雅鲁藏布江中游地貌参数特征及其构造地貌意义
2022-08-12马腾霄杨文光朱利东张洪亮麦源君曹志超
马腾霄, 杨文光, 朱利东, 张洪亮, 钟 摇,解 龙, 麦源君, 罗 璐, 曹志超
(1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059)
随着数字高程模型(DEM)理论的发展及数据精度的提高，近年来，大量学者已成功将地理信息系统(GIS)和DEM运用于构造地貌学研究，DEM及空间分析技术与相关地学研究手段相结合的复合分析逐渐成为构造地貌学研究的常规手段[1]。河流纵剖面[2]、Hack剖面和河长坡降(SL)[3]、河流陡峭指数[4]及面积-高程积分值(IH)和面积-高程积分曲线(HC)[5-6]、地形坡度[7]等地貌参数，能有效揭示不同影响因素(构造活动、岩性差异及气候等)与区域地貌演化之间的关系[8-10]。
雅鲁藏布江蜿蜒于喜马拉雅山脉和冈底斯山脉之中，是世界上海拔最高的河流，享有“天河”之称。基于DEM数据，大量学者解析了雅鲁藏布江下游地区水系发育与构造、岩性及气候之间的关系[11-14]，认为构造是控制雅鲁藏布江大峡谷裂点和水系演化的主要原因[15-17]，大拐弯区域隆升的不均一性[18-19]是由构造、气候、河流发育及断裂带密度差异决定的[20]。然而，前人对雅鲁藏布江中游构造地貌特征研究相对于下游大拐弯地区要少[21-23]，关于雅鲁藏布江中游的大空间尺度地貌演化阶段与其区域构造地貌背景相关的研究相对缺乏。本文运用Hack剖面和河长坡降及面积-高程积分等构造地貌参数分析方法，并结合前人成果对雅鲁藏布江中游构造地貌演化特征进行研究。
1 研究区概况
雅鲁藏布江发源于杰马央宗冰川，总体由西向东横跨青藏高原西南部，绕过南迦巴瓦峰，以近“几”字形大拐弯向南西方向流经墨脱县，经恒河平原注入印度洋。杨逸畴等[24]根据雅鲁藏布江两岸河谷地貌特征，将其蜿蜒于宽谷、宽窄相间的河谷和高山峡谷划分为上、中和下游。本文研究区中，雅鲁藏布江依次流经昂仁县(29°17′N,87°14′)、朗县(29°02′N,93°04′)，属于中游河段，长约887 km，河床海拔高度相差>1.3 km，平均纵坡降(高差/河流长度)约为15.39‰(图1)。
欧亚板块和印度板块碰撞挤压，导致喜马拉雅山脉和青藏高原不断抬升[25-28]，两板块在连续碰撞中(55～50 Ma B.P.)完全缝合[29]，形成了呈东西走向的雅鲁藏布江缝合带(YZF)[30]。研究区位于沿东西向伸展的冈底斯-喜马拉雅造山系(Ⅶ)内，区域上由北至南依次为达拉克-冈底斯-察隅弧盆系(Ⅶ1)、印度河-雅鲁藏布江结合带(Ⅶ3)和喜马拉雅地块(Ⅶ4)，主要发育东西向和南北向断裂(图2)。韩同林[31]发现该区存在呈一定间隔自西向东排列的近南北向延伸活动构造带(图1中的 R1、R2、R3、R4)。
2 数据处理与研究方法
2.1 数据处理
研究区30 m×30 m分辨率的数字高程模型数据(ASTER GDEM-30 m)来源于地理空间数据云。利用ArcGIS 10.5空间分析工具(spatial analyst)中的填洼(fill)、流向(flow direction)、流量(flow accumulation)等功能，提取了研究区DEM河网水系，雅鲁藏布江南北两岸支流分布不对称，多雄藏布近西东向汇入干流，湘曲、夏布曲以及其他较小支流近垂直向汇入干流，年楚河、拉萨河及门曲逆向汇入干流(图1)。
图1 研究区位置及地形和水系特征Fig.1 Location, topography and drainage characteristics of the study area(数据来自http://www.gscloud.cn/)
