基于DEM 數據的云南省寧洱縣夷平面提取及其分布特征

金文正

1. 中國地質大學(北京) 能源學院, 北京 100083; 2. 海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室, 北京 100083

0 引言

眾所周知, 由于構造位置的特殊性, 青藏高原及周緣地區多年來一直是地質研究的熱點之一, 中國云南省處于青藏高原東南緣, 處于印度板塊與上揚子地塊的構造拼接處, 發育多條大型斷裂帶(包括紅河斷裂、 哀牢山斷裂、 程海斷裂、 維西—喬后斷裂等) 且經歷了多期復雜構造演化[1-6], 尤其滇西地區自新生代以來經歷了強烈的新構造運動[7], 形成復雜的構造變形和地形地貌。 位于滇西地區的普洱市寧洱縣位于哀牢山斷裂帶西側, 地表海拔起伏大, 構造變形復雜, 多年來地質研究多偏重于基礎地質和重點區域的礦產勘查方面[8,9], 研究方法以野外地質調查和地球化學測試分析為主[10,11], 輔以地球物理探測和天然地震等方法[12], 而對于寧洱縣整體構造隆升與沉降的研究較為薄弱, 所以本文擬通過提取該縣夷平面,分析不同級別夷平面的空間分布特征, 探討新構造運動在該縣域內的差異性表現, 旨在為該縣后期構造變形和演化研究提供一定的借鑒作用。

1 研究方法

由于多次構造隆升和沉降可以在地表形成不同級別的夷平面, 所以對夷平面的提取和分析可以有效反演和分析地質歷史過程[13-15], 所以本次研究主要是通過借助于ArcGIS 軟件對寧洱縣數字高程模型(Digital Elevation Mode, DEM) 進行高程、 坡度、 坡向和地形起伏等方面的統計和分析, 結合野外對重點區域構造變形特征和地貌的考察, 通過地貌因子提取法和目視解譯法, 對研究區進行夷平面提取并劃定其平面展布范圍。 本研究使用的DEM 數據源自美國航空航天局(NASA), 為SRTM3 (3 角秒精度), 空間分辨率為90 m, 投影類型為UTM/WGS84, 分析軟件ArcGIS 版本為10.7。

2 結果和討論

2.1 地表海拔分析

現階段中國已有1 ∶100 萬數字地貌分類標準[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) 和極高海拔(〉5 000 m)。 利用ArcGIS 10.7 軟件對DEM 數據進行處理, 制作了寧洱縣高程等值線圖(圖1), 總體表現為兩側低中間高的特征, 中部具有較高海拔地區平面上呈現為北西—南東展布, 與區域構造線近乎一致并對其進行高程的分類和統計(表1), 寧洱縣域內高程介于1 000 ～3 500 m 之間的面積超過3 400 km2, 占比超過了90% (寧洱縣面積為3 670 km2), 所以根據分類標準, 可以將寧洱縣劃分為中海拔地區。

表1 寧洱縣高程統計表Table 1 Elevation of Ning'er County

圖1 寧洱縣地表等高線(圖中剖面AA’、 BB’、 CC’ 為地形剖面線位置)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參數之一[18], 寧洱縣坡度總體小于43.89°, 坡度大于22°的地區主要分布于寧洱縣東部及北部地區, 在西部地區略有分布。對坡度進行分級統計后, 依據國際地理學聯合會地貌調查與地貌制圖委員會關于地貌詳圖應用的坡地分類標準, 陡坡區在縣域內分布面積最廣, 占比48.97%,主要分布于寧洱縣四周區域; 其次為斜坡區, 占比42.92%, 主要分布于寧洱縣中心部位及西部區域,另外在縣中心地區分布有少量的緩斜坡 (占比6.45%)、 微斜坡(占比1.38%) 及平原(圖2)。

