龍門山北段地貌發(fā)育特征及其形成因素分析
——以通口河治城段流域?yàn)槔?/h1>

2018-04-28 02:21:09馮金煒邱占林劉玉法

四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)訂閱 2018年2期 收藏

關(guān)鍵詞：龍門山支流坡度

馮金煒, 馬 超, 李 勇, 陳 歡, 邱占林, 劉玉法, 張 威, 趙 重

( 1. 成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610059； 2. 四川省地震局 工程地震研究院, 四川 成都 610041； 3. 中國地質(zhì)科學(xué)院 探礦工藝研究所, 四川 成都 610031； 4. 龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院, 福建 龍巖 364012)

地貌是不斷發(fā)展變化的,地貌發(fā)展變化的物質(zhì)過程稱地貌過程,內(nèi)力和外力是塑造地貌的2種營力,地貌是內(nèi)力過程與外力過程相互統(tǒng)一的產(chǎn)物.龍門山是青藏高原山脈中落差高度變化最大的山脈,構(gòu)造作用強(qiáng)烈,李勇等[1]通過研究龍門山構(gòu)造的地貌標(biāo)志定量計(jì)算了龍門山主斷裂的逆沖速率與走滑速率的關(guān)系,進(jìn)一步分析了龍門山周緣地貌演化趨勢.Ouchi[2]認(rèn)為斷層及褶皺影響河流形態(tài)及搬運(yùn)沉積過程,而河流的多樣性則影響著周緣的地貌的演化.李亞林等[3]通過研究構(gòu)造運(yùn)動對河流地貌特征的響應(yīng)指出：早期逆滑和走滑斷裂控制水系形態(tài),而晚期的正斷層和地塹構(gòu)造控制河流地貌的發(fā)育演變.2008年“5·12”地震導(dǎo)致映秀—北川斷裂發(fā)生地表破裂,導(dǎo)致龍門山地區(qū)基巖的同震隆升變形[1,3],觸發(fā)大規(guī)模的同震滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,形成大面積松散物質(zhì)堆積,在氣候的作用下進(jìn)一步改造龍門山區(qū)域的地貌[4-6].因此研究區(qū)域性的構(gòu)造抬升及河流侵蝕對未來地貌演化方向的影響十分重要.本文基于ArcGis技術(shù)提取龍門山北段通口河治城段的地形因子及河流剖面等參數(shù),進(jìn)一步探討構(gòu)造、氣候等因素對治城段地貌演化發(fā)展趨勢的影響.

1 資料與處理方法

通口河系屬龍門山中段山前河流,是涪江的重要支流之一,起源于九頂山南麓,西北—南東流向,在彭州市境內(nèi)穿越龍門山,在丹景山鎮(zhèn)進(jìn)入成都平原,是涪江流域的一級支流.本文研究區(qū)域通口河段挾持于后龍門山深斷裂與江油—灌縣大斷裂之間,最高海拔2 260 m,最低海拔600 m(圖1),落差1 660 m,地勢呈現(xiàn)自北西往南東降低(圖2).

本次研究通過無人機(jī)勘察及野外實(shí)測獲得高程點(diǎn),由高程點(diǎn)繪制成等高線.利用ArcGis 10.2軟件將等高線矢量數(shù)據(jù)生成TIN,再由TIN轉(zhuǎn)成DEM,經(jīng)過DEM柵格數(shù)據(jù)多次處理獲得通口河流域治城段地形特征和水系網(wǎng)絡(luò)特征.

1.1地形坡度的獲取利用ArcGis 10.2軟件,將獲得的高分辨率DEM數(shù)據(jù)(1∶1萬,柵格大小5 m),經(jīng)過ArcToolbox中3D Analyst工具的柵格表面計(jì)算地面坡度的平均值,獲得治城段平均坡度分布區(qū)間為0°～69.1°,通過圖層屬性將平均坡度范圍分為4個(gè)等級,分別為：0°～15.6°、15.6°～30.9°、30.9°～44.5°、44.5°～69.1°.4個(gè)坡度區(qū)間的分布范圍如圖2所示.

