晚新生代以来,印度板块与欧亚板块的碰撞形成了世界上最大最高的高原——青藏高原,高原的强烈隆升造就了整个欧亚大陆的构造格局^{[1, 2, 3, 4]}。位于青藏高原隆升扩展前缘部位的祁连山西段由于受到阿尔金断裂和北祁连山断裂构造活动的影响而发育了独具特色的地貌景观,主要表现为一系列北西-南东走向、 近平行的山体与夹持在其中的山间盆地相间排列的特点,这与该区NW向逆冲断裂和褶皱等构造变形有关^{[5, 6]}。其中,位于祁连山西段的党河南山断裂和野马河断裂控制着党河南山、 野马山及其之间的盐池湾盆地和野马河盆地的发育,分解了阿尔金断裂的走滑活动而转换为逆冲分量^[7],进而使该区发生挤压逆冲和地壳缩短等构造变形^[8]。党河流域正是发育在党河南山和野马山之间的盐池湾盆地和野马河盆地内部。

前人对该区的研究主要集中在各主干活动断裂(阿尔金断裂^{[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]}、 党河南山断裂^{[17, 18]}及野马河断裂^[19]等)晚第四纪滑动速率、 新构造特征以及应变分配等方面,而对党河流域的地貌发育特征及其与新构造活动的响应关系却鲜有报道； 虽然张会平等^{[20, 21]}分析了祁连山西段3个流域盆地的几何形态及其所反映的构造意义,但对更精细化的党河流域地貌发育与构造活动的响应却没有做详细的说明。本文基于SRTM-3数字高程模型数据,以党河单一流域盆地为研究对象,利用ArcGIS空间分析技术提取流域各项地貌因子并结合断裂活动特征,系统探讨党河流域地貌发育特征及其对构造活动的响应。

党河流域位于祁连山西段,处在阿尔金山与祁连山的结合部位,是青藏高原向北挤压扩展的最前缘部位,也是高原正在生长的重要组成部分。关于该区的活动构造特征,徐锡伟等^[7]提出三联点的观点,认为阿尔金断裂的左旋走滑速率向东逐渐衰减,其分量的很大一部分被祁连山内部活动逆断层的地壳缩短和上盘推覆体抬升效应所吸收。本区发育的活动断裂主要有阿尔金断裂、 三危山断裂、 野马河北缘断裂、 野马河南缘断裂、 党河南山北缘断裂以及党河南山主峰断裂等^{[18, 19, 20, 22]}(图1)。

图1(Fig.1)

图1 研究区地形地貌及主要水系分布图 F1——三危山断裂,F2——阿尔金断裂,F3——野马河北缘断裂,F4——野马河南缘断裂,F5——党河南山北缘断裂,F6——党河南山主峰断裂 Fig.1 The map of topography and major drainage in the study area

图1显示,三危山断裂和阿尔金断裂分别横穿党河流域,其他4条断裂大致平行展布于党河及其支流野马河两侧。这些断裂晚更新世以来均表现出较强的活动性。其中,三危山断裂早期研究认为以间歇性的区域抬升为主,其晚更新世以来抬升速率为0.92mm/a^[22],但最新研究表明该断裂晚第四纪以来仍有活动,其左旋走滑速率为0.25mm/a^[23]； 阿尔金断裂以左旋走滑为主,但其主断裂两侧存在逆冲分量,逆断层主要分布在阿尔金山北缘及山前的冲洪积扇上^{[24, 25]},虽然阿尔金断裂晚第四纪以来滑动速率存在一定争议^{[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 24, 25]},但其滑动速率总体由西向东递减却是不争的事实,减小的滑移量转换成了邻近断裂的挤压逆冲和褶皱变形^[11]。区内的野马河断裂和党河南山北缘断裂在晚更新世以来均表现为较强的逆冲特性: 党河南山北缘断裂西、 中、 东段垂向滑动速率各为 0.5±0.1mm/a、 1.0±0.1mm/a和 0.9±0.1mm/a,野马河北缘断裂晚更新世以来的平均逆冲速率为 0.4±0.07mm/a^{[17, 18, 19]}。

