岷江水系流域地貌特征及其构造指示意义_张会平

2 区域地质背景
2. 1 地质概况 岷江水系流域位于青藏高原东缘 、川西高原内 部 , 处于松潘 -甘孜褶皱带 、 西秦岭造山带以及龙门 山构造带的结合部位 ( 图 1a )。 研究区内主要的断 裂系统有龙门山逆冲推覆构造带 ( 图 1b 中 F1 , F2和 F3 ), 岷江断裂带 ( M F), 雪山断裂 ( XF) 以及虎牙断 裂( HF)。 岷江断裂带呈南北向大致沿着岷江水系 西侧发育 ( 见图 1b)。 已有研究成果表明 , 岷江断裂 带和虎牙 断 裂均 为 倾向 北 西的 高 角度 逆 冲 断裂 系
第 26 卷 第 1 期 2006 年 1 月
第 四 纪 研 究 QUATERNARY SC IENCES
Vo. l 26, N o . 1 Janua ry, 2006
文章编号 1001 - 7410(2006)01 - 126 - 10
岷江水系流域地貌特征及其构造指示意义
张会平
1 引言
新生代欧亚板块与印度板块的拼合碰撞是地质 [ 1] 历史时期重大的转折 , 在亚洲大陆内部形成了千 余公里宽的巨大变形域 。 已有的研 究成果表明 整个高原 的 主体 部 分呈 现 出较 为 平坦 的 地 形特 征
[ 3] [ 2]
到岷江水系特征
[ 5, 6, 16, 17]
, 但他们的研究重心仍然是
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岩性主要为变质砂岩 、 灰岩等 , 局部地区发育印支期 花岗岩侵入体 ( 如黑水一带 ); 龙门山构造带地区则 主要出露前中生界深变质基底 , 主要以古生界杂岩 产出 ; 北东侧西秦岭地区出露的主要为前中生界碳 酸盐岩 。 岷江水系流域盆地地区以基岩河床为主 , 盆地内部仅发育有规模较小的新生代沉积盆地 , 如 茂县盆地 、 松潘盆地以及漳腊盆地等 。 由岷江源头 至茂县北部地区 , 岷江水系河床基底主要为中生界 复理石 , 岩性变化较小 。 而由茂县至四川盆地内部 都江堰 , 河床基底岩性则主要为龙门山构造带内部 出露的前中生界杂岩 。 2. 2 总体地形特征 岷江流域盆 地位于青藏高 原东缘盆山系 统内 部 , 水系发源于漳腊镇北侧的弓嘎岭地区 , 呈南北向 向南经茂县 、 都江堰流入四川盆地 ( 见图 1b ), 在乐 山与大渡河 、青衣 江并流后最终 于宜宾汇入长江 。 本文所研究的岷江流域盆地是指位于都江堰以上发 育于龙门山构造带 、 岷山构造带内部的岷江中上游 流域地区 。 整个岷江流域盆地总体上东西两侧高程较大 , 由北向南呈现递 减的形态特 征 ( 图 1c, 1d 和 1e )。 从岷江河流流域的总体地形特征可以看到 , 岷江水 系源头地区与位于四川盆地内的都江堰地区的相对 高差达 3000m 左右 ( 图 1 f), 另外 , 沿岷江水系的河 流纵剖面所表征的坡度异常区也真实记录了龙门山 主干断裂 (F1和 F2 ) 的最新活动 ( 见图 1 f)。 岷江流 域盆地与四川盆地之间的巨大地形高差是研究区一 个最为典型的地貌特点 , 在沿仅 50 ～ 60k m 水平的 距离上 , 海拔高程由高原内部的 4000 ～ 5000m 快速降 至四川盆地地区的 600 m 左右 ( 见图 1c, 1d和 1e ) 。
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时也是单个流域盆地内区域基准高程 ( 因为概念上 汇水点是所有物质汇集地 , 所以应该为区域最低高 程点 )。 流域盆地的级序也相应地等同于盆地内最 高一级水系的级序 。 本文将四川盆地内的都江堰市定义为整个岷江 水系流域盆地的汇水点 , 而相应各亚流域盆地的汇 水点则分别定义为位于岷江主流上的各支流汇入岷 江主流的交汇点 。 据此 , 本文系统提取了 67 个四级 以上 ( 含四级 ) 的亚流域盆地 , 其中包括南北向岷江 # # 主河道西侧支流的 31 个 ( 图 3b 中 1 ～ 31 ), 东侧 支流的 36 个 ( 图 3b 中 32 ～ 67 ) 亚流域盆地 。 3. 2. 3 地貌形态参数获取 在成功提取岷江水系网络 、流域盆地以及亚流 域盆地的基础上 , 盆地的周长 、 面积和河流总长度也 能够通过 A rcG IS 的要素拓扑获得 。 其中 , 河流总长 度要通过累计相应亚流域盆地内所有沟谷水系的长 度得到 ( 图 3c, 3d 和 3e)。 河流的分支比 (Rb ) 是流域盆地内所有每一级 别水系的总数与 下一级别 总数比值 的平均值 。 例如图 2 中 , 一级水 系由 27 条 , 二级 10 条 , 三级 4 条 , 四级 1 条 。 