張　潔,王少軍,梁明劍

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430074; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016;3.四川省地震局,四川 成都 610041)

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福建沿海地區(qū)流域盆地的面積-高程積分特征及其新構(gòu)造指示意義①

張潔1,2,王少軍1,梁明劍3

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430074; 2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016;3.四川省地震局,四川 成都 610041)

基于ASTER GDEM V2數(shù)據(jù),提取福建沿海地區(qū)主要的水系網(wǎng)絡(luò)和流域盆地,計算亞流域盆地的面積-高程積分值(HI值),以分析區(qū)內(nèi)流域地貌與新構(gòu)造運(yùn)動的響應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明,HI值從沿海向內(nèi)陸呈條帶狀逐漸遞減,與本區(qū)NW向主要斷裂帶的活動特征和小震活動分布特征具有較好的一致性,這也可能是區(qū)內(nèi)向內(nèi)陸地區(qū)方向受到臺灣島動力觸角的影響逐漸減弱的原因。同時南海盆地打開的裂谷擴(kuò)張和太平洋板塊向東俯沖過程的博弈結(jié)果在福建沿海地區(qū)的流域地貌中也得到了比較充分的反映。

流域面積-高程積分; 新構(gòu)造活動; 福建沿海地區(qū)

0　引言

構(gòu)造地貌是構(gòu)造作用導(dǎo)致的地殼隆升和地表過程相互競爭的結(jié)果[1-3]。其中水系地貌的發(fā)育對構(gòu)造運(yùn)動反映相當(dāng)敏感,其地貌形態(tài)可能記錄了不同尺度構(gòu)造、氣候和侵蝕過程變化的信息[3-8]。因此,水系地貌是研究構(gòu)造運(yùn)動與地貌響應(yīng)的重要紐帶之一[9-11]。Strahler[12]基于Davis地貌侵蝕循環(huán)理論,最先提出以流域的面積-高程積分描述流域地貌的發(fā)育特征和演化過程。Ohmori[13]采用數(shù)值模擬方法,模擬持續(xù)的造山隆升作用下造山帶流域盆地的演化和面積-高程積分的變化關(guān)系。國內(nèi)外的研究表明,流域盆地的面積-高程積分可以三維地描述構(gòu)造地貌及其發(fā)育程度,并與地殼隆升速率呈正相關(guān)[14-17],是一種分析構(gòu)造活動十分有效的地貌參數(shù)[3,16-19]。

福建沿海地區(qū)緊鄰臺灣島、菲律賓板塊和太平洋板塊之間的匯聚帶,其構(gòu)造變形主要受該匯聚邊界的影響。區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育有NW和NE向兩組斷裂帶,其中NE向斷裂帶規(guī)模最大,控制著區(qū)內(nèi)的構(gòu)造格局。福建沿海地區(qū)位于臺灣島動力觸角的影響區(qū)[20],動力觸角的強(qiáng)烈推擠作用地帶應(yīng)在沿海一線(泉州—廈門—汕頭—福州一線),并向內(nèi)陸及NE、SW兩側(cè)逐漸減弱。在此區(qū)域動力學(xué)背景下,研究區(qū)內(nèi)NE向斷裂的活動性自東向西逐漸減弱,現(xiàn)代小震活動自東向西也由叢集特征逐漸轉(zhuǎn)為彌散狀態(tài)。

該地區(qū)發(fā)育有閩江(S1)、甌江(S2)、鰲江(S3)、霍童溪(S4)、交溪(S5)、飛云江(S6)和楠溪江(S7)等主要水系,這些流域的地貌可能記錄了該區(qū)構(gòu)造運(yùn)動的重要信息,是認(rèn)識該區(qū)構(gòu)造變形特征及其地貌響應(yīng)關(guān)系的重要紐帶之一。因此,本文基于ASTER GDEM V2數(shù)據(jù),劃分福建沿海地區(qū)主要水系和流域盆地,計算各亞流域盆地的面積-高程積分值(HI值),并探討其空間差異分布特征,分析其構(gòu)造意義。

1　地質(zhì)地貌特征

1.1地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)在構(gòu)造上處于歐亞大陸板塊東南緣,瀕臨太平洋板塊,為環(huán)太平洋中新生代巨型構(gòu)造—巖漿帶的陸緣活動帶的一部分,是全球構(gòu)造—巖漿活動最活躍的地區(qū)之一[21]。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育,斷裂常呈密集帶狀展布,其中以NNE-NE向及NW向斷裂帶較為重要,形成東西向成條、北西向成塊的福建區(qū)域構(gòu)造格架(圖1)。