1.2水系網(wǎng)絡(luò)的獲取利用ArcGis 10.2軟件,將得到的DEM進(jìn)行填洼獲得無洼DEM,經(jīng)過水文分析工具得到流向和流量,將閾值設(shè)置為5 000獲得流水累計(jì)柵格,以此得到通口河流域水系分布圖(圖3).通口河流域主要發(fā)育4個(gè)較大支流：小園河支流(支流1)、白草河支流(支流2)、白坭溝支流(支流3)、玉溪河支流(支流4).下面將通過對通口河支流的河流縱剖面和橫剖面特征進(jìn)一步分析.

圖 1 通口河流域縱剖面圖

圖 2 治城段流域平均坡度分布圖

圖 3 治城段流域地形與水系圖Fig. 3 Topographic and water system of Zhicheng river basin

2 通口河治城段流域發(fā)育特征

2.1通口河治城段流域的地形特征通過DEM計(jì)算出來的通口河流域治城段平均坡度分布圖(圖2)可宏觀表達(dá)該區(qū)域地貌特征.北川老縣城附近(即距北川—映秀斷裂北西側(cè)4 km區(qū)域內(nèi))平均坡度較大,多介于30.9°～62.3°；玉溪河和通口河河流區(qū)域坡度較小,多為10°～30°；研究區(qū)北西段(以禹里鄉(xiāng)和漩坪鄉(xiāng)連線為界,下同)劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷斷裂破碎帶區(qū)域平均坡度較大,多介于30.9°～62.3°；挾于各斷裂帶之間的區(qū)域區(qū)域均屬于小角度坡度：16.3°～26.0°.

不同地層巖性(圖4)可體現(xiàn)出不同坡度分布,結(jié)合地質(zhì)圖與坡度圖可進(jìn)一步分析通口河流域的地貌特征.北川映秀斷裂北西向(4 km)為志寒武系油房組,巖性以中、粗粒巖屑砂巖、粉砂巖互層,南東側(cè)以泥盆系和石炭系灰?guī)r為主,北西向一側(cè)坡度明顯較大.研究區(qū)中部以志留系茂縣群第二組灰?guī)r環(huán)繞茂縣群第一組千枚巖,灰?guī)r區(qū)域坡度大于千枚巖區(qū)域.位于研究區(qū)北段劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷層附近巖性以千枚巖夾灰?guī)r、砂巖為主,坡度大于單純千枚巖地層.

通過斷裂帶與巖性對坡度分布影響可知,斷裂(劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷裂、北川斷裂)上下盤周圍的坡度具有一定的差異性,斷層上盤4～6 km范圍內(nèi)坡度大,說明2條逆沖斷裂上盤處于隆升狀態(tài),斷裂上盤的河流侵蝕下切作用將相對較快.通過對比地形坡度(圖2)及地層巖性(圖4)可知巖性的“軟硬”程度同樣對坡度的分布起一定的作用：研究表明砂巖和灰?guī)r區(qū)域坡度明顯大于千枚巖區(qū)域坡度.

2.2通口河治城段流域的水系特征本文基于ArcGis 10.2軟件,將得到的DEM進(jìn)行填洼或得無洼DEM,經(jīng)過水文分析工具得到流向和流量,將閾值設(shè)置為5 000獲得流水累計(jì)柵格,以此得到通口河流域水系分布圖(圖2).通口河流域主要發(fā)育4個(gè)較大支流：小園河支流(支流1)、白草河支流(支流2)、白坭溝支流(支流3)、玉溪河支流(支流4).下面通過對通口河支流的河流縱剖面和橫剖面特征進(jìn)一步分析.

