關(guān) 雪，逄立臣，姜雨彤，呂紅華，鄭祥民

華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241

0 引言

構(gòu)造地貌學(xué)主要關(guān)注構(gòu)造、氣候、地表過程之間的相互耦合關(guān)系及其對(duì)地貌演化的影響(劉靜等，2018)。近年來，伴隨測(cè)年技術(shù)的改進(jìn)和地貌形態(tài)測(cè)量技術(shù)的革新，構(gòu)造地貌研究逐漸由定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)榘攵俊垦芯俊；诠忉尮?、AMS碳十四、宇宙成因核素、磁性地層等定年方法建立的時(shí)間標(biāo)尺，構(gòu)造活動(dòng)速率與地震復(fù)發(fā)周期能夠得以限定(王岸和王國(guó)燦，2005)，甚至通過儀器觀測(cè)可以獲得現(xiàn)今構(gòu)造變形速率(劉靜等，2018)。而地貌計(jì)量指標(biāo)分析可以揭示構(gòu)造地貌演化的空間規(guī)律及其控制因素，近年來也已受到重視(Chen et al.，2003；張?zhí)扃鞯龋?015；武登云等，2018)。

目前，流域尺度下內(nèi)、外地質(zhì)營(yíng)力的復(fù)雜關(guān)系及其在地貌上的表現(xiàn)是構(gòu)造地貌研究重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容之一(趙洪壯等，2009；張敬春等，2011；程璐等，2017；文力等，2020)。一些學(xué)者已成功將數(shù)字高程模型(DEM)與地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間分析技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于流域尺度的構(gòu)造地貌研究(史興民等，2004; 王岸和王國(guó)燦，2005)。通過坡度(劉亢等，2012；錢程等，2012)、河流陡峭指數(shù)(胡小飛等，2010；梁歐博等，2018)、面積高程積分值(HI)(Strahler，1952；Walcott and Summerfield，2008；趙洪壯等，2010a；張敬春等，2011)、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面(Hack，1973；趙洪壯等，2010b；吉亞鵬等，2011)等地貌計(jì)量指標(biāo)分析，探討不同因素對(duì)地貌演化的作用，特別是基于地貌指標(biāo)分析揭示區(qū)域新構(gòu)造活動(dòng)特征，推斷區(qū)域地貌演化階段。如趙國(guó)華等(2014)運(yùn)用河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面及面積高程積分，探討了龍門山中段地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)特性；張?zhí)扃鞯?2015)運(yùn)用面積高程積分刻畫了新疆烏魯木齊河流域的地貌演化特征，發(fā)現(xiàn)地貌演化與區(qū)域構(gòu)造背景密切相關(guān)。這些研究均表明，基于DEM的空間分析方法可以用于探討新構(gòu)造活動(dòng)的空間特征。

太行山位于華北平原西側(cè)、黃河晉陜峽谷以東地區(qū)，地處中國(guó)第二、三地形階梯的邊界。其特殊的地理位置、齊全的地層序列以及發(fā)育良好的層狀地貌面(如夷平面、山麓剝蝕面、河流階地等)，為研究華北構(gòu)造地貌發(fā)育史創(chuàng)造了良好的條件(張蒙和李鵬霄，2014；Zhang et al.，2018；張琪琪和張栓宏，2019)，因此具有重要的地貌學(xué)、構(gòu)造地貌學(xué)研究?jī)r(jià)值。目前，關(guān)于太行山地質(zhì)與地貌方面的研究主要包括以下幾個(gè)方面：地貌系統(tǒng)的發(fā)育背景、形成條件及特征(樊克峰和楊東潮，2006；高亞峰和焦慧元，2007)，局部或整體的地質(zhì)遺跡特征與成因(吳忱，2001；徐志萍等，2015；Chang et al.，2019)，新構(gòu)造活動(dòng)特征(張?jiān)罉虻龋?003；孫啟凱等，2018)，太行山東、中、南段沉積相、斷裂構(gòu)造特征、河流階地及夷平面研究(韓慕康等，1983；王輝等，2018；張蕾等，2018)，造山過程、機(jī)制及其相關(guān)的巖漿源區(qū)特征、作用與時(shí)空變化(吳忱等，1999；曹現(xiàn)志等，2013)，中新生代變形過程、特征、機(jī)制與演化模式(吳忱等，1999；程世秀等，2014)等。相對(duì)而言，基于DEM的地貌計(jì)量指標(biāo)的空間分析來探討太行山地貌演化階段及其與區(qū)域構(gòu)造背景的關(guān)系，這方面的工作還相對(duì)缺乏。此外，太行山地處“華北地震帶”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)8級(jí)以上地震發(fā)生過1次，7～7.9級(jí)地震發(fā)生過5次，這對(duì)京、津、唐等地區(qū)的人民生產(chǎn)生活產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的影響(吳奇，2012)。另外，國(guó)家級(jí)新區(qū)雄安新區(qū)就位于太行山東麓，受太行山山前斷裂的控制。該地區(qū)構(gòu)造上屬于渤海斷陷盆地，于晚中生代發(fā)生強(qiáng)烈的伸展斷塊活動(dòng)，至第四紀(jì)進(jìn)入裂谷熱沉降階段(何登發(fā)等，2018；劉開明等，2020)。因此，對(duì)太行山開展地貌演化階段和新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。基于此，文章以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于ArcGIS空間分析技術(shù)進(jìn)行面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面等主要地貌計(jì)量指標(biāo)的分析，進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域地層、構(gòu)造等資料，探討太行山地貌演化階段及其反映的區(qū)域新構(gòu)造特征。

