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冲断带构造作用控制下的分支河流体系特征及其成因分析

黄若鑫 张昌民 冯文杰

黄若鑫, 张昌民, 冯文杰. 冲断带构造作用控制下的分支河流体系特征及其成因分析—以塔里木盆地西北缘柯坪地区为例[J]. 沉积学报, 2022, 40(1): 166-181. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089
引用本文: 黄若鑫, 张昌民, 冯文杰. 冲断带构造作用控制下的分支河流体系特征及其成因分析—以塔里木盆地西北缘柯坪地区为例[J]. 沉积学报, 2022, 40(1): 166-181. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089
HUANG RuoXin, ZHANG ChangMin, FENG WenJie. Characteristics and Factor Analysis of Distributive Fluvial Systems due to Tectonic Thrust Belt Activity: Example of Keping area, northwestern Tarim Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(1): 166-181. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089
Citation: HUANG RuoXin, ZHANG ChangMin, FENG WenJie. Characteristics and Factor Analysis of Distributive Fluvial Systems due to Tectonic Thrust Belt Activity: Example of Keping area, northwestern Tarim Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(1): 166-181. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089

冲断带构造作用控制下的分支河流体系特征及其成因分析—以塔里木盆地西北缘柯坪地区为例

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089
基金项目: 

国际自然科学基金 41772094

详细信息
    作者简介:

    黄若鑫,男,1995年出生,硕士研究生,地质工程,E-mail: huangxin3018@163.com

    通讯作者:

    张昌民,男,教授,E-mail: zcm@yangtzeu.edu.cn

  • 中图分类号: P534.63

Characteristics and Factor Analysis of Distributive Fluvial Systems due to Tectonic Thrust Belt Activity: Example of Keping area, northwestern Tarim Basin

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41772094

  • 摘要: 构造运动是控制分支河流体系发育的重要因素之一,其对沉积体系的控制作用一直是研究的热点与难点。前人对挤压、拉张、走滑等类型的盆地均有研究,但在挤压盆地边缘的冲断带中,冲断带对于沉积体系的控制作用研究较少,特别是对冲断带中常发育的分支河流体系(冲积扇)。为研究逆冲作用对分支河流体系的控制作用,通过Google Earth提供的全球地貌影像结合数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)等数据对塔里木盆地西北缘柯坪地区发育的分支河流体系(Distributive Fluvial System,DFS)进行测量研究与沉积学解析,探究盆地边缘逆冲断裂带的DFS几何形态发育特征及影响因素。在研究区内识别DFS共256个。柯坪地区发育的分支河流体系延伸长度范围为0.26~24.58 km,DFS面积范围为0.044~221.987 km²,物源区面积变化范围为0.1~290 km²,DFS坡度范围为0.011~0.182。柯坪地区分支河流体系上发育的河道主要是辫状河,河道下切程度有明显差异。决定柯坪地区分支河流体系发育的主要影响因素有物源供给,气候水文以及构造背景。物源区大小与DFS规模呈正相关;气候通过降雨量与蒸发量来影响DFS发育特征;水文则通过流域分布来影响DFS发育,分布在研究区内柯坪河流域的DFS,发育规模远大于流域外的;构造作用控制沉积区分布、可容空间的大小、坡度等,影响着DFS的分布与发育。研究结果表明:构造作用作为主要因素影响着柯坪地区DFS的分布与发育。在柯坪逆冲带,构造作用通过控制推覆体逆冲高低来影响DFS的大小与坡度。物源区大小也受地层抬升程度控制,地层出露越多,物源区一般越大。将柯坪地区以构造特征分为三个区,每个构造区的DFS具有明显差异。逆冲山前区的物源区域大,DFS规模最大,以扇形为主,坡度低,下切程度低;逆冲前缘区的物源区域较小,DFS规模变小,以长条形为主,坡度增加,下切程度增加;走滑断层区受断层影响,物源区与DFS规模明显变小,以扇形为主,平均坡度最大,平均延伸距离最小,下切程度显著。
  • 图  1  柯坪地区地理位置及区域构造背景图

    Figure  1.  Geographical location and regional tectonic background of Keping area

    图  2  柯坪塔格逆冲带地形图(剖面位置见图1红色框体内AA’,BB’,CC’三条剖面线,据文献[31])

    Figure  2.  Topographical map of Kepingtag thrust belt (The position of the profile is shown in the three lines AA’,BB’,CC’ in the red box, after reference[31])

    图  3  (a)分支河流体系测量示意图及其横纵高程剖面图;(b)DFS横坡面,方向从上到下;(c)DFS纵坡面,方向从左到右

    Figure  3.  (a) Schematic measurement of DFS and its horizontal and vertical elevation profiles. (b) DFS cross profile, top to bottom. (c) DFS longitudinal profile, left to right

    图  4  柯坪地区分支河流体系构造分区示意图(红线为走滑断层)

    Figure  4.  Partition of DFS by structural division in Keping area (red line = strike⁃slip fault)

    图  5  柯坪地区分支河流体系几何形态数值分布图

    Figure  5.  Distributions of geometric values of DFS in Keping area

    图  6  研究区分支河流体系与物源区面积回归性分析

    Figure  6.  Regression analysis of DFS and source area in study area

    图  7  柯坪地区各构造区域DFS坡面投影图(显示坡度及分支河流体系的延伸长度)

    Figure  7.  DFS slope in each tectonic zone, Keping area, showing slope and length of DFS

    图  8  柯坪地区分支河流体系几何形态示意图

    Figure  8.  Geometry of DFS in Keping area

    图  9  (a)河道分布模式—分汊状辫状河道与(b)分汊状辫状河道示意图[1]

    Figure  9.  (a) Channel distribution pattern, branched braided channels; (b) Diagram of branched braided channels[1]

    图  10  河道分布模式—下切型分汊辫状河河道(实线为新的河道分布,虚线为旧的河道分布)

    Figure  10.  Channel distribution pattern: down⁃cut bifurcated braided river channels (solid line=newer channels; dashed line=older channels)

