基于SL参数和Hack剖面的个旧矿区西部构造地貌特征分析*

杨荣森，郑德志，倪春中

(昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093)

0 引言

构造地貌作为地面和岩石在新构造运动的地球内外营力作用下形成的地表形式，其演化对应了由构造运动、气候变化以及地表剥蚀沉积影响形成的地貌形态[1]。在构造发育区域，河流水系格局会产生明显的变化，引起这一变化的地貌参数自然成为了理解水系响应构造地貌的直接研究指标[2-4]。

HACK在阿巴拉契亚山脉地区提出了SL参数和Hack剖面，描述了岩性对河流形态特征的影响。BROOKFIELD[5]发现喜马拉雅地区中大型河流的SL参数对岩性响应较差，其更多地反映了构造活动或河流袭夺信息。CHEN等[6]在我国台湾西部进行了两组对照研究，发现SL参数在小型河流中主要受岩性、断层和褶皱等地质因素控制，在中大型河流中能较好地反映构造运动。赵洪壮等[7]指出北天山流域内河流SL参数变化与构造断裂带的位置有关。曹凯等[8]在昆仑河地区发现该区SL参数主要受断裂构造活动控制，并控制了区域内的水系格局。李辉[9]对达日断裂的研究发现，断裂中段的构造活动对河流纵剖面SL参数具有良好的控制作用。徐岳仁等[10]对山西霍山山脉河流地貌的研究发现，SL参数主要反映岩石抗侵蚀能力和构造活动，且其在山前断裂带两侧存在明显的差异。褚永彬等[11]对疏勒河的研究发现，河流转向和纵剖面裂点与SL参数具有一致性。

本文选取个旧矿区西部的5条较长河流作为研究对象，利用前人提出的SL参数和Hack剖面两种地形计量指标，计算和绘制了研究区内5条河流的SL参数与Hack剖面，并统计了SL参数异常峰值的情况，结合区域构造与地质条件，综合分析SL参数和Hack剖面变化与地层岩性、断裂构造、构造运动之间的相关性。

1 地质背景

个旧矿区地处特提斯构造域与滨太平洋构造边缘相接部位。区域西部为南北向的小江深断裂，南西部为北西向哀牢山-红河深大断裂。矿区内存在强烈的地壳活动，区域地质构造以多期次断裂为主，主要发育有东西向、南北向、北东向和北西向断裂、褶皱，控制着区内构造格局、盆地结构、沉积作用演化及沉积体系的类型与展布[12]。

中生代燕山运动中晚期，矿区内挤压应力方向为NW-SE向，在改变早期形成的东西向断裂的同时也形成了NE向的莲花山断裂、芦塘坝断裂等。在新生代喜马拉雅构造运动中，矿区内先后形成了 NE-SW向和EW向应力，产生了区域NW向和SN向的活动断裂，如NW向的大菁东断裂、大凹塘断裂、白泥洞断裂，以及SN向的个旧断裂和甲界山断裂，后者分别控制着矿区西、东部的边界[13]。其中NW向断裂主要为大箐东断裂组，分布于区域北侧，整体走向在305°～325°，倾向为南西向或北东向，倾角较陡(70°～86°)，长约2～3 km，宽约5～20 m，以压扭性断层为主。SN向断裂延伸长约40 km，北段呈挤压状，南段表现为追踪延伸。

矿区内地层主要为二叠系和三叠系，第三系、第四系地层局部出露。其中第四纪松散堆积物出露于东北部，下三叠统飞仙关组(T1f)出露于北西部，岩性为黄绿色和黄灰色页岩、砂质页岩夹薄层泥质灰岩；中三叠统卡房段(T2g1)零星出露于南部与中部，岩性为灰色、浅灰色中厚层状灰岩与白云岩互层；白泥洞段(T2g3)分布于区内西南部、北部及东南部，岩性为灰色中厚层状灰岩；马拉格段(T2g2)发育完整，区域内广泛分布，岩性为深灰、灰白色中厚至巨厚层白云岩和灰岩。区域内岩浆岩多为隐伏岩体，属印支期火山岩系，仅在北部卡房区小面积出露，其余多隐伏于地下200～1 500 m处，成分较单一，以黑云母花岗岩为主[14](见图1)。

