基于地理信息系统的祁连山地区数字地形分析和隆升机理研究

摘要

造山带的隆升过程、机理和影响一直是地学研究的热点。长期以来，地质学、地貌学、大气科学和生物学等众多学科，分别从各自不同的角度探寻青藏高原和祁连山隆升的证据，以推算高原隆升的幅度，探讨隆升的机理，形成、演化历史以及对环境的影响等。但迄今为止，对祁连山地区分布于不同高度的夷平面，是由统一夷平面解体而成，还是不同期次构造运动的产物?夷平面的解体和山体的隆升是构造运动所主导，还是受气候变化、均衡抬升所支配?祁连地区典型的山一盆耦合地貌形式是如何形成的等问题，并未取得一致的认识。而构造隆升和侵蚀的关系是解决上述问题的关键，但直接对地貌隆升进行定量研究是比较困难的。古地貌面的隆升，提供了一个很好的起点与终点，通过对古地貌面的恢复，可以计算出古地貌面解体后的侵蚀量，从而为深入探讨隆升与侵蚀的定量关系创造了条件。 在古地貌面的恢复研究中，确定古地貌面的层级关系是至关重要的，鉴于断层对划分古地貌面层级的重要影响，我们运用参数法和高差阴影图像法等技术手段，成功提取了祁连山地区断层的分布和性质，并对断层与地貌面的空间关系进行了叠加分析，结果显示，仅有约23.1％的断层线横切分布不同高度的古地貌面，相关沉积也具有多期次、多旋回的特点，这就说明，祁连山地区分布于不同高度的地貌面，不是由统一的夷平面因构造错断形成的，而是不同期次、不同构造旋回的产物。 对古地貌面的自动识别与提取，也是客观准确地进行古地貌面恢复的关键，研究表明，随着研究区域的扩大，地貌结构复杂程度的提高，简单的基于图像处理技术的分类方法难以完成复杂地貌类型的划分工作。引入坡位指数和基于空间尺度的分类方法，较好地解决复杂地貌单元的划分和古地貌面的识别问题。对古地貌面的统计显示：山顶面解体前西高东低，北高南低，坡度为8°左右；而主夷平面解体前由西南向东北倾斜，坡度为4°左右。 基于地貌分类和古地貌面识别的插值计算，是古地貌面恢复中的最后一个环节。计算显示，剥蚀面解体以来已经抬升约600m，因地貌均衡作用造成地表的抬升量为124m，占总抬升量的21％；主夷平面解体以来已经抬升约1550m，因地貌均衡作用造成地表的抬升量约为376m，占总抬升量的24.3％；山顶面解体以来已经抬升约2150m，因地貌均衡作用造成地表的抬升量约为428m，占总抬升量的19.9％。因侵蚀而引起的均衡抬升量均未超过总隆升量的30％。而人工地震所测地壳厚度显示，地壳厚度与地表高程有良好的对应关系说明，祁连山的整体隆升，主要是地壳缩短加厚引起的均衡抬升所致，而山峰高度与地壳厚度的不相称，可能主要是地表侵蚀引起的减荷隆升所造就。根据断层走向所计算出的区域主应力的方向为N32°E，与印度板块自西南向东北挤压的方向基本一致，主夷平面拱曲变形的特征也说明，印度板块与欧亚板块碰撞后，继续向北东方向推进，是导致祁连山地区的地壳的缩短加厚和地表隆起升的直接原因。而在推进中，遇到先成横向断层的阻挡，并在这些断裂上形成强烈的挤压一逆冲运动，将原来的侧向水平走滑运动转化为逆冲垂直运动，是形成山一盆耦合地貌形式的必要条件。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节研究背景

第二节研究区概况

2.1地质概况

2.2地貌特征

2.3气候特点

第三节GIS在地貌学研究中的进展

3.1地貌形态的参数化研究

3.2断层识别和定量研究

3.3地貌分类研究

3.4古地形的恢复研究

第四节拟解决的问题及技术路线

4.1拟解决的问题

4.2技术路线

第二章数字地形模型生成与宏观地貌特征

第一节数字高程模型生成

1.1 DEM、DTM和DGM

1.2数字高程模型的获取

1.3 DEM的表示

1.4数字高程模型的数据结构

1.5图幅范围和数据准备

1.6地图投影的选择

1.7数字高程模型的生成

第二节地形参数与计算方法

3.1地形参数的分类

3.2地形参数的计算

第三节祁连山地区宏观地形特征

小结

第三章断层线的自动识别及特征分析

第一节概 述

第二节断层识别方法

2.1地形参数法的基本原理

2.2高差阴影图像法的基本原理

第三节确定断层性质

3.1利用Kv和Kh图像的断层性质推断

3.2水系特征对断层性质的推断

3.3祁连山地区断层的主要特征

3.5日月山断层与青海湖的关系

第四节断层的走向及应力场分析

4.1断层走向与构造应力的关系

4.2逆冲断层走向与构造应力分析

4.3走滑断层走向与构造应力分析

4.4断层走向与构造应力综合分析

小结

第四章地貌自动分类与夷平面特征

第一节基于图像处理的分类方法

1.1非监督分类

1.2监督分类

1.3地貌分类过程

第二节基于空间特征的地貌分类与分析

2.1地貌单元的属性特征

2.2空间分类方法的研究进展

2.3空间地貌分类的方法与步骤

2.4空间地貌类型划分

第三节祁连山地区夷平面的特征与分级

3.1夷平面的概念

3.2祁连山地区坡度与地貌面的关系

3.3对分类结果的统计分析

3.4祁连山夷平面的分级

小结

第五章古地貌面重建与祁连山隆升机理

第一节古地貌面的重建

1.1古地貌面重建技术

1.2剥蚀面的恢复和重建

1.3主夷平面的恢复重建

1.4山顶面的恢复与重建

第二节地貌面年代的确定

2.1剥蚀面的形成年代的确定

2.2主夷平面和山顶面年代的确定

2.2各地貌面解体后侵蚀速率分析

第三节均衡抬升量估算与祁连山隆升机理

3.1地貌均衡理论

3.2各级地貌面解体后均衡抬升量估算

3.3祁连山地壳测量厚度及隆升潜力估算

3.4祁连山隆升的机理

小结

第六章结论与展望

参考文献

附图

附表

致谢