张　洁,王少军,梁明剑

(1.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074; 2.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016;3.四川省地震局,四川 成都 610041)



福建沿海地区流域盆地的面积-高程积分特征及其新构造指示意义①

张洁1,2,王少军1,梁明剑3

(1.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074; 2.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016;3.四川省地震局,四川 成都 610041)

基于ASTER GDEM V2数据,提取福建沿海地区主要的水系网络和流域盆地,计算亚流域盆地的面积-高程积分值(HI值),以分析区内流域地貌与新构造运动的响应关系。结果表明,HI值从沿海向内陆呈条带状逐渐递减,与本区NW向主要断裂带的活动特征和小震活动分布特征具有较好的一致性,这也可能是区内向内陆地区方向受到台湾岛动力触角的影响逐渐减弱的原因。同时南海盆地打开的裂谷扩张和太平洋板块向东俯冲过程的博弈结果在福建沿海地区的流域地貌中也得到了比较充分的反映。

流域面积-高程积分; 新构造活动; 福建沿海地区

0　引言

构造地貌是构造作用导致的地壳隆升和地表过程相互竞争的结果[1-3]。其中水系地貌的发育对构造运动反映相当敏感,其地貌形态可能记录了不同尺度构造、气候和侵蚀过程变化的信息[3-8]。因此,水系地貌是研究构造运动与地貌响应的重要纽带之一[9-11]。Strahler[12]基于Davis地貌侵蚀循环理论,最先提出以流域的面积-高程积分描述流域地貌的发育特征和演化过程。Ohmori[13]采用数值模拟方法,模拟持续的造山隆升作用下造山带流域盆地的演化和面积-高程积分的变化关系。国内外的研究表明,流域盆地的面积-高程积分可以三维地描述构造地貌及其发育程度,并与地壳隆升速率呈正相关[14-17],是一种分析构造活动十分有效的地貌参数[3,16-19]。

福建沿海地区紧邻台湾岛、菲律宾板块和太平洋板块之间的汇聚带,其构造变形主要受该汇聚边界的影响。区域内主要发育有NW和NE向两组断裂带,其中NE向断裂带规模最大,控制着区内的构造格局。福建沿海地区位于台湾岛动力触角的影响区[20],动力触角的强烈推挤作用地带应在沿海一线(泉州—厦门—汕头—福州一线),并向内陆及NE、SW两侧逐渐减弱。在此区域动力学背景下,研究区内NE向断裂的活动性自东向西逐渐减弱,现代小震活动自东向西也由丛集特征逐渐转为弥散状态。

该地区发育有闽江(S1)、瓯江(S2)、鳌江(S3)、霍童溪(S4)、交溪(S5)、飞云江(S6)和楠溪江(S7)等主要水系,这些流域的地貌可能记录了该区构造运动的重要信息,是认识该区构造变形特征及其地貌响应关系的重要纽带之一。因此,本文基于ASTER GDEM V2数据,划分福建沿海地区主要水系和流域盆地,计算各亚流域盆地的面积-高程积分值(HI值),并探讨其空间差异分布特征,分析其构造意义。

1　地质地貌特征

1.1地质构造

研究区在构造上处于欧亚大陆板块东南缘,濒临太平洋板块,为环太平洋中新生代巨型构造—岩浆带的陆缘活动带的一部分,是全球构造—岩浆活动最活跃的地区之一[21]。区内断裂构造十分发育,断裂常呈密集带状展布,其中以NNE-NE向及NW向断裂带较为重要,形成东西向成条、北西向成块的福建区域构造格架(图1)。

1.全新世断层; 2.晚更新世断层; 3.前第四纪断层; 4.左行走滑断层; 5.断裂带编号; 6.中新世以来玄武岩及同位素采样点;7.山峰及高程; 8.海岸线及水系; 9.县; 10.市; 11.流域划分及编号F1：滨海断裂带；F2：长乐—诏安断裂带；F3：政和—大埔断裂带；F4：邵武—河源断裂带注：图中断裂主要根据1∶100万地质图修正和简化；玄武岩同位素年代数据引用自文献[22]图1　研究区中新生代主要断裂构造分布图Fig.1　Major Mesozoic-Cenozic faults in the study area

1.2地貌特征与流域划分

研究区为东南沿海低山丘陵区,地貌类型总体上由北西向南东呈现由侵蚀-剥蚀的中高山-中低山、丘陵、侵蚀-堆积岗地到洪积-冲积平原、冲积平原、海积-冲积平原、海积平原的变化。区内最高山脉为武夷山山脉,海拔多在1 000～1 500 m,其主峰黄岗山高达2 157 m；丘陵地区海拔一般为50～500 m；海岸多为岩质,河流入海口发育一系列小型三角洲(图2)。

