青海達(dá)日斷裂中段構(gòu)造活動(dòng)與地貌發(fā)育的響應(yīng)關(guān)系探討

梁明劍 周榮軍 閆 亮 趙國華 郭紅梅

1)四川省地震局，成都 610041

2)國土資源部構(gòu)造成礦成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工學(xué)院)，成都 610059

0 引言

構(gòu)造地貌是構(gòu)造作用導(dǎo)致的地殼隆升和地表過程引起的剝蝕作用相互交織的結(jié)果，反映了地球內(nèi)動(dòng)力作用和地表過程的耦合關(guān)系(王岸等，2005;史興民等，2006;李勇等，2006;Burbank et al.，2012)。尤其在活動(dòng)構(gòu)造區(qū)內(nèi)，流域盆地的地貌發(fā)育對(duì)構(gòu)造隆升和氣候等控制因素的變化最為敏感，其內(nèi)部不同級(jí)別水系的發(fā)育與演化記錄了不同尺度構(gòu)造、氣候和侵蝕過程變化的信息(Wobus et al.，2005;張會(huì)平等，2006a)，是理解構(gòu)造－地貌－水系響應(yīng)關(guān)系的理想場所(Whipple et al.，1999;Kirby et al.，2001，2003;Clark et al.，2004;劉靜等，2009)。

青海省果洛藏族自治州達(dá)日地區(qū)發(fā)育了多條NW—NWW和近SN向的晚第四紀(jì)活動(dòng)斷裂。其中，達(dá)日斷裂是青藏高原巴顏喀拉塊體內(nèi)部的一條活動(dòng)性強(qiáng)的晚第四紀(jì)大型走滑斷裂，斷裂中段曾發(fā)生1947年7?級(jí)地震(戴華光，1983;中國地震局震害防御司，1999)。早在20世紀(jì)80年代，前人曾對(duì)該次地震地表破裂帶和宏觀破壞情況進(jìn)行過初步調(diào)查研究①青海省地震局，1984，青海省達(dá)日1947年7?級(jí)地震考察報(bào)告。(戴華光，1983;張?jiān)Ｃ鞯龋?996)，但關(guān)于達(dá)日地區(qū)地貌發(fā)育對(duì)構(gòu)造新活動(dòng)的響應(yīng)關(guān)系探討甚少。由于達(dá)日斷裂地處巴顏喀拉山的黃河源區(qū)，穿越了黃河上游多個(gè)亞流域盆地，為研究地表形成過程對(duì)新構(gòu)造活動(dòng)的響應(yīng)提供了有利條件。

構(gòu)造地貌研究除采用常規(guī)的與活動(dòng)斷裂調(diào)查相關(guān)的分析手段之外，還可以通過地貌發(fā)育特征參數(shù)加以定量研究。例如，活動(dòng)構(gòu)造發(fā)育區(qū)的山前彎曲度、谷肩比、河流陡峭系數(shù)、地形起伏度、坡度等(Kirby et al.，2001，2003)。Strahler(1952)提出以流域的面積－高程積分描述流域地貌的發(fā)育特征，即采用流域盆地的測高曲線(Hypsomertirc curve)描述流域地貌的演化過程(圖1)。如果流域盆地的測高曲線呈凹形，表明流域地貌演化進(jìn)入了“老年期”階段，侵蝕程度高;若曲線呈凸形，則流域地貌演化為“幼年期”階段;若曲線呈“S”形則表明流域地貌演化處于“壯年期”(Strahler，1952;陳彥杰等，2008)。面積－高程積分能夠三維地描述構(gòu)造地貌及發(fā)育程度(Chen et al.，2003;陳彥杰等，2008)。而且，流域盆地的面積－高程積分值(HI值)對(duì)構(gòu)造活動(dòng)、巖性差異和氣候變化等的因素反應(yīng)也比較敏感(Lifton et al.，1992;Masek et al.，1994;Hurtrez et al.，1999;Cheng et al.，2012)。

圖1 面積－高程積分曲線與地貌演化關(guān)系示意圖(Strahler，1952)Fig.1 Sketch showing the relationship between hypsometric curve and geomorphological evolution(Strahler，1952).

