基于DEM 数据的云南省宁洱县夷平面提取及其分布特征

金文正

1. 中国地质大学(北京) 能源学院, 北京 100083; 2. 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室, 北京 100083

0 引言

众所周知, 由于构造位置的特殊性, 青藏高原及周缘地区多年来一直是地质研究的热点之一, 中国云南省处于青藏高原东南缘, 处于印度板块与上扬子地块的构造拼接处, 发育多条大型断裂带(包括红河断裂、 哀牢山断裂、 程海断裂、 维西—乔后断裂等) 且经历了多期复杂构造演化[1-6], 尤其滇西地区自新生代以来经历了强烈的新构造运动[7], 形成复杂的构造变形和地形地貌。 位于滇西地区的普洱市宁洱县位于哀牢山断裂带西侧, 地表海拔起伏大, 构造变形复杂, 多年来地质研究多偏重于基础地质和重点区域的矿产勘查方面[8,9], 研究方法以野外地质调查和地球化学测试分析为主[10,11], 辅以地球物理探测和天然地震等方法[12], 而对于宁洱县整体构造隆升与沉降的研究较为薄弱, 所以本文拟通过提取该县夷平面,分析不同级别夷平面的空间分布特征, 探讨新构造运动在该县域内的差异性表现, 旨在为该县后期构造变形和演化研究提供一定的借鉴作用。

1 研究方法

由于多次构造隆升和沉降可以在地表形成不同级别的夷平面, 所以对夷平面的提取和分析可以有效反演和分析地质历史过程[13-15], 所以本次研究主要是通过借助于ArcGIS 软件对宁洱县数字高程模型(Digital Elevation Mode, DEM) 进行高程、 坡度、 坡向和地形起伏等方面的统计和分析, 结合野外对重点区域构造变形特征和地貌的考察, 通过地貌因子提取法和目视解译法, 对研究区进行夷平面提取并划定其平面展布范围。 本研究使用的DEM 数据源自美国航空航天局(NASA), 为SRTM3 (3 角秒精度), 空间分辨率为90 m, 投影类型为UTM/WGS84, 分析软件ArcGIS 版本为10.7。

2 结果和讨论

2.1 地表海拔分析

现阶段中国已有1 ∶100 万数字地貌分类标准[16,17], 即: 低海拔(〈1 000 m)、 中海拔(1 000～3 500 m)、 高海拔(3 500 ～5 000 m) 和极高海拔(〉5 000 m)。 利用ArcGIS 10.7 软件对DEM 数据进行处理, 制作了宁洱县高程等值线图(图1), 总体表现为两侧低中间高的特征, 中部具有较高海拔地区平面上呈现为北西—南东展布, 与区域构造线近乎一致并对其进行高程的分类和统计(表1), 宁洱县域内高程介于1 000 ～3 500 m 之间的面积超过3 400 km2, 占比超过了90% (宁洱县面积为3 670 km2), 所以根据分类标准, 可以将宁洱县划分为中海拔地区。

表1 宁洱县高程统计表Table 1 Elevation of Ning'er County

图1 宁洱县地表等高线(图中剖面AA’、 BB’、 CC’ 为地形剖面线位置)Fig.1 Surface contour of Ning'er County (the profiles AA’, BB’, and CC’ in the figure represent the location of the terrain profiles)

2.2 坡度分析

坡度是描述地貌特征的重要参数之一[18], 宁洱县坡度总体小于43.89°, 坡度大于22°的地区主要分布于宁洱县东部及北部地区, 在西部地区略有分布。对坡度进行分级统计后, 依据国际地理学联合会地貌调查与地貌制图委员会关于地貌详图应用的坡地分类标准, 陡坡区在县域内分布面积最广, 占比48.97%,主要分布于宁洱县四周区域; 其次为斜坡区, 占比42.92%, 主要分布于宁洱县中心部位及西部区域,另外在县中心地区分布有少量的缓斜坡 (占比6.45%)、 微斜坡(占比1.38%) 及平原(图2)。