那么 , 该河流的分支比则为 : N1 N2 N3 27 10 4 + + + + N2 N3 N4 10 4 1 Rb = = =3. 07 3 3 本文最终选择了岷江主河道东西两侧 67 个亚 流域盆地中所有的五级 ( 含五级 ) 盆地 , 计算了相应 的亚流域盆地内水系河流分支比 ( 图 3f)。 3. 2. 4 河谷纵向剖面分析 为了分析岷江主河道东西两侧河流发育的程度 以及样式 , 提取了五级 ( 含五级 ) 水系的河谷纵向剖面 ( 对应于图 3f中统计的亚流域盆地内的最长河谷 )。 同时为方便水系垂直方向上的对比 , 计算出西侧 13 条支流 ( 编号同亚流域盆地 )、东侧 10 条河谷 ( 编号 同亚流域盆地 ) 相对于岷江主河道高程的纵向剖面 ( 图 4), 然后与其他典型参数相配合进行分析 。
[ 8, 9, 10]
, 各断裂晚新生代以来均表现出有较强的构
造活动特征 。 龙门山构造带和岷江断裂带为新生代 复活断裂系 , 并且断裂的活动特征具有一定的规律 [ 7] 性 , 龙门山构造带活动性 西南侧比东北 侧强烈 , 而岷江断 裂 带北 侧 的新 构 造活 动 特征 则 相 对显 著 。 因此 , 许多学者根据龙门山构造带和岷江 断裂带活动性的差异 , 将每个断裂带又细分为北 、 中 和南三 段
[ 7 ～ 15] [ 5, 6]
, 并且也提出
[ 7, 11, 13, 16]
了相 关中 、新 生代 地质 演化的 概念 模型 。 但是 , 有关岷江水系流域地貌对于区域新构造活动 的响应研究目前还很少报道 , 虽然有相关学者注意
第一作者简介 : 张会平 男 28岁 博士研究生 地学信息工程专业 E m ail: hu ip ingzh@ ho t m ai. l com *国家自然科学基金项目 (批准号 : 40234041和 40272055)和国土资源部十五重点基础研究项目 (批准号 : 20010202)共同资助 2005 - 09 - 19收稿 , 2005 - 11 - 08 收修改稿
, 利用
数字高程模型 (D ig ital E le vation M odel, 简称 DEM ) 的空间分析技术能够有效扩展传统地貌分析的研究 尺度 , 使得从微观的流域尺度到宏观的大陆尺度的 成为可能
[ 24, 26]
, 并且同传统通过地形图分析研究相
[ 27]
比具有快速 、 高效的优越性 。 本文通过对美国航 空航天局 ( NASA ) 新近获取的最新数字高程模型数 据 (SRTM DEM ) 处理分析 , 系统提取了岷江水系流 域的常规定量化参数 ( 如沟谷长度 , 水系数量 , 分支 比 , 坡度以及流域盆地周长 、面积 ), 通过对所获取 的 67 个亚流域盆地各量化参数以及河流纵剖面特 征的综合分析 , 探讨了岷江水系流域盆地的地貌特 征及其对青藏高原东缘新构造活动的指示意义 。
[ 31] [ 30, 31] [ 30, 31]
。 岷山隆起是晚新 生代以来发
[ 6, ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ8, 29]
育的快速断块隆起区
, 其东西边界分别为虎
牙断裂和岷江断裂带 ( 见图 1b )。 近南北向岷江断 裂带两侧晚新生代以来的差异抬升和东侧掀斜构造 也被裂变径迹年代学所证实
[ 6]
。
。
研究区内各地层单元界线相对较清晰 , 岷江断 裂带西侧均为松潘 -甘孜中生界复理石沉积建造 ,
摘要 晚新生代以来发育岷山 构造带内部的岷江水系流 域盆地 , 无论 是流域 盆地内 的新生 代沉积记 录 , 还是其 流域地貌所呈现的典型 特征 , 都深刻指示了青藏高原东缘地区的新构造活动 。 文章基 于数字高程模型 (DEM )数据 空间分析技术 , 利用最新获取的高精度 SRT MDEM 数据 , 系统 提取了岷江水系中上游流域汇水盆地以及 67 个亚流 域盆地的典型地貌参数 , 如流域面积 、河流长度 、分支比等 。 通过对流域地貌参数以 及纵向河道 高程剖面 等的统计 分析 , 认为岷江水系东西两侧具有截然不同的地貌特 征 , 东 侧流域 盆地主 要表现为 面积小 、河 流长度短 、分 支比低 以及河流梯度大等特征 。 由于岷江水系东 西两侧地层岩性的 对称发 育以及整 个岷江 流域盆 地对气 候因素 具有同 一的响应特征 , 所以亚流域盆地典型参数特征指示了岷江 水系两 侧晚新 生代构 造活动 的差异 性 , 反 映并印 证了岷 江断裂东西两侧晚新生代以来的 不均衡抬升 。 晚新生代以来 岷山构 造带的快 速隆起 以及龙 门山构 造带内 部差异 活动是造成岷江水系东 侧各支流发育程度低 , 东西两侧亚流域差异地貌特征 形成的主要原因 。 主题词 岷江 DEM 流域盆地 地貌 构造指示 中图分类号 P931. 2 文献标识码 A
