祁連山—河西走廊黑河流域地貌特征及其構(gòu)造意義

蘇　琦　袁道陽　謝　虹

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州　730000 2)蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，蘭州　730000

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祁連山—河西走廊黑河流域地貌特征及其構(gòu)造意義

蘇琦1)袁道陽1，2)*謝虹1，2)

1)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州730000 2)蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，蘭州730000

采用定量化的地貌因子研究區(qū)域構(gòu)造活動及其演化已成為構(gòu)造地貌學(xué)的一種常用手段。祁連山—河西走廊位于青藏高原東北部邊緣，是高原向NE方向擠壓擴展的前緣部位，該區(qū)河流水系的地貌發(fā)育過程記錄了高原隆升與擠壓擴展及其氣候環(huán)境效應(yīng)的重要信息。位于祁連山北部山前的黑河流域向N穿過河西走廊和北山地區(qū)，其河流地貌的發(fā)育與祁連山的構(gòu)造隆升直接相關(guān)。基于諸多地貌因子(面積-高程積分、地貌信息熵以及河流縱剖面)的研究結(jié)果均顯示黑河流域所涉及的祁連山東、西段的構(gòu)造活動存在明顯差異，具有西強東弱的特點，如西段流域的平均面積高程積分值(HI)為0.541而東段僅為0.466,1；并且根據(jù)河流縱剖面分析得到的差異隆升值西段為754m，也遠(yuǎn)高于東段的219m；而降雨等氣候因素則存在東強西弱的特點。綜合對比分析發(fā)現(xiàn)，本區(qū)巖性與降水條件等對研究區(qū)地貌因子的影響有限；構(gòu)造活動是地貌演化發(fā)育的主控因素，控制著該區(qū)現(xiàn)今的構(gòu)造變形、地貌發(fā)育及其演化歷史。

祁連山西段DEM黑河流域地貌構(gòu)造活動

0　引言

新生代印度板塊與歐亞大陸的拼合碰撞是地質(zhì)歷史時期的重大事件，其持續(xù)向N的擠壓碰撞使得高原不斷隆升和擴展，形成了世界上最高最大的高原——青藏高原(Harrisonetal.，1992；李廷棟，1995；許志琴等，2011)。雖然目前地學(xué)界在高原形成機制、隆升過程及其氣候環(huán)境效應(yīng)等問題上仍存在分歧，但有關(guān)青藏高原東北緣的祁連山—河西走廊地區(qū)正在遭受強烈擠壓、隆升并逐漸成為高原最年輕的一部分的認(rèn)識逐漸成為不爭的事實(Tapponnieretal.，2001；袁道陽等，2004；鄭文俊等，2009；張會平等，2012；Yuanetal.，2013)；該區(qū)晚新生代到現(xiàn)今的構(gòu)造活動十分強烈，發(fā)育了大量晚第四紀(jì)活動逆斷裂、走滑斷裂以及活動褶皺等，表明該區(qū)正遭受強烈的地殼縮短以及左旋剪切作用(Hetzeletal.，2002；袁道陽等，2004；陳柏林等，2005，2006；鄭榮章等，2005; 李海兵等，2006; Champagnacetal.，2010; Yuanetal.，2011，2013; Zhengetal.，2012，2013a，2013b; Hetzel, 2013)。

青藏高原的整體地貌形態(tài)在內(nèi)、外動力共同作用下形成了高原內(nèi)部平坦的低起伏地勢面(Fieldingetal.，1994；劉靜等，2006)以及高原邊緣因遭受強烈隆升、侵蝕下切而形成的地形陡變帶(Clarketal.，2000；張會平等，2006)。作為高原向北擴展的前緣部位，祁連山—河西走廊地區(qū)的地貌發(fā)育與演化研究已引起了眾多地質(zhì)、地貌學(xué)專家的關(guān)注。 潘保田等(2000，2002)及李炳元等(2002)認(rèn)為祁連山地區(qū)存在2級不同時代的夷平面(山頂面，主夷平面)和1級剝蝕面，且其西段的主夷平面高于東段；孫然好(2005)利用現(xiàn)代流域泥沙資料并結(jié)合祁連山地區(qū)50a來的氣候、水文資料對該區(qū)的地貌演化研究認(rèn)為，在構(gòu)造隆升的背景下氣候因素在祁連山地貌演化過程中扮演著十分重要的角色；Pan等(2013)認(rèn)為祁連山—河西走廊地區(qū)可劃分為3個大的地貌單元： 高山帶(3,200～4,500m)、低山帶(2,200～3,100m)和走廊平原帶(<1,800m)。盡管前人從地貌學(xué)的角度對該區(qū)地貌形態(tài)與發(fā)育特征的研究已取得了許多新的認(rèn)識，然而對地貌反應(yīng)極為敏感的祁連山北緣地區(qū)多條河流的地貌形態(tài)、發(fā)育過程及其對構(gòu)造活動的響應(yīng)卻鮮有研究報道；雖然胡小飛等(2010)根據(jù)河道陡峭指數(shù)對祁連山北翼構(gòu)造活動做過一些研究，但多是定性地對比祁連山東段和中、西段構(gòu)造抬升速率的差異，尚未開展精細(xì)化的河流地貌發(fā)育演化特征的研究。

本文以祁連山—河西走廊地區(qū)河流地貌因子分析作為切入點，選取祁連山北緣黑河及其支流共11條水系及其流域盆地為研究對象(圖1)，利用精度為90m的SRTM-3(Shuttle Radar Topography Mission)DEM數(shù)據(jù)提取必要的河流地貌參數(shù)并以該區(qū)構(gòu)造活動、巖性分布以及氣候條件作為約束，以期定量揭示河流地貌與祁連山地區(qū)構(gòu)造活動的響應(yīng)關(guān)系。

