地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (2): 252-262
引用本文
文力, 魏鹏飞, 李学敏, 孙小舟, 王俪璇. 丹江口水库库区及周边地区河网形态、地貌特征及构造活动性意义[J]. 地质力学学报, 2020, 26(2): 252-262.
WEN Li, WEI Pengfei, LI Xuemin, SUN Xiaozhou, WANG Lixuan. Study on the river network, geomorphological features and tectonic activity in the Danjiangkou reservoir and its surrounding areas[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(2): 252-262.
丹江口水库库区及周边地区河网形态、地貌特征及构造活动性意义
文力1, 魏鹏飞2, 李学敏1, 孙小舟1, 王俪璇1    
1. 湖北文理学院 资源环境与旅游学院, 湖北 襄阳 441053;
2. 湖北省地质局第八地质大队, 湖北 襄阳 441002
摘要:河流作为构造-气候相互作用最为敏感的地貌单元,记录了丰富的水系演化、构造变形以及气候变化等信息。通过研究河流的形成与演化过程来阐述区域地貌和构造活动特征是构造地貌研究的一个突破点,河流形态的空间变化是阐述河流形成与演化特征最为直观有效的方法。丹江口水库库区地貌特征复杂、地质灾害频发、差异性构造活动较为强烈,是开展构造地貌研究的理想场所。通过对丹江口水库库区及周边地区河流形态特征、地貌特征及构造活动特征等进行综合分析发现,河网分维值空间特征与区域内构造活动性较强的断裂的空间分布高度吻合,构造活动性较强的断裂带及周边地区,河网受到构造活动的影响,发育不成熟,河网分维值出现低值,分维值均小于1.115;构造活动性较弱的断裂带及周边地区,河网发育过程中未受到构造活动的影响,发育较成熟,河网分维值高,分维值均大于1.25;而河网分维值空间变化与地形坡度、平均高程等地貌参数相关性不显著。因此,区域构造活动性特征是河网形态空间变化控制的关键因素。利用河网形态的分维特征量化区域构造活动的强弱及各区域构造活动的差异,对于河流的形成与演化、构造活动性及预测地质灾害的发生等方面的研究都有一定的参考价值。
关键词丹江口水库    分形特征    地貌特征    构造活动性    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.02.024     文章编号:1006-6616(2020)02-0252-11
Study on the river network, geomorphological features and tectonic activity in the Danjiangkou reservoir and its surrounding areas
WEN Li1, WEI Pengfei2, LI Xuemin1, SUN Xiaozhou1, WANG Lixuan1    
1. College of Resource Environment and Tourism, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, Hubei, China;
2. Eighth Geological Brigade of Hubei, Hubei Bereau of Geology, Xiangyang 441002, Hubei, China
Abstract: Owing to its sensitiveness to tectonics and climate, river records the relevant information about river system evolution, structural deformation and climate change. It is a breakthrough point in structural geomorphology research to elaborate on regional geomorphology and tectonic activities by studying the formation and evolution of the river, while the most direct and effective way to study formation and evolution of the river is through the spatial change of river morphology. Complex geomorphology, frequently-happened geological disasters, and strong tectonic activities make the Danjiangkou reservoir an ideal place for structural geomorphology research. In this paper, we researched on the river morphology, geomorphology and tectonic activities in the surrounding areas of the Danjiangkou reservoir. It is shown that the spatial characteristics of the river network fractal dimension values are highly consistent with the spatial distribution of the regional active faults. In and around the relatively active fault zones, the river networks are affected by tectonic activities in the process of development. The evolution of the river is immature and the river network fractal dimension values are relatively low (below 1.115). On the contrary, in and around the relatively inactive fault zones, the evolution of the river is mature, and the river network fractal dimension values are relatively high(above 1.25). Moreover, there is no significant correlation between the spatial distribution of river network fractal dimension values and geomorphological parameters, such as topographic slope and average elevation, which means the crucial factor affecting the spatial distribution of river network is the regional tectonic activity. Therefore, characteristics of river network fractal dimension can quantitatively reflect the strength and difference of regional tectonic activities, which provides reference for the studies on river formation and evolution, tectonic activity and prediction of geological disasters.
Key words: Danjiangkou reservoir    fractal characteristics    geomorphological features    tectonic activity    

