引言

晋冀豫交界地区位于华北板块中部，西邻汾渭地堑，东接华北凹陷，是华北地区重要的构造单元之一，也是东部地区一条岩石圈尺度的构造变异带和地震活动带（邓起东等，1980；陈国英等，1991；张培震，1999）。新生代时期，受到印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应与太平洋板块俯冲的双重作用影响，导致区域构造应力场的最大主应力由燕山期NW-SE向的挤压转变为喜马拉雅期NW-SE向的拉伸，使得区域发育一系列NNE或NE走向的断裂，其活动方式也由逆冲性质转变为正断性质，（张岳桥等，2003；王莹，2013），这些断裂强烈的垂直差异性活动，控制区域地貌的发育（吴奇等，2013）。

漳河发源于山西，流经河南、河北，流域内发育多条断裂，地震活动频繁，发生过磁县1830年7½级和涉县6.0级地震，以及2次5.5级地震和3次5级地震（图1），表明该区域构造活动强烈，具有较强的地震危险性。但前人对于该区域的研究主要集中在对主干断裂第四纪活动性上（江娃利等，1996；宋毅盛等，2006；侯治华等，2008；张路等，2020；蒋云锋等，2020），而对漳河流域地貌演化特征及其对新构造运动的响应研究鲜有报道。虽然龚明权（2010）利用漳河河流阶地以及区域夷平面的发育特征对太行山南段构造抬升阶段进行了研究，但该方法无法定量分析地貌与区域构造活动之间的关系。因此，本文基于ASTER GDEM数据，利用GIS空间分析技术，获取了太行山南段漳河流域盆地的地形地貌参数，探讨流域地形地貌与太行山南段新构造活动之间的关系。

图 1  区域地形地貌与断裂分布图

Figure 1.  Map showing regional topography and fault distribution

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1.   区域概况

漳河流域位于太行山隆起和华北凹陷的结合处，受断裂活动影响，差异性构造活动显著。本文大致以岳城水库为出山口提取漳河流域范围，流域面积约为1.77万平方公里，总体呈NE-SW向展布（图1）。流域内主要发育晋-获断裂（F2）、涉县断裂（F3）和林州断裂（F4），流域东侧发育有磁县-邯郸断裂（F5）、磁县-大名断裂（F6）。这些断裂活动性具有差异性，其中，晋-获断裂主要活动时代为更新世早、中期，断裂活动由南向北变新、变强（许桂林等，1996）；涉县断裂是涉县盆地的东边界断裂，断裂活动主要发生于中更新世期间，晚更新世以来仍有活动（蒋云锋等，2020）；林州断裂是太行山隆起和林州盆地的分界线，控制着林州盆地的发育（刘尧兴等，2001）；磁县-邯郸断裂是太行山隆起区与华北平原断陷区的分界，是具有右旋性质的正断层，晚更新世垂直运动速率为0.22 mm/a（刘尧兴等，2001）；磁县-大名断裂呈东西向展布，其西段部分位于研究区内，是具有左旋性质的高角度正断层（冉志杰等，2012），晚更新世断裂活动具有自东向西迁移的特征，断裂西段晚更新世地震复发周期在6 000年左右，该断裂在1830发生过7½级地震（江娃利等，1994，1996；李皓等，2013；张路等，2020）。

2.   研究数据及方法

本文采用美国航天局（NASA）与日本经济产业省（METI）于2009年共同推出的先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型（ASTER GDEM）。DEM数据从地理空间数据云 ¹获取，空间分辨率为30 m，垂直分辨率20 m。

基于ASTER GDEM数据，利用ArcGIS 10.8软件Arctoolbox工具集中的Spatial Analyst中的表面分析工具和区域分析工具提取粗糙度、起伏度、切割深度、高程变异系数和地形条带状剖面等地貌参数；利用水文分析工具提取河流和流域盆地范围等，通过python脚本计算流域盆地的面积-高程积分曲线，分析区域流域地貌与构造活动的关系。