图2 区域地质简图Fig.2 Simplified regional geological and tectonic map (据青藏高原及邻区大地构造图及说明书[32]修改)
2.2 研究方法
2.2.1 Hack剖面和河长坡降
J.T.Hack[33]在研究河流纵剖面时，提出Hack剖面和河长坡降(SL)。Hack剖面是河流纵剖面简化图，可有效指示较大时空尺度的构造运动，当全河段抗侵蚀力相似的情况下，Hack剖面呈直线形的理想均夷剖面。自然界的河流出现抗侵蚀力都相近的概率很小，故Hack剖面多呈上凸或下凹形态，其表达式如下
H=C-k× lnL
(1)
式中：H代表河流纵剖面的海拔高度；C为常数；k为斜率；L为河段中点到源头的距离[33]。
均衡坡降(K)能够反映河道陡缓状态与河流抗侵蚀力，当K值较大时，反映河道较陡且流域内构造活跃、侵蚀力较强；反之，河道较缓且流域内构造活动不强、侵蚀力较弱[34]。
河长坡降(SL)即是Hack剖面表达式中的斜率k，可反映中-小时空尺度构造运动或岩性差异，表达式如下
SL=(ΔH/ΔL)·L
(2)
式中：ΔH为局部河段的高差；ΔL为局部河段的距离；L为局部河段中心到河源的距离[17]。当SL值较大时，揭示河段构造活动性较强或地层抗侵蚀能力较强；反之，该河段构造活动性较弱或地层抗侵蚀性较弱[35]。
2.2.2 面积-高程积分
河流的发育阶段在构造抬升地区十分复杂，一维地形指标(Hack剖面和SL参数)易受到局部构造的影响，故在一维地形指标的研究基础上，引入三维描述的面积-高程积分[9]，能在不同空间尺度上有效探讨河流地貌演化的特征。A.N.Strahler[36]在对Davis地貌侵蚀循环理论研究时，提出了面积-高程积分法，该方法包括对河流面积-高程积分值(IH)和面积-高程积分曲线(HC)的计算。常直杨等[37]通过3种方法(体积比例法、积分曲线法和起伏比法)计算IH值，发现所得出的结果几乎一致；但在支流较多时，起伏比法最为简捷高效，公式如下
IH=(Hmean-Hmin) / (Hmax-Hmin)
(3)
式中：Hmean、Hmin和Hmax分别代表流域内平均海拔高度、最小海拔高度和最大海拔高度。不同范围的IH值代表不同的地貌发育期[20]，分别为老年期(IH<0.35)、壮年期(0.35≤IH≤0.6)和幼年期(IH>0.6)。面积-高程积分曲线(HC)呈下凹形态时，表明流域处于老年期；曲线呈上凸形态时，指示流域处于幼年期；曲线存在拐点且凸凹性有变化时，反映流域处于壮年期[36]。
3 结 果
本次研究运用GIS空间分析技术、Excel与CorelDRAW等软件计算和制图，得到雅鲁藏布江中游及7条支流的Hack剖面和河长坡降指标以及36个子流域的面积-高程积分值和面积-高程积分曲线，针对研究区构造地貌参数进行分析，探讨其构造地貌演化特征。
3.1 Hack剖面和河长坡降指标
河流Hack剖面及河长坡降(图3)显示，雅鲁藏布江中游及7条支流Hack剖面均以均衡坡降指标线为底界，Hack剖面均呈现上凸形态，但它们的上凸程度不同：雅鲁藏布江的形态呈现复杂化、多样化，Hack剖面及河长坡降存在2个异常区域，即异常区1和2(图3-A)；多雄藏布、夏布曲的凸度相近；门曲的Hack剖面多呈直线形态，在汇入雅鲁藏布江河段部分的Hack剖面形态呈急剧下降状态；美曲藏布和湘曲的凸度相近，仅次于门曲；年楚河和拉萨河Hack剖面上凸程度最小，呈近直线形态。