岷江上游流域裂点分布及成因分析

刘 譞，林 舟，丁 超

浙江大学地球科学学院，杭州310012

1 引言

均衡状态时的河道纵剖面表现为平滑的形态，然而自然界的河流常因区域构造或环境的扰动而呈现出不均衡状态（Duvall et al.,2004；Whipple,2004；Cyr et al.,2014）。裂点（knickpoint）则位于不均衡河道纵剖面上缓坡段与陡坡段的转折处（Howard et al., 1994; Crosby and Whipple, 2006；Hayakawa and Oguchi, 2006；Wobus et al., 2006），其发育常受控于流域盆地内岩性差异、构造抬升差异、侵蚀基准面变化或气候变化等控制因素（Duvall et al.,2004；Cyr et al.,2014）。裂点的发育在活动造山带流域内表现得尤为明显（Wesnousky et al., 1999；Kirby et al., 2010）。在活动造山带区域，构造、气候及侵蚀过程相互作用，影响活动造山带区域河流地貌的演化（Peizhen et al.,2001；Snyder et al., 2003；Duvall et al., 2004；Egholm et al., 2009； Whipple, 2009； DiBiase et al., 2010，2011；Ouimet et al., 2010；Herman et al., 2013），为裂点的发育提供了有利条件。因此活动造山带流域内河道纵剖面的演化及裂点的发育和溯源迁移，是理解该区域地貌演化过程的重要依据（Duvall et al.,2004；Kirby and Whipple,2012；Cyr et al.,2014）。

岷江上游流域位于青藏高原东缘的活动造山带区域，河流普遍处于不均衡状态且普遍发育有裂点，记录了区域的河流地貌发育过程和特征。前人对岷江上游流域的构造活动和地貌演化做了大量的调查研究工作（Kirby et al.,2000,2011；张岳桥等，2005；Kong et al.,2011；Liu et al.,2011；Zhang et al., 2011；Li et al., 2012；Thompson et al.,2015；Airaghi et al., 2017），这些工作主要从河流下切、隆升阶段、地貌特征、断层分布、冰川作用等方面探讨了岷江上游流域地貌特征及构造活动的特征和规律。前人的研究表明了河流下切作用与区域阶段性隆升的相关性，地貌参数与区域差异性隆升的关联，但对于岷江上游流域区域构造活动、岩性差异、冰川作用等因素对河流纵剖面形态特征和演化具体的影响研究还比较薄弱。

本文拟对岷江上游流域支流的裂点进行提取和分析。为客观地提取裂点，先将河道纵剖面置于同比例下，再结合基于河流水力侵蚀模型的裂点提取方法，获得了较为客观统一的裂点分布。在此基础上，根据裂点的空间分布特征，分析区域内裂点的类型和形成原因，探讨冰川作用、岩性、构造等因素对研究区河流纵剖面形态演化的具体影响。通过对流域内裂点的特征进行分析，有助于寻找裂点形成的控制因素，认识区域的地质演化。

2 研究区概况

2.1 地质概况

岷江上游流域位于青藏高原东缘造山带，处于岷山隆起带、龙门山构造带、松潘-甘孜褶皱带的结合部位（图1），是青藏高原强烈隆升的区域（Kirby et al., 2003；Zhang et al., 2004；Xu et al.,2009；Gray and Pysklywec, 2012）。流域内有岷江断裂带，龙门山断裂带等主要的断裂系统。岷江断裂带大致呈南北向沿岷江上游的西侧分布，是倾向北西的高角度逆冲断裂带，晚新生代以来构造活动强烈（张岳桥等，2012；李峰等，2018）。而龙门山断裂带位于岷江流域的南侧，大致呈南西—北东向沿岷江延伸，为倾向北西并带有一定右旋走滑分量的高角度逆冲断裂带，分为茂县—汶川断裂、映秀—北川断裂和灌县—安县断裂三大分支断裂，第四纪以来构造活动强烈，是地震频发的区域（张培震等，2008；Zhang et al.,2009；Wang et al.,2014；谭锡斌等，2015）。研究区内各地层单元的界线较明显，岩性组成较复杂，北部和中部广泛分布有中生界变质岩，龙门山构造带地区主要出露前中生界深变质岩，局部地区发育花岗岩侵入体。该区域特殊的地质状况和构造背景，为具体分析裂点的成因提供了理想的场所。