河流作为构造活动-地貌-气候变化相互作用的产物,对气候变化、构造活动的响应最为敏感,同时也记录了丰富的水系演化、构造活动性以及气候变化等信息(汪华斌,1996周新桂等,1997张会平等, 2006, 2008王一舟等,2016),上个世纪50年代以来有关河流地貌的定量研究逐渐增多,而与河流形态特征相关的分形理论在创立之后的二十多年里已被广泛应用于自然科学和社会科学的几乎所有的领域,成为国际上科学领域的前沿研究课题之一(孔凡臣和丁国瑜,1991Rodriguez-Iturbe et al., 1992朱晓华,1999张哲儒和毛华海,2000秦耀辰和刘凯,2003徐志斌和谢和平,2004)。认识河道形态的分形维数与地理、地质要素之间的相互关系,研究自然界广泛存在的自组织过程及其河道的自组织结构,对于了解地球表面形态中所包含的丰富信息,揭示地球演化进程具有重要意义和广泛的应用前景(张捷和包浩生,1994Hull,1996Zhang et al., 2008Shen et al., 2011;Shi et al., 2014;刘勇洪和徐永明,2015),如景观斑块尺度(庄至凤等,2015)、农村居民点空间特征(杨欢和刘学录,2015)、流域植被格局分形(李斌斌等,2015)、滑坡规模与发育特征(彭令等,2014邱海军等,2014)、河道分形与流域构造(刘传正,1993沈晓华等,2001石峰等,2016曹新文等,2018白永建等,2019)。然而已有的很多研究主要针对活动断裂自身的活动性与展布特征(谭凯旋等,1998沈晓华等,2001王林和陈兴伟,2007石峰等,2016),构造活动性与地貌特征的相互关系,抑或是水力侵蚀模型分析中构造活动性与河流纵剖面形态的相互关系,而对于与构造活动性联系比较密切的河流形态空间分布特征未做深入的分析与研究;如河流的形成与演化过程可否通过河流的形态结构进行表征,河流在形成与演化过程中又是如何受到构造活动、地貌特征的影响。而丹江口水库库区不同于长江流域其他支流及干流水库库区,地貌特征复杂、地质灾害频发、差异性构造活动较为强烈,是开展构造地貌研究的理想场所。本文通过对丹江口水库库区及周边地区不同尺度的河流,采用Horton定理分维计算法,沿着河道伸展方向依据其特征尺度计算分形维数,量化不同尺度的河流形态特征,结合区域地貌特征及构造背景,判断河流平面形态特征与地貌特征、构造活动性之间的耦合关系,对研究丹江口水库库区及周边地区地貌特征演化、构造活动性及预测地质灾害的发生等方面有一定的指导意义。

