太行山地貌計(jì)量指標(biāo)空間特征及其構(gòu)造地貌意義

關(guān) 雪，逄立臣，姜雨彤，呂紅華，鄭祥民

華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241

0 引言

構(gòu)造地貌學(xué)主要關(guān)注構(gòu)造、氣候、地表過(guò)程之間的相互耦合關(guān)系及其對(duì)地貌演化的影響(劉靜等，2018)。近年來(lái)，伴隨測(cè)年技術(shù)的改進(jìn)和地貌形態(tài)測(cè)量技術(shù)的革新，構(gòu)造地貌研究逐漸由定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)榘攵俊垦芯俊；诠忉尮狻MS碳十四、宇宙成因核素、磁性地層等定年方法建立的時(shí)間標(biāo)尺，構(gòu)造活動(dòng)速率與地震復(fù)發(fā)周期能夠得以限定(王岸和王國(guó)燦，2005)，甚至通過(guò)儀器觀測(cè)可以獲得現(xiàn)今構(gòu)造變形速率(劉靜等，2018)。而地貌計(jì)量指標(biāo)分析可以揭示構(gòu)造地貌演化的空間規(guī)律及其控制因素，近年來(lái)也已受到重視(Chen et al.，2003；張?zhí)扃鞯龋?015；武登云等，2018)。

目前，流域尺度下內(nèi)、外地質(zhì)營(yíng)力的復(fù)雜關(guān)系及其在地貌上的表現(xiàn)是構(gòu)造地貌研究重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一(趙洪壯等，2009；張敬春等，2011；程璐等，2017；文力等，2020)。一些學(xué)者已成功將數(shù)字高程模型(DEM)與地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間分析技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于流域尺度的構(gòu)造地貌研究(史興民等，2004; 王岸和王國(guó)燦，2005)。通過(guò)坡度(劉亢等，2012；錢(qián)程等，2012)、河流陡峭指數(shù)(胡小飛等，2010；梁歐博等，2018)、面積高程積分值(HI)(Strahler，1952；Walcott and Summerfield，2008；趙洪壯等，2010a；張敬春等，2011)、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面(Hack，1973；趙洪壯等，2010b；吉亞鵬等，2011)等地貌計(jì)量指標(biāo)分析，探討不同因素對(duì)地貌演化的作用，特別是基于地貌指標(biāo)分析揭示區(qū)域新構(gòu)造活動(dòng)特征，推斷區(qū)域地貌演化階段。如趙國(guó)華等(2014)運(yùn)用河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面及面積高程積分，探討了龍門(mén)山中段地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)特性；張?zhí)扃鞯?2015)運(yùn)用面積高程積分刻畫(huà)了新疆烏魯木齊河流域的地貌演化特征，發(fā)現(xiàn)地貌演化與區(qū)域構(gòu)造背景密切相關(guān)。這些研究均表明，基于DEM的空間分析方法可以用于探討新構(gòu)造活動(dòng)的空間特征。

太行山位于華北平原西側(cè)、黃河晉陜峽谷以東地區(qū)，地處中國(guó)第二、三地形階梯的邊界。其特殊的地理位置、齊全的地層序列以及發(fā)育良好的層狀地貌面(如夷平面、山麓剝蝕面、河流階地等)，為研究華北構(gòu)造地貌發(fā)育史創(chuàng)造了良好的條件(張蒙和李鵬霄，2014；Zhang et al.，2018；張琪琪和張栓宏，2019)，因此具有重要的地貌學(xué)、構(gòu)造地貌學(xué)研究?jī)r(jià)值。目前，關(guān)于太行山地質(zhì)與地貌方面的研究主要包括以下幾個(gè)方面：地貌系統(tǒng)的發(fā)育背景、形成條件及特征(樊克峰和楊東潮，2006；高亞峰和焦慧元，2007)，局部或整體的地質(zhì)遺跡特征與成因(吳忱，2001；徐志萍等，2015；Chang et al.，2019)，新構(gòu)造活動(dòng)特征(張?jiān)罉虻龋?003；孫啟凱等，2018)，太行山東、中、南段沉積相、斷裂構(gòu)造特征、河流階地及夷平面研究(韓慕康等，1983；王輝等，2018；張蕾等，2018)，造山過(guò)程、機(jī)制及其相關(guān)的巖漿源區(qū)特征、作用與時(shí)空變化(吳忱等，1999；曹現(xiàn)志等，2013)，中新生代變形過(guò)程、特征、機(jī)制與演化模式(吳忱等，1999；程世秀等，2014)等。相對(duì)而言，基于DEM的地貌計(jì)量指標(biāo)的空間分析來(lái)探討太行山地貌演化階段及其與區(qū)域構(gòu)造背景的關(guān)系，這方面的工作還相對(duì)缺乏。此外，太行山地處“華北地震帶”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)8級(jí)以上地震發(fā)生過(guò)1次，7～7.9級(jí)地震發(fā)生過(guò)5次，這對(duì)京、津、唐等地區(qū)的人民生產(chǎn)生活產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響(吳奇，2012)。另外，國(guó)家級(jí)新區(qū)雄安新區(qū)就位于太行山東麓，受太行山山前斷裂的控制。該地區(qū)構(gòu)造上屬于渤海斷陷盆地，于晚中生代發(fā)生強(qiáng)烈的伸展斷塊活動(dòng)，至第四紀(jì)進(jìn)入裂谷熱沉降階段(何登發(fā)等，2018；劉開(kāi)明等，2020)。因此，對(duì)太行山開(kāi)展地貌演化階段和新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。基于此，文章以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于ArcGIS空間分析技術(shù)進(jìn)行面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面等主要地貌計(jì)量指標(biāo)的分析，進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域地層、構(gòu)造等資料，探討太行山地貌演化階段及其反映的區(qū)域新構(gòu)造特征。