圖4治城段流域地質(zhì)構(gòu)造簡圖

Fig.4ThesimplifiedgeologicalandstructuralmapofZhicehngriverbasin

2.2.1河流縱剖面 受到地質(zhì)構(gòu)造、流域基部巖性特性、氣候降雨等諸多因素影響,河流縱剖面呈現(xiàn)不同形態(tài).研究區(qū)域較小,氣候條件幾乎相同；基部巖性以志留系茂縣群千枚巖為主,4條支流流向大致垂直于巖層走向,因而該區(qū)域河流剖面形態(tài)主受構(gòu)造影響.通過對河流縱剖面形態(tài)特征的分析可有效反映通口河流域的構(gòu)造差異性.

關(guān)于河流剖面與地貌演化的關(guān)系前人做出了大量的研究,陳彥杰等[7]通過對河流縱剖面模型進(jìn)行了總結(jié)：1)地形面在受到地體抬升后構(gòu)造運(yùn)動即停止,則初始形成的河流其縱剖面的下凹程度較小或近乎直線, 可以用線性剖面來擬合；2)隨著中上游侵蝕作用的進(jìn)行,河流將侵蝕下來的物質(zhì)搬運(yùn)至下游堆積,使得河流縱剖面的下凹程度逐漸變大而逐漸演化成指數(shù)剖面；3)隨著下游物質(zhì)的堆積,河流中-上游的侵蝕,河流縱剖面下凹程度進(jìn)一步加大,可以用對數(shù)函數(shù)來擬合河流縱剖面;4)再進(jìn)一步發(fā)展,如果流量增加或由于構(gòu)造運(yùn)動等形成破碎帶導(dǎo)致輸沙量增加,使得河流縱剖面的下凹程度快速增大而呈現(xiàn)出乘冪函數(shù)剖面.河流縱剖面的演化趨勢為:線性→指數(shù)→對數(shù)→乘冪.

通口河流域治城段圖幅較小,在考慮到流域內(nèi)各條支流的氣候和巖性類似的情況下,構(gòu)造運(yùn)動是影響河流縱剖面的主控因素.通過對研究區(qū)4條支流(圖2、圖5)對比分析：支流1、支流2、支流3下凹程度低,呈近線性指數(shù)擬合,即考慮該3條支流較“年輕”,在氣候和基底巖性相似的情況下,支流1靠近劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷層；支流2穿過劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷層、盛家院—密地坪—楊柳松斷層及茂汶斷裂；支流3位于盛家院—密地坪—楊柳松斷層附近；很可能由于構(gòu)造導(dǎo)致山體相對抬升,使得這3條支流的縱剖面接近線性擬合.支流4和通口河主干接近對數(shù)剖面,說明這2條河流演化速度慢受地質(zhì)構(gòu)造作用相對較少,河流進(jìn)入“中、老年化”,根據(jù)地質(zhì)資料及實(shí)地路線觀察,該2條河流附近斷層地質(zhì)作用較弱,處于相對穩(wěn)定狀態(tài).

圖 5 治城流域主要支流縱剖面

2.2.2河流橫剖面 通過研究區(qū)橫剖面線可得各支流情況(圖6)：支流1、支流2、支流3河谷呈深“V”型,說明河流正進(jìn)行快速下切侵蝕作用,也進(jìn)一步反映這3條支流范圍內(nèi)抬升作用較強(qiáng).支流3和通口河(湔江)主干河谷為U型谷,說明這2條河流有側(cè)向侵蝕作用.根據(jù)河流發(fā)育特征,河流先以縱向下切作用為主,當(dāng)河流縱剖面達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),河流再以側(cè)向侵蝕為主.通過5條河谷對比分析：支流4和通口河主流相對于支流1、2、3下切侵蝕速率慢,構(gòu)造相對穩(wěn)定,山體抬升不明顯,地貌不會發(fā)生太劇烈的演化.

