祁连山西段疏勒河流域地貌特征及其构造意义

苏　琦　袁道阳　谢　虹　邵延秀　梁明剑

1)中国地震局兰州地震研究所， 兰州　730000 2)兰州地球物理国家野外科学观测研究站， 兰州　730000 3)四川省地震局， 成都　610000



祁连山西段疏勒河流域地貌特征及其构造意义

苏琦1)袁道阳1，2)*谢虹1，2)邵延秀1，2)梁明剑3)

1)中国地震局兰州地震研究所， 兰州730000 2)兰州地球物理国家野外科学观测研究站， 兰州730000 3)四川省地震局， 成都610000

疏勒河流域盆地位于祁连山西段， 跨越了该区多条不同方向和不同性质的活动断裂带， 其所呈现的地貌特征反映了该区最新构造活动的信息。文中基于GIS空间分析技术， 利用SRTM-3 数字高程模型(DEM)数据， 系统提取了疏勒河流域及其4个亚流域盆地的面积-高程积分曲线、 疏勒河水系的Hack剖面以及河流坡降指标(SL)， 并对整个流域地形做了坡谱分析， 获得了疏勒河流域的地貌特征。研究表明， 疏勒河的流域地貌发育受到该区的阿尔金断裂、 昌马断裂、 托勒南山断裂以及疏勒南山断裂等强烈构造活动和区域岩性差异的影响， 坡度以0°～35°的区段为主； 整个流域盆地处于河流发育的 “壮年期”； 构造活动是造成河流纵剖面发生改变的最主要因素， 局部河段同时还受到岩性因素的控制和影响。这表明在活跃的造山带内部， 河流地貌的发育过程中， 活动断裂的构造作用是重要的控制因素。

疏勒河流域盆地面积-高程积分 Hack剖面河流坡降指标地貌

0　引言

新生代印度板块与欧亚大陆的拼合碰撞是地质历史时期的重大事件， 2大板块的持续挤压碰撞使青藏高原不断扩展增生， 成为世界上最高最大的高原。祁连山地区是青藏高原向NE扩展隆升的前缘， 一直是人们研究的重点和热点地区(Molnaretal.， 1975， 1990， 1993； Tapponnieretal.， 1982； Harrisonetal.， 1992； 袁道阳， 2003； 郑文俊， 2009)。晚新生代以来青藏高原的快速挤压隆升以及向NE方向的持续扩展， 在祁连山地区产生了强烈的挤压逆冲和地壳缩短等构造变形， 形成了一系列NWW向的山系(许志琴等， 2004)。造山带系统内部强烈的构造变形控制着该区的地貌发育及河流水系展布(Molnaretal.， 1990； Burbanketal.， 1999； Zhangetal.， 2001， 2014; 张会平等， 2006)。 疏勒河位于祁连山与阿尔金山的交接部位， 其展布和地貌特征指示了这2个造山体系最新构造变形(图1)。多年来， 对该区的构造和地貌特征的研究， 主要集中在活动断裂的活动性以及高原夷平面、 古地貌面形成时代和机制等方面， 如祁连山西段各主干活动断裂(阿尔金断裂、 党河南山断裂、 野马河断裂、 昌马断裂以及大雪山北缘断裂等)晚第四纪滑动速率的研究(赵朋， 2009； 邵延秀， 2010； 罗浩， 2010； 罗浩等， 2013)、 层状地貌与高原隆升关系的探讨(潘保田等， 2002， 2004； 李德文等， 2004)以及区域地貌特征的初步概括(刘静等， 2006； 张会平等， 2012)。但是， 疏勒河流域对断裂新构造活动的地貌响应却鲜有研究。

构造地貌研究主要是探讨构造活动对地形地貌所造成的影响， 地形地貌是构造变形信息的良好载体(Burbanketal.， 1999； 王岸等， 2005； 史兴民等， 2006； 李勇等， 2006； 梁明剑等， 2014)。近年来， 随着GIS空间分析技术的发展， 通过造山带系统内部河流地貌的分析研究活动构造越来越受到地质和地貌学专家的青睐(Kirbyetal.， 2001， 2003； 张会平， 2006； 王一舟等， 2013； 梁明剑等， 2013， 2014； 赵国华等， 2014)。相比于传统的地形图分析， 基于数字高程模型(DEM)的空间分析技术可以更加快速、 便捷地获取河流定量地貌信息， 分析构造活动与地貌响应之间的关系(Burbank， 1992； 张会平， 2006)。

本文基于GIS空间分析技术， 利用SRTM-3 DEM数据获取位于祁连山西段的疏勒河流域盆地各类地貌定量参数， 通过探讨疏勒河水系发育与地貌特征， 分析构造活动的差异性对流域地貌的影响。

