基于DE M的大別山地區(qū)地貌特征研究

程三友, 李英杰, 劉少峰

(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西西安 710054;2.陜西省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院,陜西西安 710054;3.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

基于DE M的大別山地區(qū)地貌特征研究

程三友1, 李英杰2, 劉少峰3

(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西西安 710054;2.陜西省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院,陜西西安 710054;3.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083)

從區(qū)域尺度分析大別山地區(qū)的地貌特征,以美國 SRT M DEM和 1∶50萬數(shù)字地質(zhì)圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用DEM地貌模擬和空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù),生成了研究區(qū)的地貌分析專題圖和地貌參數(shù)統(tǒng)計關(guān)系圖。研究認為,大別山整個造山帶呈三角形的形狀,南坡緩而長,北坡陡而短;造山帶山勢較高,山地多深谷陡坡,坡向多變;山體由北西向南東延伸,主體延伸方向是北西向;山頂面剖面呈∧形,或呈鋸齒多峰形式,局部地形起伏越靠近主體山脈,起伏度越大。斷裂構(gòu)造嚴格控制水系的發(fā)育,分水嶺呈“人”字形分布于造山帶四周。地貌參數(shù)的統(tǒng)計分析表明,坡度、地形起伏與平均高程之間具有一定的對應(yīng)關(guān)系,較好的揭示了研究區(qū)的地貌特征。

大別山;DEM;地形起伏;平均坡度;地貌

地表地貌是地殼形變、氣候演化等的標(biāo)志性載體(劉少峰等,2005)。地表地貌不僅反映目前的氣候、構(gòu)造環(huán)境和地表過程,而且體現(xiàn)其演化歷史(Howard,1997)。目前,高原山脈隆升機制、造山帶演化模式的研究越來越關(guān)注地殼演化過程的地表過程證據(jù),作為地貌研究重要組成部分的地形分析是研究活動構(gòu)造、新構(gòu)造的主要方法和手段(張會平等,2006)?？焖侔l(fā)展的數(shù)字高程模型(DEM)空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)為傳統(tǒng)的地貌研究在地形可視化、統(tǒng)計分析等領(lǐng)域提供了新的研究手段,利用DEM數(shù)據(jù),可從不同尺度對研究區(qū)的高程、坡度、坡向和地形起伏進行統(tǒng)計分析 (程三友等,2005)。這些新特點使得基于DEM的區(qū)域地形分析更能客觀地表達地形地貌特征,能夠快速、準(zhǔn)確地獲取傳統(tǒng)地形圖無法表征的相關(guān)信息,將基于DEM的地貌解譯和野外地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合是一種趨于成熟的地貌研究手段。筆者以美國 SRT M DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),結(jié)合收集的地質(zhì)文獻資料和野外踏勘,通過 DEM地貌模擬和空間統(tǒng)計分析等手段,從區(qū)域尺度對大別山地區(qū)的地貌特征進行分析。

1 研究區(qū)概況

大別山位于江淮之間,跨皖、鄂、豫三省。本區(qū)地震活動比較頻繁,地質(zhì)構(gòu)造和地貌類型復(fù)雜,長期以來引起不少地質(zhì)工作者的注意 (馮文科,1976;李靖輝,2008)。特別是自 20世紀(jì) 80年代在大別山發(fā)現(xiàn)含柯石英和金剛石的榴輝巖以來,大別山地區(qū)已成為中外地質(zhì)學(xué)家研究熱點,主要研究造山帶成因,造山帶深部結(jié)構(gòu),造山帶碰撞年代學(xué)以及伸展、抬升構(gòu)造演化歷史,超高壓變質(zhì)巖巖石學(xué)變質(zhì)作用、流體演化、地球化學(xué)等,而對其地貌的研究相對較少。

