劉曉彤,張緒教,葉培盛,何澤新,傅連珍,賈麗云,何祥麗

基于DEM的內(nèi)蒙古狼山地貌參數(shù)提取及其構(gòu)造抬升的差異性分析

劉曉彤1,張緒教1,葉培盛2,何澤新1,傅連珍1,賈麗云2,何祥麗1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京100081)

基于30 m分辨率DEM數(shù)據(jù),利用ArcGIS10.0對(duì)內(nèi)蒙古狼山東南坡河流流域地貌參數(shù)進(jìn)行提取,精確計(jì)算了其中15條規(guī)模較大的北西—南東向河流的面積-高程積分值 (HI),并據(jù)此對(duì)河流發(fā)育階段以及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。研究結(jié)果顯示有8條河流的HI值處于0.3～0.6之間,屬于河流發(fā)展的壯年階段;7條河流的HI值大于0.6,為幼年期,未出現(xiàn)老年期河流。狼山西南部河流河谷V1—V14的HI值變化平緩,波動(dòng)幅度不大,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的態(tài)勢(shì);中北部河流V14—V22的HI值變化較劇烈,尤其是V14—V19,呈明顯上升趨勢(shì),河流受侵蝕后殘存體積增多,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍性下降;V19以北HI值持續(xù)下降,其構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的活躍性增加。由此認(rèn)為狼山從西南到東北總體呈現(xiàn)增強(qiáng)—減弱—增強(qiáng)的差異性運(yùn)動(dòng)狀態(tài),該結(jié)論與前人所做山前構(gòu)造地貌研究結(jié)果較為一致。

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng);DEM;河流地貌面積-高程積分;內(nèi)蒙古狼山

0　引言

高分辨率數(shù)據(jù)的獲取以及分析技術(shù)的不斷突破使得DEM成為地貌、水文、地質(zhì)災(zāi)害、土壤、氣象與氣候、人文地理等領(lǐng)域研究不可或缺的重要技術(shù)手段[1～8]。通過(guò)對(duì)各種河流地貌參數(shù)的提取與分析來(lái)解決構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、階地提取以及地貌發(fā)育階段的確定等問(wèn)題已被多數(shù)學(xué)者所接受[5,9～12]。其中面積-高程積分 (HI)應(yīng)用廣泛,其結(jié)果可指示河流地貌的發(fā)育狀態(tài),該方法在構(gòu)造活動(dòng)性判斷方面的應(yīng)用已趨于成熟。已經(jīng)有學(xué)者將其應(yīng)用到烏魯木齊河、格爾木河、白龍江、岷江、清河等流域的研究中,認(rèn)為它與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)性和地貌發(fā)育階段具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；此外,部分學(xué)者還通過(guò)分析河流面積-高程積分值來(lái)推測(cè)斷層的存在、冰川活動(dòng)性以及巖性差異、河道抗侵蝕能力等[13～17]。然而大多數(shù)學(xué)者應(yīng)用HI多是著眼于大流域,或是流域內(nèi)的小型支流及次一級(jí)積水盆地,較少用整個(gè)山體的一系列橫向水系來(lái)分析山體的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

地形是長(zhǎng)時(shí)間尺度的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)積累的結(jié)果,對(duì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)速率具有很好的反應(yīng),成為指示構(gòu)造活躍區(qū)地貌演化最直接的指標(biāo)。水系的形成與展布對(duì)構(gòu)造活動(dòng)響應(yīng)敏感,河流地貌參數(shù)是其直接表現(xiàn),現(xiàn)代河流地貌參數(shù)的研究可以推測(cè)長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),而相同期次河流地貌參數(shù)的對(duì)比是揭示區(qū)域差異性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的絕佳手段[18]。

