2020, Vol.40
2 成都理工大学, 油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610059)
印度-亚洲板块碰撞导致青藏高原东缘产生向南东的构造挤压作用，这种挤压受到四川盆地之下刚性地块的阻挡，造就了龙门山、岷山等地区复杂的构造格局和急剧变化的构造地貌。岷江、涪江是发源于岷山东西两侧、贯通龙门山构造带的两条大河。由于岷江是长江的一级支流且流域面积相对更大，因而，以往对岷江流域构造地貌特征的研究较多[1~10]，有关涪江流域地貌形态及其对区域新构造活动的响应研究目前很少报道。随着地理信息技术的发展及数字高程模型(DEM)数据的引入，地貌形态与地貌发育过程研究由定性向定量化阶段转变[11~16]。本研究通过对DEM数据进行系统处理，提取涪江上游各亚流域盆地典型地形参数并综合分析，探讨涪江上游流域盆地的地貌特征及其对该区域新构造活动的指示意义。
1 研究区概况涪江发源于四川省松潘县境内岷山主峰雪宝顶，于重庆市合川区汇入嘉陵江。干流全长675 km，是嘉陵江右岸最长支流，流域面积约为3.6×104 km2。本研究选取江油市龙凤镇以北面积约1.06×104 km2的涪江上游流域作为研究区域，其中，涪江源头至平武一带的河段处于海拔4000 m以上的川西北高山区，水流深切，河谷两岸峰峦叠嶂、绝壁对峙，岭谷高差多在200 m以上；平武至江油龙凤镇的涪江河段流经高、中山过渡区至盆周低山带，河道两岸山势渐低，河流穿行于山岭与山间小盆地之间，河谷相对开阔，河岸断续有河流阶地发育；出龙凤镇，继续南行的涪江河段进入绵阳境内的冲积平坝区，河道比降骤减，平缓水流中漫滩广布，两岸间隔分布河流冲积层形成的台地小平原。涪江上游流域主要位于亚热带季风气候区，年均温大致为14~18 ℃，年均降水量约为700~950 mm，大气降水为该区域河道的主要补给水源[17]。研究区内河流主要包括涪江干流及呈不对称羽状分布的火溪河、平通河、湔江等数十条支流。该区域主要新构造为南北向的岷山构造带和北东向的龙门山构造带[18~21]，其中，南北走向的活动断裂(岷江断裂、虎牙断裂)表现为逆冲兼左旋走滑特征，北东走向的活动断裂(汶川-茂县断裂、北川-映秀断裂、彭县-灌县断裂)表现为逆冲兼右旋走滑特征[22]。上述断裂规模大、活动性强，均具有明显的晚第四纪活动的地质地貌证据。
2 分析方法 2.1 亚流域盆地提取将江油市龙凤镇南侧作为整个涪江上游流域盆地的汇水点，将各支流与涪江干流河道的交汇点作为各亚流域盆地的汇水点，以ArcGIS水文分析模块为技术平台，在研究区域系统提取涪江上游流域盆地地表水系网络(图 1)和36个亚流域盆地(图 2)，其中，1#~ 19#盆地位于涪江干流西侧，20#~ 36#盆地位于涪江干流东侧。在此基础上，通过要素拓扑的方法[5]获得各亚流域盆地的面积、周长及亚流域盆地内的水系总长度。
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图 1 涪江上游流域水系网络 Fig. 1 Drainage networks in the upper reaches basin of Fujiang River |
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图 2 亚流域盆地划分 Fig. 2 The division of drainage sub-basins |
采用Strahler分类系统[23]对涪江上游水系进行分级，无支流河道定义为一级水系，两个一级水系交汇为二级水系，依此类推。河流分支比(Rb)是流域盆地内每一级别水系的总数与下一级别水系总数比值的平均值。本研究所提取的亚流域盆地水系中，最高级别为四级水系(位于17#盆地中)。水系分支比计算公式如下：
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(1) |
公式(1)中，Rb为水系分支比，n为亚流域盆地中水系的最高级别数，Ni为第i级水系所包含河段的总条数[5, 23]。
2.3 流域盆地发育阶段分析起伏比法在定量分析流域地貌发育阶段方面具有准确、便捷的特征，因而目前在该项研究中被广泛运用[24~25]，其计算公式为：
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(2) |
公式(2)中，HI为亚流域盆地起伏比，Hmean为亚流域盆地平均高程，Hmax为亚流域盆地最大高程，Hmin为亚流域盆地最小高程。按照戴维斯地貌旋回理论，流域地貌演化时间越长，侵蚀程度越高，起伏比越低。当HI＜0.4时，地貌处于均衡发育阶段，为地貌发育的老年期；当HI＞0.6时，地貌发育阶段为幼年期；介于两者之间的则为地貌发育的壮年期阶段[13]。
3 结果分析对涪江干流东西两侧36个亚流域盆地的面积、周长、水系总长度、水系分支比及各亚流域盆地发育阶段进行统计分析，结果表明，涪江干流河道东西两侧地貌特征差异显著。
3.1 盆地基本特征统计结果表明，涪江干流东西两侧，面积大于100 km2的亚流域盆地分别为6个和10个(图 3)，其中，干流西侧17#盆地(湔江流域盆地)面积达到4217.54 km2。进一步计算可知，涪江干流东侧亚流域盆地总面积为2761.58 km2，西侧亚流域盆地总面积为7863.31 km2，西侧亚流域盆地面积达到涪江上游流域总面积的74.01 %，干流河道两侧亚流域盆地表现出明显的不对称发育特征。