2 數(shù)據(jù)和分析方法

SRT M(Shuttle Radar Topography Mission)利用新型合成孔徑干涉成像雷達技術(shù),成功采集到近全球的DEM數(shù)據(jù),這是目前能獲得的世界上最高精度的公開地形數(shù)據(jù)(美國之外的其他國家和地區(qū)的空間分辨率 90 m),為全球尺度的地形地貌研究提供了高精度數(shù)據(jù)保證 (Rabus et al.,2003;程三友等,2004)。筆者使用 SRT M數(shù)字高程模型 (DEM)進行地貌分析,進行了重采樣,分辨率為 100 m。地質(zhì)資料來自中華人民共和國 1∶50萬數(shù)字地質(zhì)圖數(shù)據(jù)庫。

地貌模擬、地形分析與地貌解譯是地貌研究的主要方面。筆者分析所用的地貌定量指標(biāo)為:(1)區(qū)域高程分布圖;(2)地形坡度;(3)條帶剖面;(4)局部地形起伏。局部地形起伏 (局部高程差 local relief)定義為一定的取樣區(qū)間內(nèi)(本文用到的是1 km×1 km)海拔最高值和最低值的差。條帶剖面定義為統(tǒng)計一定寬度內(nèi)垂直剖面線的數(shù)據(jù)片段,將片段內(nèi)最大、最小、均值高程值、局部地形值及高程標(biāo)準(zhǔn)差投影至剖面上,可得到相應(yīng)的剖面圖。坡度為常規(guī)所指的某點處的絕對坡度值,取決于該點與其周圍各點的相對高程。此外,為了深入研究研究區(qū)的地形特征,以數(shù)字圖像處理技術(shù)和統(tǒng)計分析方法,對不同地貌特征指示參數(shù)之間的相關(guān)性進行深入分析。最后,以 100 m為高程間隔,通過統(tǒng)計造山帶地區(qū)每 100 m高程間隔的平均坡度、標(biāo)準(zhǔn)差和對應(yīng)高程范圍的地形起伏,建立了高程與平均坡度和高程與地形起伏以及區(qū)域地形起伏與平均坡度之間的相關(guān)關(guān)系;其中的標(biāo)準(zhǔn)差是反映剖面線不同地段地形粗糙度的重要參數(shù)(Kühni et al.,2001)。

3 大別山地區(qū)的地貌特征

3.1 大別山整體地貌特征

大別造山帶位于揚子板塊與華北板塊之間,是秦嶺造山帶的東延部分,其西延為桐柏山,東為張八嶺,三者合稱淮陰山。由大別山數(shù)字高程地貌圖(圖 1)可以看出:(1)大別山由北西向南東延伸,主體延伸方向是北西向,在湖北省的黃梅附近轉(zhuǎn)向東北,地勢上為向南凸出的弧型山系;(2)整個造山帶呈三角形的形狀,南坡緩而長,北坡陡而短;不管是從造山帶的延伸方向還是從垂直造山帶的走向方向都是中間高、兩邊低;(3)控制本區(qū)地貌發(fā)育的主要斷裂有北西西或近東西向延伸的磨子潭 -曉天斷裂帶 F1、北東向郯城 -廬江斷裂帶 F2和北西向延伸的襄樊 -廣濟斷裂帶 F3;此外,研究區(qū)內(nèi)還有與這三組斷裂帶相平行、斜交或直交的次一級斷裂;這些斷裂縱橫交錯呈網(wǎng)狀將大別山體分割成許多大小不等菱形地塊和山間盆地,分水嶺呈“人”字形分布于造山帶四周,山體陡峭;斷裂構(gòu)造的發(fā)育與活動會引起地表地形高程的差異變化,在數(shù)字高程地形模擬圖上表現(xiàn)為顯著的線性圖像特征;(4)山間盆地明顯受斷裂控制,其空間分布及長軸方向與其附近主要斷裂帶的延伸方向大體一致,具有邊緣陡、長橢圓形的形態(tài)特點。本區(qū)地殼在第三紀(jì)末期或第四紀(jì)初期以來沿著斷裂作差異性升降運動使得其地貌上又表現(xiàn)為地塹谷、斷塊山和斷陷盆地呈斑塊狀鑲嵌于山體之中。這種地貌形態(tài)在圖 1中也可以被看出來,較為完整的有大別山北麓的霍山地塹谷、圓洞山斷塊山、曉天 -磨子潭斷陷盆地以及大別山東南麓的桐城斷陷盆地、宿松斷陷盆地、還有湖北境內(nèi)的麻城斷陷盆地和蘄春斷陷盆地(馮文科,1976)。

