Tạp chí Các Khoa học Trái Đ t, 38 (1), 1-13 Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Tạp chí Các Khoa học Trái Đất Website: http://www.vjs.ac.vn/index.php/jse (VAST) Phân tích mối tương quan số địa mạo hoạt động Kiến tạo đại đới đứt gãy Sơng Lơ khu vực rìa tây nam dãy Tam Đ o Ngô Văn Liêm*1, Phan Trọng Trịnh1, Hồng Quang Vinh1, Nguyễn Văn Hướng2, Nguyễn Cơng Quân1, Trần Văn Phong1, Nguyễn Phúc Đạt3 Viện Địa chất, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Phòng Kiến tạo - Địa mạo, Viện Khoa học Địa chất Khoáng sản Ch p nhận đăng: 15 - - 2016 ABSTRACT Analyze the correlation between the geomorphic indices and recent tectonic active of the Lo River fault zone in southwest of Tam Dao range The Lo River Fault Zone in southwest of Tam Dao mountain range is believed to be manifestations of an active normal fault We evaluated the relative active tectonics using three geomorphic indices: hypsometric curves (HC) or hypsometric integral (HI), mountain front sinuosity (Smf) and stream-length gradient (SL) SL index represents the value in the range of to 1325 (gradient meter) The higher the value SL focuses primarily on central segment Smf index have values from 1.10 to 8.07, depending on the calculated basin and can be divided into segments: north, center and south with corresponding average values of 5.57, 1.82 and 5.15, respectively The HI indices of 28 key basins ranging from 0.039 to 0.398 and the dominantly concave hypsometric curves show a weak activity of recent tectonics, especially the vertical slips The Lo River Fault in this area can be divided into segments: north and south segments show almost inactive, central segment have expressed of recent active tectonic but also not really clear Keywords: Geomorphic indices, Active tectonic, Lo River Fault Zone, Tam Dao ©2016 Vietnam Academy of Science and Technology Mở đầu Phân tích định lượng số địa mạo có nhiều ý nghĩa việc xác định hoạt động kiến tạo b i chúng có mối quan hệ r t chặt chẽ với (Strahler, 1952; Bull and McFadden, 1977; Keller et al., 2000; Keller and Pinter, 2002; Joshi et al., 2013) Hoạt động đứt gãy kiến tạo tác động đến đặc trưng địa mạo khu *Tác gi liên hệ, Email: liem.igsvn@gmail.com vực bị nh hư ng Các đứt gãy hoạt động khối c u trúc thư ng có dạng địa hình đặc trưng để xác định phân đoạn địa mạo c u trúc khác dọc đứt gãy xác định phân đoạn hoạt động mạnh nh t (Azor, et al., 2002; Font et al., 2010) Nghiên cứu chi tiết b t thư ng mạng lưới dòng ch y với số địa mạo xác định phân đoạn cư ng độ tương đối hoạt động kiến tạo dọc đứt gãy (Azor et al., 2002; Keller and Pinter, 2002; Joshi et al., 2013) N.V Liêm nnk/Tạp chí Các Khoa học Trái Đ t, Tập 38 (2016) Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ phần mềm GIS cho phép xác định số địa mạo cách nhanh chóng xác (Troiani and Della Seta, 2008) Vì vậy, nghiên cứu mối tương quan biến đổi số địa mạo hoạt động kiến tạo thực nhiều khu vực với nhiều đới đứt gãy có mức độ hoạt động kiến tạo khác nghiên cứu phía nam địa hào Rhine Trung Âu (Giamboni