图1　疏勒河流域盆地断裂构造与地质地貌简图Fig. 1　Topographic and geological map of the Shule drainage basin.地震数据来源于中国地震台网中心， 资料统计时间为1970年1月至2013年12月； F1阿尔金断裂， F2旱峡-大黄沟断裂， F3大雪山北缘断裂， F4昌马断裂， F5托勒南山断裂， F6疏勒南山断裂

1　区域构造地貌概况

1.1区域地质、 地貌特征

疏勒河发源于祁连山腹地的疏勒南山北坡， 向NW方向流经昌马盆地， 出昌马峡后进入河西走廊西部平原区(张鹏等， 2013)。本研究所涉及的疏勒河流域盆地指位于出山口昌马水文站以上的疏勒河中上游流域区(图1)， 总体上呈NW-SE向展布， 研究区地势高峻、 地形陡峭， 而谷底地形相对平缓(高明杰等， 2013)。研究区内主要分布有前寒武纪以及泥盆纪到三叠纪地层， 偶尔出露古近纪地层， 各地层之间界限清晰且大致沿河流主干道对称展布； 而在流域盆地下游主要分布有寒武纪到志留纪地层以及全新世沉积， 局部零星分布白垩纪和更新世地层。

1.2区域活动构造特征

研究区所在的祁连山西段地区活动断裂非常发育， 主要包括阿尔金断裂(F1)、 旱峡-大黄沟断裂(F2)、 大雪山北缘断裂(F3)、 昌马断裂(F4)以及南部的托勒南山断裂(F5)和疏勒南山断裂(F6)等(图1)， 各条断裂的活动特征简述如下：

阿尔金断裂(F1)是亚洲大陆内部新生代以来形成的1条巨型左旋走滑断裂带， 横亘于青藏高原北部， 构成了高原与其北部塔里木盆地之间的自然分界线， 长约1,000km， 总体走向N70°E， 呈1个卧倒拉长的S形(郑荣章， 2005)。晚更新世以来阿尔金断裂的滑动速率由西向东逐渐递减， 根据GPS观测资料得到阿尔金断裂中段的走滑速率约为(10±2)mm/a， 向东到本研究区降为1～2mm/a(Zhangetal.， 2007)。

旱峡-大黄沟断裂(F2)是祁连山北缘断裂系的重要组成部分， 西起昌马大坝， 向东跨越石油河， 止于北大河附近， 全长约160km。该断裂具有明显的逆冲推覆性质， 断裂形成了醒目的层状地貌， 主要活动时代为晚更新世(国家地震局地质研究所等， 1993)。

大雪山北缘断裂(F3)沿大雪山北麓展布， 走向近EW， 与阿尔金断裂大致平行， 以逆走滑活动为主， 晚更新世以来断裂的左旋走滑速率为(1.40±0.12)mm/a， 逆冲速率为(0.22±0.04)mm/a(罗浩， 2010)。在东段进入研究区后断裂走向转为NW， 运动性质也转为以逆冲为主兼具一定的走滑分量。

昌马断裂(F4)是祁连山断裂系西部的1个重要组成部分， 全长120km， 总体走向N70°～80°W(罗浩， 2010)， 是1932年昌马7.6级地震的发震断裂(时振梁等1974； 国家地震局地质研究所等， 1993)。根据几何结构和活动特征的差异， 昌马断裂可分为4条次级断裂段， 其中疏勒河以西段晚更新世以来以左旋走滑为主， 兼具较大的逆冲分量， 其平均左旋走滑速率为(1.11±0.14)mm/a， 逆冲速率为(0.52±0.02)mm/a(罗浩等， 2013)。

托勒南山断裂(F5)位于祁连山内部， 受到自然条件限制， 研究程度较低。根据遥感影像判读以及重点段的考查， 郑文俊(2009)发现该断裂是1条晚更新世以来活动的左旋走滑断裂， 并具迭瓦式逆冲特点。沿断裂带的断裂地貌主要表现为一系列的断层谷、 断层崖， 以及水系和河流阶地的断错等。晚更新世晚期以来， 断裂的平均水平和垂直滑动速率分别为 2.6mm/a和 0.6mm/a(曾秋生， 1992)。

疏勒南山断裂(F6)总体走向NW， 倾向NE， 倾角60°左右， 研究程度也较低。郑文俊(2009)通过对重点段的考察， 发现了较连续的逆冲断层陡坎和左旋冲沟， 判定该断裂具左旋走滑兼逆冲活动特征。通过地貌测量和地貌面年代的获取， 得到断裂南北2支逆冲速率分别为(0.4±0.07)mm/a和(0.25±0.03)mm/a， 左旋走滑速率为(1.27±0.18)mm/a。