党河发源于祁连山腹地,呈南东-北西向穿行于祁连山西段的盆山系统内部,大致平行于两侧的山脉走向； 在流经盐池湾、 野马河盆地后,最终消失于戈壁沙漠中(图1)。整个党河流域呈现东南高、 西北低的递减式形态特征,河流穿过阿尔金山后向北流入广阔的冲洪积平原地区,高程为1300-1500m左右。利用条带状剖面统计一定区域范围内地形高程的最大、 最小和平均值,可半定量-定量分析研究区内山峰、 河谷的高程变化以及侵蚀程度^{[26, 27, 28]}。我们截取了大致平行于流域盆地走向的A-A′剖面和垂直于盆地走向的B-B′剖面(见 图1),来分析其地形地貌特征(图2)。从A-A′剖面可以看出,研究区内党河流域盆地上游山脉的高程主要集中在4000-4500m之间,山顶面构成了区内最高的主夷平面,而且地形起伏并不大,局部下凹的地方为第四纪盆地区,盆地的发育受主干活动断裂的逆冲活动所控制,构成压陷性盆地； 阿尔金断裂与三危山断裂之间的过渡区域为广阔的冲洪积扇地貌特征,而流域盆地的下游则为绝对高程较小的冲积平原地区,其起伏度极小,地形相对较为平坦。垂直于党河流域盆地走向的B-B′剖面则显示出了较大的地形起伏,起伏较大的地方同样都是受断裂逆冲活动所控制的盆地区,清晰地反映出局部构造活动和侵蚀程度的差异性。

图2(Fig.2)

图2 A-A′和B-B′条带状剖面(位置见图1) Fig.2 A-A′ and B-B′ swath profiles

本研究所利用的DEM(Digital Elevation Model)数据是由美国太空总署(NASA)和美国国防部国家测绘局(NIMA)联合进行的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)计划获得。2000年2月11日,美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载SRTM系统,共计进行了222小时23分钟的数据采集工作,获取 60°N至 60°E之间总面积超过1.19×10⁸km²的雷达影像数据,覆盖地球80 ％ 以上的陆地表面。此次采集的SRTM-DEM数据分为两类: 即SRTM-1和SRTM-3,分别代表3m和90m的分辨率^[26]。除美国之外其他地区的DEM仅有SRTM-3数据实现共享,该数据已经被广泛应用于青藏高原及其周边地区构造地貌的分析与研究^{[27, 28, 29, 30, 31]},本研究利用的正是SRTM-3 数字高程模型(DEM)数据。

自从20世纪60年代起,不同学者陆续提出构造活动与地貌发育具有一定关系并对这种关系进行了初步探讨^{[32, 33, 34, 35]}； 近年来,随着GIS技术的不断发展以及高精度数字高程模型数据的获取,越来越多的国内外学者开始利用各种地貌参数来分析其构造活动特征,如构造活动区的山前弯曲度^[36]、 谷肩比^{[37, 38]}、 河段坡降指数^{[39, 40]}、 河流陡峭系数^{[41, 42]}、 坡度和面积-高程积分^{[33, 43, 44, 45, 46]}等。

Strahler^[33]提出利用面积-高程积分曲线来反应流域盆地的地貌演化过程,面积-高程积分曲线即以流域盆地相对高度比(h/H)为纵轴、 相对面积比(a/A)为横轴而得到的曲线,是一种以二维曲线架构描述地表三维体积残存率的地貌参数(图3)。其中,h为流域盆地内某一高程与最低高程的高差,H为该流域盆地的最大高差； a为流域盆地某一高程的截面积,A为该流域盆地最低高程的截面积,即该流域盆地投影在水平面后的总面积^{[45, 46, 47]}。 面积-高程积分曲线下方的面积就是面积-高程积分值(HI)。

图3(Fig.3)

图3 面积-高程积分曲线的计算及所代表的地形面[33] Fig.3 The definition of the Hypsometric Integral and the different phases of the river evolution[33]