圖 6 流域治城段河流橫剖面分析圖

3 通口河治城段流域地貌發(fā)育的主要影響因素

3.1構(gòu)造活動對地貌演化的影響2008年汶川地震的發(fā)生導(dǎo)致震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害大面積爆發(fā),據(jù)野外核查,研究區(qū)構(gòu)造活動的較明顯(斷層附近)地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成面狀分布.在地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育的地區(qū),構(gòu)造面發(fā)育導(dǎo)致周圍巖體破碎,穩(wěn)定性差,極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害.構(gòu)造對地質(zhì)災(zāi)害的控制主要表現(xiàn)在以下幾方面：1) 斷層均以北東向排布,控制著研究區(qū)內(nèi)山脈及河流的展布.區(qū)域內(nèi)多條小斷層交匯,交匯處形成大面積“X”節(jié)理,使得巖體失穩(wěn),形成規(guī)模較大的地質(zhì)災(zāi)害.斷裂帶附近巖體較其它地區(qū)破碎,研究區(qū)西北段無根密集斷層、中段茂汶斷裂、南西段北川斷裂比較典型.2) 現(xiàn)代新構(gòu)造運(yùn)動,特別是地震活動,直接破壞了巖土體的結(jié)構(gòu),使巖土體的物理力學(xué)強(qiáng)度降低.研究區(qū)主要以絹云千枚巖為主,巖性較為軟弱,在斷層作用下,節(jié)理面發(fā)育,巖體破碎,當(dāng)?shù)乇硭疂B入時(shí)使巖層軟化形成活動帶,當(dāng)遇大量降雨滲入土體,增加了土體自重或下滑力,使土體的粘聚力和磨擦力減小,便產(chǎn)生了滑坡、崩塌,也為泥石流提供大量物源.3) 構(gòu)造帶中多期次構(gòu)造運(yùn)動的疊加,使巖體完整性降低,更易于被風(fēng)化,同時(shí)由于破碎帶的影響,其風(fēng)化深度更大,研究區(qū)多條區(qū)域性斷裂為后期在北川斷層上的疊加.4) 構(gòu)造裂隙及斷層面常與卸荷裂隙組成向臨空面的不利組合.

2008年特大地震后不僅造成龍門山斷裂帶急劇的隆升,也進(jìn)一步觸發(fā)了大面積的地質(zhì)災(zāi)害的爆發(fā).根據(jù)2016年9月野外勘察,共查明研究區(qū)域內(nèi)崩塌12處、滑坡56處、泥石流5處,地質(zhì)災(zāi)害面積達(dá)到5.6 km2,松散堆積物體積約0.019 km3.2010年,對龍門山北川—映秀斷裂帶同震巖石隆升研究得出的數(shù)據(jù)中,該研究區(qū)域增加的山脈體積估算值約為0.176 km3,大于松散堆積物體積.Robert等[8]也指出,沿?cái)鄬臃较蛏系牟糠謪^(qū)域同震巖石隆升增加的山脈體積大于地震導(dǎo)致的堆積物體積,即山脈體積增加.研究區(qū)北西段發(fā)育小型密集“無根斷層”,地震后巖石隆升作用較為劇烈(圖7),雖然同震地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生了松散堆積體,但研究區(qū)基巖隆升體積大于同震松散物質(zhì)體積,即研究區(qū)山體體積并未“虧損”,而是處于抬升狀態(tài).

圖 7 汶川地震觸發(fā)的同震抬升圖(據(jù)文獻(xiàn)[8]修改)

3.2氣候?qū)Φ孛惭莼挠绊懲诤恿饔蛑纬嵌螝夂驅(qū)儆趤啛釒貪櫦诧L(fēng)氣候,降雨量充足,1967年為最大年降雨量,達(dá)到2 340 mm,日最大降雨量達(dá)到101 mm,年平均降雨量可達(dá)1 399.1 mm.強(qiáng)降雨時(shí)期主要集中在7、8、9月份(圖8),達(dá)到全年降雨量的70%以上.2008年汶川后大面積地質(zhì)災(zāi)害爆發(fā),2013年“7.9”洪災(zāi)使得一些潛在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,暴雨誘發(fā)的泥石流、崩塌、滑坡共31處.暴雨導(dǎo)致的山洪峰值較大,攜帶溝谷內(nèi)崩塌和滑坡物質(zhì)進(jìn)入河流.研究區(qū)域較大的泥石流有倒開門泥石流和羊盤溝泥石流,每年雨季均攜帶大量松散物質(zhì)分別匯入通口河和白草河,地震導(dǎo)致的崩塌物質(zhì)是主要的物源.許強(qiáng)通過實(shí)驗(yàn),表明：地震災(zāi)區(qū)發(fā)生大型泥石流的臨界雨降為35～40 mm/h,最低僅為15 mm/h[9].

