山西離石斷裂南段區(qū)域河流地貌指數(shù)和階地下切過程及其構(gòu)造意義

[摘要] """基于數(shù)字高程模型（DEM）、野外河流階地測量和光釋光（OSL）測年，對離石斷裂帶南段坡度、地形起伏度（RDLS）、面積高程積分（HI）和河道陡峭指數(shù)（K_sn）指標(biāo)進(jìn)行了提取和分析，對穿過斷裂的黃河支流中垛河進(jìn)行了下切速率的蒙特卡洛模擬。研究結(jié)果表明，根據(jù)河流地貌指數(shù)指示，各河流流域地貌指標(biāo)均呈低值分布，河流地貌發(fā)展總體上處于發(fā)育或成熟階段，離石斷裂南段構(gòu)造活動性較弱。根據(jù)中垛河河流階地和斷層的斷錯關(guān)系，結(jié)合階地測年結(jié)果認(rèn)為，該斷裂帶至少晚更新世晚期以來不活動。利用各級階地拔河高度和年代數(shù)據(jù)，中垛河T1—T4年齡分別為（2.08 ± 0.19） ka、（5.63 ± 0.5） ka、（10.22 ± 0.62） ka和（41.22 ± 2.33） ka，42 ka以來中垛河流下切速率線性擬合的結(jié)果為0.78 mm/a，全新世以來的下切速率為1.89 mm/a，主要受氣候變化影響。

[關(guān)鍵詞] 離石斷裂南段; 河流地貌指數(shù); 河流下切速率; 蒙特卡洛模擬; 斷裂活動性

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-102

基金項目："國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查專項（2021FY100104）資助。

0 "引言

鄂爾多斯地塊位于中國南北地震帶北段東側(cè)，是華北、華南和青藏高原東北緣3個陸塊的交匯處，該地塊穩(wěn)定，地震活動頻率和強(qiáng)度較低，但其周緣地區(qū)地震活動強(qiáng)烈^[1-2]。鄂爾多斯地塊及其周緣構(gòu)造的研究已經(jīng)成為該盆地構(gòu)造研究的典型成果，中國大陸西部的擠壓力使得鄂爾多斯塊體的東南緣成為了一個重要的地區(qū)，這個地區(qū)也是東部伸展拉張動力學(xué)的一個轉(zhuǎn)換區(qū)域，同時，它也是華北塊體南北部構(gòu)造的交接點(diǎn)之一，北部構(gòu)造呈現(xiàn)出NE-SW的方向，而南部則近似EW方向^[3]。離石斷裂就是鄂爾多斯地塊東界控制盆地形成和演化的重大斷裂之一^[4]，離石斷裂帶在地表上清晰可見，構(gòu)成了黃土高原與呂梁山之間的地貌界線。晚第四紀(jì)以來離石斷裂是否仍然活動，對理解鄂爾多斯塊體東南緣最新構(gòu)造變形有重要的意義，同時對于區(qū)域地震災(zāi)害防御也具有現(xiàn)實(shí)意義。

活動構(gòu)造研究的重要基礎(chǔ)手段是構(gòu)造地貌學(xué)。構(gòu)造、氣候的結(jié)合在活動造山帶內(nèi)的地表作用可導(dǎo)致河流的形成，記錄整個地質(zhì)構(gòu)造-氣候演化歷史^[5-6]。河流地貌指標(biāo)是外部的定量表達(dá)內(nèi)力形成的地貌形態(tài)特征^[7]，它可以被應(yīng)用作為一種基本測量工具，用于辨識快速構(gòu)造變形區(qū)域，用來彌補(bǔ)地貌特征的不足。近年來，隨著GIS和DEM的發(fā)展，在河流地貌對斷層活動的響應(yīng)方面已經(jīng)做了大量工作，并且已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用了多種方法^[8]。Derakhshani等^[9]提出了一種人工智能方法來評估流域形態(tài)測量，數(shù)據(jù)的定量研究中利用河流地貌指數(shù)評估新構(gòu)造狀態(tài)的構(gòu)造活動性取得了顯著成果。本文的研究重點(diǎn)是離石斷裂南段，利用ArcGIS 10.8和MATLAB R2019b系統(tǒng)提取并分析了坡度、地形起伏度 （RDLS）、面積高程積分（HI）和河道陡峭指數(shù)（K_sn），應(yīng)用野外地質(zhì)調(diào)查和測年結(jié)果，計算河流下切速率，綜合討論河流地貌指數(shù)和河流下切速率的影響因子，研究離石斷裂南段晚第四紀(jì)以來的活動性。