2　数据资料及分析方法

2.1数据资料

美国太空总署(NASA)和美国国防部国家测绘局(NIMA)联合实施的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)计划获得的DEM(Digital Elevation Model)数据分为2类： SRTM -1和SRTM-3分别代表30m和90m的分辨率。除美国本土之外的其他地区仅有SRTM-3数据实现共享， 并已被广泛应用于青藏高原构造地貌的分析与研究中(刘静等， 2006； 李立波等， 2012； 王一舟等， 2013)， 本研究使用的也是SRTM-3 数字高程模型(DEM)数据。

2.2地貌分析方法

地形地貌的发育往往与构造活动密切相关， 许多地貌特征通常直接反映了长期构造活动的影响， 因此深入研究现代地表形貌特征， 将有助于分析活动断裂的新活动特征(张韵娴， 2003； 陈彦杰， 2008)。

2.2.1面积-高程积分曲线

图2　流域盆地的面积-高程积分(改自陈彦杰， 2008)Fig. 2　The definition of hypsometric integral(adapted after CHEN Yan-jie， 2008).

Strahler(1952)提出的面积-高程积分公式， 是一种利用水系流域盆地内的高度与面积比例描述地貌演化的计量方法。首先计算流域盆地的相对高度比(h/H)与相对面积比(a/A)； 其中h为流域内某高程与最低高程点的高差，H为流域盆地内最高点与最低点的高差，a为流域盆地内某高程以上的面积，A为流域总面积； 然后以相对高度比为纵轴， 相对面积比为横轴， 投影获得该流域盆地的面积-高程积分曲线， 曲线下方的面积占该图的总面积即为流域盆地的面积-高程积分值(HI)， 代表流域盆地受到长期剥蚀后所残留的体积比例(图2)。Pike等(1971)研究认为高程起伏比近似等于面积-高程积分值， 故推导面积-高程积分的简易计算公式如下：

(1)

式(1)中，Hmean、Hmax、Hmin分别为流域盆地的平均高程、 最大高程和最小高程。

Strahler(1952)认为地表经迅速的造山抬升后， 构造活动便停止作用， 之后经历缓慢剥蚀并逐渐变为低缓的演化过程。在剥蚀过程中， 流域盆地的面积-高程积分值将逐渐降低， 而盆地高差则先逐渐增大， 而后逐渐降低(图3)。

图3　Strahler的面积-高程积分演化模式(Strahler， 1952)Fig. 3　Strahler’ model about the evolution of hypsometric integral(after Strahler， 1952).

面积-高程积分对于构造活动有很好的指示作用(Hurtrezetal.， 1999； 张韵娴， 2003； 陈彦杰， 2008)， 可用来推测流域盆地受构造活动的影响程度及类型。在构造抬升活跃地区流域盆地的演化经常停留在幼年阶段， 所以应具有较高的面积-高程积分值； 而在构造沉陷地区， 流域盆地的地形特征往往趋向于老年阶段， 应有较低的面积-高程积分值。通过比较各流域盆地面积-高程积分值的高低， 便可以推测流域盆地受到构造活动影响的强弱程度。

2.2.2河流坡降指标与Hack剖面

河流纵剖面的调整常与地壳运动的变化相关(Burnettetal.， 1983； Ouchi， 1985； 陈彦杰， 2008； 赵洪壮等， 2010)。河流纵剖面上局部河段坡度的变化， 反映了河床上基岩岩性或者构造抬升幅度的差异。河流坡降指标与Hack剖面通常被用来描述这种由于构造活动或岩性变化所引起的河流纵剖面局部坡度的变化。

Hack(1973)认为抗侵蚀能力相似、 受构造活动影响程度相当的河流， 其纵剖面可以用1个简单的对数方程式表示， 以河段距源头的距离取对数为横坐标轴， 以河段高程为纵坐标轴， 河流纵剖面可表示为

(2)

式(2)中，H为河流纵剖面的高度，c为常数，k为斜率，L为河流源头至河段中点的距离(徐岳仁等， 2013)。如式(2)所示， 将河流距离源头的距离取对数， 则河流纵剖面表现为1条直线， 此直线即为Hack剖面， 代表河流处于 “均夷状态”(此时河流纵剖面为均夷剖面)； 所谓 “均夷状态”主要指河流的下切侵蚀力与基岩河床的抗蚀力达到平衡时的状态。此直线的斜率k定义为河流坡降指标(SL)， 它是流域盆地内描述河流纵剖面的重要地貌指标。对于较小的河段长度，SL参数值可以近似为局部河段的坡度乘以此河段到河源的距离：

