青衣江流域地貌特征及構(gòu)造指示意義

張 威, 馬 超, 王世元, 何玉林, 劉玉法, 顏照坤

(1. 四川省地震局, 四川 成都 610041;2. 成都理工大學 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室, 四川 成都 610059)

新生代以來,印度洋板塊不斷地向歐亞板塊俯沖,持續(xù)不斷的匯聚和碰撞造成了青藏高原現(xiàn)今的地貌和構(gòu)造形態(tài),也造成了青藏高原內(nèi)部和邊緣地區(qū)不斷的地震活動,因此青藏高原的構(gòu)造活動一直是地學界研究的熱點之一.龍門山與山前的高度大于4 000 m,是青藏高原邊緣山脈中陡度變化較大的山脈之一[1].

在新生代構(gòu)造研究中,構(gòu)造地貌研究是比較成熟的技術(shù)手段之一.水系地貌的形成常常受到構(gòu)造活動的制約和影響,而且對構(gòu)造活動所引起的剝蝕、隆升具有一定的反饋作用[2-3].青衣江的形成與龍門山南段的演化具有重要的關(guān)系,記錄了龍門山的隆升和擴展過程.斷裂活動可導(dǎo)致河流縱剖面的變化,記錄基巖的隆升和河流下切的過程[4].河流水力侵蝕模型可以反映構(gòu)造隆升作用與河流下蝕作用之間的關(guān)系[5-7].另外,利用階地下蝕速率的計算可以定量地研究地表的隆升速率[8],唐熊等[9]和袁俊杰[10]在名山萬古場地區(qū)進行過研究.

有學者注意到龍門山地區(qū)水系和構(gòu)造活動的關(guān)系主要集中在岷江水系,有關(guān)青衣江流域構(gòu)造的研究主要為蘆山地區(qū)地震成因與階地變形,蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造與地貌響應(yīng),青衣江流域階地變形特征[9-12],而在地形坡度與斷裂的關(guān)系、河流縱橫剖面特征、河流水流侵蝕模型、河流階地對龍門山南段構(gòu)造隆升的指示意義方面研究還不夠完善.本文通過青衣江流域內(nèi)的地貌特征來探討該區(qū)的地貌特征及其對構(gòu)造活動的指示意義,以期為龍門山南段構(gòu)造活動特征的研究提供一定的參考.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

龍門山位于青藏高原東緣,與四川盆地接壤,呈北東—南西向展布(圖1).以北川—安縣一線和臥龍—懷遠一線為界,可將龍門山分為北、中和南段[13].青衣江流域位于龍門山的南段,發(fā)源于寶興縣,長約290 km.研究區(qū)主要的斷裂系統(tǒng)有耿達—隴東斷裂(后山斷裂)、 鹽井—五龍斷裂(中央斷裂)、雙石—大川斷裂(前山斷裂)等(圖1),各斷裂晚新生代以來均表現(xiàn)出較強的構(gòu)造活動特征,在龍門山的北段2008年曾發(fā)生8.0級地震,龍門山南段2013年發(fā)生7.0級地震,這將對龍門山的地貌產(chǎn)生重要的影響.

耿達—隴東斷裂,也稱龍門山后山斷裂南段,為逆斷層,北起耿達,向南經(jīng)磽磧、隴東至瀘定以東,總體走向NE40°,傾向NW.局部地區(qū)沿斷裂線性影像特征明顯,不過總體第四紀地層、地貌不發(fā)育.鹽井—五龍斷裂又稱龍門山中央斷裂南段,為逆斷層,北起映秀南側(cè)三江附近,向南經(jīng)九里崗、鹽井、五龍、明禮、廟子崗,至瀘定以東,總體走向NE40°,傾向NW.大川—雙石斷裂,也稱龍門山前山斷裂南段,為逆斷層,北起大邑雙河一帶,向南經(jīng)大川、太平、雙石,直至天全一帶,總體走向約NE40°,傾向NW.

圖 1 龍門山南段地形地貌圖

2 地貌特征

青衣江流域橫跨耿達—隴東斷裂、 鹽井—五龍斷裂、大川—雙石斷裂,地勢上從北西向南東逐漸降低,海拔最高處超過2 900 m,海拔最低處約為380 m.

本次研究利用DEM數(shù)據(jù)對青衣江流域的地形特征和水系特征進行綜合分析,從而為進行地貌特征和構(gòu)造活動的地貌響應(yīng)奠定了基礎(chǔ).

