青衣江流域地貌特征及构造指示意义

张 威, 马 超, 王世元, 何玉林, 刘玉法, 颜照坤

(1. 四川省地震局, 四川 成都 610041;2. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610059)

新生代以来,印度洋板块不断地向欧亚板块俯冲,持续不断的汇聚和碰撞造成了青藏高原现今的地貌和构造形态,也造成了青藏高原内部和边缘地区不断的地震活动,因此青藏高原的构造活动一直是地学界研究的热点之一.龙门山与山前的高度大于4 000 m,是青藏高原边缘山脉中陡度变化较大的山脉之一[1].

在新生代构造研究中,构造地貌研究是比较成熟的技术手段之一.水系地貌的形成常常受到构造活动的制约和影响,而且对构造活动所引起的剥蚀、隆升具有一定的反馈作用[2-3].青衣江的形成与龙门山南段的演化具有重要的关系,记录了龙门山的隆升和扩展过程.断裂活动可导致河流纵剖面的变化,记录基岩的隆升和河流下切的过程[4].河流水力侵蚀模型可以反映构造隆升作用与河流下蚀作用之间的关系[5-7].另外,利用阶地下蚀速率的计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]在名山万古场地区进行过研究.

有学者注意到龙门山地区水系和构造活动的关系主要集中在岷江水系,有关青衣江流域构造的研究主要为芦山地区地震成因与阶地变形,芦山地震的发震构造与地貌响应,青衣江流域阶地变形特征[9-12],而在地形坡度与断裂的关系、河流纵横剖面特征、河流水流侵蚀模型、河流阶地对龙门山南段构造隆升的指示意义方面研究还不够完善.本文通过青衣江流域内的地貌特征来探讨该区的地貌特征及其对构造活动的指示意义,以期为龙门山南段构造活动特征的研究提供一定的参考.

1 区域地质概况

龙门山位于青藏高原东缘,与四川盆地接壤,呈北东—南西向展布(图1).以北川—安县一线和卧龙—怀远一线为界,可将龙门山分为北、中和南段[13].青衣江流域位于龙门山的南段,发源于宝兴县,长约290 km.研究区主要的断裂系统有耿达—陇东断裂(后山断裂)、 盐井—五龙断裂(中央断裂)、双石—大川断裂(前山断裂)等(图1),各断裂晚新生代以来均表现出较强的构造活动特征,在龙门山的北段2008年曾发生8.0级地震,龙门山南段2013年发生7.0级地震,这将对龙门山的地貌产生重要的影响.

耿达—陇东断裂,也称龙门山后山断裂南段,为逆断层,北起耿达,向南经硗碛、陇东至泸定以东,总体走向NE40°,倾向NW.局部地区沿断裂线性影像特征明显,不过总体第四纪地层、地貌不发育.盐井—五龙断裂又称龙门山中央断裂南段,为逆断层,北起映秀南侧三江附近,向南经九里岗、盐井、五龙、明礼、庙子岗,至泸定以东,总体走向NE40°,倾向NW.大川—双石断裂,也称龙门山前山断裂南段,为逆断层,北起大邑双河一带,向南经大川、太平、双石,直至天全一带,总体走向约NE40°,倾向NW.

图 1 龙门山南段地形地貌图

2 地貌特征

青衣江流域横跨耿达—陇东断裂、 盐井—五龙断裂、大川—双石断裂,地势上从北西向南东逐渐降低,海拔最高处超过2 900 m,海拔最低处约为380 m.

本次研究利用DEM数据对青衣江流域的地形特征和水系特征进行综合分析,从而为进行地貌特征和构造活动的地貌响应奠定了基础.

2.1地形坡度利用ArcGIS10.0软件,基于SRTM-3数字高程模型90 m分辨率数据,提取青衣江流域河流数据,得到青衣江流域的坡度范围分布图(图2),坡度范围分布在0～82°,依据坡度分级对青衣江流域坡度做了4个分级,分别为0°～15°、15°～25°、35°～45°和45°～82°.可以看出,坡度从北西到南东逐渐降低,坡度较大的地方多集中在双石—大川断裂的上盘,这说明坡度和断层具有一定的关系,龙门山断裂带主要由逆断层组成,由于抬升幅度较大,造成断裂的上盘坡度也较大.