图2 宁洱县坡度分级Fig.2 Slope grade of Ning'er County

2.3 地势起伏度

地势起伏度是指在一个特定的区域内, 最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值。 利用软件ArcGIS10.7 依次计算3×3 网格、 5×5 网格、 7×7 网格、 9×9 网格、 11×11 网格、 ……、 61×61 网格的地势起伏度; 对计算得到的不同窗口下的地势起伏度,取各自的地势起伏度平均值; 然后获得拟合曲线(也可以通过Origin 或者Excel 软件求取); 导入数据获得的拟合方程为:y=462.5ln (x) -2 469, 拟合系数R2=0.985, 拟合效果明显(图3)。 获得最佳分析窗口为39×39, 以此计算地势起伏度分布图, 并计算各级所占比例(图4)。 根据前文的分类规则[17,19], 可以发现宁洱县总体上由小起伏山地(占比46.39%)和中起伏山地(占比46.83%) 构成, 其中前者主要分布于宁洱县中部及西部地区, 而后者则主要集中于宁洱县的东部及北部地区。

图3 窗口大小与地势起伏度关系Fig.3 Relationship between window size and terrain fluctuation

图4 宁洱县地势起伏度分级特征Fig.4 Grading characteristics of terrain undulation in Ning'er County

2.4 夷平面海拔求取

以流域盆地的面积比(a/A) 和流域盆地高程比(h/H) 为横纵坐标绘制二维曲线[20], 通过Excel 软件拟合得到澜沧县的面积—高程积分曲线函数:

利用曲线特征对该函数求取拐点, 即为夷平面,其分别海拔为: 1 220 m、 1 355 m、 1 626 m、 1 707 m(图5)。 选取典型地形线, 将夷平面进行标注(图6), 可以发现夷平面在全区内分布广泛。

图5 宁洱县面积—高程积分曲线Fig.5 Integration curve of area-elevation of Ning'er County

图6 宁洱县三个地形剖面线及残存山顶面对比图(剖面位置见图1)Fig.6 Comparison of three topographic profiles and remaining peak faces in Ning'er County

2.5 夷平面分布

根据海拔、 坡度和地势起伏度等特征, 获得不同级别夷平面在宁洱县域内平面分布(图7), 其中一级夷平面3 个, 二级夷平面1 个, 三级夷平面7 个,四级夷平面3 个, 其中一级及二级夷平面分布较为局限, 受后期构造改造作用明显, 平面上所占面积较小, 主要分布于宁洱县中西部地区, 三级夷平面在宁洱县发育最广, 且单个夷平面占地面积较大, 四级夷平面仅在县域内西部发育。

图7 宁洱县夷平面与构造变形特征叠合图Fig.7 Superimposition of planation surfaces and structural deformation in Ning'er County

将夷平面与构造变形要素相结合, 可以发现在宁洱县东部地区发育大型断裂, 即哀牢山断裂带等, 同时发育若干大型褶皱构造, 表明该地区构造变形强烈, 变形以横向缩短或者走滑位移为主,所以该地区基本上没有夷平面发育, 而在中西部地区, 断裂主要表现为晚期的多组方向的次级断裂, 并且少见褶皱构造, 可以认为该地区应该以垂向构造隆升为主。

3 结论

(1) 宁洱县地表总体高程介于1 000～3 500 m 之间, 表现为两侧低中间高, 属于中海拔地区; 陡坡区和斜坡区分布面积最广, 共占比91.89%; 小起伏山地(占比46.39%) 和中起伏山地 (占比46.83%)是地势起伏的主要特征。

(2) 宁洱县发育四级不同的夷平面, 分别海拔为1 220 m、 1 355 m、 1 626 m、 1 707 m, 一级及二级夷平面受后期构造改造作用明显, 所占面积较小, 主要分布于宁洱县中西部地区, 三级夷平面在宁洱县发育最广, 四级夷平面仅在县域内西部发育。

(3) 夷平面分布特征受构造变形影响, 大型断裂周缘地区构造变形强烈, 断裂发育, 构造变形以横向缩短为主, 夷平面分布较少; 而在断裂发育较少的地区, 构造变形以垂向构造隆升为主, 夷平面发育。