1 研究區(qū)概況

太行山地理位置介于34°34′～40°43′N；110°14′～116°34′E之間(圖1a)。從宏觀地貌格局來看，太行山處于中國(guó)第二地形階梯東緣，總體上呈北東—南西走向。西側(cè)以山西地塹系盆地與呂梁山相隔，東側(cè)為華北平原，南側(cè)則以黃河與秦嶺相望。太行山地勢(shì)北部高、南部低，并呈自東向西逐漸變緩的趨勢(shì)。自北向南，主要發(fā)育11個(gè)水系，即永定河、滄頭河、子牙河、白溝河、上唐河、大沙河、滹沱河、汾河、漳河、沁河、涑水河(圖1b)。就大地構(gòu)造位置而言，太行山位于華北克拉通中南部，以東是以渤海灣盆地為代表的一系列裂陷盆地，以西是汾渭地塹系，以南是西安-鄭州-徐州裂谷轉(zhuǎn)換帶，東南部展現(xiàn)為桌狀隆起(樊克峰和楊東潮，2006；王輝等，2018)。相關(guān)學(xué)者對(duì)于太行山主要隆升成山時(shí)期有不同的看法(吳忱等，1999；龔明權(quán)，2010；孟元庫(kù)等，2015)。吳忱等(1999)基于對(duì)太行山地區(qū)發(fā)育的深切曲流河谷進(jìn)行分析，認(rèn)為太行山開始隆升于中新世，第四紀(jì)期間新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、逐漸形成現(xiàn)今地貌形態(tài)。龔明權(quán)(2010)聯(lián)合地貌面分析與盆地沉積地層研究，認(rèn)為太行山主要隆起于古近紀(jì)末至上新世初。孟元庫(kù)等(2015)則運(yùn)用磷灰石裂變徑跡分析方法，認(rèn)為太行山主體在前新生代為剝蝕夷平-準(zhǔn)平原化過程，在古近紀(jì)時(shí)期則為抬升-剝蝕夷平過程，中新世是山體快速隆升階段?？偟膩碚f，太行山主要隆升于新近紀(jì)。

太行山內(nèi)斷裂較多，可概括為兩條斷裂帶，即太行山山前斷裂帶、太行山大斷裂帶(圖1c；吳奇，2012；朱建佳等，2019)。位于太行山東部的太行山山前斷裂帶是太行山隆起帶(斷塊隆起區(qū))與華北平原裂陷盆地區(qū)的構(gòu)造分界線，自北向南由黃莊-高麗營(yíng)、順義-良鄉(xiāng)、保定-石家莊、邯鄲、湯東、湯西等十多條北東—北北東向斷裂組成(徐杰和高戰(zhàn)武，2000)。而位于太行山中東部的太行山大斷裂帶自北向南由烏龍溝、紫荊關(guān)、晉獲斷裂三條北東—北北東向斷裂組成(曹現(xiàn)志等，2013)。這兩條斷裂帶在新近紀(jì)以來均有不同程度的活動(dòng)，控制著區(qū)內(nèi)的構(gòu)造格局。

