滇中河网特征及其对断层活动的响应

段佳鑫, 董有浦, 吴 可, 汝 鑫, 张东越, 王 丹

滇中河网特征及其对断层活动的响应

段佳鑫, 董有浦*, 吴 可, 汝 鑫, 张东越, 王 丹

(昆明理工大学 国土资源工程学院, 云南 昆明 650093)

滇中地区作为青藏高原东南缘构造活动最强烈的地区之一, 发育了许多活动走滑断裂, 并且在该区域上密布着不同级别的河网, 为利用河网分析断裂活动提供了有利条件。为揭示滇中河网发育与断裂活动内在联系, 本文基于30 m分辨率的SRTM-3数字高程模型(DEM)在ArcGIS 环境下提取了滇中地区金沙江、珠江、红河内的20条支流的河流网络, 分析其典型的河网参数(分支比和长度比), 通过这些比值与Horton定律描述的一般性河流网络进行对比。同时, 基于ArcGIS空间分析技术及Matlab程序脚本系统, 对这20条河流流域纵剖面进行定量化研究, 分析其河道基岩侵蚀力模型, 得到-拟合图解。结果表明: 滇中地区金沙江、珠江、红河中大多数与断裂带重合的高级别河流的支流, 河网发育明显地受到了断裂活动的影响; 在河道基岩侵蚀力模型-拟合图中呈现为上凸和下凹相间排列, 这一现象在金沙江流域的各支流最为显著, 造成这一现象的原因可能是研究区内的河道主要受走滑断裂控制, 当断裂以压扭性为主时, 河道的隆升量大于剥蚀量,-拟合曲线表现为上凸; 当断裂以张扭性为主时, 河道的隆升量小于剥蚀量,-拟合曲线表现为下凹。通过对河网构造地貌特征的研究可以使我们更好地理解该地区的构造活动特征。

滇中; 走滑断层; 河流地貌; Horton定律; 河道基岩侵蚀力模型; 构造活动

0 引 言

新生代印度板块和欧亚板块的碰撞, 导致青藏高原地壳发生大规模缩短, 青藏高原东南缘的块体沿大型走滑断裂系向南东方向逃逸挤出(Tapponnier et al., 1982; Leloupet al., 2007)。川滇地块沿着鲜水河‒小江断裂向东挤出(徐锡伟等, 2003; 张培震, 2008; Heet al, 2009), 在滇中地区发育了大量的南北向左行走滑断裂(图1b)。前人针对这些走滑断裂开展了广泛而又细致的构造活动研究, 揭示鲜水河‒小江断裂、普渡河断裂、易门断裂、元谋‒绿汁江断裂和红河断裂等在晚更新世‒全新世仍在活动(Replumaz et al., 2001; 向宏发等, 2006; Schoenbohm et al., 2006; 朱航和闻学泽, 2012; Wang et al., 2016; Zhang et al., 2016; 周春景等, 2016; 黄小巾等, 2018)。但前人对滇中断裂带的研究更多关注在几何特征、运动学和古地震活动性等方面。

在滇中地区主要分布金沙江、珠江、红河三大流域, 其多条支流与断裂带相重合(图2)。河流作为陆地地形地貌演化过程中最活跃的影响因子之一, 通常能对构造变形做出很好的响应(Fan et al., 2018)。在大型河流系统的发展过程中, 构造活动可以控制河流的发育和形态(Clarket al., 2004; 文力等, 2018), 同时河流地貌也可以反映构造活动(Kirby et al., 2003; 张会平等, 2006; 王一舟等, 2013; Valente et al., 2019)。前人利用滇中部分地区的流域地貌特征揭示了云贵高原抬升, 对断错水系进行了研究(虢顺民等, 1984; Schoenbohm et al., 2004; 韩竹军等, 2016;樊云龙等, 2018), 但对于滇中地区断裂带的构造活动对河网发育形态的影响还缺乏深入研究。滇中地区各断裂带上强烈的构造活动对河网发育是否也有影响？这些强烈的构造活动又使滇中地区的构造地貌呈现怎样的状态呢？本文基于30 m分辨率的数字高程模型(digital elevation model, 简称DEM), 运用Horton定律和基岩河道侵蚀力模型来梳理滇中地区(娅都紫云断裂以西, 红河断裂以北及永胜断裂以东)的河流地貌特征, 对分析滇中地区构造活动的特征具有重要意义。