河长坡降统计结果显示，雅鲁藏布江中游的河长坡降存在2个异常突变峰值，分别为1 375和6 142；门曲、夏布曲在雅鲁藏布江汇入点附近河段存在一个异常峰值，河长坡降在 1 500～2 000；拉萨河的河长坡降值整体较低，仅在雅鲁藏布江汇入点附近出现高值，达2 500左右；多雄藏布、美曲藏布、湘曲和年楚河的河长坡降均小于 1 100，无异突变峰值。K值计算结果：雅鲁藏布江(K=139)、多雄藏布(K=117)、美曲藏布(K=63)、夏布曲(K=122)、年楚河(K=28)、湘曲(K=64)、门曲(K=92)和拉萨河(K=33)。Hack剖面和标准河长坡降指标(SL/K)与地形地貌有较好的对应关系[6]，L.Seeber等[38]按照SL/K值进行划分，当2
3.2 面积-高程积分
面积-高程积分(IH)具有面积和空间依赖性，对构造活动强度、岩性差异和气候变化等因素较敏感[39-40]。对于某一流域而言，集流阈值大小对其IH值有所影响，不同研究区适用的面积阈值亦不相同[6,41]。为更好地探讨子集水盆地面积与高程对研究区面积-高程积分的影响，分别以8组集流阈值将研究区划分为若干次集水盆地(图4)，并探讨最佳集水阈值范围。当集流阈值<288 km2时，流域内次集水盆地数量过多且面积较小，IH平均值发生变化，不适合分析流域大尺度的构造活动性；当集流阈值≥360 km2时，流域内IH值受集流阈值大小、次集水盆地平均面积的影响不大，可以反映更大空间尺度上的构造活动特性(表1)。
图3 雅鲁藏布江中游河流及支流的Hack剖面和河长坡降参数Fig.3 Hack profile and stream-gradient index of rivers and tributaries in the middle reaches of Yarlung Zangbo River
表1 不同集流阈值下研究区次集水盆地数量、平均面积和平均面积-高程积分值Table 1 The number, average area and average area-elevation integral values of sub-catchment basins in the study area under different catchment thresholds
本文选用集流阈值378 km2对河网水系进行提取，依据水系分布特征将研究区划分为36个子流域，对不同流域进行分析，从而更好地揭示不同地区的地貌演化特征。运用ArcGIS 10.5分区统计功能获取流域内最大、平均及最小高程值，利用公式(3)计算流域单元面积-高程积分值(图5)，将IH值赋予到对应流域几何中心上，提取出每个流域IH值(表2)。
沿雅鲁藏布江方向(图5)，流域17在R3活动构造带以西，IH值为0.34，发育阶段为老年期；流域18位于R3活动构造带附近，IH值为0.48；流域19在R1以东，IH值为0.47，18、19两流域发育阶段为壮年期；R4活动构造带以西流域20和21，IH值分别为0.34、0.42，呈上升趋势；R4活动构造带附近的流域22，IH值最大；以东流域23和24，IH值有所减小。同样，在雅鲁藏布江北岸和南岸的IH高值大都分布在活动构造带附近；而距活动构造带较远的区域，IH值相对较低。
表2 雅鲁藏布江中游地区36个子流域的面积-高程积分值Table 2 IH values of 36 sub-basins in the middle reaches of Yarlung Zangbo River
图4 不同集流阈值下的研究区河流流域的面积-高程积分Fig.4 Hypsometric integral of river basin in the study area based on different area thresholds