1 研究區(qū)概況

太行山地理位置介于34°34′～40°43′N(xiāo)；110°14′～116°34′E之間(圖1a)。從宏觀地貌格局來(lái)看，太行山處于中國(guó)第二地形階梯東緣，總體上呈北東—南西走向。西側(cè)以山西地塹系盆地與呂梁山相隔，東側(cè)為華北平原，南側(cè)則以黃河與秦嶺相望。太行山地勢(shì)北部高、南部低，并呈自東向西逐漸變緩的趨勢(shì)。自北向南，主要發(fā)育11個(gè)水系，即永定河、滄頭河、子牙河、白溝河、上唐河、大沙河、滹沱河、汾河、漳河、沁河、涑水河(圖1b)。就大地構(gòu)造位置而言，太行山位于華北克拉通中南部，以東是以渤海灣盆地為代表的一系列裂陷盆地，以西是汾渭地塹系，以南是西安-鄭州-徐州裂谷轉(zhuǎn)換帶，東南部展現(xiàn)為桌狀隆起(樊克峰和楊東潮，2006；王輝等，2018)。相關(guān)學(xué)者對(duì)于太行山主要隆升成山時(shí)期有不同的看法(吳忱等，1999；龔明權(quán)，2010；孟元庫(kù)等，2015)。吳忱等(1999)基于對(duì)太行山地區(qū)發(fā)育的深切曲流河谷進(jìn)行分析，認(rèn)為太行山開(kāi)始隆升于中新世，第四紀(jì)期間新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、逐漸形成現(xiàn)今地貌形態(tài)。龔明權(quán)(2010)聯(lián)合地貌面分析與盆地沉積地層研究，認(rèn)為太行山主要隆起于古近紀(jì)末至上新世初。孟元庫(kù)等(2015)則運(yùn)用磷灰石裂變徑跡分析方法，認(rèn)為太行山主體在前新生代為剝蝕夷平-準(zhǔn)平原化過(guò)程，在古近紀(jì)時(shí)期則為抬升-剝蝕夷平過(guò)程，中新世是山體快速隆升階段?？偟膩?lái)說(shuō)，太行山主要隆升于新近紀(jì)。

太行山內(nèi)斷裂較多，可概括為兩條斷裂帶，即太行山山前斷裂帶、太行山大斷裂帶(圖1c；吳奇，2012；朱建佳等，2019)。位于太行山東部的太行山山前斷裂帶是太行山隆起帶(斷塊隆起區(qū))與華北平原裂陷盆地區(qū)的構(gòu)造分界線，自北向南由黃莊-高麗營(yíng)、順義-良鄉(xiāng)、保定-石家莊、邯鄲、湯東、湯西等十多條北東—北北東向斷裂組成(徐杰和高戰(zhàn)武，2000)。而位于太行山中東部的太行山大斷裂帶自北向南由烏龍溝、紫荊關(guān)、晉獲斷裂三條北東—北北東向斷裂組成(曹現(xiàn)志等，2013)。這兩條斷裂帶在新近紀(jì)以來(lái)均有不同程度的活動(dòng)，控制著區(qū)內(nèi)的構(gòu)造格局。