(3)

式(3)中， ΔH为单位河段的高程差， ΔL为单位河段的长度，L为河段中点到河源的距离(徐岳仁等， 2013； 赵国华等， 2014)。考虑到从上游到下游河道坡度不断减小， 上、 下游的坡度无法直接进行比较， 河流坡降指标将河段坡度与河段到河流源头的距离相乘以放大下游的坡度效应。在理想情况下， 即岩性相近、 受构造活动影响相同的河段其河流坡降指标应是1个常数。

然而在自然界不大可能出现全河段抗侵蚀能力完全相同的河流， 大多数河流都是由若干抗侵蚀能力不同的河段所组成， 而且河流也可能会流经一些活动构造带， 其构造活动对河流纵剖面的局部坡度产生影响从而影响到整个Hack剖面的形态。如图4 所示， 在Hack剖面斜率较大的地方， 代表着河流坡降指标较高的河段， 可能是由于该河段上游的基岩岩性十分坚硬， 难以剥蚀， 与下游岩性软弱、 已被侵蚀的河段之间产生较大的坡度； 此外， 也可能是流路上的构造作用使得河流纵剖面上的坡度发生改变。 而在Hack剖面斜率较小的地方， 即河流坡降指标较低的河段， 可能是因为河段岩性软弱、 易于剥蚀而使得河段坡度较小， 也有可能是该地区构造活动弱或不受构造活动影响(Brookfield， 1998; 赵洪壮等， 2010)。此外， 从曲线状Hack剖面的源头到出水口画1条直线， 代表该河流全河段达到动力平衡时的均夷状态， 称为 “理想均夷剖面”， 其斜率称为 “均夷坡降指标”， 以 “K”表示(Hack， 1973； 陈彦杰， 2008； 李准胜， 2009； 赵洪壮等， 2010)。Seeber等(1982)在研究喜马拉雅地区各河流的SL时发现大型河流相对于较小型河流更容易具有较大的河流坡降指标(SL)和均夷坡降指标(K)， 他将每个小河段上的SL都除以整条河流的均衡坡降指标(K)， 得到 “标准化河流坡降指标”(SL/K)以消除大小河段上河流坡降指标的不确定性以及相互之间的不可对比性。

图5　均夷剖面随构造活动的转变(据陈彦杰， 2008)Fig. 5　Graded profile changing with tectonicactivity(after CHEN Yan-jie， 2008).

在河流均夷剖面演化模式中， 若受断裂影响地表发生大规模垂向错动， 则河流从失衡状态调整到1个新的均夷状态时， Hack剖面会出现由剖面上凸到上凸下凹的转变(Brookfield， 1998)。如图5 所示， 由于断层活动而造成均夷剖面A被垂向错动到剖面B， 此时剖面B呈现标准上凸形态； 若保持堆积与侵蚀的反曲点不变， 则最先剥蚀的物质会堆积在最靠近断层的地方， 即剖面B会逐渐演化至新的均夷剖面C(图5中的1—5)， 在演化过程中Hack剖面会出现上凸下凹形态。所以， 一般情况下受构造活动影响河流Hack剖面出现上凸下凹形态时， 断层会出现在Hack剖面的反曲点附近。

2.3坡谱分析与河流纵剖面

坡谱是指在特定统计区域内， 以区域坡度分级为自变量， 以该坡度所对应的面积占总面积的百分比为因变量所构成的统计图表， 可综合反映统计区内各类坡度比例与地形起伏的总体特征(汤国安等， 2013)。不同的坡度分类级别在坡谱描述的精细程度上可能会有差异， 而其坡谱形态基本相同(王一舟等， 2013)。

影响河流纵剖面曲线形态(Radoaneetal.， 2003)的因素主要包括： 河水流量变化、 河床物质粒径大小以及河流输沙量大小(Hack， 1973； Sonwetal.， 1990)。在造山运动不甚强烈的相对稳定地区， 河流纵剖面的形态变化符合戴维斯(Davis)地形循环理论模型(Davis， 1899; Snowetal.， 1990; 陈彦杰， 2008； 李准胜， 2009； 高嘉玲， 2010)， 即河流纵剖面的演化顺序应为： 线性拟合剖面—指数拟合剖面—对数拟合剖面； 而在活跃造山带内部， 河流纵剖面的形态变化在很大程度上受到构造活动的控制(Kirbyetal.， 2001， 2003)。

