中條山北麓河流地貌特征及其對(duì)斷裂構(gòu)造演化的響應(yīng)

盧本添 李志剛 梁 浩 楊敬鈞 鄭文俊

(中山大學(xué)，地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東省地球動(dòng)力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519082)

0 引言

活動(dòng)斷裂的分段性往往要參考現(xiàn)今斷裂體系上的地形和地貌特征。研究表明，內(nèi)營(yíng)力(如構(gòu)造隆升)和外營(yíng)力(如地表侵蝕)達(dá)到平衡時(shí)，地形輪廓將不隨時(shí)間發(fā)生改變，當(dāng)平衡被打破(如發(fā)生加速隆升、地表侵蝕減弱等事件)時(shí)，內(nèi)、外營(yíng)力將以負(fù)反饋的形式重塑地形以達(dá)到新的平衡(Howardetal.，1983)。在重塑地形的過(guò)程中，河流地貌的響應(yīng)最為迅速和敏感，表現(xiàn)為河道坡度、流域面積、分水嶺位置等地貌特征的顯著改變(Howardetal.，1983；Whippleetal.，1999；Kirbyetal.，2001；Snyderetal.，2003；Oskinetal.，2007；Suetal.，2020)。因此，河流地貌的構(gòu)造響應(yīng)分析在揭示斷裂的構(gòu)造特征、分段差異及活動(dòng)歷史的研究中尤為重要。隨著數(shù)字高程模型(Digital elevation model，DEM)的發(fā)展和普及，河流地貌信息的數(shù)字化、提取、分析以及相關(guān)的建模和應(yīng)用已獲得長(zhǎng)足發(fā)展，通過(guò)提取和分析多項(xiàng)地貌參數(shù)，識(shí)別并篩分參數(shù)背后的構(gòu)造、氣候、巖性特征等影響因素，進(jìn)而分析新構(gòu)造活動(dòng)的地貌響應(yīng)，成為了活動(dòng)斷裂分段性研究的重要手段和切入點(diǎn)(Whipple，2001，2014；Kirbyetal.，2003，2012；Foxetal.，2015；Yangetal.，2015)。

圖1 運(yùn)城盆地周緣區(qū)域的構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Topographic and tectonic map of the Zhongtiao Mountains and adjacent basin areas.a F1中條山北麓斷裂；F2華山山前斷裂；F3雙泉-臨猗隱伏斷裂；F4韓城斷裂；F5溫塘斷裂；b N1中新統(tǒng)；N2上新統(tǒng)；Q 第四系；剖面AA′據(jù)Su等(2020)修改；活動(dòng)速率據(jù)文獻(xiàn)(程紹平等，2002；苗德雨等，2014；司蘇沛等，2014；郭春杉等，2019)

中條山北麓斷裂是山西地塹系南部的活動(dòng)斷裂，為傾向NW—NWW的高角度正斷層，其南為北陡南緩、西高東低的中條山，其北為下沉強(qiáng)烈、發(fā)育鹽湖的運(yùn)城盆地。斷裂按走向由南向北可劃分為韓陽(yáng)段(走向NE)、永濟(jì)段(走向近EW)、鹽湖段(走向NNE)及夏縣段(走向NE)，各分段自晚更新世以來(lái)的活動(dòng)速率具有明顯的分段性，表現(xiàn)為由斷裂中段(鹽湖段)向南、北兩側(cè)遞減的趨勢(shì)(圖1a)。一般而言，斷裂活動(dòng)速率越高，斷層兩盤(pán)的地貌反差也愈加明顯。然而，通過(guò)野外觀察發(fā)現(xiàn)，在活動(dòng)速率相對(duì)較低的韓陽(yáng)段和永濟(jì)段，斷層崖、斷層三角面等斷錯(cuò)地貌清晰且陡峻，多條溝谷深切基巖，在出水口附近形成多個(gè)跌水和急流；相反，在活動(dòng)速率較高的鹽湖段，斷面傾角相對(duì)平緩，斷層崖多有黃土披蓋，跌水和急流遠(yuǎn)離出水口且并不多見(jiàn)。不難看出，斷裂南部的斷錯(cuò)地貌更為明顯，地貌反差與中條山西高東低的地形起伏相對(duì)應(yīng)，卻與“中間高、兩側(cè)低”的活動(dòng)速率特征不匹配。中條山北麓斷裂各分段的地貌差異有多大？受何種因素影響？為何地貌特征與活動(dòng)速率不相符？河流地貌參數(shù)分析可為解決以上問(wèn)題提供重要支撐。

