北天山流域地貌特征及其构造活动分析

第33卷 第4期2017年7月地理与地理信息科学GeographyandGeo2InformationScienceVol.33 No.4July2017

收稿日期:2017-04-10; 修回日期:2017-06-19 基金项目:中国水利水电科学研究院全国山洪灾害调查评价项目(SHZH2IWHR257) 作者简介:刘樯漪(1993-),女,硕士研究生,主要从事数字地形地貌分析。*通讯作者E-mail:chengwm@lreis.ac.cn

doi:10.3969/j.issn.1672-0504.2017.04.014北天山流域地貌特征及其构造活动分析

刘樯漪1,2,程维明1,3*,郭 良4,5,孙东亚4,5(1.中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,北京100101;2.中国科学院大学,北京100049;3.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,江苏南京210023;4.中国水利水电科学研究院,北京100038;5.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心,北京100038)

摘要:以流域为单位计算地貌参数有助于分析区域构造活动。该文以北天山山区为研究区,将其划分为805个流域,提取地势起伏度(RA)、分形维数(FD)、河流阶梯指数(SL)、面积-高程积分(HI)、圆度比(Rc)5个参数,并以此为基础构建相对构造活动强度(IRAT),以此分析北天山流域地貌特征及构造活动强度。研究表明北天山不同地貌分区内呈现不同地貌特征,高山区地势起伏度及河流阶梯指数整体较大,河谷区圆度比变化较大。相对构造活动强度空间分布表明,研究区域中间部分构造活动较为活跃,自中部向东西两侧,强度逐渐降低;低山丘陵区中,准噶尔南缘断裂带所在区域构造活动强度更高。以流域地貌指标反映的构造活动强度分布与地壳构造变形位移场所计算结果较为相似。关键词:北天山;流域;地貌参数;相对构造活动强度中图分类号:P931.2 文献标识码:A 文章编号:1672-0504(2017)04-0079-07

0 引言天山是准噶尔、西伯利亚、伊犁、塔里木和图兰5个大陆板块边缘褶皱山系的拼合体,在中新世晚期印度洋板块对欧亚板块的强烈碰撞及准噶尔板块与西伯利亚构造板块的反碰撞作用下,天山地壳短缩上隆,逐步形成现代天山山地[1-5]。中新世晚期以来,历次板块构造活动在天山各地的运动方向和幅度的差异大体上控制着天山山地的展布[6-8],缔造了天山基本格局。对天山流域地貌特征以及地貌发育的研究将为揭示新生代构造活动特征、探究天山地区现阶段构造活动强度分布提供新的依据。北天山地区构造活动频繁,山区内分布多条河流及断裂带,其北麓平原是新疆经济较为发达地区,人口密集,因此一直是构造活动性研究关注的重点区域[9-12]。相较于从水文侵蚀速率、大地测量地壳抬升速率、河流阶地等角度分析构造活动,以流域地貌参数为切入点进行分析,不仅充分考虑了整个地貌发育过程,同时也能在一定程度上量化地貌在遗迹较少地区长时间尺度上的构造活动[13,14]。此外,不同流域地貌参数可以从不同角度对流域构造活动进行衡量,综合选取多个参数有助于提高构造活动分析结果的合理性及可靠性[15-17]。目前北天山构造活动性的研究多从地质、河流阶地、构造变形应力场等角度入手[18-21],以流域为单位提取地貌参数分析构造活动的研究较少。已有研究多集中于北天山北麓或单一流域,计算地貌参数较少,主要为面积-高程积分、河道纵剖面曲线等[22-25],综合多个地貌参数探讨北天山山区构造活动的研究并不多见。因此,本文以北天山山区为研究对象,以流域为基本单元,计算对于构造活动程度表征较好的5个地貌参数:地势起伏度(RA)、分形维数(FD)、河流阶梯指数(SL)、面积-高程积分(HI)和圆度比(Rc),并将其分级后综合为相对活动构造强度(IRAT)。以此为依据,从地貌分区的角度综合分析北天山流域地貌特征,探讨构造活动强度的空间分布。