1 研究区介绍

丹江口水库是南水北调中线工程的水源地,位于湖北、河南两省交界,丹江口水库流域集水面积为9.6×104 km2,山高坡陡,山地及丘陵面积占97%,总体趋势是由西北向东南倾斜。丹江口水库及周边地区在构造上处于秦淮弧内侧的武当隆起边缘,青峰断裂为隆起南界,东临南襄盆地。库区地层分区以青峰为界,北为秦岭区,南为扬子区。秦岭区的基底主要由元古界的耀岭河群、郧西群及武当山群的变质中酸性火山岩组成,秦岭区盖层以丹江为界,分为东西两部分, 东部为南襄盆地,以碳酸盐岩为主;西部为上古生界构造层,含多种岩石(如变质岩浆岩、白云岩、石英岩等),主要以变质岩浆岩为主。研究区内断裂较多,主要有青峰—广济断裂,竹山断裂、公路断裂(白河—石花街断裂)、均郧断裂(两郧断裂)、靖口关—花石岩—山阳断裂、丹凤—商南—商城断裂及土门—观音滑脱断裂(图 1)。青峰—广济断裂是分隔秦岭褶皱系和扬子准地台的区域断裂向南逆冲于扬子地台的逆冲推覆断层;竹山断裂为北大巴山褶皱带和武当复背斜之分界断裂,断裂性质为逆冲推覆断层;均郧断裂(两郧断裂)为逆断层(湖北省地质矿产局,1990),由一系列平行断层组成;公路断裂(白河—石花街断裂)为控制南襄断拗南界的逆冲断层;靖口关—花石岩—山阳断裂为泥盆—石炭纪同沉积逆断层;土门观音滑脱断裂是鄂西北地区武当山岩群与耀岭河组之间的重要构造界面;商南断裂带具多期活动,控制北秦岭南带早古生界、中—新生界丹凤蛇绿岩带的展布,发育超基性—中酸性侵入岩,为南北两大板块结合带。研究区域地质、地貌特征与活动构造分布如图 1所示。

a—区域高程分布叠加山影图;b—区域地质图 图 1 研究区地质地貌特征与活动构造分布图 Fig. 1 Schematic diagram of geological and geomorphological characteristics and the distribution of active structures in the study area
2 数据材料与方法 2.1 数据材料

研究区内高程栅格数据,流域的范围,河流分布,高程分布等数据主要基于地理数据云(http://www.gscloud.cn/)提供的GDEM V2 30 m分辨率数字高程数据,ASTER GDEM数据由日本METI和美国NASA联合研制并免费面向公众分发,自2009年6月29日V1版ASTER GDEM数据发布以来,在全球对地观测研究中取得了广泛的应用,但是,ASTER GDEM V1原始数据局部地区存在异常,所以由ASTER GDEM V1加工的数字高程数据产品也存在个别区域的数据异常现象,ASTER GDEM V2版则采用了一种先进的算法对V1版GDEM影像进行了改进,提高了数据的空间分辨率精度和高程精度,ASTER GDEM V2全球数字高程数据于2015年1月6日正式发布,用户可以免费下载使用。河流分类与分级数据来源于国家基础地理信息中心提供的中国河流分类数据(http://ngcc.sbsm.gov.cn)。区域地质数据基于国土资源科学数据共享网(http://gsd.cgs.cn)提供的1/250万中国地质图、中国湖泊数据库,以及部分1/20万地质图,地震记录数据来自地震出版社1995年出版的《中国历史强震目录(公元前23世纪—公元1911年)》和美国USGS提供的地震记录(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/),地震出版社出版的强震目录主要收集的地震记录数据是震级大于4.75级的地震数据(国家地震局震害防御司,1995),美国USGS提供的地震记录数据收集从1979年至今的地震记录。研究区域内的地质灾害数据来自中国地质环境信息网全国地质灾害通报数据(http://www.cigem.gov.cn),地质灾害数据收录时间为2006年至2017年,考虑到引发地质灾害的外在因素的干扰,特别是降水事件的影响,同时研究区域气候类型为季风气候,受东南季风的控制,降水集中在7—9月,因此,选择每年1—3月份降水量相对偏少的时段内发生的地质灾害事件。

2.2 方法

(1) 河网形态的分维分析

河网形态的分维数计算方法一般主要有两类,一类是基于分形几何理论的计算方法,另一类是基于Horton定理的分维计算方法。第一类方法为基于分形几何理论的格网法计算(沈玉昌和龚国元,1986),主要步骤是,首先初始化设置格网的边长e,包含河流信息片段的格网数为N(e),当e不断地变化时,就对应一组e1,e2,e3…,然后得到一组N(e1),N(e2),N(e3)…。以点{ln(e), ln N(e)}为坐标作双对数图,用最小二乘法可以拟合一条直线:

$ \lg \mathrm{N}(e)=A-D \lg (e) $ (1)