Pike等(1971)論證了高程起伏比(E)近似等于面積－高程積分值(HI)(公式1)。因此，本文以ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取青海省達(dá)日地區(qū)的水系網(wǎng)絡(luò)和亞流域盆地，并采用E作為HI值的簡化算法，計(jì)算各個(gè)亞流域盆地的面積－高程積分曲線和研究區(qū)面積－高程積分值(HI值)，分析HI值分布特征，進(jìn)而探討達(dá)日斷裂中段地區(qū)亞流域盆地地貌發(fā)育特征，及其對(duì)構(gòu)造新活動(dòng)、巖性等因素的響應(yīng)關(guān)系。

式(1)中:Hmean、Hmax、Hmin分別為流域盆地的平均高程、最大高程和最小高程。

1 地質(zhì)地貌特征

1.1 構(gòu)造地質(zhì)概況

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料(青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì)，1988)和近年來活動(dòng)斷裂考察結(jié)果(鄧起東等，2010)，青海達(dá)日地區(qū)晚第四紀(jì)活動(dòng)斷裂眾多，以NW—NNW向和近SN向?yàn)橹?，主要包括甘德南緣斷?F1)、野牛溝斷裂(F2)、達(dá)日斷裂(F3)、桑日麻斷裂(F4)、阿布達(dá)拉松多斷裂(F5)和巴顏喀拉主峰斷裂(F6)。其中以達(dá)日斷裂新活動(dòng)性最強(qiáng)，其性質(zhì)以逆走滑為主。沿?cái)嗔褟V泛出露三疊系巴顏喀拉群復(fù)理石建造，地層受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，其走向與區(qū)域構(gòu)造線方向大體一致。局部分布了晚三疊世與早侏羅世火山巖，以及古近系－新近系紅色陸相碎屑巖，第四系主要分布于第四紀(jì)斷陷盆地和河谷盆地內(nèi)(圖2)。

圖2 青海省達(dá)日地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造簡圖Fig.2 The map of active tectonics'distribution in Dari area，Qinghai Province.

其中，達(dá)日斷裂晚第四紀(jì)新活動(dòng)性最為顯著，并具有明顯的分段性。該斷裂NW段(蘇士貢瑪以北段)斷裂沿線的NNW向山梁明顯將NW向河谷分割，構(gòu)成了支流分水嶺，NW向河谷呈現(xiàn)相對(duì)老化的地貌特點(diǎn)，表明該段斷裂晚第四紀(jì)以來新活動(dòng)性不顯著①同29頁①。。斷裂中段(蘇士貢瑪—吉邁段)晚第四紀(jì)新活動(dòng)性尤為顯著，構(gòu)造樣式也比較復(fù)雜，曾發(fā)生過1947年7?級(jí)大地震，斷裂沿線亞流域盆地地貌對(duì)斷裂新活動(dòng)性的響應(yīng)明顯。達(dá)日斷裂向SE延入四川省境內(nèi)后，斷裂新活動(dòng)形跡明顯減弱。

對(duì)達(dá)日斷裂中段及1947年達(dá)日地震的地表破裂進(jìn)行了詳細(xì)野外調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)1947年達(dá)日地震地表破裂帶的構(gòu)造樣式在不同的段落表現(xiàn)出多樣性。地震地表破裂SE端(吉邁—達(dá)日金渡)表現(xiàn)出破裂帶尾端效應(yīng)，發(fā)散成多支次級(jí)破裂，呈張性性質(zhì)(圖3a);延伸至達(dá)日金渡—昂蒼溝一帶，破裂帶由NWW向轉(zhuǎn)為NW向，與NE向主壓應(yīng)力場相對(duì)應(yīng)，破裂樣式多呈擠壓性質(zhì)，表現(xiàn)為鼓包、擠壓脊等地貌形態(tài)(圖3b，c)。過了昂蒼溝，轉(zhuǎn)為NWW向的破裂帶表現(xiàn)為走滑性質(zhì)，造成一系列小沖溝左旋位錯(cuò)(圖3d)。破裂帶延伸至桑日麻NW，行跡不甚明顯，近SN向的桑日麻斷裂可能起到了捩斷層的作用。

圖3 1947年達(dá)日 7?級(jí)地震地表破裂帶Fig.3 The surface ruptures of the Dari M 7? earthquake in 1947.