基于ASTER GDEM数据,将福建沿海地区划分为7个主要流域：闽江(S1)、瓯江(S2)、鳌江(S3)、霍童溪(S4)、交溪(S5)、飞云江(S6)和楠溪江(S7)。其中,闽江(S1)流域最大,面积达60 838 km2,由建溪、富屯溪、沙溪三条主要支流交汇而成,横贯沿海山脉,于琅歧岛一带注入东海。瓯江(S2)为山溪型河流,上游迂回于中高山区,河道坡度较陡,多急流险滩,下游河道宽缓,在福州一带汇入东海；楠溪江(S7)属于瓯江(S2)一大支流,于福州附近汇入瓯江。鳌江(S3)源起南雁荡山脉吴地山南麓,分南、北两支流,于凤江汇合后注入东海。交溪(S5)源于福建省太姥山、鹫峰山与浙江省洞宫山脉之间,流域地势北高南低,水系呈树枝状展布。霍童溪(S4)发源于福建省鹫峰山脉,流经霍童镇、九都、八都等乡镇后汇入三沙湾,注入东海,流域总体地势由中、低山向低山、丘陵过渡。飞云江(S6)发源于洞宫山白云尖北麓,支流水系多呈羽状,两岸流域面积不对称,可能受构造的影响,于瑞安市东注入东海。

图2　研究区主要流域划分Fig.2　Main river basins in the study area

2　面积-高程积分

2.1技术方法

面积-高程积分可以三维地描述流域地貌的特征与演化过程,它的计算关键在于分级水系网络和流域盆地的提取,而ArcGIS强大的空间分析功能使之得以实现。

1971年Pike等[31]推导出简面积-高程积分(HI值)计算公式：

(1)

式中:HI、Hmean、Hmax、Hmin分别为流域盆地的面积-高程积分值、平均高程、最大高程和最小高程,HI值从0到1,在侵蚀程度较高的区域其值接近于0,而在侵蚀程度较低的地区接近于1[33]。面积-高程积分能够三维地描述构造地貌及其发育程度[16,34],并且对新构造活动、岩性差异和气候变化等因素反应也较敏感[14-15,17,35]。

基于ASTER GDEM V2数据,通过ArcGIS的水文分析模块(Hydrology),按Strahler分级提取研究区水系网络及其亚流域盆地,共获得7个主要流域并选取了265个亚流域盆地。

采用式(1)和ArcGIS的统计分析模块(Statistics)计算每一个亚流域盆地的面积-高程积分值(HI值)。每个HI值都赋予相对应的亚流域盆地的几何中心点,并采用反加权距离方法对获得的HI值进行空间内插,生成等值分区图(图3)。

图3　研究区亚流域盆地及HI值分布特征图Fig.3　Sub-basins and HI values distribution in the study area

2.2面积-高程积分及其构造意义

研究区的HI值呈明显的条带状分布,可大致分为3个条状区带(Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区),而且从沿海向内陆延伸,HI值呈明显的递减趋势(图3)。由于较大的流域盆地可能横跨多条活动断裂或多个新构造分区,其值主要反映区域性的新构造活动差异对流域盆地地形的影响；而较小流域盆地的HI值更容易反映岩性差异和局部构造作用的影响[16]。这种HI值的趋势变化与本区的构造活动特征相对应,区内以滨海断裂带(F1)活动性最强,内陆的长乐—诏安断裂带(F2)、政和—大埔断裂带(F3)、邵武—河源断裂带(F4)总体表现为活动性逐渐减弱的态势[26-31]。其中分布于丽水—龙泉—政和—尤溪一线以东的沿海地区,HI值最高达0.591,尤以景宁—寿宁—屏南一线呈异常高值。展布在该区带里的长乐—诏安断裂带为逆断层性质,带内应力场为压性,该带的HI值可能反映了长乐—诏安断裂带逆冲推覆运动导致区带内的差异隆升,且由于紧靠滨海断裂,也可能叠加了滨海断裂带新活动和台湾岛动力触角的影响。