本文基于30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)中條山北坡基巖山區(qū)進(jìn)行水系及流域盆地的提取，通過(guò)獲取各流域水系的標(biāo)準(zhǔn)化陡峭指數(shù)ksn、水系高程剖面的幾何特征以及基巖河道下切量等河流地貌參數(shù)，分析各參數(shù)沿?cái)嗔炎呦虻目臻g變化及相應(yīng)的地貌響應(yīng)，在篩分巖性、氣候及構(gòu)造等獨(dú)立因素的基礎(chǔ)上，探討地貌反差與構(gòu)造活動(dòng)不一致的相互關(guān)系。

1 區(qū)域概況

中條山北麓斷裂南起于首陽(yáng)，北止于柏范底，總長(zhǎng)約130km。斷裂韓陽(yáng)段走向NE，起于首陽(yáng)，至西姚溫處與中段(永濟(jì)段)相接，南端沒(méi)于黃河后隱伏，往SW向延伸，接華山山前斷裂于華陰杜峪村(馬冀，2019)，地表長(zhǎng)約20km。中段以王官峪村為界，南、北分為永濟(jì)段和鹽湖段。永濟(jì)段走向近EW，長(zhǎng)約30km；鹽湖段走向NEE，長(zhǎng)約50km，在磨河處與夏縣段相接；夏縣段走向NE，長(zhǎng)約30km，斷裂北端延伸至下柏范底村后漸轉(zhuǎn)為隱伏斷裂隱于地下。中條山北麓斷裂活動(dòng)始于漸新世，幅度不大，至晚中新世后構(gòu)造活動(dòng)才顯著增強(qiáng)，上盤(pán)強(qiáng)烈下沉，發(fā)育運(yùn)城盆地，下盤(pán)相對(duì)隆升，形成中條山脈(Suetal.，2021)。晚第四紀(jì)以來(lái)斷裂活動(dòng)頻繁，全新世已有5次古地震事件記錄(田建梅等，2013；苗德雨等，2014；司蘇沛等，2014；慈洪娟等，2016)，斷裂及周邊盆地區(qū)1970年前有記錄的地震(MS≥4.0)共4次，1970年后的地震(MS≥4.0)共6次。

中條山為NEE—NE走向的狹長(zhǎng)山系，東側(cè)為太行山南部余脈，西側(cè)被黃河所截，南、北兩側(cè)分別為中條山南麓和北麓斷裂，北坡陡峭，多見(jiàn)懸崖絕壁；南坡和緩，漸沒(méi)于三門(mén)盆地。中條山主體由前寒武紀(jì)花崗巖及淺變質(zhì)巖構(gòu)成，零星出露寒武紀(jì)—二疊紀(jì)海相碳酸鹽巖，北坡發(fā)育沖洪積扇松散堆積，南坡則發(fā)育厚層黃土。

運(yùn)城盆地夾于中條山與峨嵋臺(tái)地之間，為S傾箕狀盆地(圖1b)，南部為中條山前沖洪積扇相連而成的傾斜平原與數(shù)個(gè)內(nèi)流湖泊(如鹽湖)，北部為黃土高臺(tái)，有涑水河穿盆而過(guò)、西入黃河。

2 河流縱剖面分析方法

(1)

根據(jù)河流動(dòng)能侵蝕模型(Whipple，2004；王一舟等，2016)，基巖河道的侵蝕過(guò)程滿足：

E=K·Am·Sn

(2)

(3)

(4)

S=ks·A-θ

(5)

ks為陡峭系數(shù)，θ被稱為凹度。穩(wěn)態(tài)條件下的河道高程不隨時(shí)間改變，式(4)可寫(xiě)為

(6)

或

(7)

3 河流地貌參數(shù)分布特征

本研究采用ASTER GDEM 30m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)，對(duì)中條山北坡(斷裂下盤(pán))基巖山區(qū)流域面積>2km2的流域盆地以及河流長(zhǎng)度>1000m的水系進(jìn)行提取，共提取了55個(gè)流域盆地及水系，沿?cái)嗔炎呦蛞来螌⑵渚幪?hào)為1～55，其中韓陽(yáng)段2個(gè)，永濟(jì)段13個(gè)，鹽湖段27個(gè)，夏縣段13個(gè)。

基于參考凹度θref=0.45(Stocketal.，1999)獲取的中條山北坡各流域盆地河道標(biāo)準(zhǔn)化陡峭系數(shù)ksn值的空間分布顯示(圖2)，永濟(jì)段的ksn值最高，韓陽(yáng)段和鹽湖段次之，夏縣段最低(圖3)。