2.2 地貌概况

岷江上游流域地形表现为高坡度、高地形起伏的特点，流域内平均海拔3000 m 以上，最高海拔超过5000 m，岷山、龙门山与四川盆地之间构成显著的地形陡变带，记录了印度和欧亚板块撞击后高原东向扩张的巨大形变（England and Molnar,1990；Clark and Royden，2000；Holt et al.,2000），沿地形陡变带的许多区域相对地形高差大于3000 m。流域内高海拔区域发育有冰川地貌，以U 型谷为主要特征；低海拔区域则由于岷江水系长期的深切割作用，受到了较为强烈的河流侵蚀作用（Kirby et al.,2003;Kirby and Ouimet,2011；张岳桥等，2005；张会平等，2006），形成沟谷纵横的河流侵蚀地貌，以V型谷为主要特点，这一特征明显受控于青藏高原东缘的隆升所造成的岷江水系主河道及其支流侵蚀作用的增强。

图1 研究区分辨率30 m的DEM及河流、断裂分布图（叠溪为1933年叠溪古地震震中，映秀为2008年汶川地震震中，断裂分布据Kirby et al.,2011）Fig.1 Map showing the topography,rivers,and faults in the study area（Diexi was the epicenter of the 1933 Diexi ancient earthquake,and Yingxiu was the epicenter of the 2008 Wenchuan earthquake,faults from Kirby et al.,2011）

2.3 流域概况

岷江发源于岷山隆起带西侧的高原腹地，主干道由北向南流经龙门山构造带，与黑水河、杂谷脑河、鱼溪三大主要支流交汇后，最终向东流入成都平原。根据岷江主干道与断层的相对位置，将岷江上游主干道分为三段：岷江上游上段位于茂县—汶川断裂以北；岷江上游中段位于茂县—汶川断裂上，与断裂带重合；岷江上游下段位于茂县—汶川断裂以南（图1）。研究区南部的岷江上游中、下段流域、鱼溪流域、杂谷脑河流域受2008年汶川地震的影响广泛发育有地震滑坡，而研究区北部黑水河及岷江上游上段流域则较少，地震滑坡对流域内的河流地貌演化产生了较大的影响（Gorum et al.,2011）。因而岷江上游流域的河流地貌保留了许多构造活动、河流演化的信息，对研究岷江上游流域地貌演化提供了丰富的资料。

3 研究方法

3.1 理论基础

河流水力侵蚀模型被广泛应用于河流地貌研究中（Kirby et al., 2003; Whipple, 2004; Wobus et al., 2006；Kirby and Whipple, 2012），尽管基岩河流的发育环境不同，但局部河段仍可以表达为河道坡度S和上游流域面积A的幂函数关系：

式中：ks表示河道纵剖面的陡峭指数，θ表示河道纵剖面的凹度指数。通过设定θ的值（通常为0.45），可以得到标准化后的不同河流的陡峭指数ksn，进而进行不同河流的对比（Wobus et al.,2006）。这种分析方法已在不同的研究区域得到了广泛的应用（Korup,2006;Korup et al.,2010；张会平等，2011；Kirby and Whipple, 2012；王乃瑞等，2015；陈苗等，2018；Xue et al.,2018）。

