刘晓彤,张绪教,叶培盛,何泽新,傅连珍,贾丽云,何祥丽

基于DEM的内蒙古狼山地貌参数提取及其构造抬升的差异性分析

刘晓彤1,张绪教1,叶培盛2,何泽新1,傅连珍1,贾丽云2,何祥丽1

(1.中国地质大学地球科学与资源学院,北京100083；2.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081)

基于30 m分辨率DEM数据,利用ArcGIS10.0对内蒙古狼山东南坡河流流域地貌参数进行提取,精确计算了其中15条规模较大的北西—南东向河流的面积-高程积分值 (HI),并据此对河流发育阶段以及构造运动进行分析。研究结果显示有8条河流的HI值处于0.3～0.6之间,属于河流发展的壮年阶段;7条河流的HI值大于0.6,为幼年期,未出现老年期河流。狼山西南部河流河谷V1—V14的HI值变化平缓,波动幅度不大,构造运动呈现出先增强后减弱的态势;中北部河流V14—V22的HI值变化较剧烈,尤其是V14—V19,呈明显上升趋势,河流受侵蚀后残存体积增多,构造运动活跃性下降;V19以北HI值持续下降,其构造运动的活跃性增加。由此认为狼山从西南到东北总体呈现增强—减弱—增强的差异性运动状态,该结论与前人所做山前构造地貌研究结果较为一致。

新构造运动;DEM;河流地貌面积-高程积分;内蒙古狼山

0　引言

高分辨率数据的获取以及分析技术的不断突破使得DEM成为地貌、水文、地质灾害、土壤、气象与气候、人文地理等领域研究不可或缺的重要技术手段[1～8]。通过对各种河流地貌参数的提取与分析来解决构造运动、阶地提取以及地貌发育阶段的确定等问题已被多数学者所接受[5,9～12]。其中面积-高程积分 (HI)应用广泛,其结果可指示河流地貌的发育状态,该方法在构造活动性判断方面的应用已趋于成熟。已经有学者将其应用到乌鲁木齐河、格尔木河、白龙江、岷江、清河等流域的研究中,认为它与构造运动的活动性和地貌发育阶段具有很好的对应关系；此外,部分学者还通过分析河流面积-高程积分值来推测断层的存在、冰川活动性以及岩性差异、河道抗侵蚀能力等[13～17]。然而大多数学者应用HI多是着眼于大流域,或是流域内的小型支流及次一级积水盆地,较少用整个山体的一系列横向水系来分析山体的构造运动。

地形是长时间尺度的构造运动积累的结果,对构造运动速率具有很好的反应,成为指示构造活跃区地貌演化最直接的指标。水系的形成与展布对构造活动响应敏感,河流地貌参数是其直接表现,现代河流地貌参数的研究可以推测长时间以来的构造运动,而相同期次河流地貌参数的对比是揭示区域差异性构造运动的绝佳手段[18]。

狼山山体运动活跃,差异性构造抬升强烈,其独特的盆-山差异性地貌组合、发育较好的横向线状河流以及保存较好的河流阶地和山前台地为该地区的构造活动研究提供了良好的素材。很多学者通过山前台地、河流阶地以及多次地震事件的研究对狼山的构造运动进行反演[19～21],但缺少对地貌的定量化研究,应用地貌参数对山体的相对运动所做的分析较少。同时,前人所做的研究多着眼于明显的狼山山前断裂,研究媒介以河流阶地和台地为主,少见单纯以河流地貌参数作为研究手段。由于山体范围较大,宏观把握困难,而对狼山的研究又多以阶段性研究为主,空间整体性欠缺。

本文针对以上研究的不足,运用ArcGIS提取研究区横向切穿山前断裂的河流的地貌参数,并结合当地地质特征以及遥感影像来分析狼山山体由西南向东北的构造抬升情况,得到了较为宏观的差异性抬升的结论。与此同时,结合野外实际材料以及前人的研究成果,综合论证了该结论的可靠性。