1.全新世斷層; 2.晚更新世斷層; 3.前第四紀(jì)斷層; 4.左行走滑斷層; 5.斷裂帶編號; 6.中新世以來玄武巖及同位素采樣點(diǎn);7.山峰及高程; 8.海岸線及水系; 9.縣; 10.市; 11.流域劃分及編號F1：濱海斷裂帶；F2：長樂—詔安斷裂帶；F3：政和—大埔斷裂帶；F4：邵武—河源斷裂帶注：圖中斷裂主要根據(jù)1∶100萬地質(zhì)圖修正和簡化；玄武巖同位素年代數(shù)據(jù)引用自文獻(xiàn)[22]圖1　研究區(qū)中新生代主要斷裂構(gòu)造分布圖Fig.1　Major Mesozoic-Cenozic faults in the study area

1.2地貌特征與流域劃分

研究區(qū)為東南沿海低山丘陵區(qū),地貌類型總體上由北西向南東呈現(xiàn)由侵蝕-剝蝕的中高山-中低山、丘陵、侵蝕-堆積崗地到洪積-沖積平原、沖積平原、海積-沖積平原、海積平原的變化。區(qū)內(nèi)最高山脈為武夷山山脈,海拔多在1 000～1 500 m,其主峰黃崗山高達(dá)2 157 m；丘陵地區(qū)海拔一般為50～500 m；海岸多為巖質(zhì),河流入?？诎l(fā)育一系列小型三角洲(圖2)。

基于ASTER GDEM數(shù)據(jù),將福建沿海地區(qū)劃分為7個主要流域：閩江(S1)、甌江(S2)、鰲江(S3)、霍童溪(S4)、交溪(S5)、飛云江(S6)和楠溪江(S7)。其中,閩江(S1)流域最大,面積達(dá)60 838 km2,由建溪、富屯溪、沙溪三條主要支流交匯而成,橫貫沿海山脈,于瑯歧島一帶注入東海。甌江(S2)為山溪型河流,上游迂回于中高山區(qū),河道坡度較陡,多急流險灘,下游河道寬緩,在福州一帶匯入東海；楠溪江(S7)屬于甌江(S2)一大支流,于福州附近匯入甌江。鰲江(S3)源起南雁蕩山脈吳地山南麓,分南、北兩支流,于鳳江匯合后注入東海。交溪(S5)源于福建省太姥山、鷲峰山與浙江省洞宮山脈之間,流域地勢北高南低,水系呈樹枝狀展布?；敉?S4)發(fā)源于福建省鷲峰山脈,流經(jīng)霍童鎮(zhèn)、九都、八都等鄉(xiāng)鎮(zhèn)后匯入三沙灣,注入東海,流域總體地勢由中、低山向低山、丘陵過渡。飛云江(S6)發(fā)源于洞宮山白云尖北麓,支流水系多呈羽狀,兩岸流域面積不對稱,可能受構(gòu)造的影響,于瑞安市東注入東海。

圖2　研究區(qū)主要流域劃分Fig.2　Main river basins in the study area

2　面積-高程積分

2.1技術(shù)方法

面積-高程積分可以三維地描述流域地貌的特征與演化過程,它的計算關(guān)鍵在于分級水系網(wǎng)絡(luò)和流域盆地的提取,而ArcGIS強(qiáng)大的空間分析功能使之得以實(shí)現(xiàn)。

1971年P(guān)ike等[31]推導(dǎo)出簡面積-高程積分(HI值)計算公式：

(1)

式中:HI、Hmean、Hmax、Hmin分別為流域盆地的面積-高程積分值、平均高程、最大高程和最小高程,HI值從0到1,在侵蝕程度較高的區(qū)域其值接近于0,而在侵蝕程度較低的地區(qū)接近于1[33]。面積-高程積分能夠三維地描述構(gòu)造地貌及其發(fā)育程度[16,34],并且對新構(gòu)造活動、巖性差異和氣候變化等因素反應(yīng)也較敏感[14-15,17,35]。

基于ASTER GDEM V2數(shù)據(jù),通過ArcGIS的水文分析模塊(Hydrology),按Strahler分級提取研究區(qū)水系網(wǎng)絡(luò)及其亞流域盆地,共獲得7個主要流域并選取了265個亞流域盆地。

采用式(1)和ArcGIS的統(tǒng)計分析模塊(Statistics)計算每一個亞流域盆地的面積-高程積分值(HI值)。每個HI值都賦予相對應(yīng)的亞流域盆地的幾何中心點(diǎn),并采用反加權(quán)距離方法對獲得的HI值進(jìn)行空間內(nèi)插,生成等值分區(qū)圖(圖3)。

