馬 驍， 張亞麗， 武慧智， 史鵬會， 楊俊峰

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001； 2.遙感衛(wèi)星應(yīng)用國家工程實驗室地質(zhì)遙感中心，鄭州 450001；3.河南省地礦局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450001）

數(shù)字高程模型（DEM）是對地球表面起伏狀態(tài)的數(shù)字化表示，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)的各個領(lǐng)域中.DEM 被引入到地貌學(xué)研究中后，給傳統(tǒng)構(gòu)造地貌研究帶來新的活力，許多研究者在世界各地開展了基于DEM的構(gòu)造地貌研究，取得了豐碩的成果［1-14］.

本文選取太行山南緣為研究區(qū)，借助RS和GIS工具，利用DEM數(shù)據(jù)開展南太行地區(qū)的構(gòu)造地貌研究，以期為南太行山新生代的地貌演化提供約束.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

太行山位于我國中東部，是我國地貌二三級階梯的分界線，呈NNE向橫亙于華北平原西側(cè)，兩側(cè)高差懸殊. 本文研究區(qū)位于河南山西兩省交界處的太行山南緣，面積2773 Km2. 研究區(qū)在大地構(gòu)造上屬于華北板塊，基底為太古界-古元古界的變質(zhì)巖系，其上為中新元古代沉積蓋層［15］，古生代以來一直保持著穩(wěn)定克拉通沉積環(huán)境，沉積了巨厚的碳酸鹽巖和陸緣碎屑巖.

區(qū)內(nèi)主要出露的巖石有太古界登封雜巖，主要由斜長角閃巖、黑云變粒巖、云母石英片巖等組成［16］. 中元古界汝陽群，自下而上為云夢山組，主要由紫紅色石英砂巖、粉砂巖和泥頁巖等組成；白草坪組主要由石英砂巖、砂泥巖和泥頁巖等組成；北大尖組主要由淺紅色石英砂巖、礫屑白云巖和白云質(zhì)砂巖等組成，疊層石發(fā)育［17］. 寒武系自下而上為張夏組，主要為灰色厚層鮞粒灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖等組成［18］；崮山組主要由泥灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、夾竹葉狀灰?guī)r［19］；炒米店組主要由灰色厚層微晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和薄層竹葉狀灰?guī)r組成［20］；中奧陶統(tǒng)馬家溝組主要由泥晶灰?guī)r、白云巖等組成［21］，為本區(qū)出露面積最大的巖石地層單元（圖1）. 研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育主要有NNE向、NE向和近EW向3組斷裂，其中有多條斷裂是第四紀(jì)以來的活動斷裂［22］.

圖1 太行山南緣地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch of the southern margin of Taihang Mountain

2 技術(shù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究所采用的DEM數(shù)據(jù)為美國航空航天局與日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省于2009年推出的電子地形數(shù)據(jù)Aster GDEM，其空間分辨率為30 m，水平精度30 m，垂直精度20 m［23-24］，可以滿足研究區(qū)構(gòu)造地貌的分析；遙感影像為Landsat 8 OLI的30 m分辨率的多光譜數(shù)據(jù). 所有數(shù)據(jù)地理參照為WGS_1984，橫軸墨卡托投影（UTM）.

2.2 數(shù)據(jù)處理

對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和裁剪等預(yù)處理，得到研究區(qū)的DEM高程圖. 在此基礎(chǔ)上利用ArcGIS空間分析工具中的水文分析模塊（Hydrology），提取研究區(qū)的主要水系. 在提取水系范圍的步驟中，匯流累積量的選擇是十分關(guān)鍵的一步，本次研究通過多次試驗對比，將水系閾值設(shè)定為1000可以滿足分析精度，所以以此為標(biāo)準(zhǔn)提取研究區(qū)的水系，并進(jìn)行流域盆地的劃分. 結(jié)合遙感影像特征和區(qū)域地質(zhì)特征，對小流域進(jìn)行合并，對一些流域邊界稍作調(diào)整，得到了研究區(qū)從南向北均勻分布的14個子流域作為研究對象（圖2）. 為了方便討論，將流域由南向北依次命名為V1～V14，并按照水系范圍裁剪DEM 柵格得到水系范圍內(nèi)的DEM 數(shù)據(jù).由于Landsat 8 OLI影像經(jīng)過了系統(tǒng)的幾何校正，所以本次研究預(yù)處理主要是進(jìn)行了輻射定標(biāo)和大氣校正，并對進(jìn)過大氣校正的影像進(jìn)行融合和鑲嵌，以滿足研究需要（圖3）.