如 图3所示,如果面积-高程积分曲线呈上凸形状(HI=0.795),则表示流域地貌演化处于幼年时期； 若曲线呈现下凹状态(HI=0.176),则表示流域地貌演化已经步入老年阶段； 如果面积-高程积分曲线的形状居于两者之间(HI=0.430),即呈现S形,则表示流域正处于河流发育的“壮年期”^{[34, 43, 44, 45, 46]}。面积-高程积分对构造活动的影响十分敏感,是一种很好的判断流域盆地地貌特征及其构造活动响应的地貌指标^{[33, 47, 48, 49]}。Pike和Wilson^[50]研究认为高程起伏比近似等于面积-高程积分值,故推导出面积-高程积分的简易计算公式如下:

公式(1)中H_mean、 H_max和H_min分别为流域盆地的平均高程、 最大高程和最小高程。

ArcGIS的水文分析模块可以快速实现党河流域水系网络的提取,水系分级利用的是近年来广为流行的Strahler分类方法^{[26, 29]},根据Strahler水系分级原则,将最初的没有任何支流汇入的水系定义为一级,两个一级水系交汇则形成二级水系,并以此类推。要获取各级水系的流域盆地,必须要先确定汇水点的位置； 汇水点是指沿水系分水岭方向、 相对较窄、 并且整个盆地内流水以及沉积物最终汇聚的地区^[26]。 本文以各级水系交汇点作为亚流域水系的汇水点采用ArcGIS空间分析技术系统提取各级亚流域盆地,并利用差除算法整合各级亚流域盆地。

在成功提取党河水系网络、 流域盆地以及亚流域盆地之后,ArcGIS的空间分析模块可批量计算各种用于分析构造活动的地貌指标。

地表粗糙度是反映地表的起伏变化和侵蚀程度的指标^[51],一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比,可在一定程度上反映地质构造运动的幅度。 比值越高则表示区域内地表粗糙度越大； 反之,则表示区域粗糙度较小。

地表起伏度是指定区域内最高高程与最低高程之差,即RF=H_max-H_min,地形起伏度能够直观地反映地表起伏特征^[52]。

切割深度是指地面某点的邻域范围的平均高程与该邻域范围内的最小高程的差值,可定义为D=H_mean-H_min,是宏观表示区域内地表被侵蚀切割程度的重要指标^[53]。

> 在构造活动发育、 剥蚀强烈的地区,其区域地表起伏度和切割深度值较大,反之则较小。

为了细致地探讨流域地貌发育对于构造活动差异性的响应,结合研究区构造发育特征,我们选取三、 四和五级亚流域盆地共计554个,采用公式(1)分别计算了各亚流域盆地的HI值。为更好地反映HI值的空间分布特征,本文对所获得的HI值进行空间插值,生成等值分区图(图4),并计算了部分区外的亚流域盆地值以消除研究区内由于差值方法本身限制而出现的边界错误值。

图4(Fig.4)

图4 党河流域各级亚流域盆地分布(a)及HI值等值分区图(b) Fig.4 The distribution of the sub-basins(a)and its HI values(b)

如 图4所示,HI低值区基本与压陷性河谷盆地的分布范围吻合,尤其是党河所在的盐池湾盆地、 野马河所在的野马河盆地以及阿尔金断裂与三危山断裂之间的冲积平原地区,表现出成片的HI低值区； 而敦煌三危山、 阿尔金山以及野马南山、 党河南山等地发育有晚第四纪活动断裂的区域则呈现出HI高值分布(图4b),这些区域均是因活动断裂强烈的构造活动而形成的山体隆升区,尤其三危山地区出现局部显著高HI值,可能是阿尔金断裂走滑活动向东衰减发生应变分解后,三危山断裂作为其运动分量的承接断裂之一,存在强烈挤压逆冲活动的表现^{[7, 14]}。郑光佑^[47]曾研究指出,在逆断层下盘、 正断层上盘以及向斜轴附近,HI值呈现低值异常； 而在逆断层上盘、 正断层下盘以及背斜轴附近HI值呈现高值异常,以上结果则可以很好地揭示出构造活动对于地形发育的影响作用。对党河流域而言,邵延秀等^[17]研究得到,控制党河南山以及盐池湾盆地发育的党河南山北缘断裂按照其活动性的差异可分为三段: 西端、 中段以及东段,其晚更新世以来的垂直滑动速率分别为 0.5±0.1mm/a、 1.0±0.1mm/a和 0.9±0.1mm/a,各段逆冲速率存在一定差异； 与之相对应的是,在党河南山北缘断裂的持续逆冲作用下,党河南山不断隆升,其控制区域在HI等值分区图上呈现高值,而处于挤压前缘的盐池湾盆地成为构造沉降区,在HI分布图上表现出大片的HI低值区(图5)。

