7. Cấu trúc luận văn
1.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu và quy trình nghiên cứu
1.2.2.2. Nhóm các phương pháp nghiên cứu chỉ số địa mạo-kiến tạo
Từ cơ sở lý luận khoa học đã được định hướng, trọng tâm của công tác nghiên cứu chính là tìm hiểu mối tương quan giữa sự phân dị hình thái địa hình và mức độ các hoạt động nội sinh xảy ra trong tân kiến tạo. Mối tương quan này được thể hiện định lượng thơng qua việc tính tốn các chỉ số phản ánh đặc điểm hình thái địa hình khu vực (các chỉ số Địa mạo) trong đánh giá các hoạt động kiến tạo. Dưới đây, học viên liệt kê ra một số chỉ số cơ bản phục vụ cho công tác tính tốn. Tuy nhiên, khơng phải tất cả các chỉ số này đều được áp dụng trong khu vực mà chỉ có các chỉ số địa mạo phù hợp nhất đối với điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu mới được áp dụng để tính tốn cụ thể.
a. Chỉ số tích phân độ cao (HI)
Đường cong đo cao mô tả sự phân bố của độ cao dọc một khu vực mặt đất với quy mơ khác nhau, có thể từ một lưu vực sơng cho đến tồn bộ Trái đất. Đường cong được xác định bởi mối quan hệ giữa độ cao tương đối và diện tích tương đối của lưu vực [38; 50; 51].
Một cách đơn giản để mơ tả hình dạng đường cong HC với một lưu vực sơng suối là tính chỉ số HI. Chỉ số này được xác định như là phần diện tích phía dưới đường cong HC và được tính như sau:
HI = (Hmean – Hmin) / (Hmax – Hmin) (1)
HI: tích phân độ cao; Hmax: giá trị độ cao lớn nhất; Hmin: giá trị độ cao nhỏ nhất; Hmean: giá trị độ cao trung bình.
Hình 1.3. Đường cong HC và chỉ số HI [43; 46; 50]
Đường cong HC và chỉ số HI là cơng cụ hữu ích để xác định các giai đoạn phát triển của lưu vực sơng suối. Nếu HC có dạng lồi thể hiện đặc trưng địa hình khu vực tương đối trẻ; đường cong có dạng chữ S đặc trưng cho khu vực bị xói mịn tương đối, đường cong có dạng lõm thì đặc trưng cho lưu vực sông suối tương đối cổ.
Ý nghĩa của đường cong HC và chỉ số HI: mối tương quan giữa tỷ số độ cao khơng gian và tỷ số diện tích theo độ cao khơng gian thể hiện cho q trình tiến hóa địa hình. Khi các hoạt động kiến tạo vừa mới diễn ra, địa hình mang những đường nét sắc cạnh và thể hiện rõ nhất trên các thung lũng chữ V với các hẻm vực sâu, vách dốc. Do đó, các hoạt động bóc mịn chưa có ảnh hưởng sâu sắc lên các bề mặt sườn nên phần diện tích các bề mặt sườn này gần như được bảo tồn, như vậy tỷ số diện tích tại những vùng khơng gian cao và vùng thấp dưới nó là tương đối lớn do sự chênh lệch diện tích khơng đáng kể. Ngược lại, theo thời gian, các quá trình ngoại sinh trạm trổ hình thái có những ảnh hưởng sâu sắc đến địa hình thì sự giật lùi các bề mặt sườn đã xảy ra. Các vật liệu được bóc mịn từ trên cao và tích tụ xuống phần sườn thấp, khu vực các vùng cao có xu hướng thu hẹp diện tích dần và tạo thành các đỉnh nhọn đồng thời với sự mở rộng phía thung lũng (dạng chũ U). Như vậy, mối tương quan diện tích đã khác khi có sự khơng đồng nhất diện tích phía trên sườn cao và phần sườn dưới thấp, diện tích phần sườn cao có phần bị thu hẹp hơn nhiều. Vì vậy, qua biểu đồ có thể đánh giá, so sánh mức độ hoạt động kiến tạo có mới hay không. Đây là một chỉ số rất quan trọng trong nghiên cứu các vận động kiến tạo hiện đại
b. Chỉ số bất đối xứng lưu vực (AF)
Đặc điểm hình học của mạng lưới sơng suối thường thể hiện sự có mặt của hoạt động biến dạng kiến tạo và có các hình dạng riêng. Yếu tố bất đối xứng được xem xét để xác định độ nghiêng ở từng vị trí và diện tích của bồn thốt nước [17; 35].
AF = 100(Ar/At) (2)
Trong đó: Ar là diện tích bồn trũng bên phải (xuôi theo hạ lưu) của dịng chảy chính; At là diện tích tồn bộ bồn thốt nước (Hình 1.4).
Hình 1.4. Mơ hình chỉ số bất đối xứng bồn thu nước (AF)[48]
Đối với hệ thống sơng suối đã hình thành và tiếp tục chảy trong điều kiện ổn định giá trị AF dao động 50, Bồn thoát nước nghiêng về sườn bên trái nếu giá trị AF >50, các dòng chảy tập trung nhiều hơn ở sườn phải. Bồn thoát nước nghiêng về sườn bên phải nếu giá trị AF <50, các dòng chảy tập trung nhiều hơn ở sườn trái.
