雅魯藏布江中游地貌參數特征及其構造地貌意義

馬騰霄, 楊文光, 朱利東, 張洪亮, 鐘 搖,解 龍, 麥源君, 羅 璐, 曹志超

(1. 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；2.成都理工大學 地球科學學院，成都 610059)

隨著數字高程模型(DEM)理論的發展及數據精度的提高，近年來，大量學者已成功將地理信息系統(GIS)和DEM運用于構造地貌學研究，DEM及空間分析技術與相關地學研究手段相結合的復合分析逐漸成為構造地貌學研究的常規手段[1]。河流縱剖面[2]、Hack剖面和河長坡降(SL)[3]、河流陡峭指數[4]及面積-高程積分值(IH)和面積-高程積分曲線(HC)[5-6]、地形坡度[7]等地貌參數，能有效揭示不同影響因素(構造活動、巖性差異及氣候等)與區域地貌演化之間的關系[8-10]。

雅魯藏布江蜿蜒于喜馬拉雅山脈和岡底斯山脈之中，是世界上海拔最高的河流，享有“天河”之稱?；贒EM數據，大量學者解析了雅魯藏布江下游地區水系發育與構造、巖性及氣候之間的關系[11-14]，認為構造是控制雅魯藏布江大峽谷裂點和水系演化的主要原因[15-17]，大拐彎區域隆升的不均一性[18-19]是由構造、氣候、河流發育及斷裂帶密度差異決定的[20]。然而，前人對雅魯藏布江中游構造地貌特征研究相對于下游大拐彎地區要少[21-23]，關于雅魯藏布江中游的大空間尺度地貌演化階段與其區域構造地貌背景相關的研究相對缺乏。本文運用Hack剖面和河長坡降及面積-高程積分等構造地貌參數分析方法，并結合前人成果對雅魯藏布江中游構造地貌演化特征進行研究。

1 研究區概況

雅魯藏布江發源于杰馬央宗冰川，總體由西向東橫跨青藏高原西南部，繞過南迦巴瓦峰，以近“幾”字形大拐彎向南西方向流經墨脫縣，經恒河平原注入印度洋。楊逸疇等[24]根據雅魯藏布江兩岸河谷地貌特征，將其蜿蜒于寬谷、寬窄相間的河谷和高山峽谷劃分為上、中和下游。本文研究區中，雅魯藏布江依次流經昂仁縣(29°17′N,87°14′)、朗縣(29°02′N,93°04′)，屬于中游河段，長約887 km，河床海拔高度相差>1.3 km，平均縱坡降(高差/河流長度)約為15.39‰(圖1)。

歐亞板塊和印度板塊碰撞擠壓，導致喜馬拉雅山脈和青藏高原不斷抬升[25-28]，兩板塊在連續碰撞中(55～50 Ma B.P.)完全縫合[29]，形成了呈東西走向的雅魯藏布江縫合帶(YZF)[30]。研究區位于沿東西向伸展的岡底斯-喜馬拉雅造山系(Ⅶ)內，區域上由北至南依次為達拉克-岡底斯-察隅弧盆系(Ⅶ1)、印度河-雅魯藏布江結合帶(Ⅶ3)和喜馬拉雅地塊(Ⅶ4)，主要發育東西向和南北向斷裂(圖2)。韓同林[31]發現該區存在呈一定間隔自西向東排列的近南北向延伸活動構造帶(圖1中的 R1、R2、R3、R4)。

2 數據處理與研究方法

2.1 數據處理

研究區30 m×30 m分辨率的數字高程模型數據(ASTER GDEM-30 m)來源于地理空間數據云。利用ArcGIS 10.5空間分析工具(spatial analyst)中的填洼(fill)、流向(flow direction)、流量(flow accumulation)等功能，提取了研究區DEM河網水系，雅魯藏布江南北兩岸支流分布不對稱，多雄藏布近西東向匯入干流，湘曲、夏布曲以及其他較小支流近垂直向匯入干流，年楚河、拉薩河及門曲逆向匯入干流(圖1)。

圖1 研究區位置及地形和水系特征Fig.1 Location, topography and drainage characteristics of the study area(數據來自http://www.gscloud.cn/)

