馮金煒, 馬 超, 李 勇, 陳 歡, 邱占林, 劉玉法, 張 威, 趙 重

( 1. 成都理工大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室, 四川 成都 610059； 2. 四川省地震局 工程地震研究院, 四川 成都 610041； 3. 中國地質科學院 探礦工藝研究所, 四川 成都 610031； 4. 龍巖學院 資源工程學院, 福建 龍巖 364012)

地貌是不斷發(fā)展變化的,地貌發(fā)展變化的物質過程稱地貌過程,內力和外力是塑造地貌的2種營力,地貌是內力過程與外力過程相互統(tǒng)一的產物.龍門山是青藏高原山脈中落差高度變化最大的山脈,構造作用強烈,李勇等[1]通過研究龍門山構造的地貌標志定量計算了龍門山主斷裂的逆沖速率與走滑速率的關系,進一步分析了龍門山周緣地貌演化趨勢.Ouchi[2]認為斷層及褶皺影響河流形態(tài)及搬運沉積過程,而河流的多樣性則影響著周緣的地貌的演化.李亞林等[3]通過研究構造運動對河流地貌特征的響應指出：早期逆滑和走滑斷裂控制水系形態(tài),而晚期的正斷層和地塹構造控制河流地貌的發(fā)育演變.2008年“5·12”地震導致映秀—北川斷裂發(fā)生地表破裂,導致龍門山地區(qū)基巖的同震隆升變形[1,3],觸發(fā)大規(guī)模的同震滑坡、崩塌等地質災害發(fā)生,形成大面積松散物質堆積,在氣候的作用下進一步改造龍門山區(qū)域的地貌[4-6].因此研究區(qū)域性的構造抬升及河流侵蝕對未來地貌演化方向的影響十分重要.本文基于ArcGis技術提取龍門山北段通口河治城段的地形因子及河流剖面等參數(shù),進一步探討構造、氣候等因素對治城段地貌演化發(fā)展趨勢的影響.

1 資料與處理方法

通口河系屬龍門山中段山前河流,是涪江的重要支流之一,起源于九頂山南麓,西北—南東流向,在彭州市境內穿越龍門山,在丹景山鎮(zhèn)進入成都平原,是涪江流域的一級支流.本文研究區(qū)域通口河段挾持于后龍門山深斷裂與江油—灌縣大斷裂之間,最高海拔2 260 m,最低海拔600 m(圖1),落差1 660 m,地勢呈現(xiàn)自北西往南東降低(圖2).

本次研究通過無人機勘察及野外實測獲得高程點,由高程點繪制成等高線.利用ArcGis 10.2軟件將等高線矢量數(shù)據(jù)生成TIN,再由TIN轉成DEM,經過DEM柵格數(shù)據(jù)多次處理獲得通口河流域治城段地形特征和水系網(wǎng)絡特征.

1.1地形坡度的獲取利用ArcGis 10.2軟件,將獲得的高分辨率DEM數(shù)據(jù)(1∶1萬,柵格大小5 m),經過ArcToolbox中3D Analyst工具的柵格表面計算地面坡度的平均值,獲得治城段平均坡度分布區(qū)間為0°～69.1°,通過圖層屬性將平均坡度范圍分為4個等級,分別為：0°～15.6°、15.6°～30.9°、30.9°～44.5°、44.5°～69.1°.4個坡度區(qū)間的分布范圍如圖2所示.

1.2水系網(wǎng)絡的獲取利用ArcGis 10.2軟件,將得到的DEM進行填洼獲得無洼DEM,經過水文分析工具得到流向和流量,將閾值設置為5 000獲得流水累計柵格,以此得到通口河流域水系分布圖(圖3).通口河流域主要發(fā)育4個較大支流：小園河支流(支流1)、白草河支流(支流2)、白坭溝支流(支流3)、玉溪河支流(支流4).下面將通過對通口河支流的河流縱剖面和橫剖面特征進一步分析.

