活动造山带的地形地貌是构造运动与气候变化相互作用的产物。在地貌演化过程中,河流作为对构造-气候相互作用最为敏感的地貌单元,无论是流域平面展布还是河道剖面形态,都深受构造、气候、岩性等的影响;同时,这些因素及其变化特征也为流域水系所记录。研究造山带河流水系,从中提取构造活动和气候变化信息,有助于理解区域地貌演化过程,是构造地貌研究的重要内容。自新生代以来,印度-欧亚板块之间持续强烈的碰撞汇聚,使得青藏地区不断被抬升,进而形成高原。高原内部,干旱的气候约束了河流搬运能力,导致冰川或断裂活动产生的碎屑物质就近堆积,促进平坦高原面的形成;而高原边界,被一系列活动造山带围限,在强烈的构造隆升与河流侵蚀搬运作用下形成陡峻的地势。由此可见,青藏高原地域广阔,不同部位的构造背景和气候条件相差迥异,由此形成了不同特征的地貌。因此,青藏高原是开展构造地貌研究的一个天然实验场所和理想区域。研究高原的构造地貌特征,最终主要是为了回答两个问题:1)高原是如何隆升并向外扩展的?2)高原内部平坦地形是如何维持的?前人对这两个问题的研究一般借助于年代学、地层学和活动构造等方法,但对高原水系形态与地貌格局的定量研究相对较少。高原在隆升扩展过程中,其强烈的构造活动改变了周缘水系河道形态和地貌格局;同时,这些流域河道也蕴含了丰富的构造演化信息。借助河水动力侵蚀模型,可以从河道纵剖面数据中提取相应的构造活动的时空分布特征等信息,这对于理解青藏高原的隆升扩展方式和地貌演化过程有极大帮助。因此,本文首先介绍河水动力侵蚀模型的原理和现有的基岩河道分析方法(河水动力侵蚀方程稳态形式的解的两种表示方法:坡度-面积分析法、积分法)。然后详细说明这两种方法的优缺点,并作相应的改进。最后,从流经青藏高原边界河流水系的基岩河道入手,利用改进的河道分析方法,同时结合传统的低温热年代学手段(磷灰石裂变径迹、锆石U-Th/He),从河道纵剖面数据中提取相应的构造活动信息,来研究高原隆升扩展方式和其内部高大地形的维持因素。1.河水动力侵蚀模型原理、方法以及应用简介河流作为对构造-气候相互作用最为敏感的地貌单元,记录了丰富的水系演化、构造变形以及气候变化信息。目前基于数学推导与物理模型相结合的河水动力侵蚀方程,将构造抬升与河流侵蚀作用相结合,使得通过河流纵剖面形态提取基岩隆升速率的时空分布特征成为可能。现有研究与应用主要包括:1)利用方程的稳态形式获取水系陡峭系数(坡度-面积对数分布图,积分法),并以此探讨构造隆升速率高低及空间分布特征;2)构建河流裂点的溯源迁移模型,定量获取裂点迁移速率;3)利用方程的线性非稳态形式,获取区域基岩隆升历史;4)获取不同流域水系河段χ值高低,判别分水岭的迁移方向。对于方程的非线性非稳态形式,在求解及应用等方面都存在一定的不足,这也将是河水动力侵蚀模型今后亟需解决的关键问题。文章在简单回顾现有青藏高原基岩河道研究成果的基础上,提出开展不同时间、不同空间尺度青藏高原基岩河道相关研究的迫切性。2.一种改进的基岩河道分析方法——综合运用坡度-面积分析、积分法和统计检验河道陡峭系数和凹度常被用于分析区域构造活动的空间分布特征。通过稳态的河水动力侵蚀方程,可以从河流纵剖面数据中计算获取这两个参数。目前,河流分析方法有两种:坡度-面积法和积分法。坡度-面积法,线性回归坡度与面积的对数值,直线斜率的绝对值即河道凹度,截距即陡峭系数的对数值;积分法,将汇水面积对河流溯源距离作积分运算(积分值称为χ值),线性回归χ值与河道高程,斜率即河流陡峭系数。