2.1   面积-高程积分

面积-高程积分是反映流域地貌发育阶段及其与侵蚀关系的一种数值模型，运用地貌面的面积和高度的积分反映地表遭侵蚀之后体积的残存率，可以反映地形在侵蚀循环中所处的状态（Strahler，1952）。其包括面积-高程积分曲线（HI曲线）和面积-高程积分值（K_HI）。HI曲线是以流域盆地相对高程比（h/H）为纵轴，以相对面积比（a/A）为横轴所得（图2），h为流域盆地内某一高程与最低高程的高差，H为该流域盆地的最大高差，a为流域盆地某一高程的截面积，A为该流域盆地最低高程的截面积，即该流域盆地投影在水平面后的总面积（陈彦杰，2008）；K_HI是所绘制的HI曲线与横纵坐标所围成的不规则图形的面积，反映流域内未被侵蚀的物质体积与侵蚀前物质总体积的比值，代表了流域遭受侵蚀的程度，面积-高程积分值计算公式如下（Pike等，1971）：

图 2  面积-高程积分曲线的计算及所代表的地形面（Strahler，1952）

Figure 2.  The definition of the Hypsometric Intergral and different phases of river evolution（Strahler，1952）

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式中，H_mean、H_max、H_min分别为流域盆地的平均高程、最大高程和最小高程。

不同的K_HI和HI曲线代表流域演化的不同阶段，可以与戴维斯循环理论相对应（Strahler，1952）。即曲线呈现上凸型时，其$ {K}_{{\mathrm{HI}}} > 0.6 $，地貌发育处于幼年期时；呈现S型时，$ 0.35\leqslant {K}_{{\mathrm{HI}}}\leqslant 0.6 $，地貌发育处于壮年期时；呈现下凹型时，$ {K}_{\mathrm{H}\mathrm{I}} < 0.35 $，地貌发育处于老年期时。

赵洪壮等（2010）利用面积-高程积分在天山进行研究时发现，按不同的集流阈值划分流域次集水盆地时，次集水盆地平均K_HI会随次集水盆地平均面积的减小和平均高差的减小而升高。 Chen等（2003）在同一流域中以不同阈值提取了不同面积的次集水盆地，以此为基础分析面积、地层和活动构造之间的关系，研究发现当阈值小于1 km²时，K_HI受岩性与构造的影响；当阈值大于2 km²时，则主要反映构造活动的影响。因此，本文选取面积≥2 km²的次级流域盆地进行插值分析。

2.2   地形条带剖面

条带状地形剖面是以一定的宽度和长度作为统计单元格，统计地形高程的最大值、最小值和平均值，并形成地形剖面图。传统的以单条直线提取的地形剖面统计范围小，且容易受局部地形线选取位置的影响（张会平等，2006a；邹斌文等，2011）。条带状地形剖面可以更加真实地反映区域的地貌形态、轮廓形状、地势变化等，也可以半定量-定量分析研究区内峰、河谷的高程变化以及侵蚀程度（张会平等，2006b；施炜，2008；梁明剑等，2014）。

2.3   粗糙度、地形起伏度、切割深度和高程变异系数

地形起伏度是区域内最高点海拔$ {H}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $与最低点海拔$ {H}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} $的差值，即：

形成区域地表高差最主要的因素是构造抬升活动和剥蚀夷平作用，因此，地形起伏度不仅可以反映区域内地面起伏特征，也可以反映造山带构造活动的强弱和区域地貌发育阶段特征（翟秀敏等，2012）。当区域内起伏度大时，表明区域构造抬升强，河流下切显著，地貌发育较年轻，反之，构造活动弱，地貌发育较老（常直杨等，2014；苏琦等，2015）。

地表粗糙度一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比。在ArcGIS中基于DEM的栅格地表粗糙度M的计算公式为:

式中，α为区域内的坡度。

切割深度是指在邻域范围内的平均高程$ {H}_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{n}} $与该邻域范围内的最小高程$ {H}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} $的差值，可表示为：

高程变异系数是反映区域内地表单元网格各顶点高程变化的指标，以区域高程标准差$ {H}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{d}} $与平均高程$ {H}_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{n}} $的比值来表示，即：

地表粗糙度、切割深度和高程变异系数是对区域地形起伏和地表侵蚀程度的反映，而地表起伏与侵蚀受到区域构造活动影响，因此这些参数是对区域构造活动反映的重要参考指标。在构造活动活跃的地区，山体抬升，河流下切，导致地表起伏度、粗糙度、切割深度和高程变异系数值较大，反之则较小（刘静等，2007；欧阳晓，2011；李发源等，2013）。

