（自然地理学专业论文）祁连山北部地区侵蚀速率与地貌演化研究.pdf

祁连t u f t 部地区侵蚀速率与地貌演化研究 - p 文摘要 中文摘要 关于新构造运动与新生代气候变化之间的关系研究，是目前地学研究的热点 问题。争论的焦点集中在新生代全球变化中，构造运动与气候变化何者为主导的 问题。祁连山地区位于青藏高原的东北边缘，受印度板块向北移动和北部阿拉善 地块阻挡的影响，遭受强烈积压、地壳收缩，是新构造运动的强烈隆升区。祁连 山地区的侵蚀速率研究对于分析该地区地貌演化的主导力量，以及解释地貌演化 历史具有重要的意义。因此，我们通过祁连山北部地区最近5 0 年来的地表侵蚀 速率的研究，来探讨祁连山地貌演化中侵蚀速率的主导因素，并进一步研究祁连 山北部地区的地貌演化。 本文以祁连f 上地区为研究区域，用现代流域泥沙资料计算侵蚀速率，结合5 0 年来的气候、水文资料，利用g i s 技术提取和分析侵蚀速率的影响因子，最后 利用主成分分析和灰色关联的数学方法对影响侵蚀速率的主导因素进行了分析 和探讨。主要的内容和结论如下： ( 1 ) 利用内陆河流域5 0 年来的悬移、推移和溶解质泥沙资料，计算得祁连山 地区的侵蚀速率在o 0 9 o 3 1 m m a 之间。总体看来，祁连山西段的昌马河流域 和黑河流域侵蚀速率大于祁连山东段的石羊河流域，进入流域下游直至走廊平 原，侵蚀速率不断减小。 f 2 ) 利用祁连山地区1 ：2 5 0 ，0 0 0d e m 提取地形指标，计算s t r a h l e r 积分值和 地貌信息熵，根据熵值和s t r a h l e r 曲线的形态，分析该地区地形特征和地貌演化 的阶段，结果表明该区域正在进入地貌演化的幼年期阶段。 ( 3 ) 将气候和水文资料进行插值等处理，与地形因子一起作为侵蚀速率的潜 在影响因素进行分析，通过因子分析将它们分为“地形起伏因子”、“流域参数因 子”、“流域温度因子”、“降水径流因子”，根据它们与侵蚀速率的灰色关联度值， 可以得出降水径流因子和地形起伏因子是影响侵蚀速率的主导因素。所以，在构 造抬升的背景下，气候因素在祁连山地区是地貌演化的一个重要因素。 关键词：侵蚀速率影响因素地貌信息熵灰色关联地貌演化祁连山 ! ! 堡坐! ! 型些垦堡些望兰兰垫塾塑些竺塑 垒! 坚! 垒塑 a b s t r a c t t h ed i s c u s s t i o no ft e c t o n i cu p l i f ta n dc l i m a t ec h a n g ei so n eo ft h eh o ti s s u e si n t h e g e o s c i e n e e f i l e d r e c e n ts t u d i e s p r o p o s et h a tt h ec l i m a t ec h a n g e sc o n t r o lt h e e r o s i o nr a t ea n dc o n s e q u e n t l yc o n t r o lt h eu p l i f to ft h el i t h o s p h e r e ，w h i c hc h a l l e n g e t h et m d i t i o n a lm o d e l t h et e c t o n i cu p l i f to ft h en o r t h e a s t e r nf l a n ko f 也eq i l i a n m o u n t a i n s ，w h i c ha f f e c t e db yt h en o r t h w a r do f t h ei n d i a p l a t e ，i ss t r o n g l yd u r i n gt h e c e n o z o n i c e r a i n v e s t i g a t i o no n t h ee r o s i o nr a t eo f t h en o r t h e a s t e mf l a n ko f t h e q i l i a n m o u n t a i n si so fg r e a ti m p o r t a n c et ou n d e r s t a n dt h e d r i v i n gf o r c ea n dh i s t o r yo f g e o m o r p h o l o g ye v o l u t i o n h e r ew es t u d yt h ee r o s i o nr a t eo fn o r t h e r np a r to ft h e q i l i a n m o u n t a i n s d u r i n g t h e p a s t 5 0 y e a r s t or e v e a lt h e d r i v i n g f o r c ea n d g e o m o r p h o l o g y e v o l u t i o