1.2 地貌特征

研究區(qū)位于巴顏喀拉山南段，其現(xiàn)代地貌骨架成型于燕山運(yùn)動(dòng)，隨后受到喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的影響和改造，形成了一系列亞流域盆地和第四紀(jì)山間斷陷盆地。同時(shí)，第四紀(jì)氣候變化也造就了該地區(qū)豐富多彩的冰川地貌，如阿布達(dá)拉松多一帶的山岳冰川地貌，海拔在4500m以上，強(qiáng)烈剝蝕形成刃脊、角峰、冰斗等冰蝕地貌(青海省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二區(qū)域地質(zhì)調(diào)查隊(duì)，1988;朱建立，1992)。

區(qū)內(nèi)總體高程3650～5300m左右，黃河橫穿研究區(qū)的中北部，地形呈SW、NE較高，向黃河河谷逐漸減小的總體趨勢(圖4)。利用條帶狀剖面，統(tǒng)計(jì)一定條帶范圍內(nèi)的地形高程的最大、最小和平均值，可以定量分析研究區(qū)的山脊、河谷高程變化和侵蝕程度(張會(huì)平等，2006b)。區(qū)內(nèi)的斷裂大多呈NW、NWW方向延伸，選取了垂直區(qū)域斷裂走向的A—A'剖面和平行區(qū)域斷裂走向B—B'剖面進(jìn)行分析(圖5)。從B—B'剖面可以看出，研究區(qū)山峰的高程基本在4500～5000m左右，構(gòu)成了該地區(qū)主要的夷平面;而且地形起伏并不大，變化幅度大致在500m以內(nèi)，局部下凹為第四紀(jì)斷陷盆地分布的地方。跨斷裂走向的A—A'剖面則顯示了相對(duì)較大的地形起伏，起伏較大的地方一般有斷裂構(gòu)造或水系通過，反映了局部構(gòu)造活動(dòng)、巖性和侵蝕程度的差異。

圖4 研究區(qū)地形地貌及主要水系分布圖Fig.4 The map of topography and major drainage in the study area.

黃河在區(qū)內(nèi)主要發(fā)育了6個(gè)主要亞流域盆地:崗曲、吉邁曲、達(dá)日曲、昂蒼溝、柯曲和夏曲，并發(fā)育了Ⅰ～Ⅲ級(jí)河流階地，Ⅰ和Ⅱ級(jí)階地分布比較廣泛，拔河高度3～15m左右;Ⅲ級(jí)階地僅分布于達(dá)日縣城黃河以南和特合土鄉(xiāng)等地，拔河高度一般僅為20～40m，堆積物主要為礫石和亞砂土層，偶見次生黃土夾層。達(dá)日斷裂的新活動(dòng)性明顯地影響了該地區(qū)水系與亞流域盆地的發(fā)育與演化(圖4)，在黃河以南，斷裂切過達(dá)日曲、昂蒼溝和柯曲等水系形成的亞流域盆地，斷裂沿線的山脊成為黃河一些直系小支流與達(dá)日曲、昂蒼溝和柯曲等大支流的更次級(jí)水系的分水嶺。

圖5 A—A'和B—B'條帶狀剖面圖Fig.5 A－A'and B－B'swath profiles.

