2018, Vol.38
构造抬升与河流侵蚀的相互作用，塑造了现今的地貌形态。构造抬升形成高原、山脉，河流侵蚀将高原、山脉切割瓦解。然而，在这些被河谷切割的活动山脉的一定高度，往往发育着一级或多级低起伏高海拔地貌面，其成因机制以及所反应的构造信息，一直受到构造地貌学家们的关注[1~7]。
构造地貌学主要以分析变形的地貌标志来认识构造活动性[8]。对于盆地-山脉尺度、百万年时长的构造变形，这些低起伏高海拔地貌面能否作为地貌标志来进行构造变形分析，近年来再次引发争论。一种观点认为，低起伏高海拔地貌面形成于低海拔，为区域广泛发育的准平原，后期被构造抬升，因其初始形态已知，可作为地貌标志来进行构造变形分析[4, 9]。近年来，另一种新的观点认为，低起伏高海拔地貌面可以形成于高海拔，其成因主要为河流袭夺，因其初始形态和形成时间不确定，不能作为地貌标志进行长时间、大区域尺度的构造变形分析[5, 10]。
山西地堑系位于我国华北构造区中部，由一系列走向近平行的地堑和地垒相间排列构成，是华北平原和鄂尔多斯高原的枢纽构造(图 1)[11~14]。在山西地堑系的山地发育着三级低起伏高海拔地貌面，其中最为广泛发育的一级低起伏高海拔地貌面，因其在河北省蔚县的甸子梁保存的尤为完整，被称为“甸子梁面”[15~16]。前人通过统计地形高度、分析个别露头的地层接触关系等，认为甸子梁面的形成属于“准平原抬升”模式[15~16]。近年来，低起伏高海拔地貌面的一种新的“河流袭夺”模式，对传统的认知提出挑战[5, 10]。甸子梁面的成因是原先存在的准平原在后期被构造抬升，还是河流袭夺的产物，是能否将其作为地貌标志进行区域地貌演化和构造变形研究的关键。山西地堑系北部的蔚县-广灵盆地南缘山地(下文简称蔚广南山)上的地貌面保留相对完整，具有一定的研究基础，是进一步甄别甸子梁面形成机制的良好场所[15~17]。本文在阐述低起伏高海拔地貌面形成模式的基础上，以蔚广南山上发育的甸子梁面为例，论证了该级地貌面的成因机制，并进一步探讨了该地区的新构造演化过程。
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图 1 蔚县-广灵盆地区域构造地貌图 底图是ALOS World 3D-30 m DEM生成的阴影图；A-A′和B-B′指示图 3中地形条带剖面的位置，C-C′指示图 6中地形剖面的位置 Fig. 1 Regional tectonic geomorphology of Yuxian-Guangling basin. Inset figure shows the location of the study area by a black box. Base map is from ALOS World 3D-30 m DEM. A-A′ and B-B′ rectangular boxes indicate the locations of swath profiles in Fig. 3. C-C′ line indicates the location of topographic profile in Fig. 6 |
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图 3 蔚广南山中甸子梁面的地形条带剖面 (a)地形条带剖面A-A′，(b)地形条带剖面B-B′；条带宽4 km，位置见图 1 Fig. 3 Topographic swath profiles of the Dianziliang surface in the Yuguang South Mountain. (a) and (b) are swath profiles A-A′ and B-B′, and the swath is 4 km wide, see Fig. 1 (a) for locations |
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图 6 山西地堑系北部甸子梁面构造变形 C-C′剖面位置见图 1 Fig. 6 Tectonic deformation of the Dianziliang surface in the northern Shanxi graben system. See Fig. 1 for the profile location |
对于低起伏高海拔地貌面的成因，前人做过大量的研究，并给出了多种解释[1~7]。近年来“准平原抬升”模式和“河流袭夺”模式引发了新的争论[4~5]。Whipple等[4]研究表明，理论分析和数值模拟显示这两种成因机制的低起伏高海拔地貌面具有不同的地貌特征，为甄别这两种成因机制的低起伏高海拔地貌面提供了理论基础(图 2)。