岩性的差异对坡度有不同的影响(图3),耿达—陇东断裂以西,以及与盐井—五龙断裂之间的岩性主要为志留系茂县群千枚岩,在岩性基本一致的条件下,由于断层的逆冲作用,耿达—陇东断裂上盘坡度大于下盘的坡度,所以耿达—陇东断裂与盐井—五龙断裂之间的坡度相对较小.盐井—五龙断裂与大川—双石断裂之间的岩性为元古界的花岗岩、角闪岩和变粒岩等,不易被外力剥蚀,在断裂活动的作用下形成坡度较大的区域.由于研究区范围较小,应该具有相同的气候条件,因此,构造活动是影响地形坡度主要原因之一,岩性对地形坡度也具有一定的影响.

图2青衣江流域坡度分布图

Fig.2TheslopedistributionOfQingyiriverdrainagebasin

图 3 青衣江流域地层分布图Fig. 3 The stratigraphic distribution of Qingyi river drainage basin

2.2水系特征在DEM的基础上对青衣江流域范围内的河流进行提取,获得青衣江流域水系分布图(图4).青衣江主要发育的支流为宝兴河、大川河、天全河和荥经河.下面对青衣江流域的河流纵剖面和横剖面进行分析.

2.2.1河流纵剖面 河流纵剖面的形态受流域内河床基岩类型、构造和气候等多种因素的综合影响[14].通过对跨断层的青衣江各支流的河道调查,

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

流域内的河道基岩类型大致相似.

由于青衣江流域位于龙门山的南段,属于同一地区,流域范围的气候大致也相似;因此,在基岩类型和河道相似的情况下,构造抬升成为影响河流纵剖面的主要因素.通过研究青衣江流域内的地貌特征及其构造响应,可以对流域内的地貌演化趋势作出判断(详见图5).

图 5 青衣江主要支流河流纵剖面图

前人对河流的地貌演化作了大量的工作[15-16],研究结果表明：河流的凹凸程度及形态反应了河流的发育和演化.当河流纵剖面介于上凸和下凹直接时,抬升速率处于中等水平.

从图4可以看出,宝兴河、大川河和天全河基本上呈直线型,3条河流自北西—南东方向主要岩性为志留系茂县群千枚岩、中部的元古界花岗岩及东南部的侏罗系-白垩系砂泥岩(图3),千枚岩和砂泥岩抗侵蚀强度低,在河流纵剖面并没有表现下凹特征,所以岩性不是影响其形态的主要原因,说明龙门山南段构造作用整体处于隆升状态.

2.2.2河流的横剖面 一般情况下,河流的上游下蚀作用比较强烈,在上游形成的河谷也较较深;河流的下游侧蚀作用比较强烈,形成的河谷较宽.因此,从上游到下游河谷逐渐变宽,河谷深度逐渐降低;但在构造隆升区,河流为了保持其动力动态平衡,总是持续地切割其下伏的河床基底,造成河谷变深.

为了判断构造因素对河流的影响,在DEM的基础上,分别在宝兴河、大川河和天全河提取4～5个横剖面(图3)进行分析(其中宝兴河a、b处于耿达—陇东断层的上盘,c、d、e处于断层的下盘;大川河a、b处于盐井—五龙断层的上盘,c、d处于断层的下盘;天全河a、b处于盐井—五龙断层的上盘,c、d处于断层的下盘,见图6～8).对各个支流横剖面(图6～8)对比研究表明：宝兴河、大川河和天全河整体上河谷的宽度逐渐变宽,但宝兴河a～b曲线、大川河a～b曲线、天全河a～c曲线,河谷的深度有增加的趋势.分析其原因是处于上盘的河流剖面受到断层活动的影响,整体处于抬升状态,在抬升的过程中,下蚀作用增强,河谷也变得越深.

3 构造活动的地貌响应

3.1河流水力侵蚀模型近年来,关于青藏高原隆升方面的研究成为研究的焦点,在构造活跃的基岩隆升区,表面隆升速率和下蚀速率应存在线性关系[17].

目前大多利用非均衡山脉河流侵蚀模型来表现表面隆升速率和侵蚀速率之间的关系:

S=KsA-θ,

log S=θ×logA+logks,

其中,A为河段上游的集水盆地面积,S为河段的坡度,θ代表均衡河道纵剖面的凹曲指数,参数ks则为均衡河道纵剖面的陡峭指数.

