基于SL參數(shù)和Hack剖面的個舊礦區(qū)西部構(gòu)造地貌特征分析*

楊榮森，鄭德志，倪春中

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

構(gòu)造地貌作為地面和巖石在新構(gòu)造運動的地球內(nèi)外營力作用下形成的地表形式，其演化對應(yīng)了由構(gòu)造運動、氣候變化以及地表剝蝕沉積影響形成的地貌形態(tài)[1]。在構(gòu)造發(fā)育區(qū)域，河流水系格局會產(chǎn)生明顯的變化，引起這一變化的地貌參數(shù)自然成為了理解水系響應(yīng)構(gòu)造地貌的直接研究指標[2-4]。

HACK在阿巴拉契亞山脈地區(qū)提出了SL參數(shù)和Hack剖面，描述了巖性對河流形態(tài)特征的影響。BROOKFIELD[5]發(fā)現(xiàn)喜馬拉雅地區(qū)中大型河流的SL參數(shù)對巖性響應(yīng)較差，其更多地反映了構(gòu)造活動或河流襲奪信息。CHEN等[6]在我國臺灣西部進行了兩組對照研究，發(fā)現(xiàn)SL參數(shù)在小型河流中主要受巖性、斷層和褶皺等地質(zhì)因素控制，在中大型河流中能較好地反映構(gòu)造運動。趙洪壯等[7]指出北天山流域內(nèi)河流SL參數(shù)變化與構(gòu)造斷裂帶的位置有關(guān)。曹凱等[8]在昆侖河地區(qū)發(fā)現(xiàn)該區(qū)SL參數(shù)主要受斷裂構(gòu)造活動控制，并控制了區(qū)域內(nèi)的水系格局。李輝[9]對達日斷裂的研究發(fā)現(xiàn)，斷裂中段的構(gòu)造活動對河流縱剖面SL參數(shù)具有良好的控制作用。徐岳仁等[10]對山西霍山山脈河流地貌的研究發(fā)現(xiàn)，SL參數(shù)主要反映巖石抗侵蝕能力和構(gòu)造活動，且其在山前斷裂帶兩側(cè)存在明顯的差異。褚永彬等[11]對疏勒河的研究發(fā)現(xiàn)，河流轉(zhuǎn)向和縱剖面裂點與SL參數(shù)具有一致性。

本文選取個舊礦區(qū)西部的5條較長河流作為研究對象，利用前人提出的SL參數(shù)和Hack剖面兩種地形計量指標，計算和繪制了研究區(qū)內(nèi)5條河流的SL參數(shù)與Hack剖面，并統(tǒng)計了SL參數(shù)異常峰值的情況，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造與地質(zhì)條件，綜合分析SL參數(shù)和Hack剖面變化與地層巖性、斷裂構(gòu)造、構(gòu)造運動之間的相關(guān)性。

1 地質(zhì)背景

個舊礦區(qū)地處特提斯構(gòu)造域與濱太平洋構(gòu)造邊緣相接部位。區(qū)域西部為南北向的小江深斷裂，南西部為北西向哀牢山-紅河深大斷裂。礦區(qū)內(nèi)存在強烈的地殼活動，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以多期次斷裂為主，主要發(fā)育有東西向、南北向、北東向和北西向斷裂、褶皺，控制著區(qū)內(nèi)構(gòu)造格局、盆地結(jié)構(gòu)、沉積作用演化及沉積體系的類型與展布[12]。

中生代燕山運動中晚期，礦區(qū)內(nèi)擠壓應(yīng)力方向為NW-SE向，在改變早期形成的東西向斷裂的同時也形成了NE向的蓮花山斷裂、蘆塘壩斷裂等。在新生代喜馬拉雅構(gòu)造運動中，礦區(qū)內(nèi)先后形成了 NE-SW向和EW向應(yīng)力，產(chǎn)生了區(qū)域NW向和SN向的活動斷裂，如NW向的大菁東斷裂、大凹塘斷裂、白泥洞斷裂，以及SN向的個舊斷裂和甲界山斷裂，后者分別控制著礦區(qū)西、東部的邊界[13]。其中NW向斷裂主要為大箐東斷裂組，分布于區(qū)域北側(cè)，整體走向在305°～325°，傾向為南西向或北東向，傾角較陡(70°～86°)，長約2～3 km，寬約5～20 m，以壓扭性斷層為主。SN向斷裂延伸長約40 km，北段呈擠壓狀，南段表現(xiàn)為追蹤延伸。