圖2 中條山北坡基巖河道標(biāo)準(zhǔn)化陡峭系數(shù)ksn 的空間分布圖Fig.2 Normalized steepness index ksn of the bedrock channels in the north flank of the Zhongtiao Mountains.黑色方框?yàn)闂l帶剖面的提取范圍

圖3 中條山北坡基巖山區(qū)水系高程剖面的幾何特征圖Fig.3 χ-plot of the bedrock channels in the north flank of Zhongtiao Mountains.對(duì)圖2中黑色方框內(nèi)的條帶區(qū)域使用積分法提取中條山ksn 值為0～500m0.9 的主干流高程剖面圖，藍(lán)色實(shí)線為河流干流縱剖面形態(tài)，紅色虛線為河流干流縱剖面形態(tài)的整體趨勢(shì)

對(duì)流域范圍內(nèi)ksn值為0～500m0.9的干流使用積分法，獲得水系高程剖面的幾何特征圖(圖3)。結(jié)果顯示，河流縱剖面形態(tài)上游平緩，下游陡峭，暗示下游河道正在經(jīng)歷加速下切。

沿中條山北坡走向進(jìn)行地形起伏、ksn和坡度S的條帶提取。結(jié)果顯示，地形起伏、ksn和坡度S沿中條山走向具有分段性(圖4)，韓陽(yáng)段和永濟(jì)段最高，鹽湖段次之，夏縣段最低，地貌參數(shù)總體呈現(xiàn)由西向東降低的特征。地形起伏、ksn和坡度S相耦合，與活動(dòng)速率“中間高、兩側(cè)低”的分布特征不一致。

圖4 沿中條山走向的地形起伏、河道標(biāo)準(zhǔn)化陡峭系數(shù)ksn 和坡度S的空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of relief，normalized steepness index ksn and slope along the north flank of Zhongtiao Mountains.對(duì)圖2中黑色方框內(nèi)的條帶區(qū)域進(jìn)行地貌參數(shù)提??；藍(lán)色實(shí)線為地形起伏，橙色實(shí)線為河流標(biāo)準(zhǔn)化陡峭系數(shù)ksn，黑色實(shí)線為坡度S，紅點(diǎn)為活動(dòng)速率(程紹平等，2002；苗德雨等，2014；司蘇沛等，2014；郭春杉等，2019)

圖5 河流縱剖面分析結(jié)果及其裂點(diǎn)圖Fig.5 Log-log analysis of longitudinal profiles and knickpoints.a—d表示不同段的河流縱剖面：a 2號(hào)裂點(diǎn)水系；b 7號(hào)裂點(diǎn)水系；c 22號(hào)裂點(diǎn)水系；d 40號(hào)裂點(diǎn)水系。各水系縱剖面圖內(nèi)：①距離出水口位置-海拔關(guān)系圖，藍(lán)色實(shí)線表示原始的河流縱剖面形態(tài)；②χ-海拔關(guān)系圖，藍(lán)色實(shí)線表示χ(chi)值；③χ-ksn 關(guān)系圖，表示沿①中河流縱剖面形態(tài)的ksn 分布特征，紅色虛線均表示擬合。深藍(lán)色三角形為縱剖面坡折點(diǎn)，即為裂點(diǎn)

以裂點(diǎn)溯源侵蝕的方式重塑河道地形響應(yīng)構(gòu)造活動(dòng)、氣候變化或巖性差異的變化，裂點(diǎn)上、下游的ksn值及χ值因坡度改變，在雙對(duì)數(shù)圖中以不同的斜率呈現(xiàn)(圖5)。本文對(duì)中條山北坡基巖山區(qū)55個(gè)流域盆地進(jìn)行裂點(diǎn)分析，結(jié)果顯示雙對(duì)數(shù)圖的斜率明顯變化的水系有34條。經(jīng)野外核查，對(duì)可能因人工改造所致的河道坡度變化結(jié)果予以去除(編號(hào)17、18、20、25、37、51、54、55)。經(jīng)篩分后發(fā)現(xiàn)，有25條基巖河道可見(jiàn)1處河道坡折(裂點(diǎn))，僅1條基巖河道保留2處河道坡折(編號(hào)40)。裂點(diǎn)下游河道形態(tài)陡峭，上游平緩，暗示裂點(diǎn)下游河道經(jīng)歷了1期加速下切事件。