圖 1 通口河流域縱剖面圖

圖 2 治城段流域平均坡度分布圖

圖 3 治城段流域地形與水系圖Fig. 3 Topographic and water system of Zhicheng river basin

2 通口河治城段流域發(fā)育特征

2.1通口河治城段流域的地形特征通過DEM計算出來的通口河流域治城段平均坡度分布圖(圖2)可宏觀表達該區(qū)域地貌特征.北川老縣城附近(即距北川—映秀斷裂北西側4 km區(qū)域內)平均坡度較大,多介于30.9°～62.3°；玉溪河和通口河河流區(qū)域坡度較小,多為10°～30°；研究區(qū)北西段(以禹里鄉(xiāng)和漩坪鄉(xiāng)連線為界,下同)劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷斷裂破碎帶區(qū)域平均坡度較大,多介于30.9°～62.3°；挾于各斷裂帶之間的區(qū)域區(qū)域均屬于小角度坡度：16.3°～26.0°.

不同地層巖性(圖4)可體現(xiàn)出不同坡度分布,結合地質圖與坡度圖可進一步分析通口河流域的地貌特征.北川映秀斷裂北西向(4 km)為志寒武系油房組,巖性以中、粗粒巖屑砂巖、粉砂巖互層,南東側以泥盆系和石炭系灰?guī)r為主,北西向一側坡度明顯較大.研究區(qū)中部以志留系茂縣群第二組灰?guī)r環(huán)繞茂縣群第一組千枚巖,灰?guī)r區(qū)域坡度大于千枚巖區(qū)域.位于研究區(qū)北段劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷層附近巖性以千枚巖夾灰?guī)r、砂巖為主,坡度大于單純千枚巖地層.

通過斷裂帶與巖性對坡度分布影響可知,斷裂(劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷裂、北川斷裂)上下盤周圍的坡度具有一定的差異性,斷層上盤4～6 km范圍內坡度大,說明2條逆沖斷裂上盤處于隆升狀態(tài),斷裂上盤的河流侵蝕下切作用將相對較快.通過對比地形坡度(圖2)及地層巖性(圖4)可知巖性的“軟硬”程度同樣對坡度的分布起一定的作用：研究表明砂巖和灰?guī)r區(qū)域坡度明顯大于千枚巖區(qū)域坡度.

2.2通口河治城段流域的水系特征本文基于ArcGis 10.2軟件,將得到的DEM進行填洼或得無洼DEM,經過水文分析工具得到流向和流量,將閾值設置為5 000獲得流水累計柵格,以此得到通口河流域水系分布圖(圖2).通口河流域主要發(fā)育4個較大支流：小園河支流(支流1)、白草河支流(支流2)、白坭溝支流(支流3)、玉溪河支流(支流4).下面通過對通口河支流的河流縱剖面和橫剖面特征進一步分析.

圖4治城段流域地質構造簡圖

Fig.4ThesimplifiedgeologicalandstructuralmapofZhicehngriverbasin

2.2.1河流縱剖面 受到地質構造、流域基部巖性特性、氣候降雨等諸多因素影響,河流縱剖面呈現(xiàn)不同形態(tài).研究區(qū)域較小,氣候條件幾乎相同；基部巖性以志留系茂縣群千枚巖為主,4條支流流向大致垂直于巖層走向,因而該區(qū)域河流剖面形態(tài)主受構造影響.通過對河流縱剖面形態(tài)特征的分析可有效反映通口河流域的構造差異性.

關于河流剖面與地貌演化的關系前人做出了大量的研究,陳彥杰等[7]通過對河流縱剖面模型進行了總結：1)地形面在受到地體抬升后構造運動即停止,則初始形成的河流其縱剖面的下凹程度較小或近乎直線, 可以用線性剖面來擬合；2)隨著中上游侵蝕作用的進行,河流將侵蝕下來的物質搬運至下游堆積,使得河流縱剖面的下凹程度逐漸變大而逐漸演化成指數(shù)剖面；3)隨著下游物質的堆積,河流中-上游的侵蝕,河流縱剖面下凹程度進一步加大,可以用對數(shù)函數(shù)來擬合河流縱剖面;4)再進一步發(fā)展,如果流量增加或由于構造運動等形成破碎帶導致輸沙量增加,使得河流縱剖面的下凹程度快速增大而呈現(xiàn)出乘冪函數(shù)剖面.河流縱剖面的演化趨勢為:線性→指數(shù)→對數(shù)→乘冪.

