青藏高原东缘地表侵蚀与地貌演化定量研究

发布时间：2020-08-17 15:51

【摘要】：地球表面是地球深部岩石圈和外部大气圈、水圈、生物圈之间的主要分界面,在地球物质循环体系中占有非常重要的地位。受到气候和构造共同影响和控制的地表侵蚀作用塑造着地球表面的地形地貌,同时又是连接表层气候变化和深部构造活动的重要纽带,因此地表侵蚀在地球科学研究中至关重要。量化地表侵蚀过程是研究气候和构造耦合关系必不可少的前提,同时也是探讨构造活动造山带隆升历史、地形演化以及地球动力学机制等科学问题的重要一环。过去的几十年里,数字地形高程模型以及侵蚀速率量化技术的飞速发展极大促进了地表侵蚀方面的研究。基于这些新的技术手段,国外内众多学者对地表侵蚀过程和侵蚀速率已开展了大量的工作并获得了一定的成果,使人们对地表物质运移过程以及气候-侵蚀-构造耦合关系有了更深一步的理解和认识。尽管如此,仍有一些地表侵蚀问题缺乏足够的研究而未能得到很好的共识,为此本文选取了其中三个方面的地表侵蚀问题在青藏高原东缘开展了部分研究和探讨。青藏高原东缘一方面受到新生代以来印度-欧亚大陆的碰撞而具有较强的构造活动性,同时受东亚季风和山地气候控制而具有多变的气候特征,因此是研究气候-侵蚀-构造耦合关系的理想场所,同时也是研究青藏高原生长过程及隆升机制的重要区域,除此之外,其多样的地形地貌也使得其成为研究不同地表侵蚀过程的绝佳天然实验室。位于青藏高原东缘的龙门山地区,具有地形梯度大、起伏度高、坡度陡等地形地貌特征,这与汶川地震震前GPS数据得到的低水平缩短速率形成了明显的对比,这也引发了青藏高原东缘的隆升机制究竟是下地壳流动还是上地壳脆性缩短变形的争论。要探讨这一问题,需要理清浅层活动断裂系在龙门山缩短抬升中起到了多大的作用,以及构造与侵蚀是如何共同塑造该地区地形地貌的。为此,我们在龙门山地区开展了详细的地形特征和地表侵蚀速率研究。通过龙门山南段15个不同流域的现代河沙~(10)Be浓度,我们获得了该地区不同空间上千年尺度的平均侵蚀速率,结合已发表的中段河沙~(10)Be结果以及龙门山地区已有的低温热年代学数据,本文提出深部构造断裂活动性是控制龙门山地区侵蚀速率空间分布特征的主导因素,而气候因素对侵蚀速率的影响微乎其微。另外,我们的结果显示新生代晚期南段的大川-双石断裂、盐井-武隆断裂以及中段的映秀-北川断裂是龙门山断裂系中活动性最强的断裂,而断裂几何特征以及断裂滑动速率是该地区地表变形和地形演化的主控因素。2008年Mw 7.9汶川地震在龙门山地区导致强烈地壳变形的同时引发了巨量同震滑坡,极大加速了该地区的地表剥蚀和河流侵蚀。然而,目前尚缺乏系统的数据定量研究滑坡物质的运移以及河流侵蚀速率随时间的演化规律,这些对理解龙门山前缘物质的再分配以及强震对活动造山带地形塑造的作用至关重要;同时,也为研究偶然强侵蚀事件在造山带长期演化过程起到多大的作用提供了难得的机会。在汶川地震后的6年间,本研究对滑坡发育区多个流域进行了震后河流侵蚀速率研究。通过多期次定点现代河沙采样和石英~(10)Be浓度测试,并与震前已发表的河沙~(10)Be浓度对比后发现:震后同震滑坡发育区河沙石英~(10)Be浓度较震前明显降低,且其降低程度与流域内滑坡面积比最为相关。结合其它研究本文认为与河流相连的滑坡体是震后河流运移的主要物源,而通过~(10)Be计算得的河沙运移量显示震后运移量增加为震前的1-6倍,随着时间的演化河沙运移量逐渐降低并在震后几年-几十年内恢复到震前水平。本文认为震后滑坡物质大部分并未被带入到河网体系中,而是停留堆积在坡面,并在震后很长一段时间内影响着流域内的物质运移体系。另一方面,考虑到地表剥蚀引起的地壳均衡反弹效应,类似汶川地震的强震更可能有利于龙门山的隆升;而震间和同震产生的构造变形以及地表剥蚀在空间上具有互补性,两者共同影响和控制着龙门山地区的地形演化。非稳态地貌是近几年研究的热点,在非稳态侵蚀地貌中,裂点迁移速率控制着流域内山坡侵蚀的边界条件,并使得流域逐渐趋于稳态;而分水岭的迁移控制着流域的边界条件,且有助于或者阻碍着河流剖面向稳态方向的发展。裂点和分水岭迁移速率的对比是探讨非稳态地貌演化的基础,但是目前仍缺乏足够的量化研究,位于青藏高原东缘的力丘河流域为研究这一问题提供了良好的场所。通过研究发现在力丘河流域,分水岭的迁移速率要远远低于裂点迁移速率,甚至低于一个数量级。这表明在流域向稳态状态方向发展时,外部河流对流域的掠夺速率要远远小于内部河流的自我调整速率,因此其对流域地貌的影响是非常小的。但是,需要注意的是河流袭夺可能会减慢内部河流的自我调整速率从而增强外部河流对流域地形地貌的改造作用。通过以上研究,我们对青藏高原东缘侵蚀速率展布特征、强侵蚀偶然事件、非稳态地貌演化等几个地表侵蚀过程有了更为全面的认识,这有助于我们今后进一步的探讨青藏高原构造-侵蚀-气候三者之间的耦合关系,地形地貌的演化历史,以及深部的地球动力学机制。
【学位授予单位】：中国地震局地质研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P931
【图文】：