圖1　黑河流域構(gòu)造、地貌簡圖Fig. 1　The map of topography and major drainage in the study area.F1阿爾金斷裂(東段)，F(xiàn)2旱峽-大黃溝斷裂，F(xiàn)3昌馬-俄博斷裂，F(xiàn)4疏勒河斷裂，F(xiàn)5佛洞廟-紅崖子斷裂，F(xiàn)6金塔南山斷裂，F(xiàn)7榆木山斷裂，F(xiàn)8龍首山南緣斷裂，F(xiàn)9龍首山南緣斷裂，F(xiàn)10海原斷裂(西段)，F(xiàn)11疏勒南山斷裂，F(xiàn)12托勒南山斷裂，F(xiàn)13哈拉湖斷裂，F(xiàn)14日月山斷裂，F(xiàn)15皇城-雙塔斷裂，F(xiàn)16冷龍嶺斷裂；Ⅰ 石油河，Ⅱ 白楊河，Ⅲ 北大河，Ⅳ 洪水壩河，Ⅴ 豐樂河，Ⅵ 馬營河，Ⅶ 擺浪河，Ⅷ 梨園河，Ⅸ 黑河干流，Ⅹ 洪水河，Ⅵ 山丹河

1　區(qū)域地質(zhì)概況

祁連山位于青藏高原北部邊緣，是早-中古生代造山系統(tǒng)于晚新生代復(fù)活的產(chǎn)物(Yinetal.，2000; 尹安，2001)。晚新生代以來，由于歐亞大陸與印度板塊的持續(xù)擠壓碰撞，青藏高原不斷隆升并向外擴展，位于高原北部的祁連山區(qū)遭受強烈的擠壓隆升變形(Zhangetal.，2004；張培震等，2006；鄭文俊等，2009；王一舟等，2013)，從而形成了一系列由晚第四紀(jì)逆沖斷裂、走滑斷裂和活動褶皺控制的NW-SE向條狀山脈(袁道陽等，2004；許志琴等，2004; Yuanetal.，2013)。關(guān)于祁連山最初快速隆升時間的限定，不同的學(xué)者得到了近乎一致的結(jié)論： George(2001)采用磷灰石裂變徑跡方法得到祁連山在10～20Ma BP 隆升剝蝕作用強烈的結(jié)論；張培震等(2006)以及Fang等(2005)分別得到了祁連山內(nèi)部山系自8～15Ma BP 開始遭受快速隆升和剝蝕的認(rèn)識；袁四化等(2008)通過對柴達(dá)木盆地沉積物地震反射界面的分析認(rèn)為高原北緣在中、晚中新世發(fā)生快速抬升；Zheng等(2010)通過祁連山西段金佛寺附近磷灰石的(U-Th)/He年代測定得到了該地區(qū)在 10Ma BP 快速隆升的結(jié)論；Yuan等(2011)通過青海湖東西兩側(cè)鄂拉山斷裂和日月山斷裂的調(diào)查得到了2條斷裂分別于9Ma BP和 (10±2)Ma BP開始活動的證據(jù)；Zhang等(2014)通過對祁連山西段新生代盆地幾何形態(tài)的研究認(rèn)為祁連山西段自受高原南部塊體擠壓以來NE-SW向地殼縮短量大約為66km，推測主體構(gòu)造縮短時間大致為10Ma，總體顯示祁連山西段中新世中期以來強烈的擠壓縮短變形。

祁連山以及河西走廊內(nèi)部地區(qū)的活動斷裂大體可分為2大類： 走滑斷裂和逆沖斷裂(圖1)。由于受該區(qū)阿爾金斷裂和海原斷裂2條邊界走滑活動斷裂的控制和影響，介于二者之間的祁連山西段構(gòu)成1個大的擠壓構(gòu)造區(qū)，發(fā)育了大量以擠壓逆沖為主兼具左旋走滑特征的活動構(gòu)造，晚第四紀(jì)構(gòu)造活動強烈(袁道陽等，2004)。前人通過對祁連山西段酒西盆地晚第四紀(jì)河流階地的研究認(rèn)為祁連山北緣斷裂、老君廟背斜-逆斷裂帶以及白楊河背斜-逆斷裂帶晚更新世以來的垂向運動速率分別為1.92～2.00mm/a、1.15～2.56mm/a(陳杰等，1998)，以及0.32～0.58mm/a或(0.35±0.03)mm/a(Hetzeletal.，2002；Hetzel, 2013)。 Hetzel等(2004)通過對榆木山東緣斷裂(張掖斷裂)洪積扇體測年研究得到了晚更新世以來該斷裂垂向滑動速率為(0.88±0.6)mm/a；陳柏林等(2008)認(rèn)為玉門斷裂自早更新世以來一直有活動跡象，表現(xiàn)為強烈的逆沖推覆特征兼具少量左旋走滑分量；何文貴等(2010)通過對嘉峪關(guān)斷裂進(jìn)行探槽開挖以及樣品光釋光測年得到該斷裂晚第四紀(jì)晚期以來的滑動速率為0.52～0.56mm/a；劉興旺等(2012)通過對佛洞廟-紅崖子斷裂斷錯地貌的定量研究并結(jié)合年代學(xué)得到了該斷裂晚第四紀(jì)以來的垂向滑動速率為(0.61±0.28)mm/a，左旋滑動速率為(1.27±0.58)mm/a的認(rèn)識；羅浩等(2013)研究得到昌馬斷裂西段、中段以及東段的左旋滑動速率分別為(1.33±0.39)mm/a、(3.11±0.31)mm/a和(3.68±0.41)mm/a，并認(rèn)為該斷裂調(diào)節(jié)了阿爾金斷裂大約30%的滑動速率減少量；Zheng等(2013a)通過對合黎山南緣斷裂進(jìn)行野外勘察以及相應(yīng)的年代樣品測試得到了該斷裂各段的垂向滑動速率介于0.2～0.53mm/a之間；Yu等(2016)認(rèn)為雅布賴斷裂介于(0.23±0.02)mm/a和(0.78±0.12)mm/a之間的滑動速率反映了河西走廊內(nèi)部最初始的變形。正是上述主干活動斷裂的不同變形方式、轉(zhuǎn)換關(guān)系和滑動速率等構(gòu)成了祁連山構(gòu)造變形的總體圖像，控制著該區(qū)現(xiàn)今的構(gòu)造變形、地貌發(fā)育和演化歷史。