通口河流域治城段圖幅較小,在考慮到流域內各條支流的氣候和巖性類似的情況下,構造運動是影響河流縱剖面的主控因素.通過對研究區(qū)4條支流(圖2、圖5)對比分析：支流1、支流2、支流3下凹程度低,呈近線性指數(shù)擬合,即考慮該3條支流較“年輕”,在氣候和基底巖性相似的情況下,支流1靠近劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷層；支流2穿過劉家窩—茶園坪—白巖坪—燈草坪斷層、盛家院—密地坪—楊柳松斷層及茂汶斷裂；支流3位于盛家院—密地坪—楊柳松斷層附近；很可能由于構造導致山體相對抬升,使得這3條支流的縱剖面接近線性擬合.支流4和通口河主干接近對數(shù)剖面,說明這2條河流演化速度慢受地質構造作用相對較少,河流進入“中、老年化”,根據(jù)地質資料及實地路線觀察,該2條河流附近斷層地質作用較弱,處于相對穩(wěn)定狀態(tài).

圖 5 治城流域主要支流縱剖面

2.2.2河流橫剖面 通過研究區(qū)橫剖面線可得各支流情況(圖6)：支流1、支流2、支流3河谷呈深“V”型,說明河流正進行快速下切侵蝕作用,也進一步反映這3條支流范圍內抬升作用較強.支流3和通口河(湔江)主干河谷為U型谷,說明這2條河流有側向侵蝕作用.根據(jù)河流發(fā)育特征,河流先以縱向下切作用為主,當河流縱剖面達到平衡狀態(tài)時,河流再以側向侵蝕為主.通過5條河谷對比分析：支流4和通口河主流相對于支流1、2、3下切侵蝕速率慢,構造相對穩(wěn)定,山體抬升不明顯,地貌不會發(fā)生太劇烈的演化.

圖 6 流域治城段河流橫剖面分析圖

3 通口河治城段流域地貌發(fā)育的主要影響因素

3.1構造活動對地貌演化的影響2008年汶川地震的發(fā)生導致震區(qū)地質災害大面積爆發(fā),據(jù)野外核查,研究區(qū)構造活動的較明顯(斷層附近)地區(qū)地質災害成面狀分布.在地質構造的發(fā)育的地區(qū),構造面發(fā)育導致周圍巖體破碎,穩(wěn)定性差,極易發(fā)生地質災害.構造對地質災害的控制主要表現(xiàn)在以下幾方面：1) 斷層均以北東向排布,控制著研究區(qū)內山脈及河流的展布.區(qū)域內多條小斷層交匯,交匯處形成大面積“X”節(jié)理,使得巖體失穩(wěn),形成規(guī)模較大的地質災害.斷裂帶附近巖體較其它地區(qū)破碎,研究區(qū)西北段無根密集斷層、中段茂汶斷裂、南西段北川斷裂比較典型.2) 現(xiàn)代新構造運動,特別是地震活動,直接破壞了巖土體的結構,使巖土體的物理力學強度降低.研究區(qū)主要以絹云千枚巖為主,巖性較為軟弱,在斷層作用下,節(jié)理面發(fā)育,巖體破碎,當?shù)乇硭疂B入時使巖層軟化形成活動帶,當遇大量降雨滲入土體,增加了土體自重或下滑力,使土體的粘聚力和磨擦力減小,便產生了滑坡、崩塌,也為泥石流提供大量物源.3) 構造帶中多期次構造運動的疊加,使巖體完整性降低,更易于被風化,同時由于破碎帶的影響,其風化深度更大,研究區(qū)多條區(qū)域性斷裂為后期在北川斷層上的疊加.4) 構造裂隙及斷層面常與卸荷裂隙組成向臨空面的不利組合.