3.   研究结果

3.1   面积-高程积分

漳河流域HI曲线呈现上凸形态，K_HI为0.469（图3（a）），表明漳河流域地貌演化整体上处于壮年期。为了进一步反映K_HI的空间分布特点，本文在漳河流域内提取了500个亚流域盆地，计算每个亚流域的K_HI，并进行了空间插值分析（图3（b））。结果显示，区域内分布3个K_HI低值区域和2个高值区域，其中长治-潞城区域K_HI最低，低值面积最大，另外2个低值区域分别位于涉县-左权县和沁县-榆社县区域；高值区域位于井陉-左权断裂（F1）与晋-获断裂北段（F2-1）之间的区域和晋-获断裂南段（F2-2）与林州断裂（F4）之间的区域，其中林州断裂（F4）西侧的K_HI在研究区内最高。根据K_HI对区域地貌演化特征的指示，表明这些高值区域地貌演化受到了构造活动影响，其地貌演化处于幼-壮年期，而低值区域构造活动较弱，地貌演化已经进入老年期。

图 3  面积-高程积分曲线图及亚流域K_HI空间插值图

Figure 3.  Area-elevation integral curve and sub-basin K_HI spatial interpolation

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3.2   粗糙度、地形起伏度、切割深度和高程变异系数

图4为研究区地貌参数情况，可以看出，区域的粗糙度、地形起伏度、切割深度和高程变异系数的分布具有同步性，分区特征明显。整体上，井陉-左权断裂（F1）与涉县断裂（F3）之间、晋-获断裂南段（F2-2）与林州断裂（F4）之间是2个地貌参数高值地带，且大致以井陉-左权断裂（F1）和晋-获断裂南段（F2-2）为界，断裂东部比西部的粗糙度、地形起伏度、切割深度和高程变异系数值高；区域上，沿晋-获断裂北段（F1-1）和林州断裂（F4）走向呈现出线性的异常高值区域，在磁县-大名断裂（F6）和安阳南断裂（F7）之间出现片状的地貌参数高值区域；低值区域分布在长治-潞城和沁县-榆社县区域。这种分布特征与亚流域HI插值的分布特征一致。上述地表粗糙度、切割深度、地形起伏度和高程变异系数的结果表明，以井陉-左权断裂和晋-获断裂（F2）为界，东部区域相对于西部，地形更加陡峭，起伏度高，切割深度大，表明晋-获断裂（F2）以西的地形隆起更加明显，构造活动较强烈，地貌发育更加年轻。

图 4  研究区地貌参数综合图

Figure 4.  Comprehensive map of geomorphological parameters of the study area

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3.3   地形条带剖面

本文提取了4条剖面（表1），以宽5 km、长1 km的网格将每条剖面分割成多个小网格，提取每个网格内的最大高程、最小高程、平均高程和起伏度，从而尽可能真实地表现区域内的宏观地形地貌，同时也提取了漳河流域内地表粗糙度、切割深度、地形起伏度和高程变异系数值，综合分析区域地貌的变化特征。其中P1、P2和P3剖面横跨漳河流域并垂直于NNE走向的断裂和太行山，P4沿着晋-获断裂（F2）走向，由NE向SW纵跨漳河流域（图1），结果如图5所示。

表 1  地形条带剖面的信息

Table 1.  Topographic strip profile details

剖面编号	剖面走向	宽度/km	长度/km
P1	160°	5	150
P2	160°	5	170
P3	160°	5	150
P4	245°	5	170

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图 5  地形条带剖面图

Figure 5.  Topographic strip profile

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P1剖面最高海拔2132 m，最低海拔159 m，垂直高差约2 000 m，在晋-获断裂北段（F1-1）以西，地形起伏度小于500 m，该断裂以东，起伏度大于500 m。P2剖面最高海拔1639 m，最低海拔197 m，垂直高差约1440 m，在浊漳河以西，起伏度在50～300 m之间，平均值为155 m，浊漳河以东地形起伏度增大，在400～700 m之间，平均值为420 m，在晋-获断裂北段（F2-1）西侧的起伏度最大。P3剖面最高海拔1795 m，最低海拔516 m，垂直高差约1300 m，晋-获断裂南段（F2-2）以西地形起伏度小，以东地形高度开始上升，起伏度增加，在林州断裂（F4）西侧区域，地形高度和起伏度达到最大。P4剖面显示，由北向南海拔逐渐降低，浊漳河以北，海拔超过1500 m，最大海拔大于2000 m，地形起伏度高，最大起伏度达到669 m；浊漳河以南，海拔均小于1500 m，最低点低于1000 m，地形起伏度也较小，最大起伏度为351 m。