3　结果分析与讨论

3.1坡谱分析

疏勒河流域主要涉及疏勒南山、 托勒南山以及夹持在其中的疏勒河谷地， 为了获得该区更加详细的地形信息， 我们对整个疏勒河流域做了坡谱分析， 结果显示疏勒河流域盆地各部分面积坡度相差很大(图6)。

在本研究中， 我们对疏勒河采用5°作为1个统计单元， 其坡谱分析如图6b所示， 坡谱形态呈单峰型， 最大的高峰出现在0°～5°区间内， 其面积比例达到了32%左右， 由图6a可知低坡度区主要位于河道内部的低缓亚流域盆地内； 然后面积比快速降低， 在10°～35°的中坡度区， 面积比保持稳定， 维持在10%～15%的区间内； 最后随着坡度的增加面积比快速下落。在阿尔金断裂(F1)、 大雪山北缘断裂(F3)以及昌马断裂(F4)等全新世活动的逆走滑断裂南侧都显示出较大的坡度值， 而在断裂北侧坡度却较为平缓， 其受断裂控制的现象非常明显， 主要是因为断裂的逆冲分量在断裂上盘产生了较大的差异抬升和褶皱变形从而导致较大的坡度值； 同样， 受托勒南山断裂(F5)控制的大雪山和托勒南山、 受疏勒南山断裂(F6)控制的疏勒南山也都表现出了较大的坡度值， 也反映出活动断裂对坡度分布有较明显的控制作用。坡谱分析表明， 在受内部因素影响比较强烈的疏勒河流域盆地内部， 10°～35°的中坡度区间所对应的面积所占比例在60%以上， 说明整个疏勒河流域盆地除了受到河流流域上各条晚第四纪活动逆冲断裂带的构造活动影响外， 也受到祁连山西段北翼山体的整体隆升对其地貌演化所产生的作用。

图6　坡度分布图(a)和坡谱分析(b)Fig. 6　Slope distribution(a)and slope spectrum(b)of Shule drainage basin.F1阿尔金断裂； F2旱峡-大黄沟断裂； F3大雪山北缘断裂； F4昌马断裂； F5托勒南山断裂； F6疏勒南山断裂

3.2面积-高程积分曲线

本文选取疏勒河4个4级亚流域盆地并分别命名为B1、 B2、 B3、 B4， 这4个亚流域盆地分布在疏勒河流域盆地的不同部位， 分别受到不同活动断裂的构造活动影响(图7)。基于Strahler(1952)的理论方法， 我们获取了这4个亚流域盆地的面积-高程积分值。在6条面积-高程积分曲线(图8)中， B1与B4的面积-高程积分曲线呈现明显的下凹形态， B2和B3曲线形态为S形， 而4个亚流域盆地的平均面积-高程积分曲线与整个疏勒河的面积-高程积分曲线亦为S形。表明B2、 B3与疏勒河流域盆地整体的地貌演化处于 “壮年期”， 而B1和B4地貌演化处于 “老年期”。

图7　疏勒河水系分布图Fig. 7　River system grading map.F1阿尔金断裂； F2旱峡-大黄沟断裂； F3大雪山北缘断裂； F4昌马断裂； F5托勒南山断裂； F6疏勒南山断裂

图8　亚流域盆地的面积-高程积分曲线Fig. 8　Hypsometric curves of the sub-basins.NO.1—NO.4分别为B1—B4面积-高程积分曲线； AV为4个亚流域面积-高程积分曲线的平均值； SLH Drainage为疏勒河流域面积-高程积分曲线

