地震地质 ›› 2023, Vol. 45 ›› Issue (4): 811-832.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2023.04.001
收稿日期:
2022-08-10
修回日期:
2022-11-22
出版日期:
2023-08-20
发布日期:
2023-09-20
作者简介:
许建红, 男, 1983年生, 2022年于中国地震局地质研究所获构造地质学专业博士学位, 高级工程师, 主要从事活动构造研究、 地震安全性评价等工作, E-mail: xujianhongmailbox@163.com。
基金资助:
XU Jian-hong1,2)(), CHEN Jie1), WEI Zhan-yu1), LI Tao1)
Received:
2022-08-10
Revised:
2022-11-22
Online:
2023-08-20
Published:
2023-09-20
摘要:
陡坎是一种自然界常见的台阶状地貌, 但其形成年龄通常很难直接测定。发育在松散堆积物中的陡坎经过初期短暂的重力垮塌之后, 将经历漫长的低能退化过程。如果陡坎剖面形态的演化可基于扩散方程来模拟, 且扩散系数可独立标定, 即可利用陡坎地形剖面估算其年龄, 这种方法被称为形貌测年。文中简要回顾了陡坎形貌测年的研究历史, 介绍并讨论了陡坎退化的概念模型与扩散模型, 特别是非线性扩散模型的建立及求解、 参数在扩散模型中所起的作用、 最佳陡坎形貌年龄的确定流程等, 分析了陡坎上、 下地貌面坡度对陡坎退化的影响, 编制了非线性扩散模型的年龄图版, 给出了图版的应用实例, 验证了形貌测年方法的有效性。线性扩散模型和非线性扩散模型均可用于单次事件陡坎的退化分析, 但对于年轻的单次事件陡坎推荐使用非线性扩散模型。断层重复活动形成的陡坎的退化分析则需要谨慎对待, 恒定滑动速率陡坎的非线性扩散模型适用于模拟年龄<10ka、 活动速率高的断层陡坎的演化; 多次事件陡坎模型(包括线性扩散和非线性扩散)需要仔细评估每次事件在陡坎剖面上的断错位置及其位移量。尽管陡坎形貌测年方法存在很多假设条件, 但目前快速获取一定范围内的高分辨率地形数据已成为现实, 从这些数据中可以沿着同一陡坎提取大量剖面进行分析, 继而得到具有统计意义的结果, 这为陡坎退化分析和形貌测年方法提供了广阔的应用前景。
许建红, 陈杰, 魏占玉, 李涛. 基于扩散方程的陡坎形貌测年方法进展[J]. 地震地质, 2023, 45(4): 811-832.
XU Jian-hong, CHEN Jie, WEI Zhan-yu, LI Tao. MORPHOLOGIC DATING OF SCARP MORPHOLOGY BASED ON DIFFUSION EQUATION: A REVIEW[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2023, 45(4): 811-832.
图 2 陡坎地形梯度和沉积通量之间的理论关系(Xu et al., 2021) a 线性关系(黑色细实线)(Hanks et al., 1984); b 经典非线性关系(蓝色点划线)(Roering et al., 1999)。当地形梯度接近临界梯度时, 沉积通量趋于无限大, 超过临界梯度时, 沉积通量变为负值; c Pelletier(2008)改进的非线性关系(在其公式中取Cmax=40, 红色虚线), 可避免无限通量, 但没有解决负值的问题; d de' Michieli Vitturi等(2013)改进的非线性关系(在其公式中取Cmax=20, 绿色点线), 虽可同时避免无限通量和负值, 但指数曲线段偏离了经典的非线性关系; e 适用于数值计 算的非线性关系(灰色粗实线)(Xu et al., 2021)
Fig. 2 Relationship between hillslope gradient and sediment flux(Xu et al., 2021).
图 3 扩散模型中的参数变化对模型输出的影响(Xu et al., 2021) a 对于非线性扩散模型, 随着临界梯度增大, 沉积通量由小变大的转换位置对应的梯度也会增大; b 对于线性扩散模型, 侵蚀和堆积分别集中在陡坎的肩部和坡脚。当陡坎年龄t<4ka, 陡坎最大坡度几乎没有变化, 随着陡坎年龄增加至t>4ka, 其最大坡度才逐渐变小; c 对于非线性扩散模型, 侵蚀和堆积仍分别集中在陡坎的肩部和坡脚, 其最大坡度从一开始就随时间逐渐变小; d 对于不同的扩散常数k, 经过相同的演化时间之后, 更大的k值对应更明显的陡坎肩部侵蚀和坡脚堆积。然而,如果k·t的值相等, 陡坎剖面的最终形态相同, 与k和t各自的大小无关
Fig. 3 The influence of parameter changes on scarp evolution within diffusion models(Xu et al., 2021).