圖2 區域地質簡圖Fig.2 Simplified regional geological and tectonic map (據青藏高原及鄰區大地構造圖及說明書[32]修改)

2.2 研究方法

2.2.1 Hack剖面和河長坡降

J.T.Hack[33]在研究河流縱剖面時，提出Hack剖面和河長坡降(SL)。Hack剖面是河流縱剖面簡化圖，可有效指示較大時空尺度的構造運動，當全河段抗侵蝕力相似的情況下，Hack剖面呈直線形的理想均夷剖面。自然界的河流出現抗侵蝕力都相近的概率很小，故Hack剖面多呈上凸或下凹形態，其表達式如下

H=C-k× lnL

(1)

式中：H代表河流縱剖面的海拔高度；C為常數；k為斜率；L為河段中點到源頭的距離[33]。

均衡坡降(K)能夠反映河道陡緩狀態與河流抗侵蝕力，當K值較大時，反映河道較陡且流域內構造活躍、侵蝕力較強；反之，河道較緩且流域內構造活動不強、侵蝕力較弱[34]。

河長坡降(SL)即是Hack剖面表達式中的斜率k，可反映中-小時空尺度構造運動或巖性差異，表達式如下

SL=(ΔH/ΔL)·L

(2)

式中：ΔH為局部河段的高差；ΔL為局部河段的距離；L為局部河段中心到河源的距離[17]。當SL值較大時，揭示河段構造活動性較強或地層抗侵蝕能力較強；反之，該河段構造活動性較弱或地層抗侵蝕性較弱[35]。

2.2.2 面積-高程積分

河流的發育階段在構造抬升地區十分復雜，一維地形指標(Hack剖面和SL參數)易受到局部構造的影響，故在一維地形指標的研究基礎上，引入三維描述的面積-高程積分[9]，能在不同空間尺度上有效探討河流地貌演化的特征。A.N.Strahler[36]在對Davis地貌侵蝕循環理論研究時，提出了面積-高程積分法，該方法包括對河流面積-高程積分值(IH)和面積-高程積分曲線(HC)的計算。常直楊等[37]通過3種方法(體積比例法、積分曲線法和起伏比法)計算IH值，發現所得出的結果幾乎一致；但在支流較多時，起伏比法最為簡捷高效，公式如下

IH=(Hmean-Hmin) / (Hmax-Hmin)

(3)

式中：Hmean、Hmin和Hmax分別代表流域內平均海拔高度、最小海拔高度和最大海拔高度。不同范圍的IH值代表不同的地貌發育期[20]，分別為老年期(IH<0.35)、壯年期(0.35≤IH≤0.6)和幼年期(IH>0.6)。面積-高程積分曲線(HC)呈下凹形態時，表明流域處于老年期；曲線呈上凸形態時，指示流域處于幼年期；曲線存在拐點且凸凹性有變化時，反映流域處于壯年期[36]。

3 結 果

本次研究運用GIS空間分析技術、Excel與CorelDRAW等軟件計算和制圖，得到雅魯藏布江中游及7條支流的Hack剖面和河長坡降指標以及36個子流域的面積-高程積分值和面積-高程積分曲線，針對研究區構造地貌參數進行分析，探討其構造地貌演化特征。