no f t h e q i l i a nm o u n t a i n s t h ee r o s i o nr a t eo f n o r t h e r n p a r to f t h eq i l i a nm o u n t a i n sw a s c a l c u l a t e df i r s t l yo n t h eb a s i so ft h ef i v e rl o a dd a t a c o l l e c t e d i n t e r g r a t e d t h e m e t e r o l o g i c a l a n d h y d r o l o g i c a ld a t ai nt h ep a s t5 0y e a r s ，w eg e tt h ep a r a m e t e r sa n da n a l y z et h e mt o d i s c u s st h ef a c t o r sw h i c hc o n t r o lt h ee r o s i o nr a t e m o r e o v e r , t h ep r i n c i p l ec o m p o n e n t a n a l y s i s a n dg r a yc o r r e l a t i o n a n a l y s i s w e r ea p p l i e dt os e l e c tt h em o s ti m p o r t a n t f a c t o r s 血a ta 目f e c t 也ee r o s i o nr a t e o u r i n v e s t i g a t i o nd r a w s s o m ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) c a l c u l a t e de r o s i o nr a t e so fq i l i a nm o u n t a i n sw i t ht h es u s p e n d e d ，b e da n d s o l v e n tl o a d so f t h em o d e mr i v e r so v e rt h e p a s t5 0y e a r s a r eb e t w e e n0 0 9 - 0 3 1 m m a a saw h o l e ，t h ee r o s i o nr a t e so fc h a n g m ar i v e ra n dh e i h er i v e rc a t c h m e n t ，w h i c h l o c a t e da tt h ew e s t e mq i l i a nm o u n t a i n s ，a r eg r e a t e rt h a nt h a to ft h es h i y a n gr i v e r c a t c h m e n t ，w h i c hl o c a t e da tt h ee a s t e r nq i l i a nm o u n t a i n s t h ee r o s i o nr a t ed e c r e a s e d f r o mt h eu p p e rt ol o wb r a n c ho f e v e r yc a t c h m e n t ( 2 ) t h eg e o m o r p h i ci n f o r m a t i o ne n t r o p ya n ds t r a h l e ri n t e g r a lw a s c a l c u l a t e db y s t l l d yt h ep a r a m e t e r sg e tf r o mt h e1 ：2 5 0 。0 0 0d e m o fq i l i a nm o u n t a i n s a n a l y s i so f t h e r e g i o n a lg e o m o r p h o l o g y c h a r a c t e r si n d i c a t e st h a tt h er e s e a r c ha r e a sa r e u n d e r g o i n gat r a n s i t i o nf r o mo l ds t a g et oy o u t hs t a g eo f d a v i s i a ng e o m o r p h o l o g i c e v o l u t i o n s t a g e s ( 3 ) p r o c e s s i n gw i t hk r i g i n gi n t e r p o l a t i o nm e t h o d ，c l i m a t ea n dh y d r o l o g i c a ld a