图5(Fig.5)

图5 党河南山与野马南山构造模式简图 Fig.5 Tectonic pattern of Danghe Nanshan and Yema Nanshan

为了进一步说明HI值的空间分布特征,我们将HI空间分布图与区域地形起伏度、 粗糙度以及切割深度进行综合对比分析(图6)。

图6(Fig.6)

图6 党河流域地貌参数综合图 (a)地表粗糙度,(b)起伏度,(c)区域切割深度,(d)HI值 Fig.6 The diagram of integrated topography parameters in Danghe River

由 图6可知,无论是地表粗糙度(图6a)、 起伏度(图6b)亦或是区域切割深度(图6c),3种地貌指标在阿尔金山、 野马南山以及党河南山的控制范围内都呈现出高值分布； 而在盐池湾盆地、 野马河盆地以及阿尔金断裂与三危山断裂之间的冲积平原地区都表现为低值,这种现象与HI在空间上的分布图(图6d)具有很好的对应性,显示出以上各山体控边断裂的构造活动对山体隆升及其地表活动具有很强的影响作用。然而,在党河下游的三危山断裂处,HI值呈现出异常高值,而在其他3种地貌指标的分布图(图6a、 图6b和图6c)上却无明显异常——即以阿尔金断裂为界,党河上游山地区HI值分布特征与地表粗糙度、 起伏度以及切割深度有很好地对应,而在党河下游的冲积平原区HI值出现异常高值。

为了更好地认识三危山地区异常的HI高值并探讨该区构造活动与地貌响应的关系,我们在三危山地区HI高值区提取10个亚流域盆地并计算其面积-高程积分曲线(图4中绿色区域),结果如 图7所示,10个亚流域盆地中HI值最小为0.4009,曲线呈现略微下凹形态； HI值最大为0.7134,曲线呈明显上凸形状。通过计算其HI平均值,得到其平均值为0.58,即 图7中绿色粗体曲线的HI值,并进一步分析其所对应的面积-高程积分曲线形状来探讨三危山地区的地形发育特征并解释其构造意义(图8)。

图7(Fig.7)

图7 三危山地区亚流域盆地面积-高程曲线图 Fig.7 Distribution of sub-basins' hypsometric curves of Sanweishan

图8(Fig.8)

