西秦嶺北緣構(gòu)造帶漳縣地區(qū)夷平面和溝谷水系地貌特征分析

崔夢(mèng)瑤，郭進(jìn)京，沈 迪，于美娜，宮恩麟

（天津城建大學(xué)地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384）

西秦嶺北緣構(gòu)造帶是青藏高原東北緣主要構(gòu)造邊界帶，地質(zhì)歷史上曾經(jīng)是西秦嶺微板塊和北秦嶺-中祁連地塊之間的印支期碰撞縫合帶，新生代以來(lái)印度-歐亞板塊碰撞匯聚形成了巨大的高原構(gòu)造系統(tǒng)，西秦嶺北緣成為青藏高原東北緣的重要組成部分[1].現(xiàn)今西秦嶺北緣構(gòu)造帶正處于青藏高原東北緣地形地貌、變形轉(zhuǎn)換和地殼厚度弧形梯度帶內(nèi)，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地貌類(lèi)型多樣，既有夷平面殘留，又有多方向復(fù)雜的溝谷水網(wǎng)，還有特殊的巖石地層形成的特殊地貌現(xiàn)象，如丹霞地貌和巖溶地貌等[2].西秦嶺北緣區(qū)域這些地貌特征是構(gòu)造-巖性-氣候耦合作用的最終結(jié)果，蘊(yùn)含了大量關(guān)于青藏高原東北緣地殼隆升、斷裂活動(dòng)、地質(zhì)組成及氣候變化等信息[3]，因此，該區(qū)域構(gòu)造地貌研究對(duì)于認(rèn)識(shí)青藏高原東北緣隆升過(guò)程、構(gòu)造活動(dòng)等具有重要科學(xué)意義.本文基于30 M 分辨率DEM影像數(shù)據(jù)，通過(guò)高程、水系及空間變化信息提取，結(jié)合區(qū)域斷裂構(gòu)造和不同時(shí)代、不同巖性的地層空間分布特征等，進(jìn)行了構(gòu)造地貌類(lèi)型劃分，探討了地貌形成的隆升-構(gòu)造-巖性-氣候的耦合作用.

1 區(qū)域地質(zhì)背景

青藏高原東北緣在地質(zhì)界沒(méi)有明確的范圍限定，一般是指東昆侖斷裂以北、阿爾金斷裂以東、祁連山前逆沖斷裂以南、六盤(pán)山斷裂-徽成盆地西邊界以西的廣大區(qū)域.西秦嶺北緣構(gòu)造帶位于青藏高原東北緣的東南隅，以西秦嶺北緣中生代-新生代斷層系和印支期商丹縫合帶為中線，涵蓋大型隴西盆地東南部和宕昌-岷縣斷層系以北西秦嶺北部區(qū)域（見(jiàn)圖1）.該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)造變形復(fù)雜，特別是新構(gòu)造活動(dòng)和地震活動(dòng)強(qiáng)烈，形成了青藏高原東北緣地質(zhì)、地貌、環(huán)境等轉(zhuǎn)換過(guò)渡的關(guān)鍵地質(zhì)區(qū)域.該區(qū)域海拔高程?hào)|南高、西北低，構(gòu)成向北東呈弧形突出的地貌梯度帶（見(jiàn)圖1）. 西秦嶺北緣構(gòu)造帶漳縣段地貌類(lèi)型多樣、溝谷水系空間圖像獨(dú)特，特別是第四紀(jì)殘留夷平面的存在為揭示青藏高原東北緣隆升過(guò)程提供了良好地質(zhì)標(biāo)志.