t a a r e a n a l y z e d a st h ep o t e n t i a li n f l u e n c ef a c t o r so fe r o s i o nr a t e st o g e t h e rw i t ht h e g e o m o r p h i cf a c t o r s t h r o u g ht h em e t h o do f p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，w ed i v i d e s f l f f h e n e ef a c t o r si n t of o u rg r o u p s ，n a m e l y t o p o g r a p h i cr e l i e ff a c t o r s ”，“c a t c h m e n t b a s i ns h a p ef a c t o r s ”，“t e m p e r a t u r ef a c t o r so fc a t c h m e n t s ”，p r e c i p i t a t i o na n ds u r f a c e 祁连山北部地区侵蚀速率与地貌演化研究 a b s t r a c t n m o f f f a c t o r s ”b a s e do nt h eg r e yd e g r e e so f a s s o c i a t i o no f t h ei n d i v i d u a lf a c t o r sw i t h e r o s i o nr a t e s ，w ep r o p o s et h a tt h ed o m i n a n tc o n t r o l l i n gf a c t o r so fe r o s i o nr a t e sa r e “p r e c i p i t a t i o na n d s u r f a c er u n o f f f a c t o r s a n d “t o p o g r a p h i cr e l i e ff a c t o r s ”，t h e r e f o r e w eh a v et h ef i r mr e a s o n st ob e l i e v e ，u n d e rt h eb a c k g r o u n do f t e c t o n i cm o v e m e n t s ，t h e c l i m a t ei sac o n s i d e r a b l ei m p o r t a n tf a c t o rw h i c hc o n t r o l st h eg e o m o r p h i ce v o l v e m e n t i nt h eq i l i a nm o u n t a i n s k e y w o r d ：e r o s i o nr a t e s ；c o n t r o l l i n gf a c t o r s ；g e o m o r p h i ei n f o r m a t i o ne n t r o p y ； g r a y c o r r e l a t i o na n a l y s i s ；g e o m o r p h i ee v o l v e m e n t ；q i l i a nm o u n t a i n s 兰州大学硕士学位论文y7 3 1 9 6 0 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名日期：一七i ； 兰州大学硕士学位论立 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名 翩签名：巨睁目期：一t d - , 6 3 第一章绪论 第一章绪论 第一节论文研究背景和选题依据 1 1 研究背景和选题依据 造山带隆升已成为目前地学研究的热点之一，这是因为造山隆升不仅能反映 大陆动力学过程，而且隆升的地貌会引起地球上生态环境发生变化，尤其是新生 代晚近时期的隆升对环境、气候、甚至人类生存产生极大影响。m 1 造山运动的直接后果是地表侵蚀的变化，同时地表的侵蚀过程，又引起均衡 抬升等新的构造活动，进而影响到造山运动的方向和幅度，他们之间存在着密切 的联系。但是地表侵蚀是作为造山运动的直接后果【3 】，还是作为地貌演化的促进 因素【4 ，目前在不同的地区存在不同的证据和结论。一些学者主张构造运动造成 了山体隆升，随后高大山地改变了地球各个圈层的相互作用，是造成新生代气候 阶段性变冷最主要的原因；与此相反，最近一些研究，却表明晚新生代的气候变 冷所引发的冰川的扩大、冰盖的形成、髓之剥蚀作用的加强，以及山体的均衡效 应等是造成新构造抬升运动的主要原因。因此，地表的侵蚀速率对于侵蚀作用引 起的隆升和其它地质事件具有重要的参照意义，不同时间尺度的侵蚀速率能反映 该时间段内的地质活动，通过侵蚀速率的变化规律可以反演和解释造山带的构造 历史“”。 