太行山地區(qū)地層包含基底和蓋層兩個(gè)部分?；资翘胖嬷猎糯貙?，包括阜平群、五臺(tái)群和滹沱群，其變質(zhì)作用和構(gòu)造變形強(qiáng)烈。蓋層發(fā)育有兩個(gè)階段。其一為中元古代至古生代，其中，長(zhǎng)城系以較厚的石英砂巖地層為主，主要分布在北部的山地地區(qū)以及太行山大斷裂帶附近；寒武至奧陶紀(jì)地層以海相碎屑巖-碳酸鹽巖為主，夾有頁(yè)巖、泥巖等地層，主要分布在南部的汾渭地塹系周圍地區(qū)；石炭至二疊系以零散分布的含煤碎屑巖地層為主，零星分布在南部的沁河流域及汾渭地塹系。其二為中生代至新生代，其中，中生代受太平洋板塊向歐亞板塊北西向俯沖和擠壓的作用進(jìn)入了活躍期，且伴有巖漿侵入作用，在侏羅紀(jì)達(dá)到頂峰；新生代由于印度板塊向北與歐亞板塊碰撞，致使太行山加速隆升。太行山北部廣泛分布中元古代長(zhǎng)城系石英砂巖，南部則廣泛分布早古生代寒武系—奧陶系碳酸鹽巖(張蒙和李鵬霄，2014；王輝等，2018)?？傮w來說，太行山地層主要為太古界(阜平群、五臺(tái)系)、下元古界(滹沱群)、中上元古界(長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系、震旦系)、古生界(寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系)、中生界(三疊系)、新近系和古近系溝谷沉積，第四紀(jì)地層主要分布在河谷和低凹地區(qū)(圖1c；孟元庫(kù)等，2015；黃倩雯等，2019)。

a—研究區(qū)位；b—太行山地形與水系格局；c—地層與構(gòu)造

2 數(shù)據(jù)與方法

文中所選取的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)，其空間分辨率為30 m×30 m，所得圖像的水平精度為30 m，垂直精度為20 m(趙國(guó)松等，2012)?；诖藬?shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS10.4的空間分析工具(Spatial Analyst)及3D分析工具(3D Analyst)，提取太行山地區(qū)的DEM，對(duì)其面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面等地貌計(jì)量指標(biāo)進(jìn)行分析。

面積高程曲線(HC)可以用來刻畫流域侵蝕與地貌演化狀態(tài)，假設(shè)a為某一子流域的面積，A為流域總面積，h為流域某一高程與最低高程的差，H為流域最大高程差，面積高程曲線(HC)以某一流域的相對(duì)面積比(a/A)為橫坐標(biāo)、相對(duì)高度比(h/H)為縱坐標(biāo)來表示(Strahler，1952)。而面積高程積分值(HI)是面積高程曲線下方的積分面積(Strahler，1952)。Strahler(1952)通過對(duì)面積高程曲線(HC)的形態(tài)和面積高程積分值(HI)分析，發(fā)現(xiàn)在Davis(1899)地貌侵蝕循環(huán)理論的框架下，這些地貌指標(biāo)可以用于探討流域的新構(gòu)造活動(dòng)特征與地貌演化階段。流域地貌演化的早期(即河流地貌發(fā)育的幼年期)，地表受構(gòu)造抬升作用影響較大，外力作用影響較小，使得地貌受侵蝕破壞較弱，土地殘積率較大，故而面積高程積分值較高(HI>0.60)，面積高程曲線呈上凸形態(tài)。在流域地貌演化的后期(即河流地貌發(fā)育的老年期)，地表受外力侵蝕破壞作用影響較大，使得土地殘積率較小，故而面積高程積分值較低(HI<0.35)，面積高程曲線呈下凹形態(tài)(Strahler，1952)。而介于流域地貌演化幼年期和老年期之間的壯年期，面積高程曲線形態(tài)呈S形，面積高程積分值為0.35

河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)是河流縱剖面的坡度與距河流源頭的距離的乘積，即：

SL=(ΔH/ΔL)×L

(1)

其中，ΔH表示某河段的高程差;ΔL表示該河段的長(zhǎng)度;L表示此河段中點(diǎn)到河流源頭的距離。SL可以用來反映河流縱剖面坡度的變化，常用來討論中—小時(shí)空尺度的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或巖性差異等問題。當(dāng)SL值較大時(shí)，揭示該河段構(gòu)造活動(dòng)性較強(qiáng)或地層抗侵蝕性較強(qiáng)；當(dāng)SL值較小時(shí)，揭示該河段構(gòu)造活動(dòng)性較弱或地層抗侵蝕性較弱(Hack，1973；武登云等，2018)。

Hack剖面是以河流縱剖面高度為縱坐標(biāo)，河段距河流源頭的距離取對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，即：