祁連山—河西走廊地處中國大陸腹地，由于距離海洋遙遠(yuǎn)和受高原阻隔使得來自太平洋及印度洋的濕熱氣團(tuán)難以到達(dá)，因而形成了區(qū)內(nèi)獨特的大陸性干旱、半干旱氣候區(qū)(閆業(yè)慶等，2011；劉棟梁等，2011)。盡管本區(qū)氣候干旱、降雨量少，但也發(fā)育了一系列內(nèi)流水系；其中，黑河流域就是其重要的組成部分，為中國西北地區(qū)第2大內(nèi)陸河流。黑河流域由大約11條長短不等的次級水系組成，由西向東依次為： 石油河(Ⅰ)、白楊河(Ⅱ)、北大河(Ⅲ)、洪水壩河(Ⅳ)、豐樂河(V)、馬營河(VI)、擺浪河(Ⅶ)、梨園河(Ⅷ)、黑河干流(IX)、洪水河(X)以及山丹河(XI)；除北大河與黑河干流發(fā)源于祁連山腹地外，其余河流皆發(fā)育于祁連山山前，流經(jīng)了河西走廊和北山地區(qū)，跨越了不同的地質(zhì)地貌和構(gòu)造單元。

為了揭示祁連山山前到河西走廊的地形變化特征，我們截取了2條大致垂直于祁連山走向的寬度為10km的條帶狀地形剖面A—A′、B—B′(圖2，位置見圖1)。條帶狀剖面可統(tǒng)計一定區(qū)域范圍內(nèi)地形高程的最大、最小和平均值，用以半定量—定量分析研究區(qū)內(nèi)山峰、河谷的高程變化以及侵蝕程度(張會平等，2006；梁明劍等，2014)。

圖2　A—A′，B—B′條帶狀剖面圖Fig. 2　The swath profiles A-A′ and B-B′.斷裂編號如圖1，地形起伏度為相應(yīng)面積范圍內(nèi)最大高程與最小高程之差

從圖2 中的A—A′剖面可以看出，研究區(qū)內(nèi)各流域上游的山脈高程主要集中在4,000～5,000m，山頂面構(gòu)成了最高一級夷平面，地形起伏較大，局部下凹處為第四紀(jì)河谷盆地及斷陷盆地，盆地發(fā)育主要受控于主干活動斷裂的逆沖活動；而流域盆地的下游則為絕對高程較小的河西走廊沖洪積平原區(qū)，其起伏度極小，地形相對平坦；在A—A′剖面中，從祁連山內(nèi)部到河西走廊絕對高程下降了約3,500m，北側(cè)的金塔南山雖然受金塔南山斷裂控制，但因隆升時間晚，地形起伏小。而東側(cè)的B—B′剖面顯示出各流域盆地上游的絕對高程在4,000m左右，地形起伏度較大，反映出局部構(gòu)造活動和侵蝕程度的差異性；除下游龍首山外，絕對高程的平均值在1,500m左右，即在B—B′剖面中從祁連山到河西走廊絕對高程的降低值大約是2,500m，其幅度較西側(cè)小。

2　地貌分析

現(xiàn)代地形地貌是在內(nèi)、外動力共同作用下經(jīng)長時間演化而形成的。 在地貌發(fā)育過程中，2種力量同時出現(xiàn)，彼此消長，相互作用，控制和影響了地形地貌的發(fā)育過程(嚴(yán)欽尚等，2013；楊景春等，2013)。而在構(gòu)造活動較為活躍的區(qū)域(如祁連山地區(qū))，現(xiàn)代地表殘余地貌則為我們了解該區(qū)構(gòu)造活動、地形生長與破壞提供了非常重要的線索(Walceketal.，2012)。

2.1面積-高程積分與地貌信息熵分析

2.1.1面積-高程積分

地貌的發(fā)育演化一直以來都是地貌學(xué)研究的重點(楊景春等，2013)。1899年當(dāng)代地貌學(xué)奠基人Davis提出了 “地貌循環(huán)理論”，認(rèn)為在構(gòu)造應(yīng)力作用下，平坦地面被迅速抬升，之后遭受外部營力的侵蝕破壞，依次經(jīng)歷幼年期、壯年期以及老年期各發(fā)展階段，最后演化成 “準(zhǔn)平原”?；贒avis理論，美國理論地貌學(xué)家Strahler于1952年提出侵蝕流域的面積-高程積分(Hypsometric Integral)分析方法，進(jìn)一步將Davis地貌理論定量化。面積-高程積分曲線(Hypsometric Curve)即是以流域盆地相對高度比(h/H)為縱軸、以相對面積比為(a/A)橫軸得到的曲線，是以二維曲線架構(gòu)來描述地表三維體積殘存率的一種地貌參數(shù)；曲線下方的面積即為面積-高程積分值(圖3)。

圖3　流域盆地的面積-高程積分定義Fig. 3　The definition of the hypsometric integral.