青藏高原的隆起被认为是全球晚新生代气候变化的重要促进因素，对季风环 境的形成演化和西风环流的行为有着重要的影响 s , g l 。国内外的学者研究表明”】， 青藏高原还是研究岩石圈形成演化和地壳运动机制的理想区域( m o n l a rpe ta 1 ， 1 9 7 5 ；d e w e y jfe ta 1 ，1 9 8 9 ；k i n dre ta 1 ，2 0 0 2 ；t i l m a n nfe ta 1 ，2 0 0 3 ) 。所以青藏 高原的形成演化、隆升机制、隆升过程及其环境效应研究已成为国际地学研究的 热点之一。祁连山是青藏高原东北部边缘山系，呈北西西一南东东走向，受印度 板块向北移动和北部阿拉善地块阻挡的影响，遭受强烈积压、地壳收缩，新构造 运动十分活跃。方小敏，李吉均，潘保田【1 1 , 1 2 等认为，祁连山自约8 m a 起，66 m a 略有加速，由较低的高度开始逐步隆起，至约3 6 6 m a 后，祁连山开始急剧地整 体快速隆升，并经约 2 9 4 2 5 8 ， 1 8 1 2 3 ，0 9 3 0 8 4 和0 1 4 m a 多次阶段性 快速隆升，祁连山最终被抬升到今天的高度。祁连l b 地区的构造活动历史，可以 反映青藏高原的形成演化，因此对该地区的侵蚀速率进行研究，对于解释青藏高 原地区的构造演化、隆升过程具有重要的意义。 1 2 主要研究内容 侵蚀作用也有文献称之为剥蚀作用，是指各种运动的介质在其运动过程中， 第一章绪睑 使地表岩石产生破坏并将其产物剥离原地的作用。而风化作用则是在外部地质营 力的作月j 下，通过物理的、化学的以及生物的各种凶素，使岩石变成碎块、砂、 土和溶液的作用过程。风化作用和侵蚀作用都是对岩疆圈表壳的破坏，他们之间 的区别在于，风化作用是各种介质( 水、大气、温度、生物) 对岩石的原地破坏， 而侵蚀作用是其产物被侵蚀作用的地质营力带走，风化产物的搬运是侵蚀作用的 主要体现。侵蚀作用是地球表面最重要且最普遍的地质过程，岩石的机械破碎和 腐蚀溶解产物经雨水冲刷进入河流并最终输入海洋，据估算世界每年经由河流输 送入海的沉积物和溶解物分别约为1 5 5 x 1 0 9 t 和4 ，o o 1 0 9 t ( m a r t i ne ta 1 ，1 9 7 9 ； m i l l i m a ne ta 1 ，1 9 8 3 ) ，两者的输送总量相当于冰川输送通量的1 0 倍或经由大气 途径入海物质量的1 0 0 倍( h a y , 1 9 9 8 ) ，因此流域系统的剥蚀作用是实现元素地 球化学循环和海一陆物质交换的重要环节。 地表侵蚀的类型包括雨滴的溅蚀，片状流水侵蚀与细沟侵蚀，沟蚀( 浅沟、 切沟和冲沟) ，崩岗侵蚀( 在重力崩塌和流水侵蚀共同作用下，发生在花岗岩风 化壳上的侵蚀类型) ，重力侵蚀( 滑坡、滑塌、坠落、泻溜、土屑蠕动等形式) ， 潜蚀( 地下水作用) ，高含沙水流侵蚀( 包括泥流和泥石流) ，河岸侵蚀( 河流 侧蚀和下蚀) 等。影响地表侵蚀的因素包括：( 1 ) 气候因素，包括降雨强度、 降雨的季节变化；( 2 ) 地形因子，包括地表坡度、坡长、坡形、流域切割程度 等；( 3 ) 植被因子，植被覆盖对雨滴溅蚀和径流侵蚀都有影响；( 4 ) 地表组成 物质，包括土壤特征、岩石性质等。祁连山北部地区的侵蚀速率大小、分布规律 和影响因素是论文的主要研究内容。 第二节侵蚀速率的国内外研究概况 国内外学者对侵蚀速率的研究主要为侵蚀速率的环境意义和原因分析方 面，包括长时间尺度侵蚀对构造带地貌演化的影响；区域地貌演化是构造事件引 起还是气候变化导致的侵蚀引起；通过现代气候、地形、水文资料分板侵蚀速率 的控制因子；现代流域侵蚀速率的人为因素的作用，对河流侵蚀进行定量模拟和 分析：通过数学的、物理的定量模型分析侵蚀过程，结合g i s 、r s 技术手段进 行河流侵蚀过程的定量模拟，以及研究与人类密切相关的水土流失问题等。 2 1 国外研究概况 在侵蚀速率与构造运动和地貌演化关系方面，m o n t g o m e r y ( 2 0 0 1 ) u 副分析了 安第斯山降水引起的侵蚀速率对地形的影响，认为构造和侵蚀是个耦合的系 统，在构造的大环境下，侵蚀对地形和地质活动具有很大的影响。 r e i n e 琏p w ( 2 0 0 3 ) 分析了华盛顿卡斯卡底地区降永和长期侵蚀速率在空间 第一章绪论 变化上的对应关系，研究的结果显示，在过去千万年来此地区平均侵蚀速率约 为每年0l m m ，最高与最低的侵蚀速率则分别是每年o0 2 m m 和o3 3 r a m 。如果 拿今日的降雨量分布来看，位于卡斯卡底i l i 脉西侧迎风面的高降雨量，将导致这 个地区的侵蚀速率比卡斯卡底j h 脉东侧高上3 到1 0 倍。由于该区岩性基本一致， 地形起伏不大，所以分析年降水量和侵蚀速率的关系得出：在海岸线以东约 1 2 0 k i n 处，最大剥蚀速率为0 3 3 k m y r l ，最大年降水量3 5 m y r - 1 ，平均地形起 伏为l 1 ，2 k m ，年降水量和侵蚀速率之间存在明显的耦合关系，而平均地形起 伏与侵蚀速率关系不大。 