    图  11  河道分布模式—多级式分支河流体系

    Figure  11.  Channel distribution pattern, multi⁃stage DFS

    图  12  研究区分支河流体系分类示意图

    Figure  12.  Classification of distributive fluvial systems

    图  13  柯坪逆冲带地质简图及研究区DFS分布(据文献[33]修改)

    Figure  13.  Geological map of the Keping thrust belt and DFS distribution (modified from reference[33])

    图  14  柯坪逆冲带DFS物源区岩性差异对DFS的影响

    Figure  14.  Effects of parent rock differences on DFS in Keping thrust belt

    图  15  柯坪地区分支河流体系终止类型示意图

    Figure  15.  DFS termination types, Keping area

    图  16  研究区DFS发育规模与流域分布关系示意图

    Figure  16.  Relationship between DFS development scale and drainage distribution, Keping thrust belt

    图  17  柯坪逆冲带各构造区DFS面积与延伸距离以及物源区面积相关性分析

    Figure  17.  Correlation between DFS area and length of source area in each structural area of Keping thrust belt

    表  1  柯坪逆冲带各推覆体DFS测量数据表

    Table  1.   DFS measurements of each nappe in Kalpin fold⁃and⁃thrust belt

    区域 DFS面积/km2 源区面积/km2 DFS延伸距离/km DFS坡度/°
    最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值
    A 221.987 4.253 88.085 289.783 9.857 94.990 27.854 3.529 14.469 0.037 0.012 0.022
    B 30.144 0.046 8.601 26.856 0.103 4.543 10.272 0.425 4.756 0.167 0.011 0.051
    C 9.583 0.044 1.314 4.307 0.099 1.373 5.250 0.283 2.815 0.182 0.016 0.069
    全区 221.987 0.044 8.840 289.783 0.103 9.386 27.854 0.283 7.087 0.182 0.011 0.048
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    表  2  研究区DFS分类表

    Table  2.   Classification of DFS in Kalpin fold⁃and⁃thrust belt

    DFS 类型 DFS面积/km2 物源区面积/km2 坡度/° 延伸长度/km 几何 形态 河道类型 构造部位
    最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值
    A型 221.99 4.253 88.08 289.78 9.857 94.99 0.037 0.012 0.022 27.85 3.53 14.47 扇形 分汊状辫状河 逆冲前缘区域
    B型 30.14 0.046 8.60 26.85 0.103 3.159 0.181 0.011 0.051 10.27 0.425 4.755 长条形 下切型辫状河 逆冲山前区域
    C型 9.58 0.044 1.31 11.83 0.099 1.373 0.182 0.016 0.069 5.25 0.283 2.815 扇形 下切型辫状河 山前走滑区域
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-28
  • 修回日期:  2020-09-23
  • 刊出日期:  2022-01-10

目录

    冲断带构造作用控制下的分支河流体系特征及其成因分析

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089
      基金项目:

      国际自然科学基金 41772094

      作者简介:

      黄若鑫,男,1995年出生,硕士研究生,地质工程,E-mail: huangxin3018@163.com

      通讯作者: 张昌民,男,教授,E-mail: zcm@yangtzeu.edu.cn
    • 中图分类号: P534.63

    摘要: 构造运动是控制分支河流体系发育的重要因素之一,其对沉积体系的控制作用一直是研究的热点与难点。前人对挤压、拉张、走滑等类型的盆地均有研究,但在挤压盆地边缘的冲断带中,冲断带对于沉积体系的控制作用研究较少,特别是对冲断带中常发育的分支河流体系(冲积扇)。为研究逆冲作用对分支河流体系的控制作用,通过Google Earth提供的全球地貌影像结合数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)等数据对塔里木盆地西北缘柯坪地区发育的分支河流体系(Distributive Fluvial System,DFS)进行测量研究与沉积学解析,探究盆地边缘逆冲断裂带的DFS几何形态发育特征及影响因素。在研究区内识别DFS共256个。柯坪地区发育的分支河流体系延伸长度范围为0.26~24.58 km,DFS面积范围为0.044~221.987 km²,物源区面积变化范围为0.1~290 km²,DFS坡度范围为0.011~0.182。柯坪地区分支河流体系上发育的河道主要是辫状河,河道下切程度有明显差异。决定柯坪地区分支河流体系发育的主要影响因素有物源供给,气候水文以及构造背景。物源区大小与DFS规模呈正相关;气候通过降雨量与蒸发量来影响DFS发育特征;水文则通过流域分布来影响DFS发育,分布在研究区内柯坪河流域的DFS,发育规模远大于流域外的;构造作用控制沉积区分布、可容空间的大小、坡度等,影响着DFS的分布与发育。研究结果表明:构造作用作为主要因素影响着柯坪地区DFS的分布与发育。在柯坪逆冲带,构造作用通过控制推覆体逆冲高低来影响DFS的大小与坡度。物源区大小也受地层抬升程度控制,地层出露越多,物源区一般越大。将柯坪地区以构造特征分为三个区,每个构造区的DFS具有明显差异。逆冲山前区的物源区域大,DFS规模最大,以扇形为主,坡度低,下切程度低;逆冲前缘区的物源区域较小,DFS规模变小,以长条形为主,坡度增加,下切程度增加;走滑断层区受断层影响,物源区与DFS规模明显变小,以扇形为主,平均坡度最大,平均延伸距离最小,下切程度显著。