1 "構(gòu)造背景

研究目標(biāo)是位于鄂爾多斯塊體東南緣呂梁山西緣離石斷裂南段，其分布范圍為黑龍關(guān)至臨汾峪之間，并且該斷裂總體呈現(xiàn)NNW的走向，燕山運(yùn)動時期形成，由30～50 m寬的擠壓破碎帶組成，斷面略向東傾，傾角70°～80°，斷裂多發(fā)育于前寒武紀(jì)變質(zhì)巖之內(nèi)，在衛(wèi)星圖像上，斷層特征顯著，呈現(xiàn)出明顯的線性形態(tài)。斷裂帶內(nèi)地層產(chǎn)狀陡傾，構(gòu)造角礫、構(gòu)造透鏡體、糜梭巖、斷層泥、揉皺、剪切、節(jié)理等極為發(fā)育^[4]，中垛河河流階地發(fā)育明顯（圖1）。

2 "數(shù)據(jù)和方法

研究數(shù)據(jù)主要采用的是日本對地觀測衛(wèi)星ALOS（Advanced Land Observing Satellite，2006年發(fā)射）的12.5 m DEM數(shù)據(jù)（https：//search.asf.alaska.edu/），由ALOS衛(wèi)星相控陣型L波段合成孔徑雷達(dá)（PALSAR）采集?；贒EM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.8和MATLAB R2019b對河流和流域進(jìn)行提取，計算河流地貌指數(shù)。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，確定了斷裂分布位置，并測量了中垛河河流階地的拔河高度，進(jìn)行了光釋光取樣測年。

2.1 "地表坡度和起伏度（RDLS）

坡度和起伏度是傳統(tǒng)的地形分析指標(biāo)^[10]。坡度是指地面坡度的角度，一般可以通過柵格點(diǎn)與相鄰8個點(diǎn)（簡稱D8算法）的關(guān)系從DEM數(shù)據(jù)中獲得，通常用作基巖山區(qū)構(gòu)造和地貌條件的參考指標(biāo)。坡度有一定的臨界值，約為30°^[11]，超過該臨界值后，坡度不會隨著侵蝕速率的增加而增加^[13]。起伏度是某一地區(qū)最高海拔與最低海拔之差，可以間接反映構(gòu)造活動強(qiáng)度^[14]?；鶐r山地流域可以有多種地形起伏，在區(qū)域分析中常用局部地形起伏。通過計算每個網(wǎng)格點(diǎn)周圍一定區(qū)域內(nèi)的最大高程與最小高程之差獲得局部地形起伏度^[15]。近年來，坡度和起伏度被廣泛用作反映區(qū)域構(gòu)造的地貌指標(biāo)活動^[16]。

