河西走廊西洞西滩冲洪积扇线性陡坎非构造成因分析

郑荣荧　陈柏旭　周文杰　杨晨爽

摘要構造、侵蚀与人为等多种因素均影响着冲洪积扇线性陡坎的形成和发现。结合无人机高分辨率遥感影像解译、地形地貌剖面分析、探槽开挖、工程地质剖面分析和音频大地电磁探测等多种方法，对河西走廊西洞西滩冲洪积扇发育的线性陡坎地貌由浅及深开展综合对比分析，得到如下结论：地形地貌剖面显示线性陡坎两侧地形高程递变平缓，未见变形现象；探槽揭示了线性陡坎两侧下伏的地层连续，底部地层近水平产出且产状明显小于顶部地层，未见地层错断现象；工程地质剖面表明线性陡坎两侧的 Q3冲洪积砂卵砾石层顶面连续，未见地层错动现象；音频大地电磁探测结果显示线性陡坎两侧下伏基岩界面连续完整，未见断层通过迹象。因此，综合认为河西走廊西洞西滩冲洪积扇发育的线性陡坎地貌是由大磁窑河水侧向侵蚀作用形成的，而非构造作用所致。

关键词线性陡坎；遥感解译；地形地貌剖面；探槽；工程地质剖面；大地电磁

中图分类号： P542文献标识码： A文章编号：2096-7780（2023）05-0203-11

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-113

Analysis on non-tectonic origin of linear scarps in alluvial-proluvialfanof the west bank of Xidong in Hexi Corridor

Zheng Rongying1），Chen Baixu2），Zhou Wenjie3），Yang Chenshuang4）

1） Beijing Disaster Prevention Technology Co.， Ltd.， Beijing 101100， China

2） Institute of Disaster Prevention， Hebei Sanhe 065201， China

3） Jiangsu Earthquake Agency， Jiangsu Nanjing 210014， China

4） Lanzhou Institute of Seismology， China Earthquake Administration， Gansu Lanzhou 730000， China

AbstractThe formation and discovery of linear scarps in alluvial-proluvial fan are affected by many factors，suchas structure，erosion and human activities. In this paper，combined with the UAV high resolution remote sensing image interpretation，thetopographicandthegeomorphologicalprofileanalysis，thetrenchexcavation，theengineering geological profile analysis and the audio magnetotelluric detection etc.，we analyzed comprehensively the landform of the linear scarp developed in the alluvial-proluvial fan of the west bank of Xidong in Hexi Corridor from the shallow layer to the deep layer. The conclusions are as follows：the topographic and geomorphological profile indicates that the terrain elevation on both sides of the linear scarp is turning gradually flat without deformation；The trench reveals that the underlying strata on both sides of the linear scarp are continuous，and the bottom strata are nearly horizontal with the occurrence beingsignificantly less than the topstrata and there is nostratigraphic fault；The engineering geological sectionshowsthatthetopsurfaceofQ3 alluvial-proluvialsandygravellayeronbothsidesof thelinearscarpis continuous，and there is no formation dislocation；The audio magnetotelluric detection results show that the underlying bedrock interface on both sides of the linear scarp is continuous and complete，with no sign of fault passing. Therefore，it is concluded that the linear scarp landform developed in the alluvial-proluvial fan of the west bank of Xidong in Hexi Corridor is formed by not the tectonic effect rather than the lateral erosion of the Daciyao river.

Keywordslinearscarp; remotesensinginterpretation; topographicandgeomorphologicalprofile; trench; engineering geological profile; magnetotelluric

引言

沿着出山口向外伸展的锥形沉积体称为冲洪积扇，是山麓地带的一种常见地貌[1-4]。从平面上看，冲洪积扇呈扇状向外延伸；从剖面上看，冲洪积扇的纵剖面线为下凹形，在扇顶处地形坡度较大，向扇缘逐渐变缓直至接近水平[1]。冲洪积扇自扇顶至扇缘的沉积特征有所不同，扇顶多堆积粗大的砾石，向扇缘方向堆积物的粒径逐渐变小，在扇缘部位可堆积黏土物质[1-2]。冲洪积扇对构造活动或气候变化等外力因素的响应较为敏感，使其成为研究构造活动和气候变化的重要物质载体[3]。

