中條山北麓韓陽段沖溝發(fā)育及其新構(gòu)造意義

慈洪娟, 閆冬冬, 李有利, 鐘岳志, 呂勝華, 熊建國

(1.北京大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 北京100871; 2.河北省地礦局第三地質(zhì)大隊,河北 張家口075000; 3.國土資源部青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島266071)

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中條山北麓韓陽段沖溝發(fā)育及其新構(gòu)造意義

慈洪娟1, 閆冬冬2, 李有利1, 鐘岳志1, 呂勝華3, 熊建國1

(1.北京大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 北京100871; 2.河北省地礦局第三地質(zhì)大隊,河北 張家口075000; 3.國土資源部青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島266071)

基于數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)，運用河長坡降指標(biāo)(SL)、河流Hack剖面、面積高度積分值(HI)及盆地流域形態(tài)因子(BS)分析方法對山西省中條山北麓韓陽段6條沖溝地貌發(fā)育進(jìn)行了量化分析。結(jié)果表明：中條山北麓韓陽段流域處于地貌演化的壯年期階段，斷層活動性自西南至東北方向呈現(xiàn)先增強后降低的趨勢。野外發(fā)現(xiàn)盤底村和三新村溝口東岸階地發(fā)育明顯而西岸發(fā)育相對較弱的一致性規(guī)律，說明溝谷東側(cè)山地抬升較強烈、西側(cè)抬升較弱，從而驗證韓陽段自西南向東北方向新構(gòu)造活動性呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢。

地貌指標(biāo); 新構(gòu)造活動; 中條山斷裂; 沖溝; 溝口階地

中條山北麓斷裂是控制山西省運城盆地地貌和新生代地質(zhì)演化的關(guān)鍵斷裂[1-2]，就歷史地震資料顯示，自公元前48年以來發(fā)生3次6級以上地震，分別在1556年，1642年，1815年，時間間隔百年左右[3-4]。然而前人古地震研究認(rèn)為中條山北麓斷裂總體活動性水平低，地震重復(fù)時間間隔長，尤其是中條山北麓韓陽段最新地震活動時間距今7千年，重復(fù)間隔1.2萬年[5-6]，由此可知關(guān)于中條山北麓新構(gòu)造活動性存在爭議性認(rèn)識。

隨著數(shù)字高程模型和各種空間技術(shù)的引入，使得提取山麓地區(qū)的沖溝及河谷的地形數(shù)據(jù)指標(biāo)以及做定量化研究地貌演化過程成為可能。定量化研究地貌指標(biāo)能夠定量直觀的揭示目標(biāo)區(qū)的地貌演化特征及其構(gòu)造活動性強弱[8-9]。因此本文利用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)，系統(tǒng)提取中條山北麓韓陽段盤底溝到鹿峪溝等6條沖溝的各項指標(biāo)，探討中條山北麓韓陽段地貌形態(tài)對構(gòu)造活動的響應(yīng)以及斷層活動規(guī)律。

1　區(qū)域地質(zhì)與地貌背景

山西地塹系位于鄂爾多斯斷塊東南緣，由一系列NE或近NE方向的構(gòu)造隆起和盆地組成，在平面上呈現(xiàn)“S”型展布。分布于山西地塹系西南端的運城盆地在燕山運動后期到第三紀(jì)初期一直保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，而在新生代晚期喜馬拉雅運動影響下，運城盆地內(nèi)部發(fā)生強烈的正斷層斷陷[1-3]。中條山北麓斷裂是控制運城盆地地貌和新生代地質(zhì)演化的關(guān)鍵斷裂。斷裂長達(dá)137 km，走向沿NE到NNE方向，傾角為58°～75°，是一條高角度的正斷層[4]。根據(jù)中條山北麓斷裂走向的差異，以西姚溫和磨河村附近為轉(zhuǎn)折點，將中條山北麓斷裂自西向東分為3個幾何段落，即韓陽段、解州段和夏縣段[4-5]。本文研究區(qū)韓陽段海拔高度為300～1700 m，地勢北高南低、東高西低，黃河為該段沖溝以及河流的侵蝕基準(zhǔn)面，韓陽段斷裂走向N30°E，長約20 km，由多條次級斷層左階斜列組成[5]。