2.2 "面積高程積分值（HI）

HI對新構(gòu)造活動非常敏感，可以定量反映地貌演化與構(gòu)造隆升之間的關(guān)系，因此在新構(gòu)造運(yùn)動與地貌發(fā)育研究中得到了廣泛應(yīng)用^[17]。參考Davis的地貌侵蝕循環(huán)理論^[18]，地貌演化可分為幼年期、壯年期和老年期。相應(yīng)的流域HI曲線表現(xiàn)為上凸型、S型和下凹型，流域的HI由高到低遞減。地貌發(fā)育處于幼年期（HIgt;0.6）時，地形平坦，地面坡度低，構(gòu)造活動強(qiáng)烈。當(dāng)?shù)孛舶l(fā)育進(jìn)入壯年期 （0.35lt;HI≤0.6）時，土地最崎嶇，地形最破碎，河網(wǎng)最發(fā)達(dá)，坡度最大，構(gòu)造發(fā)育活動中等。地貌進(jìn)入老年期（HI≤0.35）后，地形逐漸恢復(fù)平坦?fàn)顟B(tài)，坡度減小，構(gòu)造活動減弱^[19]。如果一個地區(qū)構(gòu)造活躍，隆升強(qiáng)烈，那么地貌演化就很難達(dá)到平衡。強(qiáng)烈的隆升往往使流域發(fā)育階段停留在幼年期，HI值趨于高^[20]。在實(shí)際研究中，流域的HI值通?？梢酝ㄟ^Pike和Wilson^[21]的代換算法獲得：

式中，H_max、H_mean和H_min分別為流域的最大、平均和最小高程值。

2.3 "河流陡峭指數(shù)（K_sn）

在構(gòu)造隆升強(qiáng)烈的造山帶，基巖河道普遍存在，基巖河道中河流侵蝕形成的地貌景觀可以反映河流侵蝕過程^[22]。K_sn可以作為評估河道陡度偏離理想狀態(tài)的參考，在最理想的狀態(tài)中，河流能夠保持平衡狀態(tài)，經(jīng)歷強(qiáng)烈構(gòu)造活動的河流會變陡。因此，K_sn值可以定量判斷構(gòu)造活動性^[23]。一般來說，高K_sn值的存在表明受構(gòu)造活動強(qiáng)烈影響的地區(qū)，河流坡度陡，K_sn值高表明區(qū)域構(gòu)造隆升速率高。相反，K_sn值低的地區(qū)與低構(gòu)造隆升速率有關(guān)^[22-24]。

河流水力侵蝕模型將基巖河流侵蝕速率E表達(dá)為上游流域面積A和河道梯度S的冪次函數(shù)關(guān)系：E=KA^mSⁿ。其中，K表示流域侵蝕系數(shù)，它與氣候、巖性、沉積物通量和河道幾何形態(tài)等因素有關(guān)；m 為面積指數(shù)，n 為河道梯度指數(shù)，它們與剝蝕過程的動力特性、盆地的水文狀況以及河道形態(tài)等有關(guān)。

基于上述河流水力侵蝕模型，基巖河道縱剖面通常被描述為河道梯度 S"與上游流域面積 A"之間的冪次函數(shù)關(guān)系：

式中，K_s為河道陡峭指數(shù)（channel steepness index），θ為河道凹度指數(shù)（channel concavity index）。

根據(jù)S=K_sA^?θ，擬合河道梯度S和流域面積A數(shù)據(jù)，即可獲得河道陡峭指數(shù)和凹度指數(shù)。凹度指數(shù)范圍為0.3～0.6^[25-26]。確定恰當(dāng)?shù)陌级戎笖?shù)值作為流域統(tǒng)一的參考凹度指數(shù)θ_ref，用以獲得歸一化的河道陡峭指數(shù)K_sn（normalized channel steepness index）。 ，歸一化的河道陡峭指數(shù)K_sn是反映河道梯度的定量指標(biāo)，可以用于比較不同河段的河道陡峭程度^[25]。