如圖3 所示，如果面積-高程積分曲線呈上凸形狀，則表示流域地貌演化處于幼年時期；若曲線呈現(xiàn)下凹狀態(tài)，則表示流域地貌演化已經(jīng)步入老年階段；如果面積-高程積分曲線的形狀居于兩者之間，即呈現(xiàn)S形，則表示流域正處于河流發(fā)育的 “壯年期”。

2.1.2地貌信息熵

熵是反映系統(tǒng)狀態(tài)的一種指標(biāo)，熵值越大，系統(tǒng)越混亂、無序度越高，系統(tǒng)也就越穩(wěn)定。而在侵蝕、剝蝕等各種地貌作用下的地表形態(tài)作為一種系統(tǒng)狀態(tài)也可以用熵來描述(艾南山，1987；艾南山等，1988)。無論是Davis的 “地貌循環(huán)理論”還是Strahler的面積-高程積分分析都是基于平坦地面迅速造山抬升后在外營力作用下的地貌演化過程，是一種封閉的地貌演化模型。在沒有內(nèi)營力的作用下，外營力使地表夷平，使得高度在空間上趨于均勻分布，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，而描述地貌系統(tǒng)的熵值也趨于最大化。而在地貌夷平過程中若有內(nèi)力作用參與，在內(nèi)、外營力共同作用下，開放系統(tǒng)也將達(dá)到某種穩(wěn)定狀態(tài)(Scheidegger，1979)。艾南山等(1988)結(jié)合構(gòu)造信息熵以及Strahler曲線積分值得到地貌信息熵的計算式為

(1)

式(1)中H為地貌信息熵的定量值，S為面積-高程積分值。熵值越小，代表流域內(nèi)、外營力的對抗作用越強。

2.1.3地貌參數(shù)分析

黑河流域水系均發(fā)育于祁連山北緣山前地帶，河流的發(fā)育受祁連山構(gòu)造隆升作用影響明顯，其地貌形態(tài)直接承載了該區(qū)的構(gòu)造活動特征。李吉均等(2001)、潘保田等(2002)和李德文等(2004)研究認(rèn)為祁連山地區(qū)普遍存在2級夷平面(山頂面、主夷平面)和1級剝蝕面，并且祁連山西段(疏勒河流域、黑河流域)的主夷平面略高于東段(石羊河流域)；一般認(rèn)為祁連山西段的主夷平面海拔高度為3,700～4,000m(潘保田等，2002)。前人研究指出，3.6Ma BP以來高原北部經(jīng)歷大規(guī)模急劇強烈的構(gòu)造隆升(青藏運動)，使得8Ma,BP以來形成的主夷平面解體，高原北部主體地貌格局就此形成(李吉均等，1979，1996)。快速隆升使得流域盆地在夷平面上、下的不同部位經(jīng)歷了不同的地質(zhì)活動和構(gòu)造變形歷史，本文采用3,700m作為黑河各亞流域盆地的主夷平面高度并據(jù)此將各個亞流域分為上、下游2個部分(圖4)，分別繪制亞流域盆地上游、下游以及整體的面積-高程積分曲線并計算其相應(yīng)的熵值，結(jié)果如下(圖5，表1)：

圖4　流域夷平面上、下示意圖Fig. 4　The planation surface of the catchments.Ⅰ 石油河，Ⅱ 白楊河，Ⅲ 北大河，Ⅳ 洪水壩河，Ⅴ 豐樂河，Ⅵ 馬營河，Ⅶ 擺浪河，Ⅷ 梨園河，Ⅸ 黑河干流，Ⅹ 洪水河，Ⅺ 山丹河

圖5　黑河流域各水系Strahler曲線Fig. 5　Hypsometric curve of the sub-basins of the Heihe drainage area.Ⅰ 石油河，Ⅱ 白楊河，Ⅲ 北大河，Ⅳ 洪水壩河，Ⅴ 豐樂河，Ⅵ 馬營河，Ⅶ 擺浪河，Ⅷ 梨園河，Ⅸ 黑河干流，Ⅹ 洪水河，Ⅺ 山丹河

表1　黑河流域各水系HI值與熵值

Table1　Hypsometric and entropy values of sub-basins in the Heihe drainage area

主夷平面以上流域主夷平面以下流域整條流域HI值熵值HI值熵值HI值熵值西段石油河0.35260.39500.61510.101070.52150.1725白楊河0.33710.42440.50230.19080.49440.1988北大河0.31650.46690.62580.09450.56930.1326洪壩河0.34050.41780.5820.12320.55390.1446豐樂河0.33030.43800.68150.06490.54980.1480馬營河0.34950.40070.60310.10870.55720.1420均值0.33780.42380.60160.11390.54100.1564東段擺浪河0.41330.29680.45510.24230.38870.3336梨園河0.36960.36490.46760.22770.40820.3041黑河0.31920.46110.54770.14970.60050.1104洪水河0.26990.57960.58220.12310.42690.2781山丹河0.39550.32310.58680.11980.50610.1871均值0.3550.40510.52790.17260.46610.2427

如圖5、表1 所示，在11條亞流域中，無論是各流域的面積-高程積分曲線圖像還是單個流域中不同部位的熵值，在擺浪河處均發(fā)生曲線形態(tài)以及熵值的突變，這可能與該區(qū)榆木山隆起向河西走廊盆地內(nèi)部的擴展有關(guān)。本文以馬營河(Ⅵ)與擺浪河(Ⅶ)之間的分水嶺為界，將黑河流域分為東、西2段。

夷平面以上的地貌形態(tài)代表了上一次或前幾次構(gòu)造活動以來遭受侵蝕殘余的結(jié)果；黑河流域之東、西2段各亞流域盆地在夷平面以上的流域部位，無論是HI值還是熵值均發(fā)生明顯改變(表1)。 在黑河流域西段，夷平面以上流域部分的HI值均<0.35，說明該流域部分正處于Davis所論述的侵蝕流域發(fā)展階段的 “老年期”；而熵值均>0.4，說明在該流域部位內(nèi)外營力對抗作用非常弱。 在黑河流域東段，除擺浪河流域地貌特征發(fā)生異常外，其余流域盆地夷平面以上部位均顯示出了老年期的發(fā)育特征以及弱的內(nèi)、外營力對抗作用，說明至少在最近1次構(gòu)造活動發(fā)生之前黑河流域東、西2段各亞流域盆地均達(dá)到了 “老年期”發(fā)育階段。