大別造山帶山峰并沒有連續(xù)在一起成為一個整體,而是受斷裂控制,中間被一些低地分隔開來,在主山體兩側(cè)形成許多近似南北方向的河流,河流深切,曲流和裂點發(fā)育(圖 1)。

3.2 大別山地貌的定量化分析

地形可以被描述為一定空間范圍內(nèi)確定分辨率下最小高程、最大高程、平均高程的函數(shù)。實際地形面可由DEM數(shù)據(jù)直接生成,它反映剖面線上的實際地形樣式。區(qū)域地形起伏是一定范圍內(nèi)最大高程值與最小高程值之間的差值。高程條帶法是利用遙感影像數(shù)字處理技術(shù),提取選定的剖面線,這里選取寬度為 20 km寬(剖面位置如圖 1AA′BB′CC′中所示),以數(shù)理統(tǒng)計方法獲得垂直于剖面線方向上各列圖像像元所表征的高程值,并計算出最大高程值和最小高程值,然后求取最大高程與最小高程之間的差值,進而獲取區(qū)域地形起伏專題信息,從而得到剖面圖 (圖 2)。同傳統(tǒng)利用紙質(zhì)地形圖進行高程剖面分析相比,高程條帶剖面所表征的細節(jié)地形信息則更具說服力。

3.2.1 高程分析

從圖 1可以看出,大別山造山帶山勢較高,海拔超過 1 500 m的山峰集中在皖、鄂、豫一帶,主峰天堂寨,海拔 1 729 m,位于安徽六安金寨縣西南角;霍山,海拔 1 774 m,位于安徽省霍山縣南。與地質(zhì)資料對比可知,這些地勢較高的山體大都處在不同走向的大型斷裂的交匯或收斂部位 (程三友等,2005)。地質(zhì)資料研究顯示,造山帶的中心部位是由老的基底及其蓋層組成 (湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1990;安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1987)。這些峰頂?shù)膸r石類型主要為花崗巖,形成給人印象深刻的鳥冠狀頂點,同時這些峰頂也形成了主要的分水嶺。大別山山地多為低山丘陵,山間谷地寬廣開闊,并有河漫灘和階地平原。對研究區(qū)不同海拔高程的統(tǒng)計結(jié)果顯示,其平均高程可達 188 m,海拔低于 100 m的平原面積比例為 57.6%;海拔區(qū)間在 100～300 m的丘陵山地和 300～800 m的低山的面積比例分別為 21.3%和 18.3%;海拔區(qū)間在 800 m以上中山的面積比例為 2.8%,其中,有約 93%的山體海拔在 1 300 m以下,約 1.5%的山體海拔在 1 500 m以上。

圖 1 大別山地區(qū)數(shù)字高程地貌圖Fig.1 D igital elevation geomophology map ofDabie orogenic belt

3.2.2 地形的坡度分析

坡度作為最重要的地形因子之一,能夠指示地貌成因,地貌的發(fā)育階段及程度 (張會平等,2004a)。坡度圖 (圖 2)顯示了研究區(qū)的坡度空間分布特征,整體而言,斷層兩側(cè)坡度較大,而盆地、平原的坡度較小(程三友等,2005)。與地貌高程的分布相對應(yīng),以平原地貌為主的極緩坡 (<5°)占整個研究區(qū)面積的 65.3%,其中坡度為 0～2°的平原面積占58%。緩坡(5～15°)面積占 23.4%,陡坡(15～45)和陡崖 (>45)面積分別占 11.3%和0.000 4%。山地多深谷陡坡,地形復(fù)雜,坡向多變,坡度多在 25～50°。山地被斷層分割成許多菱形斷塊,東南側(cè)黃梅、太湖到桐城一帶,山麓線挺直,山坡陡到 50°以上,是明顯的斷層崖。