H=C-K×logL

(2)

其中，H表示河流縱剖面的高程；C為常數(shù)；K表示斜率；L同上。Hack剖面可以用來反映河流縱剖面形態(tài)的變化。當(dāng)Hack剖面呈上凸形態(tài)時(shí)，指示該河段構(gòu)造活動(dòng)性較強(qiáng)；當(dāng)Hack剖面呈下凹或直線形態(tài)時(shí)，指示該河段構(gòu)造活動(dòng)性較弱(Hack，1973；Zhang et al.，2018)。自河流源頭至河流出水口連接一條直線，這條直線可表示河流達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的狀態(tài)(均衡剖面狀態(tài))，即K為均衡坡降指標(biāo)，可以用來反映河道的陡緩狀態(tài)以及河流的侵蝕力(Hack，1973；趙洪壯等，2010b；Zhang et al.，2018)。當(dāng)K值較大時(shí)，該河道較陡且流域內(nèi)構(gòu)造活躍、侵蝕力較強(qiáng)；當(dāng)K值較小時(shí)，該河道較緩且流域內(nèi)構(gòu)造不活躍、侵蝕力較弱。一般來說，河流的規(guī)模與K值呈正相關(guān)，規(guī)模較大的河流具有較大的K值，規(guī)模較小的河流具有較小的K值。據(jù)此，為比較不同河流的河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)，需要用K對(duì)SL進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL/K)。Seeber and Gornitz(1983)在對(duì)喜馬拉雅地區(qū)的河流進(jìn)行研究時(shí)，將SL/K進(jìn)行劃分，即2～10為陡河段，大于10為極陡河段。本研究采用此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)河段進(jìn)行劃分。

面積高程積分是用二維的面積高程曲線來描述三維原始地表受侵蝕后的土地體積殘存率(Strahler，1952)，其可以用來表征流域整體的地貌演化階段。河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)對(duì)中小空間尺度的變化(巖性的差異、局部的斷裂活動(dòng)性等)反饋較為敏感，常常用來指示河流縱剖面的局部坡度變化狀況(Hack，1973)，而Hack剖面可以用來反映整個(gè)河流縱剖面的變化與調(diào)整。與河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)相比，Hack剖面更適合用來探討較大空間尺度的構(gòu)造變動(dòng)(Chen et al.，2003)，以此來彌補(bǔ)河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)的不足。相較于河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面來講，面積高程積分則更好地反映了流域內(nèi)地貌發(fā)育的整體趨勢(shì)。綜合利用面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面，可以在不同空間尺度上為研究流域內(nèi)的地貌演化提供依據(jù)。

3 太行山地貌計(jì)量指標(biāo)分析

3.1 面積高程積分和面積高程曲線

面積高程積分具有面積、空間依賴性，面積不同的集水盆地，其HI值能反映出不同地形因子的影響。對(duì)于河流的上、中、下游地區(qū)，其在地形高差、巖性、內(nèi)外作用營(yíng)力等方面都存在著差異，同時(shí)，這亦使得HI值受到相應(yīng)地影響。因此，選擇不同的面積高程積分分析其所適宜的最佳集流閾值，對(duì)于某一流域而言，可能有所不同。已有研究(Walcott and Summerfield，2008；Pedrera et al.，2009；張?zhí)扃鞯龋?015)也表明，不同研究區(qū)適用的面積閾值亦不相同。為了更好地探討子集水盆地面積與高差對(duì)太行山面積高程積分的影響，并基于已有研究認(rèn)識(shí)(Pedrera et al.，2009；張?zhí)扃鞯龋?015)，以12組集流閾值(4.5 km2，8.1 km2，9 km2，18 km2，54 km2，90 km2，126 km2，162 km2，198 km2，234 km2，270 km2，306 km2)將太行山劃分為若干次集水盆地(表1)。對(duì)提取出的次集水盆地的HI平均值與其平均面積、平均高差進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明(表1，圖2)：①當(dāng)集流閾值小于18 km2時(shí)，流域內(nèi)劃分出的次集水盆地?cái)?shù)量過多且面積較小，不適于分析流域尺度的構(gòu)造活動(dòng)性；②當(dāng)集流閾值大于18 km2時(shí)，流域內(nèi)的HI值與集流閾值大小、次集水盆地的平均高差、平均面積均呈顯著負(fù)對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系(R2>0.85)。

a—平均HI與集流閾值；b—平均HI與平均面積；c—平均HI與平均高差

基于上述12個(gè)面積閾值所劃分得到的若干次集水盆地(表1)，得到相應(yīng)的HI值及其空間分布特征(圖3)，以探討構(gòu)造、巖性等因素對(duì)太行山HI值的影響。為更好地展示HI值的空間分布特征，將地貌演化壯年期的HI值范圍(0.35

a—18 km2; b—54 km2; c—90 km2; d—126 km2; e—162 km2; f—198 km2; g—234 km2; h—270 km2; i—306 km2