3.1 Hack剖面和河長坡降指標

河流Hack剖面及河長坡降(圖3)顯示，雅魯藏布江中游及7條支流Hack剖面均以均衡坡降指標線為底界，Hack剖面均呈現上凸形態，但它們的上凸程度不同：雅魯藏布江的形態呈現復雜化、多樣化，Hack剖面及河長坡降存在2個異常區域，即異常區1和2(圖3-A)；多雄藏布、夏布曲的凸度相近；門曲的Hack剖面多呈直線形態，在匯入雅魯藏布江河段部分的Hack剖面形態呈急劇下降狀態；美曲藏布和湘曲的凸度相近，僅次于門曲；年楚河和拉薩河Hack剖面上凸程度最小，呈近直線形態。河長坡降統計結果顯示，雅魯藏布江中游的河長坡降存在2個異常突變峰值，分別為1 375和6 142；門曲、夏布曲在雅魯藏布江匯入點附近河段存在一個異常峰值，河長坡降在 1 500～2 000；拉薩河的河長坡降值整體較低，僅在雅魯藏布江匯入點附近出現高值，達2 500左右；多雄藏布、美曲藏布、湘曲和年楚河的河長坡降均小于 1 100，無異突變峰值。K值計算結果：雅魯藏布江(K=139)、多雄藏布(K=117)、美曲藏布(K=63)、夏布曲(K=122)、年楚河(K=28)、湘曲(K=64)、門曲(K=92)和拉薩河(K=33)。Hack剖面和標準河長坡降指標(SL/K)與地形地貌有較好的對應關系[6]，L.Seeber等[38]按照SL/K值進行劃分，當210時，為極陡河段。SL/K統計結果顯示，多雄藏布、美曲藏布和湘曲以陡河段為主，陡河段分別占67.96%、67.03%和67.03%，無極陡河段；夏布曲、年楚河、拉薩河和門曲以近平直河段為主，近平直河段分別占51.06%、51.95%和67.6%；但門曲下游河段以極陡河為主，占總河段30.16%。

3.2 面積-高程積分

面積-高程積分(IH)具有面積和空間依賴性，對構造活動強度、巖性差異和氣候變化等因素較敏感[39-40]。對于某一流域而言，集流閾值大小對其IH值有所影響，不同研究區適用的面積閾值亦不相同[6,41]。為更好地探討子集水盆地面積與高程對研究區面積-高程積分的影響，分別以8組集流閾值將研究區劃分為若干次集水盆地(圖4)，并探討最佳集水閾值范圍。當集流閾值<288 km2時，流域內次集水盆地數量過多且面積較小，IH平均值發生變化，不適合分析流域大尺度的構造活動性；當集流閾值≥360 km2時，流域內IH值受集流閾值大小、次集水盆地平均面積的影響不大，可以反映更大空間尺度上的構造活動特性(表1)。

圖3 雅魯藏布江中游河流及支流的Hack剖面和河長坡降參數Fig.3 Hack profile and stream-gradient index of rivers and tributaries in the middle reaches of Yarlung Zangbo River

表1 不同集流閾值下研究區次集水盆地數量、平均面積和平均面積-高程積分值Table 1 The number, average area and average area-elevation integral values of sub-catchment basins in the study area under different catchment thresholds

本文選用集流閾值378 km2對河網水系進行提取，依據水系分布特征將研究區劃分為36個子流域，對不同流域進行分析，從而更好地揭示不同地區的地貌演化特征。運用ArcGIS 10.5分區統計功能獲取流域內最大、平均及最小高程值，利用公式(3)計算流域單元面積-高程積分值(圖5)，將IH值賦予到對應流域幾何中心上，提取出每個流域IH值(表2)。

沿雅魯藏布江方向(圖5)，流域17在R3活動構造帶以西，IH值為0.34，發育階段為老年期；流域18位于R3活動構造帶附近，IH值為0.48；流域19在R1以東，IH值為0.47，18、19兩流域發育階段為壯年期；R4活動構造帶以西流域20和21，IH值分別為0.34、0.42，呈上升趨勢；R4活動構造帶附近的流域22，IH值最大；以東流域23和24，IH值有所減小。同樣，在雅魯藏布江北岸和南岸的IH高值大都分布在活動構造帶附近；而距活動構造帶較遠的區域，IH值相對較低。

表2 雅魯藏布江中游地區36個子流域的面積-高程積分值Table 2 IH values of 36 sub-basins in the middle reaches of Yarlung Zangbo River

圖4 不同集流閾值下的研究區河流流域的面積-高程積分Fig.4 Hypsometric integral of river basin in the study area based on different area thresholds

比較雅魯藏布江南北兩岸的IH值分布情況，發現其北岸IH值普遍高于南岸，北岸流域IH值為0.47～0.65，HC曲線為“S”形或“凸”形。除了流域9和16的IH值為0.64，HC曲線為“凸”形，發育階段為幼年期，其余北岸流域發育階段均為壯年期。南岸流域HC曲線呈“S”形或“凹”形，流域演化階段主要以老年期和近老年期的隆升停滯期為主。