坡度-面积法可以直接表示出河流凹度的变化(以此检测河道岩性的变化),但参数计算结果精度很低;积分法与之相反,可以得到高精度的陡峭系数,但并不能检测河道岩性的变化。目前,很少有研究将二者的优点相结合,同时改进其不足。本文首先利用坡度-面积对数分布图检测凹度变化,以此识别河道类型(塌积河道、基岩河道、冲积河道)。根据不同类型河道的分界点作为回归节点,利用积分法得到高精度的陡峭系数。此外,本文对两种方法进行线性回归统计检验,以消除自相关的回归残差,从而得到较为准确的陡峭系数值和误差估计。本文将这种改进的方法应用于研究程度较高的MTJ区域(Mendocino Triple Junction,美国加州北部)的不同长度规模的水系:15条小型河流(河流长度约10 km)和Mattole River(河流长度约130 km)。本研究首先通过坡度-面积对数分布图显示河流凹度的变化,从中识别出不同的河道类型,与实际结果相符;而后利用积分法计算基岩河道的陡峭系数,并利用统计检验消除回归残差自相关,得到精确的结果。因此,这种处理方法不仅集成了坡度-面积法和积分法的优点,还符合统计检验,是一种更为可靠的基岩河道分析方法。3.利用河道分析和磷灰石裂变径迹定年方法研究榆木山隆升速率的时空分布特征本文将结合这种改进的基岩河道分析方法和传统的低温热年代学方法,研究有关于青藏高原构造地貌特征的两个重要科学问题——高原的隆升扩展方式和其内部高大地形的维持因素。首先研究高原的隆升扩展方式。现有研究表明,在欧亚-印度板块碰撞初期,高原整体发生构造变形。在远离板块边界的高原东北缘区域,由于板块碰撞的远程效应,也发生了一定规模的断裂活动,这有力地反驳了 Oblique Stepwise Rise的观点。在20-15Ma以来,高原东北缘构造变形加剧,诸多大型的北西西走向的平行山脉加速隆升,构造变形同时也向北东方向扩展。热年代学研究揭示出北祁连山约10Ma发生快速隆升,河流陡峭系数的分布特征表明北祁连山隆升速率从中间向东西两侧降低;但由于未能全面约束各个山脉隆升速率的时空分布特征,高原东北缘是如何以及何时向东北部扩展的,目前还处于争论中。祁连山在加速隆升的同时也向其前陆地带河西走廊扩展,造成走廊内部和边界一系列山脉的隆升,榆木山便是典型案例。本文以榆木山为例,结合河道分析方法和磷灰石裂变径迹(AFT)低温热年代学方法研究其隆升速率的时空分布特征,以期揭示高原东北缘隆升扩展模式。榆木山河道陡峭系数空间分布不均,南低北高,这与其北坡为逆冲断裂一侧相应。因此,应当通过其北坡的河流参数来表征山脉的构造活动特征。在榆木山北坡,河道陡度值中间高两侧低,指示了山体隆升速率分布亦存在相似特征。这种隆升速率由中间向东西两侧逐渐降低的特征与北祁连山相似,说明高原东北缘区域各个山体的隆升可能也都存在类似的空间分布特征。此外,AFT热模拟揭示出榆木山在约4Ma发生快速隆升,与活动构造推测的隆升时限一致。榆木山南部的祁连山约1OMa加速隆升,与榆木山大致平行的老君庙背斜、白杨河背斜和文殊山均在约4Ma发生快速隆升,而在榆木山北部的合黎山(位于阿拉善块体南部)约2Ma快速隆升。因此,本文推论在板块碰撞初期,青藏高原东北缘局部区域发生构造变形;中中新世开始,祁连山整体发生加速隆升而后持续向北东方向扩展;在上新世,祁连山的影响扩展到河西走廊,造成一些山脉(如榆木山、文殊山等)的隆升;到更新世早期,这种影响传递到阿拉善块体南部,造成合黎山的隆升。4.利用河道分析和锆石U-Th/He低温热年代方法研究雅鲁藏布大峡谷成因青藏高原内部地形平坦,但边界陡峻;河流流经高原边界,由于巨大的高程落差而发育许多大型裂点和峡谷。