h o n g e yc h e n ( 2 0 0 3 ) 【1 4 】，分析了台湾造山带径流变化、地震活动和侵蚀的 关系，利用磷灰石( a p a t i t e ) 裂变径迹分析百万年来台湾地区的平均侵蚀速率约 是每年3 到6 m m 左右，利用1 2 个地区的2 5 个河流阶地的“c 测年结果得出， l o 万年来的河流平均下切速率也大约是每年5 到1 2 m m 左右，结果稍稍大于喜 马拉雅山地区，但是如果根据台湾地区1 5 0 多个河流水文站资料分析过去3 0 年 来台湾的侵蚀速率，结果则是非常惊人。在台湾东南侧有全台湾最高的侵蚀速率， 可以达到每年8 8 m m 的程度，其次是台湾中部与西南部的侵蚀速度也将近每年 5 0 m m 左右，高出过去的平均值数倍以上。分析这样的侵蚀速率分布应该与台湾 地区地震断层及台风侵袭台湾的方向有关，造成地层脆弱以及降雨量较大的区域 出现较高的侵蚀速率。 w o b u s c w ( 2 0 0 3 ) 1 s l ，讨论了喜马拉雅地形前缘的侵蚀是否维持了逆冲断 层的活动，作者在中尼泊尔喜马拉雅山脚地带，通过河流形态和地形特征，发现 一条抬升速率不连续的构造带( p h y s i o g r a p h i c t r a n s i t i o n2 一p t 2 ) ，通过分析河流 剖面、年代数据和野外观测资料等，认为喜马拉雅山南缘由于地形引起的降水增 加，引起侵蚀速率增大，可能导致活动断层的运动和地貌形态的演化( d a h l e n a n d s u p p e ，1 9 8 8 ；b e a u m o n t e ta l ，2 0 0 1 ) a b u r b a n k ( 1 9 9 6 ) 1 6 】，讨论了西北喜马拉雅地区河流下切、岩石抬升和流域 坡地的关系，文中介绍了长时问尺度侵蚀速率的计算方法，以及侵蚀对河流坡地、 河床的影响。利用m b e 和2 6 a l 宇生核素测年计算河流下切速率，利用a p a t i t e 和 z i r c o n 裂变径迹测年计算长尺度侵蚀速率，以及通过数字地形模型来分析不同抬 升的地貌响应，研究玻地角度与河流下切和侵蚀的关系，进而阐述了基岩性质对 侵蚀地貌演化的影响。 在侵蚀速率影响因素和定量分析方面，m a s u m m e r f i e l d ( 1 9 9 4 ) 【i “，研究 了世界主要流域盆地的侵蚀速率，利用降水和径流等资料，提取了1 0 个侵蚀速 率的影响指标，最后认为流域高差、起伏和径流对机械和化学剥蚀速率都有重要 影响，而面积、径流变差、温度对侵蚀速率的影响比较小。 第一章结论 c g a h a r r i s o n ( 1 9 9 4 ，2 0 0 0 ) ”8 ，”j 统计了世界上9 7 条河流的地形、降水、温 度和径流等1 2 个指标，通过逐步倒归的方法得出了侵蚀速率影响因子的非线性 数学模型，认为影响物理侵蚀的主要因素是流域的坡度和最大月降水量。 a l m e r t ( 1 9 7 0 ) f 2 0 】、m i l l i m a n 等( 1 9 9 2 ) 【2 1 ，”、h u l t o n ( 1 9 9 4 ) 等很多学者 指出流域的高程和地形、地貌情况对泥沙通量具有非常重要的影响，j a n s e n 等 ( 1 9 7 4 ) 及p r o b s t 和s u c h e t ( 1 9 9 2 ) 曾尝试建立考虑多种变量的多元回归模型估 计全球泥沙对海洋的输送通量。p i n e t 和s o u r i a u ( 1 9 8 8 ) 【2 3 1 对世界大型流域盆地 分析研究后认为机械剥蚀率与盆地的地势密切相关。l u d w i g 和p r o b s t ( 1 9 9 8 ) “1 对世界6 0 个主要的流域盆地的研究得到河流的沉积物产量与径流强度( m 3 s ) 的相关系数最大( r = 0 7 0 ) ，远远高于与其它因子的相关系数，从全球规模而言， 径流强度是控制机械剥蚀率的重要因素，其次为年均降雨量。m e y b e c k 等( 1 9 7 6 ) 对世界大型流域盆地的化学风化率与径流量的相关关系分析发现，两者的相关系 数( o 7 0 ) 明显高于其它因素。w h i t e 和b l u m ( 1 9 9 5 ) 研究了世界6 8 个花岗岩 质流域盈地化学风化率与气候问的关系后发现，高温和高降水量下，化学风化加 剧，而低温、低降水条件下，风化减慢。 最近，在侵蚀速率方面的研究，b e a u m o n tc ( 2 0 0 0 ) b “，b u r b a n k ( 2 0 0 3 ， n a t u r e ) ，w h i p p l e ( 1 9 9 9 ，n a t u r e ) 2 6 1 , b m z o v i c ，n ，b u r b a n k ( 1 9 9 7 ，s c i e n c e ) 【2 7 1 ， l a m b ，s ，( 2 0 0 3 ) 2 8 1 ，w i l l e t t ，s ( 1 9 9 9 ) 【2 9 】等，在他们的研究中，解释了侵蚀 速率对造山带地形的影响，分析了侵蚀速率的控制因素等。 