卢本添 李志刚 梁 浩 杨敬钧 郑文俊

(中山大学，地球科学与工程学院，广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室，珠海 519082)

0 引言

活动断裂的分段性往往要参考现今断裂体系上的地形和地貌特征。研究表明，内营力(如构造隆升)和外营力(如地表侵蚀)达到平衡时，地形轮廓将不随时间发生改变，当平衡被打破(如发生加速隆升、地表侵蚀减弱等事件)时，内、外营力将以负反馈的形式重塑地形以达到新的平衡(Howardetal.，1983)。在重塑地形的过程中，河流地貌的响应最为迅速和敏感，表现为河道坡度、流域面积、分水岭位置等地貌特征的显著改变(Howardetal.，1983；Whippleetal.，1999；Kirbyetal.，2001；Snyderetal.，2003；Oskinetal.，2007；Suetal.，2020)。因此，河流地貌的构造响应分析在揭示断裂的构造特征、分段差异及活动历史的研究中尤为重要。随着数字高程模型(Digital elevation model，DEM)的发展和普及，河流地貌信息的数字化、提取、分析以及相关的建模和应用已获得长足发展，通过提取和分析多项地貌参数，识别并筛分参数背后的构造、气候、岩性特征等影响因素，进而分析新构造活动的地貌响应，成为了活动断裂分段性研究的重要手段和切入点(Whipple，2001，2014；Kirbyetal.，2003，2012；Foxetal.，2015；Yangetal.，2015)。

图1 运城盆地周缘区域的构造简图Fig.1 Topographic and tectonic map of the Zhongtiao Mountains and adjacent basin areas.a F1中条山北麓断裂；F2华山山前断裂；F3双泉-临猗隐伏断裂；F4韩城断裂；F5温塘断裂；b N1中新统；N2上新统；Q 第四系；剖面AA′据Su等(2020)修改；活动速率据文献(程绍平等，2002；苗德雨等，2014；司苏沛等，2014；郭春杉等，2019)

中条山北麓断裂是山西地堑系南部的活动断裂，为倾向NW—NWW的高角度正断层，其南为北陡南缓、西高东低的中条山，其北为下沉强烈、发育盐湖的运城盆地。断裂按走向由南向北可划分为韩阳段(走向NE)、永济段(走向近EW)、盐湖段(走向NNE)及夏县段(走向NE)，各分段自晚更新世以来的活动速率具有明显的分段性，表现为由断裂中段(盐湖段)向南、北两侧递减的趋势(图1a)。一般而言，断裂活动速率越高，断层两盘的地貌反差也愈加明显。然而，通过野外观察发现，在活动速率相对较低的韩阳段和永济段，断层崖、断层三角面等断错地貌清晰且陡峻，多条沟谷深切基岩，在出水口附近形成多个跌水和急流；相反，在活动速率较高的盐湖段，断面倾角相对平缓，断层崖多有黄土披盖，跌水和急流远离出水口且并不多见。不难看出，断裂南部的断错地貌更为明显，地貌反差与中条山西高东低的地形起伏相对应，却与“中间高、两侧低”的活动速率特征不匹配。中条山北麓断裂各分段的地貌差异有多大？受何种因素影响？为何地貌特征与活动速率不相符？河流地貌参数分析可为解决以上问题提供重要支撑。

本文基于30m分辨率的DEM数据，对中条山北坡基岩山区进行水系及流域盆地的提取，通过获取各流域水系的标准化陡峭指数ksn、水系高程剖面的几何特征以及基岩河道下切量等河流地貌参数，分析各参数沿断裂走向的空间变化及相应的地貌响应，在筛分岩性、气候及构造等独立因素的基础上，探讨地貌反差与构造活动不一致的相互关系。