中條山北麓山前洪積物主要為全新世早期沖洪積物和晚期洪積扇砂礫石層，巖性多為砂、礫石以及少量黏土和粉砂。山前全新世早期的沖積物和洪積物基本上以400 m等高線為分界，洪積物主要分布在中條山北麓斷裂西端上源頭以東。全新世晚期洪積扇在中條山北麓斷裂西段山前發(fā)育不好，僅在東北段西姚溫附近、鹿峪村、下寺村和牛家村附近發(fā)育，牛家村以西山前地貌表現(xiàn)基本上都為沖溝深切山前全新世早期黃土臺地。韓陽上源頭采石場出露的兩條斷層分別錯斷中更新世的加礫石層褐色粉砂層和晚更新世黃土層，而在南盤溝溝口，見斷層錯斷沖溝T2階地的礫石層頂面，在虎峪附近廢棄的窯洞洞壁，見多條斷層錯斷離石黃土中的古土壤。

2　地貌計量指標(biāo)分析

本文通過提取中條山北麓韓陽段6條沖溝的DEM數(shù)據(jù)利用Hack提出的河長坡降指標(biāo)(SL)，Strahler研究的面積高度積分值(HI)以及Bull等人提出的流域盆地形態(tài)因子(BS)等地貌量化指標(biāo)[7-8]來分析中條山北麓韓陽段山前地貌受斷層活動的影響。

2.1河長坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面

河長坡降指標(biāo)(SL)對沖溝坡度變化反映非常敏感，用這一指標(biāo)可以分析研究區(qū)巖性、構(gòu)造活動、地形等因素對河流縱剖面地貌形態(tài)演化的影響[10-11]。圖1顯示沿著河谷縱剖面每條沖溝的河長坡降指標(biāo)值均出現(xiàn)明顯的波動，且河長坡降指標(biāo)異常高值對應(yīng)沖溝高程在500～1300 m范圍內(nèi)。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)6條沖溝在出山口有天然斷層露頭，盤底溝溝口發(fā)育了6.4 m高跌水且溝口階地非常發(fā)育；鹿峪口溝口窯洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)的錯斷的紅色古土壤的斷層揭示可能為更新世斷層；其余4條沖溝在室內(nèi)航片解釋和野外實地考察中發(fā)現(xiàn)明顯的斷層陡坎，說明這些地點附近斷層活動性明顯。因此推斷研究區(qū)受中條山北麓韓陽段斷裂活動影響，使河谷縱剖面變陡，從而出現(xiàn)河長坡降指標(biāo)異常值。

Hack剖面是以河段高程為縱坐標(biāo)，以河段到河流源頭距離的對數(shù)值為橫坐標(biāo)，繪制的河流剖面發(fā)育形態(tài)的半對數(shù)曲線。Hack剖面形態(tài)能指示較大時空尺度的構(gòu)造活動，研究表明當(dāng)Hack剖面形態(tài)呈上凸型，表明該區(qū)域構(gòu)造垂直活動性強，活動構(gòu)造速率大；如果河流Hack剖面形態(tài)呈現(xiàn)直線或凹形，則該區(qū)域的構(gòu)造活動性較弱，活動構(gòu)造速率中等或較小[11,14]。韓陽段6條沖溝的Hack剖面中西南向的盤底溝、賀家溝和石家溝的剖面曲線呈現(xiàn)凸型，南山底溝和山底溝的凸型較為明顯，而鹿峪溝的剖面曲線近乎直線型，初步判斷石家溝及南山底溝的構(gòu)造活動性較強，而鹿峪溝的斷層活動性相對較低。

2.2面積高度積分值HI

面積高度積分值HI是由Strahler[12]提出，用于反映流域盆地原始地形面在受到風(fēng)化侵蝕作用后殘留在地表的土地體積比率，從而描述流域盆地地形的演化階段。Strahler等人根據(jù)面積高度積分曲線呈現(xiàn)的三種不同形態(tài)(凸型、S型、凹形)及對應(yīng)的HI值所在的三個閥值范圍區(qū)間(HI>0.6，0.4