隨著新構(gòu)造運動的發(fā)生，地表開始抬升，主夷平面解體，產(chǎn)生了強烈的河流下切侵蝕作用。 在主夷平面以下流域部位，流域西段呈現(xiàn)出明顯的壯年期階段，具體表現(xiàn)為西段平均HI值>0.6，其中豐樂河(Ⅴ)夷平面以下流域部位HI值竟高達(dá)0.68，表明該部分流域盆地受到強烈的構(gòu)造作用影響，而流域西段平均熵值低至0.11，流域系統(tǒng)極不穩(wěn)定，表現(xiàn)為在該處內(nèi)(構(gòu)造抬升)、外(河流下切侵蝕)營力競爭作用非常強烈；而在東段，雖然主夷平面以下流域部位也表現(xiàn)出了明顯的壯年期特征，如黑河干流(Ⅸ)夷平面以下流域部位HI值達(dá)到0.55以及洪水河(Ⅹ)夷平面下游流域HI值超過0.58，其相應(yīng)的熵值也表現(xiàn)出了較強的系統(tǒng)穩(wěn)定性(平均值為0.173)，但無論是HI值還是熵值，其平均值所表現(xiàn)出來的流域東段夷平面下游流域部位的地貌特征均弱于西段(表1)；而從整個流域盆地的地貌特征來看，流域西段6條河流平均HI值為0.54，大于流域東段5條河流的平均值0.46，而西段的平均熵值(0.156)也小于東段(0.243)表現(xiàn)出相對較強的系統(tǒng)穩(wěn)定性。張韻嫻(2003)研究指出面積-高程積分對于區(qū)域構(gòu)造活動特別是垂向構(gòu)造活動具有很好的指示意義；在黑河流域，無論是夷平面上游還是下游亦或是整個流域盆地，流域東、西2段差異明顯的HI值指示了較強的構(gòu)造活動差異性而熵值的不同則體現(xiàn)出流域東、西2段不同部位在內(nèi)、外營力共同作用下的系統(tǒng)穩(wěn)定性差別明顯，即流域東段地貌因子所表現(xiàn)出的特征弱于西段，指示了東段受到構(gòu)造活動的強度要小于西段。

2.2河流縱剖面分析

造山帶與沉積盆地是地球表面發(fā)育的2大基本構(gòu)造單元(劉少峰等，2005)，也是2大基本地貌單元，二者具有密切的耦合關(guān)系。在地殼相對穩(wěn)定時期，地表夷平作用將會成為最主要的外作用力，造山帶物質(zhì)經(jīng)剝蝕搬運后進(jìn)入沉積盆地，使得地表高度在空間上均勻分布，地勢變得平緩，地形起伏不大，地貌發(fā)育進(jìn)入老年階段，形成準(zhǔn)平原狀態(tài)的夷平面。一旦構(gòu)造活動再次發(fā)生，夷平面解體，則夷平面上、下不同地貌單元會經(jīng)歷不同的地貌構(gòu)造旋回作用。作為區(qū)域構(gòu)造活動最直接載體的河流地貌，其典型的地貌形態(tài)指示了該區(qū)的最新構(gòu)造活動。我們選取黑河流域11條支流，分別計算其流域基巖河道的河段坡度以及河段所對應(yīng)的上游流域盆地的面積，以流域盆地面積的對數(shù)值為橫軸，河段坡度對數(shù)值為縱軸，得到其S(坡度)-A(面積)圖，并與相應(yīng)流域的河流縱剖面進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6。

圖6　黑河流域10條河流實際剖面與擬合剖面Fig. 6　Stream profiles and channel profiles of the 10 basins in the Heihe drainage area.Ⅰ石油河，Ⅱ白楊河，Ⅲ北大河，Ⅳ洪水壩河，Ⅴ豐樂河，Ⅵ馬營河，Ⅶ擺浪河，Ⅷ梨園河，Ⅸ洪水河，Ⅹ山丹河；紅色五角星為裂點所在位置，紅色實線代表實際河道，藍(lán)色虛線代表擬合河道；S-A擬合圖中的黑色實線為裂點以上河道，黑色虛線為裂點以下河道

根據(jù)各支流的S-A圖，除最東段的山丹河沒有表現(xiàn)出明顯的裂點外，其余9條支流均至少存在1個主裂點(Major Knickpoint)，裂點上、下河段具有不同的陡峭度(Ks)與凹曲度(Θ)，說明在河流縱剖面上裂點上、下不同河段具有不同的發(fā)育趨勢。 我們利用裂點上游河道凹曲度指標(biāo)擬合出整條河流，則此擬合河流縱剖面代表了地表整體隆升(侵蝕基準(zhǔn)面同步隆升)后河流呈現(xiàn)出的縱剖面形態(tài)，而擬合河道與現(xiàn)今實際下游河道的高程差值則代表了地表差異隆升的實際高程差值。如圖6 所示，在黑河流域西段(石油河—馬營河)，地表差異隆升平均值為754m；而在流域東段(擺浪河—山丹河)，差異隆升平均僅僅只有219m。前人的研究指出，自65～55Ma,BP印度板塊與歐亞大陸碰撞以來，高原北部已經(jīng)歷過多次普遍意義的重大構(gòu)造事件，且這些構(gòu)造活動在高原北緣具有整體同步性特征(宋春暉，2006)，而差異隆升量的西高東低也說明了在高原北緣祁連山地區(qū)在構(gòu)造隆升幅度和強度上確實存在西強東弱的特點。