狼山山體運(yùn)動(dòng)活躍,差異性構(gòu)造抬升強(qiáng)烈,其獨(dú)特的盆-山差異性地貌組合、發(fā)育較好的橫向線狀河流以及保存較好的河流階地和山前臺(tái)地為該地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)研究提供了良好的素材。很多學(xué)者通過(guò)山前臺(tái)地、河流階地以及多次地震事件的研究對(duì)狼山的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反演[19～21],但缺少對(duì)地貌的定量化研究,應(yīng)用地貌參數(shù)對(duì)山體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所做的分析較少。同時(shí),前人所做的研究多著眼于明顯的狼山山前斷裂,研究媒介以河流階地和臺(tái)地為主,少見(jiàn)單純以河流地貌參數(shù)作為研究手段。由于山體范圍較大,宏觀把握困難,而對(duì)狼山的研究又多以階段性研究為主,空間整體性欠缺。

本文針對(duì)以上研究的不足,運(yùn)用ArcGIS提取研究區(qū)橫向切穿山前斷裂的河流的地貌參數(shù),并結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)特征以及遙感影像來(lái)分析狼山山體由西南向東北的構(gòu)造抬升情況,得到了較為宏觀的差異性抬升的結(jié)論。與此同時(shí),結(jié)合野外實(shí)際材料以及前人的研究成果,綜合論證了該結(jié)論的可靠性。

1　研究區(qū)概況

狼山位于巴彥淖爾市界內(nèi),屬于陰山山脈西段,北部為內(nèi)蒙古高原,南部與河套斷陷盆地相連,整體呈北東走向的不對(duì)稱(chēng)形態(tài),山體向內(nèi)蒙古高原的一面緩,向河套盆地的一側(cè)較陡 (見(jiàn)圖1)。平均海拔1500～2200 m,與河套平原形成500～1200 m的高差。該處河流多橫穿山體,以季節(jié)性河流為主,多數(shù)河流先匯入烏加河或?yàn)趿核睾?最終匯入黃河。山中大小山溝達(dá)147條,匯水面積約1.3×104km2,其中250 km2以上的山谷15條,占總積水面積90%。河谷由南向北呈現(xiàn)不同的形態(tài),南部發(fā)育成熟,河谷寬闊；中部河谷深切,坡降大,同時(shí)發(fā)育多期泥石流；而接近北部地區(qū)河谷多呈現(xiàn) “V”字型,谷壁陡峭,多見(jiàn)基巖出露[21]。狼山山體雛形形成于燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期,是西伯利亞與華北兩大板塊相互作用的結(jié)果[22],受南北方向的擠壓以及推覆作用,形成南北兩條大斷裂帶,分別為巴音烏拉山—狼山—色爾騰山南緣深斷裂和高家窯—烏拉特后旗—化德—赤峰深大斷裂。

2　技術(shù)與方法

2.1方法介紹

美國(guó)地貌學(xué)家Strahler在1952年提出的面積-高程積分 (HI)法已被廣泛應(yīng)用于各種地貌研究中,其中以黃土地貌、河流地貌、溝谷地貌的應(yīng)用較多[23～24]。面積-高程積分值用來(lái)表示被侵蝕后殘余部分所占的比例,其值的大小可用于推測(cè)侵蝕地貌的發(fā)展階段。根據(jù)Strahler的分類(lèi),當(dāng)HI值較高 (大于0.6)時(shí),該地貌發(fā)育階段為幼年期；HI值較低 (小于0.3)時(shí)處于老年期階段；中間部分則處于壯年時(shí)期[25]。

圖1　研究區(qū)概況 (據(jù)文獻(xiàn)[23]修改)Fig.1　Sketch map of study area

以河流中某一高程與流域總高程的比作為縱軸,以該高程上的面積與整體流域面積的比為橫軸,得到一條面積-高程曲線。曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積就是面積-高程積分值,該值采用Pike[26]提出的簡(jiǎn)易公式計(jì)算,即HI=(平均高程-最小高程)/(最大高程-平均高程)。

2.2數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所采用的數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 (USGS)的SRTM分辨率為30 m的高程數(shù)據(jù),DEM高程基準(zhǔn)為EGM96,水平基準(zhǔn)為WGS1984,垂直精度為±20 m,水平精度為±30 m。前人研究表明,DEM分辨率的高低并不影響整體研究區(qū)域的分析結(jié)果[27]。