圖6 河流裂點(diǎn)處上、下游河道標(biāo)準(zhǔn)化陡峭指數(shù)ksn 分布圖Fig.6 The spatial distribution of normalized steepness index ksn in the upstream and downstream drainage areas of individual knickpoint.藍(lán)色點(diǎn)表示裂點(diǎn)處下游的ksn 值；紫色點(diǎn)表示裂點(diǎn)處上游的ksn 值；黃色線為誤差值

裂點(diǎn)上、下游河道標(biāo)準(zhǔn)化陡峭系數(shù)ksn沿山體走向的分布具有分段性(圖6)。裂點(diǎn)上游，韓陽(yáng)段和永濟(jì)段的ksn值為69～129m0.9，略高于鹽湖段(ksn值為18～61m0.9)和夏縣段(ksn值為26～59m0.9)，總體降幅不大；裂點(diǎn)下游，自韓陽(yáng)段至永濟(jì)段ksn值從111m0.9急劇上升至268m0.9后，至鹽湖段和夏縣段逐漸降低，總體降幅較大，與地形起伏耦合較好。

圖7 沿中條山走向的河流侵蝕下切量圖Fig.7 Amount of fluvial incision along the north flank of Zhongtiao Mountains.橙色點(diǎn)表示下切量；橙色虛線為下切量包絡(luò)線

此外，按裂點(diǎn)上游的坡度擬合裂點(diǎn)至出水口的河道，將擬合河道的出水口與現(xiàn)今出水口的高程差視為下切侵蝕量并進(jìn)行歸一化，獲取沿中條山走向的河流下切量空間分布(圖7)。結(jié)果顯示，沿中條山走向的下切侵蝕量的包絡(luò)線形態(tài)呈明顯的分段特征，韓陽(yáng)段—永濟(jì)段最高，鹽湖段次之，夏縣段最低，整體由西向東逐漸降低。

4 控制因素討論

中條山北坡基巖山區(qū)的河流地貌參數(shù)在縱向上揭示了1期河道加速下切事件，在橫向上顯示下切幅度向N逐段減弱的趨勢(shì)。一般認(rèn)為，河道加速下切主要由巖性差異、氣候變化與構(gòu)造活動(dòng)等因素控制。

在河道巖性方面，中條山的主體由前寒武紀(jì)花崗巖及淺變質(zhì)巖構(gòu)成，零星地區(qū)出露寒武紀(jì)—二疊紀(jì)海相碳酸鹽巖，巖性近似均一(圖8)。除少量巖性分界裂點(diǎn)(編號(hào)8、12、46、49)，河道標(biāo)準(zhǔn)化陡峭系數(shù)ksn、地形起伏、地形坡度和下切量等地貌參數(shù)均沿中條山走向呈分段性，與相對(duì)均一的巖性特征不符。顯然，巖性差異并非河道加速下切的驅(qū)動(dòng)因素。

圖8 中條山區(qū)域河流水系、裂點(diǎn)位置及巖性簡(jiǎn)圖Fig.8 Streams，position of knickpoints and lithological map of the Zhongtiao Mountains.

就氣候變化而言，河道加速下切主要由降雨量增加或基面水位下降等因素引起。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，中條山地區(qū)年均降雨量為458～748mm(Hijmansetal.，2005)，自南向北，高山區(qū)向平原區(qū)年均降雨量逐漸減少，沿山體走向自西向東年均降雨量略微下降，其小幅變化不足以引起縱向上的河道加速下切或橫向上的下切量向N逐段降低。另一方面，現(xiàn)今鹽湖水面比黃河水面約低20m，斷裂鹽湖段山麓片區(qū)的下切侵蝕理應(yīng)更強(qiáng)。然而，地貌參數(shù)分析結(jié)果卻顯示斷裂韓陽(yáng)段—永濟(jì)段的下切幅度比鹽湖段更大，基面變化難以解釋。以上現(xiàn)象表明，氣候變化并非中條山北坡基巖河道加速下切的主因。

顯然，構(gòu)造隆升是中條山北坡河道加速下切主要原因。一般來(lái)說(shuō)，構(gòu)造抬升速率愈大，河道的下切作用或河道陡峭(下凹)程度就愈高。地形起伏、ksn、坡度以及下切量等地貌參數(shù)顯示韓陽(yáng)段—永濟(jì)段的基巖山區(qū)出現(xiàn)高值特征，反映了強(qiáng)烈的構(gòu)造隆升作用。但在活動(dòng)速率上，高值區(qū)卻位于鹽湖段(0.53～0.75mm/a)(程紹平等，2002；司蘇沛等，2014)，韓陽(yáng)段僅為鹽湖段的1/4。此外，在沉積地層上，新生界沉積中心位于鹽湖段的虞鄉(xiāng)、解州一帶，沉積厚度>5000m(圖1b)。新生界沉積中心與活動(dòng)速率高值區(qū)一致，與地貌參數(shù)特征不相符。