    English Abstract

    黄若鑫, 张昌民, 冯文杰. 冲断带构造作用控制下的分支河流体系特征及其成因分析—以塔里木盆地西北缘柯坪地区为例[J]. 沉积学报, 2022, 40(1): 166-181. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089
    引用本文: 黄若鑫, 张昌民, 冯文杰. 冲断带构造作用控制下的分支河流体系特征及其成因分析—以塔里木盆地西北缘柯坪地区为例[J]. 沉积学报, 2022, 40(1): 166-181. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089
    HUANG RuoXin, ZHANG ChangMin, FENG WenJie. Characteristics and Factor Analysis of Distributive Fluvial Systems due to Tectonic Thrust Belt Activity: Example of Keping area, northwestern Tarim Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(1): 166-181. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089
    Citation: HUANG RuoXin, ZHANG ChangMin, FENG WenJie. Characteristics and Factor Analysis of Distributive Fluvial Systems due to Tectonic Thrust Belt Activity: Example of Keping area, northwestern Tarim Basin[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(1): 166-181. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.089
      • 2010年,Hartley et al.[1]运用Google Earth对全球700余个现代沉积盆地中的冲积河流沉积体系进行统计的基础上,提出了一个新的河流沉积学术语,即:分支河流体系(Distributive Fluvial System,DFS)。DFS是指河流失去了山谷的限制,沉积物伴随河流从山口向盆地发育的沉积体系,其表面的河道形态整体上表现为从一顶点处向下呈放射状展布[1-2]。近十年来,随着研究投入与成果的增加,DFS这一理论体系得到了快速发展和不断完善[3-15]。Weissmann et al.[2]通过识别大量DFS,将其构造背景划分为四种类型:拉伸(包括断裂,被动大陆边缘等),挤压,走滑和克拉通。前人在研究盆地构造背景对DFS分布的控制方面的成果较多[1,8,14,16],有关局部构造背景影响DFS几何形态及其规模的研究较少。在挤压盆地边缘的逆冲断裂带中,推覆体两翼均发育有沉积体系。这些沉积体受冲断带影响,其分布与发育特征具有显著差异。柯坪逆冲带位于南天山南麓,处于南天山造山带与塔里木盆地之间,呈3~4排以近东西走向的独特构造展布[17]。通过卫星地图观察到区内发育有大量的DFS,受构造格局的控制,在构造不同部位发育的DFS的规模和几何形态具有明显的差异。本文运用Google Earth等地理信息平台对柯坪逆冲带不同构造部位发育的DFS进行系统测量,分析DFS发育与盆地局部构造背景之间的相关性,为地下地质研究中预测DFS的分布提供可对比的现代实例,也为分析前陆冲断带DFS的发育与分布特征提供了参考信息。

      • 研究区地处新疆南部阿克苏地区最西端—柯坪逆冲带内,其位于塔里木盆地西北缘古天山造山带与塔里木板块北部交界地带,地理位置介于76°29'~79°32' E,40°15'~40°35' N,是天山和塔里木盆地在新生代盆山耦合作用下形成的构造变形区(图1a)[18-25]。柯坪逆冲带东起阿克苏,西至喀什市北,北以阿合奇断裂与南天山晚古生代造山带为界,南以柯坪塔格—沙井子断裂与塔里木盆地内掩伏的北西西向巴楚隆起和阿瓦提凹陷为界,面积约20 000 km2图1[18]。柯坪逆冲带以发育东西和北东东向叠瓦状逆冲推覆构造为特征,其主体由3~4排与山脉走向近于平行的逆冲断片或冲断席组成,构成向南凸出的弧形、多排单面山地貌。逆冲断片由古生界和第三系组成,并逆冲在新生界之上,其南坡还发育北西倾向的逆冲或逆掩断层[19,26-28]。两个逆冲席之间通常发育大小和形态不同的DFS沉积体系。上盘的逆冲岩席为断展褶皱,除柯坪塔格逆冲席保留了背斜的转折端外,其它逆冲席的上部基本上已被削平,因此出露地表为褶皱北翼的北倾岩层(图2[18,29-32]

        图  1  柯坪地区地理位置及区域构造背景图

        Figure 1.  Geographical location and regional tectonic background of Keping area

        图  2  柯坪塔格逆冲带地形图(剖面位置见图1红色框体内AA’,BB’,CC’三条剖面线,据文献[31])

        Figure 2.  Topographical map of Kepingtag thrust belt (The position of the profile is shown in the three lines AA’,BB’,CC’ in the red box, after reference[31])

      • 柯坪冲断带中出露最老的地层是中—上寒武统;其一排排山体由一个个逆冲断片构成,每个山体(逆冲断片)出露的地层都是从南向北由老(一般是寒武系—奥陶系秋里塔格上亚群,局部出露寒武系秋里塔格下亚群或阿瓦塔格组)到新(二叠系)(图2[30,33-37]。该区寒武纪整体发育中层状白云岩和灰岩;奥陶系下部以上丘里塔格组碳酸盐岩为代表,下部由黑色笔石泥页岩,灰—深灰色中—薄层瘤状灰岩、瘤状泥灰岩及泥页岩组成;志留—泥盆系主要是以陆源碎屑沉积为主的海陆交互相红色砂泥岩组成;二叠系是以碳酸盐岩沉积为主夹碎屑岩的混积陆棚沉积为特点;研究区古近纪沉积零星分布,主要岩性为一套紫红或棕红色厚层、块状泥岩、粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩及少量薄—中层状细粒岩屑砂岩—粉砂岩,西部夹白色薄层石膏及膏质泥岩。新近纪沉积由东西两端向柯坪—温宿地区超覆,中新世和上新世可能已经覆盖了温宿地区。上新世晚期—第四纪随着冲断褶皱山系的形成(图2),在褶皱之间沉积了早更新世西域组,主要岩性为灰色、灰黑色大套块状砾岩[30,38]

      • 柯坪地区属于典型的温带大陆性干旱气候,年平均气温11.4 ℃,气温最高43.1 ℃,最低-29.3 ℃,平均日温差14.6 ℃;年平均无霜期215天。柯坪逆冲带范围内年降水量60~80 mm,而山区最高可达300 mm,降水主要集中在夏季,蒸发量多年平均为1 722.9 mm。柯坪地区最大的河流为柯坪河,柯坪河流域内无高山冰川,在流域中部山区,其水源供给方式仅为降雨。其中,每年的6~8月期间有暴雨洪流出现,持续时间短,但占了整个河流年径流量的一半[39]。此外,柯坪河也是一条由泉水汇集形成的河流,主要受地下泉水供给,一年之中丰枯的变化不明显,由泉水形成的年水量有4.7×107 m3[39],流量稳定,其河道长25 km,为砾石充填河道,柯坪河年平均流量1.5 m3/s,年径流量约为4.73×107 m3[39-40]