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图 3 亚流域盆地面积 Fig. 3 The areas of drainage sub-basins |
涪江干流东西两侧，周长大于50 km的亚流域盆地分别为7个和11个(图 4)，其中，干流西侧17#盆地周长达到444.02 km。
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图 4 亚流域盆地周长 Fig. 4 The perimeters of drainage sub-basins |
涪江干流东侧，水系总长度超过100 km的亚流域盆地只有1个；涪江干流西侧，水系总长度超过100 km的亚流域盆地有3个(图 5)，湔江流域盆地(17#盆地)中水系总长度甚至达到709.33 km。水系不对称程度通常用干流右岸支流总长度和左岸支流总长度之比来表示。涪江干流右岸(西侧)水系总长度和左岸(东侧)水系总长度分别为1341.71 km和464.55 km，其比值为2.89，即干流西侧水系总长度是干流东侧水系总长度的2.89倍，东西两岸汇入涪江干流的水量差异明显。
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图 5 亚流域盆地水系总长度 Fig. 5 The total channel lengths of drainage sub-basins |
亚流域盆地水系分支比的计算需要具备该盆地内水系等级高于二级这一条件，据此对涪江上游流域盆地内符合计算条件的18个亚流域盆地的水系分支比进行分析。对比涪江干流东西两侧各亚流域盆地水系分支比可以看出，东侧8个亚流域盆地中，仅有3个盆地的水系分支比大于2，西侧10个亚流域盆地中，有7个盆地的水系分支比大于2，相比而言，西侧亚流域盆地表现出较高的水系分支比(图 6)。通常，水系分支比是水系发育成熟度的表现，计算结果表明，与涪江干流东侧亚流域盆地相比，西侧亚流域盆地的发育更趋成熟。
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图 6 亚流域盆地水系分支比 Fig. 6 The drainage branching ratios of drainage sub-basins |
如前所述，起伏比(HI)的高低定量描述了流域地貌发育的阶段性，HI＞0.6时，水系未完全发育或处于新近生成状态，流域盆地处于地貌演化的幼年期；HI＜0.4时，水系发育较为成熟，流域盆地处于地貌演化的老年期；0.4＜HI＜0.6，相应流域处于地貌发育的壮年期[13]。根据起伏比值的计算结果可以看出，流域盆地越趋近河源，其发育的成熟度越低。从涪江干流河道东西两侧角度看，干流西侧19个亚流域盆地中，11个亚流域盆地处于地貌发育阶段的老年期，其余8个盆地处于地貌发育的壮年期。干流东侧17个亚流域盆地中，仅有6个亚流域盆地处于老年期发育阶段，其余11个亚流域盆地地貌发育均处于壮年期(图 7)。进一步计算可知，在涪江干流西侧，处于老年期发育阶段的流域盆地面积占西侧流域盆地总面积的84.43 %，在涪江干流东侧，处于老年期发育阶段的流域盆地面积占东侧流域盆地总面积的24.45 %，西侧流域盆地的发育阶段明显趋于老年期。
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图 7 亚流域盆地水系发育阶段 Fig. 7 The evolutional stages of drainage sub-basins |
对上述亚流域盆地典型参数(流域盆地面积、周长、水系总长度)及水系分支比、流域盆地演化阶段的分析结果表明，涪江干流河道东西两侧存在显著地貌差异。
4 地貌差异成因探讨总体来看，涪江干流河道地貌特征参数存在较为显著的东西分异。一般来说，流域地貌发育出现分异现象应考虑构造运动、岩石抗侵蚀能力、降水特征等几方面因素对河流下切过程的控制和影响[26]。
涪江上游流域处于控制中国大陆气候分区的秦岭造山带以南[5]，相对大尺度气候系统而言，隶属亚热带季风气候区的涪江流域属于微观尺度水系系统。从理论上分析，降水差异对涪江上游流域各亚流域盆地演化的控制作用不应存在以干流河道为界线的东西向差异。由图 8可知，涪江上游流域年均降水量大致为700~950 mm/a，且自西北向东南增大，与地势总体自西北向东南降低基本一致。但是，涪江干流河道东西两侧的对比结果表明，干流两侧的年均降水量差异并不明显，表明降水不是地貌差异的主要控制因素。
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图 8 涪江上游流域年均降水量年降水量数据来源于梁欧博等[26] Fig. 8 The annual precipitation in the upper reaches basin of Fujiang River. The data of annual precipitation originated from Liang et al.[26] |
一般而言，岩石硬度对基岩河流的侵蚀过程具有一定程度的影响[27]。按照坚硬程度将涪江上游流域岩石划分为5个等级，坚硬岩为饱和单轴抗压强度较高的各类基性、酸性岩浆岩；较硬岩为石灰岩、白云岩、钙质砂岩等；较软岩为微风化的千枚岩、板岩及中等风化的变质砂岩等；软岩为微风化的页岩、泥质砂岩及强风化的变质砂岩等；极软岩为半固结的砂砾岩及第四纪堆积物[26]。由图 9可以看出，涪江上游流域以较软岩为主体，其余岩类零星分布于流域不同区域，总体来看，研究区岩石抗侵蚀能力较为均一。分析结果显示涪江干流河道东西两侧地貌差异显著，但是地貌差异分布特征与岩石坚硬程度分布特征无明显对应关系，表明岩石硬度不是涪江上游流域地貌差异的主控因素。