根據(jù)實(shí)地野外核查,泥石流位置均靠近河流,由于構(gòu)造(主要地震)產(chǎn)生的大面積松散物質(zhì)通過河流作用搬運(yùn)至下游地區(qū).由于山脈物質(zhì)的遷移,影響地貌的改變.氣候(以降水為主)影響地貌演化的最直接表現(xiàn)便是河流中輸砂率的變化.

研究區(qū)松散物通過洪流由白草河、白泥溝、玉溪河等支流攜帶搬運(yùn)至通口河,根據(jù)通口河下游將軍水文站近十年數(shù)據(jù)表明,降雨量直接影響輸砂量,7～9月份為研究區(qū)雨季,輸砂量野達(dá)到峰值.圖8體現(xiàn)出降雨量和輸砂率呈正相關(guān)關(guān)系.

圖 8 1-12月通口河流域平均輸砂率與北川縣的月降水量對比分析

前人通過流域輸砂量的計(jì)算獲來得剝蝕速率,本文通過輸砂率估算出剝蝕速率,以此研究流域內(nèi)地貌的演化發(fā)展.據(jù)綿陽將軍石水文站實(shí)測懸砂數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[10]：多年平均輸砂率171 kg/s,多年平均輸砂量1.8 kg/m3,多年平均汛期含砂量為2.25 kg/m3,最大輸砂量為320萬t(1964年),最小年輸砂量96萬t(1974年).據(jù)此比擬推求通口河流域年平均輸砂量為2.27×106t,沉積物密度取1.50 t/m3,即1.51×106m3.通口河流域面積為2 808 km2,計(jì)算出通口河流域剝蝕速率為0.537 mm/a.侵蝕速率應(yīng)包括風(fēng)力搬運(yùn)作用、化學(xué)作用等,因此通口河流域的剝蝕速率應(yīng)遠(yuǎn)大于0.537 mm/a.研究數(shù)據(jù)表明該區(qū)域平均隆升幅度為0.456 m,即在未來850年內(nèi)將剝蝕掉地震成因的山脈增加量. 在地質(zhì)構(gòu)造不太強(qiáng)雷的情況下,在氣候因素的影響下,山脈物質(zhì)增加量將被河流遷移至下游.

前人對龍門山在非地震期間的隆升速率已經(jīng)進(jìn)行了大量研究.劉樹根[11]根據(jù)測量地表的變形機(jī)制獲得龍門山逆沖推覆帶的年均隆升速率在0.3～0.4 mm之間；江娃利等[12]研究指出龍門山構(gòu)造帶可達(dá)0.2～2.5 m的垂直位移量；邵崇建等[13]等根據(jù)多年(1970—1997年)野外實(shí)測資料得出在理縣附近的隆升速率最大,可達(dá)到 3. 5 mm/a.龍門山處于非地震階段的垂直隆升速率目前數(shù)據(jù)值較多,大致處于0.2～3.5 mm/a范圍內(nèi).對比通口河的侵蝕速率(>0.537 mm/a)與隆升速率(0.2～3.5 mm/a),區(qū)域總體呈現(xiàn)出抬升作用,海拔處于上升階段.

4 地貌演化分區(qū)

綜合上述坡度、河網(wǎng)、構(gòu)造、氣候等要素對地貌演化的影響進(jìn)行分析,對通口河流域治城段劃分為兩個(gè)區(qū)域,以此討論地貌演化過程.