      • 通过使用Google Earth,并借助地理信息系统ArcGIS处理过的SRTMDEM 90M分辨率原始高程数据以及Global Mapper对研究区进行了系统地识别测量[41]。在辨别的过程中,以6条剖面线将DFS从纵向上与横向上进行三次等分,纵向上,以顶点为起点,呈放射状测量3条纵向剖面,以便显示DFS的纵向平面形态和向下游发育的趋势;横向上,测量垂直于顺源方向上的3条剖面线,确定DFS向两侧发育的边缘(与相邻DFS相接的低谷处)以及DFS延伸方向的变化(图3[1,8,42]。这些工作可以进一步精确DFS的发育范围,减小测量误差。

        图  3  (a)分支河流体系测量示意图及其横纵高程剖面图;(b)DFS横坡面,方向从上到下;(c)DFS纵坡面,方向从左到右

        Figure 3.  (a) Schematic measurement of DFS and its horizontal and vertical elevation profiles. (b) DFS cross profile, top to bottom. (c) DFS longitudinal profile, left to right

        其中,顶点是指DFS发育的起始位置,其上的河道在这里发散;顶点位置是通过在卫星地图上显示为河道在河谷内开始分汊发散的位置确定的(图3a)。

        DFS的周长和面积是指DFS发育范围的周长数值和面积数值;物源区的周长和面积也是在物源区确定后,得出的DFS顶点以上汇流体系的周长数值与面积数值;通过DFS上的暂时性河道的分布与终止位置,确定了DFS的发育范围;物源区边界则是通过Google Earth上的地形图像及借助经DEM处理后得到的分水岭数据进行确定。确定DFS与物源区边界后,通过Google Earth属性栏的度量单位页面获取准确的面积与周长数值(表1图3a)。

        表 1  柯坪逆冲带各推覆体DFS测量数据表

        Table 1.  DFS measurements of each nappe in Kalpin fold⁃and⁃thrust belt

        区域 DFS面积/km2 源区面积/km2 DFS延伸距离/km DFS坡度/°
        最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值
        A 221.987 4.253 88.085 289.783 9.857 94.990 27.854 3.529 14.469 0.037 0.012 0.022
        B 30.144 0.046 8.601 26.856 0.103 4.543 10.272 0.425 4.756 0.167 0.011 0.051
        C 9.583 0.044 1.314 4.307 0.099 1.373 5.250 0.283 2.815 0.182 0.016 0.069
        全区 221.987 0.044 8.840 289.783 0.103 9.386 27.854 0.283 7.087 0.182 0.011 0.048

        延伸长度是指DFS发育的最大距离,即DFS顶点到末端的长度,但并不是两点的直线距离,而是沿DFS发育形态中线的长度数值,其数值也可以从Google Earth的属性栏中得出。DFS的顺源地形变化是通过在DFS上从顶点沿顺源方向以90 m为间隔采集的高程数据得到的(图3c)。

        坡度是指从DFS顶点延伸到DFS终止位置与海拔高差之间的比值。在DFS确定后,可从Google Earth的属性栏中得出DFS和物源区的面积和周长以及DFS的延伸长度等参数数值(表1)。为增强其河道分布特征,运用渐变映射功能处理卫星地图拍摄到的DFS图像,用来区分河道。

      • 研究区覆盖范围近19 000 km²,其主体为东西走向的3~4排逆冲推覆体组成的逆冲带,通过卫星地图可以观察到仅整个逆冲带最后排推覆体的前锋外,其余推覆体两侧均发育有DFS,数量大且分布密集(图4)。以柯坪逆冲带变形强度由北到南逐渐减弱,以及中部地区受若干南北向走滑断层影响的等特征,将研究区划分为三个构造区域,即逆冲山前区(A构造区)、逆冲前缘区(B构造区)以及走滑断层区(C构造区)(图4)。在研究区内测得DFS共256个,逆冲山前区20个,逆冲前缘区109个,走滑断层区136个。其中,测得的DFS中延伸长度最大为27.854 km,位于逆冲山前区,而最小的延伸距离为0.283 km,位于走滑断层区(表1),长度跨度较大,同时不存在大于30 km的大型DFS。而测得的DFS的最大面积为221.987 km²,最小面积为0.044 km²,平均DFS面积为30.2 598 km²(表1);物源区最大面积为289.783 km²,最小面积为0.103 km²,平均物源区面积为30.726 3 km²。DFS测得的最大坡度为0.182,最小坡度为0.011,平均坡度为0.048(表1)。

        图  4  柯坪地区分支河流体系构造分区示意图(红线为走滑断层)

        Figure 4.  Partition of DFS by structural division in Keping area (red line = strike⁃slip fault)

      • 柯坪研究区一共统计了265个DFS面积值(表1图4),存在明显的单极化分布。依据DFS面积大小分为两类,第一类为小型DFS,其面积小于10 km2,研究区一共有228个,占比86%,主要分布在前陆冲断带前端呈叠瓦状排列的逆冲体上,即逆冲前缘区(B构造区)与走滑断层区(C构造区),大多呈现为规模小且密集分布。其中面积小于3 km2的DFS有168个,占总量的63.4%,大于3 km2小于6 km2有34个,大于6 km2小于10 km2的仅有6个;第二类是大型DFS,其DFS面积在10~60 km2,主要分布在构造带的中后部,即逆冲山前区(A构造区)。整体上,越往构造带后部,其DFS面积越大。其中分布在逆冲构造带中部的大多为大于10 km2,小于60 km2的DFS,一共测得28个,占比10.6%;而靠近南天山是DFS面积大于60 km2的扇体,主要集中在逆冲山前区,研究区共发育9个,占比3.4%(图5a)。