2008年特大地震后不僅造成龍門山斷裂帶急劇的隆升,也進一步觸發(fā)了大面積的地質災害的爆發(fā).根據(jù)2016年9月野外勘察,共查明研究區(qū)域內崩塌12處、滑坡56處、泥石流5處,地質災害面積達到5.6 km2,松散堆積物體積約0.019 km3.2010年,對龍門山北川—映秀斷裂帶同震巖石隆升研究得出的數(shù)據(jù)中,該研究區(qū)域增加的山脈體積估算值約為0.176 km3,大于松散堆積物體積.Robert等[8]也指出,沿斷層方向上的部分區(qū)域同震巖石隆升增加的山脈體積大于地震導致的堆積物體積,即山脈體積增加.研究區(qū)北西段發(fā)育小型密集“無根斷層”,地震后巖石隆升作用較為劇烈(圖7),雖然同震地質災害產生了松散堆積體,但研究區(qū)基巖隆升體積大于同震松散物質體積,即研究區(qū)山體體積并未“虧損”,而是處于抬升狀態(tài).

圖 7 汶川地震觸發(fā)的同震抬升圖(據(jù)文獻[8]修改)

3.2氣候對地貌演化的影響通口河流域治城段氣候屬于亞熱帶溫潤疾風氣候,降雨量充足,1967年為最大年降雨量,達到2 340 mm,日最大降雨量達到101 mm,年平均降雨量可達1 399.1 mm.強降雨時期主要集中在7、8、9月份(圖8),達到全年降雨量的70%以上.2008年汶川后大面積地質災害爆發(fā),2013年“7.9”洪災使得一些潛在地質災害發(fā)生,暴雨誘發(fā)的泥石流、崩塌、滑坡共31處.暴雨導致的山洪峰值較大,攜帶溝谷內崩塌和滑坡物質進入河流.研究區(qū)域較大的泥石流有倒開門泥石流和羊盤溝泥石流,每年雨季均攜帶大量松散物質分別匯入通口河和白草河,地震導致的崩塌物質是主要的物源.許強通過實驗,表明：地震災區(qū)發(fā)生大型泥石流的臨界雨降為35～40 mm/h,最低僅為15 mm/h[9].

根據(jù)實地野外核查,泥石流位置均靠近河流,由于構造(主要地震)產生的大面積松散物質通過河流作用搬運至下游地區(qū).由于山脈物質的遷移,影響地貌的改變.氣候(以降水為主)影響地貌演化的最直接表現(xiàn)便是河流中輸砂率的變化.

研究區(qū)松散物通過洪流由白草河、白泥溝、玉溪河等支流攜帶搬運至通口河,根據(jù)通口河下游將軍水文站近十年數(shù)據(jù)表明,降雨量直接影響輸砂量,7～9月份為研究區(qū)雨季,輸砂量野達到峰值.圖8體現(xiàn)出降雨量和輸砂率呈正相關關系.

圖 8 1-12月通口河流域平均輸砂率與北川縣的月降水量對比分析

前人通過流域輸砂量的計算獲來得剝蝕速率,本文通過輸砂率估算出剝蝕速率,以此研究流域內地貌的演化發(fā)展.據(jù)綿陽將軍石水文站實測懸砂數(shù)據(jù)統(tǒng)計[10]：多年平均輸砂率171 kg/s,多年平均輸砂量1.8 kg/m3,多年平均汛期含砂量為2.25 kg/m3,最大輸砂量為320萬t(1964年),最小年輸砂量96萬t(1974年).據(jù)此比擬推求通口河流域年平均輸砂量為2.27×106t,沉積物密度取1.50 t/m3,即1.51×106m3.通口河流域面積為2 808 km2,計算出通口河流域剝蝕速率為0.537 mm/a.侵蝕速率應包括風力搬運作用、化學作用等,因此通口河流域的剝蝕速率應遠大于0.537 mm/a.研究數(shù)據(jù)表明該區(qū)域平均隆升幅度為0.456 m,即在未來850年內將剝蝕掉地震成因的山脈增加量. 在地質構造不太強雷的情況下,在氣候因素的影響下,山脈物質增加量將被河流遷移至下游.