耦合关系,气候,深部岩石圈,水圈

深部岩石圈和外部大气圈、水圈、生物圈之间的系中占有非常重要的地位。受到气候和构造共同影着地球表面的地形地貌，同时又是连接表层气候变（图 1.1；例如，Molnar and England, 1990; Raym et al., 1997; Pinter and Brandon, 1997; Avouac a., 1999; Willett, 1999; An et al., 2001; Beaumo al., 2001; Zhang et al., 2001; Hartshorn et al., 2002ve, 2003; Thiede et al., 2004; Willett et al., 2006a; 08a; Berger and Spotila, 2008b; Whipple, 2009; God010; Molnar and Rajagopalan, 2012），因此地表侵蚀

降雨分布,青藏高原东缘,主要河流,降雨量

多变的气候特征，因此形成了当今最为引人注目的瞬态地形地貌。藏东缘主要分布了5条主要的河流，从南至北依次为大渡河、青衣江、岷江、涪江和嘉陵江（图1.2a）。不同的地貌地形特征（图1.2c和1.2d）和高梯度降雨分布（图1.2b）使得青藏高原东缘成为了研究气候-构造耦合关系的一个非常理想的场所，同时也是研究瞬态地貌演化和其它地表侵蚀过程的天然实验室。青藏高原东缘陡峭的地形6

积分曲线,发展阶段,地貌,沉积物通量

（2.3）和（2.3）给出了由特征坡面长度 LH，物质扩散系数 K 和速率的函数，并且已经在青藏高原东缘（Ouimet et al., 2脉（DiBiase et al., 2010）等地区的实地研究中得到了验线性传输模型，侵蚀速率和地形坡度之间的关系也可以用Roering et al., 1999,2001; Ouimet et al., 2009），在这一模时，沉积物通量与地形坡度和扩散系数呈线性关系，而当沉积物通量则逐渐趋向于无限值。更详细的介绍请参考 Ouimet 等（2009）。程积分

【参考文献】