当河道均衡状态被破坏而处于瞬时状态时，河道纵剖面会出现裂点，将河道分隔为陡峭指数不同的河段。 裂点可以分为坡断型裂点（slope-break knickpoint）和垂阶型裂点（vertical-step knickpoint），通过坡度—流域面积双对数图可辨别出来，破断型裂点位于双对数图中数据点呈错断状分布的位置，垂阶型裂点则位于双对数图中数据点呈长钉状分布的位置（图2a,b）（Haviv et al.,2010； Kirby and Whipple, 2012； 王 乃 瑞 等 ，2015）。因构造隆升或侵蚀基准面下降形成的裂点为坡断型裂点，垂直迁移速率是恒定的，因此同一期侵蚀基准面变化所产生的裂点将处于同样的海拔高度（Niemann et al.,2001;Berlin and Anderson,2007;Wei et al.,2015）。因滑坡、岩性差异等因素形成的裂点则常为垂阶型裂点，在空间位置上通常是固定的，基本不会向上游迁移（Kirby et al.,2003； Crosby and Whipple, 2006； Korup, 2006;Korup et al.,2010；Berlin and Anderson,2007；王乃瑞等，2015）。通过解译坡断型裂点和垂阶型裂点，可以帮助解译区域的构造活动信息和地貌演化信息且较为可靠（王乃瑞等，2015；Xue et al.,2018）。

3.2 数据采集和处理

地貌特征研究使用分辨率30 m 的ALOS DEM数据，虽然精度可能受到DEM 数据分辨率的限制，但一些研究表明通过30 m DEM数据可以获取到河道形态及地形地貌的重要特征（Snyder et al.,2000；Duvall et al., 2004；陈苗等, 2018；Xue etal.,2018）。为研究地质因素对河流纵剖面形态的影响，搜集了1:20 万地质图，确定了主要的地层界线及断裂的位置（图1；图3b）。岷江上游流域河流分支较多，支流流域面积大小不一，因而选取了流域内5级以下共213条支流，包含岷江主干道两侧支流，及黑水河、杂谷脑河、鱼溪三大支流的两侧支流，基本能覆盖岷江上游流域内的各个区域，便于全面了解和分析研究区河流纵剖面的形态特征及裂点的分布特征。河流的终点统一为岷江上游流域的出水口，即岷江主干道最终流入四川盆地的位置。

图2 （a）坡断型裂点的河道纵剖面与双对数图；（b）垂阶型裂点的河道纵剖面与双对数图（150号、213号支流位置参考图2）Fig.2 （a）Longitudinal profile and the double logarithmic plot of slope-drainage area of slope-break knickpoints;（b）Longitudinal profile and the double logarithmic plot of slope-drainage area of vertical-step knickpoints（Refer to Figure 2 for the position of tributary 150 and tributary 213）

根据坡度—流域面积双对数图，结合直观的河流纵剖面形态，就可识别出河道中裂点的类型和空间信息。但这种提取方法在操作过程中易因河道剖面比例的不一致提取出规模不一的裂点。因此在提取过程中先将河道纵剖面置于同比例下，再结合相应河道坡度—流域面积双对数图以获得规模一致的裂点。

利用ArcGIS 软件，首先计算研究区地形起伏度分布情况，之后提取5级以下的支流流域及河道纵剖面并利用Origin软件将其以同比例显示。再利用MATLAB 脚本程序提取河道纵剖面及流域面积，为进一步降低由数据产生的精度问题，用80 m 的移动窗口对河道进行平滑，每隔12.192 m 垂直距离计算河道坡度，绘制出坡度—流域面积双对数图。依据坡度—流域面积双对数图中数据点分布特征，配合同比例显示的河流纵剖面，识别出规模一致的裂点及其类型， 再根据公式（logS=-θlogA+logks），设置θ=0.45 分段进行拟合得到标准化陡峭指数ksn。

4 结果与解析

4.1 裂点的平面分布特征

通过对研究区裂点分布与地形起伏度分布进行对比可以发现（图2a）：研究区坡断型裂点和垂阶型裂点都有分布；起伏度较大的区域裂点分布较为密集，多为垂阶型裂点，主要位于研究区南部；部分5级以下支流上游靠近分水岭的区域则出现了裂点密集分布的特征。