2.1地形坡度利用ArcGIS10.0軟件,基于SRTM-3數(shù)字高程模型90 m分辨率數(shù)據(jù),提取青衣江流域河流數(shù)據(jù),得到青衣江流域的坡度范圍分布圖(圖2),坡度范圍分布在0～82°,依據(jù)坡度分級對青衣江流域坡度做了4個分級,分別為0°～15°、15°～25°、35°～45°和45°～82°.可以看出,坡度從北西到南東逐漸降低,坡度較大的地方多集中在雙石—大川斷裂的上盤,這說明坡度和斷層具有一定的關(guān)系,龍門山斷裂帶主要由逆斷層組成,由于抬升幅度較大,造成斷裂的上盤坡度也較大.

巖性的差異對坡度有不同的影響(圖3),耿達—隴東斷裂以西,以及與鹽井—五龍斷裂之間的巖性主要為志留系茂縣群千枚巖,在巖性基本一致的條件下,由于斷層的逆沖作用,耿達—隴東斷裂上盤坡度大于下盤的坡度,所以耿達—隴東斷裂與鹽井—五龍斷裂之間的坡度相對較小.鹽井—五龍斷裂與大川—雙石斷裂之間的巖性為元古界的花崗巖、角閃巖和變粒巖等,不易被外力剝蝕,在斷裂活動的作用下形成坡度較大的區(qū)域.由于研究區(qū)范圍較小,應(yīng)該具有相同的氣候條件,因此,構(gòu)造活動是影響地形坡度主要原因之一,巖性對地形坡度也具有一定的影響.

圖2青衣江流域坡度分布圖

Fig.2TheslopedistributionOfQingyiriverdrainagebasin

圖 3 青衣江流域地層分布圖Fig. 3 The stratigraphic distribution of Qingyi river drainage basin

2.2水系特征在DEM的基礎(chǔ)上對青衣江流域范圍內(nèi)的河流進行提取,獲得青衣江流域水系分布圖(圖4).青衣江主要發(fā)育的支流為寶興河、大川河、天全河和滎經(jīng)河.下面對青衣江流域的河流縱剖面和橫剖面進行分析.

2.2.1河流縱剖面 河流縱剖面的形態(tài)受流域內(nèi)河床基巖類型、構(gòu)造和氣候等多種因素的綜合影響[14].通過對跨斷層的青衣江各支流的河道調(diào)查,

圖 4 青衣江流域水系分布圖Fig. 4 The river system of Qingyi river drainage basin

流域內(nèi)的河道基巖類型大致相似.

由于青衣江流域位于龍門山的南段,屬于同一地區(qū),流域范圍的氣候大致也相似;因此,在基巖類型和河道相似的情況下,構(gòu)造抬升成為影響河流縱剖面的主要因素.通過研究青衣江流域內(nèi)的地貌特征及其構(gòu)造響應(yīng),可以對流域內(nèi)的地貌演化趨勢作出判斷(詳見圖5).

圖 5 青衣江主要支流河流縱剖面圖

前人對河流的地貌演化作了大量的工作[15-16],研究結(jié)果表明：河流的凹凸程度及形態(tài)反應(yīng)了河流的發(fā)育和演化.當河流縱剖面介于上凸和下凹直接時,抬升速率處于中等水平.

從圖4可以看出,寶興河、大川河和天全河基本上呈直線型,3條河流自北西—南東方向主要巖性為志留系茂縣群千枚巖、中部的元古界花崗巖及東南部的侏羅系-白堊系砂泥巖(圖3),千枚巖和砂泥巖抗侵蝕強度低,在河流縱剖面并沒有表現(xiàn)下凹特征,所以巖性不是影響其形態(tài)的主要原因,說明龍門山南段構(gòu)造作用整體處于隆升狀態(tài).

2.2.2河流的橫剖面 一般情況下,河流的上游下蝕作用比較強烈,在上游形成的河谷也較較深;河流的下游側(cè)蝕作用比較強烈,形成的河谷較寬.因此,從上游到下游河谷逐漸變寬,河谷深度逐漸降低;但在構(gòu)造隆升區(qū),河流為了保持其動力動態(tài)平衡,總是持續(xù)地切割其下伏的河床基底,造成河谷變深.

為了判斷構(gòu)造因素對河流的影響,在DEM的基礎(chǔ)上,分別在寶興河、大川河和天全河提取4～5個橫剖面(圖3)進行分析(其中寶興河a、b處于耿達—隴東斷層的上盤,c、d、e處于斷層的下盤;大川河a、b處于鹽井—五龍斷層的上盤,c、d處于斷層的下盤;天全河a、b處于鹽井—五龍斷層的上盤,c、d處于斷層的下盤,見圖6～8).對各個支流橫剖面(圖6～8)對比研究表明：寶興河、大川河和天全河整體上河谷的寬度逐漸變寬,但寶興河a～b曲線、大川河a～b曲線、天全河a～c曲線,河谷的深度有增加的趨勢.分析其原因是處于上盤的河流剖面受到斷層活動的影響,整體處于抬升狀態(tài),在抬升的過程中,下蝕作用增強,河谷也變得越深.