3　討論

構(gòu)造地貌學(xué)作為構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與地貌學(xué)之間的交叉學(xué)科以其強大的生命力越來越得到各國地質(zhì)地貌學(xué)專家的重視，并逐漸成為活動構(gòu)造研究中不可或缺的一種手段(Burbanketal.，. 1996；Kirbyetal.，2003; Wangetal.，2014)。現(xiàn)今地表形貌是內(nèi)、外營力共同作用的結(jié)果，然而在地質(zhì)歷史時期祁連山地區(qū)曾經(jīng)歷多次構(gòu)造活動。 宋春暉(2006)研究指出，自65～55Ma,BP印度板塊與歐亞大陸碰撞以來高原北部祁連山地區(qū)的地貌演化經(jīng)歷了3次夷平，特別是8～6Ma,BP的主夷平面解體并于3.6Ma,BP以來經(jīng)歷多次強烈構(gòu)造隆升才塑造了現(xiàn)在高原北部的主體地貌。在地貌演化過程中，外營力作用不容忽視，其與內(nèi)營力無論是在數(shù)量上還是強度上都具有同等重要的意義(楊景春等，2013)；Zhang等(2001)研究認(rèn)為全球在4～2Ma,BP陸源沉積速率的快速增加是全球氣候突變的結(jié)果；Radoane等(2003)在研究羅馬尼亞Carpathians地區(qū)時指出，當(dāng)河流達(dá)到均夷狀態(tài)后，由于氣候雨量的增加可使河流受到的凈侵蝕力大為增加，結(jié)果河流縱剖面下凹程度快速增大。巖性的差異會使不同河段具有不同的抗侵蝕能力從而影響整個地區(qū)的地表形態(tài)；趙洪壯等(2010)研究指出河流坡降指標(biāo)(SL)與基巖的抗侵蝕能力之間存在密切的關(guān)系，若基巖的抗侵蝕能力較強則河段的SL值偏高，反之，則SL值偏低。雖然上述因素都會對地表形態(tài)的演變產(chǎn)生或多或少的影響，然而由于現(xiàn)今應(yīng)用地形因子進(jìn)行構(gòu)造研究的模型并非十分完善，無法將構(gòu)造活動、氣候降水、基巖巖性等諸多因子完整地結(jié)合起來(陳濤等，2014)。 針對這種問題，本研究基于提取到的黑河流域地形因子，聯(lián)合區(qū)域氣候降雨以及巖性條件進(jìn)行綜合分析，以期獲取現(xiàn)今黑河流域地表形態(tài)發(fā)育的主控因素。

3.1降雨條件

通常所指的外營力是指地球表面在太陽能和重力驅(qū)動下，通過空氣、流水和生物等活動所引起的作用(楊景春等，2013)。其中流水對于地表形態(tài)的改變起到了十分重要的作用，可通過改變流域的水文條件以及沉積物的供給來改變水系侵蝕能力以達(dá)到影響地表形態(tài)的目的，而水系的流量大小在很大程度上受控于區(qū)域降水條件；本研究以區(qū)域降水條件代替氣候因素來探討其對地貌發(fā)育的影響。

黑河流域位于中國西北內(nèi)陸，發(fā)源于祁連山內(nèi)部并向北流過河西走廊到達(dá)北山地區(qū)。受青藏高原快速隆升的影響，河西走廊自晚中更新世以來逐步干旱化(馬玉貞等，1998)，并直接影響了黃土高原的形成(劉東生等，1998)。Hijmans等(2005)利用全球50a內(nèi)(1950—2000年)的氣象觀測資料、采用thin-plate smoothing spline插值方法，并以經(jīng)度、緯度以及絕對高程作為變量得到了在全球尺度、甚至整個青藏高原尺度內(nèi)分辨率最高的降水?dāng)?shù)據(jù)。如圖7 所示，整個黑河流域降水分布有很大的差異性： 流域東段黑河干流、洪水河以及山丹河流域年降水量達(dá)到320～500mm/a，流域中段洪水壩河、豐樂河、馬營河以及擺浪河流域年降水量降至200～300mm/a，到流域西段年降水量僅有 100mm/a。

圖7　全新世中期以來祁連山地區(qū)年降水量平均分布圖(數(shù)據(jù)來源于Hijmans et al.，2005)Fig. 7　The plane distribution of annual precipitation of Qilianshan region since the mid-Holocene(Data is from Hijmans et al.，2005).

與通過地貌分析得到的地形因子由西向東數(shù)值逐漸降低不同，降雨量由西向東呈逐漸增長的趨勢。降水可以通過改變河水徑流量從而間接影響地表形態(tài)。研究區(qū)內(nèi)各流域盆地呈現(xiàn)出明顯的壯年期發(fā)育階段且內(nèi)、外營力競爭作用非常強烈，河流縱剖面上抬升前后的高差對比表明區(qū)內(nèi)正在經(jīng)歷強烈的構(gòu)造抬升，呈現(xiàn)西強東弱的特點；而東強西弱的降雨條件，致使流域東段因較大的降雨量而加劇了地表侵蝕，使得各流域盆地適應(yīng)構(gòu)造抬升并盡快進(jìn)入均衡狀態(tài)，而西段極少的降雨量會使得流域盆地長期處于構(gòu)造抬升后的適應(yīng)期。從以上分析看，區(qū)內(nèi)降雨量由西向東逐漸增高的差異分布似乎對各流域盆地的地貌演化有著相當(dāng)重要的影響： 在經(jīng)歷了青藏高原北部整體構(gòu)造運動的影響之后，由于東段的降雨量大大高于西段，則東段各流域盆地由于較強的河流下切侵蝕作用會優(yōu)先 “消化”掉本次構(gòu)造活動或 “消化”的速度會明顯加快。這似乎表明降雨等氣候作用對地貌的發(fā)育和改變也是相當(dāng)明顯的。然而，胡小飛等(2010)在研究祁連山北翼流域河道的陡峭系數(shù)時明確指出祁連山處于干旱-半干旱區(qū)域，其降水量只有幾百毫米，且變化范圍不大，這樣的降水變化對于河流地貌演化不可能產(chǎn)生顯著影響；劉棟梁等(2011)通過對比祁連山山前玉門礫巖的沉積速率認(rèn)為氣候并不是影響沉積速率差異的因素。鑒于不同的認(rèn)識，我們將黑河流域各亞流域內(nèi)部平均年均降雨量與其所對應(yīng)的HI值、熵值做相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8 所示。

圖8　HI與降雨相關(guān)性分析圖(a)及熵值與降雨相關(guān)性分析圖(b)Fig. 8　Correlation analysis between HI values and precipitation(a); Correlation analysis between entropy values and precipitation(b).

