青衣江流域蘆山段地貌構造再探索與古地震關係

青衣江流域地貌特徵及構造指示意義

張 威1, 馬 超1, 王世元1, 何玉林1, 劉玉法1, 顏照坤2

(1. 四川省地震局, 四川 成都 610041;2. 成都理工大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 四川 成都 610059)

摘要:龍門山處於青藏高原東緣,是全球構造活動較為強烈的地區之一.青衣江流域位於龍門山的南段,研究青衣江對釐清龍門山南段的構造活動具有重要的意義.利用DEM數據,提取青衣江流域的地形坡度和河流剖面形態,以基巖河道河流水力侵蝕模型為基礎,分析發現地形坡度較大的區域多集中在大川—雙石斷裂的上盤區域,構造隆升是造成坡度差異的主要原因.青衣江水系在河流水力侵蝕模型對數圖解中表現為上凸特徵,表明基巖的隆升速率大於河流的下切侵蝕速率.青衣江流域的地殼隆升速率和侵蝕速率呈正相關的關係,即隆升速率越快,下切速率也就越快.青衣江流域整體處於抬升狀態,揭示龍門山造山帶內的地貌發育仍然處於前均衡狀態,同時也從側面證明龍門山地區是整個青藏高原垂直隆升和側向擠壓的最新和最前緣部位.

關鍵詞:龍門山南段; 青衣江流域; 地貌特徵; 構造響應

新生代以來,印度洋板塊不斷地向歐亞板塊俯衝,持續不斷的匯聚和碰撞造成了青藏高原現今的地貌和構造形態,也造成了青藏高原內部和邊緣地區不斷的地震活動,因此青藏高原的構造活動一直是地學界研究的熱點之一.龍門山與山前的高度大於4 000 m,是青藏高原邊緣山脈中陡度變化較大的山脈之一[1].

在新生代構造研究中,構造地貌研究是比較成熟的技術手段之一.水系地貌的形成常常受到構造活動的制約和影響,而且對構造活動所引起的剝蝕、隆升具有一定的反饋作用[2-3].青衣江的形成與龍門山南段的演化具有重要的關係,記錄了龍門山的隆升和擴展過程.斷裂活動可導致河流縱剖面的變化,記錄基巖的隆升和河流下切的過程[4].河流水力侵蝕模型可以反映構造隆升作用與河流下蝕作用之間的關係[5-7].另外,利用階地下蝕速率的計算可以定量地研究地表的隆升速率[8],唐熊等[9]和袁俊傑[10]在名山萬古場地區進行過研究.

有學者注意到龍門山地區水系和構造活動的關係主要集中在岷江水系,有關青衣江流域構造的研究主要為蘆山地區地震成因與階地變形,蘆山地震的發震構造與地貌響應,青衣江流域階地變形特徵[9-12],而在地形坡度與斷裂的關係、河流縱橫剖面特徵、河流水流侵蝕模型、河流階地對龍門山南段構造隆升的指示意義方面研究還不夠完善.本文通過青衣江流域內的地貌特徵來探討該區的地貌特徵及其對構造活動的指示意義,以期為龍門山南段構造活動特徵的研究提供一定的參考.

1 區域地質概況

龍門山位於青藏高原東緣,與四川盆地接壤,呈北東—南西向展布(圖1).以北川—安縣一線和臥龍—懷遠一線為界,可將龍門山分為北、中和南段[13].青衣江流域位於龍門山的南段,發源於寶興縣,長約290 km.研究區主要的斷裂系統有耿達—隴東斷裂(後山斷裂)、 鹽井—五龍斷裂(中央斷裂)、雙石—大川斷裂(前山斷裂)等(圖1),各斷裂晚新生代以來均表現出較強的構造活動特徵,在龍門山的北段2008年曾發生8.0級地震,龍門山南段2013年發生7.0級地震,這將對龍門山的地貌產生重要的影響.