太行山地區(qū)地層包含基底和蓋層兩個(gè)部分。基底是太古宙至元古代地層，包括阜平群、五臺(tái)群和滹沱群，其變質(zhì)作用和構(gòu)造變形強(qiáng)烈。蓋層發(fā)育有兩個(gè)階段。其一為中元古代至古生代，其中，長(zhǎng)城系以較厚的石英砂巖地層為主，主要分布在北部的山地地區(qū)以及太行山大斷裂帶附近；寒武至奧陶紀(jì)地層以海相碎屑巖-碳酸鹽巖為主，夾有頁(yè)巖、泥巖等地層，主要分布在南部的汾渭地塹系周?chē)貐^(qū)；石炭至二疊系以零散分布的含煤碎屑巖地層為主，零星分布在南部的沁河流域及汾渭地塹系。其二為中生代至新生代，其中，中生代受太平洋板塊向歐亞板塊北西向俯沖和擠壓的作用進(jìn)入了活躍期，且伴有巖漿侵入作用，在侏羅紀(jì)達(dá)到頂峰；新生代由于印度板塊向北與歐亞板塊碰撞，致使太行山加速隆升。太行山北部廣泛分布中元古代長(zhǎng)城系石英砂巖，南部則廣泛分布早古生代寒武系—奧陶系碳酸鹽巖(張蒙和李鵬霄，2014；王輝等，2018)?？傮w來(lái)說(shuō)，太行山地層主要為太古界(阜平群、五臺(tái)系)、下元古界(滹沱群)、中上元古界(長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系、震旦系)、古生界(寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系)、中生界(三疊系)、新近系和古近系溝谷沉積，第四紀(jì)地層主要分布在河谷和低凹地區(qū)(圖1c；孟元庫(kù)等，2015；黃倩雯等，2019)。

a—研究區(qū)位；b—太行山地形與水系格局；c—地層與構(gòu)造

2 數(shù)據(jù)與方法

文中所選取的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)，其空間分辨率為30 m×30 m，所得圖像的水平精度為30 m，垂直精度為20 m(趙國(guó)松等，2012)。基于此數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS10.4的空間分析工具(Spatial Analyst)及3D分析工具(3D Analyst)，提取太行山地區(qū)的DEM，對(duì)其面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面等地貌計(jì)量指標(biāo)進(jìn)行分析。

面積高程曲線(HC)可以用來(lái)刻畫(huà)流域侵蝕與地貌演化狀態(tài)，假設(shè)a為某一子流域的面積，A為流域總面積，h為流域某一高程與最低高程的差，H為流域最大高程差，面積高程曲線(HC)以某一流域的相對(duì)面積比(a/A)為橫坐標(biāo)、相對(duì)高度比(h/H)為縱坐標(biāo)來(lái)表示(Strahler，1952)。而面積高程積分值(HI)是面積高程曲線下方的積分面積(Strahler，1952)。Strahler(1952)通過(guò)對(duì)面積高程曲線(HC)的形態(tài)和面積高程積分值(HI)分析，發(fā)現(xiàn)在Davis(1899)地貌侵蝕循環(huán)理論的框架下，這些地貌指標(biāo)可以用于探討流域的新構(gòu)造活動(dòng)特征與地貌演化階段。流域地貌演化的早期(即河流地貌發(fā)育的幼年期)，地表受構(gòu)造抬升作用影響較大，外力作用影響較小，使得地貌受侵蝕破壞較弱，土地殘積率較大，故而面積高程積分值較高(HI>0.60)，面積高程曲線呈上凸形態(tài)。在流域地貌演化的后期(即河流地貌發(fā)育的老年期)，地表受外力侵蝕破壞作用影響較大，使得土地殘積率較小，故而面積高程積分值較低(HI<0.35)，面積高程曲線呈下凹形態(tài)(Strahler，1952)。而介于流域地貌演化幼年期和老年期之間的壯年期，面積高程曲線形態(tài)呈S形，面積高程積分值為0.35

河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)是河流縱剖面的坡度與距河流源頭的距離的乘積，即：

SL=(ΔH/ΔL)×L

(1)

其中，ΔH表示某河段的高程差;ΔL表示該河段的長(zhǎng)度;L表示此河段中點(diǎn)到河流源頭的距離。SL可以用來(lái)反映河流縱剖面坡度的變化，常用來(lái)討論中—小時(shí)空尺度的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或巖性差異等問(wèn)題。當(dāng)SL值較大時(shí)，揭示該河段構(gòu)造活動(dòng)性較強(qiáng)或地層抗侵蝕性較強(qiáng)；當(dāng)SL值較小時(shí)，揭示該河段構(gòu)造活動(dòng)性較弱或地層抗侵蝕性較弱(Hack，1973；武登云等，2018)。