Fig. 4 基于DEM提取的条带状剖面确定陡坎年龄的流程(Wei et al., 2015) The scheme for exploiting DEM to conduct swath profile-based morphologic dating(Wei et al., 2015).a DEM栅影图可用于识别陡坎和确定陡坎剖面的位置。黑线代表条带状剖面的中线, 图中标记的为6m宽的DEM条带; b 从DEM数据中提取的条带状剖面的三维视图。将条带内所有栅格点投影到黑色中线上; c 实测陡坎距离-高度剖面和不同时间节点模拟得到的陡坎距离-高度剖面。黑色点代表的剖面对应图b中的条带状DEM剖面。黑色和红色细线代表不同时间节点的模拟剖面, 其中红线代表了最佳模拟剖面; d 在时间为t的范围内模拟陡坎的梯度剖面, 与图c中的剖面对应, 红色的梯度剖面代表最佳拟合结果; e 实测梯度剖面与模拟梯度剖面之间的均方根误差。中间的竖线代表由最小RMSE2确定的最佳年龄t(实际年龄(ka)或形貌年龄(m2)), 两侧的竖线则代表了由卡方分布确定的1个标准差
图 5 用于识别数据丛集的累积概率密度(CPD)方法 a 沿陡坎不同距离上的剖面(通常间距数米至几十米)限定的陡坎年龄(实际年龄(ka)或形貌年龄(m2))的概率密度分布, 带误差棒的红色圆点代表了陡坎年龄和1个标准差; b 叠加陡坎年龄的概率密度分布可以得到累积概率密度分布图, 从中可以确定具有统计意义的陡坎年龄, 即概率最大值和标准差, 标准差可以反映数据的集中度。右侧的颜色棒(Color bar)中标示了不同概率对应的颜色, 1个标准差大体对应由蓝色向黄色转变的位置
Fig. 5 Identifying clusters of data using the Cumulative Probability Density(CPD)method.
图 6 陡坎上、 下地貌面的坡度对陡坎退化的影响 左侧为初始状态下的陡坎高度(a)和坡度剖面(b), 右侧为退化一定时间后的陡坎高度(c)和坡度剖面(d)。与上、 下地貌面水平的剖面(标准)相比, 当上、 下地貌面的坡向与陡坎倾向一致时, 会整体抬高陡坎坡度值(正倾); 当上、 下地貌面的坡向与陡坎倾向相反时, 会整体降低坡度值(反倾); 上、 下地貌面倾斜程度不同的剖面(异形),坡度变化的幅度约等于上、 下地貌面坡度的平均值
Fig. 6 Effect of far-field slope on scarp degradation.
图 7 陡坎非线性扩散模型的年龄图版 a 高度-最大坡度图版; b 年龄-最大坡度图版。使用非线性扩散模型制作图版, 模型参数分别为:临界梯度Sc=tan33°, 非线性指数n=2, 扩散常数k=1m2/ka
Fig. 7 Scarp age pattern of nonlinear diffusion model.
Fig. 8 示例已有研究成果 Examples of existing research results.a 中国西部帕米尔高原木吉盆地内齐姆干河出山口处阶地陡坎的数据, 图版完全可以区分2级高度不同的阶地陡坎; b 美国博纳维尔(Bonneville)湖岸线陡坎的数据, 沿同一陡坎不同高度的陡坎剖面限定的形貌年龄很好地集中在15~20m2。图中 实心圆和空心圆分别代表沿陡坎不同位置的陡坎高度和最大坡度值(图b考虑了陡坎上、 下地貌面的坡度)
断错 次数 | Δh=0.2m, Δt=2ka, θf=2° | Δh=0.5m, Δt=2.5ka, θf=2° | |||||||||
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H | Rage | Mage | Mφ | Ratio | H | Rage | Mage | Mφ | Ratio | ||
1 | 0.2 | 2 | 2 | 4.3 | 1.0 | 0.5 | 2.5 | 2.5 | 5.9 | 1.0 | |
2 | 0.4 | 4 | 3.1 | 5.7 | 0.8 | 1 | 5 | 3.5 | 8.7 | 0.7 | |
3 | 0.6 | 6 | 4.2 | 6.7 | 0.7 | 1.5 | 7.5 | 4.4 | 10.7 | 0.6 | |
4 | 0.8 | 8 | 5 | 7.5 | 0.6 | 2 | 10 | 5.1 | 12.4 | 0.5 | |
5 | 1 | 10 | 5.8 | 8.3 | 0.6 | 2.5 | 12.5 | 6 | 13.6 | 0.5 | |
8 | 1.6 | 16 | 8.2 | 10.0 | 0.5 | 4 | 20 | 8.2 | 16.4 | 0.4 | |
10 | 2 | 20 | 9.7 | 10.9 | 0.5 | 5 | 25 | 9.6 | 17.6 | 0.4 | |
16 | 3.2 | 32 | 14.2 | 12.9 | 0.4 | 8 | 40 | 13.6 | 20.2 | 0.3 |
表 1 重复活动断层陡坎的“形貌年龄”与实际年龄对比
Table 1 Comparison of morphologic age and the actual age of repeated active fault scarps<br
断错 次数 | Δh=0.2m, Δt=2ka, θf=2° | Δh=0.5m, Δt=2.5ka, θf=2° | |||||||||
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H | Rage | Mage | Mφ | Ratio | H | Rage | Mage | Mφ | Ratio | ||
1 | 0.2 | 2 | 2 | 4.3 | 1.0 | 0.5 | 2.5 | 2.5 | 5.9 | 1.0 | |
2 | 0.4 | 4 | 3.1 | 5.7 | 0.8 | 1 | 5 | 3.5 | 8.7 | 0.7 | |
3 | 0.6 | 6 | 4.2 | 6.7 | 0.7 | 1.5 | 7.5 | 4.4 | 10.7 | 0.6 | |
4 | 0.8 | 8 | 5 | 7.5 | 0.6 | 2 | 10 | 5.1 | 12.4 | 0.5 | |
5 | 1 | 10 | 5.8 | 8.3 | 0.6 | 2.5 | 12.5 | 6 | 13.6 | 0.5 | |
8 | 1.6 | 16 | 8.2 | 10.0 | 0.5 | 4 | 20 | 8.2 | 16.4 | 0.4 | |
10 | 2 | 20 | 9.7 | 10.9 | 0.5 | 5 | 25 | 9.6 | 17.6 | 0.4 | |
16 | 3.2 | 32 | 14.2 | 12.9 | 0.4 | 8 | 40 | 13.6 | 20.2 | 0.3 |
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