1　研究区概况

狼山位于巴彦淖尔市界内,属于阴山山脉西段,北部为内蒙古高原,南部与河套断陷盆地相连,整体呈北东走向的不对称形态,山体向内蒙古高原的一面缓,向河套盆地的一侧较陡 (见图1)。平均海拔1500～2200 m,与河套平原形成500～1200 m的高差。该处河流多横穿山体,以季节性河流为主,多数河流先汇入乌加河或乌梁素海,最终汇入黄河。山中大小山沟达147条,汇水面积约1.3×104km2,其中250 km2以上的山谷15条,占总积水面积90%。河谷由南向北呈现不同的形态,南部发育成熟,河谷宽阔；中部河谷深切,坡降大,同时发育多期泥石流；而接近北部地区河谷多呈现 “V”字型,谷壁陡峭,多见基岩出露[21]。狼山山体雏形形成于燕山运动时期,是西伯利亚与华北两大板块相互作用的结果[22],受南北方向的挤压以及推覆作用,形成南北两条大断裂带,分别为巴音乌拉山—狼山—色尔腾山南缘深断裂和高家窑—乌拉特后旗—化德—赤峰深大断裂。

2　技术与方法

2.1方法介绍

美国地貌学家Strahler在1952年提出的面积-高程积分 (HI)法已被广泛应用于各种地貌研究中,其中以黄土地貌、河流地貌、沟谷地貌的应用较多[23～24]。面积-高程积分值用来表示被侵蚀后残余部分所占的比例,其值的大小可用于推测侵蚀地貌的发展阶段。根据Strahler的分类,当HI值较高 (大于0.6)时,该地貌发育阶段为幼年期；HI值较低 (小于0.3)时处于老年期阶段；中间部分则处于壮年时期[25]。

图1　研究区概况 (据文献[23]修改)Fig.1　Sketch map of study area

以河流中某一高程与流域总高程的比作为纵轴,以该高程上的面积与整体流域面积的比为横轴,得到一条面积-高程曲线。曲线与坐标轴围成的面积就是面积-高程积分值,该值采用Pike[26]提出的简易公式计算,即HI=(平均高程-最小高程)/(最大高程-平均高程)。

2.2数据来源

本文所采用的数据来自于美国地质调查局 (USGS)的SRTM分辨率为30 m的高程数据,DEM高程基准为EGM96,水平基准为WGS1984,垂直精度为±20 m,水平精度为±30 m。前人研究表明,DEM分辨率的高低并不影响整体研究区域的分析结果[27]。

2.3数据处理

将多幅DEM图拼接、裁剪,得到研究区域的DEM高程图。流域地貌的提取过程较复杂。为了消除由于数据错误而导致的低洼地区对河流提取的影响,需对区域进行多次填洼处理。对填洼结果再进行河流方向、河流汇流量、流域分级、积水盆地确定以及子流域分区等步骤得到各个不同河流的分布及流域范围 (见图2)。提取水系范围的过程中汇流累计量的选择是一个关键步骤,可根据多次试验的结果结合高分辨率遥感图像获取,同时还要考虑实际情况。汇流累计量越大,可以达到该累积量的支流越少,则区域内河网越稀疏。由于没有前人对狼山地区水系提取做过系统的研究,所以汇流累积量的选择需要通过多次试验来确定。本文提取汇流面积分别为1.07 km2、2.13 km2、3.20 km2、4.27 km2的单个实验水系(见图3),并与遥感影像对比认为汇流阈值为2.13 km2可以满足分析精度,遂以此为标准提取狼山东南坡水系分布图。经过对符合条件河流的筛选,并对不符合实际情况的水系进行修改,确定狼山山前从南到北相对均匀分布的23条水系作为初步的研究对象。按照水系范围裁剪原始DEM数据得到单个水系的DEM数据。为方便讨论,将河流由南向北分别标号为V1—V23,以下的叙述均以此代表不同的河流区域。对每条河流进行水文分析,得到该流域的基本河流地貌参数。