2.3流域盆地形態(tài)因子BS

流域盆底形態(tài)因子BS是描述某區(qū)域流域盆地形態(tài)及其演化階段的指標(biāo)。通常構(gòu)造活動活躍區(qū)，流域盆地形態(tài)多為狹長形，隨著地貌演化過程構(gòu)造活動減弱或停止，狹長形的流域盆地將會演化成渾圓形態(tài)[13]。其中Bl是流域盆地河谷的分水嶺到出山口的直線距離，Bw是流域盆地的最大寬度，BS為Bl與Bw比值。若BS值越大說明盆地越狹長，表明該盆地所在區(qū)域的構(gòu)造活動速率比較高；反之，該流域盆地所在區(qū)域的構(gòu)造活動性較弱。本文根據(jù)Ramirez-errera等研究理論將研究區(qū)域流域盆地因子劃分為BS≥4，3

圖1　中條山北麓韓陽段6條沖溝河長坡降指標(biāo)SL和Hack剖面

圖2　中條山北麓韓陽段6條沖溝面積高度積分值HI

研究區(qū)流域盆地形態(tài)因子值很高，6條沖溝均可屬于典型的狹長型集水盆地，表明該山前帶的活動斷層的構(gòu)造活動速率比較大。研究區(qū)西段盤底溝、賀家溝流域盆地形態(tài)因子3

表1　中條山北麓韓陽段河谷流域盆底形態(tài)因子

3　討 論

河長坡降指標(biāo)偏高主要受兩種因素影響，其一由于強烈的構(gòu)造活動使得局部河段坡度發(fā)生變化；其二該研究區(qū)地層巖性較為堅硬抗侵蝕能力強，在長期河流侵蝕作用的影響下與相鄰地區(qū)形成差異化侵蝕，造成河段坡度變陡河長坡降指標(biāo)偏高。中條山北麓韓陽段山前洪積物主要為全新世早期沖洪積物和晚期洪積扇砂礫石層，巖性多為砂、礫石、卵石以及少量黏土，巖性抗侵蝕能力弱，說明研究區(qū)河長坡降指標(biāo)主要受構(gòu)造活動性影響，反映該區(qū)域構(gòu)造活動性較活躍。

地貌量化指標(biāo)揭示，南山底溝及山底溝的Hack剖面線凸型較為明顯，西南端盤底溝、賀家溝和史家溝曲線呈現(xiàn)凸型，而東北向的鹿峪溝剖面曲線近乎線型；面積高度積分值HI揭示南山底溝HI=0.62，盤底溝和鹿峪溝HI<0.5，且盤底溝HI值偏小，其余沖溝HI處于0.5，0.6之間；研究區(qū)6條沖溝的盆底形態(tài)因子BS除西南向盤底溝和賀家溝小于4外，其余四條沖溝BS均大于4。根據(jù)地貌量化指標(biāo)綜合分析可知韓陽段西南方向盤底溝及賀家溝附近斷裂活動性較低，東北向石家溝和南山底溝附近斷裂活動性增強，直到鹿峪溝附近斷層活動性又有所降低。然而僅依據(jù)室內(nèi)地貌指標(biāo)量化研究對野外斷裂活動性認(rèn)識將會存在一定偏差，需結(jié)合野外考察做驗證性判斷。

中條山北麓韓陽段斷裂的東北段山前斷層三角面形態(tài)十分清晰，并且呈現(xiàn)自東北向西南三角面越來越不發(fā)育的趨勢，到賀家溝以西基本呈現(xiàn)緩緩的山坡形態(tài)。盤底溝溝口發(fā)育有T1，T2兩級基座階地，河谷兩側(cè)階地發(fā)育不對稱，東側(cè)階地發(fā)育較完全，西側(cè)階地發(fā)育相對較弱(圖3)。三新村山前沖溝溝口發(fā)育T1，T2，T3三級階地，東岸比較發(fā)育，而西岸相對發(fā)育較弱，其中第二級階地又可以進(jìn)一步劃分為T2a，T2b(圖4)。以上兩個階地發(fā)育比較典型的溝谷都表現(xiàn)出東岸階地較發(fā)育而西岸發(fā)育相對較弱的一致性規(guī)律，說明溝口西岸遭受侵蝕、東岸接受沉積，溝谷東側(cè)山地抬升較強烈、西側(cè)抬升較弱，從而說明中條山北麓西段斷裂自東北向西南新構(gòu)造活動性呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢。