Hack剖面是以河流縱剖面高度為縱坐標(biāo)，河段距河流源頭的距離取對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，即：

H=C-K×logL

(2)

其中，H表示河流縱剖面的高程；C為常數(shù)；K表示斜率；L同上。Hack剖面可以用來(lái)反映河流縱剖面形態(tài)的變化。當(dāng)Hack剖面呈上凸形態(tài)時(shí)，指示該河段構(gòu)造活動(dòng)性較強(qiáng)；當(dāng)Hack剖面呈下凹或直線形態(tài)時(shí)，指示該河段構(gòu)造活動(dòng)性較弱(Hack，1973；Zhang et al.，2018)。自河流源頭至河流出水口連接一條直線，這條直線可表示河流達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的狀態(tài)(均衡剖面狀態(tài))，即K為均衡坡降指標(biāo)，可以用來(lái)反映河道的陡緩狀態(tài)以及河流的侵蝕力(Hack，1973；趙洪壯等，2010b；Zhang et al.，2018)。當(dāng)K值較大時(shí)，該河道較陡且流域內(nèi)構(gòu)造活躍、侵蝕力較強(qiáng)；當(dāng)K值較小時(shí)，該河道較緩且流域內(nèi)構(gòu)造不活躍、侵蝕力較弱。一般來(lái)說(shuō)，河流的規(guī)模與K值呈正相關(guān)，規(guī)模較大的河流具有較大的K值，規(guī)模較小的河流具有較小的K值。據(jù)此，為比較不同河流的河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)，需要用K對(duì)SL進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL/K)。Seeber and Gornitz(1983)在對(duì)喜馬拉雅地區(qū)的河流進(jìn)行研究時(shí)，將SL/K進(jìn)行劃分，即2～10為陡河段，大于10為極陡河段。本研究采用此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)河段進(jìn)行劃分。

面積高程積分是用二維的面積高程曲線來(lái)描述三維原始地表受侵蝕后的土地體積殘存率(Strahler，1952)，其可以用來(lái)表征流域整體的地貌演化階段。河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)對(duì)中小空間尺度的變化(巖性的差異、局部的斷裂活動(dòng)性等)反饋較為敏感，常常用來(lái)指示河流縱剖面的局部坡度變化狀況(Hack，1973)，而Hack剖面可以用來(lái)反映整個(gè)河流縱剖面的變化與調(diào)整。與河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)相比，Hack剖面更適合用來(lái)探討較大空間尺度的構(gòu)造變動(dòng)(Chen et al.，2003)，以此來(lái)彌補(bǔ)河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)的不足。相較于河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面來(lái)講，面積高程積分則更好地反映了流域內(nèi)地貌發(fā)育的整體趨勢(shì)。綜合利用面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面，可以在不同空間尺度上為研究流域內(nèi)的地貌演化提供依據(jù)。

3 太行山地貌計(jì)量指標(biāo)分析

3.1 面積高程積分和面積高程曲線

面積高程積分具有面積、空間依賴性，面積不同的集水盆地，其HI值能反映出不同地形因子的影響。對(duì)于河流的上、中、下游地區(qū)，其在地形高差、巖性、內(nèi)外作用營(yíng)力等方面都存在著差異，同時(shí)，這亦使得HI值受到相應(yīng)地影響。因此，選擇不同的面積高程積分分析其所適宜的最佳集流閾值，對(duì)于某一流域而言，可能有所不同。已有研究(Walcott and Summerfield，2008；Pedrera et al.，2009；張?zhí)扃鞯龋?015)也表明，不同研究區(qū)適用的面積閾值亦不相同。為了更好地探討子集水盆地面積與高差對(duì)太行山面積高程積分的影響，并基于已有研究認(rèn)識(shí)(Pedrera et al.，2009；張?zhí)扃鞯龋?015)，以12組集流閾值(4.5 km2，8.1 km2，9 km2，18 km2，54 km2，90 km2，126 km2，162 km2，198 km2，234 km2，270 km2，306 km2)將太行山劃分為若干次集水盆地(表1)。對(duì)提取出的次集水盆地的HI平均值與其平均面積、平均高差進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明(表1，圖2)：①當(dāng)集流閾值小于18 km2時(shí)，流域內(nèi)劃分出的次集水盆地?cái)?shù)量過(guò)多且面積較小，不適于分析流域尺度的構(gòu)造活動(dòng)性；②當(dāng)集流閾值大于18 km2時(shí)，流域內(nèi)的HI值與集流閾值大小、次集水盆地的平均高差、平均面積均呈顯著負(fù)對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系(R2>0.85)。