3　结果分析

根据要求提取的流域几乎覆盖了所选狼山区域东南坡,对结果中出现的不符合讨论条件的河流进行排除,得到研究区15条河流的地貌参数值 (见表1),分析结果较好地揭示了山体构造活动的差异性。由河谷HI值变化曲线 (见图4)可以看出,HI值存在波动性,但整体大于0.3,即研究区河流的发育阶段并未出现老年期 (HI<0.3),以壮年期 (0.3

图2　研究区流域分布Fig.2　the distribution of rivers in study area

图3　水系密度图Fig.3　Drainage density of valley

表1 各流域参数Table 1 Parameters of every valley

河谷高差与HI值对比曲线 (见图5)显示,流域高差值逐渐上升到V19流域时出现下降的阶段。一般来说,海拔较高时其形成过程中可能受到的构造抬升较为强烈,所对应的HI值应是处于幼年期或者是向壮年期过渡的阶段,该阶段河流持续下切,停留在幼年期或壮年期的时间较长,很少进入老年期。虽然高差曲线存在很大的波动性,但总体来说,高差较大的部分 (V14—V19)所对应的HI值多在0.6之上,且未出现老年期 (HI<0.3)。

图4　河谷HI值变化曲线Fig.4　Thechanges of HI value

图5　河谷高差与HI对比曲线Fig.5　relif and HI value on the velly

4　讨论与结论

应用面积-高程积分值 (HI)分析多条河流流域的构造运动差异性在前人的研究中比较少见,而多以一条大型河流作为研究对象,本文对此进行了尝试,并以野外实际材料作为补充。面积-高程积分受构造、岩性、气候影响,所以需要排除干扰因素,以突出构造的控制性。HI值具有面积和空间依赖性,各个区域有所不同,本文对流域集水面积进行一系列实验,通过数据分析并结合实际情况确定了合适的面积-高程积分阈值。研究区域属于半干旱的大陆性气候,差别较小,因此可排除气候因素的影响。有学者通过对加州San Gabriel山区的研究认为选取较大范围的汇流阈值可以明显地显示出构造的控制性,而较小的阈值则会受岩性影响[28]。但本文研究区域内岩性变化不大,除太阳庙附近山前出露部分花岗岩外,总体以变质岩为主,构造背景较为相似,所以岩性影响也不大。基于此,认为HI值的变化可以指示构造运动的差异。

不同范围HI值所指示的河谷发育阶段的转变可以大致体现出河谷所在区域的构造运动的差异性,壮年期河谷所处区域构造活动性较幼年期强。同时HI值也可以代表河谷遭受侵蚀后剩余部分所占的比例,由研究区河谷HI值变化曲线 (见图4)可以看出,V15以南河谷的HI值变化范围较小,集中在0.6周围,残余比例较大,根据其大小情况可得出构造抬升情况为由弱到强再到弱；而V15以北河谷的HI值变化范围较大,残余比例差别明显,所以构造差异性明显。V15向北一直减弱,直到V18出现一个峰值,该处相比较整体而言,构造抬升运动最弱；V18以北HI值持续下降,达到一个谷值,表现出构造抬升运动增强,逐渐达到一个较高值。总体从HI曲线的变化趋势来看,研究区的构造抬升运动呈现出增强—减弱—增强的趋势 (见图6)。

图6　研究区构造运动变化趋势Fig.6　The changes of tectonic movement in study area

通过山前河流阶地和山前台地反演山体的构造运动规律是当前应用较广的一种方法。狼山山前广泛发育两级保存较好的台地,在河流两岸形成多级河流阶地,较多学者在该区域中做过相关研究,可用于与本文研究结果进行对比。