图5结果显示，地形条带状剖面与地表粗糙度、切割深度、地形起伏度和高程变异系数的变化规律具有一致性，且漳河流域内地形特征分区明显。P1、P2和P3剖面显示，大致以晋-获断裂（F2）为界，以西地形起伏度、海拔、地表粗糙度、切割深度等较小，以东地形起伏度、地表粗糙度、切割深度等较大；从剖面P1到P3，地形起伏度逐渐减小，同时P4剖面也显示，由北向南大致以浊漳河为界，以北的海拔较高，地形起伏度、地表粗糙度、切割深度较大，而以南海拔较低，地形起伏度、地表粗糙度、切割深度较小。清漳河东源和西源的河谷横剖面呈“V”形，河道窄，下切深，而浊漳河的河流横剖面形态相对宽缓，表明北部河流以下蚀为主，南部河流以侧蚀为主。地形剖面结果与面积-高程积分及粗糙度等参数结果一致，均表现出以晋-获断裂（F2）为界，东部地区较西部地区构造抬升和地形隆起强。

4.   讨论

4.1   地貌参数的影响因素

面积-高程积分、地表粗糙度等地貌参数的大小和分布不仅会受构造活动影响，也会受区域降水和岩性等因素影响。研究区属于温带季风气候，区域内降水差异较小，因此，降水对区域地貌差异性演化和分布的影响较小。岩性的抗侵蚀能力影响地貌形态，即岩石的抗侵蚀能力强，地形起伏度、地表粗糙度、切割深度和高程变异系数等地貌参数值偏小，反之，地貌参数值偏大，而流域K_HI的大小与岩石抗侵蚀能力成正比（常直杨等，2014）。研究区内以灰岩为主，在河谷及盆地有松散沉积物分布。本次提取的K_HI结果显示，在灰岩分布区既存在高值区域，也出现了低值区域，表明研究区内岩性不是影响地貌参数分布的主要原因。郑光佑（2002）在我国台湾地区的研究发现，K_HI在正断层上盘附近呈现低值异常，在下盘附近呈现高值异常，研究区内K_HI高值的分布特征与该研究具有一致性。除此之外，区域K_HI的分布及区域粗糙度、地形起伏度、切割深度和高程变异系数的高值区域呈条带状分布，其长轴方向与区域断裂的走向一致，说明区域地形地貌的差异性演化与分布和区域构造活动关系密切。

4.2   太行山隆起和构造抬升

流域HI曲线表明漳河流域地区地貌演化处于壮年期，流域地貌还处在调整阶段，说明区域仍受构造活动影响。亚流域HI插值、地表粗糙度等地貌参数和地形条带剖面的结果表明，流域内构造抬升活动具有差异性。从空间上看，以晋-获断裂为界，东部区域为地形隆起区，具有较大的地形起伏度和海拔，说明该区域构造抬升活动较强。晋-获断裂北段、林州断裂及磁县-大名断裂所在区域地貌参数具有异常高值，区域内海拔高，K_HI值高，地形起伏度大，河谷的横剖面较窄，表明这3个区域构造隆起和抬升较强。综上所述，区域构造抬升活动较强烈，分区明显。

4.3   太行山隆起与区域活动构造的关系

区域内面积-高程积分值、地表粗糙度等地貌参数的异常高值区呈线性分布在断裂的下盘区域，且其展布方向与断裂走向平行，高值区的东西边界与林州断裂和晋-获断裂的位置基本重合。研究表明，晋-获断裂和林州断裂在第四纪时期主要以正断活动为主（许桂林等，1996；刘尧兴等，2001），导致区域出现差异性升降活动，致使断裂下盘区域强烈抬升，隆起成山，河流强烈下切，地貌演化较年轻，造成地表起伏度、粗糙度及切割深度等参数值较大，而上盘相对下降，接受沉积，河流以侧蚀为主，地貌演化较老，相对应的参数值较小。晋-获断裂东侧为上升盘，西侧为下降盘，所以该区域以晋-获断裂为界，面积-高程积分值、地表粗糙度等参数值呈现出东高西低的特征，这是由区域东强西弱的构造隆升特点所致。同理，由于涉县断裂的正断层活动特征，其断裂两侧的面积-高程积分值、地表粗糙度等参数值也有较大差异。综上，漳河流域内面积-高程积分、地表粗糙度等地貌参数的差异性分布是由于区域内断裂差异性活动所造成，表明断裂对区域地形地貌具有控制作用。