2.3數(shù)據(jù)處理

將多幅DEM圖拼接、裁剪,得到研究區(qū)域的DEM高程圖。流域地貌的提取過(guò)程較復(fù)雜。為了消除由于數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而導(dǎo)致的低洼地區(qū)對(duì)河流提取的影響,需對(duì)區(qū)域進(jìn)行多次填洼處理。對(duì)填洼結(jié)果再進(jìn)行河流方向、河流匯流量、流域分級(jí)、積水盆地確定以及子流域分區(qū)等步驟得到各個(gè)不同河流的分布及流域范圍 (見(jiàn)圖2)。提取水系范圍的過(guò)程中匯流累計(jì)量的選擇是一個(gè)關(guān)鍵步驟,可根據(jù)多次試驗(yàn)的結(jié)果結(jié)合高分辨率遙感圖像獲取,同時(shí)還要考慮實(shí)際情況。匯流累計(jì)量越大,可以達(dá)到該累積量的支流越少,則區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)越稀疏。由于沒(méi)有前人對(duì)狼山地區(qū)水系提取做過(guò)系統(tǒng)的研究,所以匯流累積量的選擇需要通過(guò)多次試驗(yàn)來(lái)確定。本文提取匯流面積分別為1.07 km2、2.13 km2、3.20 km2、4.27 km2的單個(gè)實(shí)驗(yàn)水系(見(jiàn)圖3),并與遙感影像對(duì)比認(rèn)為匯流閾值為2.13 km2可以滿足分析精度,遂以此為標(biāo)準(zhǔn)提取狼山東南坡水系分布圖。經(jīng)過(guò)對(duì)符合條件河流的篩選,并對(duì)不符合實(shí)際情況的水系進(jìn)行修改,確定狼山山前從南到北相對(duì)均勻分布的23條水系作為初步的研究對(duì)象。按照水系范圍裁剪原始DEM數(shù)據(jù)得到單個(gè)水系的DEM數(shù)據(jù)。為方便討論,將河流由南向北分別標(biāo)號(hào)為V1—V23,以下的敘述均以此代表不同的河流區(qū)域。對(duì)每條河流進(jìn)行水文分析,得到該流域的基本河流地貌參數(shù)。

3　結(jié)果分析

根據(jù)要求提取的流域幾乎覆蓋了所選狼山區(qū)域東南坡,對(duì)結(jié)果中出現(xiàn)的不符合討論條件的河流進(jìn)行排除,得到研究區(qū)15條河流的地貌參數(shù)值 (見(jiàn)表1),分析結(jié)果較好地揭示了山體構(gòu)造活動(dòng)的差異性。由河谷HI值變化曲線 (見(jiàn)圖4)可以看出,HI值存在波動(dòng)性,但整體大于0.3,即研究區(qū)河流的發(fā)育階段并未出現(xiàn)老年期 (HI<0.3),以壯年期 (0.3

圖2　研究區(qū)流域分布Fig.2　the distribution of rivers in study area

圖3　水系密度圖Fig.3　Drainage density of valley

表1 各流域參數(shù)Table 1 Parameters of every valley

河谷高差與HI值對(duì)比曲線 (見(jiàn)圖5)顯示,流域高差值逐漸上升到V19流域時(shí)出現(xiàn)下降的階段。一般來(lái)說(shuō),海拔較高時(shí)其形成過(guò)程中可能受到的構(gòu)造抬升較為強(qiáng)烈,所對(duì)應(yīng)的HI值應(yīng)是處于幼年期或者是向壯年期過(guò)渡的階段,該階段河流持續(xù)下切,停留在幼年期或壯年期的時(shí)間較長(zhǎng),很少進(jìn)入老年期。雖然高差曲線存在很大的波動(dòng)性,但總體來(lái)說(shuō),高差較大的部分 (V14—V19)所對(duì)應(yīng)的HI值多在0.6之上,且未出現(xiàn)老年期 (HI<0.3)。