3 構(gòu)造活動的地貌響應(yīng)

3.1河流水力侵蝕模型近年來,關(guān)于青藏高原隆升方面的研究成為研究的焦點,在構(gòu)造活躍的基巖隆升區(qū),表面隆升速率和下蝕速率應(yīng)存在線性關(guān)系[17].

目前大多利用非均衡山脈河流侵蝕模型來表現(xiàn)表面隆升速率和侵蝕速率之間的關(guān)系:

S=KsA-θ,

log S=θ×logA+logks,

其中,A為河段上游的集水盆地面積,S為河段的坡度,θ代表均衡河道縱剖面的凹曲指數(shù),參數(shù)ks則為均衡河道縱剖面的陡峭指數(shù).

當基巖隆升速率大于河流下切侵蝕速率時,河床的高程會隨著時間逐漸增高,S-A雙對數(shù)圖表現(xiàn)為上凸特征(圖9),此時河流系統(tǒng)發(fā)育處于前均衡狀態(tài);相反,當基巖隆升速率小于河流下切侵蝕速率時,河床的高程會隨著時間逐漸降低,S-A雙對數(shù)圖表現(xiàn)為下凹特征,此時河流系統(tǒng)發(fā)育處于后均衡狀態(tài).

利用河流水力侵蝕模型對青衣江流域的河流(圖10)分析研究表明：寶興河、大川河和天全河S-A雙對數(shù)曲線均呈上凸特征,說明河流的隆升速率大于侵蝕速率.

河流的凹曲指數(shù)θ與陡峭指數(shù)Ks雖然都能反映構(gòu)造的隆升速率,但影響θ的因素較多,所以不能準確地判別河流的隆升.

陳彥杰等[6]指出當一地區(qū)各集水盆地的θ值接近一致時,logKs可反映隆升速率.根據(jù)曲線擬合(表1)得出寶興河、大川河和天全河的θ值分別為0.62、0.65和0.64,logKs分別為0.43、0.28和0.42,因此,3條支流域都處于隆升的狀態(tài),寶興河和天全河流域隆升速率較高,大川河相對較低.

圖 6 寶興河河流橫剖面圖

圖7大川河河流橫剖面圖

Fig.7ThecrossprofileofDachuanriver

表 1 青衣江流域主要河流的S-A圖分析

3.2河流階地對構(gòu)造活動的響應(yīng)河流階地是河流發(fā)育過程中構(gòu)造運動、氣候和侵蝕基準面的變化等綜合作用的產(chǎn)物.本次研究的青衣江多級階地位于青藏高原與四川盆地的交界地區(qū),處于龍門山的南段,在新近紀—第四紀龍門山南段受到北東—南西的應(yīng)力作用下產(chǎn)生了一系列的斷裂活動,如2013年4月20日曾發(fā)生7.0級蘆山地震,這些構(gòu)造活動對河流也產(chǎn)生了重要的影響.青衣江階地的形成應(yīng)該主要是構(gòu)造活動主要控制因素.

圖 8 天全河河流橫剖面圖

圖10青衣江流域水力侵蝕模型S-A對數(shù)圖

Fig.10ThelogarithmicS-Aplotofstream-powerincisionmodelofQingyiriverdrainagebasin

圖 9 河流水力侵蝕模型S—A圖解

青衣江流域階地大致可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4級階地,其中Ⅰ級階地為堆積階地,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為基座階地,在萬古場地區(qū)保存較為完整.李勇等[17]指出,青藏高原的表面隆升過程并不等于青藏高原的地殼隆升過程,表面隆升還受控于侵蝕作用,如果地殼隆升速率大于侵蝕速率,表面隆升速率為正值;如果地殼隆升速率小于侵蝕速率,表面隆升速率為負值.分析表2可知,青衣江地區(qū)階地表面隆升速率為正值,龍門山地區(qū)的地殼隆升速率大于侵蝕速率,河流的下切速率和隆升速率呈正相關(guān)的關(guān)系,從而證明了青衣江流域在第四紀時期隆升的同時,河流為了保持動力均衡狀態(tài),不斷地下切變深.