近年来，众多学者通过对冲洪积扇陡坎地貌纵切剖面的方式开展断层活动性的相关研究，并得到了大量的研究结果[2-10]。然而，并非所有冲洪积扇发育的陡坎地貌都为构造运动所致。冲洪积扇面与山地近平行的陡坎可能有如下多种成因：人类活动、外力侵蚀、断层错断或其他因素[6，11]。因此，对冲洪积扇发育的线性陡坎应当采用多种研究方法综合对比来分析，才能更加准确的判定其成因，为重大建设工程的灾害防御与危险性评估提供帮助。本文采用无人机高分辨率遥感影像解译、地形地貌剖面分析、探槽开挖、工程地质剖面分析和音频大地电磁探测等多种方法，分析了河西走廊西洞西滩冲洪积扇线性陡坎的非构造成因。

1 研究区简介

河西走廊位于青藏高原东北缘（图1a），阿拉善隆起区与北祁连加里东褶皱带之间[11-19]。西洞西滩位于河西走廊中部，为张掖盆地西缘榆木山东麓发育的冲洪积扇地貌（图1b），大地构造位置属于祁连山褶皱系北祁连优地槽褶皱带中段[11-16]。研究区内的地貌类型主要由高山、中高山、中低山丘陵和盆地平原组成，地貌形态明显受新构造运动的控制，山体和盆地总体呈北西西—南东东走向，和区域构造线的方向一致。同时，研究区内存在多种地貌面，如夷平面、洪积扇面和河流阶地等[11-19]。沿榆木山造山带，发育有榆木山北缘断裂和榆木山东缘断裂，前人研究结果表明，榆木山北缘断裂和榆木山东缘断裂均为全新世活动断层[13-19]。

基于遥感影像识别与分析，在榆木山东缘断裂东侧的西洞西滩冲洪积扇发育着一条弧形线性异常带，该线性异常带延伸方向与榆木山东缘断裂走向较为一致（图1c）。前人多项研究结果表明，遥感线性异常带（遥感线性异常带是指遥感影像上沿某一方向有规律性展布的呈直线或曲线状分布的线性排列，通常显示为其本身色调或其两侧色调、结构上的差异）与人类活动、天然地物、水系或地质构造等多种因素有着密不可分的联系[20-23]。本文通过无人机低空遥感地貌观测并结合野外实地调查发现，该遥感线性异常带为线性陡坎（线性陡坎是指地面高程在某个位置突降，形成落差较大的地貌形态，同时在某个方向上存在一定的延续性，在遥感影像上通常表现为线性异常）地貌所致。

在西洞西滩冲洪积扇发育的线性陡坎起于黑河口附近，向北延伸约10—12 km，终止于祁家台子附近，整体高差约0.3—1 m，宽度约1—5 m，具有一定的连续性。该线性陡坎究竟是何原因所致，目前暂无学者开展过相关研究。

2 研究与认识

2.1 地形地貌剖面分析

地形地貌剖面能够直观地反映出地形表面形态，并定量分析沿特定方向的地形起伏变化情况[24]。本文基于7.5 m 分辨率的 DEM 数据，通过对线性陡坎附近的构造地貌和地形分析，采用 ARCGIS 的功能模块横跨线性陡坎两侧（图1b）得到3条地形地貌剖面图（图2）。

L 1—L 1′线位于冲洪积扇扇顶至扇缘处，仅横跨线性陡坎两侧，由地形地貌剖面图可以看出：线性陡坎两侧地形高程递变均匀，未见异常和变形现象。L2— L2′线和 L3—L3′线同时跨越榆木山东缘断裂和线性陡坎两侧，由两条地形地貌剖面图可以看出：榆木山东缘断裂发育在地形坡度变化较大的冲洪积扇扇顶至扇中处，而线性陡坎发育在扇中至扇缘的中部位置，线性陡坎两侧地形高程递变平缓，未见异常和变形现象。