2.4 "下切速率蒙特卡洛模擬

蒙特卡洛模擬方法主要是利用位錯-時間（D-t）數(shù)據(jù)來定量化識別滑動歷史和分布，該方法最初是為了利用斷層斷錯位移和年齡數(shù)據(jù)估計斷層滑動歷史的允許分布而開發(fā)的^[27]。但我們在這里將其調(diào)整為基于河流階地拔河高度和階地年齡確定當(dāng)?shù)睾恿飨虑兴俾?，該方法也在米家山黃河地區(qū)得到了應(yīng)用^[28]。通過采用蒙特卡洛模擬方法，可以綜合考慮拔河高度和年齡誤差的影響，將每個數(shù)據(jù)點(diǎn)擴(kuò)展成矩形誤差窗。河流下切速率擬合線不能出現(xiàn)負(fù)斜率，根據(jù)這一原則，將那些不符合下切歷史的區(qū)域去掉，利用盡可能符合實(shí)際情況的下切歷史數(shù)據(jù)計算下切速率。經(jīng)過數(shù)千次迭代計算后，我們得出了1000條潛在的下切歷史路徑線，用以作為下切速率值擬合的參考。在獲得下切速率斜率線之后，我們根據(jù)斜率線分離計算出下切速率誤差，得到了一個置信區(qū)間，其中包含了約68%的不確定性，此置信區(qū)間綜合考慮了時間和拔河高度誤差。

2.5 "野外地質(zhì)調(diào)查和河流階地的測量

進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查（圖2），沿中垛河選取河流階地明顯區(qū)域進(jìn)行測量河流階地拔河高度，通過對斷層經(jīng)過位置兩側(cè)河流階地拔河高度。中垛河位于離石斷裂的南段，河流橫穿斷層，發(fā)育了形態(tài)完整、連續(xù)性較好的 T1—T4 階地（圖3）。利用激光測距儀（精度0.3 m） 測量階地的拔河高度。

2.6 "階地的定年

為了獲取階地的形成年代，對中垛河4級階地進(jìn)行了取樣OSL測年，本研究在各級階地的河流相礫石層頂部獲取了4個可靠年齡的OSL樣品，這些樣品的年齡反映了階地脫離水面的時間。完成樣品檢測的任務(wù)由國家自然災(zāi)害防治研究院承擔(dān)。

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，我們使用弱紅光對樣品進(jìn)行處理，去除鐵管兩端可能曝光、污染的部分，并保留樣品中心部位用于等效劑量測定。我們使用約20 g的樣品來測定其含水量，之后將樣品烘干充分研磨，直到經(jīng)過篩孔大小為63 μm的篩子，才可以對待測樣品中的U、Th、K含量進(jìn)行測定。樣品為粉細(xì)砂及細(xì)砂，故采取90～150 μm粗顆粒組份。將未曝光的中心樣品取出，置入1000 mL燒杯中并進(jìn)行低溫烘干后進(jìn)行過篩，目的是將90～300 μm的粗顆粒組份篩選出來。接下來，采用10%的鹽酸去除碳酸鹽類礦物，再使用30%的雙氧水去除懸浮液中的有機(jī)質(zhì)。最后，使用高純水將懸浮液進(jìn)行清洗，直至達(dá)到中性低溫（50℃）烘干，用磁選儀去除磁性礦物，將得到的混合礦物置于200 mL聚四氟乙烯燒杯中，在40 min的反應(yīng)時間內(nèi)，通過與40%氫氟酸（HF）作用，達(dá)到反應(yīng)的目的。去掉殘留的部分長石及石英表面受到α射線影響的表層部分，最終，可以向樣品中緩慢加入1 mol/L濃度的稀鹽酸，以消除在與氫氟酸反應(yīng)時產(chǎn)生的氟化物。之后，用高純度水徹底清洗樣品，使其達(dá)到中性狀態(tài)，最后利用低溫干燥將其干燥。利用硅油均勻粘在直徑為9.7 mm不銹鋼片的中心約5 mm區(qū)域內(nèi)待測，確保其僅粘單層的石英顆粒。經(jīng)由氫氟酸（HF）刻蝕的粗顆粒石英顆粒的天然光釋光等效劑量測定采用單片再生法。在丹麥Risoe DA-20-C/D型熱/光釋光自動測量系統(tǒng)上，我們采用光釋光信號測量來進(jìn)行測定。為計算等效劑量值（D_e），我們選取信號的前0.8 s，減去背景值后，利用線性或指數(shù)擬合建立光釋光信號的劑量響應(yīng)曲線，即光釋光生長曲線。測定沉積物中石英或長石等礦物在地質(zhì)時期所接受的環(huán)境劑量率是釋光測年中重要的參數(shù)之一，其精確性直接影響到沉積物光釋光測年的精確度。環(huán)境劑量率指的是樣品在一定時間內(nèi)所接受的本身及其周圍沉積物中的放射性核素（如²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K）的α、β和γ衰變產(chǎn)生的電離輻射，同時也受宇宙射線D_c的微小影響。宇宙射線受樣品所處的經(jīng)緯度、海拔高度和埋深的影響，其具體數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，D為樣品每年吸收的周圍環(huán)境輻射劑量值，即環(huán)境劑量率（Gy/ka或mGy/a）；D_α、D_β、D_γ、D_c則分別為受到樣品附近α、β和γ輻射以及宇宙射線提供的劑量率（Gy/ka或mGy/a）。而α、β輻射相對于γ輻射釋放出光信號的效率，取決于被測物質(zhì)的粒徑和密度，還與α、β輻射的平均射程或能量相關(guān)。對于經(jīng)過HF腐蝕的石英粗顆粒（粒徑在90～150 μm之間），由于處理過程中HF已經(jīng)腐蝕掉受α照射的石英表面以及一小部分β輻射，因此其a值和b值分別為0和0.9。