圖1 西秦嶺北緣構(gòu)造帶區(qū)域數(shù)字高程圖

2 研究方法

為了查明研究區(qū)的地貌特征，本文利用30 M 精度的DEM 數(shù)據(jù)，制作了DEM 高程分布圖和山體陰影圖，以此為基礎(chǔ)，對(duì)夷平面信息和不同級(jí)別的河流溝谷方位信息進(jìn)行了提取，結(jié)合漳縣氣候情況以及年度降雨量，確定匯水量閾值為1 000 m（閾值即為依據(jù)洼地深度范圍和研究區(qū)自然地理狀況設(shè)置的臨界值. 當(dāng)不設(shè)置閾值時(shí)，默認(rèn)將所有洼地填平，造成數(shù)據(jù)誤差大），生成溝谷網(wǎng)絡(luò)，再對(duì)溝谷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行矢量化，對(duì)照全國(guó)河網(wǎng)的矢量數(shù)據(jù)，將漳河以及生成的錯(cuò)誤平行河流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人為編輯剔除，剩下的就是研究區(qū)內(nèi)的溝谷線，最后對(duì)溝谷線方向和河流方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.結(jié)合區(qū)域地層分布和構(gòu)造破裂（斷層和構(gòu)造節(jié)理）資料，對(duì)主要地貌類(lèi)型特征及其控制因素進(jìn)行分析.

3 西秦嶺北緣構(gòu)造帶漳縣段夷平面和溝谷水系地貌特征

西秦嶺北緣構(gòu)造帶漳縣地區(qū)發(fā)育多條北西西向區(qū)域性斷層，將其稱(chēng)之為北緣斷層系（見(jiàn)圖2）.主要分布的造山帶地層包括泥盆系和石炭系砂巖、石英巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和二疊系灰?guī)r，新生代地層主要包括漸新世-中新世紅灰相間的多旋回沉積巖系，主要為礫巖、砂巖、泥巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r等，含大量蒸發(fā)巖（石膏和巖鹽等）和上新世韓家溝粗礫巖[4].該區(qū)域溝谷水系極為發(fā)育，其中漳河還發(fā)育著六級(jí)河流階地，南部還保存了很好的殘留夷平面，上新統(tǒng)巖性單調(diào)的巨厚層礫巖在地殼抬升和水流侵蝕作用下形成獨(dú)特丹霞地貌，其中夷平面和縱橫交錯(cuò)的多級(jí)溝谷系統(tǒng)是其主要特征.

圖2 西秦嶺北緣漳縣地區(qū)山體陰影-水系-區(qū)域斷層格架圖

3.1 夷平面特征及空間變化

在地貌學(xué)中，夷平面是指地殼侵蝕夷平形成的準(zhǔn)平原或者山麓面剝蝕平原在后期地殼抬升、河流切割后殘留的、不連續(xù)的、相對(duì)平坦的山頂面.夷平面形成是地殼長(zhǎng)期相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下地表面削高填平形成的終極層狀地貌面，具有低海拔、起伏小、平坦而廣闊的特征.夷平面的抬升、侵蝕、解體則反映地殼隆升，對(duì)青藏高原而言，不同時(shí)期的夷平面是地殼隆升、侵蝕起點(diǎn)，有人稱(chēng)之為高原隆升的起跑線[5-6].西秦嶺北緣漳縣地區(qū)南部保存有較好的夷平面（見(jiàn)圖2），夷平面表現(xiàn)低起伏的較平坦的地貌面，海拔高度在2 700~2 800 m，高海拔形成特有高原草甸.漳河南岸分水嶺上保存的夷平面海拔為2 600~2 700 m，夷平面上白堊紀(jì)礫巖層平緩，出露的二疊系灰?guī)r還發(fā)育巖溶現(xiàn)象.漳河北岸分水嶺出露上新統(tǒng)韓家溝礫巖，分水嶺南北寬度雖然較小，但也較平坦，為農(nóng)民重要的農(nóng)田.

夷平面時(shí)代一般根據(jù)其侵蝕殘留的最新地層確定.西秦嶺北緣漳縣地區(qū)保存的夷平面殘留的最新地層在不同部位不同，如漳河南岸山頂夷平面上有晚白堊世的灰白色礫巖、砂礫巖和砂巖，說(shuō)明其形成在白堊紀(jì)之后.但漳河北岸殘留的山頂夷平面卻是上新世韓家溝礫[7]，因此該地區(qū)夷平面最終形成于上新世之后，即第四紀(jì)初.這說(shuō)明第四紀(jì)之前西秦嶺北緣在第四紀(jì)之前還處于侵蝕夷平階段.第四紀(jì)以來(lái)，夷平面的解體和溝谷水系發(fā)育才標(biāo)志著西秦嶺北緣地殼隆升.這為青藏高原東北緣隆升提供了地貌學(xué)的重要證據(jù).