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图 2 两种成因模式的低起伏高海拔地貌面的地貌特征(据Whipple等[4]修改) (a)准平原抬升模式对应的地形图(左)和坡度图(右)；(b)河流袭夺模式对应的地形图(左)和坡度图(右) Fig. 2 Diagnostic characteristics of low-relief, high-elevation surface formation mechanisms, modified from Whipple, et al.[4]. (a)Preservation mechanism: topographic(left)and slope(right)maps of a low-relief upland; (b)Piracy mechanism: topographic(left) and slope(right)maps of a low-relief upland |
原先存的准平原后期被构造抬升可形成低起伏高海拔地貌面。在地壳相对稳定的条件下，地面经长期剥蚀-堆积夷平作用，会形成接近于海平面的准平原[1, 3]。准平原后期经历地壳抬升，在某一高度长期保存，形成低起伏高海拔地貌面，这种成因机制的低起伏高海拔地貌面又被称为“夷平面”[18]。夷平面的形成时代相同，在整个演化过程中，都保持着低的起伏形态和低的侵蚀速率[4]。如果忽略夷平面的原始坡度，可将其作为地貌标志，进行区域尺度的构造变形分析[9, 19~20]。
由于准平原抬升机制形成的低起伏高海拔地貌面，具有以下特征(图 2a)：1)完整的低起伏地貌面残留于流域的源头地区，多数分布在地形的最高点；2)流域以裂点为界，上游起伏度小，侵蚀速率低，下游起伏度大，侵蚀速率相对很高[4]。
1.2 河流袭夺通过河流的袭夺作用也能在高海拔地区形成低起伏地形[5, 10]。河床高程的变化(dz/dt)受控于基岩的隆升速率(U)与河流的下切速率(E)(dz/dt=U-E)[21~24]。河流袭夺会减少流域面积，使得侵蚀速率降低(一般情况下ΔE=ΔA-0.5)，进而导致河道抬升(U＞E)。虽然断头河会经历抬升，但因其位于地形低处，很难形成低起伏高海拔地貌面。然而在袭夺点附近，断头河支流的相对基准面会经历一段时间的升高，为达到均衡状态，支流将会在地面抬升的同时降低其起伏度，最终在支流流域形成低起伏高海拔地形[4]。这种成因机制的低起伏高海拔地貌面在原地生成，初始高程不确定，不能作为区域性地貌标志进行构造变形分析[5]。
通过河流袭夺机制产生的低起伏高海拔地貌面，有以下特征(图 2b)：1)分布高度随机；2)起伏度变化大；3)其边界为相关支流流域的分水岭；4)多被高起伏地形包围；5)随着地面的不断抬升，起伏度逐渐降低[4]。
2 区域概况山西地堑系位于华北构造区中部，鄂尔多斯高原与华北平原之间，北与阴山构造带相邻，南与秦岭构造带相接，西侧为吕梁山脉，东侧为太行山脉，由一系列正断层控制的构造隆起和断陷盆地构成，NNE向延伸，整体呈“S”型展布，是我国北方重要的构造地貌区(图 1)[11~14, 25~26]。上新世前，山西地块整体处于长期隆起遭受剥蚀的状态；自上新世初山西地堑系开始发育以来，由于盆地边缘断裂的活动，使得山地持续隆起，盆地不断下沉，这一差异运动至今未息[11~14, 25~27]。
在山西地堑系的山地发育着三级低起伏高海拔地貌面，自上而下依次为：北台面、甸子梁面和唐县面[15~16]。北台面形成于白垩纪末至早古新世，现今只在个别海拔2500~3050 m的高中山的山顶残存，以山西五台山的北台最为典型；甸子梁面形成于渐新世，分布范围最广，位于海拔1100~2200 m的中山山顶，以河北蔚县的甸子梁最为典型；唐县面形成于上新世，主要分布在海拔350~1400 m的低山丘陵的顶部以及高中山的山麓地区，以河北省唐县西部的丘陵最为典型[15~16]。
山西地堑系断陷盆地的发育形式为地堑和半地堑[11~14]。位于山西地堑系北部的蔚县-广灵盆地(下文简称蔚广盆地)是一个典型的半地堑盆地，因蔚广盆地南缘断裂的长期活动，致使蔚广南山不断掀斜抬升，半地堑蔚广盆地持续下降[17, 28~29]。
3 数据与方法本文对研究区低起伏高海拔地貌面的提取和分析，基于Google Earth在线影像数据以及ALOS World 3D-5 m(AW3D-5 m)和ALOS World 3D-30 m(AW3D-30 m)的DEM数据。其中Google Earth在线影像数据的水平精度约2.5 m，分辨率可达亚米级[30]；AW3D-5 m DEM的水平分辨率约5 m，垂直精度约4 m；AW3D-30 m DEM的水平分辨率约30 m，垂直精度约6 m[31]。