nnk, 2005), khu vực nội m ng Normandy tây bắc nước Pháp (Font et al., 2010, miền trung Italia (Troiani and Della Seta, 2008), tây nam nước Mỹ (Bull and McFadden, 1977), b biển Thái Bình Dương Costa Rica (Wells et al., 1988), b biển Địa Trung H i Tây Ban Nha (Silva et al., 2003), khu vực Midcontinent Mỹ (Adams, 1980), lưu vực Ventura phía nam California (Azor et al., 2002), khu vực Marrakech High Atlas Ma Rốc (Delcaillau et al., 2010), đứt gãy Central Range phía đơng Đài Loan (Bruce et al., 2006) đứt gãy Narmada-Son phía tây n Độ (Joshi et al., 2013), Tuy nhiên, Việt Nam việc nghiên cứu phân tích định lượng số địa mạo r t hạn chế, nghiên cứu địa mạo phần lớn dừng lại mức độ định tính Bài báo trình bày phân tích, đánh giá định lượng số địa mạo mối liên quan chúng hoạt động kiến tạo đại dọc đới đứt gãy Sơng Lơ, khu vực rìa tây nam dãy núi Tam Đ o Đây khu vực cho có biểu rõ nét hoạt động đứt gãy thuận giai đoạn kiến tạo trẻ đại (N.Q Cuong, et al., 1999, 2001; Vũ Văn Chinh, 2001; Witold et al., 2013; P.T Trinh, 1994, 2004) Khái quát kiến tạo - địa mạo khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu d i sư n, thung lũng đồng trước núi phía tây nam dãy núi Tam Đ o, kéo dài gần 70km theo phương tây bắc-đơng nam từ phía nam Sơn Dương (Tun Quang) đến phía tây bắc Sóc Sơn (Hà Nội) (hình 1) Đóng vai trị kiến tạo chính, khống chế tác động đến lịch sử hình thành, phát triển dạng địa hình khu vực đới đứt gãy Sông Lô Đới đứt gãy nằm gần trùng với d i địa hình th p chân sư n dãy núi Tam Đ o, có phương tây bắc đông nam, phát triển cắt qua loạt thành tạo địa ch t có tuổi từ Paleozoi sớm đến Kainozoi gần song song với đới đứt gãy Sơng Hồng Nhiều nghiên cứu cho rằng, hợp phần hệ thống đứt gãy Sông Hồng (N.Q Cuong et al., 1999, 2001; Zuchiewicz et al., 2013; Phan Trọng Trịnh nnk, 2004) Đới đứt gãy thể rõ nh vệ tinh mơ hình số địa hình b i d i trũng, độ cao 200m, Bắc Quang chạy dọc thung lũng sông Lô, sông Đáy, chiều rộng trung bình kho ng 5-7km; hẹp nh t 2km; rộng nh t khu vực thành phố Tuyên Quang, tới 10-11km Bên ph i d i trũng dãy núi có độ cao trung bình 200-500m, cịn bên trái dãy núi Khao Nhi Tam Đ o có độ cao 1000m (hình 1) Trong Kainozoi, giống đới đứt gãy Sông Hồng, đới đứt gãy Sông Lô tr i qua hai pha kiến tạo Pha sớm (trước Pliocen) chuyển động với thức trượt trái pha muộn (từ Pliocen - Đệ tứ) chuyển động với thức trượt ph i - thuận Theo Vũ Văn Chinh (2001), biên độ trượt trái 2km ứng với tốc độ lớn 0,2 mm/năm Biên độ trượt ph i theo trầm tích Đệ tứ tới 5km, ứng với tốc độ mm/năm, theo biến dạng dòng ch y 1,8 km, với tốc độ mm/năm Theo chiều từ tây bắc xuống đông nam, tính ch t trượt ph i gi m, thay vào tăng dần tính ch t trượt thuận Theo đó, khu vực rìa tây nam dãy núi Tam Đ o, coi thể rõ nh t tính ch t trượt thuận đứt gãy thơng qua quan sát, phân tích nh vệ tình, mơ hình số độ cao địa hình thực tế với tồn vách kiến tạo, mặt facet tam giác, (P.T Trinh, 1994; 2004; N.Q Cuong, et al., 1999; Vũ Văn Chinh, 2001; Witold Zuchiewicz et al., 2013) Tạp chí Các Khoa học Trái Đ t, 38 (1), 