1 区域概况

中条山北麓断裂南起于首阳，北止于柏范底，总长约130km。断裂韩阳段走向NE，起于首阳，至西姚温处与中段(永济段)相接，南端没于黄河后隐伏，往SW向延伸，接华山山前断裂于华阴杜峪村(马冀，2019)，地表长约20km。中段以王官峪村为界，南、北分为永济段和盐湖段。永济段走向近EW，长约30km；盐湖段走向NEE，长约50km，在磨河处与夏县段相接；夏县段走向NE，长约30km，断裂北端延伸至下柏范底村后渐转为隐伏断裂隐于地下。中条山北麓断裂活动始于渐新世，幅度不大，至晚中新世后构造活动才显著增强，上盘强烈下沉，发育运城盆地，下盘相对隆升，形成中条山脉(Suetal.，2021)。晚第四纪以来断裂活动频繁，全新世已有5次古地震事件记录(田建梅等，2013；苗德雨等，2014；司苏沛等，2014；慈洪娟等，2016)，断裂及周边盆地区1970年前有记录的地震(MS≥4.0)共4次，1970年后的地震(MS≥4.0)共6次。

中条山为NEE—NE走向的狭长山系，东侧为太行山南部余脉，西侧被黄河所截，南、北两侧分别为中条山南麓和北麓断裂，北坡陡峭，多见悬崖绝壁；南坡和缓，渐没于三门盆地。中条山主体由前寒武纪花岗岩及浅变质岩构成，零星出露寒武纪—二叠纪海相碳酸盐岩，北坡发育冲洪积扇松散堆积，南坡则发育厚层黄土。

运城盆地夹于中条山与峨嵋台地之间，为S倾箕状盆地(图1b)，南部为中条山前冲洪积扇相连而成的倾斜平原与数个内流湖泊(如盐湖)，北部为黄土高台，有涑水河穿盆而过、西入黄河。

2 河流纵剖面分析方法

(1)

根据河流动能侵蚀模型(Whipple，2004；王一舟等，2016)，基岩河道的侵蚀过程满足：

E=K·Am·Sn

(2)

(3)

(4)

S=ks·A-θ

(5)

ks为陡峭系数，θ被称为凹度。稳态条件下的河道高程不随时间改变，式(4)可写为

(6)

或

(7)

3 河流地貌参数分布特征

本研究采用ASTER GDEM 30m分辨率的数字高程数据，对中条山北坡(断裂下盘)基岩山区流域面积>2km2的流域盆地以及河流长度>1000m的水系进行提取，共提取了55个流域盆地及水系，沿断裂走向依次将其编号为1～55，其中韩阳段2个，永济段13个，盐湖段27个，夏县段13个。

基于参考凹度θref=0.45(Stocketal.，1999)获取的中条山北坡各流域盆地河道标准化陡峭系数ksn值的空间分布显示(图2)，永济段的ksn值最高，韩阳段和盐湖段次之，夏县段最低(图3)。

图2 中条山北坡基岩河道标准化陡峭系数ksn 的空间分布图Fig.2 Normalized steepness index ksn of the bedrock channels in the north flank of the Zhongtiao Mountains.黑色方框为条带剖面的提取范围

图3 中条山北坡基岩山区水系高程剖面的几何特征图Fig.3 χ-plot of the bedrock channels in the north flank of Zhongtiao Mountains.对图2中黑色方框内的条带区域使用积分法提取中条山ksn 值为0～500m0.9 的主干流高程剖面图，蓝色实线为河流干流纵剖面形态，红色虚线为河流干流纵剖面形态的整体趋势

对流域范围内ksn值为0～500m0.9的干流使用积分法，获得水系高程剖面的几何特征图(图3)。结果显示，河流纵剖面形态上游平缓，下游陡峭，暗示下游河道正在经历加速下切。

沿中条山北坡走向进行地形起伏、ksn和坡度S的条带提取。结果显示，地形起伏、ksn和坡度S沿中条山走向具有分段性(图4)，韩阳段和永济段最高，盐湖段次之，夏县段最低，地貌参数总体呈现由西向东降低的特征。地形起伏、ksn和坡度S相耦合，与活动速率“中间高、两侧低”的分布特征不一致。

图4 沿中条山走向的地形起伏、河道标准化陡峭系数ksn 和坡度S的空间分布图Fig.4 Spatial distribution of relief，normalized steepness index ksn and slope along the north flank of Zhongtiao Mountains.对图2中黑色方框内的条带区域进行地貌参数提取；蓝色实线为地形起伏，橙色实线为河流标准化陡峭系数ksn，黑色实线为坡度S，红点为活动速率(程绍平等，2002；苗德雨等，2014；司苏沛等，2014；郭春杉等，2019)