根據36個子流域的面積-高程積分曲線形態特征(圖6)，將其分為3類：HC曲線呈凸形，即流域9和16，共計2個流域；HC曲線呈凹形，即流域17、 20、 29、 30、 31、 32和33，共計7個流域；其余27個流域的HC曲線呈“S”形。

4 討 論

雅魯藏布江中游以北有多雄藏布、美曲藏布、湘曲和拉薩河，以南有夏布曲、年楚河和門曲，本文著重探討雅魯藏布江中游及7條支流的Hack剖面、河長坡降參數以及36個子流域的面積-高程積分值和面積-高程積分曲線與構造活動、地貌演化之間的關系。

4.1 流域面積-高程積分與構造活動的關系

面積-高程積分值和面積-高程積分曲線可用于區域構造活動及地貌演化階段的探討，已有學者在雅魯藏布江下游“大拐彎”[20]、南迦巴瓦構造結東側的墨脫斷裂[14]等區域進行研究，認為流域面積-高程積分值的空間分布特征對斷裂活動具有一定的指示意義。在探討各流域面積-高程積分值與大空間尺度構造活動之間的關系時，不同區域選取合適的面積-高程積分閾值也存在差異；即使在同一個流域中，不同面積閾值所得到的面積-高程積分值可能會受到一定程度的影響[6,41]。如關雪等[6]對太行山構造地貌特征分析的集流閾值為162 km2，張天琪等[41]對北天山烏魯木齊河流地貌研究分析得出適合該流域的集流閾值為9～27 km2，因此，選擇合適的集流閾值非常關鍵。本項目研究表明，集流閾值<288 km2時，集水盆地的面積-高程積分值會受到巖性的影響；集流閾值≥360 km2時，各集水盆地跨越不同的構造區，面積-高程積分值與大空間尺度的構造活動性相關。本文選用集流閾值378 km2，所得出的面積-高程積分值可反映大空間尺度構造活動。

圖5 雅魯藏布江中游地區流域的面積-高程積分值分布特征 Fig.5 Distribution of area-elevation integral values in the middle reaches of the Yarlung Zangbo River

圖6 雅魯藏布江中游36個子流域面積-高程積分曲線Fig.6 Area-elevation integral curves of 36 sub-basins in the middle reaches of Yarlung Zangbo River

歐亞板塊與印度板塊的碰撞，對青藏高原隆升、全球氣候和環境具有重要的影響[29]。新生代以來，青藏高原經歷多期次的構造隆升和夷平過程；進入第四紀，新構造運動主要以垂向運動為主，表現為隆起整體性、地域差異性和階段性的特點[24]。在青藏高原活動構造作用中，一系列近SN方向延伸的活動構造帶最強烈且表現最突出，在地貌和水系格局上有明顯反映[31]。而研究區中出現的面積-高程積分的高值區大都分布在當雄-羊八井-多慶錯活動構造帶(R3)和桑日-沃卡-錯那活動構造帶(R4)附近(圖5)，面積-高程積分的高值區可能是由南北向活動構造導致；雅魯藏布江北岸的面積-高程積分值普遍高于南岸，這種差異指示了兩側的隆升幅度不同，反映了第四紀新構造運動在地域上存在差異性。雅魯藏布江河床縱比降共有3個巨大坡折，其形成受到岡底斯山和喜馬拉雅山差異隆升的控制[15]，可能反映了整個青藏高原晚新生代以來強烈隆起的階段性特點[24]。

4.2 主要河流的面積-高程積分、Hack剖面和河長坡降指標與構造活動的關系

河流Hack剖面和河長坡降受構造活動、巖性差異和氣候等諸多因素綜合影響，河長坡降值取決于構造活動強度或巖石抗侵蝕能力，也可反映區域差異隆升或巖石抗侵蝕能力[3,18]。在雅魯藏布江下游大拐彎地區的河流形態特征研究中，黃文星等[18]引入Hack剖面和河長坡降，分析認為大拐彎地區隆升幅度呈現出不均一性特征。