1-13 Hình Sơ đồ đứt gãy có kh hoạt động miền Bắc Việt Nam khu vực nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu nghiên cứu này, để đánh giá mức độ hoạt động của đứt gãy Sơng Lơ, chúng tơi phân tích chi tiết số địa mạo khu vực rìa tây nam dãy Tam Đ o sử dụng mơ hình số độ cao (DEM) phần mềm GIS Chúng sử dụng liệu DEM có độ phân gi i 30m cung c p b i Cơ quan Địa ch t Mỹ (United States Geological Survey - USGS) DEM phân tích b i phần mềm GIS, cơng cụ r t hữu hiệu, đ m b o tính xác, nhanh chóng tốn việc tính tốn thơng số hình thái Các tính tốn nghiên cứu thực phần mềm ArcGIS 10.1 MATLAB 2012a Các số địa mạo tính tốn, phân tích bao gồm: đư ng cong độ cao (Hypsometric Curve - HC, gọi đư ng cong HC) hay tích phân độ cao (Hypsometric Integral - HI), độ uốn khúc trước núi (Mountain - front sinuosity - Smf) gradient chiều N.V Liêm nnk/Tạp chí Các Khoa học Trái Đ t, Tập 38 (2016) dài dòng ch y (SL - Stream Length - Gradient Index) Đây số r t nhạy c m với hoạt động kiến tạo đại (Keller and Pinter, 2002) 3.1 Phương pháp đường cong HC số HI Đư ng cong độ cao (Hypsometric Curve-HC) mô t phân bố độ cao dọc khu vực mặt đ t với quy mô khác nhau, từ lưu vực sơng toàn trái đ t Đư ng cong xác định b i mối quan hệ tương quan độ cao (h/H) tương quan diện tích (a/A) lưu vực (Strahler, 1952; Keller and Pinter, 2002) (hình 2) Hình Các đư ng cong HC b n chu trình phát triển địa mạo thể qua thay đổi đư ng cong HC (Theo Strahler, 1952; Mahmood and Gloaguen, 2012) Một cách đơn gi n để mơ t hình dạng đư ng cong HC lưu vực sơng suối tính số HI Chỉ số xác định phần diện tích phía đư ng cong HC tính sau: HI = (Hmean - Hmin) / (Hmax - Hmin) (1) Trong đó: HI tích phân độ cao; Hmax giá trị độ cao lớn nh t; Hmin giá trị độ cao nhỏ nh t Hmean giá trị độ cao trung bình Các giá trị cơng thức (1) xác định việc phân tích DEM b i phần mềm GIS Đư ng cong HC số HI cơng cụ r t hữu ích để xác định giai đoạn phát triển lưu vực sơng suối (Strahler, 1952) Nếu đư ng cong HC có dạng lồi thể đặc trưng địa hình lưu vực tương đối trẻ; đư ng cong có hình dạng chữ "S" đặc trưng cho lưu vực bị xói mịn tương đối đư ng cong có dạng lõm đặc trưng cho địa hình lưu vực sơng suối tương đối cổ (Strahler, 1957; Delcaillau et al., 1998; Keller and Pinter, 2002) (hình 2) 3.2 Độ uốn khúc trước núi (Mountain - front sinuosity) Độ uốn khúc trước núi tính theo cơng thức (Bull and McFadden, 1977; Keller and Pinter, 2002): Smf = Lmf / Ls (2) Trong đó: Smf - độ uốn khúc trước núi; Lmf chiều dài mặt trước núi dọc theo đư ng chân núi, nơi có thay đổi rõ rệt nh t độ dốc; Ls - chiều dài theo đư ng thẳng mặt trước núi (hình 3) Smf số ph n ánh mối tương quan lực gây xói mịn dẫn đến hình thành "vịnh" (embayment) trước núi lực kiến tạo để hình thành mặt trước núi có dạng đư ng thẳng trùng với phạm vi hoạt động đứt gãy Như vậy, số Smf nhỏ thể hoạt động kiến tạo nâng mạnh; ngược lại, số Smf lớn thể hoạt động xói mịn mạnh hoạt động kiến tạo yếu, nhiều ngừng hẳn (Keller and Pinter, 2002; Joshi et al., 2013) Tạp chí Các Khoa học Trái Đ t, 38 (1), 1-13 3.2 