太行山南缘构造地貌量化研究

2021-03-22张亚丽武慧智史鹏会杨俊峰

河南科学 2021年2期

关键词：太行山山体坡度

马骁，张亚丽，武慧智，史鹏会，杨俊峰

（1.河南省地质调查院，郑州 450001； 2.遥感卫星应用国家工程实验室地质遥感中心，郑州 450001；3.河南省地矿局第一地质环境调查院，郑州 450001）

数字高程模型（DEM）是对地球表面起伏状态的数字化表示，已经广泛应用于地球科学的各个领域中.DEM 被引入到地貌学研究中后，给传统构造地貌研究带来新的活力，许多研究者在世界各地开展了基于DEM的构造地貌研究，取得了丰硕的成果［1-14］.

本文选取太行山南缘为研究区，借助RS和GIS工具，利用DEM数据开展南太行地区的构造地貌研究，以期为南太行山新生代的地貌演化提供约束.

1 区域地质概况

太行山位于我国中东部，是我国地貌二三级阶梯的分界线，呈NNE向横亘于华北平原西侧，两侧高差悬殊. 本文研究区位于河南山西两省交界处的太行山南缘，面积2773 Km2. 研究区在大地构造上属于华北板块，基底为太古界-古元古界的变质岩系，其上为中新元古代沉积盖层［15］，古生代以来一直保持着稳定克拉通沉积环境，沉积了巨厚的碳酸盐岩和陆缘碎屑岩.

区内主要出露的岩石有太古界登封杂岩，主要由斜长角闪岩、黑云变粒岩、云母石英片岩等组成［16］. 中元古界汝阳群，自下而上为云梦山组，主要由紫红色石英砂岩、粉砂岩和泥页岩等组成；白草坪组主要由石英砂岩、砂泥岩和泥页岩等组成；北大尖组主要由浅红色石英砂岩、砾屑白云岩和白云质砂岩等组成，叠层石发育［17］. 寒武系自下而上为张夏组，主要为灰色厚层鲕粒灰岩、白云质灰岩和白云岩等组成［18］；崮山组主要由泥灰岩夹钙质泥岩、泥质条带灰岩、夹竹叶状灰岩［19］；炒米店组主要由灰色厚层微晶灰岩、生物碎屑灰岩和薄层竹叶状灰岩组成［20］；中奥陶统马家沟组主要由泥晶灰岩、白云岩等组成［21］，为本区出露面积最大的岩石地层单元（图1）. 研究区内断裂构造发育主要有NNE向、NE向和近EW向3组断裂，其中有多条断裂是第四纪以来的活动断裂［22］.

图1 太行山南缘地质简图Fig.1 Geological sketch of the southern margin of Taihang Mountain

2 技术与方法

2.1 数据来源

本次研究所采用的DEM数据为美国航空航天局与日本经济产业省于2009年推出的电子地形数据Aster GDEM，其空间分辨率为30 m，水平精度30 m，垂直精度20 m［23-24］，可以满足研究区构造地貌的分析；遥感影像为Landsat 8 OLI的30 m分辨率的多光谱数据. 所有数据地理参照为WGS_1984，横轴墨卡托投影（UTM）.

2.2 数据处理

对DEM数据进行拼接和裁剪等预处理，得到研究区的DEM高程图. 在此基础上利用ArcGIS空间分析工具中的水文分析模块（Hydrology），提取研究区的主要水系. 在提取水系范围的步骤中，汇流累积量的选择是十分关键的一步，本次研究通过多次试验对比，将水系阈值设定为1000可以满足分析精度，所以以此为标准提取研究区的水系，并进行流域盆地的划分. 结合遥感影像特征和区域地质特征，对小流域进行合并，对一些流域边界稍作调整，得到了研究区从南向北均匀分布的14个子流域作为研究对象（图2）. 为了方便讨论，将流域由南向北依次命名为V1～V14，并按照水系范围裁剪DEM 栅格得到水系范围内的DEM 数据.由于Landsat 8 OLI影像经过了系统的几何校正，所以本次研究预处理主要是进行了辐射定标和大气校正，并对进过大气校正的影像进行融合和镶嵌，以满足研究需要（图3）.

图2 研究区流域分布图Fig.2 The distribution of rivers instudy area

图3 太行山南缘Landsat 8 OLI遥感影像Fig.3 Landsat 8 OLI remote sensing image of the southern margin of Taihang Mountain

3 构造地貌分析

3.1 面积-高程积分（HI）

以流域中某一高程以上的面积除以集水区总面积作为X 轴，以某一高程值除以集水区的最大高程差为Y 轴，对曲线下方求积分即为流域的面积-高程积分［25］. 后续经过学者的推导得出估算HI值的简易方法［26］，计算公式为：

由于求取面积高程积分还有体积比例法，前人利用这3种方法计算了白龙江流域32个子流域的HI值，结果表明，3 种计算方法得到的HI 值几乎一致［27］. 故本次研究采用Pick 和Wilson 的方法计算研究区的HI值，利用ArcGIS空间分析模块中的Zonal statistics工具，求得每个流域下DEM的最大值、最小值和平均值，利用上述公式计算求得HI值（表1）.

