文 | 劉雪萍 董穎 朱雪征 董曉晨 陳梓慧
1.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院 3.華北科技學(xué)院
地質(zhì)遺跡是指在地球演化過程中,由內(nèi)、外地質(zhì)營力作用形成的各類地質(zhì)地貌現(xiàn)象。地球表面的不同規(guī)模和各種特征的地貌形態(tài),是地殼構(gòu)造運動和巖漿活動等地球內(nèi)營力作用和流水、波浪、冰川和氣候等地球外營力作用的結(jié)果,地表的巖石、土壤、河流和地貌(包括完整的和殘留的)包含著地球發(fā)展的證據(jù),使地球的歷史不斷被認(rèn)識。地質(zhì)遺跡具有突出的普遍科學(xué)價值,是人類認(rèn)識地質(zhì)現(xiàn)象、推測地質(zhì)環(huán)境和演變條件的重要自然遺產(chǎn)。地質(zhì)遺跡的類型主要包括:巖土體地貌、巖石地貌、主要化石產(chǎn)地、水體地貌、火山地貌等。然而由于自然原因和人類活動的影響,地質(zhì)遺跡存在被破壞和消失的威脅,地質(zhì)遺跡的保護(hù)成為國內(nèi)外地學(xué)和自然保護(hù)領(lǐng)域關(guān)注的問題,而地質(zhì)遺跡調(diào)查是地質(zhì)遺跡保護(hù)的首要內(nèi)容。
河流地貌類地質(zhì)遺跡是地質(zhì)遺跡的重要類型。根據(jù)地質(zhì)遺跡與河流地貌的定義,河流地貌類地質(zhì)遺跡是指由河流作用形成的地貌景觀。在世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)制定的《地質(zhì)遺跡全球框架》中,將河流地質(zhì)遺跡劃分為一個專門類別;還有些學(xué)者將河流地質(zhì)遺跡劃分到水文分類中;在中國地質(zhì)調(diào)查局編制的《重要地質(zhì)遺跡調(diào)查技術(shù)要求(暫行)》中屬于地貌景觀類的水體地質(zhì)遺跡。黃河是我國第二條大河,是中華民族的母親河。黃河流域地形復(fù)雜,在地貌上從西到東跨越我國地貌的三大階梯,包括青藏高原東北部、黃土高原、太行山區(qū)和華北平原等地貌單元。黃河中下游是黃河流域中人口分布最集中的區(qū)域,與黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重大國家戰(zhàn)略密切相關(guān)。調(diào)查和研究黃河中下游地質(zhì)遺跡為系統(tǒng)保護(hù)黃河資源,推動黃河自然遺產(chǎn)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
遙感具有覆蓋范圍廣、獲取信息速度快,周期短、可重復(fù)性強(qiáng),限制條件少、手段多,信息量大的特點,在河流地貌地質(zhì)遺跡調(diào)查中具有獨特的作用。
地質(zhì)遺跡調(diào)查主要的技術(shù)方法包括遙感圖像預(yù)處理技術(shù)、一般的遙感圖像處理技術(shù),也包括針對地質(zhì)遺跡的特征分析解譯的技術(shù),主要表述如下。
河流地貌物質(zhì)組成的不同,形成了遙感圖像的不同地物光譜特性。這一特征是進(jìn)行河流地貌解譯的基礎(chǔ),主要河流地貌類型的光譜響應(yīng)曲線如圖1所示。
圖1 河流地貌類型的光譜特性
從圖中可以看出,河床、牛軛湖對光的吸收能力強(qiáng),反射率低,這是由于該類型區(qū)域是由水體構(gòu)成,水體是遙感圖像中最醒目的圖斑;但黃河中下游含泥沙量大,較一般的河流反射率大,在遙感圖像上反而多呈淺色調(diào)(夏秋季含泥沙量較大多為黃褐色,冬春季含泥沙量較少為藍(lán)綠色)。河漫灘具有泥沙和礫石的二元結(jié)構(gòu),在反射特征上呈現(xiàn)較高的反射率,有些河漫灘含水量較大,生長灌草,表現(xiàn)為植被的光譜特征;階地的光譜特征比較復(fù)雜,由階地覆蓋的物質(zhì)決定,覆蓋物有黃土、礫巖、灌木、灌草,因此單從階地的光譜特征判斷地貌類型還不能完全確定,需要結(jié)合土地覆蓋類型和地質(zhì)環(huán)境來確定。圖2為黃河中游(陜北)曲流河及不同季節(jié)的河流水體圖像。