本批樣品U、Th的含量是通過使用NexION300D等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測的，而K的含量則是通過Z-2000石墨爐原子吸收分析儀進(jìn)行測定的。根據(jù)Aitken^[29]的研究，我們可以將石英礦物吸收的環(huán)境劑量率與環(huán)境中的鈾、釷和鉀等含量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在計算每個樣品所吸收的環(huán)境劑量率時，我們還考慮了樣品的含水量，并且考慮了宇宙射線的貢獻(xiàn)。

3 "結(jié)果

3.1 "地貌計量指標(biāo)分析

3.1.1 "地表坡度和起伏度

圖4a，圖4c顯示了坡度和起伏度的空間分布，坡度和起伏度的結(jié)果清晰地反映了離石斷裂南段山脈構(gòu)造特征，坡度和起伏度的空間分布具有較高的一致性。為了進(jìn)一步比較各次區(qū)域的坡度和起伏度，利用提取的離石斷裂南段的流域，計算統(tǒng)計流域平均坡度和平均起伏度值（圖4b，圖4d）?？梢钥闯觯x石斷裂南段流域內(nèi)的平均坡度值在3°～23°之間，平均起伏度在1.5°～12.8°之間。相比之下，斷裂南段的平均坡度值和平均起伏度值大，整個斷裂南段的坡度和地形起伏度小，反映離石斷裂南段構(gòu)造活動弱。

3.1.2 "面積高程積分值（HI）

計算得到的HI值在0.32～0.59之間（圖5），表明流域處于發(fā)育期或成熟期，HI值沿斷裂方向呈現(xiàn)自北向南增大的趨勢。南部的HI值在0.47～0.59之間，地貌發(fā)育屬于壯年期。北部的HI值在0.32～0.47之間，局部河流地貌出現(xiàn)0.47～0.59，整個離石斷裂南段HI值不存在大于0.6的值，反映了該斷裂帶的活動性弱。