圖3　研究區(qū)亞流域盆地及HI值分布特征圖Fig.3　Sub-basins and HI values distribution in the study area

2.2面積-高程積分及其構(gòu)造意義

研究區(qū)的HI值呈明顯的條帶狀分布,可大致分為3個條狀區(qū)帶(Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)),而且從沿海向內(nèi)陸延伸,HI值呈明顯的遞減趨勢(圖3)。由于較大的流域盆地可能橫跨多條活動斷裂或多個新構(gòu)造分區(qū),其值主要反映區(qū)域性的新構(gòu)造活動差異對流域盆地地形的影響；而較小流域盆地的HI值更容易反映巖性差異和局部構(gòu)造作用的影響[16]。這種HI值的趨勢變化與本區(qū)的構(gòu)造活動特征相對應(yīng),區(qū)內(nèi)以濱海斷裂帶(F1)活動性最強(qiáng),內(nèi)陸的長樂—詔安斷裂帶(F2)、政和—大埔斷裂帶(F3)、邵武—河源斷裂帶(F4)總體表現(xiàn)為活動性逐漸減弱的態(tài)勢[26-31]。其中分布于麗水—龍泉—政和—尤溪一線以東的沿海地區(qū),HI值最高達(dá)0.591,尤以景寧—壽寧—屏南一線呈異常高值。展布在該區(qū)帶里的長樂—詔安斷裂帶為逆斷層性質(zhì),帶內(nèi)應(yīng)力場為壓性,該帶的HI值可能反映了長樂—詔安斷裂帶逆沖推覆運(yùn)動導(dǎo)致區(qū)帶內(nèi)的差異隆升,且由于緊靠濱海斷裂,也可能疊加了濱海斷裂帶新活動和臺灣島動力觸角的影響。

Ⅰ區(qū)內(nèi)福州、福安等地呈低HI值,這是因為這些地方為沿海盆地,表現(xiàn)為盆地沉積和局部構(gòu)造沉降的特征。

Ⅱ區(qū)的西邊界為浦城—建陽—明溪—連城一線,由此可見Ⅱ區(qū)基本夾持在東側(cè)的政和—大埔斷裂帶和西側(cè)的邵武—河源斷裂帶之間。現(xiàn)代地殼垂直變形觀測表明政和—大埔斷裂帶兩側(cè)存在明顯的差異隆升,且東側(cè)的隆升幅度高于西側(cè)[29],在HI值上則表現(xiàn)為Ⅰ區(qū)顯著地高于Ⅱ區(qū),而處于向內(nèi)陸的過渡地貌帶,其HI值又明顯高于Ⅲ區(qū)。Ⅱ區(qū)內(nèi)建甌一帶的HI低值反映的是由于局部構(gòu)造差異性的隆升導(dǎo)致的閩江上游下切侵蝕強(qiáng)烈的河谷地貌。

Ⅲ區(qū)主要是浦城—建陽—明溪—連城一線以西地區(qū),HI值呈明顯的低值異常,這可能反映了該地區(qū)構(gòu)造活動相對較弱,而且遠(yuǎn)離濱海地區(qū),受濱海構(gòu)造變形的影響較小。

HI值剖面(A-B)顯示該值自濱海向內(nèi)陸方向也呈現(xiàn)出三個臺階,并逐漸遞減[圖3(c)],同時反映了該區(qū)域構(gòu)造活動向內(nèi)陸減弱的態(tài)勢。尤其長樂—詔安斷裂帶(F2)附近HI值剖面呈明顯的高峰值,反映了該斷裂仍存在一定的新活動性,其兩側(cè)差異隆升作用對斷裂沿線地貌影響顯著；政和—大埔斷裂帶處于剖面的第二臺階,表明其活動性仍對地貌存在一定的影響,但是相對于長樂—詔安斷裂帶沿線一帶要弱；邵武—河源斷裂帶(F4)則處于HI低值平臺,表明該斷裂第四紀(jì)新活動已不明顯,對地貌的塑造趨于停止。

3　區(qū)域動力學(xué)分析

Fauur M N 等[36]認(rèn)為,東南沿海地區(qū)在中生代—早第三紀(jì)受太平洋板塊俯沖作用,處于活動的亞洲大陸邊緣,晚第三紀(jì)—第四紀(jì)俯沖帶東移形成了亞洲東部邊緣的裂谷盆地。該裂谷系北起西伯利亞,經(jīng)中國東部至越南[37]。這一大地構(gòu)造背景與實(shí)際觀察到的擠壓構(gòu)造作用有著明顯的不一致。