圖2 寧洱縣坡度分級Fig.2 Slope grade of Ning'er County

2.3 地勢起伏度

地勢起伏度是指在一個特定的區域內, 最高點海拔高度與最低點海拔高度的差值。 利用軟件ArcGIS10.7 依次計算3×3 網格、 5×5 網格、 7×7 網格、 9×9 網格、 11×11 網格、 ……、 61×61 網格的地勢起伏度; 對計算得到的不同窗口下的地勢起伏度,取各自的地勢起伏度平均值; 然后獲得擬合曲線(也可以通過Origin 或者Excel 軟件求取); 導入數據獲得的擬合方程為:y=462.5ln (x) -2 469, 擬合系數R2=0.985, 擬合效果明顯(圖3)。 獲得最佳分析窗口為39×39, 以此計算地勢起伏度分布圖, 并計算各級所占比例(圖4)。 根據前文的分類規則[17,19], 可以發現寧洱縣總體上由小起伏山地(占比46.39%)和中起伏山地(占比46.83%) 構成, 其中前者主要分布于寧洱縣中部及西部地區, 而后者則主要集中于寧洱縣的東部及北部地區。

圖3 窗口大小與地勢起伏度關系Fig.3 Relationship between window size and terrain fluctuation

圖4 寧洱縣地勢起伏度分級特征Fig.4 Grading characteristics of terrain undulation in Ning'er County

2.4 夷平面海拔求取

以流域盆地的面積比(a/A) 和流域盆地高程比(h/H) 為橫縱坐標繪制二維曲線[20], 通過Excel 軟件擬合得到瀾滄縣的面積—高程積分曲線函數:

利用曲線特征對該函數求取拐點, 即為夷平面,其分別海拔為: 1 220 m、 1 355 m、 1 626 m、 1 707 m(圖5)。 選取典型地形線, 將夷平面進行標注(圖6), 可以發現夷平面在全區內分布廣泛。

圖5 寧洱縣面積—高程積分曲線Fig.5 Integration curve of area-elevation of Ning'er County

圖6 寧洱縣三個地形剖面線及殘存山頂面對比圖(剖面位置見圖1)Fig.6 Comparison of three topographic profiles and remaining peak faces in Ning'er County

2.5 夷平面分布

根據海拔、 坡度和地勢起伏度等特征, 獲得不同級別夷平面在寧洱縣域內平面分布(圖7), 其中一級夷平面3 個, 二級夷平面1 個, 三級夷平面7 個,四級夷平面3 個, 其中一級及二級夷平面分布較為局限, 受后期構造改造作用明顯, 平面上所占面積較小, 主要分布于寧洱縣中西部地區, 三級夷平面在寧洱縣發育最廣, 且單個夷平面占地面積較大, 四級夷平面僅在縣域內西部發育。

圖7 寧洱縣夷平面與構造變形特征疊合圖Fig.7 Superimposition of planation surfaces and structural deformation in Ning'er County

將夷平面與構造變形要素相結合, 可以發現在寧洱縣東部地區發育大型斷裂, 即哀牢山斷裂帶等, 同時發育若干大型褶皺構造, 表明該地區構造變形強烈, 變形以橫向縮短或者走滑位移為主,所以該地區基本上沒有夷平面發育, 而在中西部地區, 斷裂主要表現為晚期的多組方向的次級斷裂, 并且少見褶皺構造, 可以認為該地區應該以垂向構造隆升為主。

3 結論

(1) 寧洱縣地表總體高程介于1 000～3 500 m 之間, 表現為兩側低中間高, 屬于中海拔地區; 陡坡區和斜坡區分布面積最廣, 共占比91.89%; 小起伏山地(占比46.39%) 和中起伏山地 (占比46.83%)是地勢起伏的主要特征。

(2) 寧洱縣發育四級不同的夷平面, 分別海拔為1 220 m、 1 355 m、 1 626 m、 1 707 m, 一級及二級夷平面受后期構造改造作用明顯, 所占面積較小, 主要分布于寧洱縣中西部地區, 三級夷平面在寧洱縣發育最廣, 四級夷平面僅在縣域內西部發育。

(3) 夷平面分布特征受構造變形影響, 大型斷裂周緣地區構造變形強烈, 斷裂發育, 構造變形以橫向縮短為主, 夷平面分布較少; 而在斷裂發育較少的地區, 構造變形以垂向構造隆升為主, 夷平面發育。