[ 21, 22]
, 然而高原周缘边界造山带与相邻盆地之间却
[ 4]
构成了强烈的地形陡变带 , 青藏高原周缘盆山系 统的地形地貌特征同高原主体部分相比 , 具有显著 的不一致性 。 同青藏高原南北边界具有明显地貌界 线的特征形成鲜明相比 , 高原的东部边界则显得尤 [ 5, 6] 其弥散和不规则 。 龙 门山 、岷山等 一系列山脉 与四 川 盆 地 之 间 组 成 青 藏 高 原 东 缘 地 形 陡 变 带 , 南北向岷江水系流域盆 地总体上呈平行四 边形状位于龙门山以及岷山构造带内 。 以往的研究 主要集中在不同地质单元的构造演化 , 如龙门山构 造带 、岷江断裂带和岷山隆起带等 , 同时也对各独立 的地质单元进行了地貌特征讨论
①②
*
杨 农 张岳桥
③
④③
孟 晖
⑤
(①中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室 , 北京 100083;②中国地质大学地球科学与资源学院 , 北京 100083; ③中国地质科学院地质力学研究所 , 北京 100081; ④南京大学地球科学系 , 南京 210093; ⑤中国地质环境监测院 , 北京 100081)
新生代构造演化的年代学依据 , 并没有深入分析岷 江水系发育的地貌形态以及其构造意义 。 造山带系统内部水系发育的模式及其对构造隆 升、 气候变化的响应和反馈作用一直以来是构造地 [ 18 ～ 20] 貌和河流地貌研究的热点 。 同时 , 利用活动造 山带地区发育的基岩河道 (bed rock channe l) 纵向剖 面形态 等典型参数 , 结合相应的年代学数据 , 可以定量地探讨活动造山带地区基岩 ( 或地表 ) 隆 升幅度 ( 或速率 ) 以及河流切割幅度 ( 或速率 ) 之间 的关系 , 并进而深入分析水系发育的构造演化以及 气候演变的宏观背景 。 水系河道距离远 、 支流多 、 流 域网络复杂以及流域面积大等特征说明水系发育程 度相对比较成熟 ; 而相反地 , 水系长度短 、河流分支 比小等特征则表 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 变量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近时期的细微变动 。 构 造隆起 、 侵蚀基准面下降可以增加河流的纵比降 , 同 时提高河流的局部下切侵蚀和搬运能力 , 而温度降 低、 降水量增大等变化也能够为冰川演化以及水系
1期
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发育提供有利的条件 。 在快速构造隆起地区 , 先 期发育水系的相对平衡状态会由于响应构造活动而 改变 , 水系因此也会重新演化 、调整和组合 , 并再次 迅速适应构造活动所造就的变形及形变 。 近些年 , 对于整个造山带系统的地貌分析已经 在垂直于造山带方向的剖面中广泛开展
[ 8, 9, 10, 28, 29] [ 28, 29]
3 数据及分析方法
3. 1 数据资料 本研究利用的 DE M 数据是由 SRTM 计划获得 , SRTM (Shu ttle Radar Topog raphy M issio n) 是由美国 航空航天局 、 美国图像测绘局 ( NI M A )、 德国及意大 利航天 局共 同 实施 的 航天 飞 机雷 达 地形 测 量 任 务 。 该任务所获取的 SRTM DE M 是迄今为止 人类历史上第一次从地球轨道高度对地球表面进行 雷达三维成像所获取的数字高程模型数据 数据
SRTM DE M 数据以独立的 栅格像元文件 组织 , 地形高程值通过规则格网像元的灰度值加
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以表征 。 每个采样文件覆盖经纬方向各 1° , 即 1° × 1° , 像元 采 样 间隔 为 1 弧 秒 或 3 弧 秒 。 相 应 地 , SRTM DEM 采 集数 据 也 分 为 两 类 , 即 SRTM 1和 SRTM 3。 由于在赤道附近 1 弧秒对应的水平距离 大约为 30m , 所以上述两类数据通常也被称为 30m 或 90m 分辨率高程数据 。 除美国以外其他地区的 SRTM DEM 数据 , 仅有 SRTM 3是对外实现共享 。 岷江水系流域盆地地区横跨了近 0. 5° ×2. 0° 的范围 , 因此本文则研究分析了相应范围的 SRTM 3 数据 , 数据的空间和垂直分辨率精度分别为 ±16m 和 ± 6m