3.1.3 "河流陡峭指數(shù)（K_sn）

本文以Schwanghart和Kuhn^[5]編制的程序?yàn)榛A(chǔ)，利用MATLAB R2019b平臺計算了離石斷裂基巖區(qū)內(nèi)的河流K_sn，得到各河流K_sn的空間分布圖（圖6）。根據(jù)離石斷裂南段基巖河道計算得到的K_sn分布圖，K_sn取值范圍為15.4～100.8，其與計算獲得的HI值呈現(xiàn)相同的空間分布趨勢。斷裂帶整體K_sn值低，表明離石斷裂南段不具有構(gòu)造活動性。

3.2 "階地特征和定年

野外測量獲得中垛河河流階地特征（表1，圖7）。

樣品石英OSL測年結(jié)果和相關(guān)參數(shù)見表2。假設(shè)實(shí)驗(yàn)室測出的樣品U、Th和K含量以及含水量能夠有效地代表樣品在埋藏期間的U、Th、K含量和含水量；還假定在采集樣品時未發(fā)生過曝光。因此，表中的樣品OSL年齡可以被看作是距離最后一次曝光的時間。

3.3 "河流下切速率

通過上述階地拔河高度和階地年齡結(jié)果，建立了年齡與拔河高度的矩形誤差窗（圖8a），擬合得到的中垛河42 ka以來的河流下切速率為0.78 mm/a（圖8b），全新世以來的河流下切速率為1.89 mm/a（圖8c），42 ka至全新世的河流下切速率為0.39 mm/a（圖8d）。

4 "討論

4.1 "河流地貌指數(shù)影響因子

研究區(qū)位于基巖裸露、地形復(fù)雜的山區(qū)。區(qū)內(nèi)有一條大河?黃河，周邊水系密集。為了使提取的河流能夠充分響應(yīng)區(qū)域構(gòu)造變化，本文使用 ArcGIS 10.8中水文工具集中的填洼工具首先對 DEM 進(jìn)行處理，然后在填洼后分析流向流量，進(jìn)行河流鏈接。根據(jù)區(qū)域地形和地貌特征，選取的河流均勻分布在斷層兩側(cè)，所以相應(yīng)的河流地貌指數(shù)可以詳細(xì)記錄斷層活動信息。但這種選擇方法更適合基巖裸露、水系發(fā)達(dá)、地勢較大的山區(qū)；對于地勢相對平坦、水系密度較低的地區(qū)，選擇時需要調(diào)節(jié)流量閾值。

山區(qū)河流地貌形態(tài)受到構(gòu)造、巖性以及氣候條件的影響^[15]。要分析控制河流地貌指數(shù)的主要因素，需要對上述因素進(jìn)行探討。區(qū)域地層巖性圖（圖9，數(shù)據(jù)來自網(wǎng)站 https：//www.ngac.org.cn）顯示，石炭紀(jì)地層在該地區(qū)分布最廣，主要由砂巖頁巖和煤層組成，分布于研究區(qū)的中部和南部。寒武紀(jì)奧陶紀(jì)新近紀(jì)地層主要分布在研究區(qū)北部，主要由泥質(zhì)白云巖，石灰?guī)r，泥頁巖，棕紅色粘土亞粘土和花崗巖組成。三疊系分布在南部地區(qū)，主要由灰綠色淺紅色砂巖，雜色頁巖組成，部分地區(qū)有黃色土狀堆積。第四紀(jì)地層很少暴露，主要沉積類型為全新世統(tǒng)、上更新世統(tǒng)及中更新世統(tǒng)^[30]，在研究區(qū)北部少量分布。圖9是斷層經(jīng)過的主要區(qū)域，計算該區(qū)域的河流地貌指數(shù)。研究區(qū)北部分布的花崗巖、白云巖、石灰?guī)r均比南部的砂巖、頁巖、泥巖抗侵蝕能力強(qiáng)，河流地貌指數(shù)中HI、K_sn呈現(xiàn)相同的空間分布趨勢，即自北向南增大，這說明HI、K_sn的空間分布與巖性有關(guān)。研究區(qū)處于溫帶大陸性氣候，四季分明，雨熱同期，該地區(qū)降水量季節(jié)變化較大，但區(qū)域差異不顯著，河流地貌指數(shù)受氣候影響較小。