礦區(qū)內(nèi)地層主要為二疊系和三疊系，第三系、第四系地層局部出露。其中第四紀松散堆積物出露于東北部，下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)出露于北西部，巖性為黃綠色和黃灰色頁巖、砂質(zhì)頁巖夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r；中三疊統(tǒng)卡房段(T2g1)零星出露于南部與中部，巖性為灰色、淺灰色中厚層狀灰?guī)r與白云巖互層；白泥洞段(T2g3)分布于區(qū)內(nèi)西南部、北部及東南部，巖性為灰色中厚層狀灰?guī)r；馬拉格段(T2g2)發(fā)育完整，區(qū)域內(nèi)廣泛分布，巖性為深灰、灰白色中厚至巨厚層白云巖和灰?guī)r。區(qū)域內(nèi)巖漿巖多為隱伏巖體，屬印支期火山巖系，僅在北部卡房區(qū)小面積出露，其余多隱伏于地下200～1 500 m處，成分較單一，以黑云母花崗巖為主[14](見圖1)。

圖1 個舊礦區(qū)西部地質(zhì)與河流分布

2 節(jié)理構(gòu)造特征

在河流流經(jīng)斷層附近實地測量了151組節(jié)理，運用Dips軟件整理繪制節(jié)理走向玫瑰圖(見圖2)、節(jié)理傾向傾角玫瑰圖(見圖3)。由圖2可知：研究區(qū)內(nèi)優(yōu)勢節(jié)理走向主要集中在NW(300°～320°)、NNW(330°～340°)，以剪節(jié)理為主；該方向巖石破碎程度較高，節(jié)理發(fā)育穩(wěn)定且貫通性好，在橫向和縱向上延伸較遠，其間可見泥質(zhì)物質(zhì)充填；NE-SW走向節(jié)理發(fā)育較差，占節(jié)理總數(shù)的15%左右。由圖3可知：節(jié)理傾向發(fā)育以NE、SW為主，傾角普遍較大，主要集中在70°～90°，其占節(jié)理總數(shù)的65%；0°～30°區(qū)間內(nèi)低角度節(jié)理僅有4條，占節(jié)理總數(shù)的2%；NW向發(fā)育的構(gòu)造節(jié)理作為斷裂的伴生產(chǎn)物，反映了喜山前中期構(gòu)造應(yīng)力的作用；NW向、NNW向優(yōu)勢發(fā)育的高角度節(jié)理與區(qū)內(nèi)河流流經(jīng)NW向高角度斷裂形成對應(yīng)，影響著河流流經(jīng)斷裂時縱坡面坡度產(chǎn)生的變化。

圖3 節(jié)理傾向傾角玫瑰圖

3 研究方法

3.1 SL參數(shù)和Hack剖面

由河流縱剖面的坡度與河流源頭的距離計算河長坡降指標，即

(1)

式中，ΔH為每單位河段的高程差，ΔL為每單位河段的距離，Lc為河流源頭至河段中點的距離。

此外，HACK還提出用一個簡單的半對數(shù)方程式來描述均衡的河流縱剖面，稱為“Hack剖面”：

H=c-K×ln(Le)，

(2)

式中，H為縱剖面的高程，K為斜率，c為常數(shù)，Le為河流從源頭沿河道至流域出口的長度。若對Le取微分，則有

(3)

SL=K，

(4)

所求的斜率即為河長坡降指標。

SL和基巖抗侵蝕力之間存在密切聯(lián)系。在SL較高的區(qū)域，該區(qū)地層巖性可能較堅硬，抗侵蝕能力較強，或是區(qū)域活動構(gòu)造明顯，造成河段坡度局部變化，使得SL增大。反之，SL較低的區(qū)域則可能表示該區(qū)地層巖性較軟弱，抗侵蝕能力較差，也可能是該區(qū)構(gòu)造活動性低或不受構(gòu)造作用的影響。因此，若區(qū)域內(nèi)基巖巖性保持一致，SL呈現(xiàn)非正常的極大值，則表明近期構(gòu)造活動對河流地形產(chǎn)生了較大影響[15-17]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