表1 不同集流閾值下太行山次集水盆地?cái)?shù)量、平均面積、平均高差和平均HI

對(duì)太行山地區(qū)整體的面積高程積分分析只能反映出該地區(qū)地貌演化的總趨勢(shì)，而研究區(qū)內(nèi)不同地區(qū)的地貌演化不盡相同，使得區(qū)域內(nèi)的地貌演化呈現(xiàn)出差異，對(duì)研究區(qū)內(nèi)不同流域進(jìn)行分析，能更好地揭示一個(gè)地區(qū)內(nèi)部的地貌演化。因此，對(duì)太行山地區(qū)發(fā)育的11條主要河流，選用集水面積閾值162 km2進(jìn)行面積高程積分分析。根據(jù)結(jié)果可將其分為兩類(圖4a)：①面積高程曲線(HC)形態(tài)呈“S”形，面積高程積分值為0.35 ≤HI<0.60，白溝河、汾河、滹沱河、沁河、上唐河、永定河及漳河的HC近似地呈“S”形，且HI值在0.35～0.60之間，依次為0.49，0.40，0.50，0.41，0.38，0.35及0.49；②面積高程曲線(HC)形態(tài)呈“凹”形，面積高程積分值為HI<0.35，滄頭河、大沙河、涑水河以及子牙河的HC呈“凹”形，并且其HI值均小于0.35，依次為0.34，0.27，0.17，0.29。對(duì)太行山整體的分析可知(圖4b)，太行山的HI值為0.36，HC為接近“凹”形的“S”形，表明太行山地貌演化處于“壯年期—老年期”的過渡階段。

a—太行山的面積高程曲線；b—太行山11條河流干流河段的面積高程曲線

3.2 河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面

通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL/K)的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5)，太行山11條河流中31%的標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)值處于0～2之間，19%的標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)值處于2～10(陡河段)之間，50%的標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)值大于10(極陡河段)。

圖5 太行山11條河流的標(biāo)準(zhǔn)化坡降指標(biāo)(SL/K)和均衡坡降指標(biāo)(K)

河流的縱剖面形態(tài)、河流的Hack剖面及河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)如圖6所示。①太行山11條河流的Hack剖面曲線均呈現(xiàn)不同程度的上凸形態(tài)，但是它們的凸度不盡相同，其中，永定河、白溝河、上唐河、滹沱河、漳河、沁河的凸度相近，曲線較為平滑，大沙河也呈上凸形態(tài)，但曲線不平滑的程度較大，滄頭河、子牙河、汾河、涑水河的Hack剖面曲線上凸形態(tài)最小，近似為直線；②K值統(tǒng)計(jì)結(jié)果表示太行山隆起帶以東的河流包括永定河(K=247)、白溝河(K=206)、上唐河(K=295)、大沙河(K=249)、滹沱河(K=146)、漳河(K=269)、沁河(K=255)，其K值普遍大于以西的河流，包括滄頭河(K=77)、子牙河(K=95)、汾河(K=85)、涑水河(K=28)；③Hack剖面與標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)SL/K之間存在較好的地形地貌對(duì)應(yīng)關(guān)系。SL/K值較低的地區(qū)對(duì)應(yīng)Hack剖面曲線上凸的位置，而SL/K值較高的地區(qū)對(duì)應(yīng)Hack剖面曲線下凹的位置，如滄頭河在海拔近1000 m處其Hack剖面曲線下凹時(shí)，所對(duì)應(yīng)的SL/K值偏高。

a—永定河；b—白溝河；c—上唐河；d—大沙河；e1，e2—滹沱河；f1，f2—漳河；g—沁河；h—滄頭河；i—子牙河；j—汾河；k—涑水河

4 討論

地貌計(jì)量指標(biāo)受到諸如構(gòu)造、巖性、地貌演化階段等多種因素的影響(Chen et al.，2003；張?zhí)扃鞯龋?015；程璐等，2017)。因此，運(yùn)用單一的地貌計(jì)量指標(biāo)解釋新構(gòu)造活動(dòng)性可能存在局限，而綜合使用多種地貌計(jì)量指標(biāo)可以剔除其他一些影響因素，更好地揭示區(qū)域新構(gòu)造活動(dòng)特征(Silva et al.，2003；El Hamdouni et al.，2008；Lee and Tsai，2010；趙洪壯等，2010a；Alipoor et al.，2011)。文中選用面積高程積分值(HI)與面積高程曲線(HC)、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)及Hack剖面4個(gè)地貌計(jì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，以探討太行山的地形演化階段與區(qū)域新構(gòu)造活動(dòng)特征。