a—平均HI與集流閾值；b—平均HI與平均面積；c—平均HI與平均高差

基于上述12個(gè)面積閾值所劃分得到的若干次集水盆地(表1)，得到相應(yīng)的HI值及其空間分布特征(圖3)，以探討構(gòu)造、巖性等因素對(duì)太行山HI值的影響。為更好地展示HI值的空間分布特征，將地貌演化壯年期的HI值范圍(0.35

a—18 km2; b—54 km2; c—90 km2; d—126 km2; e—162 km2; f—198 km2; g—234 km2; h—270 km2; i—306 km2

表1 不同集流閾值下太行山次集水盆地?cái)?shù)量、平均面積、平均高差和平均HI

對(duì)太行山地區(qū)整體的面積高程積分分析只能反映出該地區(qū)地貌演化的總趨勢(shì)，而研究區(qū)內(nèi)不同地區(qū)的地貌演化不盡相同，使得區(qū)域內(nèi)的地貌演化呈現(xiàn)出差異，對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同流域進(jìn)行分析，能更好地揭示一個(gè)地區(qū)內(nèi)部的地貌演化。因此，對(duì)太行山地區(qū)發(fā)育的11條主要河流，選用集水面積閾值162 km2進(jìn)行面積高程積分分析。根據(jù)結(jié)果可將其分為兩類(lèi)(圖4a)：①面積高程曲線(HC)形態(tài)呈“S”形，面積高程積分值為0.35 ≤HI<0.60，白溝河、汾河、滹沱河、沁河、上唐河、永定河及漳河的HC近似地呈“S”形，且HI值在0.35～0.60之間，依次為0.49，0.40，0.50，0.41，0.38，0.35及0.49；②面積高程曲線(HC)形態(tài)呈“凹”形，面積高程積分值為HI<0.35，滄頭河、大沙河、涑水河以及子牙河的HC呈“凹”形，并且其HI值均小于0.35，依次為0.34，0.27，0.17，0.29。對(duì)太行山整體的分析可知(圖4b)，太行山的HI值為0.36，HC為接近“凹”形的“S”形，表明太行山地貌演化處于“壯年期—老年期”的過(guò)渡階段。

a—太行山的面積高程曲線；b—太行山11條河流干流河段的面積高程曲線

3.2 河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL/K)的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5)，太行山11條河流中31%的標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)值處于0～2之間，19%的標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)值處于2～10(陡河段)之間，50%的標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)值大于10(極陡河段)。

圖5 太行山11條河流的標(biāo)準(zhǔn)化坡降指標(biāo)(SL/K)和均衡坡降指標(biāo)(K)

河流的縱剖面形態(tài)、河流的Hack剖面及河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)如圖6所示。①太行山11條河流的Hack剖面曲線均呈現(xiàn)不同程度的上凸形態(tài)，但是它們的凸度不盡相同，其中，永定河、白溝河、上唐河、滹沱河、漳河、沁河的凸度相近，曲線較為平滑，大沙河也呈上凸形態(tài)，但曲線不平滑的程度較大，滄頭河、子牙河、汾河、涑水河的Hack剖面曲線上凸形態(tài)最小，近似為直線；②K值統(tǒng)計(jì)結(jié)果表示太行山隆起帶以東的河流包括永定河(K=247)、白溝河(K=206)、上唐河(K=295)、大沙河(K=249)、滹沱河(K=146)、漳河(K=269)、沁河(K=255)，其K值普遍大于以西的河流，包括滄頭河(K=77)、子牙河(K=95)、汾河(K=85)、涑水河(K=28)；③Hack剖面與標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)SL/K之間存在較好的地形地貌對(duì)應(yīng)關(guān)系。SL/K值較低的地區(qū)對(duì)應(yīng)Hack剖面曲線上凸的位置，而SL/K值較高的地區(qū)對(duì)應(yīng)Hack剖面曲線下凹的位置，如滄頭河在海拔近1000 m處其Hack剖面曲線下凹時(shí)，所對(duì)應(yīng)的SL/K值偏高。