晋-获断裂自北向南，北部的面积-高程积分值、地表粗糙度等地貌参数值大于南部，表明该断裂自北向南的构造抬升活动减弱，隆起幅度减小。第四纪以来晋-获断裂具有自北向南活动减弱的特征（许桂林等，1996），新生代以来，晋-获断裂北段（F2-1）两侧垂直断距达1000 m，历史上发生过多次5～5.5级地震（孙丽娜等，2009），晋-获断裂中段（F2-2）新生代以来两侧最大垂直断距在500 m左右（宋毅盛等，2006），而区域的面积-高程积分、粗糙度等参数值的大小和分布与断裂活动特征具有一致性，即断裂活动性越强，地貌参数值越大，表明区域面积-高程积分、地表粗糙度等参数的大小和分布受断裂的活动性控制。磁县-大名断裂为一条全新活动断层，晚更新世以来的地震复发周期在6000 a左右，1830发生过磁县7½级地震（江娃利等，1994，1996；李皓等，2013；张路等，2020），虽然该断裂活动性较强，但是在磁县-大名断裂区域面积-高程积分、地表粗糙度等地貌参数的异常值小于前述2个区域。造成这一结果的原因可能是断层在流域内规模较小，且断裂具有左旋滑动性质（冉志杰等，2012），分散了一部分垂直构造抬升运动分量，导致了面积-高程积分等参数未出异常高值。但是，其值仍然远大于第四纪时期活动较小的安阳南断裂及晋-获断裂南段所在区域的地貌参数值（刘尧兴等，2001；宋毅盛等，2006），进一步说明了断裂的活动强度对区域地貌具有重要的控制作用，即断裂活动性越强，区域抬升幅度越大，面积-高程积分值、地表粗糙度、地形起伏度等地貌参数值越高。

综上所述，太行山南段的地貌和区域构造活动具有紧密的联系，隆升区域的位置及形态与断裂的位置同步，说明漳河流域区域的构造隆升受到断裂活动控制，而断裂活动强度则影响了区域构造抬升的幅度。

4.4   区域地震危险性

林州断裂是太行山隆起与林州盆地的边界带，是区域内一条重要的断裂。然而关于林州断裂的研究较少，本研究根据地貌参数特征以及相关断裂的研究资料，尝试分析林州断裂的地震危险性。首先，晋-获断裂北段和涉县断裂为晚更新世活动断裂，历史上分别发生过5.5级和6级地震（许桂林等，1996；周月玲等，2020）。但这2个区域面积-高程积分、地表粗糙度等地貌参数值均小于林州断裂区域，上述研究表明断裂活动性越强，区域抬升幅度越大，面积-高程积分值、地表粗糙度、地形起伏度等参数值越高，说明林州断裂活动性要强于这2条断裂。相邻地区的地震台监测记录显示，林州区域是小震发生的密集区域，1980年曾发生过1次4.7级地震，表明林州断裂可能是一条晚更新世活动断层，全新世可能仍有活动。其次，晋-获断裂北段（F2-1）、涉县断裂和林州断裂都是以正断层活动为主，都为盆地的边界断裂，晋-获断裂北段和涉县断裂历史上都发生过5级以上的破坏性地震，林州断裂有历史记录以来未发生5级以上地震。通过上述的对比分析，本文推测林州断裂具有发生6级左右地震的可能性。

5.   结论

本文通过对漳河流域的面积-高程积分、地表粗糙度、起伏度、切割深度、高程变异系数及区域地形条带状剖面的提取与分析，得到以下结论：

（1） 漳河流域的面积-高程积分表明流域地貌演化整体上处于壮年期，区域仍受到构造活动的影响。

（2） 亚流域HI空间插值及地表粗糙度、地形起伏度、切割深度、高程变异系数的结果具有一致性，其分布特征表明区域构造抬升具有差异性，以晋-获断裂和井陉-左权为界，东部构造抬升活动强于西部，林州断裂和晋-获断裂北段抬升活动最强。

（3） 太行山南段隆升区域的位置及形态与断裂的位置同步，说明区域地形地貌与断裂活动相关，区域构造抬升的幅度与断裂的活动强度相一致。

（4） 受林州断裂影响区域的面积-高程积分、地表粗糙度等地貌参数值较高，通过与晋-获断裂和涉县断裂的构造情况进行对比分析，本文推测林州断裂可能为一条晚更新世活动断裂，具备发生6级地震的可能性。