2 2 国内研究概况 目前国内不少学者估算了河流的年均输沙模数，而从侵蚀速率角度考虑的较 少，刘曙光等( 2 0 0 0 ) 0 0 对亚洲人海河流的输沙量区域性变化规律进行了研究， 认为青藏高原隆升的构造运动对亚洲河流的剥蚀作用起到了决定性作用。陈静生 等( 1 9 9 2 ) 3 u 研究发现，在中国机械剥蚀最为严重的地区，一个是黄河中游地 区，由于该区覆盖着疏松的黄土层，自然植被严重破坏且夏季降水量大，另一个 是台湾岛，广泛而强烈的机械剥蚀作用源于降水量和径流十分丰沛，且中央山脉 一直在快速抬升。陆中臣等研究了国内部分流域的侵蚀速率，认为黄河和海河流 域的侵蚀速率最大，其次是横断山区，第三为东北区的流域，最小的为淮河、长 江和珠江流域与内陆河流域。造成各流域侵蚀速率不同的原因，主要是各流域的 气候、下垫面( 地质地貌、土壤、植被) 和人类活动及其组合的反应不同造成的。 刘新华( 2 0 0 1 ) 【”1 认为在坡面，j 、流域尺度上，坡度对侵蚀具有最重要的影响； 而在全国范围内的水土流失，与地形起伏度、地形粗糙度、地形高程变异系数、 河网密度有关。 李晶莹( 2 0 0 3 ) 3 3 3 4 1 通过分析全国4 0 多条河流，提取了9 个影响机械剥蚀和 第一章绪沦 化学溶蚀的凶子，根据多元回归分析认为干早指数、相对高差是流域机械剥蚀率 的主控因素，机械剥蚀率对总剥蚀率的平均贡献率达到近8 0 ；流域的化学风 化率的主控因素主要是气候因素，尤其是年均气温、降水量，径流量次之。同时 根据化学溶蚀与机械剥蚀的关系，推算了全国部分流域的机械剥蚀速率。 张培震( 2 0 0 1 ) 【3 5 1 通过对世界各地i “脉和沉积盆地中的研究发现大约在3 m y r 年左右侵蚀速率加快，这一现象通常被认为是各山脉隆起所造成的。张培震等提 出了一一种新解释，认为造成全球侵蚀速率同步增加的唯因素是全球气候变化。 研究认为气候在约3 百万年前从相对稳定状态到高频率、大幅度的动荡状态的变 化造成了全球性侵蚀速率的增加。 马钦忠，李吉均( 2 0 0 3 ) 3 6 , 3 刁研究了青藏高原北缘晚新生代的差异性隆起特 征，提到祁连山自2 3 7 m a 以来，剥蚀速率呈两级阶梯式上升，从0 0 0 9 2 m m a 0 1 6 m m a 0 2 8 2 m m a 。 在地表侵蚀研究发展的过程中，美国的通用土壤侵蚀方程( u s l e ) 一经提 出，迅速为美国许多地区及世界各国采用，它是土壤侵蚀研究的重大进展。在我 国许多地区也得到了广泛应用，李建牢( 1 9 8 9 ) ，马志尊( 1 9 8 9 ) ，张宪奎( 1 9 9 2 ) ， 周伏建( 1 9 9 5 ) ，游松财( 1 9 9 9 ) ，蔡祟法( 2 0 0 0 ) ，陈一兵等( 1 9 9 7 ) ，马修 军( 1 9 9 8 ) ，牛志明( 2 0 0 1 ) ，蔡强国( 1 9 9 8 ，2 0 0 3 ) ，南秋菊( 2 0 0 3 ) 等都利 用该方程结合其它方法，比如g i s 、r s ，或者其它数学建模等手段对地表的侵蚀 进行了模拟和分析研究。旧” 2 3 研究区研究概况 祁连山作为我国西部最重要的自然区之一，很早就受到地学界的关注。早在 1 9 3 9 年，李四光在其中国地质学中指出，祁连山是祁吕贺山字形构造前弧 的西翼。1 9 4 5 年，黄汲清h 。】在中国主要地质构造单元一书中，进一步将祁 连1 b 列入海西褶皱带的部分，并指出祁连山是河西内陆流域以南，柴达木盆地 及陇西黄土高原以北的平行山系，它包括走廊南山、托来山、托来南山、疏勒南 山、党河南山、察罕鄂博图岭和赛什腾山、柴达木山。 在上述工作的基础上，地貌学方面也有了长足的发展。陈梦熊( 1 9 5 1 ) 对祁 连山的地理范围，刘增乾( 1 9 5 1 ) 对祁连山的地貌分区，施雅风、范幕朋、陈克 造、段永候、王乃梁等对祁连山地区的夷平面都做了广泛的研究，王德基( 1 9 8 5 ) 对祁连山东段的夷平面进行了描述，1 9 5 4 年黄河水利委员会编制了“湟水流域地 貌图”，1 9 6 2 年方永编制了“青海湖地貌图( 1 ：7 5 0 ，0 0 0 ) ”。尹泽生、徐叔鹰等 ( 1 9 9 2 ) 对祁连i h 的地貌演化进行了研究：陈杰( 1 9 9 4 ) 对祁连山西段的隆起进 行了研究；李有利等( 1 9 9 7 ) 对河西走廊地区全新世河流阶地与气候变化进行了 研究；杨景春等( 1 9 9 8 ) 对祁连山北麓河流阶地与新构造演化历史进行了探索。 第一章绪论 李吉均、潘保田、方小敏、陈发虎、周尚哲等对青藏高原，包括祁连山地区进行 了大量的、详细的研究，已经在国内外形成了较大的影响【4 “”。 所有这些基于祁连l i i 地区构造运动和侵蚀的研究，为后来者提供了坚实的理 论基础和研究平台，但是祁连山地区侵蚀速率的计算多来自于传统的测年手段， 跨越巨大的时间尺度，主要欠缺表现在缺乏全面、系统的侵蚀速率研究成果，i 司 时没有一个高精度、定量化的手段保证研究的准确性。