区内的4个亚流域盆地是伴随着祁连山的隆升以及差异性的构造活动形成的， 其演化过程反映了区域构造活动特征。B1受到了阿尔金断裂、 昌马断裂以及大雪山北缘断裂的控制和影响； B2主要受到昌马断裂、 托勒南山断裂的影响； B3、 B4都受到了托勒南山断裂以及疏勒南山断裂的影响。其中昌马断裂与大雪山北缘断裂晚更新世以来活动明显， 昌马断裂的平均左旋走滑速率为(1.11±0.14)mm/a， 逆冲速率为(0.52±0.02)mm/a， 大雪山北缘断裂晚更新世以来的左旋走滑速率为(1.40±0.12)mm/a， 逆冲速率为(0.22±0.04)mm/a(罗浩等， 2013)； 而在本研究区内阿尔金断裂晚更新世以来的平均左旋走滑速率为(3.1±0.9)mm/a， 逆冲速率为(0.13±0.01)mm/a(郑荣章， 2005)。但是受这3条活动断裂控制的1号亚流域盆地却具有较小的面积-高程积分曲线。通过对比流域盆地内部的地层分布(图1)发现， 1号和4号亚流域盆地内部主要为全新世沉积物， 2号亚流域盆地内部主要为寒武系—志留系， 3号亚流域盆地内部主要为前寒武纪以及泥盆纪—三叠纪的坚硬基岩层。当流域内岩层的抗侵蚀能力较强时， 其面积-高程积分曲线的特征是较高的高程占有较大的比例； 当流域内岩层抗侵蚀能力较小时， 其面积-高程积分曲线的特征是较低的高程占有较大的百分比(Hurtrezetal.， 1999)。 尽管B1位于祁连山流域的下游且受多条晚第四纪以来构造活动强烈的断裂控制和影响(图1， 7)， 但其面积-高程积分曲线明显下凹， 因此认为断裂构造活动并非该亚流域盆地HI值的主要控制因素。B2和B3位于疏勒河中游， 同样受到多条活动断裂的控制和影响， 而且B2和B3亚流域的河床是坚硬的基岩层， 河流下切侵蚀比较缓慢， 亚流域盆地长时间保持在受构造活动影响之后的状态， 因此亚流域盆地的面积-高程积分曲线将长期呈现为S形， 断裂的构造活动与岩性因素同时控制着B2、 B3的地貌演化。B4位于疏勒河最上游且受到断裂活动的控制和影响， 其内岩性以全新世沉积物为主， 在与B3受相同断裂控制影响的条件下， 其HI值是4个亚流域盆地中最小的； 根据Davis地形循环模型(上游和下游具有低HI值和下凹的面积-高程积分曲线形态， 而中游则相反)本文认为B4盆地HI值除受到岩性因素影响外， 也与其在整个疏勒河流域内所处的位置有关(图3， 7)。

疏勒河流域地貌是在祁连山整体隆升的背景下， 经河流水系不断下切并伴随着溯源侵蚀演化形成的(毛洪亮， 2008)。 疏勒河流域盆地的面积-高程积分曲线呈现标准的S形， 且其面积-高程积分值(面积-高程积分曲线下方所对应的面积)为6条曲线中最大的， 表明疏勒河地貌演化正处于 “壮年期”。

3.3河流坡降指标以及Hack剖面

本文在计算河流坡降指标时将每个小河段上的SL除以整个疏勒河的均衡坡降指标(K)得到SL/K(标准化河流坡降指标)以消除大、 小河段上河流坡降指标的不确定性以及相互之间的不可对比性(下文中河流坡降指标均指SL/K)。疏勒河河流纵剖面以线性拟合为最佳而疏勒河流域水系Hack剖面呈现出整体上凸的形态特征且其河流坡降指标显示出在河流中、 下游有较高的异常值(图9)。

图9　疏勒河流域河流纵剖面(a)、 Hack剖面与河流坡降指标(b)Fig. 9　The longitudinal profile(a) and Hack profile(b) of the Shule river drainage.

河流处在不同的发育阶段， 其纵剖面会相应地表现出不同的特征； 利用简单的数学函数对河流纵剖面进行拟合的方法在国内外研究中均取得了良好的效果。发育于构造活动强烈区域的河流如罗马尼亚Carpathians地区的河流(Radoaneetal.， 2003)， 天山北麓的塔西河与玛纳斯河(赵洪壮等， 2009)， 龙门山中段山前的鸦雀河、 灵关河以及岷江等(赵国华等， 2014； 李奋生等， 2015)， 其河流纵剖面均以直线拟合为最佳。 在本研究中， 疏勒河河流纵剖面以直线拟合为最佳， 据此认为疏勒河流域受到了祁连山西段强烈构造活动的影响。自然界中的河流河床受到岩性、 气候、 构造活动等条件的影响造成Hack剖面多呈现出上凸或者下凹等形状， 并非1条直线。 受到构造活动影响的河流， 其Hack剖面必然上凸(Merritts， 1989； 陈彦杰， 2008； 赵洪壮等， 2010； 闫冬冬等， 2011)； 而在本研究中， 疏勒河整体Hack剖面呈现出明显的上凸形态且流域处在晚新生代以来构造活动强烈的祁连山西段， 我们认为疏勒河整体流域受到比较明显的构造抬升以及强烈的断裂活动等作用的影响。

然而Hack剖面是取河段距河流源头的对数值为横坐标， 所以位于上游的河段其变化会因放大而强调出来， 位于中、 下游的河段其变化会因为压缩效应而失去解析度(Hack， 1973； 赵洪壮等， 2010)， 所以我们将河流纵剖面与河流坡降指标综合分析并叠加断裂以及河床上的岩层信息(图10)， 尽量完整地展现出河流纵剖面上的坡度变化与各种影响因素间的关联性。

图10　疏勒河河流纵剖面与相对应的河流坡降指标Fig. 10　The longitudinal profile and SL/K index of the Shulehe River.