这些裂点是否溯源迁移,关系着高原边界强烈的河流侵蚀是否会影响到高原内部,从而关系着高原边界是否稳定以及内部高大地形是否得以维持。因此,可以通过研究高原边界河流裂点成因与运动规律来获得高原内部高大地形的维持因素。在这些裂点峡谷中,尤以雅鲁藏布大峡谷规模最大,该峡谷水平长度达50 km,河道落差超过2 km,被誉为“世界第一大峡谷”。因而,该峡谷的成因亦成为地质地貌学界研究的焦点。关于其成因,目前存在两种观点一一“冰川坝”和“差异性构造隆升”。前者认为裂点上游广泛存在的冰川坝(冰碛物堆积)蓄水阻塞河道,阻碍裂点溯源迁移,使得侵蚀集中于裂点以下河段,形成深切峡谷;后者认为裂点附近加速抬升造成地壳反翘,使得裂点稳定。哪一种观点更为可信,目前尚无定论。为了验证“差异性构造隆升是保持雅鲁藏布大峡谷稳定的主要因素”,本文重点研究了两个问题,即青藏高原东南缘隆升速率的空间分布特征和裂点稳定的临界条件。本文通过改进的河道分析方法,计算高原东南缘河流陡峭系数,发现大峡谷周围区域河流陡峭系数极高,而峡谷上、下游区域陡峭系数相对很低。在排除气候(降水)、岩性、沉积物供给(主要通过河道凹度值判别)等多种影响因素的基础上,本文认为河流陡峭系数的这种分布特征说明岩体隆升主要集中在峡谷附近局部区域,而在裂点上游区域和下游的喜马拉雅山前地带,岩体隆升速率都很低。然后,本文推导得出复杂条件下(区域岩体隆升速率非均匀、河流侵蚀速率与河道坡度呈现非线性关系)的裂点溯源迁移的速率公式。根据该公式,本文得到裂点稳定的临界条件:裂点上、下游河道的基岩隆升速率差需要与其侵蚀速率差相平衡。利用河水动力侵蚀模型和锆石U-Th/He低温热年代学方法,本文计算峡谷河段平均的侵蚀速率,发现其与裂点上下游河段基岩隆升速率差相吻合,满足裂点稳定的临界条件。因此,本研究认为“差异性构造隆升”可以更好地解释雅鲁藏布大峡谷的成因。综合上述研究,本文首先介绍河水动力侵蚀模型原理和现有基岩河道分析方法(坡度-面积分析法、积分法)。接着详细说明这两种方法的优缺点,并作相应的改进:以坡度面积法检测河道凹度变化,据此识别基岩河道;结合积分法和统计检验,计算基岩河道的陡峭系数。这种改进的方法充分发挥原有方法的优点,避免其缺点,是一种更为可靠的基岩河道分析方法。然后,本文将河道分析方法和低温热年代学方法相结合,用以研究青藏高原隆升扩展方式和内部地形维持因素两大科学问题。对于高原的隆升扩展方式,本文以位于高原东北缘的榆木山为对象,利用河道分析方法计算该山脉的河流陡峭系数,发现系数值中间高两侧低,由此判断该山体隆升速率由中间向东西两侧降低;利用AFT热模拟揭示出榆木山在约4Ma发生快速隆升;结合榆木山周围的祁连山(10Ma)、老君庙背斜(3-4Ma)、白杨河背斜(3-4 Ma)、文殊山(4.5 Ma)和合黎山(2 Ma)的隆升时限,认为高原东北缘各山体由南向北渐进式隆升,指示了高原东北缘由南向北渐进式的扩展方式。对于高原内部地形维持的问题,本文从高原东南缘雅鲁藏布大峡谷成因入手,进行探讨。本文计算了东南缘河流陡峭系数,发现河道陡度从大峡谷附近区域向上、下游降低,由此推测东南缘岩体隆升主要集中在大峡谷附近区域;本文推导得出裂点溯源迁移的速率,并得到裂点稳定的临界条件——裂点上、下游河道的基岩隆升速率差需要与其侵蚀速率差相平衡。利用河水动力侵蚀模型,本文计算峡谷河段平均的侵蚀速率,发现其与裂点上下游河段基岩隆升速率差相吻合,满足裂点稳定的临界条件。因此,本研究支持了“大峡谷的形成是缘于其附近地壳差异性隆升”这一观点。