研究区岩性分布较为复杂，但基于本文研究的需要，主要考虑岩石抗侵蚀效能的差别，根据地质图对研究区内的岩性进行统计后我们发现：震旦系主要出露抗侵蚀能力较强的白云岩、硅质岩；寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、三叠系主要出露抗侵蚀能力较差的千枚岩；石炭系、二叠系主要出露抗风化能力较强的灰岩；抗侵蚀能力较强的花岗岩在研究区也有出露。因岩性对裂点发育的影响主要体现在岩体抗侵蚀效能的差异上，所以将抗侵蚀效能差异较大的地层间的裂点视为受岩性影响较大的裂点，这一类裂点通常为垂阶型裂点，不会往上游迁移；因断层形成的垂阶型裂点同样应该出现在断层线附近，不会向上游迁移（Whipple, 2004； Kirby and Whipple,2012；王乃瑞等，2015）。经过比对（图2b），发现处于地层分界线上的裂点主要是位于花岗岩与其他地层的分界线上的垂阶型裂点，符合岩性形成裂点的裂点类型，如213号支流上海拔较低的垂阶型裂点位于花岗岩与其他地层的分界线上（图3b），花岗岩体相对其他地层较大的抗侵蚀能力可能是这部分垂阶型裂点形成的主要原因；极个别垂阶型裂点位于断层线上，这些垂阶型裂点则可能受到断层的影响。

图3 （a）地形起伏度与岷江上游流域裂点分布；（b）岩性分布与岷江上游流域裂点分布Fig.3 （a）Topographic relief and distribution of knickpoints in the upper reaches of Minjiang River;（b）Lithology and distribution of knickpoints in the upper reaches of Minjiang River

基于冰川的研究表明，冰川的流域面积越大，末端向下游延伸越低（Anderson et al.,2006）。高原东缘现代冰川的高度已退缩到较高的海拔（～4100 m），但古冰川作用形成的U 形谷则可向下延伸到3800 m 或以下的高度，在3300 m 左右仍可见到残留的冰碛地貌（苏珍等，2002；周尚哲等，2017）。将裂点分布与地形起伏度分布对比（图2a；图4a），排除岩性影响的裂点后，发现位于地形起伏度较低区域的裂点大部分处于高海拔区域（＞3400 m），这些高海拔裂点所在区域低地形起伏度的特点符合冰川谷地U形谷的谷地特征。而关于冰川谷地形态和冰川谷地的构造模拟研究表明，在冰川谷上常发育冰蚀地貌和冰碛地貌形成水洼、陡坎且分布密集（MacGregor et al., 2000；Korup et al.,2010；周尚哲等，2017）。以125 号支流为例，在对靠近分水岭的高海拔裂点进行观察时，在河道纵剖面上也发现了相似的特征，表现为阶梯状的小陡坎，在双对数图上表现为垂阶型裂点（图4c）。而从遥感影像上也可以看到（图4b），125 号支流上的高海拔裂点都位于冰川发育区域附近地形起伏度较低的位置（图4a），海拔都在3400 m 以上（图3c）。综合以上分析，本文认为这些高海拔裂点发育的主要原因是冰川作用，而冰川谷内形成的多个裂点，则可能受到冰蚀作用和冰碛作用的共同影响。

图4 （a）125号支流高海拔裂点与地形起伏度分布；（b）125号支流高海拔裂点遥感影像；（c）125号支流河道纵剖面及流域面积-坡度双对数图像（125号支流位置参考图2a）Fig.4 (a)High-altitude knickpoints and topographic relief of Tributary 125;(b)Remote sensing image of high altitude knickpoints of Tributary 125;(c)Longitudinal profile and the double logarithmic plot of slope-drainage area of Tributary 125（Refer to Figure 2a for the position of tributary 125）

4.2 裂点在河道纵剖面上的分布特征

岷江上游流域主要有黑水河、杂谷脑河、鱼溪三大支流，发源于流域西侧。在排除岩性影响的裂点和高海拔区域冰川作用影响的裂点后，本文将从河道纵剖面上裂点的分布特征来分析裂点的成因。