从图10 可清楚地分辨出4个河流坡降指标异常区， 通过综合分析疏勒河流域盆地以及其中4个异常区发现发育于祁连山中西段的疏勒河流域穿过多条断裂带(图1)， 由南向北依次是阿尔金断裂、 昌马断裂、 大雪山北缘断裂、 托勒南山断裂以及疏勒南山断裂， 它们与上述4个河流坡降指标异常区的位置相对应， 表明这些断裂的活动对疏勒河流域的地貌发育产生了重要影响。

为了明确说明各条断裂构造活动以及岩性对于河流地貌发育的影响， 我们将4个河流坡降指标异常区放大， 并分别与对应区域的Hack剖面进行对比分析(图11)：

图11　疏勒河4河段河流坡降指标Fig. 11　Hack and SL index of Shulehe River.黑色线条代表对应河段的Hack剖面； 蓝色线条代表河段河流坡降指标

(1)图11a代表图10 中的第1个SL/K异常区。此河段Hack剖面上凸趋势不明显， 近于直线， 仅在局部河段出现较陡的坡折， 它们与较大的河流坡降指标高值异常对应。该河段位于前寒武纪地层单元内， 因此河段上受岩性因素影响的程度相同， 河流坡降指标异常值主要受到断裂构造活动的控制。晚更新世以来托勒南山断裂活动性明显， 其平均垂直位移速率为 0.6mm/a， 平均水平位移速率为 2.6mm/a； 疏勒南山断裂具有明显连续的逆冲陡坎， 局部见左旋活动痕迹， 晚更新世以来曾有过活动(郑文俊， 2009)。而且这2条断裂都位于疏勒河的中、 上游， 走向均与疏勒河的流向呈小角度相交， 在某些区段甚至相互平行(图1)。因此， 图11a中的Hack剖面轻微上凸以及河流坡降指标的高值异常与疏勒南山和托勒南山断裂强烈的构造活动相关。

(2)图11b代表图10 中的第2个SL/K异常区。此河段的Hack剖面前半段呈现上凸趋势而后半段下凹明显， 反曲点不仅与托勒南山断裂在空间位置上存在一致性， 其附近的河流坡降指标还出现了异常高值。值得注意的是， 此河段中异常高值出现的区域有托勒南山断裂横穿， 且地质上与前寒武纪地层和全新世地层之间的界限相对应。因此， 此处河流坡降指标的高异常值是托勒南山断裂的构造活动和岩性差异共同影响的结果。

(3)图11c代表图10 中第3个SL/K异常区。与b图相似， c图中Hack剖面前半段明显上凸而后半段也具有下凹趋势， 有2个较大的河流坡降指标异常值(位于50～55的区间)。第1个异常值出现在绝对高程2,300m左右的全新世地层中， 正好与昌马断裂横穿疏勒河的位置重叠(图1)； 第2个异常值位于晚更新世地层单元中。因此， 在此河段上岩性对河流坡降指标值虽然也有一定的影响， 但其影响并不占主导地位； 昌马断裂的活动才是主要影响因素。

(4)图11d代表第4个异常区， 反映了阿尔金断裂晚更新世以来对疏勒河流域的影响。Hack剖面的上凸转折点与阿尔金断裂的位置对应， 该处Hack剖面上凸， 河流坡降指标出现异常波动。上凸转折点以南的上游部分， Hack剖面几乎是1条直线， 大多数的河流坡降指标在10之下小幅波动。上凸转折点以北的下游部分河流坡降指标出现高值异常的地方(即阿尔金断裂穿过的地方)位于白垩纪地层内部， 因此岩性因素并不是此处河流坡降指标出现异常的主要因素， 断裂的构造活动是该区域地貌指标异常的主要影响因素。

研究区内断裂的活动和地层岩性都对Hack剖面以及河流坡降指标产生了影响， 但是， 在整个疏勒河流域盆地中构造活动对河流地貌发育的影响占据主导地位。

疏勒河流域所在的祁连山西段， 在NE-SW向区域构造应力场的作用下， 形成了一系列的逆冲兼具左旋走滑性质的活动断裂。晚第四纪以来， 青藏高原东北缘主边界断裂的左旋剪切滑动以及断裂走向的改变更加剧了研究区内各断裂的逆冲推覆作用(郑文俊等， 2009)。流域盆地内部的坡度分布受这种断裂控制的现象十分明显， 在全新世构造活动强烈的逆断层上盘均显示出较大的坡度值而断裂下盘坡度却较为平缓； 上凸的Hack剖面以及以直线拟合为最佳的河流纵剖面代表疏勒河流域盆地整体受到强烈的构造抬升作用， 异常高的河流坡降指标说明研究区内的断裂活动对河流地貌的演化产生了较大的影响。