Ⅰ区内福州、福安等地呈低HI值,这是因为这些地方为沿海盆地,表现为盆地沉积和局部构造沉降的特征。

Ⅱ区的西边界为浦城—建阳—明溪—连城一线,由此可见Ⅱ区基本夹持在东侧的政和—大埔断裂带和西侧的邵武—河源断裂带之间。现代地壳垂直变形观测表明政和—大埔断裂带两侧存在明显的差异隆升,且东侧的隆升幅度高于西侧[29],在HI值上则表现为Ⅰ区显著地高于Ⅱ区,而处于向内陆的过渡地貌带,其HI值又明显高于Ⅲ区。Ⅱ区内建瓯一带的HI低值反映的是由于局部构造差异性的隆升导致的闽江上游下切侵蚀强烈的河谷地貌。

Ⅲ区主要是浦城—建阳—明溪—连城一线以西地区,HI值呈明显的低值异常,这可能反映了该地区构造活动相对较弱,而且远离滨海地区,受滨海构造变形的影响较小。

HI值剖面(A-B)显示该值自滨海向内陆方向也呈现出三个台阶,并逐渐递减[图3(c)],同时反映了该区域构造活动向内陆减弱的态势。尤其长乐—诏安断裂带(F2)附近HI值剖面呈明显的高峰值,反映了该断裂仍存在一定的新活动性,其两侧差异隆升作用对断裂沿线地貌影响显著；政和—大埔断裂带处于剖面的第二台阶,表明其活动性仍对地貌存在一定的影响,但是相对于长乐—诏安断裂带沿线一带要弱；邵武—河源断裂带(F4)则处于HI低值平台,表明该断裂第四纪新活动已不明显,对地貌的塑造趋于停止。

3　区域动力学分析

Fauur M N 等[36]认为,东南沿海地区在中生代—早第三纪受太平洋板块俯冲作用,处于活动的亚洲大陆边缘,晚第三纪—第四纪俯冲带东移形成了亚洲东部边缘的裂谷盆地。该裂谷系北起西伯利亚,经中国东部至越南[37]。这一大地构造背景与实际观察到的挤压构造作用有着明显的不一致。

对福建厦门地区的中、新代构造应力场研究表明,中、新生代构造应力场的最大主压应力基本上为NW-SE向,最大主压应力轴的优选方位分别为：侏罗纪最大和最小主压应力轴的优选方位分别为SE138°∠8°和SW219°∠11°,白垩纪分别为SW205°∠12°和NW296°∠11°,第四纪分别为NW310°∠5°和SW216°∠7°[37]。这一成果与野外调查结果比较吻合,NE向断裂以压扭性构造为主,NW向断裂以张扭性构造为特征。

以明溪—闽清—龙海为代表的从内陆到沿海横剖面显示,新生代玄武岩的年龄逐渐变老。40Ar-39Ar同位素年龄表明[38]：明溪玄武岩年龄2.2～0.9 Ma,闽清玄武岩年龄12 Ma,龙海牛头山玄武岩17.1～14.9 Ma。位于明溪玄武岩NE方向的浙江游龙,在同一断裂带(F4)也有上新世-更新世玄武岩出露；闽清玄武岩NE的浙江新昌玄武岩也获得40Ar-39Ar同位素年龄为9.4 Ma[31](图1)。这标志着太平洋板块向东的俯冲作用始终还在进行。

从上述野外构造研究、地震研究及新生代玄武岩同位素年龄研究的成果可以看出福建沿海地区处于挤压构造应力场,且越靠近太平洋板块,应力越强。大地构造所反映的拉张构造环境还应在东南沿海地区以西的裂谷扩张区。

对现代地震的研究认为,福建沿海地区位于台湾岛动力触角的影响区[39],动力触角的强烈推挤作用地带应在沿海一线(泉州—厦门—汕头—福州一线),并向内陆及NE、SW两侧逐渐减弱。

现今的地震活动特别是大地震的发生主要集中在板块碰撞的前缘——台湾岛;其次为展布于台湾NW后缘的构造带,尤其沿滨海断裂带现今中小地震呈条带状密集分布,且历史上发生过7级以上的大地震,表明该带受到台湾岛动力触角的影响最为强烈。随后向内陆进一步延伸,中小地震分布逐渐变得稀疏,反映出从沿海地区到内陆地区受到动力触角的影响逐渐减弱(图4)。

同时研究区亚流域盆地及其HI值的分布特征和区域应力场、构造变形强度具有很好的一致性。自沿海向内陆,HI值呈现出明显条带状分区(Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区),且各区带的HI值总体表现为Ⅰ区>Ⅱ区>Ⅲ区,表明这三个区受到的区域构造应力场的影响逐渐减弱,也说明这种应力场主要来源于板块汇聚边界——台湾岛。从研究区内部的活动构造来看,从台湾海峡的滨海断裂带(F1)向沿海的长乐—诏安断裂带(F2)以及内陆的政和—大埔断裂带(F3)、邵武—河源断裂带(F4)总体表现为活动性逐渐减弱的态势[26-31]；而长乐—诏安断裂带、政和—大埔断裂带和邵武—河源断裂带与3个分区的界线基本吻合,很好地反映了区域构造变形和断裂活动性差异对研究区地貌的影响及流域地貌的反馈作用。