比较雅鲁藏布江南北两岸的IH值分布情况，发现其北岸IH值普遍高于南岸，北岸流域IH值为0.47～0.65，HC曲线为“S”形或“凸”形。除了流域9和16的IH值为0.64，HC曲线为“凸”形，发育阶段为幼年期，其余北岸流域发育阶段均为壮年期。南岸流域HC曲线呈“S”形或“凹”形，流域演化阶段主要以老年期和近老年期的隆升停滞期为主。
根据36个子流域的面积-高程积分曲线形态特征(图6)，将其分为3类：HC曲线呈凸形，即流域9和16，共计2个流域；HC曲线呈凹形，即流域17、 20、 29、 30、 31、 32和33，共计7个流域；其余27个流域的HC曲线呈“S”形。
4 讨 论
雅鲁藏布江中游以北有多雄藏布、美曲藏布、湘曲和拉萨河，以南有夏布曲、年楚河和门曲，本文着重探讨雅鲁藏布江中游及7条支流的Hack剖面、河长坡降参数以及36个子流域的面积-高程积分值和面积-高程积分曲线与构造活动、地貌演化之间的关系。
4.1 流域面积-高程积分与构造活动的关系
面积-高程积分值和面积-高程积分曲线可用于区域构造活动及地貌演化阶段的探讨，已有学者在雅鲁藏布江下游“大拐弯”[20]、南迦巴瓦构造结东侧的墨脱断裂[14]等区域进行研究，认为流域面积-高程积分值的空间分布特征对断裂活动具有一定的指示意义。在探讨各流域面积-高程积分值与大空间尺度构造活动之间的关系时，不同区域选取合适的面积-高程积分阈值也存在差异；即使在同一个流域中，不同面积阈值所得到的面积-高程积分值可能会受到一定程度的影响[6,41]。如关雪等[6]对太行山构造地貌特征分析的集流阈值为162 km2，张天琪等[41]对北天山乌鲁木齐河流地貌研究分析得出适合该流域的集流阈值为9～27 km2，因此，选择合适的集流阈值非常关键。本项目研究表明，集流阈值<288 km2时，集水盆地的面积-高程积分值会受到岩性的影响；集流阈值≥360 km2时，各集水盆地跨越不同的构造区，面积-高程积分值与大空间尺度的构造活动性相关。本文选用集流阈值378 km2，所得出的面积-高程积分值可反映大空间尺度构造活动。
图5 雅鲁藏布江中游地区流域的面积-高程积分值分布特征 Fig.5 Distribution of area-elevation integral values in the middle reaches of the Yarlung Zangbo River
图6 雅鲁藏布江中游36个子流域面积-高程积分曲线Fig.6 Area-elevation integral curves of 36 sub-basins in the middle reaches of Yarlung Zangbo River
欧亚板块与印度板块的碰撞，对青藏高原隆升、全球气候和环境具有重要的影响[29]。新生代以来，青藏高原经历多期次的构造隆升和夷平过程；进入第四纪，新构造运动主要以垂向运动为主，表现为隆起整体性、地域差异性和阶段性的特点[24]。在青藏高原活动构造作用中，一系列近SN方向延伸的活动构造带最强烈且表现最突出，在地貌和水系格局上有明显反映[31]。而研究区中出现的面积-高程积分的高值区大都分布在当雄-羊八井-多庆错活动构造带(R3)和桑日-沃卡-错那活动构造带(R4)附近(图5)，面积-高程积分的高值区可能是由南北向活动构造导致；雅鲁藏布江北岸的面积-高程积分值普遍高于南岸，这种差异指示了两侧的隆升幅度不同，反映了第四纪新构造运动在地域上存在差异性。雅鲁藏布江河床纵比降共有3个巨大坡折，其形成受到冈底斯山和喜马拉雅山差异隆升的控制[15]，可能反映了整个青藏高原晚新生代以来强烈隆起的阶段性特点[24]。
4.2 主要河流的面积-高程积分、Hack剖面和河长坡降指标与构造活动的关系