F1. 永胜断裂; F2. 绿汁江断裂; F3. 武定‒易门断裂; F4. 普渡河断裂; F5. 小江断裂; F6. 寻甸断裂; F7. 弥勒‒宗师断裂; F8. 文山断裂; F9. 建水断裂; F10. 红河断裂; F11. 个旧断裂; F12. 则木河断裂。

C1. 渔鲍江; C2. 龙川江; C3. 勐果河; C4. 普渡河; C5. 小江; C6. 牛栏江; C7. 以礼河; C8. 则木河; C9. 枯木河; C10. 万马河; Z1. 黄泥河; Z2. 南盘江; Z3. 北盘江; Z4. 清水河; H1. 南渡河; H2. 小河底河; H3. 斋江; H4. 南渗河; H5. 勐拉河; H6. 石羊河。

1 研究区地质背景

滇中地区平均海拔2000 m, 大地构造位置属于青藏高原东南缘, 其南邻思茅地块, 东接滇东南加里东褶皱带, 是典型的历史强震多发区(Huangfu and Qin, 2006; He et al., 2009; Wang et al., 2015)。北部的鲜水河‒小江断裂、普渡河断裂、易门断裂和元谋‒绿汁江断裂在新构造以来均以左旋走滑为主(图1、2), 且至今仍在活动(何宏林等, 1993; 徐锡伟等, 2003; Wang et al., 2008; He et al., 2009; 吴中海等, 2015; 韩竹军等, 2016); 南部以红河断裂为界与印支地块相接, 其在35 Ma左右发生过大规模左行剪切运动(Tapponnier et al., 1982), 自5 Ma以来为右旋走滑(虢顺民等, 1984; 向宏发等, 2006; Wang et al., 2012; 李西等, 2016; Zhang et al., 2019)。滇中地区基底为元古界变质岩, 上覆有晚古生代和中生代陆相沉积(Wang et al., 2008; Wu et al., 2015), 新近纪以来, 发生显著的断块差异升降运动, 形成了典型的盆山地貌格局(Wang et al., 1998; 吴中海等, 2015)。

2 研究方法

2.1 Horton定律

Horton (1945)对美国数十个流域的河网发育及演变模式进行系统研究后发现, 在任何一个流域内, 各级水道的河流数量, 平均长度与河流级别之间存在一定的几何级数变化的关系(Horton, 1945; Strahlar, 1957)。近年来, 由于数字高程模型的发展, 很多学者利用Horton定律来描述河网发育特征, 研究表明天然河流在不受外界因素影响时符合该定律, 且呈良好的线性关系(刘怀湘和王兆印, 2008; 刘乐等, 2015)。如果河网发育受到外界因素如构造活动影响, 则会有部分河道偏离Horton定律(Kalyanjit et al., 2012)。Horton定律如下:

式中:为河流级别;N为河流数目;L为平均长度; e、1、2、1、2为常数。公式(1)为河数定律, 公式(2)为长度定律。从公式(1)中可推导出:

公式(3)说明, 对于Horton定律描述的河流, 不同级别的河流数目之比为常数, 这个常数B称为分支比; 不同级别的河流的平均长度之比为长度比(L), 这些比值称为Horton比。大量研究发现对于不受外界因素干扰的天然河流各级别的Horton比值相近, 如B一般在3~5之间, 平均值为4;L在1.5~3之间, 平均值为2(Abrahams et al., 1984; 刘怀湘和王兆印, 2008)。