图5 河流纵剖面分析结果及其裂点图Fig.5 Log-log analysis of longitudinal profiles and knickpoints.a—d表示不同段的河流纵剖面：a 2号裂点水系；b 7号裂点水系；c 22号裂点水系；d 40号裂点水系。各水系纵剖面图内：①距离出水口位置-海拔关系图，蓝色实线表示原始的河流纵剖面形态；②χ-海拔关系图，蓝色实线表示χ(chi)值；③χ-ksn 关系图，表示沿①中河流纵剖面形态的ksn 分布特征，红色虚线均表示拟合。深蓝色三角形为纵剖面坡折点，即为裂点

以裂点溯源侵蚀的方式重塑河道地形响应构造活动、气候变化或岩性差异的变化，裂点上、下游的ksn值及χ值因坡度改变，在双对数图中以不同的斜率呈现(图5)。本文对中条山北坡基岩山区55个流域盆地进行裂点分析，结果显示双对数图的斜率明显变化的水系有34条。经野外核查，对可能因人工改造所致的河道坡度变化结果予以去除(编号17、18、20、25、37、51、54、55)。经筛分后发现，有25条基岩河道可见1处河道坡折(裂点)，仅1条基岩河道保留2处河道坡折(编号40)。裂点下游河道形态陡峭，上游平缓，暗示裂点下游河道经历了1期加速下切事件。

图6 河流裂点处上、下游河道标准化陡峭指数ksn 分布图Fig.6 The spatial distribution of normalized steepness index ksn in the upstream and downstream drainage areas of individual knickpoint.蓝色点表示裂点处下游的ksn 值；紫色点表示裂点处上游的ksn 值；黄色线为误差值

裂点上、下游河道标准化陡峭系数ksn沿山体走向的分布具有分段性(图6)。裂点上游，韩阳段和永济段的ksn值为69～129m0.9，略高于盐湖段(ksn值为18～61m0.9)和夏县段(ksn值为26～59m0.9)，总体降幅不大；裂点下游，自韩阳段至永济段ksn值从111m0.9急剧上升至268m0.9后，至盐湖段和夏县段逐渐降低，总体降幅较大，与地形起伏耦合较好。

图7 沿中条山走向的河流侵蚀下切量图Fig.7 Amount of fluvial incision along the north flank of Zhongtiao Mountains.橙色点表示下切量；橙色虚线为下切量包络线

此外，按裂点上游的坡度拟合裂点至出水口的河道，将拟合河道的出水口与现今出水口的高程差视为下切侵蚀量并进行归一化，获取沿中条山走向的河流下切量空间分布(图7)。结果显示，沿中条山走向的下切侵蚀量的包络线形态呈明显的分段特征，韩阳段—永济段最高，盐湖段次之，夏县段最低，整体由西向东逐渐降低。

4 控制因素讨论

中条山北坡基岩山区的河流地貌参数在纵向上揭示了1期河道加速下切事件，在横向上显示下切幅度向N逐段减弱的趋势。一般认为，河道加速下切主要由岩性差异、气候变化与构造活动等因素控制。

在河道岩性方面，中条山的主体由前寒武纪花岗岩及浅变质岩构成，零星地区出露寒武纪—二叠纪海相碳酸盐岩，岩性近似均一(图8)。除少量岩性分界裂点(编号8、12、46、49)，河道标准化陡峭系数ksn、地形起伏、地形坡度和下切量等地貌参数均沿中条山走向呈分段性，与相对均一的岩性特征不符。显然，岩性差异并非河道加速下切的驱动因素。

图8 中条山区域河流水系、裂点位置及岩性简图Fig.8 Streams，position of knickpoints and lithological map of the Zhongtiao Mountains.