利用Arcgis軟件對DEM數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取區(qū)域的水系分布，并將其與個舊礦區(qū)地質(zhì)圖進行疊置匹配，得到河流與構(gòu)造斷裂的分布(見圖4)。同時利用Matlab編寫程序，提取研究區(qū)5條河流的縱剖面數(shù)據(jù)，并用Excel進行數(shù)據(jù)處理，得到河流的SL參數(shù)和Hack剖面圖(見圖5)。

圖4 個舊礦區(qū)DEM與水系分布

(a)R1河流 (b)R2河流

(c)R3河流 (d)R4河流

(e)R5河流

4 討論

13:56 2022-5-4

4.1 SL參數(shù)變化

當R1河流斜切大菁東斷裂時，SL顯著增大，達到局部峰值1 438 m；穿過蓮花石斷裂和個舊斷裂時，SL呈階梯式下降但保持在一個相對較高值。R2河流穿過蓮花石斷裂和牛壩荒斷裂時，SL顯著增大；而橫切兩條斷裂間的個舊斷裂時，SL呈陡崖式下降，達到局部最低值56 m，顯示為明顯的“凹”型。在R1河流與R2河流交匯處，SL都接近300 m。分析礦區(qū)地質(zhì)圖可知，兩條河流前段流經(jīng)的地層基巖巖性均為三疊系個舊組，巖性變化不大且?guī)r性單一，以此可以判斷河長坡降指標的變化是構(gòu)造活動引起的；而在河流后段，河流流經(jīng)的地層從三疊系個舊組變?yōu)轱w仙關(guān)組，基巖巖性從白云巖、灰?guī)r變成了頁巖，基巖抗侵蝕力明顯下降，但該區(qū)對應(yīng)了SL的另一個峰值，可能是由賈沙復(fù)向斜北東段構(gòu)造活動引起的。

R3河流穿過大凹塘斷裂時，SL達到了最大值1 468 m，隨后通過F1斷裂帶時，SL達到局部峰值1 247 m。在兩條斷裂之間，河流流經(jīng)地層巖性發(fā)生了顯著變化，從下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組向花崗巖過渡，使得SL呈下降-上升-下降的趨勢，其間極大值867 m對應(yīng)堅硬的花崗巖組。R5河流在白泥洞斷裂附近時，SL增大且在一較大長度上保持較高值。在R3、R4河流中段流經(jīng)花崗巖區(qū)域時，SL在600～800 m；而在河流后段由于F1斷裂帶的影響，盡管該區(qū)第四紀堆積物出露但仍產(chǎn)生了另一SL峰值。在R3河流和R4河流交匯處，SL在300～400 m，可能是因為河流匯入增大了河流流量以及河流侵蝕力度，另外堆積物增加造成河段坡度變陡，使得該處的SL增大。而在R4河流與R5河流交匯處，SL增至700 m左右，該點為F1斷裂，河段坡降增加導(dǎo)致SL比其他交匯處的更大。

綜上所述，河流在流經(jīng)NW向的大菁東斷裂、大凹塘斷裂、白泥洞斷裂、F1斷裂以及近SN向的蓮花石斷裂和牛壩荒斷裂時對應(yīng)了較大的SL，反映了強烈的構(gòu)造運動。但SL在個舊斷裂附近產(chǎn)生了異常，可能是個舊斷裂南段呈追蹤延伸，斷裂出露較差，地表受斷層的影響較小，降低了對河流河段的坡度影響。R2河流流經(jīng)個舊斷裂區(qū)域的構(gòu)造活動作用較弱，降低了斷裂兩側(cè)的高程變化值，使得河流坡度減小進而導(dǎo)致SL在該區(qū)呈現(xiàn)相對較低值。此外，在巖性變化處，如下三疊統(tǒng)個舊組到飛仙關(guān)組或者花崗巖區(qū)域，SL也同樣存在變化。當河流流經(jīng)花崗巖區(qū)域時，由于巖性較堅硬且抗侵蝕能力較強，SL顯著增大，但通過第四紀松散堆積物時，其抗侵蝕能力較弱，使得SL減小，表明SL能反映區(qū)域地層巖性的變化。