圖2 黃河中游(陜北)曲流河及不同季節(jié)的河流水體圖像(上部冬春季圖像,水體變窄,河漫灘及河心洲出露較多,水體呈藍(lán)綠色;下部夏秋季圖像,水體變寬,河漫灘及河心洲出露少,水體含沙量高,呈淺褐色)
水體指數(shù)是快速準(zhǔn)確提取水域的方法,有歸一化差值水體指數(shù)(NDWI)、修正歸一化差值水體指數(shù)(MNDWI)、增強(qiáng)型水體指數(shù)(EWI)。可以利用水體指數(shù)快速提取水體,由于指數(shù)型方法快速簡便,得到了廣泛應(yīng)用。
流域內(nèi)水體象元的識別能夠獲取河流平面輪廓,如線狀、帶狀、格狀、放射狀,形成對河型類型特征的認(rèn)識。
圖像的地面分辨率反映出地物尺度的識別能力。中分辨率遙感數(shù)據(jù)的分辨率為100~20m,而高分辨率遙感圖像的分辨率達(dá)到5~0.6m。由于各種遙感傳感器的設(shè)計應(yīng)用于不同的目的,其波段的選擇、傳感器的設(shè)計也有各自的特點,即使是相同的觀測系統(tǒng),其各波段影像的空間分辨率也有所差別,如高分二號圖像,多光譜的分辨率為4m,全色波段的分辨率為1m。經(jīng)過圖像融合算法,彩色圖像地面分辨率達(dá)到1m,提高了識別河流微地貌的能力。
利用遙感圖像多時相的特點,對同一地質(zhì)遺跡不同時段的遙感影像進(jìn)行對比,可以分析出地質(zhì)遺跡演化的過程,氣候、溫度、地質(zhì)、流水等營力作用對地貌的影響都在不同時相的遙感影像對比中有所發(fā)現(xiàn)和驗證,并對未知的地質(zhì)遺跡的演化發(fā)展予以預(yù)測和發(fā)現(xiàn)。
比值運算可以呈現(xiàn)地貌的隱伏構(gòu)造,通過不同波段比值,突出波段間地物光譜的差異,對土壤富水性差異、微地貌變化,起到了圖像增強(qiáng)的效果。比如古河道的解譯,可以通過波段比值加以顯示。
解譯地表高程起伏較大的地質(zhì)遺跡如階地、瀑布、跌水時,增加數(shù)字高程模型(DEM)是有效的方法。利用3D GIS技術(shù)可以實現(xiàn)三維可視化、3D虛擬現(xiàn)實分析,立體顯示地質(zhì)遺跡的地貌形態(tài),提高解譯的準(zhǔn)確度和可視性。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立的河流流域的DEM,建立沿河流流向的縱剖面和垂直河流流向的橫剖面圖。從河流縱剖面上,可以看到由于巖性不同產(chǎn)生的抵抗河流侵蝕能力差異產(chǎn)生的巖檻、跌水和瀑布等地質(zhì)遺跡;河流橫剖面圖可以識別河漫灘、江心洲、階地等地質(zhì)遺跡(圖3)。
圖3 河流橫剖面圖
黃河中游起點在內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn),中游分界點在鄭州桃花峪,桃花峪之下為下游,孟津以下為黃河三角洲。
黃河中游的大部分地區(qū)位于黃土高原,地勢在100~2000m,主要由黃土高原、秦嶺及太行山等構(gòu)成。河口至禹門口一段流經(jīng)晉陜峽谷,受到下切和側(cè)蝕的作用,發(fā)育了典型的曲流;禹門口至三門峽區(qū)間,黃河河谷擴(kuò)展,水流緩慢,汾河、洛河、涇河、伊洛河等支流在此匯聚,河段在汾渭平原迂回擺動,形成了自由曲流。
黃河下游河道位于華北斷塊沉降區(qū),通過開封凹陷、東明斷陷及魯西隆起等地質(zhì)構(gòu)造單元,在自然營力和人類活動雙重機(jī)制作用下,黃河下游河道已發(fā)展演變?yōu)榕e世聞名的地上懸河,是由典型的游蕩性河床向彎曲型河床過渡的河道。