图1 个旧矿区西部地质与河流分布

2 节理构造特征

在河流流经断层附近实地测量了151组节理，运用Dips软件整理绘制节理走向玫瑰图(见图2)、节理倾向倾角玫瑰图(见图3)。由图2可知：研究区内优势节理走向主要集中在NW(300°～320°)、NNW(330°～340°)，以剪节理为主；该方向岩石破碎程度较高，节理发育稳定且贯通性好，在横向和纵向上延伸较远，其间可见泥质物质充填；NE-SW走向节理发育较差，占节理总数的15%左右。由图3可知：节理倾向发育以NE、SW为主，倾角普遍较大，主要集中在70°～90°，其占节理总数的65%；0°～30°区间内低角度节理仅有4条，占节理总数的2%；NW向发育的构造节理作为断裂的伴生产物，反映了喜山前中期构造应力的作用；NW向、NNW向优势发育的高角度节理与区内河流流经NW向高角度断裂形成对应，影响着河流流经断裂时纵坡面坡度产生的变化。

图3 节理倾向倾角玫瑰图

3 研究方法

3.1 SL参数和Hack剖面

由河流纵剖面的坡度与河流源头的距离计算河长坡降指标，即

(1)

式中，ΔH为每单位河段的高程差，ΔL为每单位河段的距离，Lc为河流源头至河段中点的距离。

此外，HACK还提出用一个简单的半对数方程式来描述均衡的河流纵剖面，称为“Hack剖面”：

H=c-K×ln(Le)，

(2)

式中，H为纵剖面的高程，K为斜率，c为常数，Le为河流从源头沿河道至流域出口的长度。若对Le取微分，则有

(3)

SL=K，

(4)

所求的斜率即为河长坡降指标。

SL和基岩抗侵蚀力之间存在密切联系。在SL较高的区域，该区地层岩性可能较坚硬，抗侵蚀能力较强，或是区域活动构造明显，造成河段坡度局部变化，使得SL增大。反之，SL较低的区域则可能表示该区地层岩性较软弱，抗侵蚀能力较差，也可能是该区构造活动性低或不受构造作用的影响。因此，若区域内基岩岩性保持一致，SL呈现非正常的极大值，则表明近期构造活动对河流地形产生了较大影响[15-17]。

3.2 数据处理

利用Arcgis软件对DEM数据进行预处理，提取区域的水系分布，并将其与个旧矿区地质图进行叠置匹配，得到河流与构造断裂的分布(见图4)。同时利用Matlab编写程序，提取研究区5条河流的纵剖面数据，并用Excel进行数据处理，得到河流的SL参数和Hack剖面图(见图5)。

图4 个旧矿区DEM与水系分布

(a)R1河流 (b)R2河流

(c)R3河流 (d)R4河流

(e)R5河流

4 讨论

13:56 2022-5-4

4.1 SL参数变化

当R1河流斜切大菁东断裂时，SL显著增大，达到局部峰值1 438 m；穿过莲花石断裂和个旧断裂时，SL呈阶梯式下降但保持在一个相对较高值。R2河流穿过莲花石断裂和牛坝荒断裂时，SL显著增大；而横切两条断裂间的个旧断裂时，SL呈陡崖式下降，达到局部最低值56 m，显示为明显的“凹”型。在R1河流与R2河流交汇处，SL都接近300 m。分析矿区地质图可知，两条河流前段流经的地层基岩岩性均为三叠系个旧组，岩性变化不大且岩性单一，以此可以判断河长坡降指标的变化是构造活动引起的；而在河流后段，河流流经的地层从三叠系个旧组变为飞仙关组，基岩岩性从白云岩、灰岩变成了页岩，基岩抗侵蚀力明显下降，但该区对应了SL的另一个峰值，可能是由贾沙复向斜北东段构造活动引起的。

R3河流穿过大凹塘断裂时，SL达到了最大值1 468 m，随后通过F1断裂带时，SL达到局部峰值1 247 m。在两条断裂之间，河流流经地层岩性发生了显著变化，从下三叠统飞仙关组向花岗岩过渡，使得SL呈下降-上升-下降的趋势，其间极大值867 m对应坚硬的花岗岩组。R5河流在白泥洞断裂附近时，SL增大且在一较大长度上保持较高值。在R3、R4河流中段流经花岗岩区域时，SL在600～800 m；而在河流后段由于F1断裂带的影响，尽管该区第四纪堆积物出露但仍产生了另一SL峰值。在R3河流和R4河流交汇处，SL在300～400 m，可能是因为河流汇入增大了河流流量以及河流侵蚀力度，另外堆积物增加造成河段坡度变陡，使得该处的SL增大。而在R4河流与R5河流交汇处，SL增至700 m左右，该点为F1断裂，河段坡降增加导致SL比其他交汇处的更大。