a—永定河；b—白溝河；c—上唐河；d—大沙河；e1，e2—滹沱河；f1，f2—漳河；g—沁河；h—滄頭河；i—子牙河；j—汾河；k—涑水河

4 討論

地貌計(jì)量指標(biāo)受到諸如構(gòu)造、巖性、地貌演化階段等多種因素的影響(Chen et al.，2003；張?zhí)扃鞯龋?015；程璐等，2017)。因此，運(yùn)用單一的地貌計(jì)量指標(biāo)解釋新構(gòu)造活動(dòng)性可能存在局限，而綜合使用多種地貌計(jì)量指標(biāo)可以剔除其他一些影響因素，更好地揭示區(qū)域新構(gòu)造活動(dòng)特征(Silva et al.，2003；El Hamdouni et al.，2008；Lee and Tsai，2010；趙洪壯等，2010a；Alipoor et al.，2011)。文中選用面積高程積分值(HI)與面積高程曲線(HC)、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)及Hack剖面4個(gè)地貌計(jì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，以探討太行山的地形演化階段與區(qū)域新構(gòu)造活動(dòng)特征。

4.1 太行山面積高程積分及其構(gòu)造地貌意義

面積高程曲線(HC)與面積高程積分值(HI)能用于探討區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)特征及地貌演化階段，已有學(xué)者在渭河上游(李利波等，2012)、龍門(mén)山中段山前地區(qū)(趙國(guó)華等，2014)、白龍江流域(常直楊等，2014)、天山北麓(趙洪壯等，2009)等區(qū)域均取得了不錯(cuò)的效果。由于面積高程積分具有空間依賴性，不同的研究區(qū)域適用的集流閾值也有所不同，因此，每個(gè)研究區(qū)要選擇合適的集流閾值就顯得尤為重要。程璐等(2017)在錢(qián)塘江流域、趙洪壯等(2010a)在北天山瑪納斯河流域、張?zhí)扃鞯?2015)在北天山烏魯木齊河流域的研究均表明，構(gòu)造、巖性、氣候等因素是面積高程積分值(HI)的主要影響因子，但這些因素的貢獻(xiàn)會(huì)隨研究區(qū)域空間尺度的不同而變化。本研究中，集流閾值≤90 km2時(shí)，集水盆地的HI值主要受巖性的影響；集流閾值≥234 km2時(shí)，各次集水盆地跨越不同的構(gòu)造區(qū)，此時(shí)HI值與大空間尺度的構(gòu)造活動(dòng)特性相關(guān)。已有研究結(jié)果顯示，不同流域所適宜的集流閾值也有所不同。趙洪壯(2010a)等對(duì)瑪納斯河流域的構(gòu)造研究發(fā)現(xiàn)適合該流域的集流閾值為9～20 km2；常直楊(2014)對(duì)白龍江流域構(gòu)造研究分析后發(fā)現(xiàn)適合該流域的集流閾值為10 km2；張?zhí)扃鞯?2015)等對(duì)北天山烏魯木齊河流域地貌研究分析發(fā)現(xiàn)適合該流域的集流閾值為9～27 km2。研究中適合太行山構(gòu)造地貌特征分析的集流閾值為162 km2。此外，在面積高程積分值(HI)相同的地區(qū)，其面積高程曲線(HC)的形態(tài)也會(huì)有差異。因此，在分析面積高程積分值(HI)時(shí)，還需將其與面積高程曲線(HC)的形態(tài)相結(jié)合，以便于揭示區(qū)域地貌演化特征。

研究中，太行山的HI值為0.36(0.35～0.60)，HC顯示為近“凹”形的“S”形或“凹”形，揭示太行山地貌演化進(jìn)入了近“老年期”或“老年期”階段。然而，在太行山的一些地區(qū)也出現(xiàn)了HI高值區(qū)。地質(zhì)圖顯示(圖1c)，這些HI高值區(qū)主要為太古宇、奧陶系、寒武系等地層出露的地區(qū)，區(qū)域內(nèi)存在侵入巖、碳酸鹽巖等抗侵蝕能力較強(qiáng)的巖性組合。已有研究表明，侵入巖和碳酸鹽巖等巖性分布區(qū)的HI較高(趙國(guó)華等，2014；王輝等，2018)。據(jù)此認(rèn)為，太行山HI高值區(qū)可能主要緣于巖性因素。不過(guò)，太行山地區(qū)夷平面也比較發(fā)育。新生代以來(lái)，太行山經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造隆升、剝蝕夷平過(guò)程(吳忱，2001；吳奇，2012；王輝等，2018)。太行山地區(qū)存在晚白堊紀(jì)末期形成的北臺(tái)期夷平面、漸新世末期形成的甸子梁期夷平面以及早上新世末期至第四紀(jì)初期形成的唐縣期夷平面(王輝等，2018)。這些夷平面風(fēng)化殼發(fā)育，受侵蝕程度較小，亦可能導(dǎo)致這些區(qū)域的HI值偏高(趙國(guó)華等，2014；王輝等，2018)。

