葉雨暉 吳 磊* 王依平 樓謙謙 陳力琦 高石寶 林秀斌 程曉敢 陳漢林

1)浙江大學，地球科學學院，浙江省地學大數(shù)據(jù)與深部資源重點實驗室，杭州 310027

2)浙江省第三地質大隊，金華 321001

3)浙江省國土資源廳信息中心，杭州 310007

0 引言

圖 1 研究區(qū)的地形與主要斷裂特征Fig. 1 Topographic characteristics and major faults of the study area.a 青藏高原主要斷裂和研究區(qū)(白色實線矩形框)的位置與范圍，構造線數(shù)據(jù)來自Taylor等(2009)； b 研究區(qū)的主要斷裂與水系分布； c 北阿爾金斷裂的地形條帶剖面(條帶寬1km)，剖面位置如圖1b所示。ATF 南阿爾金斷裂； NAF 北阿爾金 斷裂； EKF 東昆侖斷裂； XSHF 鮮水河斷裂； KKF 喀喇昆侖斷裂； LMSF 龍門山斷裂帶

在南、北阿爾金斷裂之間的阿爾金山中發(fā)育了數(shù)十條NW走向的河流。它們大都起源于南阿爾金斷裂附近，向NW穿過北阿爾金斷裂流入塔里木盆地內(圖1b)。因此，這些河流地貌中蘊含著豐富的、有關北阿爾金斷裂構造活動特征的信息。本文利用數(shù)字高程模型(DEM)提取了阿爾金山中穿過北阿爾金斷裂的水系和分水嶺特征，并通過河流縱剖面、標準化河流長度坡度指數(shù)(SLK)、河流陡峭指數(shù)(Ksn)、流域面積-高程曲線及其積分(HI)等地貌指標綜合定量刻畫了北阿爾金斷裂晚第四紀以來的構造活動性及其走向變化。在此基礎上，結合遙感解譯分析了北阿爾金斷裂晚第四紀以來的運動學特征，探討了其與南側南阿爾金斷裂之間的相互作用關系，所得結論對認識整個阿爾金斷裂系的新生代演化過程具有重要意義。

1 地質背景

2 方法

本文利用90m空間分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)對穿過北阿爾金斷裂的18條河流及相應匯水盆地的形態(tài)進行了提取(圖 1)，分析了河流縱剖面形態(tài)、標準化河流長度坡度指數(shù)(SLK)、河流陡峭指數(shù)(Ksn)、面積-高程曲線及其積分(HI)等多項構造地貌參數(shù)。

2.1 河流縱剖面

河流縱剖面反映了侵蝕速率與巖石隆升速率之間的關系(Sinhaetal.，1996； Kirbyetal.，2003)。均衡條件下，河流縱剖面表現(xiàn)為平滑上凹的形態(tài)(Sinhaetal.，1996)。一旦這種均衡狀態(tài)被打破(如由于構造巖石隆起、巖性變化或基準面降低)，河流就會處于一種瞬態(tài)不均衡狀態(tài)，在河流縱剖面中出現(xiàn)局部異常上凸的情形，即發(fā)育裂點。在巖性、基準面和氣候變化不大的流域，河流裂點的出現(xiàn)往往是斷裂構造活動的反映。

2.2 標準化河流長度坡度指數(shù)(SLK)

河流長度坡度指數(shù)(stream-length gradient index，SL)最先由Hack(1973)提出，其為單位距離的坡度與河流源頭距離的乘積，即

SL=(ΔH/ΔL)L

(1)

其中，ΔH/ΔL代表坡度，L為所研究河段距源頭的距離(沿河道)。后又引入標準化河流長度坡度指數(shù)(SLK)，用以比較不同長度河流的SL值(Hack，1973； Chenetal.，2003； Pérez-Peaetal.，2009)：

SLK=SL/K

(2)

其中，K=ΔH0/ln(L0)，代表整條河流的SL值，ΔH0為整條河流的高程差，L0為整條河流的長度。研究發(fā)現(xiàn)，SLK值可敏感地檢測出河流坡度的變化，識別裂點的位置和范圍，從而判定構造活躍性(Monteiroetal.，2010； Gaoetal.，2013； Wuetal.，2014)。在一條河流中，突然增高的SLK值往往代表坡度的異常增大，從而指示裂點的存在。

2.3 標準化河流陡峭指數(shù)(Ksn)

在構造抬升強烈的地區(qū)主要發(fā)育基巖河道或基巖-沖積混合河道，這些河道的侵蝕速率通常是由河流的侵蝕能力所決定的。在均衡條件下(巖石抬升速率U=侵蝕速率E)，局部河段河道坡度S和相應的匯水面積A符合冪函數(shù)關系：