这在解释侵蚀速率与影响 因子关系上，存在一定困难，无法准确解释地貌演化的主导力量是构造因素，还 是气候因素。正是在这种认识和背景下，论文通过计算祁连山地区现代侵蚀速率 的时间和空间分布规律，结合同期的气候、水文、地形等资料，来分析控制侵蚀 速率的因子和指标体系，试图解释该区构造活动和地貌演化历史。 第三节侵蚀速率研究方法综述与论文思路 3 1 长时间尺度侵蚀速率的研究方法 长时间尺度的侵蚀速率主要通过结合测年手段来估算 5 0 - 5 4 。具体方法包括： ( 1 ) 利用宇宙核索估算山体表面剥蚀速率和表面抬升速率。宇宙核素的产生 是宇宙射线轰击地表或接近地表岩石矿物中的原子核的结果。岩石矿物中的宇宙 核素随着地表埋藏深度的增加，而呈指数递减的趋势，到达某一深度就减少为零。 目前，人们已经在岩石中发现了一系列宁宙核素，如“c l ，2 1 n e ，3 h e ，7 b e ，1 0 b e ， ”c ，“a 1 ，3 9 a r 等。其中用于研究地表曝露时间、侵蚀速率等方面最多的是”b e 和2 6 a l ，它们在自然界分布广而稳定，并且具相对较长的半衰期( 前者为1 5 m a ， 后者为o 7 0 5 m a ) 。因此，通过测量剥露岩石的暴露年龄，结合其埋藏深度可以 估算其剥露速率；p ”，j ( 2 ) 利用磷灰石裂变径迹定年研究山脉地区的隆升剥露。通过岩石矿物中u 的衰变造成的裂变径迹测年，进而根据已知的地温梯度来计算剥露速率；【5 8 。 ( 3 ) 磷灰石( 锆石) ( u - 1 1 1 ) i - i e 测年。通过测量u 、1 1 1 、h e 元素在矿物中的浓 度，来计算岩石矿物冷冻事件后的封闭年龄，进而计算其剥露速率； 6 b 6 2 】 ( 4 ) 通过锆石u p b 同位素测年也可以获得剥露速率。具体包括：a 高灵敏 度离子探针质谱方法( s h g n w ) ；b 微量矿物的u - - p b 同位素测年方法；c 单 颗粒锆石p b p b 测定法；d 单颗粒锆石u - - p b 同位素稀释测定法： 6 3 - 6 5 ( 5 ) 钾长石4 。a r 3 9 a r 测年。利用4 0 k 转化成”a r 的机理，也可以计算岩石 矿物的封闭年龄：【6 6 j ( 6 ) 古地形恢复。通过恢复断裂、断层、褶皱等地质构造，来计算一定地质 年代以来的侵蚀速，率【“j 。 第一章绪论 3 2 利用地形和降水等指标估算现代侵蚀速率 ( 1 ) 坡度是在坡面土壤侵蚀中影响最大的因素，它表现在不同坡度下的被蚀 体特征不同、坡面入渗、溅蚀、坡面流速均不同。一般认为在坡度较小时，侵蚀 随坡度的变化较明显，坡度较大时，侵蚀量随坡度的变化不大，存在一个临界坡 度。黄土高原地区临界坡度为2 5 。2 8 。，临界坡长为4 0 6 0 米。根据试验得出 侵蚀与坡度之间的关系( 靳长兴，1 9 9 6 ) ：s 。c x o t a n 6 口，s 代表侵蚀量； x 代表坡长；口代表坡度；a 、b 为常数，a = 1 - 3 5 1 7 3 ；b = 1 3 5 1 4 ；一般适 用于坡度较小的地区( 2 。6 0 ) 。 6 8 6 9 1 ( 2 ) 大范围机械剥蚀速率：h a r r i s o n 等( 1 9 9 4 ) ，统计了世界最大的4 5 条河 流的机械搬运与区域平均高度、降雨量的关系，通过相关分析得出： l 一 半= ( o 1 7 3 0 0 3 1 ) h ) + ( 1 3 6 + o ，4 3 ) q 一1 0 2 7 2 8 2 ，式中，h 为剥蚀厚 a t 度；t 为剥蚀时间：h 为区域平均高度( m ) ：q 为降雨量( c r r d a ) 。 ( 3 ) 韦斯曼方程u s l e ( 美国通用土壤侵蚀方程u n i v e r s a l s o i l l o s s e q u a t i o n ) ， 主要用于流域水土侵蚀和流失的计算和模拟研究，在国内外已有广泛的应用。计 算式为：a = r k l s v ，其中，r 一降雨因子，k 一土壤可蚀性因子，l s 一地形因 子，v 一植被因子。 7 0 - 7 5 1 3 3 利用河流泥沙观测资料推算现代河流侵蚀速率 现代区域侵蚀速率的计算，可以利用河流泥沙资料进行计算，河流中泥沙根 据存在形式可以分为：悬移质、推移质、溶解质、河床质等，其中前三种是物质 搬运的主要形式。如果沉积物在输送过程中发生了淤积，那么利用输沙估算的侵 蚀速率可能偏低，如果未经剥蚀的物质直接进入河流中，则利用输沙估算的地表 侵蚀速率偏高。因此，估算方法的前提是河流物质输送与地表侵蚀作用产物的输 入处于平衡的稳定状态，没有发生泥沙的淤积。此方法是最直接和准确的侵蚀速 率计算方法，国内外许多学者对此进行了研究。 3 4 论文的研究思路和拟解决的关键问题 论文拟通过河流泥沙输送量去反演流域内部发生的主要侵蚀过程，推算定 时段内的区域侵蚀速率。