Chỉ số gradient chiều dài dòng chảy Chỉ số gradient chiều dài dòng ch y (Stream length-gradient index - SL) xác định b i công thức (Hack, 1973): SL = (ẤH/ẤL)L (3) Trong đó: SL số gradient chiều dài dịng ch y; ẤH/ẤL độ dốc dòng ch y đoạn ẤL gradient (ẤH thay đổi độ cao đoạn dòng ch y ẤL), L chiều dài dịng ch y tính từ điểm cao nh t dòng ch y tới điểm tính giá trị SL (hình 4) Hình Sơ đồ tính tốn giá trị độ uốn khúc trước núi (theo Keller and Pinter, 2002) Như vậy, số SL liên quan tới lượng dịng ch y tính nhạy c m với thay đổi độ dốc lịng Chính nhạy c m cho phép đánh giá mối quan hệ kh hoạt động kiến tạo, độ bền đá địa hình khu vực Hình Mơ hình tính tốn SL; (A)- Gradient chiều dài dòng ch y theo Hack (1973); (B)- Các yếu tố lưu vực tính tốn SL Chỉ số tăng rõ rệt dòng ch y chạy qua loại đá có độ bền cao Tuy nhiên, dịng ch y đá có độ bền th p mà có giá trị SL cao biểu hoạt động kiến tạo đại b i điều chỉnh trắc diện dọc dòng ch y độ kháng cắt đ t đá coi nhanh chóng (Keller and Pinter, 2002) Do đó, số SL dùng để xác định hoạt động kiến tạo đại Các khu vực nâng lên xác định b i dị thư ng cao giá trị SL phân đoạn dòng ch y với loại đ t đá đặc trưng (Merritts and Vincent, 1989; Brookfield, 1998; Azor et al., 2002; Keller and Pinter, 2002; Chen et al., 2003; Troiani and Della Seta, 2008; Joshi et al., 2013) Dị thư ng th p giá trị SL thể hoạt động kiến tạo dòng ch y thung lũng có dạng tuyến tính hình thành hoạt động đứt gãy trượt trẻ B i đá thung lũng thư ng bị nghiền nát b i chuyển động đứt gãy dòng ch y qua thung lũng có độ dốc nhỏ (Keller and Pinter, 2002) Kết 4.1 Phân tích đường cong HC số HI Để xác định đư ng cong HC tính giá trị HI khu vực rìa tây nam dãy Tam Đ o, N.V Liêm nnk/Tạp chí Các Khoa học Trái Đ t, Tập 38 (2016) tính tốn 28 lưu vực (hình 5) việc phân tích DEM b i cơng cụ phần mềm ArcGIS 10.1 Kết qu thể b ng hình 5, (a, b) Hình Sơ đồ phân bố lưu vực kết qu tính giá trị HI khu vực nghiên cứu Bảng Kết qu tính giá trị HI lưu vực khu vực nghiên cứu Lưu vực HMax HMin HMean HI Độ kháng cắt Lưu vực HMax 469,0 53,0 147,2 0,226 T 15 1434,0 751,0 52,0 173,2 0,173 T 16 1209,0 750,0 47,0 204,6 0,224 KC+T 17 1410,0 1242,0 46,0 350,6 0,255 KC 18 1044,0 550,0 43,0 107,7 0,128 KC 19 1342,0 1245,0 43,0 471,7 0,357 KC 20 1268,0 449,0 41,0 110,3 0,170 KC 21 1300,0 1373,0 40,0 428,3 0,291 KC 22 1105,0 1409,0 39,0 443,9 0,296 KC 23 1296,0 10 1577,0 38,0 471,0 0,281 KC 24 542,0 11 720,0 36,0 132,5 0,141 KC 25 382,0 12 1588,0 32,0 641,0 0,391 KC 26 444,0 13 1247,0 37,0 318,8 0,233 KC+T 27 460,0 14 1429,0 33,0 468,1 0,312 KC 28 295,0 Ghi chú: (Độ kháng cắt: RT- R t th p, T- Th p, TB- Trung bình, KC- Khá cao) HMin 34,0 37,0 36,0 36,0 32,0 20,0 20,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0 11,0 HMean 590,9 363,5 529,9 349,9 450,4 204,8 335,6 109,2 190,9 96,9 75,0 96,9 45,6 22,1 HI Độ kháng cắt 0,398 KC 0,279 KC+T 0,359 KC+T 0,311 KC+T 0,319 KC 0,148 KC+T 0,247 KC+T 0,091 KC+TB 0,141 TB+RT 0,163 TB+RT 0,175 TB+T 0,200 TB+T 0,079 RT+T+TB 0,039 RT+T+TB Tạp chí Các Khoa học Trái Đ t, 38 (1), 