直线的斜率D即为水系的分维数,A为直线拟合参数。

第二类方法为Horton定理分维计算法,假设L为河流长度,S为河网流域面积,河网长度L与流域面积的关系可以用下面的公式表示(Mandelbrot, 1983Mesa and Gopta, 1987冯平和冯焱,1997):

$ L \sim S^{\alpha} $ (2)

α为假设的拟合参数,则河网形态的分维值:

$ D=2 \alpha $ (3)

(2) 子流域地貌分析

基于ASTER GDEM V2全球数字高程数据通过ARCGIS空间分析模块中的水文分析模型提取每条支流的集水区域,计算每个子区的流域面积,平均高程,平均坡度,河网长度等指标,分析结果如表 1所示。

表 1 丹江口水库库区周边地区水系河网分维值及地貌指标 Table 1 River network fractal dimension values and geomorphological indexes in the surrounding areas of the Danjiangkou reservoir

(3) 区域地震事件分析

把该区域内公元前23世纪—公元1911年的历史强震地震数据投影后对地震数据进行空间分析,研究区内共有5次强震发生,震级分别为4.8、5、5.5(两次)、6.5,加上美国USGS提供的地震记录(1979年至今),该区域范围内,发生的历史地震共有8次(表 2),主要分布于青峰—广济断裂,竹山断裂、公路断裂(白河—石花街断裂)中段及该三条断裂之间的区域(图 2)。

表 2 丹江口水库库区周边地区地震目录(引自《中国历史强震目录(公元前23世纪—公元1911年)》和美国USGS提供的地震记录) Table 2 Earthquake catalog in the surrounding areas of the Danjiangkou reservoir (quoted from the "Catalogue of Chinese History(23rd Century BC-1911 AD)" and seismic records provided by USGS in the United States)

a—子流域河网分维特征分布;b—利用ARCGIS空间分析模块对每一个集水子区域进行几何中心分析及赋值并插值平滑处理后河网分维特征的空间分布F1—青峰-广济断裂;F2—竹山断裂;F3—公馆-白河-石花街断裂;F4—粟扎坪-七里峡断裂;F5—土门-观音滑脱断裂;F6—两郧断裂;F7—靖口关-花石岩-山阳断裂;F8—淅川断裂;F9—丹凤-商南-商城断裂;F10—朱阳关-大河深断裂 图 2 研究区内地震记录、地质灾害事件、河网分形维数的空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of the earthquakes, geological hazards, river network fractal dimension values in the study area

(4) 区域地质灾害事件分析

中国地质灾害类型较多,主要表现为滑坡和崩塌,分别占地质灾害总数的70%与10%左右(张春山等,2000章诗芳等,2017),考虑到引发地质灾害的外在因素的干扰,特别是降水事件的影响,降水过程对地质灾害的影响一般主要表现在4—10月,不同地区时间序列上有所不同,主要与区域降水规律有关(许强等,2002宁奎斌等,2018),文中选择中国地质环境信息网全国地质灾害通报数据(2004—2017年)每年1—3月份降水量相对较少的时段,根据灾害类型及发生地点投影到区域构造地貌类型图(图 2),从2006年至2017年的1—3月份时段内,该区域共发生地质灾害14起,其中崩塌事件3起,滑坡事件11起,详细数据如表 3

表 3 丹江口水库库区及周边地区地质灾害目录 Table 3 Geological hazards catalog in the surrounding areas of the Danjiangkou reservoir
3 结果与讨论

利用Horton定理分维计算法对丹江口水库库区周边地区的河流平面形态进行分维计算,基于ARCGIS空间分析模块对河网分维度进行空间分析处理得到研究区内河网分形维数的空间分布特征,分析结果如图 2所示。考虑到丹江口水库库区范围内无河道分布,同时每个河网段集水面积大小不同的影响,利用ARCGIS空间分析模块对每一个集水子区域进行几何中心点提取及赋值,利用IDW (反向等距离法)插值法进行插值并平滑处理后得到河网分维特征的空间分布图(图 2b)。

