Geomorphology: 基于地形数据定量计算分水岭迁移速率——以青藏高原东缘的岷江流域为例

地貌的演化受控于构造、岩性、气候等条件,主要表现为水系的时空变化。当发生构造或气候变动时,水系的河道和分水岭会发生横向和垂向变动,以趋向新的稳定状态。因此流域盆地的现今变动过程可以用来重建构造和气候。前人提出了几种不同的方法用来判断分水岭的迁移方向,主要有Willet等(2014)提出的χ值对比法和ForteWhipple等(2018)提出的“Gilbert”参数法。然而,进一步深入研究分水岭迁移或者提取定量构造、气候信息时,我们需要定量化的分水岭迁移速率,目前仍缺乏相关研究。另外,水系的横向变化(分水岭迁移或流域袭夺)也会通过改变流域面积而造成侵蚀速率的变化,从而进一步对区域构造造成影响。因此,量化分水岭迁移速率不仅会促进从地貌参数重建构造和气候研究,而且对于定量分析构造-气候-侵蚀相互作用研究具有重要意义。

      前人曾通过对分水岭两侧河道砂的宇宙成因核素10Be样品测试获得流域侵蚀速率并进一步计算分水岭的迁移速率。然而该方法受坡面间歇性滑坡或崩塌以及采样位置距离分水岭较远而不能代表分水岭附近流域侵蚀速率等因素的影响,在应用于计算分水岭迁移速率时有很大的不确定性。此外,10Be样品较高的测试成本也限制了其在分水岭迁移研究领域更广泛的应用。通过地貌参数和10Be样品测试相结合的方法,可以大大提高10Be测年结果的应用范围和应用效率。

中国地震局地质研究所的博士生周朝,在谭锡斌研究员等人指导下,在前人的χ值对比法和“Gilbert”方法的基础上,通过公式推导,得到了分水岭两侧的侵蚀速率差异与χ值等参数的关系(图1),并在此基础上获得了分水岭迁移速率的计算公式。研究强调使用尽可能高的基准线(使χ-高程呈线性)获得的分水岭两侧χ值对比才能够有效指示分水岭的迁移方向和速率(图2)。结合前人在青藏高原东缘龙门山地区发表的大量10Be数据(图3),研究团队将新方法应用于青藏高原东缘地区岷江水系分水岭迁移速率研究,完成了岷江分水岭的迁移速率分布图(图4)。

 

1 根据公式(上)绘制的归一化侵蚀速率差值和χ比值的关系图(下)

2 块体掀斜造成分水岭迁移及使用不同高程基准线的χ-高程关系图(左);持续掀斜时的分水岭平衡状态及使用不同高程基准线的χ-高程关系图(右)

3 A)青藏高原东缘主要水系以及新生代以来主要袭夺事件;(B)该区域降水空间分布(1970-2000);(C)研究区发表的10Be侵蚀速率数据

 

4 青藏高原东缘岷江分水岭迁移速率

 

该研究获得了当前第一幅分水岭迁移速率分布图(图4)。研究成果对分水岭稳定性及其机制研究这一国际热门研究领域做出了基础性的贡献。定量化的分水岭迁移速率分布图可以广泛应用于构造和气候信息提取、自然灾害、生物多样性等研究领域。同时研究结果为认识青藏高原东缘构造、气候演化模式提供了新的约束。该研究得到了中国地震局地质研究所基础科研业务专项(IGCEA2004; F-21-02)的资助。相关文章于2022118日在线发表于《Geomorphology》杂志:

Chao Zhou, Xibin Tan*, Yiduo Liu, Renqi Lu, Michael A. Murphy, Honglin He, Zhujun Han, Xiwei Xu, 2022. Ongoing Westward Migration of Drainage Divides in Eastern Tibet, Quantified from Topographic Analysis. Geomorphology, https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2022.108123

 

主要参考文献

Willett, S.D., McCoy, S.W., Perron, J.T., Goren, L., Chen, C.Y., 2014. Dynamic reorganization of river basins. Science, 343 (6175), 1117. https://doi.org/10.1126/science.1248765

Forte, A.M., Whipple, K.X., 2018. Criteria and tools for determining drainage divide stability. Earth and Planetary Science Letters, 493, 102–117. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.04.026