4.1 太行山面積高程積分及其構(gòu)造地貌意義

面積高程曲線(HC)與面積高程積分值(HI)能用于探討區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)特征及地貌演化階段，已有學(xué)者在渭河上游(李利波等，2012)、龍門山中段山前地區(qū)(趙國(guó)華等，2014)、白龍江流域(常直楊等，2014)、天山北麓(趙洪壯等，2009)等區(qū)域均取得了不錯(cuò)的效果。由于面積高程積分具有空間依賴性，不同的研究區(qū)域適用的集流閾值也有所不同，因此，每個(gè)研究區(qū)要選擇合適的集流閾值就顯得尤為重要。程璐等(2017)在錢塘江流域、趙洪壯等(2010a)在北天山瑪納斯河流域、張?zhí)扃鞯?2015)在北天山烏魯木齊河流域的研究均表明，構(gòu)造、巖性、氣候等因素是面積高程積分值(HI)的主要影響因子，但這些因素的貢獻(xiàn)會(huì)隨研究區(qū)域空間尺度的不同而變化。本研究中，集流閾值≤90 km2時(shí)，集水盆地的HI值主要受巖性的影響；集流閾值≥234 km2時(shí)，各次集水盆地跨越不同的構(gòu)造區(qū)，此時(shí)HI值與大空間尺度的構(gòu)造活動(dòng)特性相關(guān)。已有研究結(jié)果顯示，不同流域所適宜的集流閾值也有所不同。趙洪壯(2010a)等對(duì)瑪納斯河流域的構(gòu)造研究發(fā)現(xiàn)適合該流域的集流閾值為9～20 km2；常直楊(2014)對(duì)白龍江流域構(gòu)造研究分析后發(fā)現(xiàn)適合該流域的集流閾值為10 km2；張?zhí)扃鞯?2015)等對(duì)北天山烏魯木齊河流域地貌研究分析發(fā)現(xiàn)適合該流域的集流閾值為9～27 km2。研究中適合太行山構(gòu)造地貌特征分析的集流閾值為162 km2。此外，在面積高程積分值(HI)相同的地區(qū)，其面積高程曲線(HC)的形態(tài)也會(huì)有差異。因此，在分析面積高程積分值(HI)時(shí)，還需將其與面積高程曲線(HC)的形態(tài)相結(jié)合，以便于揭示區(qū)域地貌演化特征。

研究中，太行山的HI值為0.36(0.35～0.60)，HC顯示為近“凹”形的“S”形或“凹”形，揭示太行山地貌演化進(jìn)入了近“老年期”或“老年期”階段。然而，在太行山的一些地區(qū)也出現(xiàn)了HI高值區(qū)。地質(zhì)圖顯示(圖1c)，這些HI高值區(qū)主要為太古宇、奧陶系、寒武系等地層出露的地區(qū)，區(qū)域內(nèi)存在侵入巖、碳酸鹽巖等抗侵蝕能力較強(qiáng)的巖性組合。已有研究表明，侵入巖和碳酸鹽巖等巖性分布區(qū)的HI較高(趙國(guó)華等，2014；王輝等，2018)。據(jù)此認(rèn)為，太行山HI高值區(qū)可能主要緣于巖性因素。不過，太行山地區(qū)夷平面也比較發(fā)育。新生代以來，太行山經(jīng)歷了多期次的構(gòu)造隆升、剝蝕夷平過程(吳忱，2001；吳奇，2012；王輝等，2018)。太行山地區(qū)存在晚白堊紀(jì)末期形成的北臺(tái)期夷平面、漸新世末期形成的甸子梁期夷平面以及早上新世末期至第四紀(jì)初期形成的唐縣期夷平面(王輝等，2018)。這些夷平面風(fēng)化殼發(fā)育，受侵蝕程度較小，亦可能導(dǎo)致這些區(qū)域的HI值偏高(趙國(guó)華等，2014；王輝等，2018)。