S=Ks×A-θ

(3)

其中，Ks為河道的陡峭指數(shù)，用公式(U/K)1/n表示(K為侵蝕系數(shù)，n為坡度指數(shù))；θ為河道的上凹程度，與流域形狀、基巖及沉積物供給等有關(Wobusetal.，2006)?？梢?，陡峭指數(shù)Ks與構造抬升速率成正比，可以在坡度-面積雙對數(shù)圖解上求解獲得(李雪梅等，2017)。為了對比不同流域的河道陡峭程度，對Ks進行歸一化處理(即在坡度-面積雙對數(shù)圖解上令θ為恒定值，一般為0.45)后得到標準化河流陡峭指數(shù)(Ksn)。在排除巖性、氣候等因素影響的條件下，Ksn與構造抬升速率(河流侵蝕速率)成正比，即Ksn值越大、抬升速率越高(Whippleetal.，1999； Sklaretal.，2001)。

2.4 面積-高程曲線及其積分(HI)

面積-高程曲線的研究對象為匯水盆地，目的是將匯水盆地中的高程與位于該高程之上的面積進行對比分析，用來描述該匯水盆地內的海拔分布情況。為了對比具有不同海拔范圍的匯水盆地，往往將高程和面積統(tǒng)一歸一化至0～1(Strahler，1952)。面積-高程曲線的形狀一般可分為上凸、S型和上凹3種，并與匯水盆地的地形發(fā)育階段有關： 上凸曲線表示相對年輕(或新形成)的階段； 上凹曲線表示成熟的準平原階段； 而S型曲線代表介于2種曲線之間的較成熟期(Strahler，1952； Walcottetal.，2008)。面積-高程積分(HI)是面積-高程曲線與橫縱坐標軸所圍限區(qū)域的面積，反映了地質體經(jīng)過一定的地表過程后的三維體積殘存率，其值介于0～1之間。Strahler(1952)根據(jù)Davis(1899)的地貌侵蝕循環(huán)理論分析認為，當HI值相對較大時，對應著上凸型的面積-高程曲線，在地貌發(fā)育階段中處于幼年期或壯年期，可能反映該地區(qū)存在持續(xù)的構造活動。

3 結果

18條河流的平面形態(tài)見圖1b，可以發(fā)現(xiàn)它們沒有沿著北阿爾金斷裂發(fā)生系統(tǒng)的走向偏轉。河流縱剖面形態(tài)及相應的裂點分布如圖 2 所示。其中，編號為1～9、11、16、17的河流縱剖面總體呈較平穩(wěn)的上凹形態(tài)，在河流上游或北阿爾金斷裂附近發(fā)育較多小規(guī)模裂點，對河流總體形態(tài)影響不大； 編號為12～14的河流縱剖面呈直線形態(tài)，河流中發(fā)育的裂點較小，河流形態(tài)總體上可視為上凹與上凸的過渡階段； 編號為10、15、18的河流縱剖面則呈現(xiàn)較明顯的上凸形態(tài)，河流上游發(fā)育較大規(guī)模的裂點。

圖 2 河流縱剖面與河流長度坡度指數(shù)(SLK)Fig. 2 River longitudinal profiles and standardized river length-gradient index(SLK).

圖 3 北阿爾金斷裂地區(qū)的河流長度坡度指數(shù)(SLK)和河流陡峭指數(shù)(Ksn)平面圖Fig. 3 Plan of standardized river length-gradient index(SLK) and normalized river steepness index(Ksn)of North Altyn Fault area.

主要匯水盆地的面積-高程曲線及其積分(HI)的計算利用前人開發(fā)的ArcGIS插件CalHypso(Pérez-Peaetal.，2009)完成，結果如圖 4 所示。1、2、5、8、9、11、16號匯水盆地的面積-高程曲線總體呈現(xiàn)上凹形態(tài)； 3、4、6、7、10、13、14、15號匯水盆地的面積-高程曲線總體呈S型形態(tài)； 12、17、18號匯水盆地的面積-高程曲線總體呈現(xiàn)上凸形態(tài)?？傮w而言： 1)北阿爾金斷裂西段(1～9號)匯水盆地的面積-高程曲線形態(tài)較為一致，其積分值HI較小，均在0.5以下，平均值為0.42602； 2)北阿爾金斷裂東段(10～18號)匯水盆地的面積-高程曲線形態(tài)較復雜，既有S型也有明顯的上凸形態(tài)，其HI值分布在0.4～0.62之間，平均值為0.49866。

圖 4 北阿爾金斷裂地區(qū)18個匯水盆地的測高曲線及其積分Fig. 4 Area-elevation curve and their integrals of 18 catchment basins in the North Altyn Fault area.