前人對龍門山在非地震期間的隆升速率已經進行了大量研究.劉樹根[11]根據(jù)測量地表的變形機制獲得龍門山逆沖推覆帶的年均隆升速率在0.3～0.4 mm之間；江娃利等[12]研究指出龍門山構造帶可達0.2～2.5 m的垂直位移量；邵崇建等[13]等根據(jù)多年(1970—1997年)野外實測資料得出在理縣附近的隆升速率最大,可達到 3. 5 mm/a.龍門山處于非地震階段的垂直隆升速率目前數(shù)據(jù)值較多,大致處于0.2～3.5 mm/a范圍內.對比通口河的侵蝕速率(>0.537 mm/a)與隆升速率(0.2～3.5 mm/a),區(qū)域總體呈現(xiàn)出抬升作用,海拔處于上升階段.

4 地貌演化分區(qū)

綜合上述坡度、河網(wǎng)、構造、氣候等要素對地貌演化的影響進行分析,對通口河流域治城段劃分為兩個區(qū)域,以此討論地貌演化過程.

4.1Ⅰ區(qū)(緩慢抬升區(qū)) Ⅰ區(qū)位于北川斷裂上盤附近,汶川地震使得該區(qū)山脈抬升.通過各支流縱坡面(圖5)可知位于該處的通口河段具有破折點和匯入通口河的玉溪河(支流4)具有明顯的破折點,說明該處正處于抬升狀態(tài),并且正經歷河流下切作用,但由河流橫剖面(圖6)反應出這2條河流河谷較為寬闊,即河流下切作用弱.此外,該處Ⅰ區(qū)巖性由志留系千枚巖過渡到較為堅硬的砂巖,進一步制約了河流剝蝕速率.Ⅰ區(qū)堰塞湖位置也可能淤積上流搬運下來的河流物質,使得松散物質堆積量增加.Ⅰ區(qū)剝蝕速率小于基巖抬升速率,可以推斷Ⅰ區(qū)可能為緩慢隆升的地貌演化趨勢.

4.2Ⅱ區(qū)(快速抬升區(qū)) Ⅱ區(qū)為研究區(qū)北西段,該處發(fā)育大量“無根密集”斷層,巖性較為破碎,表現(xiàn)為構造作用強烈.支流1、2、3縱坡面呈深“V”型,縱剖面為線性指數(shù),即該處河流下切速度快,進一步說明該區(qū)屬于隆升階段.此外,由地形坡度(圖3)可知,位于支流1、2、3附近坡度大,河流兩側的將形成陡峭的河谷地形.雖然在汶川地震觸發(fā)下形成大面積的崩塌、滑坡等松散堆積物質,在河流作用下將被搬運到下流,但通過對比隆升幅度及侵蝕速率,山體并未“虧損”.Ⅱ區(qū)基巖抬升速率大于河流侵蝕作用,且在較為劇烈構造運動的情況下,地貌演化將呈快速抬升趨勢.

圖 9 治城段流域地貌演化分區(qū)

5 結束語

通過對龍門山北段通口河流域地貌、構造、氣候等特征進行分析,初步得下以下幾點認識.

1) 斷層上盤附近坡度普遍較大,區(qū)域處于抬升狀態(tài),河流侵蝕下切作用強,使得地形變得陡峭.巖性影響地形特征,砂巖和灰?guī)r區(qū)域地形坡度明顯大于千枚巖區(qū)域坡度.

2) 以如今通口河流域治城段的構造作用和氣候特征,大部分河流處于“年輕”狀態(tài),下切剝蝕速率較快,搬運能力較強,上游沉積物極易搬運到下游,使得流域局部地貌往削低趨勢發(fā)展.

3) 南東段(北川斷裂上盤附近)受構造作用影響處于抬升階段,該位置河流河谷較為寬闊,剝蝕山體速率較慢,受堰塞湖等因素影響將繼續(xù)積蓄沉積物,山脈將以緩慢速度抬升.

4) 北西段發(fā)育“無根密集”斷層,巖體破碎,構造強烈,受構造影響基巖將處于抬升階段.支流1、2、3河谷呈表現(xiàn)為“深V”下切作用侵蝕作用,河流兩側將形成陡峭河谷地形,即進一步證明基巖的抬升,區(qū)域呈現(xiàn)出快速隆升狀態(tài).

致謝中國地質科學院探礦工藝研究所為本文提供野外地質災害信息,審稿專家及編輯對本文提出寶貴的修改意見,謹致謝意.

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