4.1Ⅰ區(qū)(緩慢抬升區(qū)) Ⅰ區(qū)位于北川斷裂上盤附近,汶川地震使得該區(qū)山脈抬升.通過各支流縱坡面(圖5)可知位于該處的通口河段具有破折點(diǎn)和匯入通口河的玉溪河(支流4)具有明顯的破折點(diǎn),說明該處正處于抬升狀態(tài),并且正經(jīng)歷河流下切作用,但由河流橫剖面(圖6)反應(yīng)出這2條河流河谷較為寬闊,即河流下切作用弱.此外,該處Ⅰ區(qū)巖性由志留系千枚巖過渡到較為堅(jiān)硬的砂巖,進(jìn)一步制約了河流剝蝕速率.Ⅰ區(qū)堰塞湖位置也可能淤積上流搬運(yùn)下來的河流物質(zhì),使得松散物質(zhì)堆積量增加.Ⅰ區(qū)剝蝕速率小于基巖抬升速率,可以推斷Ⅰ區(qū)可能為緩慢隆升的地貌演化趨勢.

4.2Ⅱ區(qū)(快速抬升區(qū)) Ⅱ區(qū)為研究區(qū)北西段,該處發(fā)育大量“無根密集”斷層,巖性較為破碎,表現(xiàn)為構(gòu)造作用強(qiáng)烈.支流1、2、3縱坡面呈深“V”型,縱剖面為線性指數(shù),即該處河流下切速度快,進(jìn)一步說明該區(qū)屬于隆升階段.此外,由地形坡度(圖3)可知,位于支流1、2、3附近坡度大,河流兩側(cè)的將形成陡峭的河谷地形.雖然在汶川地震觸發(fā)下形成大面積的崩塌、滑坡等松散堆積物質(zhì),在河流作用下將被搬運(yùn)到下流,但通過對比隆升幅度及侵蝕速率,山體并未“虧損”.Ⅱ區(qū)基巖抬升速率大于河流侵蝕作用,且在較為劇烈構(gòu)造運(yùn)動的情況下,地貌演化將呈快速抬升趨勢.

圖 9 治城段流域地貌演化分區(qū)

5 結(jié)束語

通過對龍門山北段通口河流域地貌、構(gòu)造、氣候等特征進(jìn)行分析,初步得下以下幾點(diǎn)認(rèn)識.

1) 斷層上盤附近坡度普遍較大,區(qū)域處于抬升狀態(tài),河流侵蝕下切作用強(qiáng),使得地形變得陡峭.巖性影響地形特征,砂巖和灰?guī)r區(qū)域地形坡度明顯大于千枚巖區(qū)域坡度.

2) 以如今通口河流域治城段的構(gòu)造作用和氣候特征,大部分河流處于“年輕”狀態(tài),下切剝蝕速率較快,搬運(yùn)能力較強(qiáng),上游沉積物極易搬運(yùn)到下游,使得流域局部地貌往削低趨勢發(fā)展.

3) 南東段(北川斷裂上盤附近)受構(gòu)造作用影響處于抬升階段,該位置河流河谷較為寬闊,剝蝕山體速率較慢,受堰塞湖等因素影響將繼續(xù)積蓄沉積物,山脈將以緩慢速度抬升.

4) 北西段發(fā)育“無根密集”斷層,巖體破碎,構(gòu)造強(qiáng)烈,受構(gòu)造影響基巖將處于抬升階段.支流1、2、3河谷呈表現(xiàn)為“深V”下切作用侵蝕作用,河流兩側(cè)將形成陡峭河谷地形,即進(jìn)一步證明基巖的抬升,區(qū)域呈現(xiàn)出快速隆升狀態(tài).

致謝中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所為本文提供野外地質(zhì)災(zāi)害信息,審稿專家及編輯對本文提出寶貴的修改意見,謹(jǐn)致謝意.

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