综上所述，河流在流经NW向的大菁东断裂、大凹塘断裂、白泥洞断裂、F1断裂以及近SN向的莲花石断裂和牛坝荒断裂时对应了较大的SL，反映了强烈的构造运动。但SL在个旧断裂附近产生了异常，可能是个旧断裂南段呈追踪延伸，断裂出露较差，地表受断层的影响较小，降低了对河流河段的坡度影响。R2河流流经个旧断裂区域的构造活动作用较弱，降低了断裂两侧的高程变化值，使得河流坡度减小进而导致SL在该区呈现相对较低值。此外，在岩性变化处，如下三叠统个旧组到飞仙关组或者花岗岩区域，SL也同样存在变化。当河流流经花岗岩区域时，由于岩性较坚硬且抗侵蚀能力较强，SL显著增大，但通过第四纪松散堆积物时，其抗侵蚀能力较弱，使得SL减小，表明SL能反映区域地层岩性的变化。

4.2 Hack剖面分析

在Hack剖面曲线中，将河源处与河口点以一条直线连接，该直线表示河流到达新动力平衡时的均衡状态，其斜率K称作“均衡坡降指标”。K值的大小反映了河流的侵蚀能力。K值越大，表示河流侵蚀能力越强。其中R2河流的K=229，R5河流的K=322，反映了区域内地层岩性导致的河流侵蚀能力的变化，其规律与SL一致。同时，研究区R1、R2、R3河流Hack剖面以均衡坡降指标线为底界，整体表现为上凸，局部河段呈凹形。R4、R5河流整体呈明显的凸-凹变化，但是河流中下游地区Hack剖面出现在均衡坡降指标线下方。Hack剖面呈现的凹-凸变化是河流局部河段对流经不同地层岩性和断裂构造时的反应。当河流由于断层作用破坏了原有的均衡剖面，且断层活动时间较新时，河流纵剖面在发育过程中将不能调整到新的均衡剖面。

此外，如果地表发生断层导致了竖向运动，则河流剖面在突然的断层位移作用下会产生同向的变化，通过侵蚀与沉积的相互调整作用最后趋于新的平衡，此时Hack剖面河流下游会低于最终的均衡面。这也说明河流在构造活动作用下的较早时期处于调整剖面到最终平衡过程的初步形态，R4、R5河流的Hack剖面出现在均衡坡降指标线下方，处于受构造活动影响后的较早期，尚未到达新的平衡。同时，Hack剖面局部凸起对应了该区域的高抬升速率，而在抬升速率较低的地方则以直线甚至轻度下凹曲线为主。这意味着个旧矿区西部区域整体处于构造抬升阶段，抬升速率较快，构造活动强烈。

个旧矿区西部受构造活动影响，使得区内5条河流的Hack剖面为上凸形态，其Hack剖面变化与SL具有良好的对应关系，即：在河流中下游地区Hack剖面下降时，SL出现异常峰值，局部河段变陡。同时，河流纵剖面在构造断裂作用下会产生同向的位移变化，SL明显增大。

5 结论

个旧矿区在新构造运动时期产生了NW和NS向活动断裂，对地貌形态产生了直接影响。通过对矿区西部河流的研究，得到以下主要结论：

a.河流在流经NW、SN向断裂时SL增大并达到1 400 m左右的峰值，代表了河流水系格局对构造活动的响应。同时，SL参数与Hack剖面存在形貌上的对应关系，对于小型河流而言，SL参数在断裂和岩性变化处均产生变化，反映其对岩性和断裂中小尺度地质因素的响应，这与前人的研究结论一致。

b.Hack剖面呈上凸形态，整体处于构造抬升阶段，且抬升速率较快，构造活动强烈。

c.剖面的凹凸程度不同，表明区域北部处于构造活动影响的较早期，河流在侵蚀与沉积的相互调整作用下还未达到新的平衡。