對福建廈門地區(qū)的中、新代構(gòu)造應(yīng)力場研究表明,中、新生代構(gòu)造應(yīng)力場的最大主壓應(yīng)力基本上為NW-SE向,最大主壓應(yīng)力軸的優(yōu)選方位分別為：侏羅紀(jì)最大和最小主壓應(yīng)力軸的優(yōu)選方位分別為SE138°∠8°和SW219°∠11°,白堊紀(jì)分別為SW205°∠12°和NW296°∠11°,第四紀(jì)分別為NW310°∠5°和SW216°∠7°[37]。這一成果與野外調(diào)查結(jié)果比較吻合,NE向斷裂以壓扭性構(gòu)造為主,NW向斷裂以張扭性構(gòu)造為特征。

以明溪—閩清—龍海為代表的從內(nèi)陸到沿海橫剖面顯示,新生代玄武巖的年齡逐漸變老。40Ar-39Ar同位素年齡表明[38]：明溪玄武巖年齡2.2～0.9 Ma,閩清玄武巖年齡12 Ma,龍海牛頭山玄武巖17.1～14.9 Ma。位于明溪玄武巖NE方向的浙江游龍,在同一斷裂帶(F4)也有上新世-更新世玄武巖出露；閩清玄武巖NE的浙江新昌玄武巖也獲得40Ar-39Ar同位素年齡為9.4 Ma[31](圖1)。這標(biāo)志著太平洋板塊向東的俯沖作用始終還在進(jìn)行。

從上述野外構(gòu)造研究、地震研究及新生代玄武巖同位素年齡研究的成果可以看出福建沿海地區(qū)處于擠壓構(gòu)造應(yīng)力場,且越靠近太平洋板塊,應(yīng)力越強(qiáng)。大地構(gòu)造所反映的拉張構(gòu)造環(huán)境還應(yīng)在東南沿海地區(qū)以西的裂谷擴(kuò)張區(qū)。

對現(xiàn)代地震的研究認(rèn)為,福建沿海地區(qū)位于臺灣島動力觸角的影響區(qū)[39],動力觸角的強(qiáng)烈推擠作用地帶應(yīng)在沿海一線(泉州—廈門—汕頭—福州一線),并向內(nèi)陸及NE、SW兩側(cè)逐漸減弱。

現(xiàn)今的地震活動特別是大地震的發(fā)生主要集中在板塊碰撞的前緣——臺灣島;其次為展布于臺灣NW后緣的構(gòu)造帶,尤其沿濱海斷裂帶現(xiàn)今中小地震呈條帶狀密集分布,且歷史上發(fā)生過7級以上的大地震,表明該帶受到臺灣島動力觸角的影響最為強(qiáng)烈。隨后向內(nèi)陸進(jìn)一步延伸,中小地震分布逐漸變得稀疏,反映出從沿海地區(qū)到內(nèi)陸地區(qū)受到動力觸角的影響逐漸減弱(圖4)。

同時研究區(qū)亞流域盆地及其HI值的分布特征和區(qū)域應(yīng)力場、構(gòu)造變形強(qiáng)度具有很好的一致性。自沿海向內(nèi)陸,HI值呈現(xiàn)出明顯條帶狀分區(qū)(Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)),且各區(qū)帶的HI值總體表現(xiàn)為Ⅰ區(qū)>Ⅱ區(qū)>Ⅲ區(qū),表明這三個區(qū)受到的區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的影響逐漸減弱,也說明這種應(yīng)力場主要來源于板塊匯聚邊界——臺灣島。從研究區(qū)內(nèi)部的活動構(gòu)造來看,從臺灣海峽的濱海斷裂帶(F1)向沿海的長樂—詔安斷裂帶(F2)以及內(nèi)陸的政和—大埔斷裂帶(F3)、邵武—河源斷裂帶(F4)總體表現(xiàn)為活動性逐漸減弱的態(tài)勢[26-31]；而長樂—詔安斷裂帶、政和—大埔斷裂帶和邵武—河源斷裂帶與3個分區(qū)的界線基本吻合,很好地反映了區(qū)域構(gòu)造變形和斷裂活動性差異對研究區(qū)地貌的影響及流域地貌的反饋?zhàn)饔谩?/p>