        图  5  柯坪地区分支河流体系几何形态数值分布图

        Figure 5.  Distributions of geometric values of DFS in Keping area

      • 对柯坪地区各个DFS延伸距离进行数据统计,研究区DFS的延伸距离存在显著的两极化特征(图5b),即长距型DFS与短距型DFS,在12.5~17.5 km处存在着明显的断带现象。其中长距型DFS有8个(3%)且均大于15 km。其中最大的DFS,位于逆冲山前区内,靠近南天山,其延伸距离达到了27.854 km,其余7个DFS则在15~25 km。随着延伸距离的减少,DFS的数量急剧增加。短距型DFS的延伸距离主要在0~10 km,其中长度在0~2.5 km的有143个(54%),在2.5~5 km的有50个(18.9%),在5~7.5 km的有38个(14.3%),在7.5~10 km的有18个(6%),而12.5~17.5 km仅3个DFS。

      • 通过对DFS的面积与延伸距离的变化进行分析,其数据极化的程度逐渐减弱(图5c)。在Google Earth和SRTMDEM数据的垂向分辨率的误差范围内,不考虑DFS顺源剖面上呈下凹的情况,仅有7个DFS的坡度在0~0.02,而坡度主要分布在0.02~0.1,全区一共237个,占比89%;其中29%在0.02~0.05,60%在0.05~0.1。在0.1~0.15,共17个DFS(6%);在0.15~0.2,存在4个DFS(1%)。

      • 将研究区内测得的DFS面积、延伸长度以及物源区面积进行相关性分析,发现柯坪地区的DFS与物源区面积相关性显著,其回归方程R 2=6.966(图6),但DFS面积数值跨度由0.1至500 km2,跨度较大。

        图  6  研究区分支河流体系与物源区面积回归性分析

        Figure 6.  Regression analysis of DFS and source area in study area

      • 由划分的三个构造区域剖面海拔高程图发现,从不同的山脉发育的DFS在图中可以非常清晰的区分出来(图7)。不同区域的DFS,其坡度以及延伸长度都有较大的变化。通过一些分区的DFS的坡度分布与变化,可以看出坡度在DFS形态上的体现。例如,A区域的DFS顶点的海拔高度最高达到2 400 m,该区DFS的延伸距离较长,最长为27.9 km,同时也是整个研究区内延伸距离最远的,该区的最大坡度为0.037,最小坡度为0.012,平均坡度为0.022。而B区域由于位于整个柯坪逆冲带中心逆冲体的前推一侧,其坡度明显要大一些,其最大坡度为0.167,最小坡度为0.011,平均坡度为0.051。A区域的DFS发育于两个山脉,分别是海拔为2 100~2 400 m的高位区和1 600~2 000 m的低位区,高位区DFS最大坡度为0.037,最小坡度为0.015,平均坡度为0.024,而低位区最大坡度为0.029,最小坡度为0.021,平均坡度为0.026,坡度差异巨大的原因可能与DFS的延伸长度有关,由于高位区距离南天山物源区更近,物源更为充足,延伸长度较远,DFS延伸较为平缓。C构造区在1 500~1 900 m海拔范围内,最大坡度为0.181,最小坡度为0.016,平均坡度为0.064,最大延伸长度为5.250 km,最小延伸长度为0.686 km,平均延伸长度为5.759 km;在1 200~1 400 m海拔范围内,最大坡度为0.182,最小坡度为0.03,平均坡度为0.078,最大延伸长度为4.140 km,最小延伸长度为0.283 km,平均延伸长度为4.140 km。

        图  7  柯坪地区各构造区域DFS坡面投影图(显示坡度及分支河流体系的延伸长度)

        Figure 7.  DFS slope in each tectonic zone, Keping area, showing slope and length of DFS

      • 柯坪地区DFS的几何形态是通过DFS所覆盖范围的形态特征确定的。柯坪地区的DFS由于构造等因素的叠加作用,其几何形态呈现多样性;逐个观察柯坪地区的DFS,以几何形态特征,可以将它们分为3个大类。第一类是扇状形态(图8),为最接近理想状态的形态类型;在柯坪地区,此类DFS主要发育在逆冲山前区,数量为26个,占全区的10%,其沉积区可容空间较大,河道流量及物源充足,发育受地形限制的影响程度小,沉积朵体可以向两侧扩展,形成扇状。第二类为长条状形态(图8),表现为在靠近顶点处,呈放射状向下的形态特征,而余下部分则呈长条状。长条状DFS为柯坪地区发育DFS最为广泛的一种发育形态,数量为217个,占全区的85%,分布在逆冲体两翼,主要发育在逆冲前缘区与走滑断层区;由于DFS发育密集,且物源区大小及沉积物通量基本相同(表1),相邻的DFS之间互相牵制,DFS向两侧发育受到限制,所以呈现出长条状的几何形态。第三类是蚕蛹状形态(图8),不同于长条状形态,此类形态在DFS上部表现为扇状,但下部变窄,整体表现为中间宽两头尖的特点。蚕蛹状形态的DFS在柯坪逆冲带的各个部位均有发育,此类DFS向下变窄,主要是由于物源供给,河道通量小于其两侧DFS而导致发育范围变小,同时两侧的DFS后期向该DFS下部沉积区扩展,覆盖其沉积区域,因此呈现出下窄的形态。该类形态的DFS形成很大程度上受两侧DFS以及自身的沉积物通量控制,在柯坪地区发育有不同规模,不同的构造部位,但数量仅13个,占全区的5%。

        图  8  柯坪地区分支河流体系几何形态示意图

        Figure 8.  Geometry of DFS in Keping area

      • 柯坪地区按DFS上河道种类划分,可将DFS划分为以暂时性河道为主的暂时性分支河流体系、以季节性河流为主并存在一定暂时性河道的季节性分支河流体系。暂时性DFS主要分布在柯坪逆冲带前端部位,以片流为主,搬运能力较差,此类DFS延伸距离较短,发育规模小,如B构造区等(图4表1);季节性DFS在柯坪地区主要分布在逆冲带后部,与南天山接壤,物源较研究区其他位置更充足,因此延伸距离远,发育规模大,如A构造区(图4表1)。