4　结论

(1)福建沿海地区紧邻台湾岛、菲律宾板块和太平洋板块之间的汇聚带,受到台湾岛动力触角的影响比较显著。滨海断裂带、长乐—诏安断裂带、政和—大埔断裂带、邵武—河源断裂带的活动性表现出向内陆延伸呈减弱的总体趋势。这与不同空间尺度GPS测网表明的大陆东南沿海既存在着以11～12 mm/a 的速度向海洋运动,又存在着以3 mm/a的速度向内陆运动[40]的数据是一致的。

图4　研究区域动力学模式示意图Fig.4　Sketch map of the kinetic model in the study area

(2)该地区主要流域的HI值呈现出明显的条带状分区,向内陆方向也呈减弱的态势,与区域应力场、构造变形强度具有很好的一致性。这表明福建沿海地区的流域地貌对区域构造变形和断裂活动性差异存在明显的反馈作用。

(3)福建沿海地区沿NW-SE向主压应力轴的相互对进,是以南海盆地打开(30～16 Ma)为代表的裂谷扩张使其东南侧向SE方向位移,加之太平洋板块向东俯冲过程的博弈。这种博弈结果在福建沿海地区的流域地貌中得到了比较充分的反映。

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Hypsometric Integral of Drainage Basins in the Coastal Area of Fujian and Associated Neotectonic Significance

ZHANG Jie1,2,WANG Shao-jun1,LIANG Ming-jian3

(1.China University of Geosciences,Wuhan 430074,Hubei,China;2.Nanjing Center,China Geological Survey,Nanjing 210016,Jiangsu,China;3.Earthquake Administration of Sichuan Province,Chengdu 610041,Sichuan,China)

In this paper,the major river system network and drainage basins in the coastal zone of Fujian are extracted based on ASTER GDEM 2 data,and the hypsometric integral (HI)value of the sub-drainage basins is calculated to analyze the response relation between watershed morphology and Neotectonic activities in the area of analysis.Results show the HI value to be distributed in evident bands,where it tends to gradually reduce from the coast to inland in areas divided into Zones Ⅰ,Ⅱ,and Ⅲ,in accordance with features of the NW fracture zone and distributional characteristics of weak earthquakes in this area.In Zone Ⅰ,regions such as Fuzhou and Fu'an have a low HI value because they are costal basins characterized by basinal deposits and partial tectonic descents.The western boundary of Zone Ⅱ is represented by the line of Pucheng-Jianyang-Mingxi-Liancheng,indicating that Zone Ⅱ is basically situated between the Zhenghe—Dapu fault zone on the east side and the Shaowu-Heyuan fault zone on the west side.Observations of vertical modern crust deformation indicate an obvious differential uplift on both sides of the Zhenghe—Dapu fault zone,with a higher uplifting amplitude in the east than the west,which is a reflected by a remarkably higher HI value in Zone Ⅰ than in Zone Ⅱ; this is obviously higher in the transitional landform zone towards the inland than in Zone Ⅲ.Zone Ⅲ is mainly situated in the area west of the Pucheng—Jianyang—Mingxi—Liancheng line,where the HI value has a well-marked low-value anomaly,which may reflect relatively weak tectonic movement in the region and a relatively light influence from coastal tectonic deformation as it is situated far from the coastal zone.The distribution of HI values basically coincides with activity attributes of major NE fault zones in this region,which may be caused by the gradually weakening influence of dynamic antennas on Taiwan Island towards the inland area.In addition,the conflict between expansion of the open rift valley in the South China Sea Basin and the eastward diving process of the Pacific Plate is also fully reflected in the watershed morphology of the coastal zone of Fujian.

hypsometric integral; Neotectonic activity; coastal area of Fujian

2015-07-06

中国地质调查局“海西经济区遥感地质综合调查”项目(12120114074701)

张洁(1980-),女,硕士,在读博士,高级工程师,从事遥感地质调查与研究工作。E-mail：zhangjienjcenter@163.com。通信作者：王少军(1965-),女,博士,副教授,主要从事遥感与地理信息系统的教学与科研工作。E-mail:3slab@cug.edu.cn。

TU47

A

1000-0844(2016)04-0638-09

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0638