4.2 Hack剖面分析

在Hack剖面曲線中，將河源處與河口點以一條直線連接，該直線表示河流到達新動力平衡時的均衡狀態(tài)，其斜率K稱作“均衡坡降指標”。K值的大小反映了河流的侵蝕能力。K值越大，表示河流侵蝕能力越強。其中R2河流的K=229，R5河流的K=322，反映了區(qū)域內(nèi)地層巖性導(dǎo)致的河流侵蝕能力的變化，其規(guī)律與SL一致。同時，研究區(qū)R1、R2、R3河流Hack剖面以均衡坡降指標線為底界，整體表現(xiàn)為上凸，局部河段呈凹形。R4、R5河流整體呈明顯的凸-凹變化，但是河流中下游地區(qū)Hack剖面出現(xiàn)在均衡坡降指標線下方。Hack剖面呈現(xiàn)的凹-凸變化是河流局部河段對流經(jīng)不同地層巖性和斷裂構(gòu)造時的反應(yīng)。當河流由于斷層作用破壞了原有的均衡剖面，且斷層活動時間較新時，河流縱剖面在發(fā)育過程中將不能調(diào)整到新的均衡剖面。

此外，如果地表發(fā)生斷層導(dǎo)致了豎向運動，則河流剖面在突然的斷層位移作用下會產(chǎn)生同向的變化，通過侵蝕與沉積的相互調(diào)整作用最后趨于新的平衡，此時Hack剖面河流下游會低于最終的均衡面。這也說明河流在構(gòu)造活動作用下的較早時期處于調(diào)整剖面到最終平衡過程的初步形態(tài)，R4、R5河流的Hack剖面出現(xiàn)在均衡坡降指標線下方，處于受構(gòu)造活動影響后的較早期，尚未到達新的平衡。同時，Hack剖面局部凸起對應(yīng)了該區(qū)域的高抬升速率，而在抬升速率較低的地方則以直線甚至輕度下凹曲線為主。這意味著個舊礦區(qū)西部區(qū)域整體處于構(gòu)造抬升階段，抬升速率較快，構(gòu)造活動強烈。

個舊礦區(qū)西部受構(gòu)造活動影響，使得區(qū)內(nèi)5條河流的Hack剖面為上凸形態(tài)，其Hack剖面變化與SL具有良好的對應(yīng)關(guān)系，即：在河流中下游地區(qū)Hack剖面下降時，SL出現(xiàn)異常峰值，局部河段變陡。同時，河流縱剖面在構(gòu)造斷裂作用下會產(chǎn)生同向的位移變化，SL明顯增大。

5 結(jié)論

個舊礦區(qū)在新構(gòu)造運動時期產(chǎn)生了NW和NS向活動斷裂，對地貌形態(tài)產(chǎn)生了直接影響。通過對礦區(qū)西部河流的研究，得到以下主要結(jié)論：

a.河流在流經(jīng)NW、SN向斷裂時SL增大并達到1 400 m左右的峰值，代表了河流水系格局對構(gòu)造活動的響應(yīng)。同時，SL參數(shù)與Hack剖面存在形貌上的對應(yīng)關(guān)系，對于小型河流而言，SL參數(shù)在斷裂和巖性變化處均產(chǎn)生變化，反映其對巖性和斷裂中小尺度地質(zhì)因素的響應(yīng)，這與前人的研究結(jié)論一致。

b.Hack剖面呈上凸形態(tài)，整體處于構(gòu)造抬升階段，且抬升速率較快，構(gòu)造活動強烈。

c.剖面的凹凸程度不同，表明區(qū)域北部處于構(gòu)造活動影響的較早期，河流在侵蝕與沉積的相互調(diào)整作用下還未達到新的平衡。