基于以上分析，本研究認(rèn)為降水條件對于祁連山前各流域的地貌演化不存在明顯的影響。

3.2巖性因素

基巖巖性通過改變河道的抗侵蝕能力來改變河流地貌發(fā)育從而對整個區(qū)域的地表形態(tài)產(chǎn)生影響，河床的可侵蝕性主要與河道基巖的強硬程度以及裂隙發(fā)育程度相關(guān)(胡小飛等，2010)。由于缺少野外實測的巖石強度數(shù)據(jù)，我們利用巖石類型以及形成的時代來討論其對現(xiàn)代地表形態(tài)的影響。

圖9　祁連山地區(qū)地層分布圖Fig. 9　Stratigraphic distribution of the Qilianshan region.

如圖8 所示，黑河流域東段主要發(fā)育古生代地層，僅在局部段出露中生代地層以及零星的更新世風(fēng)積物，下游廣泛發(fā)育更新世以及全新世沉積物；而在流域西段，水系上游大量出露前寒武紀(jì)地層、古生代以及中生代地層單元且大致平行于祁連山走向，下游則與東段一致，同樣大量分布更新世和全新世沉積物。查閱相關(guān)地質(zhì)圖，發(fā)現(xiàn)本研究區(qū)內(nèi)的古生代地層主要為寒武紀(jì)斜長花崗巖夾砂泥巖、奧陶紀(jì)二長花崗巖碎屑巖與灰?guī)r、志留紀(jì)輝長巖，以及泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)閃長巖；中生代地層如三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)石英閃長巖以及白堊紀(jì)花崗巖；局部分布的前寒武紀(jì)地層主要為長城紀(jì)巖群；而更新世、全新世都是河流沖洪積物和風(fēng)積物。根據(jù)所統(tǒng)計的研究區(qū)東、西段各支流水系分別跨越的河道巖層發(fā)現(xiàn)，西段河流幾乎跨越了所有時代的地層單元，而東段河流上游主要流經(jīng)的是古生代中酸性火山巖夾灰?guī)r、硅質(zhì)巖砂巖以及板巖等，下游主要分布第四系沖洪積物。在研究區(qū)中段相鄰的馬營河和擺浪河，2條河流的上游具有可視為均一條件的降水量(年降水量在300～370mm/a)以及類似的基巖條件(圖7，9)，然而馬營河與相鄰的擺浪河卻有著截然不同的地貌形態(tài)；根據(jù)面積-高程積分計算，馬營河顯示出明顯的 “壯年期”發(fā)育特征，其HI值為0.557，而相鄰的擺浪河以0.388,7的極低的HI值，表現(xiàn)出老年期的發(fā)育特征；同樣，擺浪河的熵值高出馬營河1～2倍。而在河流縱剖面上，差異隆升前后的河道高程差也同樣說明了巖性條件并不是影響祁連山地區(qū)地貌發(fā)育的主要控制因素，可能與構(gòu)造活動關(guān)系更加密切。

3.3構(gòu)造作用

通過上述分析認(rèn)為，祁連山地區(qū)降雨條件、巖性因素對本區(qū)河流地貌或區(qū)域地貌影響有限。因此，祁連山地貌因子的差異可能主要反映了該區(qū)構(gòu)造活動強度的不同。宋春暉(2006)通過對比高原北部各盆地的沉積記錄，發(fā)現(xiàn)自印度板塊與歐亞大陸碰撞以來，高原北緣發(fā)生了10次具有普遍意義的重大構(gòu)造隆升事件，并且這些構(gòu)造活動在高原北緣范圍內(nèi)具有整體同步性和階段性。然而，雖然祁連山地區(qū)的構(gòu)造活動具有同步性，但并不代表各河流受到構(gòu)造作用的強度是均一的。趙井東等(2001)通過對擺浪河主階地上的礫石層與上覆黃土進(jìn)行ESR測年研究，發(fā)現(xiàn)晚更新世以來擺浪河的平均下切侵蝕速率為0.6～0.9mm/a；Hetzel等(2002，2006)通過對祁連山西段石油河階地進(jìn)行10Be測年，得到其晚更新世以來的河流下切速率最大達(dá)到 2.2mm/a；劉棟梁等(2011)通過對河西走廊內(nèi)部玉門礫巖進(jìn)行古地磁測年，發(fā)現(xiàn)老君廟背斜(石油河流域)中玉門礫巖的沉積速率在早、中更新世超過 0.35mm/a，而在榆木山地區(qū)(擺浪河、梨園河)同時代的玉門礫巖沉積速率僅僅只有0.09～0.11mm/a。通過以上分析可知，在降水條件與基巖巖性對地貌演化影響較弱的情況下，不同區(qū)域河流的下切速率以及礫巖沉積速率的大小完全受控于區(qū)域構(gòu)造活動強度的不同。方小敏等(2007)、劉棟梁等(2010)研究指出青藏高原新生代隆升變形具有 “同步異幅”的特點，且在構(gòu)造隆升強度和幅度上具有西部強東部弱的特點(宋春暉，2006)。陳杰等(1996，1998)對祁連山西段酒西盆地晚第四紀(jì)階地的研究表明，祁連山北緣大斷裂晚更新世以來的垂直運動速率為1.92～2.00mm/a，其北部的老君廟背斜同時代垂直滑動速率為1.15～2.56mm/a，白楊河背斜的垂向逆沖速率為0.32～0.58mm/a，若考慮區(qū)域活動性，則祁連山西段石油河、白楊河地區(qū)的垂向隆升速率為3.39～5.14mm/a。東側(cè)的佛洞廟-紅崖子斷裂晚更新世以來的垂向隆升速率為 2.1mm/a(國家地震局地質(zhì)研究所等，1993)。而在榆木山地區(qū)研究得到的斷裂活動性有較大差異： 國家地震局地質(zhì)研究所等(1993)得到榆木山北緣斷裂垂向滑動速率為 1.6mm/a，榆木山東緣斷裂垂向滑動速率為 2.5mm/a；然而Hetzel等(2004)得到的榆木山東緣垂向滑動速率為0.64～0.88mm/a，我們采用最新研究成果，則榆木山北緣斷裂的垂向滑動速率為 1.6mm/a，東緣垂向滑動速率為0.64～0.88mm/a。更東段的龍首山南緣斷裂晚第四紀(jì)逆沖滑動速率為 0.4mm/a(國家地震局地質(zhì)研究所等，1993)。即在黑河流域內(nèi)由西向東各條斷裂的垂向滑動速率依次為 3.39～5.14mm/a、2.1mm/a、1.6mm/a、0.64～0.88mm/a、0.4mm/a。另外，根據(jù)10a尺度的GPS觀測數(shù)據(jù)反演結(jié)果得到祁連山北緣斷裂由西向東擠壓速率依次減小(張永志等，2003; 郝明等，2014)，由最西段旱峽-大黃溝斷裂的(7.0±3.8)mm/a以及中段佛洞廟-紅崖子斷裂的(5.1±2.5)mm/a 一直衰減到東段民樂-永昌斷裂的(1.1±2.4)mm/a(李煜航等，2015)，雖然GPS反演得到的數(shù)據(jù)與實際地質(zhì)資料有所差異，但是由西向東構(gòu)造強度逐漸降低的趨勢確有較為明確的顯示。