4.2.1 呈层状分布的裂点特征

排除受岩性影响的裂点和高海拔（＞3400 m）区域受冰川作用影响的裂点之后，从岷江主干道及主要支流黑水河、杂谷脑河、鱼溪的裂点分布特征（图5a）可以看到，规模较大的破断型裂点在海拔1300 m、2100 m 左右明显成层分布。在黑水河流域我们也发现了相似的特征，黑水河两侧支流规模较小的坡断型裂点在海拔1700 m、2100 m、2400 m处成层分布（图5b）。经过比对，发现这类坡断型裂点与岩性界线、构造线基本无对应关系，可以视为因侵蚀基准面下降导致河流溯源侵蚀而形成的裂点。这种裂点的形成可能受到构造或气候的影响（Whipple，2001；Schoenbohm et al.,2004；Kirby and Whipple,2012）。

值得注意的是，隆升导致的侵蚀基准面相对下降所产生的裂点为坡断型裂点，会由侵蚀基准面处形成并往上游迁移，垂直迁移速率是相似的，因此多期隆升将形成多期处于相近海拔高度的坡断型裂点（Niemann et al., 2001; Berlin and Anderson,2007）。岷江上游流域处于青藏高原东缘强烈隆升的区域，且流域内低海拔区域成层分布的坡断型裂点符合这种特征。虽然气候变化导致的降水变化也可能对河道纵剖面形态造成影响，但岷江上游流域相对于整个青藏高原东缘来说范围较小，降水在研究区内基本一致，对河流纵剖面的影响较小，因此降水变化不是这类裂点形成的主要原因。由此可见，岷江上游流域内低海拔区域成层分布的坡断型裂点可能主要因区域构造隆升而形成。

4.2.2 呈阶梯状分布的裂点特征

“阶梯—深潭（step-pool system）”体系一直是水利的研究中的热点（徐江和王兆印，2004；王兆印等，2006），但在构造地貌的研究中的相关内容较少。这种地貌通常出现在山区陡坡河流中，由一段陡坡和一段缓坡加上深潭相间连接而成，呈现出阶梯状的特征（徐江和王兆印，2004）。滑坡和崩塌造成的河道阻塞易形成典型的阶梯—深潭系统（张康等，2011），这种特征在河道纵剖面的形态上表现为阶梯状的折点，在构造地貌学中称为裂点，其发育的间隔随河道坡度的增大而减小，因此在坡度越陡的河道中出现越密集，相距距离越短（徐江和王兆印，2004）。这类因滑坡和崩塌形成的裂点通常为垂阶型裂点（Korup,2006； Korup et al., 2010； Kirby and Whipple,2012）。

1933 年岷江上游叠溪一带发生的7.5级地震使该区域发生了大规模的崩塌和滑坡，使该区域发育有大量的阶梯—深潭系统并保留至今（四川省地震局，1983；李海龙等，2015）。堰塞湖是大型的阶梯—深潭系统（张康等，2011），从叠溪区域的遥感影像上可以看到（图6b），除岷江主干道上的大型堰塞湖外，松坪沟支流（即图6中156号支流）内还存在3个串珠状的堰塞湖，形成了典型的阶梯—深潭系统，与河道上的阶梯状垂阶型裂点有较好的对应关系。而岷江上游上段叠溪区域（图6a）的水系流域发育的较多阶梯状垂阶型裂点与阶梯—深潭系统的河道纵剖面特征相符，垂阶型裂点也符合滑坡和崩塌形成的裂点类型。经过比对，这些裂点与岩性界线和构造线基本不相关（图2b），同时也处于低海拔区域，不受冰川作用的影响。这些特征表明地震滑坡形成的叠溪一带规模较大的阶梯—深潭系统在河流纵剖面上表现为大量的阶梯状垂阶型裂点，这部分垂阶型裂点的发育主要受到地震滑坡的影响。

图5 （a）岷江主干道及主要支流河道纵剖面及裂点分布；（b）黑水河支流河道纵剖面及裂点分布；（c）96号支流河道纵剖面及双对数图（96号支流位置参考图1)Fig.5 （a）Longitudinal profile and knickpoints distribution of the main channel and main tributaries of Minjiang River;（b）Longitudinal profile and distribution of knickpoints in tributaries of Heishui River;（c）Longitudinal profile and the double logarithmic plot of slope-drainage area of Tributary 96（Refer to Figure 1 for the position of tributary 96）

