动对褶皱变形有一定的控制作用。龙门山构造带南段的隐伏断层和小关子断裂的活动性应引起重视。

图9 横跨龙门山断裂带南段河流Hack剖面和SL/K值图Fig.9 Hack profile and SL/K values of rivers in south segment of Longmenshan Fault Belt ZGF.中岗断裂;YFF.永富断裂;GLF.耿达—陇东断裂;YWF.盐井—五龙断裂;XGZF.小关子断裂;SDF.双石大川—断裂。元古宇(PT).白云岩;古生界(O—P).灰岩、白云岩夹砂岩;中生界(T—K).页岩、砂泥岩;γ.花岗岩。河流分布见图4。

4 结论

(1) 利用ArcGIS和Rivertools等软件可以快速高效地从DEM中提取各种地貌参数,为研究区域构造活动性提供依据。

(2) 面积高程积分和河流分支比指示,龙门山南段耿达—陇东断裂北西侧地貌成熟度较低,向南东方向地貌成熟度逐渐升高,在双石—大川断裂的南东方向地貌成熟度最高。面积高程积分和河流分支比的变化可能受到岩性的影响。

图10 龙门山断裂带南段条带地形剖面图Fig.10 The profile diagram of stripe topography in south segment of Longmanshan Fault Belt

图11 龙门山断裂带南段地貌起伏度和坡度图Fig.11 Landforms relief degree and slope degree of south segment of Longmenshan Fault Belta.起伏度;b.坡度;c、d.起伏度和坡度条带提取位置(提取结果见图12)。

(3) 河流坡降指数、条带地形剖面、起伏度和坡降指数存在两个峰值,一个在永富断裂,另一个在五龙断裂和小关子断裂(双石—大川断裂)之间,而且峰值和岩性的相关性不明显,可能是在构造作用下形成的。

(4) 地形条带剖面和Hack剖面在五龙断裂—小关子断裂之间的一致趋势可能暗示有下伏构造活动。

图12 地貌起伏度(c)和坡度(d)、高程条带剖面(p2)和地质剖面图(条带位置分别见图5、图11)Fig.12 Landforms relief degree(c),slope(d),altitude stripe profile(p2)and geological profile ZGF.中岗断裂;GLF.耿达—陇东断裂;YWF.盐井—五龙断裂;XGZF.小关子断裂;SDF.双石—大川断裂。古生界(O—P).灰岩、白云岩夹砂岩;中生界(T—K).页岩、砂泥岩;γ.花岗岩。

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(责任编辑：费雯丽)

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

刘汉永(1989-),男,硕士,构造地质学专业,从事活动构造地貌研究。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

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1757.038.html 数字出版日期:2017-05-16 17:57