1-13 Các kết qu cho th y, phần lớn đư ng cong HC có hình dạng lõm tương ứng số HI r t nhỏ (đều nhỏ 0,4) Điều thể lưu vực hay địa hình khu vực phần lớn giai đoạn ổn định Tuy nhiên, hình dạng lồi đư ng cong xu t số lưu vực lưu vực 15, 12, 17 6; số HI tương ứng 0,398; 0,391; 0,359 0,357 (hình 6a, b) Các đư ng cong số ph n ánh giai đoạn hoạt động trẻ lưu vực Hình Đư ng cong độ cao lưu vực khu vực nghiên cứu: (a) lưu vực phía bắc (từ lưu vực 1-14); (b) lưu vực phía nam (từ lưu vực 15 - 28); Vị trí lưu vực xem hình 4.2 Phân tích độ uốn khúc trước núi (Smf) Đánh giá mức độ trẻ hay cổ vách đứt gãy kiến tạo định lượng thông qua số Smf (Joshi et al., 2013) Trong nghiên cứu này, giá trị Smf xác định cho lưu vực (phân tích chi tiết) tính trung bình cho phân đoạn việc sử dụng DEM cơng cụ phân tích, tính tốn ArcGIS Qua phân tích DEM đư ng đẳng cao khu vực chúng tơi th y đư ng có giá trị 80m, 50m, 30m 20m nơi có thay đổi rõ rệt nh t độ dốc (đư ng chân sư n) (hình Bảng Kết qu tính độ uốn khúc trước núi lưu vực TT Lmf Ls Smf Độ kháng cắt 9701,0 1981,0 4,90 T 19885,3 2464,0 8,07 T 12381,7 3075,1 4,03 KC+T 2124,7 851,5 2,50 KC 3172,6 1984,5 1,60 KC 1546,2 508,6 3,04 KC 3527,8 2034,9 1,73 KC 2812,2 1249,5 2,25 KC 1898,5 1162,2 1,63 KC 10 3153,4 2356,4 1,34 KC 11 4760,7 2960,6 1,61 KC 12 3835,7 882,0 4,35 KC 13 2711,4 1658,7 1,63 KC+T 14 2496,7 1719,4 1,45 KC 7) lưu vực tương ứng: 1÷22, 23÷26, 27 28 Vì vậy, chiều dài theo đư ng (80m, 50m, 30m 20m) lưu vực sử dụng tính giá trị Lmf cơng thức Kết qu tính giá trị Smf khu vực nghiên cứu thể hình b ng 2, Theo kết qu trên, giá trị Smf khu vực thay đổi từ 1,10 đến 8,07 tùy theo lưu vực tính tốn Tuy nhiên, chia làm phân đoạn đặc trưng: (phía bắc), (trung tâm) (phía nam) với giá trị Smf trung bình tương ứng 5,57; 1,82 5,15 (b ng 2, hình 7) TT 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Lmf 3080,1 4013,1 3078,1 1420,7 3409,7 4402,2 2692,6 13517,3 18002,5 34541,2 14946,8 19799,2 12836,4 11252,6 Ls 1512,7 2053,9 2066,7 1287,1 2320,8 3139,3 2069,7 5378,2 2720,4 5453,6 2230,3 2615,7 5857,0 2762,6 Smf 2,04 1,95 1,49 1,10 1,47 1,40 1,30 2,51 6,62 6,33 6,70 7,57 2,19 4,07 Độ kháng cắt KC KC+T KC+T KC+T KC KC+T KC+T KC+TB TB+RT TB+RT TB+T TB+T RT+T+TB RT+T+TB Ghi chú: (Độ kháng cắt: RT- R t th p, T- Th p, TB- Trung bình, KC- Khá cao) N.V Liêm nnk/Tạp chí Các Khoa học Trái Đ t, Tập 38 (2016) Bảng Kết qu tính độ uốn khúc trước núi trung bình theo phân đoạn Tên phân đoạn Lmf Ls TĐ 41998,89 7541,13 TĐ 67622,61 37175,45 TĐ 111378,71 21639,65 Smf 5,57 1,82 5,15 Độ kháng cắt T+KC KC+T TB+T+RT Ghi chú: (Độ kháng cắt: RT- R t th p, T- Th p, TB- Trung bình, KC- Khá cao) Hình Kết qu tính giá trị Smf khu vực nghiên cứu 4.2 Phân tích số gradient chiều dài dịng chảy (SL) Trong nghiên cứu này, giá trị SL tính phần mềm MATLAB sử dụng công cụ TecDEM (Shahzad et al.; Gloaguen, 2011a, b; Shahzad et al., 2009) với kho ng cao 15m (ẤH = 15m) 28 dịng ch y Kết qu xác định 1082 điểm tính với giá trị SL nằm kho ng từ đến 1325 (gradient m) chia làm c p mức độ thể hình Theo giá trị 300