基于青藏高原东缘滑坡的研究表明岷江上游流域在2008 年汶川地震后广泛发育有滑坡，滑坡主要分布在研究区南部岷江上游中段和下段流域、杂谷脑河流域和鱼溪流域（Gorum et al.,2011）。研究区南部广泛分布的垂阶型裂点符合滑坡形成裂点的裂点类型（图2a）。以汶川地震震中附近的岷江下段流域裂点分布特征（图7a,d）为例，该区域裂点海拔较低且都为垂阶型裂点，不处于冰川作用的影响区域，符合滑坡形成的裂点类型。这些裂点也基本与岩性交界和构造线无关（图2b）。大多数裂点都位于坡度较陡的河段，呈现出陡坡和缓坡相间分布的特征，在河道纵剖面上表现为阶梯状，符合滑坡和崩塌形成的阶梯—深潭系统的特征。而通过区域内典型河道8号支流2008 年汶川地震前后河道纵剖面的对比也可以看出（图7b, c），地震后8 号支流河道纵剖面（图7c）上出现了较多的阶梯状裂点。可见岷江上游流域南部这些阶梯状垂阶型裂点的形成和发育主要受到地震滑坡的影响。

图6 （a）叠溪区域河流纵剖面及裂点分布；（b）叠溪区域遥感影像；（c）156号支流河道纵剖面及双对数图（156号支流位置参考图1)Fig.6 （a） Remote sensing image of the dammed lake by Diexi ancient earthquake;（b） Longitudinal profile and knickpoints distribution of rivers in Diexi area;（c） Longitudinal profile and the double logarithmic plot of slope-drainage area of Tributary 156（Refer to Figure 1 for the position of tributary 156）

图7 （a）岷江上游下段河道纵剖面及裂点分布；（b）汶川地震前8号支流河道纵剖面；（c）汶川地震后8号支流河道纵剖面及双对数图；（d）12号支流河道纵剖面及双对数图（8号、12号支流位置参考图1）Fig.7 （a） Longitudinal profile and distribution of knickpoints in the lower section of Minjiang River;（b） Longitudinal profile of Tributary 8 before Wenchuan earthquake;（c） Longitudinal profile of Tributary 8 after Wenchuan earthquake;（d）Longitudinal profile and the double logarithmic plot of slope-drainage area of Tributary 12（Refer to Figure 1 for the position of tributary 8,tributary 12）

5 结论

选择青藏高原东缘的岷江上游流域为研究区，本文以30 m DEM数据为基础，结合MATLAB脚本程序确定了岷江上游流域裂点的分布，并对裂点发育的影响因素进行了详细分析。得出以下结论：

（1）岷江上游流域位于活动造山带区域，流域内水系对构造活动和气候变化等因素的响应较为敏感。裂点作为河流非均衡状态下的瞬时地貌特征，在揭示上述作用机制时有较为明显的指示意义，可以作为研究区域地貌演化的切入点。

（2）对岷江上游流域裂点的特征分析表明，研究区水系普遍处于不均衡的状态并广泛发育有裂点：因岩性差异形成的裂点主要分布在花岗岩与其他地层的交界线上；因冰川作用形成的裂点位于地形起伏度较小的高海拔区域，河道纵剖面上表现为连续的小陡坎，反映了冰川谷地的冰蚀地貌和冰碛地貌特征；在岷江上游流域内低海拔区域成层分布的坡断型裂点可能主要因区域多期次的构造隆升而形成，同期形成的坡断型裂点最终位于相近的海拔高度；在河道纵剖面上表现为阶梯状的垂阶型裂点则与阶梯—深潭系统相关，主要因地震事件导致的大面积地震滑坡和崩塌阻塞河道而形成，在震中附近区域分布密集。研究结果也说明在对河道纵剖面分析时有必要更多考虑到滑坡及冰川等因素对现代河道纵剖面产生的重要影响。

致谢：感谢两位审稿人对本文提出的宝贵修改意见。此外，在稿件撰写过程中，浙江大学饶刚老师、杨蓉老师给予了帮助与指导；浙江大学地球科学学院提供了仪器和设备的支持。在此一并表示衷心的感谢。