4.2 主要河流的面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面及其構(gòu)造地貌意義

研究區(qū)4條河流(滄頭河、子牙河、大沙河、涑水河)的HI值在0.15～0.35之間(圖4)，其面積高程曲線(HC)表現(xiàn)為“凹”形，表明這4條河流地貌受外力侵蝕破壞作用的影響較大，地貌演化進(jìn)入了老年階段。7條河流(永定河、白溝河、上唐河、滹沱河、漳河、沁河、汾河)的HI值在0.35～0.60之間，其面積高程曲線(HC)表現(xiàn)為“S”形，表明這7條河流流域地貌處于演化的壯年期。面積高程積分易受巖性和構(gòu)造的影響，當(dāng)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)凸顯時(shí)，面積高程曲線(HC)會(huì)由“凹”形向“S”形發(fā)展；而當(dāng)區(qū)域外力侵蝕破壞顯著時(shí)，面積高程曲線(HC)會(huì)由“S”形向“凹”形發(fā)展(趙洪壯等，2010a，2010b)。由于東部的斷裂帶(太行山山前斷裂帶、太行山大斷裂帶)自第四紀(jì)以來有活動(dòng)(曹現(xiàn)志等，2018；孫啟凱等，2018)，加之東部地區(qū)降水豐富、地表侵蝕相對(duì)強(qiáng)烈，造成東部6條河流(永定河、白溝河、上唐河、滹沱河、漳河、沁河)的HC表現(xiàn)為“S”形，HI值處于0.35～0.60之間(吉亞鵬等，2011；錢程等，2012)。而位于西部的滄頭河、子牙河、涑水河，流域地表地層主要為第四系地層(圖1c)，易受地表侵蝕作用的影響，而且流域內(nèi)斷裂不發(fā)育，因此其HC表現(xiàn)為“凹”形，HI值小于0.35。總體來看，太行山地區(qū)11條河流的面積高程曲線(HC)自東向西呈現(xiàn)出由“S”形向“凹”形轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)，與太行山地區(qū)新構(gòu)造活動(dòng)(斷裂活動(dòng)性)自東向西逐漸減弱的趨勢(shì)一致。

河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面分析結(jié)果表明(圖6)，太行山東部河流(永定河、白溝河、上唐河、大沙河、滹沱河、漳河、沁河)的Hack剖面表現(xiàn)為明顯的上凸形態(tài)且K值較大(>125)，而西部河流(滄頭河、子牙河、涑水河)的Hack剖面表現(xiàn)為近似直線的形態(tài)且K值較小(<96)。經(jīng)流域構(gòu)造背景分析發(fā)現(xiàn)，①東部的河流流經(jīng)若干第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，如永定河、白溝河及上唐河主要受太行山山前斷裂帶的北部影響，其北部的黃莊-高麗營(yíng)斷裂與順義-良鄉(xiāng)斷裂自晚更新世以來活動(dòng)較為活躍(安慧婷等，2015)；滹沱河與沁河則主要受太行山大斷裂帶的影響，其中，影響滹沱河的烏龍溝斷裂自更新世以來活動(dòng)強(qiáng)烈，影響沁河的晉獲斷裂自更新世以來存在強(qiáng)烈的垂直差異性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(曹現(xiàn)志等，2013)；漳河不僅深受太行山山前斷裂帶南部的邯鄲斷裂與湯東斷裂的影響，還受太行山大斷裂帶(紫荊關(guān)斷裂與晉獲斷裂)的影響，這些斷裂均在第四紀(jì)以來存在強(qiáng)烈的垂直差異構(gòu)造活動(dòng)。②相對(duì)比而言，西部的滄頭河、子牙河、涑水河則沒有流經(jīng)第四紀(jì)活動(dòng)顯著的斷裂構(gòu)造。因此，太行山東部河流呈上凸形態(tài)的Hack剖面和較大的K值反映流域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)活躍，而西部河流近似直線的Hack剖面和較小的K值則是流域地層巖性的影響結(jié)果。綜合來看，河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面分析結(jié)果(圖6)表明太行山地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(斷裂活動(dòng)性)存在空間上的差異，即構(gòu)造活動(dòng)性呈現(xiàn)出自東向西逐漸變?nèi)醯内厔?shì)，與面積高程積分的分析結(jié)果以及與地質(zhì)記錄(龔明權(quán)，2010；曹現(xiàn)志等，2013)一致。