4 討論

4.1 晚第四紀構造活動的走向差異性及其機制

構造地貌指數(shù)一般受巖性、氣候、構造等3種因素的影響(張會平，2006)。北阿爾金斷裂上盤的巖性較為單一，主要為前寒武紀基底變質巖及一些花崗侵入巖，單條河流流經(jīng)區(qū)以及整個東、西段之間均不存在明顯的巖石強度差異(圖5a)。由于本文研究的河流地貌均位于阿爾金山，EW向延伸250～300km，SN向延伸則只有40～50km，且東、西段之間也無明顯的地貌阻隔(圖1b)，可以推測東、西2段的氣候在晚第四紀也不存在明顯的差異。據(jù)此我們認為構造作用是導致東、西2段地貌活動性差異的主要因素。由于所有地貌指標中活動性強的區(qū)域均位于北阿爾金斷裂上盤且緊鄰斷裂的位置(圖 2，3)，因此這種地貌活動性的差異很大程度上反映了北阿爾金斷裂活動性的走向差異，即北阿爾金斷裂東段的構造活動性(或抬升速率)比西段強。

圖 5 北阿爾金斷裂的地質簡圖(a)及NAF北部前鋒斷裂的平面形態(tài)(b)和剖面形態(tài)(c)Fig. 5 Geological map of North Altyn Fault(a)，plane shape(b)and vertical shape(c)of northern NAF front fault.

4.2 對北阿爾金斷裂晚第四紀以來活動方式的啟示

目前對北阿爾金斷裂新生代以來的運動學方式還存在左旋走滑為主(Cowgilletal.，2000； Yinetal.，2002)和逆沖為主(Yueetal.，2004)這2種不同的觀點。從本文所提取的河流形態(tài)來看，所有河流在穿過北阿爾金斷裂時，均能基本保持其較為平直的形態(tài)，沒有發(fā)生系統(tǒng)的左旋偏轉(圖1b)。河流裂點、高SLK和Ksn值等能夠反映相對快速構造抬升的地貌指標均出現(xiàn)在北阿爾金斷裂的上盤(圖 3)。此外，我們在若羌縣西南側、13號河流西北發(fā)現(xiàn)了一個錯斷第四紀沖積扇的活動斷裂(圖5b)。該斷裂長約30km，走向NE，傾向SE，與南側的北阿爾金斷裂平行，可能是北阿爾金斷裂系向盆地內擴展的前鋒斷裂。其構造活動使得南側的沖積扇被抬升了200m以上，且抬升量沿走向具有自中間向兩側(NE和SW向)逐漸減小并消失的趨勢，形成了一個兩側近對稱且與斷裂近平行的背斜(圖5c)，穿過該斷裂的小河道的走向也沒有發(fā)生系統(tǒng)性偏轉(圖5b)，這些均表明該前鋒斷裂為一條逆沖斷裂。結合上述證據(jù)可以推測，北阿爾金斷裂在晚第四紀以來以逆沖活動為主，左旋走滑分量較小(但并不能完全排除)，這與前人在北阿爾金斷裂東端的GPS觀測結果(Bendicketal.，2000)吻合。然而，前人對北阿爾金斷裂帶內次級構造的運動學測量結果反映其曾發(fā)生過一定量的左旋走滑(Cowgilletal.，2000)，可能暗示北阿爾金斷裂的運動學方式在新生代存在從左旋走滑向逆沖的轉變，與前人對阿爾金斷裂南側柴達木盆地西北緣的新生代變形特征開展研究得出的推論(Wuetal.，2019)一致。

5 結論

本文對阿爾金山中穿過北阿爾金斷裂的18條河流形態(tài)、SLK、Ksn值 及其匯水盆地面積-高程曲線和積分等地貌指數(shù)進行了分析，揭示了北阿爾金斷裂晚第四紀以來的構造活動性特征，得出以下2點認識： 1)北阿爾金斷裂地區(qū)的地貌活動性存在東西差異，東段的活動性明顯強于西段，并受控于南側南阿爾金斷裂幾何形態(tài)變化導致的局部應力場變化； 2)北阿爾金斷裂晚第四紀以來的活動方式以逆沖為主，在整個新生代可能存在從早期走滑向晚期逆沖的轉換。