4.2 主要河流的面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面及其構(gòu)造地貌意義

研究區(qū)4條河流(滄頭河、子牙河、大沙河、涑水河)的HI值在0.15～0.35之間(圖4)，其面積高程曲線(HC)表現(xiàn)為“凹”形，表明這4條河流地貌受外力侵蝕破壞作用的影響較大，地貌演化進(jìn)入了老年階段。7條河流(永定河、白溝河、上唐河、滹沱河、漳河、沁河、汾河)的HI值在0.35～0.60之間，其面積高程曲線(HC)表現(xiàn)為“S”形，表明這7條河流流域地貌處于演化的壯年期。面積高程積分易受巖性和構(gòu)造的影響，當(dāng)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)凸顯時(shí)，面積高程曲線(HC)會(huì)由“凹”形向“S”形發(fā)展；而當(dāng)區(qū)域外力侵蝕破壞顯著時(shí)，面積高程曲線(HC)會(huì)由“S”形向“凹”形發(fā)展(趙洪壯等，2010a，2010b)。由于東部的斷裂帶(太行山山前斷裂帶、太行山大斷裂帶)自第四紀(jì)以來(lái)有活動(dòng)(曹現(xiàn)志等，2018；孫啟凱等，2018)，加之東部地區(qū)降水豐富、地表侵蝕相對(duì)強(qiáng)烈，造成東部6條河流(永定河、白溝河、上唐河、滹沱河、漳河、沁河)的HC表現(xiàn)為“S”形，HI值處于0.35～0.60之間(吉亞鵬等，2011；錢(qián)程等，2012)。而位于西部的滄頭河、子牙河、涑水河，流域地表地層主要為第四系地層(圖1c)，易受地表侵蝕作用的影響，而且流域內(nèi)斷裂不發(fā)育，因此其HC表現(xiàn)為“凹”形，HI值小于0.35?？傮w來(lái)看，太行山地區(qū)11條河流的面積高程曲線(HC)自東向西呈現(xiàn)出由“S”形向“凹”形轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，與太行山地區(qū)新構(gòu)造活動(dòng)(斷裂活動(dòng)性)自東向西逐漸減弱的趨勢(shì)一致。

河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面分析結(jié)果表明(圖6)，太行山東部河流(永定河、白溝河、上唐河、大沙河、滹沱河、漳河、沁河)的Hack剖面表現(xiàn)為明顯的上凸形態(tài)且K值較大(>125)，而西部河流(滄頭河、子牙河、涑水河)的Hack剖面表現(xiàn)為近似直線的形態(tài)且K值較小(<96)。經(jīng)流域構(gòu)造背景分析發(fā)現(xiàn)，①東部的河流流經(jīng)若干第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，如永定河、白溝河及上唐河主要受太行山山前斷裂帶的北部影響，其北部的黃莊-高麗營(yíng)斷裂與順義-良鄉(xiāng)斷裂自晚更新世以來(lái)活動(dòng)較為活躍(安慧婷等，2015)；滹沱河與沁河則主要受太行山大斷裂帶的影響，其中，影響滹沱河的烏龍溝斷裂自更新世以來(lái)活動(dòng)強(qiáng)烈，影響沁河的晉獲斷裂自更新世以來(lái)存在強(qiáng)烈的垂直差異性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(曹現(xiàn)志等，2013)；漳河不僅深受太行山山前斷裂帶南部的邯鄲斷裂與湯東斷裂的影響，還受太行山大斷裂帶(紫荊關(guān)斷裂與晉獲斷裂)的影響，這些斷裂均在第四紀(jì)以來(lái)存在強(qiáng)烈的垂直差異構(gòu)造活動(dòng)。②相對(duì)比而言，西部的滄頭河、子牙河、涑水河則沒(méi)有流經(jīng)第四紀(jì)活動(dòng)顯著的斷裂構(gòu)造。因此，太行山東部河流呈上凸形態(tài)的Hack剖面和較大的K值反映流域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)活躍，而西部河流近似直線的Hack剖面和較小的K值則是流域地層巖性的影響結(jié)果。綜合來(lái)看，河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面分析結(jié)果(圖6)表明太行山地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(斷裂活動(dòng)性)存在空間上的差異，即構(gòu)造活動(dòng)性呈現(xiàn)出自東向西逐漸變?nèi)醯内厔?shì)，與面積高程積分的分析結(jié)果以及與地質(zhì)記錄(龔明權(quán)，2010；曹現(xiàn)志等，2013)一致。