有兩條河的分析結(jié)果需要進(jìn)一步解釋。一是汾河，其位于太行山西部(圖1b)，除了K值(85)偏低以外，其Hack剖面呈上“凸”形態(tài)，HC曲線近似為“S”形，HI值(0.40)處于0.35～0.60之間。造成這一現(xiàn)象可能與提取的流域不完整有關(guān)，較小的流域面積使得K值偏低。另外，自第四紀(jì)以來，汾河流域發(fā)生了三次構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)(胡小猛等，2002)，這也能造成汾河的Hack剖面呈上“凸”形態(tài)、HC曲線呈“S”形、HI值偏高(0.40)。二是大沙河，其位于太行山東部(圖1b)，K值高(249)，Hack剖面表現(xiàn)為上“凸”形態(tài)，然而，其HC曲線卻表現(xiàn)為下“凹”形態(tài)，HI值為0.27。構(gòu)造上，大沙河位于太行山山前斷裂帶北段的南端，受到斷層構(gòu)造抬升的影響而使得K值偏高，Hack剖面上“凸”，但第四紀(jì)沉積地層導(dǎo)致其HI值偏低，HC曲線下“凹”。這兩個(gè)因素可能造成了大沙河的面積高程積分與SL、Hack剖面的分析結(jié)果不一致。

已有研究發(fā)現(xiàn)太行山主要隆升于新生代(吳忱等，1999；龔明權(quán)，2010；孟元庫(kù)等，2015)。中新世以來，由于受青藏高原隆升的影響，華北地塊中部的山地(太岳山、五臺(tái)山、小五臺(tái)山等)相應(yīng)隆升，而盆地則相應(yīng)下沉(吳奇，2012)。第四紀(jì)以來，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)開始，山地地區(qū)的再一次抬升，使得山麓地區(qū)相應(yīng)上升并且其上升的速度較大，從而逐漸形成了現(xiàn)今的太行山山地地區(qū)，相應(yīng)形成太行山地區(qū)廣泛分布的4級(jí)河流階地。研究結(jié)果顯示，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期，太行山地區(qū)東部的斷裂(太行山山前斷裂)活動(dòng)較強(qiáng)，而西部地區(qū)不僅斷裂較少且活動(dòng)較弱(安慧婷等，2015；張?jiān)罉虻龋?019)。這些認(rèn)識(shí)，與文中根據(jù)面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)與Hack剖面分析得到的結(jié)果一致。

5 結(jié)論

通過對(duì)太行山的面積高程積分、河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL)和Hack剖面進(jìn)行分析，可獲得以下主要認(rèn)識(shí)。

(1)集流閾值≤90 km2，面積高程積分值(HI)主要反映巖性差異，當(dāng)集流閾值為126～198 km2，HI主要反映構(gòu)造活動(dòng)差異，而當(dāng)集流閾值≥234 km2，HI主要反映更大空間尺度的構(gòu)造活動(dòng)。文中選用162 km2的集流閾值進(jìn)行面積高程積分分析。

(2)在分析的11條河流中，7條河流(永定河、白溝河、上唐河、滹沱河、漳河、沁河、汾河)的面積高程曲線(HC)表現(xiàn)為“S”形，面積高程積分值(HI)位于0.35～0.60之間，揭示其處于地貌演化的壯年階段，4條河流(滄頭河、子牙河、大沙河、涑水河)的HC表現(xiàn)為“凹”形，HI值小于0.35，揭示其處于地貌演化的老年階段。而太行山整體的面積高程積分值(HI)為0.36，面積高程曲線(HC)接近“凹”形，揭示其地貌演化處于“壯年期—老年期”過渡階段。

(3)7條河流(永定河、白溝河、上唐河、大沙河、滹沱河、漳河、沁河)的Hack剖面表現(xiàn)為上“凸”形態(tài)，河流的K值(>125)偏高，50%的標(biāo)準(zhǔn)化河長(zhǎng)坡降指標(biāo)(SL/K)值大于10(極陡河段)，并且這7條河流均位于太行山東部地區(qū)且流經(jīng)斷裂帶，揭示該區(qū)的斷裂帶新構(gòu)造活動(dòng)較為活躍。總體來看，太行山東麓山前斷裂帶與中東部的大斷裂帶新構(gòu)造抬升作用相對(duì)顯著，而西部活動(dòng)性相對(duì)較弱，呈現(xiàn)東強(qiáng)西弱的空間差異；太行山整體處于地貌演化從壯年期到老年期的過渡階段。