表 2 青衣江萬古場階地表面隆升速率與下切速率[10]

4 結(jié)論

選取構(gòu)造活動強烈的龍門山南段地區(qū)以青衣江流域的地形坡度及其支流(寶興河、大川河和天全河)的縱、橫剖面特征為基礎(chǔ),建立基巖河道河流水力侵蝕模型對數(shù)圖解,分析了河流階地的構(gòu)造響應(yīng),初步討論并得到如下認識：

1) 耿達—隴東斷裂與鹽井—五龍斷裂之間巖性為志留系茂縣群千枚巖,在巖性基本一致的條件下,地形坡度的差異主要為斷層的逆沖作用造成.鹽井—五龍斷裂與大川—雙石斷裂之間的巖性為元古界的花崗巖、角閃巖和變粒巖等,不易被外力剝蝕,在斷裂活動的作下形成坡度較大的區(qū)域.結(jié)合寶興河、大川河和天全河的河流縱、橫剖面形態(tài),巖性雖有影響,但構(gòu)造因素為主導(dǎo)作用.

2) 寶興河、大川河和天全河的河流水力侵蝕模型對數(shù)曲線均呈上凸的形態(tài),θ值接近一致時,寶興河、大川河和天全河的θ值分別為0.62、0.65和0.64,logKs分別為0.43、0.28和0.42,說明龍門山南段的地殼隆升速率大于河流的下切侵蝕速率,整體處于隆升狀態(tài).

3) 青衣江流域整體處于抬升狀態(tài),揭示了龍門山造山帶內(nèi)的地貌發(fā)育仍然處于前均衡狀態(tài),同時也從側(cè)面證明龍門山地區(qū)是整個青藏高原垂直隆升和側(cè)向擠壓的最新和最前緣部位.

[1] 李勇,周榮軍,蘇德臣,等. 汶川(Ms8.0)地震的河流地貌響應(yīng)[J]. 第四紀研究,2013,33(4):1-18.

[2] 李勇,黃潤秋,周榮軍,等. 汶川Ms8.0級地震的水系響應(yīng)[J]. 四川大學學報(工程科學版),2010,42(5):20-32.

[3] 梁明劍,郭紅梅,李大虎,等. 2013年四川蘆山7.0級地震發(fā)震構(gòu)造機理及青衣江上游流域的響應(yīng)[J]. 地學前緣,2013,20(6):21-28.

[4] 張會平,張培震,吳慶龍,等. 循化-貴德地區(qū)黃河水系河流縱剖面形態(tài)特征及其構(gòu)造意義[J]. 第四紀研究,2008,28(2):299-309.

[5] 畢麗思. 基于DEM的活動構(gòu)造地貌參數(shù)研究[D]. 北京:中國地震局地質(zhì)研究所,2011.

[6] 陳彥杰,宋國城,陳昭男. 非均衡山脈的河流水力侵蝕模型[J]. 科學通報,2006,51(7):865-869.

[7] KIRBY E, JOHNSON C, FURLONG K, et al. Transient channel incision along Bolinas Ridge, California:Evidence for differential rock uplift adjacent to the San Andreas fault[J]. J Geophysical Research Atmospheres,2007,112(F3):3-7.

[8] 李勇,周榮軍, DENSMORE A L, et al. 青藏高原東緣大陸動力學過程與地質(zhì)響應(yīng)[M]. 北京:地質(zhì)出版社,2006:4-7,86-97.

[9] 唐熊,陶曉風. 雅安地區(qū)青衣江流域第四紀階地特征分析[J]. 沉積學報,2009,27(1):137-141.

[10]袁俊杰. 四川雅安地區(qū)第四紀以來活動構(gòu)造及青衣江水系演化[D]. 成都:成都理工大學,2008.

[11] 劉韶,張世民,丁銳,等. 青衣江中游晚第四紀河流階地構(gòu)造變形特征與蘆山地震成因分析[J]. 地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集,2014,26:35-49.

[12] 王繼龍,吳中海,孫玉軍,等. 青衣江河流沉積與階地特征及其成因演化[J]. 地質(zhì)力學學報,2016,22(3):642-655.

[13] 李智武,劉樹根,陳洪德,等. 龍門山?jīng)_斷帶分段-分帶性構(gòu)造格局及其差異變形特征[J]. 成都理工大學學報(自然科學版),2008,35(4):440-452.

[14] 趙洪壯,李有利,楊景春,等. 天山北麓河流縱剖面與基巖侵蝕模型特征分析[J]. 地理學報,2009,64(5):563-570.

[15] 邵崇建,李勇,顏照坤,等. 龍門山南段山前河流構(gòu)造地貌研究[J]. 四川師范大學學報(自然科學版),2016,39(2):28-297.

[16] 趙洪壯,李有利,楊景春. 北天山流域河長坡降指標與Hack 剖面的新構(gòu)造意義[J]. 北京大學學報(自然科學版),2010,46(2):237-244.

[17] 李勇,曹叔尤,周榮軍,等. 晚新生代岷江下蝕速率及其對青藏高原東緣山脈隆升機制和形成時限的定量約束[J]. 地質(zhì)學報,2005,79(1):28-37.