5 差異性分析

如何解釋中條山北麓斷裂地貌參數(shù)特征與構(gòu)造活動(dòng)不一致的現(xiàn)象？

從地貌上，黃河自首陽(yáng)東折入三門(mén)盆地后，河面明顯收窄，下切三門(mén)盆地沉積，兩岸形成階地并堆積黃土，造就了寬闊的黃土階地地貌。階地地形向E漸滅于三門(mén)峽谷，向W在首陽(yáng)—華陰一線戛然而止。階地西端邊緣的走向與黃河SN向河段呈小角度相交，邊緣十分平整，與河流擺動(dòng)側(cè)蝕所成的河岸有顯著差別，暗示臺(tái)地地形結(jié)束并非完全由黃河擺動(dòng)所致。前人考察發(fā)現(xiàn)，1556年華縣大地震的地表破裂在華陰東側(cè)消失，未見(jiàn)向E延伸的跡象，反而在中條山北麓斷裂韓陽(yáng)段重新出現(xiàn)，形成斷層陡坎等斷錯(cuò)地貌(馬冀，2019)。若將華陰及中條山北麓韓陽(yáng)段西端兩地的地表破裂位置相連，其連線即與臺(tái)地西側(cè)邊緣明顯重合，該現(xiàn)象暗示臺(tái)地西側(cè)地形可能受斷層活動(dòng)控制。

在構(gòu)造活動(dòng)上，探槽研究揭露華山山前斷裂華縣—華陰段全新世以來(lái)的滑動(dòng)速率為1.1～2.7mm/a(楊源源等，2012；Lietal.，2015；徐偉等，2017)，華陰—靈寶段全新世以來(lái)活動(dòng)較弱或不活動(dòng)(徐偉等，2017)，反映了華山山前斷裂的構(gòu)造活動(dòng)性在華陰處向E突然降低。以上現(xiàn)象暗示，華山山前斷裂可能沿首陽(yáng)—華陰一線接中條山北麓斷裂韓陽(yáng)段，部分活動(dòng)性通過(guò)隱伏斷裂向NE遷移，在中條山北麓斷裂帶韓陽(yáng)段—永濟(jì)段處發(fā)生疊加，造成構(gòu)造活動(dòng)性的增強(qiáng)，并敏感地被河流地貌所記錄，造成中條山北麓斷裂韓陽(yáng)段—永濟(jì)段河流地貌參數(shù)的異常高值。而在沉積上，盆地沉積中心由解州(新生代沉積中心)轉(zhuǎn)為王官峪(第四系沉積中心)，表明第四紀(jì)以來(lái)，盆地沉積中心由東向西發(fā)生遷移(郭春杉，2019)。相較于沉積中心改變引起的構(gòu)造變形，河流地貌響應(yīng)構(gòu)造變形的時(shí)間尺度更短，對(duì)地貌的改造最為迅速，導(dǎo)致了中條山北麓斷裂的地貌參數(shù)特征與構(gòu)造活動(dòng)不一致的現(xiàn)象。

圖9 華山—中條山地貌構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.9 Topographic and tectonic map of the Huashan Mountains and the Zhongtiao Mountains.

6 結(jié)論

對(duì)中條山北坡基巖山區(qū)的河流地貌參數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其在縱向上指示1期加速下切事件，在橫向上的變化幅度與西高東低的地形起伏相耦合，地貌特征受中條山北麓斷裂構(gòu)造活動(dòng)的分段性差異主導(dǎo)，氣候變化與巖性差異的作用較小。地貌參數(shù)高值區(qū)揭示中條山北麓斷裂現(xiàn)今的構(gòu)造活躍區(qū)位于韓陽(yáng)段—永濟(jì)段，而非活動(dòng)速率較高的鹽湖段，其原因可能與華山山前斷裂的部分活動(dòng)性沿華陰—首陽(yáng)的NE向隱伏斷裂向中條山韓陽(yáng)段—永濟(jì)段遷移有關(guān)。遷出的活動(dòng)性在中條山北麓斷裂韓陽(yáng)段—永濟(jì)段疊加，并敏感地被現(xiàn)今河流地貌所記錄。