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图 9 涪江上游流域岩石坚硬程度岩性数据来源于梁欧博等[26] Fig. 9 The rock hardness degrees in the upper reaches basin of Fujiang River(The data of lithology originated from Liang et al.[26]) |
由上述分析可知，降水条件和岩性差异并不是涪江亚流域盆地不对称发育的主要控制因素。从图 10可以看出，涪江干流西侧亚流域盆地处于岷江断裂、虎牙断裂、雪山断裂以及龙门山断裂带的交汇处。其中，虎牙断裂逆冲活动导致断裂上盘区域沿断层面上移，上移块体因推挤作用和外力剥蚀作用形成较陡的地表坡度，从干流东西两侧地貌差异角度看，断裂活动也导致干流西侧坡面相对陡峻(图 11)，即涪江干流河道与干流西侧分水岭(涪江流域与岷江流域的分水岭)所夹持区域的坡度明显大于干流河道与干流东侧分水岭(涪江流域与白龙江流域分水岭)所夹持区域的坡度。陡峭的坡面易于坡面片流汇集于沟谷之中，形成沟谷流水，从而进一步发育为沿坡面自上而下汇入涪江干流河道的顺向支流。另外，在晚第四纪以来较为活跃的断裂交汇处，断裂活动使涪江干流西侧区域的岩层较为破碎，水流易沿岩层破碎带向下深切，从而为西侧各支流水系的演化提供了有利的地质条件。
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图 10 涪江上游流域断裂构造分布 Fig. 10 The distribution of fault structure in the upper reaches basin of Fujiang River |
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图 11 涪江上游流域地形条带剖面 Fig. 11 The swath profile in the upper reaches basin of Fujiang River |
值得注意的是，相对于东侧各亚流域盆地面积较小、周长和水系总长度较短、水系分支比较低等特征，东侧27#盆地(火溪河盆地)为一异常存在。同参与统计分析的其他东侧亚流域盆地相比，其表现出较大的流域面积、较长的流域盆地周长和水系总长度、较高的水系分支比。究其原因，主要是火溪河盆地邻近于雪山断裂与虎牙断裂的交接部位，同时该盆地处于雪山断裂的东端(图 10)。各构造带之间演化的不一致性导致了构造转换部位岩层的破碎性，从而为处于其中的火溪河及各支流的发育提供了有利时空。
从图 1可以看出，火溪河干流(27#盆地中)、平通河干流(16#盆地中)、湔江各主要支流(17#盆地中)等几个大型亚流域盆地中的干流或支流水系均与涪江干流河道大致平行，沿近南北向发育。GPS测量结果表明，该区域处于东西向挤压应力场控制下[5]，岩石因挤压作用易沿应力场垂直方向发生破裂而形成岩层破碎带，从而为南北向河道演化提供了构造动力背景。涪江干流和众多主要支流均大致沿近南北方向发育，正是由于垂直于应力场方向上岩石抗侵蚀能力减弱所致。
另外，沿地势由高至低发育的河流穿过断裂带时通常会因断层两盘相对滑动而产生河道转折现象。从图 10可以看出，涪江干流穿过的雪山断裂、虎牙断裂和龙门山断裂带3条主干断裂(汶川-茂县断裂、北川-映秀断裂、彭县-灌县断裂)均具逆冲兼右旋(或左旋)走滑性质，因而涪江干流河道在通过雪山断裂(左旋走滑断层)、北川-映秀断裂(右旋走滑断层)、彭县-灌县断裂(右旋走滑断层)时均发生了较为明显的左向(和右向)同步弯曲，水系所记录的位移量指示自水系形成以来断裂总的水平位移之和，河道的水平位错是对断裂走滑作用的响应。进一步分析可知，涪江干流河道源头至汶川-茂县断裂东南侧，河流基本沿西北-东南向发育，由图 10可知，沿上述方向发育的干流河道在北川-映秀断裂北侧发生了明显转向，河流流动方向由西北-东南向转换为近正南向。究其原因，主要是龙门山断裂带3条主干断裂均具右旋走滑性质，汶川-茂县断裂、北川-映秀断裂和彭县-灌县断裂右旋走滑速率分别为1.4 mm/a、0.94 mm/a和0.71 mm/a[28]，上述断裂的区域性右旋走滑活动使龙门山地区长期处于断层右旋作用控制之下，从而驱动该区域物质产生相应右旋运动，导致涪江干流河道由东南流向向近正南流向转变。由图 1亦可看出，湔江、平通河等涪江支流水系切过龙门山地区后，流向也趋于向近正南方向改变。
综上所述，涪江上游流域地貌演化不对称性的主要控制因素并非气候条件和河床基底岩层抗蚀能力的差异性，而是晚新生代以来(特别是第四纪时期)各断裂差异活动导致的地形不对称分布格局和岩层破碎程度不对称分布格局。
5 结论基于DEM数据，运用ArcGIS空间分析模块系统提取涪江上游流域盆地地表水系网络，并对涪江干流东、西两侧36个亚流域盆地的面积、周长、水系总长度、水系分支比、演化阶段进行统计分析，得到如下结论：
(1) 涪江干流河道东西两侧存在显著地貌差异。与东侧亚流域盆地相比，涪江干流西侧亚流域盆地表现为流域盆地面积大、周长和水系总长度长、水系分支比高、地貌发育相对成熟等特征，这些特征指示了涪江干流两侧晚新生代以来构造活动的差异性。