2.2 无人机高分辨遥感解译与陡坎实测

为获得线性陡坎及其周边较为精确的高差数据和整体形态，笔者选取了线性陡坎沿线南北两处的区域范围（图1b），通过大比例尺的無人机地貌测量和解译，获取了线性陡坎及其两侧分辨率为0.05 m 的高精度 DEM 数据。本次工作无人机共飞行6架次，拍摄照片共1853张，利用Photoscan软件进行数据处理。处理流程包括对齐照片、建立密集点云、生成网格、生成纹理等，最后构建 DEN、DSM 和 DOM 数据。最终利用 ArcGis10.7软件对数据进行后续处理，得到了线性陡坎及其周边的高程、三维地形展布特征、正射影像、山体阴影和垂直高差等数据（图3和图4）。在高分辨率遥感解译图上可以清楚地看出陡坎的线性连续。

在线性陡坎的南部区域，通过野外实地测量（图3d 和图3e），得到本处陡坎的高差约为（0.7±0.1）—（0.9±0.1）m。结合本处高精度 DEM 数据，垂直于线性陡坎两侧提取了两条高程剖面数据（图3f），得到 B 1—B 1′剖面上的陡坎高差为（0.66±0.13）m；B2— B2′剖面上的陡坎高差为（0.86±0.04）m，与野外实测结果较为一致。

在线性陡坎的北部区域，通过野外实地测量（图4d 和图4e），得到本处陡坎的高差约为（0.7±0.1）—（0.9±0.1）m。结合本处高精度 DEM 数据，垂直于线性陡坎两侧提取两条高程剖面数据（图4f），得到 C1— C1′剖面上的陡坎高差为（0.90±0.06）m；C2— C2′剖面上的陡坎高差为（0.65±0.09）m，与野外实测结果较为一致。

2.3 探槽揭示结果

为揭示线性陡坎下伏地层的变形情况，本文结合无人机高分辨率遥感解译和陡坎实测结果，选取了线性陡坎的南部和北部陡坎高差明显的位置，垂直于线性陡坎的位置各开挖了一个大型探槽（图3a—3c、图4a—4c）。探槽 TC-1选取在陡坎高差为（0.8±0.1）m 处，探槽长约28 m，宽约5 m，深约 5 m；探槽 TC-2选取在陡坎高差为（0.7±0.1）m 处，探槽长约15 m，宽约5 m，深约5 m。探槽 TC-1的剖面地层特征见图5a—5d；探槽 TC-2的剖面地层特征见图5e—5h，探槽中各套地层的分层特征描述见表1。

探槽 TC-1和探槽 TC-2分别揭示了4套和3套连续的地层，从两个探槽揭示的地层情况可以看出：线性陡坎下伏地层连续，底部地层近水平产出，其产状明显小于顶部地层的产状。

2.4 工程地质剖面分析

工程地质剖面图是将同一轴线方向的钻孔点位连成一线，做自上而下的分析，通过工程地质剖面图能够清晰揭示钻孔地层的竖向分布情况和各钻孔地层之间的关系[25]。本文对线性陡坎两侧布设了两排钻孔，各钻孔位置见图1b，各钻孔岩性特征描述见表2。

由钻孔揭示的岩性可知，各个钻孔下部地层均为砂卵砾石层，同时根据各个钻孔竖向岩性情况绘制了两条工程地质剖面图（图6）。从工程地质剖面图可以看出：在线性陡坎两侧的 Q3冲洪积砂卵砾石层的顶面连续性很好，未见地层错动现象。

2.5 音频大地电磁探测结果

为探明榆木山东缘断裂与线性陡坎在深部是否存在联系，同时查明线性陡坎深部基岩连续情况，本次研究跨榆木山东缘断裂和线性陡坎布设了一条音频大地电磁测线（图1b），测线总长度1080 m。大地电磁测试使用美国 CG 公司的大地电磁仪；声波测试使用国产 RS-ST01C 数字式智能声波仪；钻孔摄像使用国产 HX-JD-04B 型智能钻孔电视成像仪；测线采用 GPS72型卫星定位仪进行定位。通过对12个检查点重复观测（占物理点数的14%），并进行均方相对误差计算，得到检查点与被检查点的曲线形态一致，均方根相对误差小于5%，资料合格。