本文首先对研究区所发育的地貌面进行目视解译，主要依据地貌面的分布高度、残存的规模、延伸方向、区域地貌面发育特征以及前人的研究成果等，识别研究区发育的低起伏高海拔地貌面(图 1)[15~17, 32~33]；其次，通过制作宽度4 km、步长100 m的地形条带剖面，分析蔚广南山中甸子梁面的区域地貌特征(图 3)[34]，并基于AW3D-5 m DEM数据分析蔚广南山中甸子梁的地形和坡度特征(图 4)；最后，将甸子梁面的地貌特征与前文介绍的“准平原抬升”和“河流袭夺”这两种低起伏高海拔地貌面的形成模式对比[4](图 2)，进而探讨研究区甸子梁面的成因机制。
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图 4 甸子梁面地貌特征 (a)地形图；(b)坡度图；(c)局部三维地形图，位置见图 4a；(d)局部坡度叠加于三维地形图，位置见图 4b；底图为ALOS World 3D-5 m DEM数据 Fig. 4 Topography of the Dianziliang surface. (a)and (b)are topographic and slop maps, respectively; (c)Virtual oblique topography from ALOS World 3D-5 m DEM, see Fig. 4a for locations; (d)Slope map draped over ALOS World 3D-5 m DEM, see Fig. 4b for locations |
结合野外调查及相关资料，我们分别选取甸子梁面和唐县面上未遭受严重剥蚀和堆积的点，作为该级地貌面的特征点，代表其原始形态。在对甸子梁面恢复时，我们假设该级地貌面的原始形态为平面，将所选取特征点的一维线性拟合结果用来定量表示该级地貌面现今的形态。由于唐县面的分布宽度窄，无法通过线性拟合来恢复其现今的横剖面形态，我们假设唐县面在蔚广南山中的横剖面形态为平面，用其地貌特征点的平均高度代表唐县面现今的高度。误差计算过程中，采用蒙特·卡罗方法(Monte Carlo method)[35]，重复实验500次，最终结果取均值，误差为一个标准差(μ±σ)。本文应用蒙特·卡罗方法计算地貌面断错量的Matlab代码可在https://www.researchgate.net/profile/Peng_Su14下载。
4 结果在研究区识别出了三级分布于山脉不同高度的低起伏高海拔地貌面，分别为北台面、甸子梁面和唐县面(图 1b)。北台面仅在蔚广南山和六棱山中的个别地貌最高点残余，明显高出周围的甸子梁面。在蔚广南山中北台面主要分布于小五台山，由于遭受的侵蚀夷平作用最长，现今以残留山脊的形式分布在高程约2700~2900 m的位置。甸子梁面在蔚广南山和六棱山顶部都广泛发育，具有低起伏地形特征。甸子梁面在蔚广南山中的高程主要分布在1900~2100 m；而六棱山中的甸子梁面由于遭受后期构造变形，发生掀斜，高程从约1700 m降到约1200 m。唐县面主要以宽谷面和山麓剥蚀面的形式顺着山前第四纪断层展布于山腰处。
蔚广南山中的甸子梁期低起伏高海拔地貌面大致在同一平面分布，而且主要位于区域地形的最高点，周围不存在残留的高起伏边缘，也未被分水岭所围限(图 3和4)。蔚广南山中的甸子梁是该级地貌面中保存最为完整的一处，甸子梁的高程主要分布在1876~2171 m，地面坡度在0°~20°，面积约34 km2(图 1和4a)。甸子梁上的流域呈放射状，向多个方向流经该地貌面的边缘(图 4a和4b)。
5 讨论 5.1 甸子梁面的成因类型蔚广南山的甸子梁保存完整，位于流域的源头地区，是周围地形的最高点。甸子梁上发育的流域以裂点为界，上游起伏度小，侵蚀速率低，下游起伏度大，侵蚀速率相对高(图 4)。将甸子梁的地貌特征(图 4)与通过数值模拟得到的两种低起伏高海拔地貌面的地貌特征(图 2)进行对比，发现甸子梁的地貌特征与准平原抬升模式形成的低起伏高海拔地貌面的特征(图 2a)一致，而与因河流袭夺而形成的低起伏高海拔地貌面的特征(图 2b)存在很大的差别[4]。因此，本文认为甸子梁面的形成机制符合“准平原抬升”模式，而与“河流袭夺”模式不同。该级地貌面在形成之初为区域广泛发育的准平原，后期因构造活动抬升至现今的位置，可以将其作为地貌标志，进行山脉空间尺度、百万年时间尺度的地貌演化以及构造活动性研究。