黃河三角洲地勢西南高東北低,與黃河入海的方向相一致。由于黃河尾閭擺動的影響,這里的地面形成許多溝壑交錯的廢棄河道及防水堤壩,雖經(jīng)多年風(fēng)雨剝蝕、人為填補(bǔ),至今仍見崗、坡、洼相間分布的地形,以及波浪漣漪狀的地貌。黃河帶來的大量泥沙,使三角洲平均每年以2~3km的速度向渤海推進(jìn),形成大片的新增陸地。
本文選擇了5個地點作為地質(zhì)遺跡遙感調(diào)查的研究區(qū),研究區(qū)內(nèi)典型地質(zhì)遺跡見表1。
表1 調(diào)查區(qū)典型地質(zhì)遺跡列表
山地曲流地質(zhì)遺跡主要解譯河流的平面形態(tài),從河流蜿蜒度判斷河流的彎曲度。河流蜿蜒度是指河床中心線長度與河床兩端之間直線距離之比。
晉陜峽谷段的黃河是典型的山地曲流(圖4)。在陜西延川縣附近,黃河呈現(xiàn)有7個大彎,永和關(guān)彎、乾坤彎、盤龍彎、仙人彎等,此段蛇曲彎多且彎曲程度高,彎曲度最高達(dá)到320°,乾坤彎處連續(xù)彎曲形成“S”形大彎,經(jīng)計算此段河流蜿蜒度為2.63,這個數(shù)值在晉陜峽谷多個河曲中最高,其彎曲程度表明了河流的流水作用不斷側(cè)蝕的河流發(fā)展變化過程;在一個區(qū)域內(nèi)有連續(xù)的多個彎曲在深切曲流中較為稀有,具有典型性。山地曲流的形成更多是受到地質(zhì)構(gòu)造運動,地殼抬升,曲流深切到基巖中而形成的。在地質(zhì)構(gòu)造和流水作用的共同影響下,形成了奇特的深切河流形態(tài)的地貌景觀。在山地曲流巖壁發(fā)育凹槽、曲流中心灘、邊灘,是曲流地質(zhì)遺跡的不同地貌景觀。
圖4 晉陜峽谷的黃河曲流
河流下切侵蝕使原先的河谷底部(河漫灘或河床)超出一般洪水位以上,呈階梯狀分布在河谷谷坡上,這種地形為河流階地。河流階地是第四紀(jì)地質(zhì)時期的河流遺跡,黃河多個區(qū)域有明顯的階地。階地沿河呈條帶分布在河谷兩側(cè),與河床縱向平行,多次地殼運動、氣候變化等原因引起的河床下切或堆積變化,形成了多級階地。從圖5 的遙感圖像上可以看出,階地條帶的寬窄特征有所不同,階地一般階面平坦,覆蓋物多為第四紀(jì)土壤,下層為河漫灘堆積的礫石層,最下層為基巖。一般來說,河谷中高程最高的時代最老的階地,位于谷坡之上,形態(tài)不完整;靠河近的階地是年輕的階地,色調(diào)較淺,有一定的連續(xù)性。
圖5 黃河中游(陜北-山西)白家峁、-神山村段河流階地衛(wèi)星遙感影像圖
剖面形態(tài)地質(zhì)遺跡指從河流縱剖面或橫剖面上觀察地質(zhì)遺跡的方法,包括瀑布、跌水、巖檻與壺穴。這類地質(zhì)遺跡在河床之中,由地勢變化引起。地貌特征為地表起伏較大、分布規(guī)模較小,需要高分辨率的遙感影像和DEM數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行綜合解譯。
瀑布是斷層差異形成的河流從高處泄落的地貌景觀。河流在發(fā)育過程中發(fā)生斷層,河床的局部高差發(fā)生變化,河水垂直或近似垂直傾瀉形成瀑布。
壺口一帶出露的基巖主要是三疊系中部的紙坊組、銅川組地層,其巖性主要為砂巖、泥巖、頁巖互層。砂巖較為堅硬,頁巖松軟破碎,易遭流水侵蝕,在險峻的峽谷中,奔騰的激流在垂直下切時遇到軟硬相間巖石交替沉積的地質(zhì)條件,其堅硬巖石易形成巖坎,也是斷崖裂點,較軟的巖層則因激流侵蝕而深凹。
巨大河流落差使河水形成了高速噴射的破碎飛沫,飛沫的反射率比河水高,改變了水體光譜的吸收特性,在遙感圖像上瀑布的區(qū)域顯示為白色的高反射圖斑,與瀑布周邊的河水形成了明顯差異,瀑布的這一光譜特征是進(jìn)行瀑布解譯的重要特征(圖6)。
圖6 壺口瀑布衛(wèi)星遙感影像
因受瀑布水流作用的影響,在壺口瀑布的位置區(qū)域產(chǎn)生了多種地貌,包括邊灘、沖蝕凹槽、側(cè)蝕洞穴、巖檻與壺穴巖、谷中谷等地質(zhì)遺跡。利用遙感影像和DEM數(shù)據(jù)相結(jié)合,形成區(qū)域裂點前后1600m縱剖面地形高程變化,為解譯地質(zhì)遺跡增加輔助信息(圖7)。
圖7 河流瀑布區(qū)域縱向剖面示意圖