通過提取河流地貌指數(shù)，發(fā)現(xiàn)離石斷裂南段構(gòu)造活動較弱，討論氣候和巖性因素后，構(gòu)造活動也是控制該地區(qū)河流地貌特征的可能因素，從單個斷層來看，河流地貌明顯受地質(zhì)構(gòu)造和活動構(gòu)造的影響^[31]。不過，此前對離石斷裂的活動年代和活動的認(rèn)識仍不清楚，通過典型剖面確定其活動性。典型的地貌剖面如下所示：

曹洼村西側(cè)斷層剖面（圖10），基巖斷面發(fā)育于中垛河左岸，剖面從西到東出露3條斷裂，斷面產(chǎn)狀分別為271°∠76°，278°∠72°和304°∠74°。斷面直接基巖具水平層理，斷層?xùn)|西兩側(cè)為坡積黃土夾礫石，未被錯斷。斷面上覆基巖水平層理，未被錯斷。此處發(fā)育4級河流階地，拔河高度分別為4.8 m、8.5 m、20.2 m、40.2 m，4級階地均未被錯斷。

樂化村東剖面出露基巖剖面（圖11），發(fā)育逆沖斷層，垂直斷距約為1 m。表層含有現(xiàn)代植物根系未被錯斷，斷層面發(fā)育斷層泥物質(zhì)，厚約30 cm。斷層產(chǎn)狀為246°∠62°，西側(cè)上盤灰?guī)r產(chǎn)狀為239°∠12°，東側(cè)下盤灰?guī)r產(chǎn)狀為273°∠18°。

通過野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)離石斷裂南段地質(zhì)剖面未發(fā)現(xiàn)活動跡象，穿過斷裂沖溝的T4階地未被斷錯，T4階地年齡為（41.22 ± 2.33） ka，該斷裂帶最新活動時代早于該級階地形成時間。整個離石斷裂南段HI值不存在大于0.6的值，與離石斷裂晚更新世晚期以來不活動匹配。斷裂帶整體K_sn值低，表明離石斷裂南段晚更新世晚期以來不具有構(gòu)造活動性，河流地貌指數(shù)HI、K_sn的空間分布趨勢與巖性有關(guān)。相比之下，南段斷裂的平均坡度值和平均起伏度值大，總體坡度和地形起伏度小，反映離石斷裂南段構(gòu)造活動弱。

4.2 "河流下切速率影響因子

河流階地的形成受到多種因素的影響，包括但不限于構(gòu)造抬升、氣候變化、基準(zhǔn)面變化^[32]以及河流系統(tǒng)內(nèi)在動力的變化，而這些影響是在不同時空尺度上作用的^[33]。研究區(qū)內(nèi)大部分主要河流和較大的沖溝的河漫灘以及Ⅰ級階地和山前洪積扇屬于全新統(tǒng)（Qh），這些地形主要是由砂礫石層、角礫層和亞砂土層構(gòu)成，地表覆蓋著沖洪積物和少量殘坡積物。Ⅱ級基座階地和山前沖洪積臺地，形成于上更新統(tǒng)（Qp₃）河流和較大規(guī)模沖溝的侵蝕作用。中更新統(tǒng)（Qp₂）地層構(gòu)成了主要大河及較大沖溝Ⅲ、Ⅳ級階地，該地層主要由礫石組成，屬于半膠結(jié)沉積。