2.2 河道基岩侵蚀力模型

河道的发育和演化能够记录活动造山带地区基岩的隆升以及河流的下切过程, 基岩河道侵蚀模型就是通过对河道纵剖面上的坡度变化与河流集水面积之间的相互关系来推导河流与基岩河床之间的应力作用(Kirby et al., 2003; 陈彦傑等, 2006)。本文基于30 m分辨率的DEM数据, 在ArcGIS 和Matlab环境下, 对河流侵蚀的结果进行分析。

当基岩河道的抬升速率等于河流的下切速率时, 河流发育达到均衡状态, 河道高程保持不变, 这时定义基岩河床侵蚀力模型为:

式中: d/d代表河床高程随时间变化;为构造抬升作用引起的地壳抬升速率;为河流下切侵蚀速率;为河道上游的流域面积;为河道坡度;为侵蚀系数(包括岩层强度、河床物质、河道宽度、径流量、土石流失率等);和为常数(代表水文、侵蚀作用等)。

则:

则公式(6)可变为:

公式(7)两侧取对数可得:

公式(8)中, 参数为均衡河道纵剖面的下凹程度指数, 而K则为均衡河道纵剖面的陡度指数, 可直接在-(Slope-Area)的双对数坐标关系图中以直线回归的方法得出回归直线的斜率和截距即为与K。本文利用-双对数曲线图作为分析判断地形是否达到均衡状态的主要依据。当地形达到均衡状态时, 其集水盆地内河流的-在双对数图上会呈现一条直线形态, 当造山带内部基岩隆升速率大于河流的下切侵蚀速率时, 也即河床高度随着时间的变化而逐渐升高, 即d/d>0,-在双对数图上会呈现上凸形态, 此时造山带地形发育处于均衡前状态; d/d<0,-在双对数图上会呈现下凹形态, 造山带地形发育处于过均衡状态(图3)(Kirby et al., 2003; 陈彦傑等, 2006)。

3 研究结果

3.1 Horton定律结果

对DEM数据进行预处理后, 用上述方法分别提取滇中地区金沙江、珠江和红河流域中的20条支流(图2)的河网属性及各级河网属性比。河网属性在对数坐标下与河流级别呈线性关系, 拟合公式为一条直线, 由公式(1)与公式(4)可计算Horton比中的分支比, 而河流级别在ArcGIS选择阈值为500的汇流面积自动筛选后分级, 由于流域面积的大小不同, 金沙江的部分支流渔鲍河(C1)、小江(C5)、则木河(C8)、枯木河(C9)被自动划分为5级, 龙川江(C2)、普渡河(C4)、以礼河(C7)自动划分为6级, 其余的划分为4级; 珠江支流黄泥河(Z1)、清水河(Z4)被自动划分为5级, 南盘江(Z2)、北盘江(Z3)被自动划分为7级和6级; 红河的支流南渡河(H1)、勐拉河(H5)、石羊河(H6)自动划分为5级, 小河底河(H2)、斋江(H3)、南渗河(H4)被自动分为6级(图2)。图4和图5分别给出了三大流域20条河流河网不同级别河流数目和平均长度的关系。

3.1.1 分支比

在这20条支流中, 金沙江流域各支流的低级别河流的分支比符合Horton定律。而渔鲍河(C1)、龙川江(C2)、普渡河(C4)、小江(C5)、牛栏江(C6)、则木河(C8)、枯木河(C9)高级别河流的分支比偏离了线性关系, 且分支比并不在3~5之间, 多为2。勐果河(C3)、以礼河(C7)高级别河流的分支比分别为7和8。而万马河(C10)低级别河流与高级别河流的分支比都符合Horton定律。其中, C1~C9高级别河流与断裂带相互重合(图2), 如: 支流渔鲍河(C1)、枯木河(C9)高级别河流与永胜断裂南段相互重合, 龙川江(C2)与绿汁江断裂相互重合, 勐果河(C3)与武定‒易门断裂相互重合, 普渡河(C4)与普渡河断裂相互重合, 小江(C5)与小江断裂相互重合, 牛栏江(C6)与鲁甸断裂相互重合, 以礼河(C7)与会泽断裂相互重合, 则木河(C8)与则木河断裂相互重合。