图8 危山地区平均地形发育曲线形态 Fig.8 The average curve shape of Sanweishan

根据面积-高程积分曲线的定义来分析三危山地区的平均地形发育特征,如 图8所示,当高程比为0.8时,所对应的面积比为 0.2,代表其高程与最低高程之高差与总高差之比为 0.8 的截面以上的面积占总投影面积的 0.2； 当高程比为 0.6 时,所对应的面积比为 0.6,代表其高程与最低高程之高差与总高差之比为 0.6 的截面以上的面积占总投影面积的 0.6； 当高程比为 0.4时,所对应的面积比为0.8,代表其高程与最低高程之高差与总高差之比为0.4 的截面以上的面积占总投影面积的 0.8。 面积-高程积分值的物理意义代表流域盆地在构造作用与剥蚀作用共同影响下的体积残存率^{[33, 45]},由分析可知,党河流域下游三危山地区大部分的面积位于较高的相对高程处,代表了较大的体积残存率,而且其面积-高程积分曲线呈现明显上凸形态。Ohmori^[34]研究认为在构造运动活跃地区,当山地抬升速率等于地表剥蚀速率时,山体高程最大,其面积-高程曲线呈现S形,此时地形处于均衡状态； 而三危山地区的平均面积-高程积分曲线形态明显上凸,说明三危山地区的地形发育正处于幼年期向壮年期的过渡时期^[33]。关于与三危山隆升息息相关的三危山断裂,早期张裕明和柳覃卓^[22]研究认为三危山断裂是一条晚更新世以来无强震发生的第四纪活动断层,但是近年来的研究表明三危山断裂晚更新世以来仍有活动^[23],而且闫业庆和胡雅杰^[54]的研究指出三危山地区降水量很少,地表剥蚀缓慢。因此,以上分析表明三危山地区正处于山体快速隆升期,为造山的前均衡时期,即山体抬升速率大于地表剥蚀速率,故该区在面积-高程积分(HI)分布图上表现出大片的高值(图5和 图9),亚流域盆地的面积-高程曲线总体呈凸形； 这也解释了为何在区域粗糙度、 起伏度和切割深度图中,三危山地区没有表现出明显的异常特征。

图9(Fig.9)

图9 三危山地区构造模式简图 Fig.9 Tectonic pattern of the Sanweishan

根据前人^{[7, 8, 11, 12, 13, 17, 18, 19, 23, 24, 25]}对研究区主干活动断裂的最新研究结果,我们系统归纳了党河流域内部及周边各断裂带的垂直滑动速率,并将其与断裂带附近地区的HI值做匹配关系讨论,如 图10所示。

图10(Fig.10)

图10 党河流域HI值与垂向滑动速率关系图 图中黑色点线代表流域HI值,而矩形长条为断裂垂直滑动速率 Fig.10 A map of relationship between HI values and vertical slip rate

图10的结果显示在阿尔金断裂、 党河南山北缘断裂西、 中、 东段HI值与垂直滑动速率具有很好的匹配关系。例如阿尔金断裂在本区的垂直滑动速率为 0.64±0.27mm/a(阿尔金断裂东端的团结乡晚更新世以来平均垂直逆冲速率为 0.91±0.11mm/a,半果巴的平均垂向逆冲速率为 0.37±0.07mm/a)^[25],我们得到的其HI值介于0.40-0.45之间； 同样,党河南山北缘断裂西、 中、 东段垂直滑动速率各为 0.5±0.1mm/a、 1.0±0.1mm/a和 0.9±0.1mm/a,其对应的HI值分别为0.35-0.40、 0.45-0.55和0.40-0.45； 野马河北缘断裂晚更新世以来的平均逆冲速率为 0.40±0.07mm/a^[18],其对应的HI值为0.40-0.45。通过对比断裂垂直滑动速率及其所在区域的HI值,结果显示出二者之间具有很好的相关性和同步性。前文重点讨论过的三危山断裂所对应地区的HI值是最高的,张裕明和柳覃卓^[22]研究指出,晚更新世末期以来三危山断裂平均垂直逆冲速率大致为1.1mm/a,与党河南山北缘断裂中段的逆冲速率大体相当,然而其所对应的HI值却高出较多,则认为三危山断裂所控制的区域其HI值与断裂垂向滑动速率之间表现为离散特性。郑光佑^[47]和陈彦杰^[45]指出在抬升作用活跃的地区,亚流域盆地在整个流域盆地中的位置会影响其面积-高程积分值(HI值): 位于较下游的亚流域盆地,一般都具有相对较高的HI值； 相应的,位于上游的亚流域盆地具有相对较小的HI值,即HI值具有向上游递减的趋势。根据公式(1)可知,HI值与亚流域盆地的高差(H_max-H_min)具有负相关关系,即高差越大,HI值越小； 高差越小,HI值越大。三危山断裂位于整个党河流域盆地的最下游(图1),NEE向展布于山前冲积平原区,该区地形平坦,高差较小,所以相对于位于造山带内部的阿尔金断裂、 党河南山北缘断裂和野马河北缘断裂而言,在三危山断裂处得到的结果放大了面积-高程积分值对构造活动的响应,并且由于三危山地区气候干燥、 降雨量小^{[54, 55]},地表剥蚀作用较小,所以我们在图4上看到在大致具有相同垂向逆冲速率的情况下,三危山断裂处的HI值比党河南山北缘断裂东段所对应的HI值大。