5.2 构造地貌演化本文以夷平面开始被抬升或破坏的时间作为其废弃年龄，进而研究区域构造地貌演化。夷平面是在构造相对稳定的条件下，外营力长期侵蚀的结果[36]。夷平面夷平的最新地层和上覆的最老地层的年龄可代表夷平形态完成的时代[19]。在山西地堑系北部，根据火山岩的同位素K-Ar测年，甸子梁面夷平的最新地层的年龄为37~40 Ma，上覆的最老地层的年龄为21~26 Ma[16]。新一期构造事件导致准平原抬升、破坏，相应的构造现象主要包括断错、褶皱和火山喷发。山西地堑系中存在大量的新生代火山活动遗迹，对太行山发育的新生代玄武岩的K-Ar定年研究显示，大规模的火山活动始于距今约24~26 Ma[37]，对应于喜马拉雅运动的第二幕[38]。沉积-构造历史分析也表明[39]，渐新世晚期，鄂尔多斯周缘地堑发生挤压变形并整体抬升，在渭河地堑边缘渐新统与中新统之间存在明显的角度不整合。综合以上分析，本文推测甸子梁期准平原面的抬升开始于约25 Ma。
甸子梁面之下还发育一级唐县面。唐县面在蔚广南山顺着蔚广盆地南缘断裂发育，主要出露形式为宽谷面和山麓剥蚀面(图 1)[17]。据此推测，蔚广盆地南缘断裂断错甸子梁面之后，有一段构造稳定期，形成了沿着断裂展布的唐县面。在山西地堑系北部的六棱山东侧，以及南部的中条山东侧，通过对唐县面上覆松散堆积物的古地磁测年，得到唐县面的废弃年龄为3.03~3.12 Ma[40~41]。据蔚广盆地中的钻孔揭露，盆地基底上覆的最老地层为上新统底砾岩、棕红色泥岩和三趾马红土，年龄约3 Ma[42]，推测蔚广盆地的基底顶面曾经和唐县面同属一个地貌面。甸子梁期准平原面在约25 Ma开始剧烈隆升，而盆地中却缺乏中新统沉积物，说明甸子梁期准平原面开始隆升后，断陷并未同时发生，而是先形成高于侵蚀基准面的高地，后期蔚广盆地南缘断裂才开始形成。
根据蔚广南山中的层状地貌面及其废弃时代，同时结合蔚广盆地中新生代最老沉积物的特征，推测甸子梁面形成后分别经历了新近纪早期构造抬升、新近纪晚期断裂形成、唐县期山麓剥蚀以及第四纪断陷等4个时期(图 5)。距今约40~25 Ma之间，山西地堑系所在的地区被广泛夷平，甸子梁期准平原形成(图 5a)。在距今约25 Ma时，该地区构造活跃，并伴随着强烈的火山活动，准平原被抬升为高地(图 5b)[13, 25]，随后蔚广盆地南缘断裂开始活动，蔚广盆地开始形成(图 5c)。中新世中晚期至上新世晚期，蔚广盆地南缘断裂经历了一段构造稳定期，沿着该断裂形成了唐县面(图 5d)。距今约3 Ma时，蔚广盆地南缘断裂再次活动，将唐县面断错，半地堑蔚广盆地持续下降并沉积了第四系，形成了现今的地貌形态(图 5e)。
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图 5 蔚县-广灵盆地区构造地貌演化 Fig. 5 Tectonic and topographic evolution in the Yuxian-Guangling basin region |
在正断层附近，断层上盘受断错作用下降的同时，断层下盘因均衡作用会发生抬升，导致两盘块体发生掀斜变形[8]，以甸子梁面为地貌标志可阐明这一动力学机制(图 5)。蔚广南山的掀斜变形主要受控于均衡作用；而六棱山的掀斜变形除了因为均衡作用使其北侧抬升外，还因蔚广盆地南缘断裂的正断运动使其南侧下降，最终导致六棱山块体的运动方式为旋转。
5.3 构造活动性以甸子梁面为地貌标志，可定量限定蔚广盆地南缘断裂中新世以来的构造活动性。受蔚广盆地南缘断裂和六棱山北麓断裂的控制，区域断块运动的主要表现形式为断块自一侧向另一侧掀斜(图 6)。蔚广南山和六棱山的掀斜抬升，都表现为向南倾的掀斜式断块山，倾角分别为1.03°和1.82°。蔚广盆地南缘断裂在C-C′剖面附近的倾向为345±2°，倾角为60±2°。通过二维平面几何计算可知，自蔚广盆地南缘断裂开始正断运动以来，该断裂总的水平断错量约902±71 m，总的垂直断错量约1567±5 m。结合甸子梁面的废弃年龄约25 Ma，可知中新世以来，蔚广盆地南缘断裂的水平拉张速率约0.04 mm/a，垂直断错速率约0.06 mm/a。需要说明的是：1)约25 Ma是甸子梁期夷平面开始发生区域性快速隆升并形成山西高地的时间(图 5b)，该时间比断裂开始形成的时间早或相同(图 5c)；2)根据蔚广盆地构造演化历史(图 5)，在蔚广盆地南缘断裂开始活动以后，还经历了一段构造稳定期，期间发育了唐县面(图 5d)。基于以上两点原因，最后得到的蔚广盆地南缘断裂中新世以来的活动速率是其最小值。
以唐县面为地貌标志，可限定蔚广盆地南缘断裂第四纪以来的构造活动性。蔚广盆地南深北浅，属于簸箕式半地堑断陷盆地。在C-C′剖面附近，唐县面相对于盆地南缘的高度约620±15 m(图 1和6)。根据该剖面附近的钻孔资料，盆地基底(对应于唐县面)在靠近蔚广盆地南缘断裂处的埋深约671±5 m[42]。可知唐县面自3.03~3.12 Ma被废弃以来，蔚广盆地南缘断裂的垂直断错量约1291±15 m(图 1和6)，垂直断错速率约0.42 mm/a。对比唐县面和甸子梁面的垂直断错量(图 6)，可知蔚广盆地南缘断裂在唐县期和甸子梁期之间(约25~3 Ma)所发生的垂直断错量约276±16 m，约占总垂直断错量(1567±5 m)的18 % (图 5c)；而唐县期之后(< 约3 Ma)的垂直断错量约1291±15 m，约占总垂直断错量(1567±5 m)的82 % (图 5e)；因此，蔚广盆地南缘断裂的活动主要发生3 Ma年以来。