在地貌尺度上，形成階地是由構(gòu)造運(yùn)動和氣候變化的相互作用共同驅(qū)動的，這已被學(xué)界廣泛認(rèn)可。區(qū)域的構(gòu)造隆升提供了河流下切所需的垂直空間，在這一過程中，氣候變化通過對流域降水和植被覆蓋等的影響，從而控制著河流徑流和泥沙量，進(jìn)而調(diào)節(jié)河流的侵蝕與堆積過程^[34]。大量的國際比對研究表明，在冰期與間冰期、間冰期和冰期的轉(zhuǎn)換期中，氣候變遷引起流域水文狀況的變化，導(dǎo)致河流侵蝕下切，從而形成了階地^[35]。在亞軌道或者更小尺度上的許多研究同樣表明，氣候轉(zhuǎn)型期是河流侵蝕下切主要發(fā)生的時期^[36-38]。

通過全球的氣候變化數(shù)據(jù)^[39]（圖12），觀察到在下切時代，即T4形成時期，MIS2冷卻期的深海氧同位素出現(xiàn)，T4的形成原因可能源于軌道尺度的氣候變化，導(dǎo)致河流下切。相比之下，T1、T2和T3的形成則發(fā)生在全球氣候回暖的時期，表明河流下切速率增加可能是由于氣候變暖的結(jié)果。對于形成于T4到T1之間的地層，我們無法明確軌道尺度氣候冷暖波動的關(guān)系，這可能與全球氣候變化記錄分辨率的不足有關(guān)。然而，這些地層仍然形成于區(qū)域氣候波動時期，表明它們是對氣候變化有響應(yīng)的。

5 "結(jié)論

基于 DEM 和 ArcGIS 水文分析工具和MATLAB相關(guān)程序，提取并計算離石斷裂南段河流及其流域的地貌指數(shù)，發(fā)現(xiàn)區(qū)域河流地貌指數(shù)的空間分布差異不大。河流地貌發(fā)展總體上處于發(fā)育或成熟階段，根據(jù)多個河流地貌指數(shù)指示，離石斷裂南段構(gòu)造活動較弱。根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查和測年結(jié)果推斷該斷裂帶至少晚更新世晚期以來不活動。離石斷裂南段區(qū)域中垛河河流下切速率分兩段，42 ka以來中垛河流下切速率線性擬合的結(jié)果為0.78 mm/a，全新世以來的下切速率是1.89 mm/a，主要受氣候變化影響。

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Regional fluvial geomorphic index and terrace downcutting process in the southern section of Lishi fault in Shanxi Province and their tectonic significance

Li Xing’ao¹， He Zhongtai^{2， *}， Lei Xuanyue¹， Li Linlin¹， Zhao Junxiang¹

1. National Institute of Natural Hazards， Ministry of Emergency Management of China， Beijing 100085， China

2. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics， Institute of Geology， China Earthquake Administration， Beijing """"100029， China

[Abstract] """"Based on digital elevation model （DEM）， field river terrace survey and optical stimulated luminescence dating （OSL） dating， the slope， relief degree of land surface （RDLS）， hypsometric integral （HI） and channel steepness index （K_sn） of the southern section of the Lishi fault zone are extracted and analyzed. Monte Carlo simulation of the cutting rate of Zhongduo River， a tributary of the Yellow River that passes through the fault is carried out. The results show that， according to the river geomorphic index， the river geomorphic index is low， the river geomorphic development is in the developing or mature stage overall， and the structural activity of the southern section of Lishi fault is weak. According to the faulting relationship between the river terrace and the fault in Zhongduo River， combined with the terrace dating results， the fault zone is inactive at least since the Late Pleistocene. Using the height and age data of terrace tug-of-war at all levels， the ages of T1—T4 of Zhongduo River are （2.08 ± 0.19） ka， （5.63 ± 0.5） ka， （10.22 ± 0.62） ka and （41.22 ± 2.33） ka， respectively. The linear fitting result of the river cutting rate of Zhongduo River since 42 ka is 0.78 mm/a. The river cutting rate since Holocene is 1.89 mm/a， which is mainly influenced by climate change.

[Keywords] southern section of Lishi fault; river geomorphic index; river cutting rate; Monte Carlo simulation; fault activity