綜上所述，無論是河流下切速率、盆地物質(zhì)沉積速率還是斷裂晚第四紀(jì)以來的垂向滑動速率都證實了在本研究區(qū)內(nèi)西段構(gòu)造活動的強度大于東段，本區(qū)晚新生代以來的隆升變形也存在 “同步異幅”特點——黑河流域盆地構(gòu)造隆升變形具有同步性，且西段受到的構(gòu)造作用強于東段。

4　結(jié)論

位于祁連山北部山前的黑河流域各亞流域系統(tǒng)在沿祁連山EW走向上地形因子有較大差異。面積-高程積分與地貌信息熵顯示流域西段正處于地貌發(fā)育的壯年期且內(nèi)、外營力作用非常強烈，而東段則明顯弱于西段；河流縱剖面顯示西段實際剖面與擬合剖面之間的高差(754m)遠(yuǎn)大于東段(219m)。通過對比分析顯示巖性因素對于研究區(qū)地貌因子的影響作用有限，降雨條件對地貌因子的演化存在一定的影響，而構(gòu)造活動是控制區(qū)內(nèi)地貌演化的最主要因素。所以地貌因子指示了祁連山地區(qū)受到構(gòu)造活動強度大小的分布，以黑河流域為例其西段受到的構(gòu)造活動影響遠(yuǎn)大于東段。

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GEOMORPHIC FEATURES OF THE HEIHE RIVER DRAINAGE BASIN IN WESTERN QILIAN SHAN-HEXI CORRIDOR AND ITS TECTONIC IMPLICATIONS

SU Qi1)YUAN Dao-yang1，2)XIE Hong1，2)

1)LanzhouInstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China2)LanzhouNationalObservatoryofGeophysics，Lanzhou730000，China

Using quantitative geomorphic factors for regional active tectonic evolution is becoming more and more popular. Qilian Mountains-Hexi Corridor which locates in the northern edge of Qinghai-Tibet plateau is the most leading edge of the plateau’s northward extension. The uplift rate of all segments and the intensity of influence from tectonic activity are the important evidences to understand the uplift and extension of the plateau. Heihe River Basin is located at the northern piedmont of the western segment of Qilian Mountains，the development of the rivers is influenced by the tectonic activity of the Qilian Mountains，and the unique river morphology is important carriers of the regional tectonic uplift.

the western region of the Qilian Mountains，DEM，Heihe drainage，geomorphology，tectonic activity

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.03.005

2015-06-02收稿，2016-06-28改回。

中國地震局地震行業(yè)科研專項(201308012)與國家自然科學(xué)基金(41030317)共同資助。

袁道陽，男，研究員，電話： 0931-8276712，E-mail: daoyangy@163.com。

P931.2

A

0253-4967(2016)03-0560-22

蘇琦，男，1990年生，2015年在中國地震局蘭州地震研究所獲構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，研究方向為活動構(gòu)造與構(gòu)造地貌，電話： 18810715875，E-mail: xbdsq11@163.com。

Geomorphologic indexes such as hypsometric integral，geomorphologic comentropy and river longitudinal profiles were extracted by GIS tools with free access to the Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)DEMs，and according to the different expression of the geomorphological indexes in the Heihe River Basin，we divided the drainage basin into two parts and further compared them to each other.

Recent studies reveal that obvious differences exist in the landscape factors(hypsometric integral，geomorphology entropy and river profiles)in the east and west part of the Heihe Basin. The structural intensity of the west part is stronger than that of the east，for example，in areas above the main planation surface on the western part，the average HI value is 0.337,8，and on the eastern part the HI value is 0.355. Accordingly，areas under the main planation surface are just on the contrary，indicating different structural strength on both sides. Similar phenomenon exists in the whole drainage basins. Furthermore，by comparing the fitting river profiles with the real river profiles，differential uplift is derived，which indicates a difference between west and east(with 754m on the western part and 219m on the east). Comprehensive comparison and analysis show that the lithologic factors and precipitation conditions are less influencing on the geomorphic factors of the study area，and the tectonic activities，indicated by field investigation and GPS inversion，are the most important element for geomorphic evolution and development. The variation of the geomorphologic indexes indicates different tectonic strength derived from regional structures of the Qilian Shan.