河流Hack剖面和河长坡降受构造活动、岩性差异和气候等诸多因素综合影响，河长坡降值取决于构造活动强度或岩石抗侵蚀能力，也可反映区域差异隆升或岩石抗侵蚀能力[3,18]。在雅鲁藏布江下游大拐弯地区的河流形态特征研究中，黄文星等[18]引入Hack剖面和河长坡降，分析认为大拐弯地区隆升幅度呈现出不均一性特征。
雅鲁藏布江河流Hack剖面和河长坡降参数中存在2个异常区(图3-A)，Hack剖面呈现出明显的上凸形态。异常区1有南北向的当雄-羊八井-多庆错带(R3)穿过，河床基岩为白垩纪花岗岩，该河段岩性未发生较大变化，但河长坡降值发生变化，且河长坡降突变区存在东西走向逆断层和南北向断层(图2)；异常区2有桑日-沃卡-错那带(R4)穿过，其流经的河床基岩为白垩纪和古近纪花岗岩，岩性未发生较大变化，但河长坡降值发生变化。异常区2的河长坡降值远大于异常区1，河长坡降突变区也存在东西走向逆断层和南北向断层。雅鲁藏布江存在3个大裂点，其中异常区2被学者称为桑日-加查裂点[21-22,24]。祝嵩等[22]认为从上新世以来加查河段由于构造运动产生了不同性质的断裂构造，河流沿不同性质断裂构造溯源侵蚀和气候变化的影响发育而成。故该区域河长坡降值主要反映构造活动信息。本文认为，河流地貌对构造运动极其敏感，地质构造很大程度上控制水系格局，雅鲁藏布江中游流向与雅鲁藏布江缝合带构造走向大体一致，均呈东西向展布(图2)。雅鲁藏布江中游出现河谷宽窄相间的现象，主要与新构造运动有关[21,24]。研究区内存在的近南北向延伸的活动构造带大致形成于新近纪的上新世末期之后或第四纪(图2)，也是控制西藏地貌和水系格局的重要构造[31]。该活动构造带产生的地堑式断陷带穿过雅鲁藏布江河谷，导致地表发生大规模垂直方向的错动，河床高差发生强烈变化，河流重力势能增加，下切侵蚀力增强，使得雅鲁藏布江Hack剖面呈上凸形态。因此，强烈的构造活动是引起雅鲁藏布江Hack剖面和河长坡降异常的主导因素。
研究区内的7条支流面积-高程积分值在0.35～0.60之间，面积-高程积分曲线呈现不同形态的“S”形(图6)，表明这7条河流流域地貌处于演化的壮年期。由于青藏高原在新生代的新构造抬升，使得7条支流的Hack剖面呈不同程度上凸形态，每条支流Hack剖面的上凸程度在其汇入雅鲁藏布江的位置附近均出现不同幅度的增加(图3)。夏布曲和门曲Hack剖面都存在一个异常区，异常区存在断裂穿过现象，河长坡降值在 1 500～2 000之间，相对于雅鲁藏布江异常区2的河长坡降值较小；其余5条支流的Hack剖面与河长坡降无异常变化。拉萨河、门曲和年楚河大型支流反向汇入雅鲁藏布江的现象(图1)，表明它们主要是适应构造发育的先成河[24]。
5 结 论
通过分析雅鲁藏布江中游及7条支流(多雄藏布、美曲藏布、湘曲、拉萨河、夏布曲、年楚河、门曲)的Hack剖面和河长坡降，结合36个子流域的面积-高程积分值及面积-高程积分曲线分析，得出以下认识：
a. 雅鲁藏布江中游及7条支流的Hack剖面均为上凸形态，7条支流的面积-高程积分曲线呈不同形态的“S”形，面积-高程积分值在0.35～0.60之间，表明流域处于地貌演化壮年期；雅鲁藏布江在流经尼木县和桑日县-加查县河段时，Hack剖面和河长坡降出现异常变化，主要是由新构造活动导致。
b. 通过36个子流域的面积-高程积分研究，除当雄-羊八井-多庆错和桑日-沃卡-错那活动构造带附近存在发育阶段为幼年期的流域外，雅鲁藏布江中游区域整体上处于由壮年期向老年期过渡阶段，北岸的面积-高程积分值普遍高于南岸，表明第四纪以来，青藏高原隆升速率具有地域差异性。由于冈底斯山脉和喜马拉雅山脉的差异性抬升，导致了雅鲁藏布江中游两岸地区处于不同的地貌演化阶段，在空间上具有明显的差异。