圖3　韓陽段盤底溝溝口跌水及東岸階地

圖4 三新村沖溝溝口階地

4　結(jié) 論

中條山北麓韓陽段盤底溝至鹿峪溝的河長坡降指標(biāo)(SL)異常高值范圍與斷裂活動位置相吻合。6條沖溝的Hack剖面凸型明顯，山麓山前沉積物主要是全新世早期沖洪積物抗侵蝕能力弱，揭示該研究區(qū)新構(gòu)造活動性較強。

研究區(qū)6條沖溝的面積高度積分值介于0.4～0.6，并且HI由西南向東北呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，依據(jù)Strahler分段模表明該流域處于地貌演化的壯年期階段。流域盆地形態(tài)因子研究結(jié)果表明6條沖溝均屬于狹長型集水盆地，西南向盤底溝和賀家溝BS介于3～4為新構(gòu)造活躍區(qū)，其余東北向4條沖溝

BS均大于4，為新構(gòu)造極活躍區(qū)。通過面積高度積分值和流域盆地形態(tài)因子綜合分析，韓陽段斷層活動性自西南至東北方向呈現(xiàn)先增強后降低的趨勢。

野外考察結(jié)果顯示中條山北麓韓陽段東北段山前斷層三角面形態(tài)清晰，呈現(xiàn)自東北向西南方向三角面逐漸不發(fā)育的趨勢。盤底溝和三新村溝的山前溝口表現(xiàn)出東岸階地發(fā)育明顯而西岸發(fā)育相對較弱的一致性規(guī)律，說明溝谷東側(cè)山地抬升較強烈、西側(cè)抬升較弱，從而驗證說明中條山北麓韓陽段斷裂自西南向東北方向新構(gòu)造活動性呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢。

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Geomorphic Indices in the Hanyang Segment of Zhongtiaoshan Mountains,Shanxi and Its Implication for Neotectonics

CI Hongjuan1, YAN Dongdong2, LI Youli1, ZHONG Yuezhi1, LYU Shenghua3, XIONG Jianguo1

(1.CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China;2.No.3GeologicalBrigade,HebeiProvincialGeologicalProspectingBureau,Zhangjiakou，Hebei075000,China; 3.QingdaoInstituteofMarineGeology,MinistryofLandandResources,Qingdao，Shandong26607,China)

Based on DEM data, the quantitative study on the geomorphic indices has been carried out in the Hanyang segment of Zhongtiaoshan Mountains. The indices include stream length-gradient index (SL), hack profile of river, hypsometric integral (HI), and index of drainage basin shape (BS). It is revealed that the Hanyang River Basin is in the mature phase of geomorphic evolution. Moreover, the fault activity presents a trend of increasing firstly and decreasing later from southwest to northeast. The field investigation finds that in both Pandi and Sanxin villages, the eastern terrace developed clearly while the western did not. The phenomenon indicates that the lift of eastern side of the valley is higher than the western side, which further proves the fault activity trend.

geomorphic indices; Neotectonics; Zhongtiaoshan fault; river terraces

2015-03-27

2015-04-10

國家自然科學(xué)基金項目(41271019)

慈洪娟(1989—),女,天津人,碩士研究生,專業(yè)方向為地理學(xué)(地貌學(xué)與環(huán)境演變)。E-mail:cihongjuan@163.com

李有利(1965—),男,陜西扶風(fēng)人，教授,主要從事構(gòu)造地貌學(xué)與環(huán)境演變。E-mail:liyouli@pku.edu.cn

P931

A

1005-3409(2016)04-0363-05