流域穩(wěn)定性指標(biāo)在非洲南部的應(yīng)用

陳泰安

蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 甘肅 蘭州 730000

非洲大陸曾經(jīng)是岡瓦納古陸的一部分,在大約1.8億年前由于受到下伏地?zé)峄顒?dòng)等作用逐步裂解[1],此后大陸東、南、西海岸分別被新生大洋所環(huán)繞。前人利用磷灰石裂變徑跡(AFT)的方法重建了這一被動(dòng)陸緣對(duì)應(yīng)東西海岸裂解時(shí)所引發(fā)的快速剝蝕事件以及漫長(zhǎng)的大陸冷卻和剝露歷史[2]。

河流作為十分重要的地貌外營(yíng)力,對(duì)區(qū)域氣候變化和構(gòu)造擾動(dòng)的響應(yīng)極為敏感。因此,河流地貌也常被當(dāng)作指示第四紀(jì)以來區(qū)域氣候及構(gòu)造活動(dòng)的研究載體。非洲南部陡坡作為分隔高原內(nèi)陸河流與沿海短小河流之間的一條重要分水嶺,對(duì)了解晚新生代非洲南部河流地貌演化提供了一個(gè)理想的場(chǎng)所。

一、數(shù)據(jù)資料及分析方法

隨著數(shù)字高程模型及地質(zhì)年代學(xué)的迅速發(fā)展,使得第四紀(jì)以來各類精確地形數(shù)據(jù)的獲取更為容易,通過探索河道形態(tài)對(duì)地表巖石抬升速率變化的響應(yīng)已經(jīng)成為地貌研究的一種主要方法。本文基于分析和對(duì)比前人研究工作的基礎(chǔ),結(jié)合區(qū)域地貌形態(tài)特征及數(shù)字高程模型數(shù)據(jù),對(duì)第四紀(jì)以來沿陡坡發(fā)育的河流地貌演化研究提供一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。

本文通過ArcGIS軟件,基于90m分辨率的數(shù)字高程模型DEM(http://www.gscloud.cn/search),對(duì)陡坡東、南、西段9條河流的流域穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行提取(圖1)。所選流域均為沿陡坡分水嶺發(fā)育的短小入海河流,流域面積相似,提供了一個(gè)理想的場(chǎng)所來探討區(qū)域河流地表演化的過程。

圖1 非洲南部數(shù)字高程模型圖

地表形態(tài)是地殼抬升歷史的復(fù)雜響應(yīng),當(dāng)分水嶺發(fā)生遷移時(shí),水系會(huì)進(jìn)行調(diào)整和重組,前人模擬了一系列在地表經(jīng)歷抬升后的水系發(fā)展模式,如盆地地形起伏、流域面積、徑流量大小以及巖性控制等方面的時(shí)空變化。岡瓦納古陸分裂后,許多河流都通過襲奪、氣候變化以及構(gòu)造活動(dòng)等方式進(jìn)行了水系間的重組,這同時(shí)導(dǎo)致了流域間分水嶺的遷移。一般來說分水嶺兩側(cè)平均侵蝕速率差異以及相鄰2個(gè)流域之間的平均局地高差可用于指示流域間侵蝕能力的強(qiáng)弱。流域平均侵蝕速率是流域侵蝕能力的最直接體現(xiàn),一般可通過水文站泥沙數(shù)據(jù)、宇宙成因核素等方法來對(duì)地表侵蝕速率進(jìn)行估算,由于水文站泥沙數(shù)據(jù)觀測(cè)歷史有限,只能反映近百年來的水系侵蝕變化,并且受人類活動(dòng)影響,已經(jīng)在很大程度上改變了流域的自然侵蝕過程;而利用采自流域出水口的宇宙成因核素法能夠反演萬年至幾十萬年尺度的流域平均侵蝕速率,該方法雖然已經(jīng)在全球許多地區(qū)的定量研究中成功運(yùn)用,但同時(shí)也存在著許多缺點(diǎn),諸如耗時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)流程繁瑣以及樣品采集困難等。隨著理論與技術(shù)的發(fā)展,基于DEM數(shù)據(jù)的流域穩(wěn)定性指標(biāo)由于其簡(jiǎn)單易行也常被應(yīng)用于現(xiàn)代水系演化的研究中,Whipple[3]等人提出相鄰流域分水嶺2側(cè)的平均局地高差來可用來指示分水嶺的遷移模式,一般來說分水嶺會(huì)向著平均侵蝕速率低和平均局地高差小的流域遷移。

二、數(shù)據(jù)分析結(jié)果

通過ArcGIS軟件計(jì)算相鄰流域間的局地地形起伏,并設(shè)置分水嶺2側(cè)各5km的緩沖區(qū),最后再分別計(jì)算9個(gè)流域中每個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)的平均局地高差,獲悉陡坡分水嶺各段的水系演化趨勢(shì),具體分水嶺2側(cè)的平均局地高差的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 沿陡坡河流分水嶺2側(cè)局地高差比較

結(jié)果顯示9條河流的分水嶺在靠近內(nèi)陸一側(cè)的局地高差都均小于靠近陸緣一側(cè),個(gè)別分水嶺2側(cè)的高差值甚至接近200m。這說明陡坡分水嶺目前還在廣泛受到沿其自身發(fā)育的短小河流的溯源侵蝕作用,并以一定的速率不斷向內(nèi)陸遷移。

三、結(jié)論與展望

當(dāng)前有關(guān)非洲南部地區(qū)地貌演化的研究在地貌面分布、年代學(xué)研究、地表侵蝕速率以及水系演化等方面做了大量工作[1]。古陸分裂后的非洲南部在地形地貌上發(fā)生了翻天覆地的變化,這些變化離不開大陸內(nèi)部的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化,陡坡的隆起與后退伴隨著內(nèi)陸盆地的沉降,地震層析成像解釋了這里異常高的地形,白堊紀(jì)時(shí)期的高剝蝕速率受到了強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)以及溫暖濕潤(rùn)的氣候影響,而在干旱化影響更多的中新生代,由于陸內(nèi)板塊環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,使得整個(gè)次大陸的剝蝕速率較白堊紀(jì)呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)的下降[2]。基于DEM提取的流域穩(wěn)定性指標(biāo)指示沿陡坡發(fā)育的這些短小河流都以一定的速率向南非高原進(jìn)行溯源侵蝕,未來流域面積有進(jìn)一步擴(kuò)大的可能。

目前非洲南部地貌演化的研究已經(jīng)在熱年代學(xué)、地貌發(fā)育模式、水系演化等方面取得許多成果,但同時(shí)也伴隨一些新問題的出現(xiàn),這也是未來研究的一個(gè)方向和趨勢(shì):(1)地貌面的測(cè)年問題是地貌研究工作的重點(diǎn),其決定著古陸分裂以來地貌發(fā)育模式的探討,因此各類地貌面的精確定年還需進(jìn)一步的細(xì)化;(2)河流地貌作為構(gòu)造過程與地表侵蝕間交互作用后的載體對(duì)區(qū)域氣候及構(gòu)造歷史具有極大的研究?jī)r(jià)值,非洲南部的河流研究開展的都相對(duì)較早,有關(guān)河流演化的研究手段仍較為單一,還缺乏定量分析區(qū)域構(gòu)造和氣候因素對(duì)河流演化的模式以及數(shù)值模擬方面的驗(yàn)證。