3.1 河流平面形态与地貌特征之间的耦合关系

通过连续迭移格网法和Horton河系定律法对丹江口水库库区周边地区的河流平面形态进行分维计算之后再利用ARCGIS进行空间分布分析发现,研究区内河网分维值变化较大,分维度最小值为1.108,除了正北方向有一个区域出现低值之外,其他低值都出现在堵河流域及附近范围之内;最大值为1.305,高值的分布比较分散,在研究区东部、北部和西部都呈现分维值的高值。同时,对河网分维值和集水区域内平均高程和平均坡度进行相关性分析发现,河网分维值与子集水区域内的平均高程和平均坡度之间的相关性都不显著,点的分布比较离散,线性相关系数值分别为0.0076与0.016(图 3a3b);另外,考虑到集水区域面积的变化可能对河网分维值的影响,把集水面积与河网分维值进行相关性分析发现也并未呈现显著的相关性,点的分布同样比较离散,线性相关系数值为0.0158(图 3c),因此集水面积的变化在小流域范围内对分维值的影响不显著,或者说集水面积的变化在河流的支流或者上游区域对河网的分维值影响较小,对河流的干流或者中下游区域的影响可能较大。综上所述,可以判断河网的分维值变化与地貌特征差异变化关系不明显,地貌特征对河网的形态特征的影响并不是决定性因素。

a—子集水区域河网分维值与平均高程的相关关系;b—子集水区域河网分维值与平均坡度的相关关系;c—子集水区域河网分维值与区域集水面积的相关关系
R—相关系数;E—科学计数符号
图 3 丹江口水库库区周边地区水系河网分维值与地貌特征的相关关系 Fig. 3 Correlation between river network fractal dimension value and geomorphological characteristics in the surrounding areas of the Danjiangkou reservoir
3.2 河流形态与断裂活动性之间的耦合关系

通过对比该区域内历史地震记录数据投影统计分类结果和该区域构造断裂的空间分布特征可以看出,该区域内地震次数总体来说很少,震级较低,有记录以来发生的最大地震为公元788年的6.5级地震,震中位于竹山县(图 2),从断裂活动性的表现——地震记录来看,北部断裂带的活动性表现相比南部断裂来说要弱很多,活动性较强的断裂主要是青峰—广济断裂,竹山断裂、公路断裂(白河—石花街断裂)。有趣的是,该区域内河网分维值区域[h], [m], [o], [k], [q], [r]与区域内活动性较强的断裂F1,F2,F3中段,存在空间分布的高度吻合(图 2a),活动性较强的断裂带及周边地区,河网发育过程中受到构造活动的影响,发育不成熟,河网分维值出现低值,分维值都在1.115以下;活动性较弱的断裂带及周边地区,河网发育过程中未受到构造活动的影响,发育较成熟,河网分维值出现高值,分维值都在1.25以上(图 2a)。由于丹江口水库库区范围内无河道分布,因此在该区域内河网分维度为空白值,从IDW(反向等距离法)插值法进行插值处理后的结果图中(图 2b)可以看到历史地震记录分布的区域与河网分维值的低值点分布区域完全吻合,而河网分维值的高值区完全没有历史地震的记录,进一步证明构造活动性对河网形态特征的控制作用。另外,文力等(2018)对青藏高原周边典型区域河网形态分形特征进行研究之后发现,构造活动性强烈的地区,地震频繁,大震较多,强烈的构造活动影响河网的发育过程,因此河网发育不成熟,河网分维值都比较低。因此,河网形态的分维特征可以定量反映区域构造活动的强弱及各区域构造活动的差异,这对于研究河流的形成与演化、构造活动性及预防地质灾害的发生等方面都有一定的参考价值。