圖4　河谷HI值變化曲線Fig.4　Thechanges of HI value

圖5　河谷高差與HI對(duì)比曲線Fig.5　relif and HI value on the velly

4　討論與結(jié)論

應(yīng)用面積-高程積分值 (HI)分析多條河流流域的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)差異性在前人的研究中比較少見(jiàn),而多以一條大型河流作為研究對(duì)象,本文對(duì)此進(jìn)行了嘗試,并以野外實(shí)際材料作為補(bǔ)充。面積-高程積分受構(gòu)造、巖性、氣候影響,所以需要排除干擾因素,以突出構(gòu)造的控制性。HI值具有面積和空間依賴性,各個(gè)區(qū)域有所不同,本文對(duì)流域集水面積進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn),通過(guò)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合實(shí)際情況確定了合適的面積-高程積分閾值。研究區(qū)域?qū)儆诎敫珊档拇箨懶詺夂?差別較小,因此可排除氣候因素的影響。有學(xué)者通過(guò)對(duì)加州San Gabriel山區(qū)的研究認(rèn)為選取較大范圍的匯流閾值可以明顯地顯示出構(gòu)造的控制性,而較小的閾值則會(huì)受巖性影響[28]。但本文研究區(qū)域內(nèi)巖性變化不大,除太陽(yáng)廟附近山前出露部分花崗巖外,總體以變質(zhì)巖為主,構(gòu)造背景較為相似,所以巖性影響也不大。基于此,認(rèn)為HI值的變化可以指示構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的差異。

不同范圍HI值所指示的河谷發(fā)育階段的轉(zhuǎn)變可以大致體現(xiàn)出河谷所在區(qū)域的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的差異性,壯年期河谷所處區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)性較幼年期強(qiáng)。同時(shí)HI值也可以代表河谷遭受侵蝕后剩余部分所占的比例,由研究區(qū)河谷HI值變化曲線 (見(jiàn)圖4)可以看出,V15以南河谷的HI值變化范圍較小,集中在0.6周?chē)?殘余比例較大,根據(jù)其大小情況可得出構(gòu)造抬升情況為由弱到強(qiáng)再到弱；而V15以北河谷的HI值變化范圍較大,殘余比例差別明顯,所以構(gòu)造差異性明顯。V15向北一直減弱,直到V18出現(xiàn)一個(gè)峰值,該處相比較整體而言,構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)最弱；V18以北HI值持續(xù)下降,達(dá)到一個(gè)谷值,表現(xiàn)出構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),逐漸達(dá)到一個(gè)較高值?？傮w從HI曲線的變化趨勢(shì)來(lái)看,研究區(qū)的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出增強(qiáng)—減弱—增強(qiáng)的趨勢(shì) (見(jiàn)圖6)。

圖6　研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變化趨勢(shì)Fig.6　The changes of tectonic movement in study area

通過(guò)山前河流階地和山前臺(tái)地反演山體的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)規(guī)律是當(dāng)前應(yīng)用較廣的一種方法。狼山山前廣泛發(fā)育兩級(jí)保存較好的臺(tái)地,在河流兩岸形成多級(jí)河流階地,較多學(xué)者在該區(qū)域中做過(guò)相關(guān)研究,可用于與本文研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

何澤新等[29]通過(guò)對(duì)狼山 (南段)山前烏蘭敖包及翁格勒其格兩地的兩級(jí)臺(tái)地典型剖面的仔細(xì)研究,確定了其大致的形成年代,推斷出距今47.4 ka以來(lái)南北兩個(gè)不同區(qū)域的抬升速率分別為0.81 mm/a和1.18 mm/a。何祥麗等[30]采用測(cè)年方法,并結(jié)合構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分析,對(duì)該區(qū)域中南部山前10條泥石流溝進(jìn)行了系統(tǒng)研究,認(rèn)為狼山中段部分存在著隆升速率由西高東低向西低東高的轉(zhuǎn)換,得出該段大致的抬升速率為2.8 mm/a。