3.2 溝谷水系特征

西秦嶺北緣構(gòu)造帶漳縣地區(qū)溝谷水系發(fā)育.由于地殼快速隆升和流水下切侵蝕形成了不同級(jí)別、不同方位的溝谷水系，這些水系分水嶺與夷平面吻合（見(jiàn)圖2）.水系流域地貌參數(shù)分析以流域網(wǎng)絡(luò)的提取為基礎(chǔ)，借助于GIS 軟件，在嵌入式水文分析模塊中利用洼地填充、水流方向、匯流量計(jì)算、河網(wǎng)柵格以及河網(wǎng)矢量化和河網(wǎng)分級(jí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)水系網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)快速提取[8-12].綜合前人地質(zhì)圖和全年降水量的考慮，將匯水閾值定為1 000 m，提取河流溝谷網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)漳縣河流溝谷系統(tǒng)進(jìn)行分級(jí)（見(jiàn)圖2），可以明顯看出主要河流漳河同斷層F2 方向平行，說(shuō)明漳河的發(fā)育受斷層的控制.剔除漳河河流之后，對(duì)其他子流域及溝谷方向進(jìn)行線要素方向統(tǒng)計(jì)，得到每條線段的方位角之后，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以明顯看到溝谷線主要方向?yàn)楸睎|、北西、南北向（見(jiàn)圖3）.通過(guò)對(duì)野外實(shí)地考察，在前人資料基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)研究區(qū)主要地層中新統(tǒng)—漸新統(tǒng)地層的構(gòu)造節(jié)理，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)繪制玫瑰花圖[13]（見(jiàn)圖4），發(fā)現(xiàn)該地區(qū)節(jié)理走向主要有東西向、近南北向、北東向和北西向，且地貌特征與其中發(fā)育的小型斷層或構(gòu)造節(jié)理面產(chǎn)狀相吻合，同時(shí)，這與DEM 中提取的溝谷方向相吻合.這指示了西秦嶺地區(qū)河流溝谷系統(tǒng)空間組合主要受不同級(jí)別的斷裂構(gòu)造所控制[14-15].

圖3 西秦嶺北緣漳縣地區(qū)溝谷水系玫瑰花圖

圖4 西秦嶺北緣漳縣地區(qū)構(gòu)造節(jié)理走向玫瑰花圖

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)青藏高原東北緣西秦嶺北緣構(gòu)造帶地貌特征研究，結(jié)合其與區(qū)域地層分布和斷裂構(gòu)造體系關(guān)系分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)西秦嶺北緣漳縣地區(qū)夷平面的觀測(cè)分析，認(rèn)為該夷平面形成于上新世后，也就是第四紀(jì)初.夷平面的解體和溝谷水系、多級(jí)河流階地發(fā)育才標(biāo)志著西秦嶺北緣的地殼隆升.這為青藏高原東北緣隆升提供了重要的科學(xué)依據(jù).

（2）通過(guò)對(duì)西秦嶺北緣漳縣地區(qū)四級(jí)溝谷水系信息提取和矢量化分析，發(fā)現(xiàn)了近東西、北西、近南北和北東四個(gè)溝谷水系優(yōu)勢(shì)方向，這與研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造統(tǒng)計(jì)節(jié)理的四個(gè)優(yōu)勢(shì)方向基本吻合.一級(jí)水系漳河走向與區(qū)域近東西向斷層走向展布相吻合，漳縣東漳河轉(zhuǎn)為北西向也與北向斷層有關(guān).這說(shuō)明西秦嶺北緣漳縣地區(qū)溝谷水系方向主要受斷層和構(gòu)造節(jié)理控制.