3.3 河流形态与区域地质灾害事件之间的耦合关系

众所周知,区域地质灾害的发生受到诸多因素的诱发与干扰表现出不同的空间分布特征,为了去除外力作用干扰的诱发与影响,故选择了每年1—3月份研究区降水量在全年最低的时段内的地质灾害事件,同时通过对比区域地质灾害的空间分布与地震事件的空间特征发现(图 2a2b),1—3月份地质灾害的空间分布特征与历史地震的空间分布特征、河网分维值的空间分布规律存在高度吻合,活动性较强的断裂如青峰—广济断裂,竹山断裂、公路断裂(白河—石花街断裂)等附近都有地质灾害的发生,如崩塌、滑坡,特别是地质灾害沿公路断裂(白河—石花街断裂)呈现条带状分布,历史地震记录在该断裂的西南方向约22 km的地方也同样呈现条带状分布,由此可以判断该断裂引发的地震震中位置距离地表破裂带西南约22 km,震源深度为10 km,根据地震记录的震源深度和地表破裂之间的空间几何关系(图 4a4b)可以计算逆冲断裂平均倾角为24.5°左右,根据野外综合考察的测量数据,该断裂近地表产状平均倾角约30°左右(图 4c),因此可以推断公路断裂(白河—石花街断裂)为低倾角逆冲断裂(张培震等,2008),同时在近地表附近断裂倾角大于地下断裂倾角,呈现“犁状”或“铲状”,不过相对于2008年5月12日的汶川地震的发震断层的“犁状”或“铲状”低倾角逆冲断裂而言,该断裂的近地表附近断裂倾角要明显低于汶川地震的发震断层的近地表附近断裂倾角(70°左右),断裂“犁状”或“铲状”特征为断裂活动积累了相对更大更多的能量,因此该断裂为区域内活动性最强的断裂,该断裂所覆盖的区域河网分维值都比较低,介于1.125~1.135之间,为研究区内河网分维值的最低值,但相对于汶川地震的发震断层来说,表明研究区积累的能量还是偏低的,这也可以从该区域的历史地震事件记录看出来。而活动性较弱的断裂如均郧断裂(两郧断裂)、靖口关—花石岩—山阳断裂、丹凤—商南—商城断裂及土门—观音滑脱断裂周边鲜有地质灾害的发生,断裂所覆盖的区域河网分维值都比较高,介于1.255~1.350之间,为研究区内河网分维值的最大值。综上所述,1—3月份地质灾害的空间分布特征可以反映区域断裂的构造活动性特征,断裂的构造活动性对区域内的地表河网形态、地质灾害的发生起主导作用。

a—公路断裂石花段断层三角面远景,镜向南;b—石花断裂近景实地产状测量,镜向东;c—公路断裂地层地下空间几何模式 图 4 公路断裂(白河—石花街断裂)野外露头测量与空间几何关系示意图 Fig. 4 Relation diagram of spatial geometry and field measurement of the outcrop in the Gonglu fault (Baihe-Shihuajie fault)
4 结论

通过对河流的形成与演化的研究来阐述地貌特征和区域构造活动性特征是构造地貌研究的一个突破点,河流形态特征的变化是研究河流形成与演化的最为直观有效的方法。通过对丹江口水库库区及周边地区河流形态特征、地貌特征及构造活动性进行综合分析得出如下结论。

(1) 河网的分维值变化与地貌特征差异变化关系不明显,地貌特征对河网的形态特征的影响并不是决定性因素。

(2) 河网形态的分维特征可以定量反映区域构造活动的强弱及各区域构造活动的差异,构造活动性较强的断裂带及周边地区,河网发育过程中受到构造活动的影响,发育不成熟,河网分维值出现低值;构造活动性较弱的断裂带及周边地区,河网分维值出现高值。同时构造活动性较强的地区,历史地震记录较多,强震较多,与河网分维值的低值区间完全吻合,进一步证明构造活动性对河网形态特征的控制作用。因此,研究河网形态特征对河流的形成与演化、构造活动性及预防地质灾害的发生等方面都有一定的指导意义。

(3) 1—3月份地质灾害的空间分布特征与历史地震的空间分布特征、河网分维值的空间分布规律具备高度的吻合规律,因此1—3月份地质灾害的空间分布特征可以用来借鉴判断区域断裂的构造活动性特征。

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