青藏高原东北缘的祁连山地区因处于阿尔金断裂与祁连山-海原断裂两条左行走滑断裂带的右阶区从而形成一个大的挤压推覆构造体^[6]。党河流域位于祁连山西段,在区域NE-SW向的构造应力作用下,研究区内主要断裂形成了走向基本相近,倾向南西、 由南向北依次推覆的逆断层带,如党河南山北缘断裂、 野马河北缘断裂以及野马河南缘断裂等； 同样,区内三危山断裂也可能是因为阿尔金断裂三联点东西两侧左旋滑动速率的差异以及其向北的逆冲作用而具有较大的垂向滑动^{[7, 22]}。 晚第四纪以来,由于高原东北缘主边界左旋剪切断裂滑动速率以及断裂走向的改变更是加剧了研究区内各断裂的逆冲推覆作用^[6]； 同时,这种强烈的构造作用以及断裂的差异活动也被区内独特的地貌特征所记录。

通过祁连山西段党河流域地形地貌特征与该区活动断裂展布及其最新活动特征的对比分析表明,活动断裂带的构造活动强度与其所对应地区的HI值之间有很好的正相关关系,断裂的垂向逆冲速率越大,所对应的HI值也越大。 在断裂活动频繁、 逆冲作用强烈的地区,如受控于党河南山北缘断裂和党河南山主峰断裂的党河南山、 阿尔金断裂作用的阿尔金山、 受三危山断裂影响的三危山以及受控于野马河北缘断裂的野马山等都表现出了HI高值特征； 而位于逆断层下盘的区域以及沉积盆地区,如盐池湾盆地、 野马河盆地,由于其属于构造沉降区在晚更新世以来沉降并接受沉积所以在HI值分布图上表现为低值特征。

利用SRTM-3数字高程模型数据,基于GIS空间分析技术,系统地、 定量地提取党河水系流域各级亚流域盆地,计算各个亚流域盆地的面积-高程积分(HI)值与区域地表粗糙度、 地形起伏度以及切割深度综合分析,并对HI值异常区进行重点分析。 结果表明,受党河南山、 野马山所控制的党河流域晚更新世以来受边界断裂的构造活动影响而发育了独特的地貌特征。

由于吸收了阿尔金断裂部分左旋走滑位移量,祁连山西段的多条断裂表现出强烈的挤压逆冲特性； 位于逆断层上盘(党河南山)以及背斜轴部(野马南山)的区域,在HI等值分区图上表现为高值区； 位于逆断层下盘的区域(盐池湾盆地、 野马河盆地)在HI分布图上呈现出低值区； 在党河下游的三危山地区由于晚更新世以来连同三危山断裂在内的间歇性区域抬升,使得该地区在HI分布图上表现为高值区且其平均面积-高程积分曲线呈现明显上凸特征(图4和图7),反映了区域性构造隆升和沉降作用的总体结果。

通过对比各个断裂带的构造活动性与其所对应区域的面积-高程积分值(HI值)发现断裂垂向逆冲速率越大,其所对应的面积-高程积分值也越大,反之,断裂垂向逆冲速率越小,则其所对应的面积-高程积分值也越小； 地表起伏会对亚流域盆地的HI值产生一定的影响,位于低起伏度地区的亚流域盆地其HI值会放大构造活动对亚流域盆地的影响。上述特征反映出该区的构造活动与山体隆升、 盆地沉降作用具有协同一致性,表明构造作用对地貌发育起了重要的塑造作用。

致谢 匿名审稿专家及杨美芳老师对本文提出宝贵的建设性意见,让笔者获益良多,在此一并表示感谢!