3.2.3 地形的剖面分析

通過高程剖面分析(圖 3)可以明顯的看出,山頂面剖面呈∧形,或呈鋸齒多峰形式,也說明了大別山是地塹谷、斷塊山和斷陷盆地并存的地貌特點。大別山地區(qū) AA′剖面跨過的山峰的海拔高程在金寨縣以西金鋼臺處為 1 600 m。BB′剖面跨過的山峰的山頂面海拔高程在天堂寨處為 1 729 m。CC′剖面跨過的山峰的山頂面海拔高程 1 749 m在麿子潭以南主峰燕子山處。

局部地形起伏剖面(圖 3)顯示,局部地形起伏越靠近主體山脈,起伏度越大,遠離山脈,起伏度減小 (張會平等,2006),如在金寨縣以西金鋼臺附近,地形起伏較大,為 1 300 m。磨子潭以南,地形起伏也較大。局部地形起伏描述了地貌的最大切割,它是河流和冰川切割的表達。也經(jīng)常被用來描述山帶的特點。然而,解釋局部地形起伏的重要性是困難的,原因是局部地形起伏依靠大量的相互依賴的過程,局部地形起伏是侵蝕過程的結(jié)果。侵蝕的效果或剝蝕依靠侵蝕的過程特點,還依靠出露的巖石類型對侵蝕的抵抗性 (Kühni et al.,2001)。

圖2 大別山地區(qū)坡度圖Fig.2 Slope map ofDabie o rogenic belt

3.2.4 地貌參數(shù)的統(tǒng)計分析

為了深入研究平均坡度與高程,高程與地形起伏以及地形起伏與平均坡度之間的關(guān)系,本研究把研究區(qū)高程分成 0～50 m,50～100 m,100～200 m,200～300 m等 19個間隔,用每一個高程間隔所在的高程區(qū)域矢量面文件去裁剪平均坡度圖(1 km×1 km)和地形起伏圖(1 km×1 km),得到每一個高程間隔所對應(yīng)平均坡度圖和區(qū)域地形起伏圖的平均值、最大值和最小值,最大值與最小值之差,最終得出高程 -平均坡度相關(guān)圖,高程 -地形起伏相關(guān)圖以及地形起伏與平均坡度相關(guān)圖(圖 4)。

平均坡度是高程的函數(shù),圖 4a顯示,在 300～1 500 m之間,平均坡度幾乎呈線性增加到 19°。在1 600～1 700 m,平均坡度幾乎保持在 18°,然后在1 750 m增加到最大值 20°。最初的平均坡度增加可通過河流剖面的幾何形態(tài)進行解釋,越進入山脈內(nèi)部,河流系統(tǒng)被切割的越深,平均坡度就越陡,山坡的坡度隨高程增加,直到山坡變的不穩(wěn)定為止,這時山坡開始降低坡角(Kühni et al.,2001)。觀察到的極限值 18°可被解釋為大別山造山帶平均臨界坡度角,這個坡角是基于 100 m間距點的平均坡角。當(dāng)達到臨界角時,滑坡和落石經(jīng)常發(fā)生,坡角就減小。海拔越高,坡度越大是由于低侵蝕度的巖石傾向于形成高海拔的地區(qū),這些巖石顯示出一個高平均坡度的趨勢 (Schmit,1995)。圖 4b地形起伏和高程關(guān)系的解釋與此相似,地形起伏和高程的關(guān)系是相似的分析。在 300～1 500 m之間,地形起伏先是線性增加,之后緩緩降低。兩個圖相似強調(diào)了二者的相互依賴性。從圖 4c可以看出,平均坡度和區(qū)域地形起伏之間的線性關(guān)系一直持續(xù)到 19°和 946 m,更高高程二者關(guān)系的離散是因為地形粗糙度增加。