以蔚广盆地南缘发育的冲洪积地层为标志，可限定蔚广盆地南缘断裂晚更新世以来的构造活动性。在C-C′剖面附近，蔚广盆地南缘断裂将互层状粉砂-中砾石层累积垂直断错约8.1 m，该套地层的年龄约17.14±0.59 ka[43]。可知蔚广盆地南缘断裂晚更新世晚期以来的垂直断错速率约0.47±0.02 mm/a。王林等[43]基于一个探槽的古地震分析，在假设断裂周期性活动，并且每次错动量相同的情况下，将单次平均同震垂直位移量除以两次古地震事件的时间间隔(代表该断裂的平均复发周期)，进而得到该断裂的平均滑动速率约为1.6 mm/a。因为该方法存在很多假设，本文认为以标志层的断距除以标志层的年龄而得到的速率更能代表该断裂的断错速率。
对比中新世、第四纪以及晚更新世以来的垂直断错速率，可知第四纪以来，蔚广盆地南缘断裂的断错速率基本不变，相对于中新世以来的垂直断错速率增大。在山西地堑系北部，Middleton等[44]通过晚第四系地层、历史地震以及GPS分别得到的横跨各条断裂的总伸展速率有很好的一致性，为1~2 mm/a，其中蔚广盆地南缘断裂晚更新世以来的伸展速率约0.24~0.38 mm/a，对应的垂直断错速率约0.54±0.08 mm/a。因此，第四纪以来，蔚广盆地南缘断裂的活动性稳定，其中垂直滑动速率约0.4~0.5 mm/a。第四纪以来的垂直滑动速率比中新世以来的垂直滑动速率大，一方面原因是第四纪以来该断裂的活动性增强，另一方面原因是蔚广盆地南缘断裂的开始活动时间晚于约25 Ma，更主要的原因是唐县面的形成过程中经历了一段构造稳定期。
6 结论本文基于Google Earth在线影像数据、ALOS World 3D-5 m和ALOS World 3D-30 m的DEM数据，利用Whipple等[4]提出的低起伏高海拔地貌面成因机制的甄别方法，以蔚广南山上发育的甸子梁面为例，论证了甸子梁面的成因机制，并进一步探讨了该地区的新构造演化过程。主要得到以下认识：
(1) 山西地堑系的山地顶部广泛发育的甸子梁面，是残留的准平原，而非河流袭夺的产物。可以将甸子梁面作为地貌标志，进行山脉空间尺度、百万年时间尺度的地貌演化以及构造活动性研究。
(2) 蔚广盆地区的甸子梁面形成后分别经历了新近纪早期构造抬升、新近纪晚期断裂形成、唐县期山麓剥蚀以及第四纪断陷等4个时期。在距今40~25 Ma之间，山西地堑系所在的地区被广泛夷平，甸子梁期准平原形成。在距今约25 Ma时，构造活动将甸子梁期准平原抬升为高地，后期蔚广盆地南缘断裂开始活动，蔚广盆地开始形成；中新世中晚期至上新世晚期，蔚广盆地南缘断裂经历了一段构造稳定期，并沿着该断裂形成了唐县面；在距今约3 Ma时，蔚广盆地南缘断裂再次活动，将唐县面断错，半地堑蔚广盆地持续下降并沉积了第四系，形成了现今的地貌形态。
(3) 蔚广盆地南缘断裂自开始正断运动以来，该断裂总的水平断错量约902±71 m，垂直断错量约1567±5 m。其中该断裂在唐县期之前(> 3 Ma)的垂直断错量约276±16 m，约占总垂直断错量的18 %；唐县期之后(< 3 Ma)的垂直断错量约1291±15 m，约占总垂直断错量的82 %。该断裂在距今3 Ma以来的活动性稳定，不同时间尺度的垂直断错速率均约0.4~0.5 mm/a。
致谢: 中国地震局地震预测研究所的王林博士和田勤俭研究员在地貌面的识别和提取方法上给予了指导，匿名审稿专家和编辑杨美芳老师对本文的完善提出了宝贵建议，在此一并感谢。
| [1] |
Davis W M. The geographical cycle[J]. The Geographical Journal, 1899, 14(5): 481-504. DOI:10.2307/1774538 |
| [2] |
Hack J T. Dynamic equilibrium and landscape evolution[M]//Melhorn W N, Flemal R C. Theories of Landform Development. Binghamton: State University of New York Press, 1975: 87-102.
|
| [3] |
Penck W. Morphological Analysis of Land Forms[M]. London: MacMillan and Co. Ltd., 1953: 1-180.