当基岩隆升速率大于河流下切侵蚀速率时,河床的高程会随着时间逐渐增高,S-A双对数图表现为上凸特征(图9),此时河流系统发育处于前均衡状态;相反,当基岩隆升速率小于河流下切侵蚀速率时,河床的高程会随着时间逐渐降低,S-A双对数图表现为下凹特征,此时河流系统发育处于后均衡状态.

利用河流水力侵蚀模型对青衣江流域的河流(图10)分析研究表明：宝兴河、大川河和天全河S-A双对数曲线均呈上凸特征,说明河流的隆升速率大于侵蚀速率.

河流的凹曲指数θ与陡峭指数Ks虽然都能反映构造的隆升速率,但影响θ的因素较多,所以不能准确地判别河流的隆升.

陈彦杰等[6]指出当一地区各集水盆地的θ值接近一致时,logKs可反映隆升速率.根据曲线拟合(表1)得出宝兴河、大川河和天全河的θ值分别为0.62、0.65和0.64,logKs分别为0.43、0.28和0.42,因此,3条支流域都处于隆升的状态,宝兴河和天全河流域隆升速率较高,大川河相对较低.

图 6 宝兴河河流横剖面图

图7大川河河流横剖面图

Fig.7ThecrossprofileofDachuanriver

表 1 青衣江流域主要河流的S-A图分析

3.2河流阶地对构造活动的响应河流阶地是河流发育过程中构造运动、气候和侵蚀基准面的变化等综合作用的产物.本次研究的青衣江多级阶地位于青藏高原与四川盆地的交界地区,处于龙门山的南段,在新近纪—第四纪龙门山南段受到北东—南西的应力作用下产生了一系列的断裂活动,如2013年4月20日曾发生7.0级芦山地震,这些构造活动对河流也产生了重要的影响.青衣江阶地的形成应该主要是构造活动主要控制因素.

图 8 天全河河流横剖面图

图10青衣江流域水力侵蚀模型S-A对数图

Fig.10ThelogarithmicS-Aplotofstream-powerincisionmodelofQingyiriverdrainagebasin

图 9 河流水力侵蚀模型S—A图解

青衣江流域阶地大致可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4级阶地,其中Ⅰ级阶地为堆积阶地,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为基座阶地,在万古场地区保存较为完整.李勇等[17]指出,青藏高原的表面隆升过程并不等于青藏高原的地壳隆升过程,表面隆升还受控于侵蚀作用,如果地壳隆升速率大于侵蚀速率,表面隆升速率为正值;如果地壳隆升速率小于侵蚀速率,表面隆升速率为负值.分析表2可知,青衣江地区阶地表面隆升速率为正值,龙门山地区的地壳隆升速率大于侵蚀速率,河流的下切速率和隆升速率呈正相关的关系,从而证明了青衣江流域在第四纪时期隆升的同时,河流为了保持动力均衡状态,不断地下切变深.

表 2 青衣江万古场阶地表面隆升速率与下切速率[10]

4 结论

选取构造活动强烈的龙门山南段地区以青衣江流域的地形坡度及其支流(宝兴河、大川河和天全河)的纵、横剖面特征为基础,建立基岩河道河流水力侵蚀模型对数图解,分析了河流阶地的构造响应,初步讨论并得到如下认识：

1) 耿达—陇东断裂与盐井—五龙断裂之间岩性为志留系茂县群千枚岩,在岩性基本一致的条件下,地形坡度的差异主要为断层的逆冲作用造成.盐井—五龙断裂与大川—双石断裂之间的岩性为元古界的花岗岩、角闪岩和变粒岩等,不易被外力剥蚀,在断裂活动的作下形成坡度较大的区域.结合宝兴河、大川河和天全河的河流纵、横剖面形态,岩性虽有影响,但构造因素为主导作用.

2) 宝兴河、大川河和天全河的河流水力侵蚀模型对数曲线均呈上凸的形态,θ值接近一致时,宝兴河、大川河和天全河的θ值分别为0.62、0.65和0.64,logKs分别为0.43、0.28和0.42,说明龙门山南段的地壳隆升速率大于河流的下切侵蚀速率,整体处于隆升状态.

3) 青衣江流域整体处于抬升状态,揭示了龙门山造山带内的地貌发育仍然处于前均衡状态,同时也从侧面证明龙门山地区是整个青藏高原垂直隆升和侧向挤压的最新和最前缘部位.

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