耿達—隴東斷裂,也稱龍門山後山斷裂南段,為逆斷層,北起耿達,向南經磽磧、隴東至瀘定以東,總體走向NE40°,傾向NW.局部地區沿斷裂線性影像特徵明顯,不過總體第四紀地層、地貌不發育.鹽井—五龍斷裂又稱龍門山中央斷裂南段,為逆斷層,北起映秀南側三江附近,向南經九裡崗、鹽井、五龍、明禮、廟子崗,至瀘定以東,總體走向NE40°,傾向NW.大川—雙石斷裂,也稱龍門山前山斷裂南段,為逆斷層,北起大邑雙河一帶,向南經大川、太平、雙石,直至天全一帶,總體走向約NE40°,傾向NW.

圖 1 龍門山南段地形地貌圖

Fig. 1 Topographical and geomorphological map of the south section of Longmen mountain

2 地貌特徵

青衣江流域橫跨耿達—隴東斷裂、 鹽井—五龍斷裂、大川—雙石斷裂,地勢上從北西向南東逐漸降低,海拔最高處超過2 900 m,海拔最低處約為380 m.

本次研究利用DEM數據對青衣江流域的地形特徵和水系特徵進行綜合分析,從而為進行地貌特徵和構造活動的地貌響應奠定了基礎.

2.1 地形坡度 利用ArcGIS10.0軟體,基於SRTM-3數字高程模型90 m解析度數據,提取青衣江流域河流數據,得到青衣江流域的坡度範圍分布圖(圖2),坡度範圍分布在0～82°,依據坡度分級對青衣江流域坡度做了4個分級,分別為0°～15°、15°～25°、35°～45°和45°～82°.可以看出,坡度從北西到南東逐漸降低,坡度較大的地方多集中在雙石—大川斷裂的上盤,這說明坡度和斷層具有一定的關係,龍門山斷裂帶主要由逆斷層組成,由於抬升幅度較大,造成斷裂的上盤坡度也較大.

巖性的差異對坡度有不同的影響(圖3),耿達—隴東斷裂以西,以及與鹽井—五龍斷裂之間的巖性主要為志留系茂縣群千枚巖,在巖性基本一致的條件下,由於斷層的逆衝作用,耿達—隴東斷裂上盤坡度大於下盤的坡度,所以耿達—隴東斷裂與鹽井—五龍斷裂之間的坡度相對較小.鹽井—五龍斷裂與大川—雙石斷裂之間的巖性為元古界的花崗巖、角閃巖和變粒巖等,不易被外力剝蝕,在斷裂活動的作用下形成坡度較大的區域.由於研究區範圍較小,應該具有相同的氣候條件,因此,構造活動是影響地形坡度主要原因之一,巖性對地形坡度也具有一定的影響.

圖 2 青衣江流域坡度分布圖

Fig. 2 The slope distribution Of Qingyi river drainage basin

圖 3 青衣江流域地層分布圖

Fig. 3 The stratigraphic distribution of Qingyi river drainage basin

2.2 水系特徵 在DEM的基礎上對青衣江流域範圍內的河流進行提取,獲得青衣江流域水系分布圖(圖4).青衣江主要發育的支流為寶興河、大川河、天全河和滎經河.下面對青衣江流域的河流縱剖面和橫剖面進行分析.

2.2.1 河流縱剖面 河流縱剖面的形態受流域內河床基巖類型、構造和氣候等多種因素的綜合影響[14].通過對跨斷層的青衣江各支流的河道調查,

圖 4 青衣江流域水系分布圖

Fig. 4 The river system of Qingyi river drainage basin

流域內的河道基巖類型大致相似.

由於青衣江流域位於龍門山的南段,屬於同一地區,流域範圍的氣候大致也相似;因此,在基巖類型和河道相似的情況下,構造抬升成為影響河流縱剖面的主要因素.通過研究青衣江流域內的地貌特徵及其構造響應,可以對流域內的地貌演化趨勢作出判斷(詳見圖5).