4　結(jié)論

(1)福建沿海地區(qū)緊鄰臺灣島、菲律賓板塊和太平洋板塊之間的匯聚帶,受到臺灣島動力觸角的影響比較顯著。濱海斷裂帶、長樂—詔安斷裂帶、政和—大埔斷裂帶、邵武—河源斷裂帶的活動性表現(xiàn)出向內(nèi)陸延伸呈減弱的總體趨勢。這與不同空間尺度GPS測網(wǎng)表明的大陸東南沿海既存在著以11～12 mm/a 的速度向海洋運(yùn)動,又存在著以3 mm/a的速度向內(nèi)陸運(yùn)動[40]的數(shù)據(jù)是一致的。

圖4　研究區(qū)域動力學(xué)模式示意圖Fig.4　Sketch map of the kinetic model in the study area

(2)該地區(qū)主要流域的HI值呈現(xiàn)出明顯的條帶狀分區(qū),向內(nèi)陸方向也呈減弱的態(tài)勢,與區(qū)域應(yīng)力場、構(gòu)造變形強(qiáng)度具有很好的一致性。這表明福建沿海地區(qū)的流域地貌對區(qū)域構(gòu)造變形和斷裂活動性差異存在明顯的反饋?zhàn)饔谩?/p>

(3)福建沿海地區(qū)沿NW-SE向主壓應(yīng)力軸的相互對進(jìn),是以南海盆地打開(30～16 Ma)為代表的裂谷擴(kuò)張使其東南側(cè)向SE方向位移,加之太平洋板塊向東俯沖過程的博弈。這種博弈結(jié)果在福建沿海地區(qū)的流域地貌中得到了比較充分的反映。

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Hypsometric Integral of Drainage Basins in the Coastal Area of Fujian and Associated Neotectonic Significance

ZHANG Jie1,2,WANG Shao-jun1,LIANG Ming-jian3

(1.China University of Geosciences,Wuhan 430074,Hubei,China;2.Nanjing Center,China Geological Survey,Nanjing 210016,Jiangsu,China;3.Earthquake Administration of Sichuan Province,Chengdu 610041,Sichuan,China)

In this paper,the major river system network and drainage basins in the coastal zone of Fujian are extracted based on ASTER GDEM 2 data,and the hypsometric integral (HI)value of the sub-drainage basins is calculated to analyze the response relation between watershed morphology and Neotectonic activities in the area of analysis.Results show the HI value to be distributed in evident bands,where it tends to gradually reduce from the coast to inland in areas divided into Zones Ⅰ,Ⅱ,and Ⅲ,in accordance with features of the NW fracture zone and distributional characteristics of weak earthquakes in this area.In Zone Ⅰ,regions such as Fuzhou and Fu'an have a low HI value because they are costal basins characterized by basinal deposits and partial tectonic descents.The western boundary of Zone Ⅱ is represented by the line of Pucheng-Jianyang-Mingxi-Liancheng,indicating that Zone Ⅱ is basically situated between the Zhenghe—Dapu fault zone on the east side and the Shaowu-Heyuan fault zone on the west side.Observations of vertical modern crust deformation indicate an obvious differential uplift on both sides of the Zhenghe—Dapu fault zone,with a higher uplifting amplitude in the east than the west,which is a reflected by a remarkably higher HI value in Zone Ⅰ than in Zone Ⅱ; this is obviously higher in the transitional landform zone towards the inland than in Zone Ⅲ.Zone Ⅲ is mainly situated in the area west of the Pucheng—Jianyang—Mingxi—Liancheng line,where the HI value has a well-marked low-value anomaly,which may reflect relatively weak tectonic movement in the region and a relatively light influence from coastal tectonic deformation as it is situated far from the coastal zone.The distribution of HI values basically coincides with activity attributes of major NE fault zones in this region,which may be caused by the gradually weakening influence of dynamic antennas on Taiwan Island towards the inland area.In addition,the conflict between expansion of the open rift valley in the South China Sea Basin and the eastward diving process of the Pacific Plate is also fully reflected in the watershed morphology of the coastal zone of Fujian.

hypsometric integral; Neotectonic activity; coastal area of Fujian

2015-07-06

中國地質(zhì)調(diào)查局“海西經(jīng)濟(jì)區(qū)遙感地質(zhì)綜合調(diào)查”項目(12120114074701)

張潔(1980-),女,碩士,在讀博士,高級工程師,從事遙感地質(zhì)調(diào)查與研究工作。E-mail：zhangjienjcenter@163.com。通信作者：王少軍(1965-),女,博士,副教授,主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)的教學(xué)與科研工作。E-mail:3slab@cug.edu.cn。

TU47

A

1000-0844(2016)04-0638-09

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0638