4　结论

本文通过SRTM-3数字高程模型(DEM)数据提取了疏勒河流域水系和4个亚流域盆地， 计算疏勒河流域盆地的坡度、 面积-高程积分曲线和4个亚流域盆地的面积-高程积分曲线， 提取疏勒河流域的Hack剖面和河流坡降指标， 探讨了本区流域地貌发育与活动构造、 地层岩性等的关系， 主要结论如下：

(1)疏勒河流域盆地的面积-高程积分曲线呈现S形， 代表了整个流域盆地处于河流发育的壮年期， 这也是该区构造差异活动显著的重要表现。

(2)疏勒河Hack剖面表现为上凸形态， 并且河流纵剖面以直线拟合为最佳， 说明疏勒河流域盆地整体受到较强的构造作用。 河流坡降指标异常值与断裂带通过流域的位置具有很好的一致性， 在活动断裂通过的位置河流坡降指标出现异常波动说明构造活动对河流坡降指标产生了影响， 而局部河段岩性因素对于河流坡降指标也有一定的影响。

致谢2位匿名审稿专家对本文提出了宝贵的建设性意见， 让笔者获益良多；张天琪硕士在地貌计量指标分析中给予了帮助： 在此一并表示感谢。

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Abstract

Because of the strong uplift of the Qilian Shan since late Cenozoic， the drainage basins that are derived from the mountains have undergone strong tectonic deformation. So the typical geomorphology characteristics of these drainage basins may indicate the strong tectonic movement in the region. For example， the Shule River drainage basin， which originates from the western part of the Qilian Shan owns unique geomorphology characteristics which may indicate the neotectonic movement.

Stream networks of the Shule drainage basin extracted from the DEM data based on GIS spatial analysis technology are graded into five levels using Strahler classification method. Four sub-catchments， numbered 1， 2， 3 and 4 are chosen for detailed analysis. Furthermore， the four sub-catchments， the hypsometric integral curves， Hack profiles， SL index and average slope of the Shule drainage basin are determined by GIS tools. In addition， we analyzed the slope spectrum of the Shule drainage basin.

The average elevation of the Shule drainage basin is very high， however， the slope of the drainage basin is very low， the gentle slope occupies so large area proportion that the slope spectrum shows a unimodal pattern and a peak value is in low slope region(0°～5°)， so tectonic movement has a strong influence on the drainage basin. Under the intensive impact of the tectonic movement of the active fault and regional uplift， the hypsometric integral curve is sigmoid， revealing that the Shule drainage basin is in the mature stage. The Hack profile is on a convex， the longitudinal profile is best fitted by linear fitting and the abnormal data of the SL index of the Shule River has a good fit with the section through which the active fault traverses， that means the tectonic movement of the active fault has strong influence on the river’s SL index. It is worth noting that lithologic factors also have great impact on the river geomorphology in some sections.

According to the above analysis， we recognize that in the interior of active orogen， the evolution of river geomorphology usually is influenced by tectonic movement and reveals the regional neotectonics in turn.

GEOMORPHIC FEATURES OF THE SHULE RIVER DRAINAGE BASIN IN QILIANSHAN AND ITS INSIGHT INTO TECTONIC IMPLICATIONS

SU Qi1)YUAN Dao-yang1，2)XIE Hong1，2)SHAO Yan-xiu1，2)LIANG Ming-jian3)

1)LanzhouInstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China2)LanzhouNationalObservatoryofGeophysics，Lanzhou730000，China3)EarthquakeAdministrationofSichuanProvince，Chengdu610000，China

Shule River drainage basin， hypsometric integral， Hack profile， SL index， geomorphology

2014-06-26收稿， 2015-05-01改回。

中国地震局地震行业专项(201308012)与国家自然科学基金(41030317， 41302174)共同资助。
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袁道阳， 男， 研究员， 电话： 0931-8276712， E-mail: daoyangy@163.com。

P315.2

A

0253-4967(2016)02-240-19

苏琦， 男， 1990年生， 2008年在西北大学地质学系获资源勘查工程专业学士学位， 硕士研究生， 研究方向为活动构造与构造地貌， 电话： 18810715875, E-mail: xbdsq11@163.com。

doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.02.002