珠江流域各支流的低级别河流的分支比符合Horton定律, 但南盘江(Z2)和清水河(Z4)2条高级别河流的分支比偏离了线性关系, 且不在3~5之间, 其多为2或8。南盘江(Z2)最高级别河流与小江断裂南段、弥勒断裂相互重合, 清水河(Z4)与丘北断裂相互重合。

红河流域各支流的低级别河流分支比均符合Horton定律, 南渡河(H1)和石羊河(H6)2条高级别河流的分支比偏离线性关系, 且它们的分支比并不在3~5以内, 也多为2, 其中南渡河(H1)与绿汁江断裂重合, 石羊河(H6)与红河断裂北段相重合(图4, 表1)。

图3 河流水力侵蚀模型S-A双对数图解(据陈彦傑等, 2006)

图4 滇中各支流不同级别河流数量N与级别w的关系(河流名称见图2)

3.1.2 长度比

金沙江流域各支流中低级河流的长度比都符合Horton定律, 但C1~C9高级别河流偏离线性关系, 其长度比多为1.5以下。珠江流域的北盘江(Z3)高级别河流长度比偏离了Horton定律, 在1.5以下。红河流域支流中H1~H6几条低级别河流符合Horton定律, 而勐拉河(H5)和石羊河(H6)高级别河流偏离线性关系, 且长度比并不在1.5~3之间, 高级别河流的长度比多为3以上或在1.5以下(图5, 表1)。

3.2 河道基岩侵蚀力模型

对滇中地区三大流域内的20条支流的基岩河道进行统计, 建立log和log的关系图(图6~8)。结果发现:-关系图呈现明显分段性, 表现为既有上凸也有下凹, 部分呈直线形态。各支流的基岩河道侵蚀力模型结果如下:

3.2.1 金沙江流域

金沙江支流中渔鲍河(C1)、勐果河(C3)和以礼河(C7)的-拟合曲线呈现上游为直线形态, 到中下游后呈上凸、下凹相间排列, 其河道中既有均衡地形, 也存在隆升和沉降地形; 龙川江(C2)、普渡河(C4)、小江(C5)、牛栏江(C6)、以礼河(C7)、则木河(C8)和枯木河(C9)几条支流从上游开始就呈明显的上凸、下凹相间排列的形态, 几条支流既有隆升地形也有沉降地形; 万马河(C10)呈现直线形态, 为均衡地形。

3.2.2 珠江流域

珠江支流中江底大河(Z1)和清水河(Z4)的-拟合曲线上游为直线形态, 到中下游后呈上凸、下凹相间排列, 河道中既有均衡状态, 也存在隆升地形和沉降地形; 南盘江(Z2)和北盘江(Z3)支流从上游开始就呈明显的上凸、下凹相间排列的形态, 既有隆升地形也有沉降地形。

3.2.3 红河流域

红河支流中石羊河(H6)的-拟合曲线上游为直线形态, 到中下游后呈上凸、下凹相间排列, 河道中既有均衡状态也存在隆升地形和沉降地形; 南渡河(H1)、小河底河(H2)、斋河(H3)和石羊河(H6)支流从上游开始就呈明显的上凸、下凹相间排列的形态, 既有隆升地形也有沉降地形; 南渗河(H4)、勐拉河(H5)呈现直线形态, 为均衡地形。

4 讨 论

4.1 河流发育是否受构造活动的影响

滇中大多数支流的河网中低级别河流的分支比和长度比都呈良好的线性关系, 符合Horton定律, 但随着级别的增加, 分支比和长度比都逐渐发生了偏离, 且河流级别越高, 其偏离得越多。Kalyanjit et al. (2012)发现水系分支比对构造活动的响应较为敏感, 可以反映出区域的构造活动强弱: 分支比偏离程度越高, 构造活动性越强; 分支比偏离程度低, 构造活动性则越弱。

