張 威, 馬 超, 王世元, 何玉林, 劉玉法, 顏照坤

(1. 四川省地震局, 四川 成都 610041;2. 成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610059)

新生代以來,印度洋板塊不斷地向歐亞板塊俯沖,持續(xù)不斷的匯聚和碰撞造成了青藏高原現(xiàn)今的地貌和構(gòu)造形態(tài),也造成了青藏高原內(nèi)部和邊緣地區(qū)不斷的地震活動,因此青藏高原的構(gòu)造活動一直是地學(xué)界研究的熱點(diǎn)之一.龍門山與山前的高度大于4 000 m,是青藏高原邊緣山脈中陡度變化較大的山脈之一[1].

在新生代構(gòu)造研究中,構(gòu)造地貌研究是比較成熟的技術(shù)手段之一.水系地貌的形成常常受到構(gòu)造活動的制約和影響,而且對構(gòu)造活動所引起的剝蝕、隆升具有一定的反饋?zhàn)饔肹2-3].青衣江的形成與龍門山南段的演化具有重要的關(guān)系,記錄了龍門山的隆升和擴(kuò)展過程.斷裂活動可導(dǎo)致河流縱剖面的變化,記錄基巖的隆升和河流下切的過程[4].河流水力侵蝕模型可以反映構(gòu)造隆升作用與河流下蝕作用之間的關(guān)系[5-7].另外,利用階地下蝕速率的計算可以定量地研究地表的隆升速率[8],唐熊等[9]和袁俊杰[10]在名山萬古場地區(qū)進(jìn)行過研究.

有學(xué)者注意到龍門山地區(qū)水系和構(gòu)造活動的關(guān)系主要集中在岷江水系,有關(guān)青衣江流域構(gòu)造的研究主要為蘆山地區(qū)地震成因與階地變形,蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造與地貌響應(yīng),青衣江流域階地變形特征[9-12],而在地形坡度與斷裂的關(guān)系、河流縱橫剖面特征、河流水流侵蝕模型、河流階地對龍門山南段構(gòu)造隆升的指示意義方面研究還不夠完善.本文通過青衣江流域內(nèi)的地貌特征來探討該區(qū)的地貌特征及其對構(gòu)造活動的指示意義,以期為龍門山南段構(gòu)造活動特征的研究提供一定的參考.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

龍門山位于青藏高原東緣,與四川盆地接壤,呈北東—南西向展布(圖1).以北川—安縣一線和臥龍—懷遠(yuǎn)一線為界,可將龍門山分為北、中和南段[13].青衣江流域位于龍門山的南段,發(fā)源于寶興縣,長約290 km.研究區(qū)主要的斷裂系統(tǒng)有耿達(dá)—隴東斷裂(后山斷裂)、 鹽井—五龍斷裂(中央斷裂)、雙石—大川斷裂(前山斷裂)等(圖1),各斷裂晚新生代以來均表現(xiàn)出較強(qiáng)的構(gòu)造活動特征,在龍門山的北段2008年曾發(fā)生8.0級地震,龍門山南段2013年發(fā)生7.0級地震,這將對龍門山的地貌產(chǎn)生重要的影響.

耿達(dá)—隴東斷裂,也稱龍門山后山斷裂南段,為逆斷層,北起耿達(dá),向南經(jīng)磽磧、隴東至瀘定以東,總體走向NE40°,傾向NW.局部地區(qū)沿斷裂線性影像特征明顯,不過總體第四紀(jì)地層、地貌不發(fā)育.鹽井—五龍斷裂又稱龍門山中央斷裂南段,為逆斷層,北起映秀南側(cè)三江附近,向南經(jīng)九里崗、鹽井、五龍、明禮、廟子崗,至瀘定以東,總體走向NE40°,傾向NW.大川—雙石斷裂,也稱龍門山前山斷裂南段,為逆斷層,北起大邑雙河一帶,向南經(jīng)大川、太平、雙石,直至天全一帶,總體走向約NE40°,傾向NW.