有兩條河的分析結(jié)果需要進(jìn)一步解釋。一是汾河，其位于太行山西部(圖1b)，除了K值(85)偏低以外，其Hack剖面呈上“凸”形態(tài)，HC曲線近似為“S”形，HI值(0.40)處于0.35～0.60之間。造成這一現(xiàn)象可能與提取的流域不完整有關(guān)，較小的流域面積使得K值偏低。另外，自第四紀(jì)以來(lái)，汾河流域發(fā)生了三次構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)(胡小猛等，2002)，這也能造成汾河的Hack剖面呈上“凸”形態(tài)、HC曲線呈“S”形、HI值偏高(0.40)。二是大沙河，其位于太行山東部(圖1b)，K值高(249)，Hack剖面表現(xiàn)為上“凸”形態(tài)，然而，其HC曲線卻表現(xiàn)為下“凹”形態(tài)，HI值為0.27。構(gòu)造上，大沙河位于太行山山前斷裂帶北段的南端，受到斷層構(gòu)造抬升的影響而使得K值偏高，Hack剖面上“凸”，但第四紀(jì)沉積地層導(dǎo)致其HI值偏低，HC曲線下“凹”。這兩個(gè)因素可能造成了大沙河的面積高程積分與SL、Hack剖面的分析結(jié)果不一致。

已有研究發(fā)現(xiàn)太行山主要隆升于新生代(吳忱等，1999；龔明權(quán)，2010；孟元庫(kù)等，2015)。中新世以來(lái)，由于受青藏高原隆升的影響，華北地塊中部的山地(太岳山、五臺(tái)山、小五臺(tái)山等)相應(yīng)隆升，而盆地則相應(yīng)下沉(吳奇，2012)。第四紀(jì)以來(lái)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)開(kāi)始，山地地區(qū)的再一次抬升，使得山麓地區(qū)相應(yīng)上升并且其上升的速度較大，從而逐漸形成了現(xiàn)今的太行山山地地區(qū)，相應(yīng)形成太行山地區(qū)廣泛分布的4級(jí)河流階地。研究結(jié)果顯示，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期，太行山地區(qū)東部的斷裂(太行山山前斷裂)活動(dòng)較強(qiáng)，而西部地區(qū)不僅斷裂較少且活動(dòng)較弱(安慧婷等，2015；張?jiān)罉虻龋?019)。這些認(rèn)識(shí)，與文中根據(jù)面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面分析得到的結(jié)果一致。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)太行山的面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面進(jìn)行分析，可獲得以下主要認(rèn)識(shí)。

(1)集流閾值≤90 km2，面積高程積分值(HI)主要反映巖性差異，當(dāng)集流閾值為126～198 km2，HI主要反映構(gòu)造活動(dòng)差異，而當(dāng)集流閾值≥234 km2，HI主要反映更大空間尺度的構(gòu)造活動(dòng)。文中選用162 km2的集流閾值進(jìn)行面積高程積分分析。

(2)在分析的11條河流中，7條河流(永定河、白溝河、上唐河、滹沱河、漳河、沁河、汾河)的面積高程曲線(HC)表現(xiàn)為“S”形，面積高程積分值(HI)位于0.35～0.60之間，揭示其處于地貌演化的壯年階段，4條河流(滄頭河、子牙河、大沙河、涑水河)的HC表現(xiàn)為“凹”形，HI值小于0.35，揭示其處于地貌演化的老年階段。而太行山整體的面積高程積分值(HI)為0.36，面積高程曲線(HC)接近“凹”形，揭示其地貌演化處于“壯年期—老年期”過(guò)渡階段。

(3)7條河流(永定河、白溝河、上唐河、大沙河、滹沱河、漳河、沁河)的Hack剖面表現(xiàn)為上“凸”形態(tài)，河流的K值(>125)偏高，50%的標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL/K)值大于10(極陡河段)，并且這7條河流均位于太行山東部地區(qū)且流經(jīng)斷裂帶，揭示該區(qū)的斷裂帶新構(gòu)造活動(dòng)較為活躍。總體來(lái)看，太行山東麓山前斷裂帶與中東部的大斷裂帶新構(gòu)造抬升作用相對(duì)顯著，而西部活動(dòng)性相對(duì)較弱，呈現(xiàn)東強(qiáng)西弱的空間差異；太行山整體處于地貌演化從壯年期到老年期的過(guò)渡階段。