何泽新等[29]通过对狼山 (南段)山前乌兰敖包及翁格勒其格两地的两级台地典型剖面的仔细研究,确定了其大致的形成年代,推断出距今47.4 ka以来南北两个不同区域的抬升速率分别为0.81 mm/a和1.18 mm/a。何祥丽等[30]采用测年方法,并结合构造运动分析,对该区域中南部山前10条泥石流沟进行了系统研究,认为狼山中段部分存在着隆升速率由西高东低向西低东高的转换,得出该段大致的抬升速率为2.8 mm/a。

贾丽云等[21]对整个狼山部分的横向河流做了较为完整的研究,研究范围覆盖了本文的研究区域。通过对25条山间河流的河流阶地年代及河拔的记录与分析,认为除距今32.19～23.22 ka范围内北部抬升速率略小于南部外,其他时段北部抬升速率均快于南部。

本文对不同学者获得的狼山不同区域的抬升速率进行统计,得到与研究区河谷位置相对应的构造运动活跃性趋势图 (见图7),该图中的大致趋势与上述所得出的结论相符合。

图7　狼山整体构造运动变化趋势图Fig.7　chenges of tectonic movements in Langshan

经过上述对比研究,认为采用提取狼山横向河流地貌参数并进行分析的方法,能较好地得到运动差异性结果,表明此方法对区域内构造运动的研究有一定的辅助与指示作用,为河流地貌发育阶段的确定提供了新的途径,为后期详细的构造运动研究做了良好的铺垫。

致谢 感谢施炜老师的耐心指导,感谢张英慧、王宗、张潇元、谢佳雨等同学在技术上给予的帮助!

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EXTRACTION OF TECTONIC GEOMORPHOLOGIC PARAMETRES BASED ON DEM AND ANALYSIS OF DIFFERENCE ON TECTONIC ACTIVITY ABOUT LANGSHAN MOUNTAIN,INNER MONGOLIA

LIU Xiao-tong1,ZHANG Xu-jiao1,YE Pei-sheng2,HE Ze-xin1, FU Lian-zhen1,JIA Li-yun2,HE Xiang-li1
(1.School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China；2.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China)

This paper extracted the drainage basins of 15 rivers on the southeast slope of Langshan Mountain and narrowly calculated their HI values using ArcGIS10.0 based on 30 meter resolution DEM data,then analysed the tectonic activities and geomophological evolutions in this region.The results showed that the HI values of 8 rivers were between 0.3 and 0.6,indicating that these rivers were in their mature stage；the HI values of 7 rivers were greater than 0.6,stating clearly that these rivers were in their juvenile stage.Moreover,there were no rivers in old age.The HI values of V1～V14 changed gently,with the tectonic movement first increasing and then decreasing.The area-altitude points of V14～V22 changed tempestuously,especially rivers V14～V19,which showed a clear upward trend and the river eroded remnant volume increased in the result the tectonic activity decreased.HI values the rivers north of V19 continued to decline,and its tectonic activity increased.The Langshan Mountain was suggested in enhanced-weakening-enhanced diversity state of motion from the southwest to the northeast with the conclusion of previous work in tectonic geomorphology of the consistent results.

neotectonics； DEM； fluvialgeomorphology； hypsometricintegral(HI)；Langshan Mountain

P542

A

1006-6616(2016)01-0152-10

2015-09-20

国土资源部公益性行业科研专项 “我国不同季风区古气候演化差异及成因机制研究”(201211077-3)；中国地质调查局项目 “内蒙古1∶5万呼勒斯太苏木 (K48E017024)等四幅填图试点”(12120114042101)；内蒙古国土资源厅2014年地质遗迹保护专题 “巴彦淖尔国家地质公园狼山山前构造地貌过程及其环境效应研究”(BSZFCG2015-HW-00403)

刘晓彤 (1989-),女,硕士研究生,主要研究方向第四纪环境。E-mail:13120366829@163.com

张绪教 (1964-),男,博士,副教授,主要从事第四纪地质、新构造运动的教学及科研。E-mail:zhangxj @cugb.edu.cn