圖 3 穿過大別山地區(qū)的三條條帶剖面(AA’,BB’,CC’)Fig.3 Three swath p rofiles arcoss Dabie orogenic belt

4 小結(jié)

基于DEM的地表地貌分析技術(shù)為構(gòu)造地貌成因和地表過程的研究提供了極大的便利。近些年來,隨著DEM空間分析技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,基于DEM的空間分析技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于地學(xué)研究 (Small et al.,1998;Johansson,1999;Donald et al,2003;張會平等,2004b)。筆者以美國 SRT M DEM和 1∶50萬數(shù)字地質(zhì)圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用DEM地貌模擬和空間統(tǒng)計分析技術(shù),結(jié)合收集的地質(zhì)文獻資料,從區(qū)域尺度上對大別山的地貌特征進行深入研究,與前人研究結(jié)果基本一致,初步得出以下結(jié)論:

(1)大別山整個造山帶呈三角形的形狀,南坡緩而長,北坡陡而短;造山帶山勢較高,山地多深谷陡坡,坡向多變;山體由北西向南東延伸,主體延伸方向是北西向;山頂面剖面呈∧形,或呈鋸齒多峰形式,局部地形起伏越靠近主體山脈,起伏度越大。

(2)斷裂構(gòu)造嚴格控制水系的發(fā)育,分水嶺呈“人”字形分布于造山帶四周。

(3)地貌參數(shù)的統(tǒng)計分析表明,坡度、地形起伏與平均高程之間具有一定的對應(yīng)關(guān)系,較好的揭示了研究區(qū)的地貌特征。

圖4 高程、平均坡度和地形起伏間的關(guān)系Fig.4 Relationships among elevation,slope and l ocal relief

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Geomorphology Features of the Dabie Orogenic Belt Based on DE M Data

CHENG San-you1, L I Ying-jie2, L I U Shao-feng3
(1.School of Earth Sciences and Resourecs,Changan Universty,Xi’an,SX 710054,China;2.Shaanxi Provincical Academy of Environmental Science Research and Design,Xi’an,SX 710054,China;3.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosicences,Beijing 100083,China)

In order to analyse geomorphology features of the Dabie orogenic belt on the regional scale,this article builds the specialmap of geomorphology analysis and the statistical relationship map of landfor m parameters in the study area based on American SRT M DEM and 1∶500,000 digital geologic map through applyingDEM topography simulation and spatial statistical analysis techniques.Through discussion and anlaysis,the primary conclusions can be drawn as follows:the Dabie orogenic belt seems a triangle;south slope is slow and longwhile north slope is steep and short.the Dabie orogenic belt altitude is relatively high,where canyon and steep slope are abundant,and aspects are changeable;the mountain massif extends from northwest to southeast,and the main direction is northwest;terrain profile analysis shows that the summit surfaces are“∧”shape,or are more jagged peaks form;the more approaching the main mountains,the more the local relief is greater.The water system is strictly controlled by faults,and watershed is“人 ”-shaped distribution around the belt.The landfor m parameter statistical analysis indicats that there exist certain corresponding relations among the slope,the local relief and the average elevation,representing geomorphology features of the study area to some extent.

Dabie orogenic belt;DEM;local relief;mean slope;geomorphology

P542;TP79

A

1674-3504(2010)03-270-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2010.03.09

2010-01-05

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目 (2009ZX07212-002);長安大學(xué)校發(fā)展科技基金 (07Z1503051001)

程三友 (1977—),女,博士,講師,主要從事遙感地質(zhì)學(xué)等方面的研究。E-mail:zysych@chd.edu.cn