        由于柯坪地区较干燥的气候特征,研究区内分支河流体系的河道分布模式以分汊状辫状河道为主。前人研究表明,辫状河道型平面形态与相对较高的坡度,较好的物源供给以及较大的汇水量相关[1]。而具有较高地表坡度的分支河流体系主要发育在具有高起伏的构造活动带,如安第斯山脉,天山,阿尔金山,内华达山脉,阿尔泰山脉等[1]。而且这些分支河流体系大多位于旱地气候地区。干旱地区由于受气候条件影响,蒸发和蒸腾导致水分的散失远超过降水量,但要注意影响分支河流体系较大的是年降水量的分布,而不是年平均降水量的总和[11]。所以,分支河流体系会受到季节性降水的作用,河流流量会发生差异变化,从而影响沉积物供给。同时,河床沉积物供给量的影响,也反应在这些具有较陡坡度的体系常伴生着高的沉积物堆积量与较大的流量。与之相对,具有相对较低坡度的分支河流体系一般其平面河道类型具有曲流河特征,可能与较低的沉积物供给有关,常出现在低起伏的克拉通,拉张与挤压的构造背景地区。由于本区不包含曲流河形态的分支河流体系,不再展开描述分析。研究区主要河道平面类型如下。

      • 研究区内,此类DFS主要发育在A构造区以及部分B、C构造区内。由于A构造区靠近老山地区,物源充足,且坡度较小,DFS规模较大,因此集中在柯坪逆冲带的后部(图4)。研究表明,与其他DFS平面类型相比,此DFS类型的流域面积相对较小[8]。此DFS类型从顶端至末端发育较陡的河道坡度(图9),主干辫状河道从顶点处或者下切一段距离向下游分汊形成支流。不同于汇流体系,其向下游方向主干河道分汊成更细的分流河道,河道呈逐渐变小的变化特征。从本区的分汊状辫状河形态的DFS显示,从顶端至末端,河道弯曲度逐渐大,但并未发育成曲流河。

        图  9  (a)河道分布模式—分汊状辫状河道与(b)分汊状辫状河道示意图[1]

        Figure 9.  (a) Channel distribution pattern, branched braided channels; (b) Diagram of branched braided channels[1]

        观察DFS的河道形态,发现在顶点或者其近端位置出现了决口现象,且决口形成的新河道可以延伸横跨整个扇体,其可能与季节性的降雨与蒸发程度有关。

      • 由于本研究区的辫状河道存在不同于Davison所划分的6种主河道平面形态中的平面类型,因此将其单独分为一类进行研究描述,即下切型分汊辫状河河道。当然,不是表明上一种分汊辫状河河道不存在下切作用,只是此类下切型其下切程度远高于上一种,其程度几乎达到单辫状河河道类型(图10)。此类DFS主要发育在B构造区以及部分C构造区内(图6),其物源区面积小,沉积区坡度大,可容空间小,各DFS呈紧密排列。关于下切作用,在DFS中十分常见。Weissman et al. [8]研究表明DFS的顶点在整个沉积过程中保持相对静止,因此假设近端区域将自然地填充可容空间并且随着时间进积。相反,自生进积作用可能导致扇体近端区域沉积物供应的相对增加或周期性下切。随着进积与下切的不断作用,形成了深度下切的分汊状辫状河道类型。在本研究区可能还需要考虑逆冲带(山脉)推覆,导致坡度,沉积物堆积等情况发生变化。就平面形态特征在某种程度上,其可以当做分汊状与单辫状河的过渡类型。

        图  10  河道分布模式—下切型分汊辫状河河道(实线为新的河道分布,虚线为旧的河道分布)

        Figure 10.  Channel distribution pattern: down⁃cut bifurcated braided river channels (solid line=newer channels; dashed line=older channels)

      • 单一式分支河流体系是指广义上的源汇体系,一个物源区对应着一个扇体(沉积区),河道从DFS顶点开始分汊延伸,最后终止;整个河道分布表现为一个完整的扇体,河道从DFS顶点到末端由始至终。由于柯坪地区处于逆冲构造带上,整体上受挤压作用影响较大,沉积区可容空间较小且坡度大,河道能从顶点快速冲向末端,研究区大部分DFS均为这类发育模式。

      • 对于平面形态上来讲,单一的平面形态由单个扇体组成,对应的多级平面形态由两个及两个以上相连的圆锥形扇体组成(图11)。当第一级的分支河流体系受到山体屏障的影响并对此产生作用时,这种复合平面形态就开始形成了。在这种情况时,当其中一个分支河流体系(DFS)中的第一个圆锥形扇体到达山体屏障时,第二个分支河流体系便会在其下游形成,即山体阻挡第一级DFS的进一步发育,而DFS上的河流则侵蚀冲破山体屏障,河道再次摆脱限制,根据河流流量、坡度等因素来决定发育下一级DFS的次数。该类DFS多发育在逆冲山前区(A构造区)。

        图  11  河道分布模式—多级式分支河流体系

        Figure 11.  Channel distribution pattern, multi⁃stage DFS

      • 观察柯坪地区DFS的发育情况,以DFS的面积、坡度、延伸距离等测量数值,结合各个DFS的河道分布模式,将柯坪地区DFS分为三大类。这三种DFS分别是扇状分汊大型DFS(A型)、长条状下切中型DFS(B型)以及扇状走滑小型DFS(C型)(图12表2)。

        图  12  研究区分支河流体系分类示意图

        Figure 12.  Classification of distributive fluvial systems

        表 2  研究区DFS分类表

        Table 2.  Classification of DFS in Kalpin fold⁃and⁃thrust belt

        DFS 类型 DFS面积/km2 物源区面积/km2 坡度/° 延伸长度/km 几何 形态 河道类型 构造部位
        最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值
        A型 221.99 4.253 88.08 289.78 9.857 94.99 0.037 0.012 0.022 27.85 3.53 14.47 扇形 分汊状辫状河 逆冲前缘区域
        B型 30.14 0.046 8.60 26.85 0.103 3.159 0.181 0.011 0.051 10.27 0.425 4.755 长条形 下切型辫状河 逆冲山前区域
        C型 9.58 0.044 1.31 11.83 0.099 1.373 0.182 0.016 0.069 5.25 0.283 2.815 扇形 下切型辫状河 山前走滑区域