利用地理信息系统技术( g i s ) ，对祁连山地区主要流 域的地形、气候、水文等因素进行量化分析，探究河流输沙量、侵蚀速率及其影 响因子之间的关系，进而说明祁连山地区侵蚀速率的分布规律和演化模式。论文 拟解决的关键问题包括： 第章绪论 ( 1 ) 祁连山地区现代侵蚀速率的空问和时问分布规律 ( 2 ) 控制侵蚀速率分布的主要因素及其定量化分析 ( 3 ) 祁连山地区地形因子提取与地貌演化阶段分析 第四节数据资料和研究的技术路线 4 1 数据资料 ( 1 ) 径流数据；从1 9 5 6 年到2 0 0 0 年，河西3 4 个水文站每年的径流量数据； 河西1 8 个水文站的建站以来的月均径流量数据。 ( 2 ) 泥沙数据：从1 9 5 6 年到2 0 0 2 年，河西1 7 个水文站每年的泥沙数据；4 5 年来，河西1 4 个水文站的月均泥沙数据；石羊河流域7 座中型水库，从 建成以来，年均的输沙量、淤积量和排沙量。 ( 3 ) 水化学数据：从1 9 7 1 年到1 9 8 0 年间，河西1 2 个水文站，每年的水化学 资料( 离子径流量) 。 ( 4 ) 气象数据：1 9 6 0 年到1 9 9 0 年，河西1 9 个气象站，每年每月的气温、降 水、蒸发等数据。 ( 5 ) 地形数据：祁连山地区l ：2 5 0 ，o o od e m ，祁连山东段1 ：1 0 0 ，0 0 0d e m 数据。 4 2 技术路线和可行性分析 首先，利用1 ：2 5 0 ，0 0 0 数字高程数据( d e m ) ，提取祁连i l i 北麓的河网和流域， 生成不同的空间研究单元，分析不同地区的地形特征及其地貌分异规律。 其次，对泥沙资料进行处理，获得最后的总输沙年内和年际序列资料，进而 可以获得不同研究单元的侵蚀速率时空分布。 再次，将气候、径流等数据通过插值处理，叠加到不同的研究单元，各研究 图层与侵蚀速率进行相关性分析。 最后，获得影响侵蚀速率分布的不同因子和指标系列，根据主成分分析获得 影响因子的不同组合，利用灰色关联分析得出对侵蚀速率影响最大的因子组合。 ( 酗1 - 1 ) 论文中需要用到的专业软件包括地理信息系统平台a r c g i s8 3 、a r c v i e w3 2 ， 遥感图像处理软件e r d a s8 6 ，数据计算和分析工具m a t l a b6 5 ，s p s s1 2 ，d p s 3 0 1 等。 第一章绪论 | 泥沙数据ij 祁连山d e mli 气象、径流数据| | 植被和岩性 il 研究区域享分析单元l1 i 流域侵蚀分布地形因子提取和分析气候、径流因子 i 1 l i 1r 1 i 流域侵蚀速率影响因子 地形特征与地貌演化l 侵蚀速率、地形特征分布图和数据库 图1 - 1 论文研究思路和技术路线 9 第二章铆f 究区概况 第二章研究区概况 第一节祁连山北部地区地质地貌特征 1 1 祁连山北部地区地貌特征 祁连山是青藏高原东北部边缘山系，呈北西西一南东东走向，地区地貌特 征十分复杂且具有明显的特殊性( 见图2 - 1 图2 - 4 ) 。主要山体由党河南山、 疏勒南山、托来南山、托来山、走廊南山、冷龙岭、大通l b 、达坂山、青海南山 和拉脊山等组成。山系南北两翼具有明显的不对称性，南坡地势变化相对和缓， 北坡陡峭，海拔落差大，整个地势由东向西逐渐抬升，祁连山北侧和南侧都有明 显的断裂降至平原，北坡与河西走廊间相对高度在2 0 0 0 m 以上，而南坡与柴达 木盆地间仪1 0 0 0 余m 。此外，山间盆地和纵谷广泛发育，主要河流有党河、疏 勒河、托来河( - l t 大河) 、黑河、大通河、湟水和石羊河等。 祁连山山系长约1 0 0 0 k m ，宽越2 0 0 4 0 0 k m ，西宽东窄。山峰海拔多在4 0 0 0 m 以上，最高峰为疏勒南山的团结蜂，海拔6 3 0 0 m 。祁连l b 具有高山、积雪、冰川、 山谷、盆地等较复杂的地形地貌，海拔4 1 0 0 m 以上的山区终年积雪，发育着现 代冰川i ，具有“天然白色水库”之称，许多河流发源于此，据统计祁连山共有冰川 2 8 5 9 条，冰川面积1 9 7 3 k m 2 。冰川主要集中在西段和中段，即走廊南山、大雪 i j i 、疏勒南山等。东段的冰川较少，只有武威一带冷龙岭有较大的冰川群。雪线 介于4 2 0 0 5 2 0 0 m 间，东段因受东南季风影响，雪线较低，向西逐渐升高。南 坡雪线高于北坡。 祁连山北麓各个流域在上中游与下游具有不同的地貌成因和形态，巾上游地 貌根据成因和形态特征可分为三种基本类型，包括强烈褶皱断块隆升的高山、断 块隆升的中高山、褶皱断块低山等组成的山地；由地质抬升并被水流割切的梯状 高平原、构造一剥蚀作用形成的低山丘陵等；以及由冲洪积扇、洪积砾石戈壁平 原，冲洪积细土平原及风积平原等组成的走廊平原区。中生代地质构造奠定r 下 游地区地貌的基本格架，近期干旱气候的风化剥蚀作用塑造了现代地貌形态，从 成因角度可划分为三种类型，分别是由低山丘陵、准平原组成的构造剥蚀地貌， 由冲洪积平原、冲湖积平原、湖积平原、洪积倾斜平原等组成的堆积地貌以及由 固定半固定、垄状、波状及复合式沙丘以及其它风蚀地貌组成的风成地貌，其中 堆积地貌和风成地貌是主要地