(2) 各断裂差异活动导致的地形不对称分布格局及岩石破碎程度的差异是涪江上游流域地貌演化不对称性的主要控制因素。
(3) 穿过雪山断裂、北川-映秀断裂、彭县-灌县断裂等断裂带的涪江上游干流河道因断裂走滑作用而沿断裂发生同步弯曲，同时，龙门山主干断裂右旋走滑活动导致涪江干流在龙门山地区由东南流向转变为近正南流向。
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2 National Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan)
Abstract
Study on geomorphologic characteristics and forming reason of the upper reaches of the Fujiang River basin are conducive to revealing the regional difference of neotectonic movement on eastern margin of Tibetan Plateau since the Late Cenozoic. Hydrological analysis on the module of ArcGIS was applied to extract the Fujiang drainage networks and obtained 36 drainage sub-basins along the both sides of the river. Statistical analysis of the geomorphic parameters (e.g. areas, perimeters, total channel lengths, branching ratios, evolutional stages) of the sub-basins was also conducted based on this module. The results showed that there was a significant difference on the both sides of the main channel. The analysis on the correlation between river incision and controlling factors such as tectonic movement, rock types, precipitation characteristics shows that precipitation condition and lithology are not the main controlling factors of the development of sub-basins. It shaped a special geomorphic pattern in the upper reaches of Fujiang River basin, and the main controlling factors leading to the geomorphic evolution could be the asymmetrical distribution of terrain and the difference of degree of ore-rock fragmentation caused by the fault activity. In addition, the distribution of main stream of Fujiang River shows two characteristics:the main stream of Fujiang River is curved synchronously along the fault due to right-lateral (or left-lateral) strike-slip movement of Xueshan Fault and Beichuan-Yingxiu Fault and Pengxian-Guanxian Fault. The flow direction of main stream of Fujiang River changed from northwest-southeast to near south on the northern side of Beichuan-Yingxiu Fault. The main reason is that the regional dextral strike-slip activity of the three main faults in Longmenshan fault zone drives the corresponding dextral movement of the materials in this area, which causes the main stream of Fujiang River under the control of dextral action of the fault to change direction.