2 流域地貌分析

達(dá)日斷裂的新活動(dòng)性已對(duì)研究區(qū)的水系造成了影響，而且1947年達(dá)日地震地表破裂的構(gòu)造樣式在不同斷裂段表現(xiàn)出多樣性，那么研究區(qū)的地貌發(fā)育是否對(duì)其構(gòu)造活動(dòng)的差異存在不同的響應(yīng)呢?這是我們關(guān)注的重點(diǎn)，本文擬從不同尺度亞流域盆地的面積－高程積分值和面積－高程積分值來探討該地區(qū)地貌對(duì)構(gòu)造新活動(dòng)的響應(yīng)關(guān)系。

2.1 主要次級(jí)流域盆地面積－高程積分曲線及地貌演化

基于Strahler(1952)的理論方法，我們獲取了崗曲(B1)、吉邁曲(B2)、達(dá)日曲(B3)、昂蒼溝(B4)、柯曲(B5)和夏曲(B6)這6個(gè)亞流域盆地的面積－高程積分曲線。從圖6可以看出，這6個(gè)次級(jí)流域盆地的面積－高程積分曲線均呈“S”形，它們的平均曲線(AV)也是“S”形，表明研究區(qū)的亞流域地貌演化處于“壯年期”階段。

圖6 研究區(qū)次級(jí)流域盆地分布及其面積－高程積分曲線Fig.6 Distribution of sub-basins and its hypsometric curves.

研究區(qū)屬于中高山中切割區(qū)，切割深度僅有500m左右，切割密度較小。山頂面多呈禿緩、渾圓，分水嶺兩側(cè)較接近，溝谷寬平，主干河流階地發(fā)育較好。這些地貌特點(diǎn)和地貌組合比較符合流域地貌演化至“壯年期”階段的特征。距今3.4Ma左右，青藏高原整體抬升，遭受剝蝕，形成主夷平面，盆地中沉積了巨厚的扇礫巖相的紅色碎屑巖建造(李吉均等，1996)。隨后的強(qiáng)烈差異性隆升，原來的夷平面與盆地解體，盆地內(nèi)沉積的上新統(tǒng)碎屑巖抬升，形成了次一級(jí)夷平面，如昂蒼溝(B4)與柯曲(B5)這2個(gè)亞流域盆地的分水嶺頂面就分布了上新統(tǒng)礫巖，同時(shí)沉積形成了第四紀(jì)盆地。黃河上游流域盆地地貌是在青藏高原階段性隆升的背景下，黃河水系階段性下切、襲奪、溯源侵蝕和擴(kuò)展水系源頭演化而來的(張智勇等，2003)，黃河上游流域的現(xiàn)代水系格局逐漸成型(李吉均等，1996;張智勇等，2003)。區(qū)內(nèi)的6個(gè)亞流域盆地也是伴隨著青藏高原隆升和地區(qū)性造山隆起而形成的，其演化過程受區(qū)域構(gòu)造新活動(dòng)控制。

不過，規(guī)模大的流域盆地一般會(huì)橫跨多條活動(dòng)斷裂，甚至可能跨越多個(gè)構(gòu)造區(qū)或地層區(qū)。因此，其面積－高程積分曲線更多地反映了區(qū)域構(gòu)造隆升或沉降作用的總體結(jié)果，以及區(qū)域性構(gòu)造地貌的演化階段，但不能很好地反映局部構(gòu)造作用和地層巖性的差異性。

2.2 亞流域盆地HI值分布特征及構(gòu)造地質(zhì)意義

為了更細(xì)致地探討地貌發(fā)育對(duì)局部構(gòu)造作用和地層巖性差異的響應(yīng)關(guān)系，首先基于ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)提取研究區(qū)的水系網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)水系進(jìn)行Strahler分級(jí)，提取各級(jí)亞流域盆地，然后計(jì)算亞流域盆地的HI值。