雅魯藏布江河流Hack剖面和河長坡降參數中存在2個異常區(圖3-A)，Hack剖面呈現出明顯的上凸形態。異常區1有南北向的當雄-羊八井-多慶錯帶(R3)穿過，河床基巖為白堊紀花崗巖，該河段巖性未發生較大變化，但河長坡降值發生變化，且河長坡降突變區存在東西走向逆斷層和南北向斷層(圖2)；異常區2有桑日-沃卡-錯那帶(R4)穿過，其流經的河床基巖為白堊紀和古近紀花崗巖，巖性未發生較大變化，但河長坡降值發生變化。異常區2的河長坡降值遠大于異常區1，河長坡降突變區也存在東西走向逆斷層和南北向斷層。雅魯藏布江存在3個大裂點，其中異常區2被學者稱為桑日-加查裂點[21-22,24]。祝嵩等[22]認為從上新世以來加查河段由于構造運動產生了不同性質的斷裂構造，河流沿不同性質斷裂構造溯源侵蝕和氣候變化的影響發育而成。故該區域河長坡降值主要反映構造活動信息。本文認為，河流地貌對構造運動極其敏感，地質構造很大程度上控制水系格局，雅魯藏布江中游流向與雅魯藏布江縫合帶構造走向大體一致，均呈東西向展布(圖2)。雅魯藏布江中游出現河谷寬窄相間的現象，主要與新構造運動有關[21,24]。研究區內存在的近南北向延伸的活動構造帶大致形成于新近紀的上新世末期之后或第四紀(圖2)，也是控制西藏地貌和水系格局的重要構造[31]。該活動構造帶產生的地塹式斷陷帶穿過雅魯藏布江河谷，導致地表發生大規模垂直方向的錯動，河床高差發生強烈變化，河流重力勢能增加，下切侵蝕力增強，使得雅魯藏布江Hack剖面呈上凸形態。因此，強烈的構造活動是引起雅魯藏布江Hack剖面和河長坡降異常的主導因素。

研究區內的7條支流面積-高程積分值在0.35～0.60之間，面積-高程積分曲線呈現不同形態的“S”形(圖6)，表明這7條河流流域地貌處于演化的壯年期。由于青藏高原在新生代的新構造抬升，使得7條支流的Hack剖面呈不同程度上凸形態，每條支流Hack剖面的上凸程度在其匯入雅魯藏布江的位置附近均出現不同幅度的增加(圖3)。夏布曲和門曲Hack剖面都存在一個異常區，異常區存在斷裂穿過現象，河長坡降值在 1 500～2 000之間，相對于雅魯藏布江異常區2的河長坡降值較??；其余5條支流的Hack剖面與河長坡降無異常變化。拉薩河、門曲和年楚河大型支流反向匯入雅魯藏布江的現象(圖1)，表明它們主要是適應構造發育的先成河[24]。

5 結 論

通過分析雅魯藏布江中游及7條支流(多雄藏布、美曲藏布、湘曲、拉薩河、夏布曲、年楚河、門曲)的Hack剖面和河長坡降，結合36個子流域的面積-高程積分值及面積-高程積分曲線分析，得出以下認識：

a. 雅魯藏布江中游及7條支流的Hack剖面均為上凸形態，7條支流的面積-高程積分曲線呈不同形態的“S”形，面積-高程積分值在0.35～0.60之間，表明流域處于地貌演化壯年期；雅魯藏布江在流經尼木縣和桑日縣-加查縣河段時，Hack剖面和河長坡降出現異常變化，主要是由新構造活動導致。

b. 通過36個子流域的面積-高程積分研究，除當雄-羊八井-多慶錯和桑日-沃卡-錯那活動構造帶附近存在發育階段為幼年期的流域外，雅魯藏布江中游區域整體上處于由壯年期向老年期過渡階段，北岸的面積-高程積分值普遍高于南岸，表明第四紀以來，青藏高原隆升速率具有地域差異性。由于岡底斯山脈和喜馬拉雅山脈的差異性抬升，導致了雅魯藏布江中游兩岸地區處于不同的地貌演化階段，在空間上具有明顯的差異。