流域稳定性指标在非洲南部的应用

陈泰安

兰州大学资源环境学院 甘肃 兰州 730000

非洲大陆曾经是冈瓦纳古陆的一部分,在大约1.8亿年前由于受到下伏地热活动等作用逐步裂解[1],此后大陆东、南、西海岸分别被新生大洋所环绕。前人利用磷灰石裂变径迹(AFT)的方法重建了这一被动陆缘对应东西海岸裂解时所引发的快速剥蚀事件以及漫长的大陆冷却和剥露历史[2]。

河流作为十分重要的地貌外营力,对区域气候变化和构造扰动的响应极为敏感。因此,河流地貌也常被当作指示第四纪以来区域气候及构造活动的研究载体。非洲南部陡坡作为分隔高原内陆河流与沿海短小河流之间的一条重要分水岭,对了解晚新生代非洲南部河流地貌演化提供了一个理想的场所。

一、数据资料及分析方法

随着数字高程模型及地质年代学的迅速发展,使得第四纪以来各类精确地形数据的获取更为容易,通过探索河道形态对地表岩石抬升速率变化的响应已经成为地貌研究的一种主要方法。本文基于分析和对比前人研究工作的基础,结合区域地貌形态特征及数字高程模型数据,对第四纪以来沿陡坡发育的河流地貌演化研究提供一个新的认识。

本文通过ArcGIS软件,基于90m分辨率的数字高程模型DEM(http://www.gscloud.cn/search),对陡坡东、南、西段9条河流的流域稳定性指标进行提取(图1)。所选流域均为沿陡坡分水岭发育的短小入海河流,流域面积相似,提供了一个理想的场所来探讨区域河流地表演化的过程。

图1 非洲南部数字高程模型图

地表形态是地壳抬升历史的复杂响应,当分水岭发生迁移时,水系会进行调整和重组,前人模拟了一系列在地表经历抬升后的水系发展模式,如盆地地形起伏、流域面积、径流量大小以及岩性控制等方面的时空变化。冈瓦纳古陆分裂后,许多河流都通过袭夺、气候变化以及构造活动等方式进行了水系间的重组,这同时导致了流域间分水岭的迁移。一般来说分水岭两侧平均侵蚀速率差异以及相邻2个流域之间的平均局地高差可用于指示流域间侵蚀能力的强弱。流域平均侵蚀速率是流域侵蚀能力的最直接体现,一般可通过水文站泥沙数据、宇宙成因核素等方法来对地表侵蚀速率进行估算,由于水文站泥沙数据观测历史有限,只能反映近百年来的水系侵蚀变化,并且受人类活动影响,已经在很大程度上改变了流域的自然侵蚀过程;而利用采自流域出水口的宇宙成因核素法能够反演万年至几十万年尺度的流域平均侵蚀速率,该方法虽然已经在全球许多地区的定量研究中成功运用,但同时也存在着许多缺点,诸如耗时长、实验流程繁琐以及样品采集困难等。随着理论与技术的发展,基于DEM数据的流域稳定性指标由于其简单易行也常被应用于现代水系演化的研究中,Whipple[3]等人提出相邻流域分水岭2侧的平均局地高差来可用来指示分水岭的迁移模式,一般来说分水岭会向着平均侵蚀速率低和平均局地高差小的流域迁移。

二、数据分析结果

通过ArcGIS软件计算相邻流域间的局地地形起伏,并设置分水岭2侧各5km的缓冲区,最后再分别计算9个流域中每个缓冲区内的平均局地高差,获悉陡坡分水岭各段的水系演化趋势,具体分水岭2侧的平均局地高差的计算结果如表1所示。

表1 沿陡坡河流分水岭2侧局地高差比较

结果显示9条河流的分水岭在靠近内陆一侧的局地高差都均小于靠近陆缘一侧,个别分水岭2侧的高差值甚至接近200m。这说明陡坡分水岭目前还在广泛受到沿其自身发育的短小河流的溯源侵蚀作用,并以一定的速率不断向内陆迁移。

三、结论与展望

当前有关非洲南部地区地貌演化的研究在地貌面分布、年代学研究、地表侵蚀速率以及水系演化等方面做了大量工作[1]。古陆分裂后的非洲南部在地形地貌上发生了翻天覆地的变化,这些变化离不开大陆内部的构造运动和气候变化,陡坡的隆起与后退伴随着内陆盆地的沉降,地震层析成像解释了这里异常高的地形,白垩纪时期的高剥蚀速率受到了强烈的构造活动以及温暖湿润的气候影响,而在干旱化影响更多的中新生代,由于陆内板块环境相对稳定,使得整个次大陆的剥蚀速率较白垩纪呈现数量级的下降[2]。基于DEM提取的流域稳定性指标指示沿陡坡发育的这些短小河流都以一定的速率向南非高原进行溯源侵蚀,未来流域面积有进一步扩大的可能。

目前非洲南部地貌演化的研究已经在热年代学、地貌发育模式、水系演化等方面取得许多成果,但同时也伴随一些新问题的出现,这也是未来研究的一个方向和趋势:(1)地貌面的测年问题是地貌研究工作的重点,其决定着古陆分裂以来地貌发育模式的探讨,因此各类地貌面的精确定年还需进一步的细化;(2)河流地貌作为构造过程与地表侵蚀间交互作用后的载体对区域气候及构造历史具有极大的研究价值,非洲南部的河流研究开展的都相对较早,有关河流演化的研究手段仍较为单一,还缺乏定量分析区域构造和气候因素对河流演化的模式以及数值模拟方面的验证。