1 研究区概况研究区地处准噶尔盆地古尔班通古特沙漠与中天山之间,东侧为吐鲁番盆地(图1)。研究区海拔变化较大(190~5272m),平均海拔2246m;平均坡度19b,大部分坡度位于0b~15b之间,坡度50b以上区域较少,且主要集中在高山冰川覆盖区。研究区以高山、中山为主,低山丘陵分布次之,偶有零星河谷及盆地分布;区域内主要河流有伊犁河、喀什河等;主要断裂带包括准噶尔南缘断裂带、伊林哈比尔尕)西拉木伦断裂带(参照国家基础地理信息系统1B400万数据)。 图1 研究区地貌概况Fig.1 Geomorphicalprofileofthestudyarea

北麓整体地貌过渡较为明显,由高山至平原中间依次分布有中山、低山丘陵等,仅北麓中间部分未有低山丘陵出现;北麓东部主要以高山及低山丘陵为主,中间夹有中山分布,而北麓西部河谷所占范围较大,高山及中山均呈细长型分布。由于与中天山相连,南麓东部集中分布为高山,未见中山及低山丘陵,而西部高山)中山)低山丘陵的过渡带则较为完整。此外,研究区大部分为流水地貌及黄土地貌,冰川地貌及冰缘地貌集中分布在南部高海拔地区。2 研究方法2.1 流域划分基于SRTMDEM(ShuttleRadarTopographyMissionDigitalElevationModel)数据(30m空间分辨率),采用Strahler河道分级方法将河道划分为5个级别,在流域自动划分的基础上参考基础地理底图以及全国流域分区对流域边界进行相应修正,共得到805个流域。2.2 流域参数计算2.2.1 地势起伏度 地势起伏度是定量描述地貌形态、划分地貌类型的重要指标,通常指区域内最大高程与最小高程间的差值[26]。构造活动强弱、切割深度以及表面侵蚀程度等都会对流域地势起伏度产生影响,一般而言,断层一侧强烈的逆冲隆升会造成断层带两侧高差的急剧增加。因此,流域地势起伏度(RA)可以在一定程度上表征流域构造活动性的强弱,计算公式为:RA=hmax-hmin(1)式中:hmax与hmin代表流域内最大高程与最小高程。本文参考1B100万数字地貌图中起伏度分级方法[27],将地势起伏度分为5个等级。第一级:<200m;第二级:[200,500)m;第三级:[500,1000)m;第四级:[1000,2500)m;第五级:\2500m。地势起伏度越大,级别越高,构造活动强度相对较强。2.2.2 分形维数 分形理论由美国数学家曼德布罗特创立,用以表征局部以某种形式与整体的相似性[28,29]。水系的分形主要反映水系的发育程度,代表水系所处流域的地貌侵蚀发育阶段。流域处于不同地貌侵蚀发育阶段也意味着其构造活动的强弱存在差别:构造活动强的区域,流域分形维数通常较低,而构造活动弱的区域,流域分形维数通常较高[30]。本文采用盒维数法计算分形维数,其主要思想是使用不同边长的正方形网格去覆盖水系,通过构建网格边长与覆盖水系所需网格数目间关系求取分形维数[31,32]。计算公式为:lgN(r)=-D@lgr+A(2)式中:r为网格边长;N(r)为覆盖水系所需网格数目;A为待定常数;D的绝对值表示水系的分形维数,本文中用FD表示。参照Guillermo等[33]的分级方法,将分形维数共分为5个等级。第一级:\1115;第二级:[1110,1115);第三级:[1108,1110);第四级:[1106,1108);第五级:<1106。分形维数越小,级别越高,构造活动强度越强。2.2.3 河流阶梯指数 河流阶梯指数是表征河流侵蚀和沉积过程的地貌参数,通过河流坡面变化情况表达河流状态[34,35]。河流阶梯指数主要受构造活动和岩石抗侵蚀力影响,构造活动造成的河流坡度局部变化会使河流阶梯指数升高。计算公式为:

SL=($H$L)@L(3)式中:$H为每单位河段的高程差;$L为每单位河段的距离;L为河流源头至河段中点的距离。本文河流阶梯指数共分为5个等级。第一级:<25m;第二级:[25,75)m;第三级:[75,200)m;第四级:[200,400)m;第五级:\400m[35]。河流阶梯指数越大,级别越高,构造活动强度越强。2.2.4 面积-高程积分 面积-高程积分以二维面积高度曲线描述三维地面土地体积残存率,不同面积-高程积分对应表征流域处于不同地貌发育阶段,与构造活动、岩性、降雨侵蚀等有关,因而可用于估算流域构造活动[36,37]。面积-高程积分高意味着流域内大部分物质体积未被侵蚀,地形演化时间短,对应表示流域构造活动较强;反之则较弱。基于近似计算方法,面积-高程积分计算公式为[38]:

HI=hmean-hminhmax-hmin(4)式中:hmean表示流域内平均高程值。参考戴维斯侵蚀循环理论[39],面积-高程积分

页80第地理与地理信息科学 第33卷共分为5个等级。第一级:<0130;第二级:[0130,0140);第三级:[0140,0150);第四级:[0150,0160);第五级:\0160。面积-高程积分越大,级别越高,构造活动强度相对较强。2.2.5 圆度比 圆度比定义为流域面积与等周长圆面积之比[40]。圆度比关注的地貌形态与流域形状系数有着很大的共同点,二者描述的均是水平投影上流域形状对于圆形的趋近程度。流域盆地形状越趋近于狭长形,通常认为流域构造活动强度较强;流域盆地形状趋近于圆形,则认为流域构造活动强度较弱。计算公式为:Rc=4PAP2(5)式中:A为流域面积;P为流域周长。本文以1倍标准差分级为基本法则,在此基础上将圆度比分为5个等级。第一级:\0160;第二级:[0140,0160);第三级:[0125,0140);第四级:[0110,0125);第五级:<0110。圆度比越小,级别越高,构造活动相对较强。2.3 相对构造活动强度上述地貌参数从地貌形态、地貌发育阶段、流域形态3方面衡量构造活动强度。为更好地表征区域构造活动强弱,通常将若干地貌参数综合为一个评价指标进行分析。因此本文将分级结果进行算术平均处理,以获得相对构造活动强度[32,34,41,42],用以表征整个研究区域内构造活动情况,相对构造活动强度越大,则流域构造活动强度越强。计算公式为:IRAT=RA+FD+HI+SL+Rc5(6)3 结果分析3.1 地貌参数3.1.1 地形起伏度 从图2可以看出,流域地势起伏度在整个研究区域内变化较大,最小仅为8m,最大近3500m,平均1547m。研究区大部分流域地势起伏度大于1000m,小部分分布在500~1000m之间,极少数小于500m。高山区流域地势起伏度基本在1000m以上,由中山区至低山丘陵区、河谷区,地势起伏度逐步减小。同时,地势起伏度在不同地貌分区内呈现出不同的分布特点。博格达断裂带与伊林哈比尔尕断裂带横穿中部高山,地势起伏度较高流域沿断裂带走向分布在断裂带两侧,因此高山区断裂带附近地势起伏度明显高于其他区域。中山区地势起伏度呈现出西高东低的分布特征,东侧分布在500~1000m之间,而西侧多在1000m以上,断裂带附近地势起伏度同样相对较高。低山丘陵区地势起伏度在山脊线南北两侧存在一定的差异性,南侧地势起伏度要高于北侧。整体而言,地势起伏度与断裂带呈现一定相关性,主要断裂带附近流域地势起伏度往往较高。