圖 1 龍門山南段地形地貌圖

2 地貌特征

青衣江流域橫跨耿達(dá)—隴東斷裂、 鹽井—五龍斷裂、大川—雙石斷裂,地勢上從北西向南東逐漸降低,海拔最高處超過2 900 m,海拔最低處約為380 m.

本次研究利用DEM數(shù)據(jù)對青衣江流域的地形特征和水系特征進(jìn)行綜合分析,從而為進(jìn)行地貌特征和構(gòu)造活動的地貌響應(yīng)奠定了基礎(chǔ).

2.1地形坡度利用ArcGIS10.0軟件,基于SRTM-3數(shù)字高程模型90 m分辨率數(shù)據(jù),提取青衣江流域河流數(shù)據(jù),得到青衣江流域的坡度范圍分布圖(圖2),坡度范圍分布在0～82°,依據(jù)坡度分級對青衣江流域坡度做了4個分級,分別為0°～15°、15°～25°、35°～45°和45°～82°.可以看出,坡度從北西到南東逐漸降低,坡度較大的地方多集中在雙石—大川斷裂的上盤,這說明坡度和斷層具有一定的關(guān)系,龍門山斷裂帶主要由逆斷層組成,由于抬升幅度較大,造成斷裂的上盤坡度也較大.

巖性的差異對坡度有不同的影響(圖3),耿達(dá)—隴東斷裂以西,以及與鹽井—五龍斷裂之間的巖性主要為志留系茂縣群千枚巖,在巖性基本一致的條件下,由于斷層的逆沖作用,耿達(dá)—隴東斷裂上盤坡度大于下盤的坡度,所以耿達(dá)—隴東斷裂與鹽井—五龍斷裂之間的坡度相對較小.鹽井—五龍斷裂與大川—雙石斷裂之間的巖性為元古界的花崗巖、角閃巖和變粒巖等,不易被外力剝蝕,在斷裂活動的作用下形成坡度較大的區(qū)域.由于研究區(qū)范圍較小,應(yīng)該具有相同的氣候條件,因此,構(gòu)造活動是影響地形坡度主要原因之一,巖性對地形坡度也具有一定的影響.

圖2青衣江流域坡度分布圖

Fig.2TheslopedistributionOfQingyiriverdrainagebasin

圖 3 青衣江流域地層分布圖Fig. 3 The stratigraphic distribution of Qingyi river drainage basin

2.2水系特征在DEM的基礎(chǔ)上對青衣江流域范圍內(nèi)的河流進(jìn)行提取,獲得青衣江流域水系分布圖(圖4).青衣江主要發(fā)育的支流為寶興河、大川河、天全河和滎經(jīng)河.下面對青衣江流域的河流縱剖面和橫剖面進(jìn)行分析.

2.2.1河流縱剖面 河流縱剖面的形態(tài)受流域內(nèi)河床基巖類型、構(gòu)造和氣候等多種因素的綜合影響[14].通過對跨斷層的青衣江各支流的河道調(diào)查,

圖 4 青衣江流域水系分布圖Fig. 4 The river system of Qingyi river drainage basin

流域內(nèi)的河道基巖類型大致相似.

由于青衣江流域位于龍門山的南段,屬于同一地區(qū),流域范圍的氣候大致也相似;因此,在基巖類型和河道相似的情況下,構(gòu)造抬升成為影響河流縱剖面的主要因素.通過研究青衣江流域內(nèi)的地貌特征及其構(gòu)造響應(yīng),可以對流域內(nèi)的地貌演化趨勢作出判斷(詳見圖5).

圖 5 青衣江主要支流河流縱剖面圖

前人對河流的地貌演化作了大量的工作[15-16],研究結(jié)果表明：河流的凹凸程度及形態(tài)反應(yīng)了河流的發(fā)育和演化.當(dāng)河流縱剖面介于上凸和下凹直接時,抬升速率處于中等水平.