        扇状分汊大型DFS(A型)主要表现为规模大,河道分汊现象明显,一般在DFS顶点处就开始分汊。其DFS面积在10~300 km2,以10~60 km2为主;延伸距离在10 km以上,其与DFS最大宽度的纵横比值在2.1左右;坡度一般较缓,主要在0.02左右;此类DFS也包括上述的多级式DFS(其坡度变化、总DFS面积以及延伸距离均符合A型DFS标准)。长条状下切中型DFS(B型)是指DFS面积在6~10 km2,DFS纵横比在5~8的扁状DFS。此类DFS分布集中且紧凑,延伸距离一般在1~10 km,坡度变化在0.02~0.1,是柯坪地区发育最多的DFS类型。扇状走滑小型DFS(C型)主要为B型DFS的变种,由于走滑断层的影响,沉积可容空间进一步被压缩,整体DFS规模变小。其DFS面积在3 km2以下,延伸距离在0.8~2.5 km,其DFS的纵横比在1左右,坡度在0.02~0.1之间均有存在。发现在柯坪地区DFS分布特征与构造部位分区具有一一对应的关系。这三个构造大区内的DFS也对应着研究区三种DFS,即逆冲前缘区(A构造区) 主要发育扇状分汊大型DFS(A型)、逆冲山前区(B构造区) 发育条状下切中型DFS(B型)以及走滑断层区(C构造区)发育扇状走滑小型DFS(C型)(图412表2)。

      • 分支河流体系可以发育在所有的构造环境和气候条件中[1]。影响DFS发育的因素众多且复杂,对柯坪地区的DFS进行系统测量,通过分析坡度、可容空间、源区面积等局部区域性影响因素,研究分支河流体系的发育特征。

      • 物源供给主要是通过物源规模与物源类型这两方面对DFS的发育进行影响。柯坪地区由于DFS发育在各个逆冲体两侧,而逆冲体均是由同一套地层受构造作用出露地表,对于物源类型,柯坪地区各区域存在一定差异。A构造区物源来源以南天山山系提供的变质岩为主,B、C两个构造区的岩性组合相差不大,但与A构造区相差较大,在其DFS的发育特征上有所响应。柯坪逆冲带出露的地层主要有二叠纪、石炭纪、志留纪、奥陶纪、寒武纪等古老地层和新生代的现代沉积。A构造区主要出露二叠纪的地层,以碎屑岩、灰岩、砂岩以及泥岩为主;天山变质岩,零星早二叠世花岗岩分布在A构造区左侧,右侧散落分布有石炭纪—志留纪砂岩。B构造区出露奥陶纪—寒武纪泥质灰岩,黑色页岩和棕灰色细砾岩以及志留纪红色细砂岩为主,二叠纪辉绿岩为成片出露,主要分布在B构造区右侧。C构造区主要以奥陶纪—寒武纪泥质灰岩为主,C构造区左侧小规模分布有志留纪黏土页岩和泥质粉砂岩[33]图13)。

        图  13  柯坪逆冲带地质简图及研究区DFS分布(据文献[33]修改)

        Figure 13.  Geological map of the Keping thrust belt and DFS distribution (modified from reference[33])

        三大构造区DFS物源区岩性差异较大,通过分析物源区岩性与DFS几何形态的相互关系,得出DFS的发育特征受母岩岩性影响较大。A构造区DFS物源区岩性以沉积岩为主,DFS延伸长度远,主要集中在3.529~27.854 km,扇面坡度较缓,扇体面积较大(图14)。A构造区左侧由于物源区还分布有变质岩和火成岩,DFS延伸长度减小,主要集中在8.462~13.155 km,扇面坡度增加;B、C构造区以灰岩为主,DFS延伸长度在0.283~10.272 km,整体上DFS的延伸长度、规模等远小于A构造区。在B构造区右侧DFS物源区分布有红色细砂岩和辉绿岩,DFS平均延伸长度为7.289 km,受物源区岩性不同影响,DFS几何形态发育差异较大。

        图  14  柯坪逆冲带DFS物源区岩性差异对DFS的影响

        Figure 14.  Effects of parent rock differences on DFS in Keping thrust belt

        物源规模是影响DFS发育的另一主要因素。前人研究表明:分支河流体系面积和其各自物源区面积之间有很强的相关性。这说明根据物源区面积可以预测一个扇区的大小,反之亦然[12]。在分析本研究区内各分支河流体系面积和物源区面积之间的关系中有所体现(图6),同时也发现例外情况存在。如B构造区右侧和C构造区两区最前缘的一条推覆体,同一条山脉(断裂)同侧的DFS存在明显的差异,是由于C构造区不仅仅受萨尔干断层的影响,同时还受皮羌走滑断层的影响,因此该区坡度更陡,沉积物搬运距离更短,DFS与物源区明显较小,另一方面B构造区右侧的海拔较高,主要集中在1 350 m~1 750 m,而区域C集中在1 200 m~1 400 m,以此也可能与不同山脉段的海拔有关。由于构造作用的复杂性,坡度与沉积区的可容空间也会存在较大的差异,因此也存在着相同物源区面积,不同DFS大小的情况。

      • 在全球范围来看,气候对DFS的发育影响显著。对于热带气候条件,主要发育以弯曲的河道平面形态为主的河道模式,在赤道附近这样的热带气候地区,有较长的雨季,充足的降雨量,其河道常常延伸较长,有利于曲流河的发育;但在大陆,亚热带和极地气候地区其发育受到限制。除热带气候条件外的地区,主要发育辫状河为基础的河道类型,根据不同地区的降水量,蒸发量等因素,会发育不同形态、不同规模的河道分布模式[1]。柯坪地区处在温带大陆性气候区,降水量远远小于蒸发量,汇水量常年不足,因此,其延伸范围较短,主要以辫状河为主(图910),从物源区到盆地来看,其展布规模大致上呈现出逐渐变小的趋势(表1)。