金沙江支流中的渔鲍河(C1)、龙川江(C2)、勐果河(C3)、普渡河(C4)、小江(C5)、牛栏江(C6)、以礼河(C7)、则木河(C8)、枯木河(C9)高级别河流分别与程海‒宾川断裂东侧、绿汁江断裂、武定‒易门断裂、普渡河断裂、小江、鲁甸断裂、会泽断裂、则木河断裂、程海‒宾川断裂南段相互重合(图2), 这些断裂构造活动强烈(徐锡玮等, 2003; 王阎昭等, 2008; Wu and Hu, 2019), 可能导致河网数目与长度发生改变。而万马河(C10)不与断裂带相互重合, 受构造活动影响小, 分支比、长度比则均不偏离Horton定律。

珠江支流中南盘江(Z2)和北盘江(Z3)高级别河流分别与弥勒断裂、杨家大坡断裂相互重合。弥勒断裂在第四纪以来属于弱构造活动断层(Wu et al., 2015; Wu and Hu, 2019), 但南盘江(Z2)的第4级河流与小江断裂南段、曲江断裂相互重合, 小江断裂与曲江断裂在第四纪来构造活动强烈(闻学泽等, 2011; Wang et al., 2014), 因此南盘江(Z2)的河网发育受构造活动影响。

图5 滇中各支流水系不同级别河流平均长度L(m)与级别w的关系(河流名称见图2)

表1 滇中各支流不同级别河流的分支比RB与长度比RL

红河支流中南渡河(H1)、小河底河(H2)、南渗河(H4)、石羊河(H6)与绿汁江断裂、建水断裂、个旧断裂、红河断裂北段相互重合。由于这些断裂带构造活动强烈, 与其相互重合的支流的分支比、长度比偏离Horton定律。其中小河底河(H2)最高级别长度比较大, 而分支比却较小, 可能是由于流域受到断裂带挤压变得狭长。综上, 不与断裂带重合或与构造活动弱重合的河网基本上遵循Horton的指数变化规律, 而与强活动断裂带相互重合的支流中高级别河流的分支比和长度比大多偏离Horton定律。

4.2 走滑断层对地貌发育的影响

滇中地区金沙江、珠江、红河三大流域的-双对数曲线呈现上凸、下凹相间排列的特征, 反映滇中地区既有地形隆升又有沉降。而前人在大型挤压性断裂控制下的天山北麓河、白龙江、龙门山等地区的研究结果(赵洪壮等, 2009; 苏琦等, 2016; 闫亮等, 2018)与滇中地区的河道基岩侵蚀力模型存在偏差, 可能是由于滇中地区主要受大型走滑断裂控制(Wang et al., 1998), 大型走滑断层系中常伴随着断块差异性升降运动, 出现拉张性断陷盆地和挤压性逆冲‒褶皱拱起共同存在的情况(Burchfiel et al., 1987)。

金沙江流域主要受绿汁江断裂、武定‒易门断裂、普渡河断裂、小江断裂等强地震活动性的SN向走滑断裂控制(Wang et al., 1998; He et al., 2009)。前人研究发现这些走滑断裂发生张扭性运动, 形成了滇池、玉溪、元谋等第四纪断陷盆地(Wang et al., 1998; He et al., 2009; 裴向军等, 2019), 同时也发育了挤压或逆冲断层(Ren, 2013; Wang et al., 2014; 樊云龙等, 2018)。

珠江流域主要受小江断裂、南盘江断裂、北盘江断裂和曲靖断裂等走滑断裂活动的影响。形成了弥勒盆地(Li et al., 2015)和北盘江流域的差异隆升(Wang et al., 1998; 樊云龙等, 2018)。

红河流域受建水断裂、曲江断裂、红河断裂北段、绿汁江断裂和个旧断裂等影响, 形成了许多第四纪断陷盆地(Wang et al., 2012), 而在曲江‒石屏断裂带剖面上又表现为自北向南推覆的逆冲断裂带结构(图9a)(韩新民等, 1982; 韩新民和毛玉平, 1993; 樊云龙等, 2018)。