從圖4可以看出,寶興河、大川河和天全河基本上呈直線型,3條河流自北西—南東方向主要巖性為志留系茂縣群千枚巖、中部的元古界花崗巖及東南部的侏羅系-白堊系砂泥巖(圖3),千枚巖和砂泥巖抗侵蝕強(qiáng)度低,在河流縱剖面并沒有表現(xiàn)下凹特征,所以巖性不是影響其形態(tài)的主要原因,說明龍門山南段構(gòu)造作用整體處于隆升狀態(tài).

2.2.2河流的橫剖面 一般情況下,河流的上游下蝕作用比較強(qiáng)烈,在上游形成的河谷也較較深;河流的下游側(cè)蝕作用比較強(qiáng)烈,形成的河谷較寬.因此,從上游到下游河谷逐漸變寬,河谷深度逐漸降低;但在構(gòu)造隆升區(qū),河流為了保持其動力動態(tài)平衡,總是持續(xù)地切割其下伏的河床基底,造成河谷變深.

為了判斷構(gòu)造因素對河流的影響,在DEM的基礎(chǔ)上,分別在寶興河、大川河和天全河提取4～5個橫剖面(圖3)進(jìn)行分析(其中寶興河a、b處于耿達(dá)—隴東斷層的上盤,c、d、e處于斷層的下盤;大川河a、b處于鹽井—五龍斷層的上盤,c、d處于斷層的下盤;天全河a、b處于鹽井—五龍斷層的上盤,c、d處于斷層的下盤,見圖6～8).對各個支流橫剖面(圖6～8)對比研究表明：寶興河、大川河和天全河整體上河谷的寬度逐漸變寬,但寶興河a～b曲線、大川河a～b曲線、天全河a～c曲線,河谷的深度有增加的趨勢.分析其原因是處于上盤的河流剖面受到斷層活動的影響,整體處于抬升狀態(tài),在抬升的過程中,下蝕作用增強(qiáng),河谷也變得越深.

3 構(gòu)造活動的地貌響應(yīng)

3.1河流水力侵蝕模型近年來,關(guān)于青藏高原隆升方面的研究成為研究的焦點(diǎn),在構(gòu)造活躍的基巖隆升區(qū),表面隆升速率和下蝕速率應(yīng)存在線性關(guān)系[17].

目前大多利用非均衡山脈河流侵蝕模型來表現(xiàn)表面隆升速率和侵蝕速率之間的關(guān)系:

S=KsA-θ,

log S=θ×logA+logks,

其中,A為河段上游的集水盆地面積,S為河段的坡度,θ代表均衡河道縱剖面的凹曲指數(shù),參數(shù)ks則為均衡河道縱剖面的陡峭指數(shù).

當(dāng)基巖隆升速率大于河流下切侵蝕速率時,河床的高程會隨著時間逐漸增高,S-A雙對數(shù)圖表現(xiàn)為上凸特征(圖9),此時河流系統(tǒng)發(fā)育處于前均衡狀態(tài);相反,當(dāng)基巖隆升速率小于河流下切侵蝕速率時,河床的高程會隨著時間逐漸降低,S-A雙對數(shù)圖表現(xiàn)為下凹特征,此時河流系統(tǒng)發(fā)育處于后均衡狀態(tài).

利用河流水力侵蝕模型對青衣江流域的河流(圖10)分析研究表明：寶興河、大川河和天全河S-A雙對數(shù)曲線均呈上凸特征,說明河流的隆升速率大于侵蝕速率.

河流的凹曲指數(shù)θ與陡峭指數(shù)Ks雖然都能反映構(gòu)造的隆升速率,但影響θ的因素較多,所以不能準(zhǔn)確地判別河流的隆升.

陳彥杰等[6]指出當(dāng)一地區(qū)各集水盆地的θ值接近一致時,logKs可反映隆升速率.根據(jù)曲線擬合(表1)得出寶興河、大川河和天全河的θ值分別為0.62、0.65和0.64,logKs分別為0.43、0.28和0.42,因此,3條支流域都處于隆升的狀態(tài),寶興河和天全河流域隆升速率較高,大川河相對較低.