        气候特征同样影响着DFS的终止类型。根据柯坪地区发育DFS的终止方式,可以将DFS划分为轴向河流终止式DFS与沙丘终止式DFS(图15)。由于柯坪地区的逆冲构造,形成了一种独特的地貌单元—背驮盆地,在盆地中部发育着一条由两个相邻的逆冲断片对侧汇流形成的河流(图15a),而在两侧发育的DFS均终止于此;整个逆冲带内,各个逆冲体依次向前陆扩展,仅最前端的前翼上发育的DFS终止于沙丘(图15b)。

        图  15  柯坪地区分支河流体系终止类型示意图

        Figure 15.  DFS termination types, Keping area

        水文是通过DFS是否发育在流域内来控制DFS 的发育。在研究区内,柯坪河流域范围[39]内(A构造区右侧)发育的DFS规模都普遍大于其他区域的DFS(图16)。在柯坪河流域内的部分A构造区的DFS(图16a),其DFS的延伸长度最大都超过了25 km,DFS平均面积为111.747 km2,平均坡度为0.02,属于低角度的大型DFS;而其余柯坪地区的DFS,未受大规模的流域供给,仅从降雨,融雪等方式进行物源堆积,其DFS发育规模小,最小DFS面积仅有0.044 km2,延伸长度较短,变化范围在0.283~13.155 km(图16b),坡度较陡,最大可达到0.182。

        图  16  研究区DFS发育规模与流域分布关系示意图

        Figure 16.  Relationship between DFS development scale and drainage distribution, Keping thrust belt

      • DFS的长度由平面上的可容空间控制,而沉积区的可容空间又与构造背景密切相关[1]。在研究区内,由于构造运动的影响,其扇体向外扩散的能力被极大的限制,河道一直处于坡度较大的条件下,很难发育曲流河,所有主要的河道展布模式都以辫状河为主。研究区主要是受南天山向塔里木盆地逆冲推覆的作用,而DFS就分布并发育在这些由于推覆挤压形成的山脉上,而研究区内同时存在大量的断裂构造,它们的存在极大程度上控制了DFS发育的规模与形态(图14)。

        据测量统计,A构造区中部的DFS顶点海拔位置分布在2 200~2 400 m,是研究区内海拔分布范围最高的一个区域,其坡度最大为0.372,最小为0.015,跨度较大,其原因可能是该区域的前一排的逆冲体由于受印干与皮羌两走滑断裂进一步前移,使得该区域的可容空间较大于两侧的,因此其发育的DFS延伸距离较大,使得坡度呈现较小的现象。B构造区内,靠近柯坪县的DFS的坡面图可以识别出3种坡面趋势(图7),其两侧顶点的海拔范围以及坡度大小都呈现较集中的分布规律,而中间部位受到了依木干他乌断裂和卡拉布克赛断裂影响,海拔起伏较大,但坡度变化较小,主要集中在0.05左右。构造作用除了影响沉积区的坡度等因素外,最主要还影响沉积区的可容空间的大小,构造作用越复杂的地区,其可容空间约越小,DFS的发育规模也就越小,同时,构造运动还可以影响沉积区的地形地貌来限制DFS发育的形态与规模,如A构造区中部的多级式分支河流体系,由于在沉积区内存在隐性断裂,使得沉积区出现多处凸起,阻断了DFS原本的沉积活动,从而改变了整个DFS的几何形态(图11)。

        整体上,逆冲山前区、逆冲前缘区以及走滑断层区(图4)三个构造区域内的DFS受柯坪逆冲带变形强度差异影响,几何形态发育相差较大。逆冲山前区的DFS在研究区内属于较大型的(图17),因物源充足,其DFS面积最大为221.987 km2,DFS上的河道展布模式以分汊状辫状河为主;逆冲前缘区为柯坪地区DFS主要的分布区域,呈现出紧密排列的特征;该区域DFS面积最大为30.144 km2,沉积区由于构造的牵引作用,使该区域的逆冲体两侧的坡度差别较大(南翼较陡且近直立,北翼较缓),坡度在0.011~0.167变化,相应地,北翼的延伸距离大于南翼的,北翼最大为10.272 km,南翼最大为8.132 km。走滑断层区的DFS相比较前面两者,整体偏小。由于走滑断层的作用,使该区的沉积区域远小于柯坪地区的其他区域,最大的DFS面积为9.583 km2;同时走滑断层使得该区域的DFS坡度远大于其他区域,最大为0.182。因此,在构造作用显著的区域,区域性的构造作用不仅直接影响DFS 的发育与分布,同时也影响着其他主控因素,从而间接地影响分支河流体系的规模与河道分布模式。

        图  17  柯坪逆冲带各构造区DFS面积与延伸距离以及物源区面积相关性分析

        Figure 17.  Correlation between DFS area and length of source area in each structural area of Keping thrust belt

      • (1) 柯坪地区主体是由3~4逆冲推覆体组成的逆冲带,大量DFS发育在推覆体两翼。根据构造特征将柯坪地区划分为逆冲山前区(A构造区)、逆冲前缘区(B构造区)以及走滑断层区(C构造区)三个区;逆冲山前区DFS发育数量少但规模大,逆冲前缘区DFS发育数量多且规模小,而走滑断层区DFS发育数量最多且规模最小。这三个构造区对应着发育三种类型的DFS,即分汊大型DFS(A型)、下切中型DFS(B型)以及走滑小型DFS(C型)三类。

        (2) 研究区DFS的发育受诸多因素影响。通过分区对比,不同山脉下的DFS的海拔高程变化具有明显差异,坡度较小的DFS,其延伸距离较远,物源区面积与DFS面积呈正相关;物源区岩性不同,会使DFS几何形态发育差异较大;气候主要控制研究区的降雨来影响DFS的发育,温带大陆性气候使得柯坪地区的河道样式多以辫状河为主;水文表现在流域内流量大小与DFS规模的响应,流量越大,DFS发育规模越大;柯坪地区DFS的分布及发育特征受柯坪逆冲带的构造作用影响显著,构造运动通过控制沉积区的可容空间大小,早期沉积体的分布和流域盆地坡度以及断裂的发育与分布,很大程度地影响着DFS的发育。

    参考文献 (42)

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