在河口或沖積平原上橫斷面放寬,河流流速降低,水流散亂,河床分成許多河汊,寬窄相間,形如發(fā)辮,這樣的河型稱為辮流,也叫游蕩型河段。辮流在山區(qū)和平原都有存在。
禹門口位于山西省河津市西北和陜西省韓城市北部的黃河峽谷中,為黃河晉陜峽谷的南端出口。黃河從這里流出晉陜峽谷,擺脫兩岸夾山束縛,形成流路不定的大河辮狀交織水流(圖8)。韓城斷裂與黃河河谷相交,晚更新世該斷裂活動使龍門山體抬升,黃河在禹門口形成裂點溯源侵蝕,不斷向上游溯源侵蝕。禹門口的辮流是典型的平原型河流地質(zhì)遺跡。
圖8 禹門口黃河辮流遙感影像
禹門口有著特殊的歷史文化價值。禹門口也叫龍門,是大禹劈山治水和鯉魚跳龍門等中華文化歷史故事的地理地點。從科學(xué)性和文化價值及觀賞性上,禹門口的地質(zhì)遺跡應(yīng)得到重視并應(yīng)盡快加以保護(hù)。
在河流中下游的平原地區(qū),地質(zhì)遺跡的類型有辮流、平原蛇曲、牛軛湖,在自然條件下,曲流彎曲、變直、下移是一個周期迂回過程,發(fā)生變化的時間周期與氣候、地質(zhì)條件有關(guān)。與山區(qū)曲流的變化相比,平原曲流變化的周期更短,多則百年,少則幾十年。圖9為黃河靈寶市以北三門峽以東段河道不同年份的遙感影像對比,從圖中可以看到河曲在圖像上呈現(xiàn)很深的色調(diào),其演變形跡在圖像上表現(xiàn)為一條條明暗相間的弧形條帶,沙壩收斂的一方指向河流上游,撇下的一方指向河流下游,隨著多年流水環(huán)流作用使河流曲流上下河段越來越接近,形成狹窄的曲流頸,洪水時曲流頸被沖開,河道裁彎取直,出現(xiàn)了沉積迂回扇、牛軛湖、曲流等地質(zhì)遺跡。
圖9 平原曲流與牛軛湖發(fā)育形成過程
三角洲位于河流的河口地區(qū),是河流入海的河流末端堆積體。三角洲的形成是河口區(qū)的堆積作用超過侵蝕作用的結(jié)果。河流帶來的大量泥沙沉積物,在河口外海濱區(qū)水深較淺坡度平緩的河口區(qū)堆積形成了扇形三角洲。通過查看多個時期遙感圖像顯示的不同色調(diào),分析沉積物覆蓋的植被生長的差異和土地利用特點,識別黃河三角洲多種地質(zhì)遺跡,包括亞三角洲堆積體、河流故道、三角洲消長和海岸帶變遷(圖10、11)。
圖10 黃河三角洲遙感影像河流故道示意圖
圖11 1980、1990、2000、2010年黃河三角洲遙感影像
河流地貌類地質(zhì)遺跡是區(qū)域宏觀的,同時具有不同尺度。利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查時,從面、線、點逐步進(jìn)行分析,根據(jù)其基本形態(tài)、展布規(guī)律和空間關(guān)系、時間動態(tài)演化及與周邊環(huán)境的聯(lián)系,是解譯地質(zhì)遺跡的形態(tài)并分析成因的有效方法。
黃河中下游的地質(zhì)遺跡非常豐富,涵蓋了河流地貌的主要類型,利用衛(wèi)星遙感圖像并結(jié)合地質(zhì)資料和前人的研究成果,對比不同時期的遙感圖像,能夠發(fā)現(xiàn)河流演變的過程和地質(zhì)遺跡的狀況。黃河的地質(zhì)發(fā)育史長達(dá)約170萬年,歷經(jīng)黃河雛形期、河湖并存期、青藏高原隆起期、黃河黃沙期,歷史上黃河決口泛濫約1500次,較大的改道二、三十次,其中有六次重大改道,因此,黃河流域水系的變化反映了區(qū)域地貌、地質(zhì)變化的關(guān)聯(lián),同時也對中國歷史的發(fā)展產(chǎn)生了很大影響。因此黃河的地質(zhì)遺跡是非常獨特和典型的,并具有源遠(yuǎn)流長的文化內(nèi)涵。
黃河中下游地質(zhì)遺跡資源豐富,但是還沒有得到系統(tǒng)性的挖掘和保護(hù),結(jié)合黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展的國家重大需求,黃河流域的地質(zhì)遺跡在科學(xué)研究和科普上的價值將為鄉(xiāng)村振興和弘揚(yáng)黃河文化發(fā)揮重要作用。