|
| [4] |
Whipple K X, DiBiase R A, Ouimet W B, et al. Preservation or piracy:Diagnosing low-relief, high-elevation surface formation mechanisms[J]. Geology, 2017, 45(1): G38490.1. |
| [5] |
Yang R, Willett S D, Goren L. In situ low-relief landscape formation as a result of river network disruption[J]. Nature, 2015, 520(7548): 526-529. DOI:10.1038/nature14354 |
| [6] |
Zhang H P, Oskin M E, Liu-Zeng J, et al. Pulsed exhumation of interior eastern Tibet:Implications for relief generation mechanisms and the origin of high-elevation planation surfaces[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 449: 176-185. DOI:10.1016/j.epsl.2016.05.048 |
| [7] |
Liu-Zeng J, Tapponnier P, Gaudemer Y, et al. Quantifying landscape differences across the Tibetan Plateau:Implications for topographic relief evolution[J]. Journal of Geophysical Research:Earth Surface, 2008, 113(F4): 1-26. |
| [8] |
Burbank D W, Anderson R S. Tectonic Geomorphology(second edition)[M]. Oxford: Wiley-Blackwell, 2012: 1-116.
|
| [9] |
Clark M K, Royden L, Whipple K, et al. Use of a regional, relict landscape to measure vertical deformation of the eastern Tibetan Plateau[J]. Journal of Geophysical Research:Earth Surface, 2006, 111(F3): 1-23. |
| [10] |
Willett S D, Mccoy S W, Perron J T, et al. Dynamic reorganization of river basins[J]. Science, 2014, 343(6175): 1248765. DOI:10.1126/science.1248765 |
| [11] |
Xu X W, Ma X Y. Geodynamics of the Shanxi rift system, China[J]. Tectonophysics, 1992, 208(1): 325-340. |
| [12] |
Xu X W, Ma X Y, Deng Q D. Neotectonic activity along the Shanxi rift system, China[J]. Tectonophysics, 1993, 219(4): 305-325. DOI:10.1016/0040-1951(93)90180-R |
| [13] |
Li Y L, Yang J C, Xia Z K, et al. Tectonic geomorphology in the Shanxi graben system, Northern China[J]. Geomorphology, 1998, 23(1): 77-89. DOI:10.1016/S0169-555X(97)00092-5 |
| [14] |
国家地震局鄂尔多斯周缘活动断裂系课题. 鄂尔多斯周缘活动断裂系[M]. 北京: 地震出版社, 1988: 77-113. The Research Group on Active Fault System around Ordos Massif. Active Fault System around Ordos Massif[M]. Beijing: Seismological Press, 1988: 77-113. |
| [15] |
吴忱, 马永红, 张秀, 等. 华北山地地形面地文期与地貌发育史[M]. 石家庄: 河北科学技术出版社, 1999: 89-201. Wu Chen, Ma Yonghong, Zhang Xiu, et al. Topographic Surface, Physiographic Period and Geomorphic Evolution of Mountain Area in the North China[M]. Shijiazhuang: Hebei Science & Technology Press, 1999: 89-201. |
| [16] |
吴忱. 华北地貌环境及其形成演化[M]. 北京: 科学出版社, 2008: 116-463. Wu Chen. Landform Environment and Its Formation in North China[M]. Beijing: Science Press, 2008: 116-463. |
| [17] |
王林, 田勤俭. 利用夷平面的变形进行断陷地块构造反演——以京西北蔚广盆地南缘断裂带为例[J]. 地质科学, 2017, 52(3): 801-817. Wang Lin, Tian Qinjian. Tectonic evolution of the faulted block indicated by the deformation of the planation surface:Example from the research of the Yuguang basin south marginal fault in the northwest Beijing basin-ridge tectonic zone[J]. Chinese Journal of Geology, 2017, 52(3): 801-817. |
| [18] |
杨景春, 李有利. 地貌学原理(第3版)[M]. 北京: 北京大学出版社, 2012: 188-189. Yang Jingchun, Li Youli. Principle of Geomorphology(third edition)[M]. Beijing: Peking University Press, 2012: 188-189. |
| [19] |
崔之久, 高全洲, 刘耕年, 等. 夷平面、古岩溶与青藏高原隆升[J]. 中国科学(D辑), 1996, 26(4): 378-385. Cui Zhijiu, Gao Quanzhou, Liu Gengnian, et al. Planation surfaces, palaeokarst and uplift of Tibet Plateau[J]. Science in China(Series D), 1996, 26(4): 378-385. |
| [20] |
李吉均, 文世宣, 张青松, 等. 青藏高原隆起的时代、幅度和形式的探讨[J]. 中国科学(D辑), 1979(6): 608-616. Li Jijun, Wen Shixuan, Zhang Qingsong, et al. A discussion on the times, amplitude and type of the uplift of the Qinghai-Xizang Plateau[J]. Science in China (Series D), 1979(6): 608-616. |
| [21] |
Kirby E, Whipple K. Quantifying differential rock-uplift rates via stream profile analysis[J]. Geology, 2001, 29(5): 415-418. DOI:10.1130/0091-7613(2001)029<0415:QDRURV>2.0.CO;2 |
| [22] |
Whipple K X. Bedrock rivers and the geomorphology of active orogens[J]. Annual Review of Earth & Planetary Sciences, 2004, 32(1): 151-185. |
| [23] |
王一舟, 张会平, 郑德文, 等. 基岩河道河流水力侵蚀模型及其应用:兼论青藏高原基岩河道研究的迫切性[J]. 第四纪研究, 2016, 36(4): 884-897. Wang Yizhou, Zhang Huiping, Zheng Dewen, et al. Stream power incision model and its implications:Discussion on the urgency of studying bedrock channel across the Tibetan Plateau[J]. Quaternary Sciences, 2016, 36(4): 884-897. |