圖2 研究區(qū)流域分布圖Fig.2 The distribution of rivers instudy area

圖3 太行山南緣Landsat 8 OLI遙感影像Fig.3 Landsat 8 OLI remote sensing image of the southern margin of Taihang Mountain

3 構(gòu)造地貌分析

3.1 面積-高程積分（HI）

以流域中某一高程以上的面積除以集水區(qū)總面積作為X 軸，以某一高程值除以集水區(qū)的最大高程差為Y 軸，對曲線下方求積分即為流域的面積-高程積分［25］. 后續(xù)經(jīng)過學(xué)者的推導(dǎo)得出估算HI值的簡易方法［26］，計算公式為：

由于求取面積高程積分還有體積比例法，前人利用這3種方法計算了白龍江流域32個子流域的HI值，結(jié)果表明，3 種計算方法得到的HI 值幾乎一致［27］. 故本次研究采用Pick 和Wilson 的方法計算研究區(qū)的HI值，利用ArcGIS空間分析模塊中的Zonal statistics工具，求得每個流域下DEM的最大值、最小值和平均值，利用上述公式計算求得HI值（表1）.

表1 流域參數(shù)表Tab.1 Parameters of every valley

Strahler利用面積高程積分曲線形態(tài)和積分值對戴維斯的侵蝕-循環(huán)理論進(jìn)行了定量描述，認(rèn)為在地表經(jīng)過構(gòu)造隆升后，構(gòu)造活動趨于穩(wěn)定或停止，河流發(fā)生下切，流域盆地的HI值隨地表演化時間的變長而逐漸降低［25］. 在地貌發(fā)育的初期，風(fēng)化侵蝕程度較低，HI曲線呈現(xiàn)上凸，其值>0.6；地貌演化至老年階段的流域盆地，各種侵蝕作用發(fā)育，風(fēng)化程度較高，HI曲線呈現(xiàn)凹型，其值<0.35；HI值介于兩者之間（0.35

3.2 地表坡度分析

根據(jù)DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 的空間分析工具，提取研究區(qū)的坡度柵格. 利用ArcGIS 的統(tǒng)計分析工具，可知研究區(qū)最大坡度可達(dá)79.579 29°，平均坡度約為19.688 54°. 累計百分比上，有約62%的山體坡度大于15°，山體坡度大于21°的約占41%，約12%的山體坡度大于33°，約有3%的山體坡度大于45°. 根據(jù)坡度大小可以將研究區(qū)分為緩坡、低陡坡、中陡坡、陡坡和陡崖5種類型. 表2為研究區(qū)山體坡度類型及占比. 由表2中可以看出，研究區(qū)緩坡約占17.31%，低陡坡約占41.61%，中陡坡占29.32%，陡坡占9.32%，另有約占2.44%的陡崖存在. 可見研究區(qū)坡度總體較為陡峭，懸崖發(fā)育. 利用ArcGIS的重分類工具得到研究區(qū)坡度分級圖（圖4），從坡度分級圖上可以看出，顏色較深處（及坡度較大）沿河流兩岸對稱分布.

表2 研究區(qū)坡度統(tǒng)計Tab.2 Slope statistics of study area 單位：%

圖4 研究區(qū)坡度分級圖Fig.4 Slope classification of the study area

3.3 地形高程

根據(jù)DEM 數(shù)據(jù)對研究區(qū)高程進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示研究區(qū)平均海拔962.75 m，最高處1676 m，海拔1100～1300 m的山體占比最大，達(dá)23.27%，1300～1500 m的山體約占17.63%，有2.98%的山體高程大于1500 m，從累計百分比看，約73%的山體海拔在700 m以上，約60%的山體海拔高于900 m，約44%的山體海拔在1100 m以上（表3）. 利用ArcGIS的重分類工具得到研究區(qū)高程分級圖（圖5），可以看出，海拔1100～1300 m的山體在本區(qū)分布面積最大.

表3 研究區(qū)高程統(tǒng)計Tab.3 Height statistics of study area

圖5 研究區(qū)高程分級圖Fig.5 Elevation gradient of the study area

沿與南太行山前斷裂大致平行的方向做一條剖面（圖6），通過剖面可以看出，南太行地區(qū)溝谷縱橫，地勢較為復(fù)雜，且存在明顯的層狀地貌，根據(jù)海拔高度將這一區(qū)域大致劃分出3級夷平面：第一級夷平面主要分布于南太行海拔大于1400 m的高山帶，主要由一些殘留的山頂面和山脊線構(gòu)成；第二級夷平面分布最廣，主要分布于海拔1100～1300 m，由面積比較廣闊的山塬面組成；第三極夷平面在該區(qū)分布較少，主要位于海拔800～1000 m的高度（圖6）.