以小江为例, 小江流域主要是受小江断裂活动控制。小江断裂由多条左行走滑断裂组成, 断裂以西的汤丹冲断块及周边地区在第四纪发生隆升, 小江中段地区地壳以整体抬升为主(Wang et al., 1998; 王刚和王二七, 2005)。另外, 小江断裂还控制了许多伸展盆地(宋方敏等, 1997)。小江流域的上凸区与小江中段的逆冲断裂以及汤丹冲断块相对应; 下凹区则与嵩明盆地、东川盆地相对应(图9b、c)。当走滑断裂表现为压扭为主时, 可能造成隆升量大于剥蚀量,-双对数曲线呈现为上凸; 当走滑断裂表现为伸展为主时, 可能造成隆升量小于侵蚀量,-双对数曲线呈现为下凹。

图6 金沙江流域内各支流水力侵蚀模型S-A双对数图

图7 珠江流域内各支流水力侵蚀模型S-A双对数图

图8 红河流域内各支流水力侵蚀模型S-A双对数图

(a) 滇中地区构造活动简图; (b) 小江流域构造活动简图; (c) 小江流域S-A双对数曲线。

5 结 论

通过对滇中地区的20条干流流域纵剖面进行定量化研究, 获得以下认识:

(1) 滇中地区低级别河流属性较好地符合Horton定律, 而高级别河流属性与Horton定律有较大偏离, 且偏离Horton定律的高级别河流与走滑断裂带相互重合, 滇中地区河网发育明显受到断裂活动的影响。

(2) 滇中地区河流网的-拟合图呈现出明显分段性, 在同一条河流内表现为上凸区和下凹区相间排列。其原因可能是研究区内的河道主要受走滑断裂控制, 当断裂以压扭性为主时, 河道的隆升量大于剥蚀量, 在-拟合曲线表现为上凸; 当断裂为张扭性为主时, 河道的隆升量小于剥蚀量, 在-拟合曲线表现为下凹。通过对河网地貌特征的研究可以使我们更好地理解该地区的构造活动特征。

致谢:衷心感谢两位匿名审稿专家对本文提出的建设性意见！

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Characteristics of River Networks in the Central Yunnan Province and Their Responses to Tectonic Activities

DUAN Jiaxin, DONG Youpu*, WU Ke, RU Xin, ZHANG Dongyue and WANG Dan

(Faculty of Land and Resource Engineering,, Kunming 650093, Yunnan, China)

The central Yunnan province is located in the Southeast of the Tibetan Plateau. Being one of the most tectonically active regions, it is cut by several active strike-slip faults. It is an ideal place to investigate the relationship between the active tectonics and river systems. Here, the SRTM-DEM with spatial resolution of 30 m was used as the basic dataset, and the ArcGIS and MATLAB software were used to the extract profile characteristics of 20 tributaries from the Jinsha River, the Pearl River, and the Red River in the central Yunnan province. First, the networks of the 20 tributaries were mapped and analyzed. Secondly, the relationship between tectonic uplift and fluvial incision was analyzed by steep index (). The results show that (1) the networks are represented by the Horton Laws for the streams of the lower orders but deviate dramatically at the highest order. (2)-plots all exhibit alternate convex and concave forms. It can be inferred that the developments of high-order rivers were significantly affected by the strike-slips faults. The analysis of fluvial geomorphology can help us to further investigate the tectonic activities and characteristics of the central Yunnan province.

the central Yunnan province; strike-slip fault; fluvial geomorphology; Horton law; bedrock channel incision model; tectonic activity

2019-08-29;

2020-01-17

国家自然科学基金项目(41802215、41762017、41672206)与云南省教育厅科学研究基金项目(KKJB201721011)联合资助。

段佳鑫(1994–), 女, 硕士研究生, 构造地质学专业。Email: 729234235@qq.com

董有浦(1983–), 男, 副教授, 主要从事构造地质学等相关领域的研究。Email: dongypsd@126.com

P542

A

1001-1552(2021)02-0296-012

10.16539/j.ddgzyckx.2021.02.003