| [24] |
李雪梅, 张会平. 河流瞬时地貌:特征、过程及其构造-气候相互作用内涵[J]. 第四纪研究, 2017, 37(2): 416-430. Li Xuemei, Zhang Huiping. Transient fluvial landscape:Features, processes and its implication for tectonic-climate interaction[J]. Quaternary Sciences, 2017, 37(2): 416-430. |
| [25] |
Zhang Y, Ma Y, Nong Y, et al. Cenozoic extensional stress evolution in North China[J]. Journal of Geodynamics, 2003, 36(5): 591-613. DOI:10.1016/j.jog.2003.08.001 |
| [26] |
Zhang Y, Mercier J L, Vergély P. Extension in the graben systems around the Ordos(China), and its contribution to the extrusion tectonics of South China with respect to Gobi-Mongolia[J]. Tectonophysics, 1998, 285(1): 41-75. |
| [27] |
扈桂让, 李自红, 闫小兵, 等. 韩城断裂晚第四纪活动性研究[J]. 地震地质, 2017, 39(1): 206-217. Hu Guirang, Li Zihong, Yan Xiaobing, et al. The study of the Late Quaternary activity of Hancheng fault[J]. Seismology and Geology, 2017, 39(1): 206-217. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.01.016 |
| [28] |
王林, 田勤俭, 李德文, 等. 京西北蔚县-广灵半地堑盆地南缘断裂带的断层生长研究[J]. 地震地质, 2011, 33(4): 828-837. Wang Lin, Tian Qinjian, Li Dewen, et al. The growth of the south margin fault of the Yuxian-Guanglin basin in northwest Beijing area[J]. Seismology and Geology, 2011, 33(4): 828-837. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2011.04.008 |
| [29] |
Wang Lin, Tian Qinjian, Li Dewen, et al. Fault-growth pattern of the south margin normal fault of the Yuguang Basin in northwest Beijing and its influencing factors[J]. Acta Geologica Sinica(English Edition), 2013, 87(3): 707-719. DOI:10.1111/acgs.2013.87.issue-3 |
| [30] |
Potere D. Horizontal positional accuracy of Google Earth's high-resolution imagery archive[J]. Sensors, 2008, 8(12): 7973-7981. DOI:10.3390/s8127973 |
| [31] |
Santillan J R, Makinano-Santillan M, Makinano R M. Vertical accuracy assessment of ALOS World 3D-30M Digital Elevation Model over northeastern Mindanao, Philippines[C]//Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS), IEEE International, 2016: 5374-5377.
|
| [32] |
苏鹏, 田勤俭, 梁朋, 等. 基于青衣江变形河流阶地研究龙门山断裂带南段的构造活动性[J]. 地震地质, 2016, 38(3): 523-545. Su Peng, Tian Qinjian, Liang Peng, et al. Using deformed fluvial terraces of the Qingyijiang River to study the tectonic activity of the southern segment of Longmenshan Fault Zone[J]. Seismology and Geology, 2016, 38(3): 523-545. DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2016.03.003 |
| [33] |
Su P, He H, Wei Z, et al. A new shortening rate across the Dushanzi anticline in the northern Tian Shan Mountains, China from lidar data and a seismic reflection profile[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2018, 163: 131-141. DOI:10.1016/j.jseaes.2018.06.008 |
| [34] |
Zhang H P, Zhang P Z, Kirby E, et al. Along-strike topographic variation of the Longmen Shan and its significance for landscape evolution along the eastern Tibetan Plateau[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2011, 40(4): 855-864. DOI:10.1016/j.jseaes.2010.05.015 |
| [35] |
Creutz M. Microcanonical Monte Carlo Simulation[J]. Physical Review Letters, 1983, 50(19): 1411-1414. DOI:10.1103/PhysRevLett.50.1411 |
| [36] |
潘保田, 高红山, 李吉均. 关于夷平面的科学问题——兼论青藏高原夷平面[J]. 地理科学, 2002, 22(5): 519-526. Pan Baotian, Gao Hongshan, Li Jijun. On problems of planation surface-A discussion on the planation surface in Qinghai-Xizang Plateau[J]. Scientia Geographic Sinica, 2002, 22(5): 519-526. |
| [37] |
Tang Y J, Zhang H F, Ying J F. Asthenosphere-lithospheric mantle interaction in an extensional regime:Implication from the geochemistry of Cenozoic basalts from Taihang Mountains, North China Craton[J]. Chemical Geology, 2006, 233(3): 309-327. |
| [38] |
施雅风, 汤懋苍. 青藏高原二期隆升与亚洲季风孕育关系探讨[J]. 中国科学(D辑), 1998, 28(3): 263-271. Shi Yafeng, Tang Maocang. Linkage between the second uplifting of the Tibetan Plateau and the initiation of the Asian monsoon system[J]. Science in China(Series D), 1998, 28(3): 263-271. DOI:10.3321/j.issn:1006-9267.1998.03.005 |
| [39] |