圖6 南太行山前斷裂地形剖面圖Fig.6 Topographic profile of prefracture in South Taihang Mountain

4 討論

華北地區(qū)地文期的研究始于上世紀(jì)初［28-29］，學(xué)者們注意到在華北山地主要是燕山和太行山廣泛發(fā)育三級夷平面，分別是北臺期夷平面、太行期夷平面和唐縣期夷平面［30-33］. 在太行山北段，北臺期夷平面的分布高度為2500 m以上，太行期夷平面（吳忱等稱之為甸子梁期夷平面）主要位于1800～2200 m的海拔高度，唐縣期夷平面分布于500～1000 m，主要是一些臺狀的低山和丘陵面［31］；在太行山南緣（濟源王屋山一帶），北臺面海拔為1800 m左右，太行面海拔高度為1100～1300 m，唐縣面海拔高度為400～500 m［33］. 本文所做剖面顯示，該研究區(qū)同樣存在三級夷平面，一級夷平面海拔1500 m，二級夷平面海拔1100～1300 m，三級夷平面海拔800～1000 m，很好地對應(yīng)了華北地區(qū)的這3個地文期，即在該區(qū)北臺面的分布高度約為1500 m，太行面分布于1100～1300 m的高度，唐縣面主要為800～1000 m處的寬谷. 夷平面是地殼處于穩(wěn)定時期受外力長時間侵蝕作用的產(chǎn)物，代表了一個地貌發(fā)展旋回的終極階段. 關(guān)于華北山地這些夷平面的形成時代，一直以來存在很多爭議，目前比較公認(rèn)的是北臺期夷平面形成于白堊紀(jì)末-始新世初，歷時約80 Ma，太行期（甸子梁期）夷平面形成于始新世末-中新世前［31］，歷時約30 Ma. 前人對發(fā)育于唐縣期夷平面上的堆積物進(jìn)行了ESR年齡測定，結(jié)果顯示堆積物的時代介于1057～2583 kaB.P.［33］，表明唐縣期夷平面形成于上新世晚期-早更新世初，歷時約2 Ma.

太行山南緣河谷中普遍發(fā)育6 級河流階地，這些河流階地發(fā)育在唐縣期寬谷面之下的峽谷中，并侵蝕切割了唐縣期沉積［33-34］，T1 階地的熱釋光測年結(jié)果為35.21 kaB.P.，T5 階地的ESR 年齡為908.75 kaB.P.，表明這6 級階地形成于更新世，時代上晚于唐縣期夷平面. 河流階地的形成分為兩個時期，即階地面和階地斜坡. 階地面是河流側(cè)蝕作用的結(jié)果，是地殼的相對穩(wěn)定期，階地斜坡是河流下切作用形成，為地殼的抬升時期［35］. 這6級河流階地是南太行地區(qū)第四紀(jì)強烈抬升的直接證據(jù)，現(xiàn)今在該區(qū)域大量發(fā)育的深切河谷（圖7）也表明第四紀(jì)以來南太行山的構(gòu)造抬升. 本次研究得到的南太行地區(qū)14個流域的面積高程積分值普遍較大（最大的0.68），也說明該區(qū)域的地貌演化處于幼年-壯年期，處于地貌演化的鼎盛階段，坡度分析表明該區(qū)域坡度較陡，懸崖發(fā)育，都是對第四紀(jì)以來地殼強烈抬升的響應(yīng).

圖7 太行山南緣關(guān)山國家地質(zhì)公園中的深切河谷Fig.7 The deeply incised valley of Guanshan Global Geopark

5 結(jié)論

本文通過DEM數(shù)據(jù)提取了南太行地區(qū)的構(gòu)造地貌參數(shù)，研究表明：

1）南太行地區(qū)坡度較為陡峭，平均坡度19.68°，面積-高程積分（HI）值偏高，平均為0.49，最大達(dá)到0.68.

2）南太行地區(qū)發(fā)育3級夷平面，一級夷平面海拔大于1400 m，二級夷平面海拔1100～1300 m，三級夷平面海拔800～1000 m，分別對應(yīng)于北臺期夷平面、太行期夷平面和唐縣期夷平面.

3）南太行地區(qū)第四紀(jì)以來發(fā)生強烈構(gòu)造抬升，深切河谷發(fā)育，與地貌參數(shù)所體現(xiàn)的特征一致.