表1 流域参数表Tab.1 Parameters of every valley

Strahler利用面积高程积分曲线形态和积分值对戴维斯的侵蚀-循环理论进行了定量描述，认为在地表经过构造隆升后，构造活动趋于稳定或停止，河流发生下切，流域盆地的HI值随地表演化时间的变长而逐渐降低［25］. 在地貌发育的初期，风化侵蚀程度较低，HI曲线呈现上凸，其值>0.6；地貌演化至老年阶段的流域盆地，各种侵蚀作用发育，风化程度较高，HI曲线呈现凹型，其值<0.35；HI值介于两者之间（0.35

3.2 地表坡度分析

根据DEM数据，利用ArcGIS 的空间分析工具，提取研究区的坡度栅格. 利用ArcGIS 的统计分析工具，可知研究区最大坡度可达79.579 29°，平均坡度约为19.688 54°. 累计百分比上，有约62%的山体坡度大于15°，山体坡度大于21°的约占41%，约12%的山体坡度大于33°，约有3%的山体坡度大于45°. 根据坡度大小可以将研究区分为缓坡、低陡坡、中陡坡、陡坡和陡崖5种类型. 表2为研究区山体坡度类型及占比. 由表2中可以看出，研究区缓坡约占17.31%，低陡坡约占41.61%，中陡坡占29.32%，陡坡占9.32%，另有约占2.44%的陡崖存在. 可见研究区坡度总体较为陡峭，悬崖发育. 利用ArcGIS的重分类工具得到研究区坡度分级图（图4），从坡度分级图上可以看出，颜色较深处（及坡度较大）沿河流两岸对称分布.

表2 研究区坡度统计Tab.2 Slope statistics of study area 单位：%

图4 研究区坡度分级图Fig.4 Slope classification of the study area

3.3 地形高程

根据DEM 数据对研究区高程进行统计分析，结果显示研究区平均海拔962.75 m，最高处1676 m，海拔1100～1300 m的山体占比最大，达23.27%，1300～1500 m的山体约占17.63%，有2.98%的山体高程大于1500 m，从累计百分比看，约73%的山体海拔在700 m以上，约60%的山体海拔高于900 m，约44%的山体海拔在1100 m以上（表3）. 利用ArcGIS的重分类工具得到研究区高程分级图（图5），可以看出，海拔1100～1300 m的山体在本区分布面积最大.

表3 研究区高程统计Tab.3 Height statistics of study area

图5 研究区高程分级图Fig.5 Elevation gradient of the study area

沿与南太行山前断裂大致平行的方向做一条剖面（图6），通过剖面可以看出，南太行地区沟谷纵横，地势较为复杂，且存在明显的层状地貌，根据海拔高度将这一区域大致划分出3级夷平面：第一级夷平面主要分布于南太行海拔大于1400 m的高山带，主要由一些残留的山顶面和山脊线构成；第二级夷平面分布最广，主要分布于海拔1100～1300 m，由面积比较广阔的山塬面组成；第三极夷平面在该区分布较少，主要位于海拔800～1000 m的高度（图6）.

图6 南太行山前断裂地形剖面图Fig.6 Topographic profile of prefracture in South Taihang Mountain

4 讨论

华北地区地文期的研究始于上世纪初［28-29］，学者们注意到在华北山地主要是燕山和太行山广泛发育三级夷平面，分别是北台期夷平面、太行期夷平面和唐县期夷平面［30-33］. 在太行山北段，北台期夷平面的分布高度为2500 m以上，太行期夷平面（吴忱等称之为甸子梁期夷平面）主要位于1800～2200 m的海拔高度，唐县期夷平面分布于500～1000 m，主要是一些台状的低山和丘陵面［31］；在太行山南缘（济源王屋山一带），北台面海拔为1800 m左右，太行面海拔高度为1100～1300 m，唐县面海拔高度为400～500 m［33］. 本文所做剖面显示，该研究区同样存在三级夷平面，一级夷平面海拔1500 m，二级夷平面海拔1100～1300 m，三级夷平面海拔800～1000 m，很好地对应了华北地区的这3个地文期，即在该区北台面的分布高度约为1500 m，太行面分布于1100～1300 m的高度，唐县面主要为800～1000 m处的宽谷. 夷平面是地壳处于稳定时期受外力长时间侵蚀作用的产物，代表了一个地貌发展旋回的终极阶段. 关于华北山地这些夷平面的形成时代，一直以来存在很多争议，目前比较公认的是北台期夷平面形成于白垩纪末-始新世初，历时约80 Ma，太行期（甸子梁期）夷平面形成于始新世末-中新世前［31］，历时约30 Ma. 前人对发育于唐县期夷平面上的堆积物进行了ESR年龄测定，结果显示堆积物的时代介于1057～2583 kaB.P.［33］，表明唐县期夷平面形成于上新世晚期-早更新世初，历时约2 Ma.

太行山南缘河谷中普遍发育6 级河流阶地，这些河流阶地发育在唐县期宽谷面之下的峡谷中，并侵蚀切割了唐县期沉积［33-34］，T1 阶地的热释光测年结果为35.21 kaB.P.，T5 阶地的ESR 年龄为908.75 kaB.P.，表明这6 级阶地形成于更新世，时代上晚于唐县期夷平面. 河流阶地的形成分为两个时期，即阶地面和阶地斜坡. 阶地面是河流侧蚀作用的结果，是地壳的相对稳定期，阶地斜坡是河流下切作用形成，为地壳的抬升时期［35］. 这6级河流阶地是南太行地区第四纪强烈抬升的直接证据，现今在该区域大量发育的深切河谷（图7）也表明第四纪以来南太行山的构造抬升. 本次研究得到的南太行地区14个流域的面积高程积分值普遍较大（最大的0.68），也说明该区域的地貌演化处于幼年-壮年期，处于地貌演化的鼎盛阶段，坡度分析表明该区域坡度较陡，悬崖发育，都是对第四纪以来地壳强烈抬升的响应.