张岳桥, 廖昌珍, 施炜, 等. 鄂尔多斯盆地周边地带新构造演化及其区域动力学背景[J]. 高校地质学报, 2006, 12(3): 285-297. Zhang Yueqiao, Liao Changzhen, Shi Wei, et al. Neotectonic evolution of the peripheral zones of the Ordos basin and geodynamic setting[J]. Geological Journal of China University, 2006, 12(3): 285-297. DOI:10.3969/j.issn.1006-7493.2006.03.001 |
| [40] |
Deng C L, Zhu R X, Zhang R, et al. Timing of the Nihewan Formation and faunas[J]. Quaternary Research, 2008, 69(1): 77-90. DOI:10.1016/j.yqres.2007.10.006 |
| [41] |
Xiong J G, Li Y L, Zhong Y Z, et al. Paleomagnetic age of the Tangxian planation surface, northwestern Zhongtiao Shan of the Shanxi Graben System, North China[J]. Geomorphology, 2017, 283: 17-31. DOI:10.1016/j.geomorph.2017.01.020 |
| [42] |
徐锡伟, 吴卫民, 张先康, 等. 首都圈地区地壳最新构造变动与地震[M]. 北京: 科学出版社, 2002: 69-74. Xu Xiwei, Wu Weimin, Zhang Xiankang, et al. Neotectonic Movement and Seismology in the Crust of the Capital Region[M]. Beijing: Science Press, 2002: 69-74. |
| [43] |
王林, 田勤俭, 李德文, 等. 蔚广盆地南缘断裂带唐山口段山前断层活动性研究[J]. 震灾防御技术, 2017, 12(2): 319-328. Wang Lin, Tian Qinjian, Li Dewen, et al. The activity of the piedmont fault along the Tangshankou segment of Yuguang basin southern marginal Fault[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2017, 12(2): 319-328. |
| [44] |
Middleton T A, Elliott J R, Rhodes E J, et al. Extension rates across the northern Shanxi grabens, China, from Quaternary geology, seismicity and geodesy[J]. Geophysical Journal International, 2017, 209(2): 535-558. |
Abstract
Planation surfaces are an old-fashioned but important topic in geomorphology because they make up much of the landscape. Peneplanation of mountain ranges has been regard as the result of long-term erosion, smoothing relief and lowering elevation near sea level. Therefore, peneplain remnants preserved in mountain ranges have been used to infer posttectonic surface uplift. However, recent studies proposed that divide migration and drainage capture could produce similar low-relief upland topography, which might be falsely interpreted as recording surface uplift.The Shanxi graben system in Northern China, separating the great Northern China Great Plain to the east from the Ordos block to the west, is one of the most outstanding continental graben systems in China. On the upland of the Shanxi graben system, low-relief, high elevation patches are widely preserved, which are called the Dianziliang surface. Whether the patches of Dianziliang surface are preserved remnants of a preexisting peneplain or a product of stream piracy determines whether the Dianziliang surface can be used as a regional geomorphic marker to constrain tectonic activity or not.In this paper, we focus our research on the south mountain of the Yuxian-Guangling basin and its surrounding area in the northern part of the Shanxi graben system, where the climate is relatively dry and the Dianziliang surface is well preserved. Here, interpretation of low-relief, high elevation patches are based on Google Earth images, ALOS World 3D-5 m DEM and ALOS World 3D-30 m DEM data. We use diagnostic criteria that developed by Whipple et al. (2017) to distinguish these alternative mechanisms of low-relief upland formation.This work demonstrates that the low-relief, high elevation patches of the Dianziliang surface are remnants of a formerly continuous low-relief regional-scale peneplain. Using the Dianziliang surface as a regional geomorphic marker, we further discussed the tectonic geomorphic evolution and tectonic activity in the study area. Near the Yuxian-Guanglin basin, the Dianziliang surface has experienced Early Neogene uplifting, Late Neogene onset of rifting, later pediplanation during Tangxian period and Quaternary rifting. Since the onset of the Yuxian-Guanglin basin southern marginal fault, its vertical displacements have been approximately 276±16 m from 25 Ma B.P. to 3 Ma B.P. and approximately 1291±15 m after 3 Ma B.P., indicating most displacements have occurred in the last 3 Ma. The extension rate of the Yuxian-Guangling basin southern marginal fault is approximately 0.04 mm/a, and the throw rate is 0.06 mm/a since the Miocene. While, during the Quaternary, its throw rate remains 0.4~0.5 mm/a. The throw rate since the Miocene is lower mostly because there has been a tectonic quiet epoch during the Tangxian period.