采用ZTool大地电磁处理系统进行数据处理与反演，最终输出反演结果并绘制了大地电磁成果剖面图（图7）。从成果剖面图可以看出：桩号0—1 080 m 范围内，上覆层视电阻率小于500Ω·m，推测该层为覆盖层，其深度变化范围为58.59—271.44 m；下伏基岩视电阻率大于600Ω·m，基岩顶板高程变化范围为1518.91—1800.88 m。

在桩号150 m 处显示基岩两侧视电阻率存在巨大差异，推测为走向南北、倾向西，倾角70°的榆木山东缘断裂。线性陡坎位于桩号700 m 处，可见其下伏基岩视电阻率连续可追踪，判定基岩面连续完整，无断裂通过。

3 讨论与结论

（1）在黑河口南侧的红沙沟冲洪积滩上发育着与本文研究相似的近东西向的线性陡坎地貌。Hetzel 等[26]认为该线性陡坎为“张掖断裂”错断红沙沟洪积扇形成的显著断层陡坎；而国内多位研究学者通过实地考察，对阶地和陡坎之下的沉积序律进行分析，均认为红沙沟冲洪积滩上发育的线性陡坎地貌是因为黑河发育新的洪积扇时侧向侵蝕形成的，不是断层陡坎[19，27-28]。

（2）在西洞西滩冲洪积扇线性陡坎的北部末端附近，通过大比例尺的无人机地貌测量和解译，获取了大磁窑河出山口周边分辨率为0.05 m 的高精度 DEM 数据（图8a），结合实地调查（图8b），在祁家台子附近大磁窑河出山口共发育有三级阶地，且各级阶地之间界限清晰、保存完好，线性陡坎尖灭在 T2与 T3阶地交汇处。利用 DEM 数据横跨各级阶地提取了高程和坡度数据（图8c），可以清晰看出大磁窑河北岸发育的 T3和 T2阶地高程明显高于南岸对应的 T3和 T2阶地高程。由此可以得出，在大磁窑河发育 T3和 T2阶地洪积扇过程中，大磁窑河水不断侧向侵蚀南岸的冲洪积扇，形成侵蚀陡坎。综合对比大磁窑河两岸 T3和 T2阶地的特征，笔者认为西洞西滩发育的线性陡坎是因为大磁窑河在形成新一期洪积扇过程中，不断侧向侵蚀造成的，并且线性陡坎北部主要是由大磁窑河在 T3阶地洪积扇形成过程中侧向侵蚀形成，而线性陡坎南部为大磁窑河在 T2阶地洪积扇形成过程中侧向侵蚀形成。

（3）通过无人机大比例尺遥感解译并结合陡坎高差实测，对河西走廊西洞西滩线性陡坎的特征与成因有了进一步认识。探槽开挖揭示了线性陡坎下伏地层连续且底部地层近水平产出；工程地质剖面显示线性陡坎两侧的 Q3冲洪积砂卵砾石层顶面连续；音频大地探测结果显示，线性陡坎下伏基岩面连续完整，进而明确了线性陡坎的非构造成因。

（4）河西走廊西洞西滩冲洪积扇发育的线性陡坎应为大磁窑河侧向侵蚀作用形成，但不排除同时受风力侵蚀、洪水作用亦或是其他因素的共同作用，应进一步开展相关研究工作。同时，笔者认为对线性陡坎的研究，可参考本文采用的多种方法相结合的方式。

致谢

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司提供了钻孔资料和音频大地电磁探测数据；甘肃省地震局刘兴旺研究员、防灾科技学院余中元教授指导了野外工作；防灾科技学院肖鹏、张世龙参与了野外工作，在此一并表示感谢。

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