圖 6 寶興河河流橫剖面圖

圖7大川河河流橫剖面圖

Fig.7ThecrossprofileofDachuanriver

表 1 青衣江流域主要河流的S-A圖分析

3.2河流階地對構(gòu)造活動的響應(yīng)河流階地是河流發(fā)育過程中構(gòu)造運(yùn)動、氣候和侵蝕基準(zhǔn)面的變化等綜合作用的產(chǎn)物.本次研究的青衣江多級階地位于青藏高原與四川盆地的交界地區(qū),處于龍門山的南段,在新近紀(jì)—第四紀(jì)龍門山南段受到北東—南西的應(yīng)力作用下產(chǎn)生了一系列的斷裂活動,如2013年4月20日曾發(fā)生7.0級蘆山地震,這些構(gòu)造活動對河流也產(chǎn)生了重要的影響.青衣江階地的形成應(yīng)該主要是構(gòu)造活動主要控制因素.

圖 8 天全河河流橫剖面圖

圖10青衣江流域水力侵蝕模型S-A對數(shù)圖

Fig.10ThelogarithmicS-Aplotofstream-powerincisionmodelofQingyiriverdrainagebasin

圖 9 河流水力侵蝕模型S—A圖解

青衣江流域階地大致可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4級階地,其中Ⅰ級階地為堆積階地,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為基座階地,在萬古場地區(qū)保存較為完整.李勇等[17]指出,青藏高原的表面隆升過程并不等于青藏高原的地殼隆升過程,表面隆升還受控于侵蝕作用,如果地殼隆升速率大于侵蝕速率,表面隆升速率為正值;如果地殼隆升速率小于侵蝕速率,表面隆升速率為負(fù)值.分析表2可知,青衣江地區(qū)階地表面隆升速率為正值,龍門山地區(qū)的地殼隆升速率大于侵蝕速率,河流的下切速率和隆升速率呈正相關(guān)的關(guān)系,從而證明了青衣江流域在第四紀(jì)時期隆升的同時,河流為了保持動力均衡狀態(tài),不斷地下切變深.

表 2 青衣江萬古場階地表面隆升速率與下切速率[10]

4 結(jié)論

選取構(gòu)造活動強(qiáng)烈的龍門山南段地區(qū)以青衣江流域的地形坡度及其支流(寶興河、大川河和天全河)的縱、橫剖面特征為基礎(chǔ),建立基巖河道河流水力侵蝕模型對數(shù)圖解,分析了河流階地的構(gòu)造響應(yīng),初步討論并得到如下認(rèn)識：

1) 耿達(dá)—隴東斷裂與鹽井—五龍斷裂之間巖性為志留系茂縣群千枚巖,在巖性基本一致的條件下,地形坡度的差異主要為斷層的逆沖作用造成.鹽井—五龍斷裂與大川—雙石斷裂之間的巖性為元古界的花崗巖、角閃巖和變粒巖等,不易被外力剝蝕,在斷裂活動的作下形成坡度較大的區(qū)域.結(jié)合寶興河、大川河和天全河的河流縱、橫剖面形態(tài),巖性雖有影響,但構(gòu)造因素為主導(dǎo)作用.

2) 寶興河、大川河和天全河的河流水力侵蝕模型對數(shù)曲線均呈上凸的形態(tài),θ值接近一致時,寶興河、大川河和天全河的θ值分別為0.62、0.65和0.64,logKs分別為0.43、0.28和0.42,說明龍門山南段的地殼隆升速率大于河流的下切侵蝕速率,整體處于隆升狀態(tài).

3) 青衣江流域整體處于抬升狀態(tài),揭示了龍門山造山帶內(nèi)的地貌發(fā)育仍然處于前均衡狀態(tài),同時也從側(cè)面證明龍門山地區(qū)是整個青藏高原垂直隆升和側(cè)向擠壓的最新和最前緣部位.

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