就气候变化而言，河道加速下切主要由降雨量增加或基面水位下降等因素引起。统计数据显示，中条山地区年均降雨量为458～748mm(Hijmansetal.，2005)，自南向北，高山区向平原区年均降雨量逐渐减少，沿山体走向自西向东年均降雨量略微下降，其小幅变化不足以引起纵向上的河道加速下切或横向上的下切量向N逐段降低。另一方面，现今盐湖水面比黄河水面约低20m，断裂盐湖段山麓片区的下切侵蚀理应更强。然而，地貌参数分析结果却显示断裂韩阳段—永济段的下切幅度比盐湖段更大，基面变化难以解释。以上现象表明，气候变化并非中条山北坡基岩河道加速下切的主因。

显然，构造隆升是中条山北坡河道加速下切主要原因。一般来说，构造抬升速率愈大，河道的下切作用或河道陡峭(下凹)程度就愈高。地形起伏、ksn、坡度以及下切量等地貌参数显示韩阳段—永济段的基岩山区出现高值特征，反映了强烈的构造隆升作用。但在活动速率上，高值区却位于盐湖段(0.53～0.75mm/a)(程绍平等，2002；司苏沛等，2014)，韩阳段仅为盐湖段的1/4。此外，在沉积地层上，新生界沉积中心位于盐湖段的虞乡、解州一带，沉积厚度>5000m(图1b)。新生界沉积中心与活动速率高值区一致，与地貌参数特征不相符。

5 差异性分析

如何解释中条山北麓断裂地貌参数特征与构造活动不一致的现象？

从地貌上，黄河自首阳东折入三门盆地后，河面明显收窄，下切三门盆地沉积，两岸形成阶地并堆积黄土，造就了宽阔的黄土阶地地貌。阶地地形向E渐灭于三门峡谷，向W在首阳—华阴一线戛然而止。阶地西端边缘的走向与黄河SN向河段呈小角度相交，边缘十分平整，与河流摆动侧蚀所成的河岸有显著差别，暗示台地地形结束并非完全由黄河摆动所致。前人考察发现，1556年华县大地震的地表破裂在华阴东侧消失，未见向E延伸的迹象，反而在中条山北麓断裂韩阳段重新出现，形成断层陡坎等断错地貌(马冀，2019)。若将华阴及中条山北麓韩阳段西端两地的地表破裂位置相连，其连线即与台地西侧边缘明显重合，该现象暗示台地西侧地形可能受断层活动控制。

在构造活动上，探槽研究揭露华山山前断裂华县—华阴段全新世以来的滑动速率为1.1～2.7mm/a(杨源源等，2012；Lietal.，2015；徐伟等，2017)，华阴—灵宝段全新世以来活动较弱或不活动(徐伟等，2017)，反映了华山山前断裂的构造活动性在华阴处向E突然降低。以上现象暗示，华山山前断裂可能沿首阳—华阴一线接中条山北麓断裂韩阳段，部分活动性通过隐伏断裂向NE迁移，在中条山北麓断裂带韩阳段—永济段处发生叠加，造成构造活动性的增强，并敏感地被河流地貌所记录，造成中条山北麓断裂韩阳段—永济段河流地貌参数的异常高值。而在沉积上，盆地沉积中心由解州(新生代沉积中心)转为王官峪(第四系沉积中心)，表明第四纪以来，盆地沉积中心由东向西发生迁移(郭春杉，2019)。相较于沉积中心改变引起的构造变形，河流地貌响应构造变形的时间尺度更短，对地貌的改造最为迅速，导致了中条山北麓断裂的地貌参数特征与构造活动不一致的现象。

图9 华山—中条山地貌构造简图Fig.9 Topographic and tectonic map of the Huashan Mountains and the Zhongtiao Mountains.

6 结论

对中条山北坡基岩山区的河流地貌参数进行分析发现，其在纵向上指示1期加速下切事件，在横向上的变化幅度与西高东低的地形起伏相耦合，地貌特征受中条山北麓断裂构造活动的分段性差异主导，气候变化与岩性差异的作用较小。地貌参数高值区揭示中条山北麓断裂现今的构造活跃区位于韩阳段—永济段，而非活动速率较高的盐湖段，其原因可能与华山山前断裂的部分活动性沿华阴—首阳的NE向隐伏断裂向中条山韩阳段—永济段迁移有关。迁出的活动性在中条山北麓断裂韩阳段—永济段叠加，并敏感地被现今河流地貌所记录。