賈麗云等[21]對(duì)整個(gè)狼山部分的橫向河流做了較為完整的研究,研究范圍覆蓋了本文的研究區(qū)域。通過(guò)對(duì)25條山間河流的河流階地年代及河拔的記錄與分析,認(rèn)為除距今32.19～23.22 ka范圍內(nèi)北部抬升速率略小于南部外,其他時(shí)段北部抬升速率均快于南部。

本文對(duì)不同學(xué)者獲得的狼山不同區(qū)域的抬升速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到與研究區(qū)河谷位置相對(duì)應(yīng)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍性趨勢(shì)圖 (見(jiàn)圖7),該圖中的大致趨勢(shì)與上述所得出的結(jié)論相符合。

圖7　狼山整體構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變化趨勢(shì)圖Fig.7　chenges of tectonic movements in Langshan

經(jīng)過(guò)上述對(duì)比研究,認(rèn)為采用提取狼山橫向河流地貌參數(shù)并進(jìn)行分析的方法,能較好地得到運(yùn)動(dòng)差異性結(jié)果,表明此方法對(duì)區(qū)域內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的研究有一定的輔助與指示作用,為河流地貌發(fā)育階段的確定提供了新的途徑,為后期詳細(xì)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)研究做了良好的鋪墊。

致謝 感謝施煒老師的耐心指導(dǎo),感謝張英慧、王宗、張瀟元、謝佳雨等同學(xué)在技術(shù)上給予的幫助!

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EXTRACTION OF TECTONIC GEOMORPHOLOGIC PARAMETRES BASED ON DEM AND ANALYSIS OF DIFFERENCE ON TECTONIC ACTIVITY ABOUT LANGSHAN MOUNTAIN,INNER MONGOLIA

LIU Xiao-tong1,ZHANG Xu-jiao1,YE Pei-sheng2,HE Ze-xin1, FU Lian-zhen1,JIA Li-yun2,HE Xiang-li1
(1.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China；2.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China)

This paper extracted the drainage basins of 15 rivers on the southeast slope of Langshan Mountain and narrowly calculated their HI values using ArcGIS10.0 based on 30 meter resolution DEM data,then analysed the tectonic activities and geomophological evolutions in this region.The results showed that the HI values of 8 rivers were between 0.3 and 0.6,indicating that these rivers were in their mature stage；the HI values of 7 rivers were greater than 0.6,stating clearly that these rivers were in their juvenile stage.Moreover,there were no rivers in old age.The HI values of V1～V14 changed gently,with the tectonic movement first increasing and then decreasing.The area-altitude points of V14～V22 changed tempestuously,especially rivers V14～V19,which showed a clear upward trend and the river eroded remnant volume increased in the result the tectonic activity decreased.HI values the rivers north of V19 continued to decline,and its tectonic activity increased.The Langshan Mountain was suggested in enhanced-weakening-enhanced diversity state of motion from the southwest to the northeast with the conclusion of previous work in tectonic geomorphology of the consistent results.

neotectonics； DEM； fluvialgeomorphology； hypsometricintegral(HI)；Langshan Mountain

P542

A

1006-6616(2016)01-0152-10

2015-09-20

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng) “我國(guó)不同季風(fēng)區(qū)古氣候演化差異及成因機(jī)制研究”(201211077-3)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目 “內(nèi)蒙古1∶5萬(wàn)呼勒斯太蘇木 (K48E017024)等四幅填圖試點(diǎn)”(12120114042101)；內(nèi)蒙古國(guó)土資源廳2014年地質(zhì)遺跡保護(hù)專(zhuān)題 “巴彥淖爾國(guó)家地質(zhì)公園狼山山前構(gòu)造地貌過(guò)程及其環(huán)境效應(yīng)研究”(BSZFCG2015-HW-00403)

劉曉彤 (1989-),女,碩士研究生,主要研究方向第四紀(jì)環(huán)境。E-mail:13120366829@163.com

張緒教 (1964-),男,博士,副教授,主要從事第四紀(jì)地質(zhì)、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的教學(xué)及科研。E-mail:zhangxj @cugb.edu.cn