圖 5 青衣江主要支流河流縱剖面圖

Fig. 5 The river longitudinal profile of main rivers inQingyi river drainage basin

前人對河流的地貌演化作了大量的工作[15-16],研究結果表明：河流的凹凸程度及形態反應了河流的發育和演化.當河流縱剖面介於上凸和下凹直接時,抬升速率處於中等水平.

從圖4可以看出,寶興河、大川河和天全河基本上呈直線型,3條河流自北西—南東方向主要巖性為志留系茂縣群千枚巖、中部的元古界花崗巖及東南部的侏羅系-白堊系砂泥巖(圖3),千枚巖和砂泥巖抗侵蝕強度低,在河流縱剖面並沒有表現下凹特徵,所以巖性不是影響其形態的主要原因,說明龍門山南段構造作用整體處於隆升狀態.

2.2.2 河流的橫剖面 一般情況下,河流的上遊下蝕作用比較強烈,在上遊形成的河谷也較較深;河流的下遊側蝕作用比較強烈,形成的河谷較寬.因此,從上遊到下遊河谷逐漸變寬,河谷深度逐漸降低;但在構造隆升區,河流為了保持其動力動態平衡,總是持續地切割其下伏的河床基底,造成河谷變深.

為了判斷構造因素對河流的影響,在DEM的基礎上,分別在寶興河、大川河和天全河提取4～5個橫剖面(圖3)進行分析(其中寶興河a、b處於耿達—隴東斷層的上盤,c、d、e處於斷層的下盤;大川河a、b處於鹽井—五龍斷層的上盤,c、d處於斷層的下盤;天全河a、b處於鹽井—五龍斷層的上盤,c、d處於斷層的下盤,見圖6～8).對各個支流橫剖面(圖6～8)對比研究表明：寶興河、大川河和天全河整體上河谷的寬度逐漸變寬,但寶興河a～b曲線、大川河a～b曲線、天全河a～c曲線,河谷的深度有增加的趨勢.分析其原因是處於上盤的河流剖面受到斷層活動的影響,整體處於抬升狀態,在抬升的過程中,下蝕作用增強,河谷也變得越深.

3 構造活動的地貌響應

3.1 河流水力侵蝕模型 近年來,關於青藏高原隆升方面的研究成為研究的焦點,在構造活躍的基巖隆升區,表面隆升速率和下蝕速率應存在線性關係[17].

目前大多利用非均衡山脈河流侵蝕模型來表現表面隆升速率和侵蝕速率之間的關係:

S=KsA-θ,

log S=θ×log A+log ks,

其中,A為河段上遊的集水盆地面積,S為河段的坡度,θ代表均衡河道縱剖面的凹曲指數,參數ks則為均衡河道縱剖面的陡峭指數.

當基巖隆升速率大於河流下切侵蝕速率時,河床的高程會隨著時間逐漸增高,S-A雙對數圖表現為上凸特徵(圖9),此時河流系統發育處於前均衡狀態;相反,當基巖隆升速率小於河流下切侵蝕速率時,河床的高程會隨著時間逐漸降低,S-A雙對數圖表現為下凹特徵,此時河流系統發育處於後均衡狀態.

利用河流水力侵蝕模型對青衣江流域的河流(圖10)分析研究表明：寶興河、大川河和天全河S-A雙對數曲線均呈上凸特徵,說明河流的隆升速率大於侵蝕速率.

河流的凹曲指數θ與陡峭指數Ks雖然都能反映構造的隆升速率,但影響θ的因素較多,所以不能準確地判別河流的隆升.

陳彥傑等[6]指出當一地區各集水盆地的θ值接近一致時,log Ks可反映隆升速率.根據曲線擬合(表1)得出寶興河、大川河和天全河的θ值分別為0.62、0.65和0.64,log Ks分別為0.43、0.28和0.42,因此,3條支流域都處於隆升的狀態,寶興河和天全河流域隆升速率較高,大川河相對較低.