由于較大的流域盆地可能橫跨多條活動(dòng)斷裂或多個(gè)新構(gòu)造分區(qū)，其HI值主要反映區(qū)域性的新構(gòu)造活動(dòng)差異對(duì)流域盆地地形的影響;而較小流域盆地的HI值更容易反映巖性差異和局部構(gòu)造作用的影響(陳彥杰等，2008)。研究區(qū)范圍比較小，處于同一氣候影響框架內(nèi)，地層主要為三疊系巴顏喀拉群復(fù)理石建造，局部分布了早侏羅世、晚三疊世火山巖和古近系—新近系紅色陸相碎屑巖，第四系主要分布于山間斷陷盆地和寬緩的河谷盆地內(nèi)。因此，較小流域盆地的HI值更有可能反映的是局部構(gòu)造作用、地層巖性和地表過程的差異。這里選取研究區(qū)內(nèi)黃河上游4級(jí)、5級(jí)和6級(jí)亞流域盆地(包括306個(gè)4級(jí)亞流域盆地，155個(gè)5級(jí)亞流域盆地和98個(gè)6級(jí)亞流域盆地)，采用公式(1)計(jì)算相應(yīng)的HI值。為了便于分析，對(duì)獲得的HI值進(jìn)行空間插值，生成等值分區(qū)圖(圖7)。

圖7 選取的亞流域盆地分布及HI值等值分區(qū)圖Fig.7 The distribution of the sub-basins and its HI values.

從圖7可以看出，HI低值區(qū)基本與山間斷陷盆地和寬緩河谷盆地的分布范圍相吻合，尤其桑日麻一帶為第四紀(jì)斷陷盆地，表現(xiàn)出成片的HI低值區(qū)，反映了構(gòu)造沉降和侵蝕作用的結(jié)果。特土合鄉(xiāng)、阿布達(dá)拉松多地區(qū)可能反映的是地層巖性的差異，因?yàn)樘赝梁相l(xiāng)以北出露了早侏羅世花崗閃長巖體，阿布達(dá)拉松多出露較大范圍的晚三疊世花崗閃長巖體，與周圍的巴顏喀拉群淺變質(zhì)砂、板巖明顯不一樣。達(dá)日金渡—吉邁一線的東北出現(xiàn)范圍較大的HI高值區(qū)，與達(dá)日斷裂在這一帶存在NWW—NW的轉(zhuǎn)向，斷裂走向與區(qū)域NE向主壓應(yīng)力相對(duì)，存在局部構(gòu)造擠壓抬升作用，HI高值區(qū)的出現(xiàn)也表明了亞流域地貌對(duì)局部構(gòu)造作用的響應(yīng)。

3 結(jié)論

達(dá)日斷裂中段具有明顯晚第四紀(jì)新活動(dòng)性，該地區(qū)亞流域盆地地貌發(fā)育對(duì)斷裂新活動(dòng)性的響應(yīng)明顯。而且，至今仍保存有1947年7?級(jí)大地震的地表破裂帶，地震地表破裂帶的構(gòu)造樣式在不同的段落表現(xiàn)出多樣性。

研究區(qū)內(nèi)黃河上游6個(gè)較大規(guī)模的亞流域盆地均處于地貌演化階段的“壯年期”，其演化過程表現(xiàn)出很好的同步性，反映了區(qū)域性構(gòu)造隆升或沉降作用的總體結(jié)果。大約始于3.4Ma前，青藏高原整體抬升，主夷平面解體，盆地中沉積扇礫巖相的紅色碎屑巖建造，隨后的強(qiáng)烈差異性隆升，上新統(tǒng)碎屑巖沉積抬升，形成了次一級(jí)夷平面。黃河上游流域盆地地貌是在青藏高原階段性隆升的背景下，黃河水系階段性下切、襲奪、溯源侵蝕和擴(kuò)展水系源頭演化而來的。因此，這6個(gè)亞流域盆地也應(yīng)是伴隨著青藏高原隆升和地區(qū)性造山隆起而形成的，其演化過程受區(qū)域構(gòu)造新活動(dòng)所控制。

而且，區(qū)內(nèi)次級(jí)亞流域盆地的面積－高程積分值(HI值)分布特征表明，HI低值分布與第四紀(jì)斷陷盆地和河谷盆地范圍相一致，反映了局部構(gòu)造沉降和侵蝕作用的不同;HI高值則主要出現(xiàn)在達(dá)日地震地表破裂帶由NWW向NW轉(zhuǎn)向的部位，以及早侏羅世與晚三疊世花崗閃長巖體分布的地方，也很好地反映了局部構(gòu)造作用的變化和地層巖性的差異。

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