Phương pháp trên sử dụng tốt nhất cho các khu vực bồn thốt nước có phần dưới là các kiểu đá đồng nhất, thì sẽ khơng chịu sự kiểm sốt của yếu tố thạch học cũng như khí hậu do lớp phủ thực vật.
Ý nghĩa của chỉ số AF: chỉ số AF phản ánh một dạng địa hình được nâng kiến tạo không đều trong một lưu vực và nếu như sự bất đối xứng càng chênh lệch
thì mức độ nâng càng lớn. Bản chất của dịng chảy ln ln hướng đến sự tự cân bằng nên trong điều kiện bình ổn, một lưu vực ln có xu thế đạt mức độ cân bằng tối đa, bồn thu nước thường tương đối đối xứng hoặc có độ bất đối xứng không đáng kể. Tuy nhiên, nếu như bồn thu nước có sự bất đối xứng rõ rệt thì lưu vực phản ánh chế độ nâng kiến tạo khá rõ đã được xảy ra trong quá khứ, và nếu so với những bồn thu nước khác trong khu vực mà khơng có sự bất đối xứng bồn đáng kể thì những bồn bất đối xứng này chịu ảnh hưởng các hoạt động kiện tạo mới mẻ hơn trong vùng nghiên cứu.
c. Chỉ số độ uốn khúc trước núi (Smf)
Độ uốn khúc trước núi được tính theo cơng thức [11; 35]: Smf = Lmf/Ls (3)
Trong đó: Smf là độ uốn khúc trước núi; Lmf là chiều dài mặt trước núi dọc theo đường chân núi, nơi có sự thay đổi rõ rệt nhất của độ dóc; Ls là chiều dài đường thẳng mặt trước núi (Hình 1.5).
Hình 1.5. Mơ hình chỉ số độ uốn cong trước núi (Smf)[28]
Smf là chỉ số phản ánh mối tương quan giữa các lực gây xói mịn dẫn đến hình thành các “vịnh” trước núi và các lực kiến tạo để hình thành nên các mặt
trước núi có dạng đường thẳng trùng với phạm vui hoạt động của đứt gãy. Do đó, Smf càng nhỏ và tiệm tiến đến 1 thì thể hiện hoạt động kiến tạo và nâng mạnh, khi Smf lớn thể hiện hoạt động xói mịn mạnh và hoạt động kiến tạo yếu, nhiều khi là ngưng hẳn.
Ý nghĩa của chỉ số Smf: là chỉ số phản ánh mối tương quan giữa các lực gây xói mịn dẫn đến hình thành các “vịnh” trước núi và các lực kiến tạo để hình thành nên các mặt trước núi có dạng đường thẳng trùng với phạm vi hoạt động của đứt gãy. Do đó, Smf càng nhỏ và tiệm tiến đến 1 thì thể hiện hoạt động kiến tạo và nâng mạnh, khi Smf lớn thể hiện hoạt động xói mịn mạnh và hoạt động kiến tạo yếu, nhiều khi là ngưng hẳn.
Tuy nhiên, chỉ số này sẽ có ý nghĩa thiết thực trên các nền địa chất kém bền vững và dễ bị xói mịn phá hủy, đối với các đá có độ bền vững lớn thì chỉ số Smf trên nó cao cũng chưa chắc phản ánh được hoạt động kiến tạo hiện đại mà có thể là do tính bảo tồn hình thái địa hình tốt trên nền đá vững chắc.
d. Chỉ số tương quan giữa độ rộng đáy thung lũng và độ cao của nó (Vf)
Chỉ số Vf được tính bằng cơng thức sau[38]:
Vf = 2Vfw/[(Eld - Esc) + (Erd - Esc)] (4)
Trong đó: Vfw là độ rộng đáy thung lũng; Eld và Erd là độ cao đường chia nước bên trái và bên phải thung lũng; Esc là độ cao đáy thung lũng (Hình 1.6).
Hình 1.6. Mơ hình chỉ số giữa độ rộng đáy thung lũng và độ cao của nó (Vf )[38]
Thung lũng dạng chữ V có độ sâu thung lũng lớn với chỉ số Vf thấp liên quan đến tốc độ nâng mạnh,. Mức cắt sâu của hoạt động xâm thực là độ chênh cao của địa hình đỉnh và đáy thung lũng. Mức cắt sâu càng lớn càng thể hiện tốc độ của
vận động nâng tích cực cao của khu vực. Có thể sử dụng tỷ số độ chênh cao đó với độ dài đường thẳng nối các đỉnh ở hai bờ thung lũng để đánh giá hình thái của thung lũng có q trình cắt sâu: tỷ lệ này cao thể hiện mức cắt sâu cao và hình thái địa hình kiểu canyon. Ngồi ra có thể xác định vùng có hoạt động nâng và sụt khác nhau bằng việc xác định dị thường gradient (độ dốc) của thung lũng (đáng giá cùng cấp) cũng như của đường đỉnh (đường sống núi).
Ý nghĩa của chỉ số Vf: thung lũng dạng chữ V có độ sâu thung lũng lớn với chỉ số Vf thấp liên quan đến tốc độ nâng mạnh,. Mức cắt sâu của hoạt động xâm thực là độ chênh cao của địa hình đỉnh và đáy thung lũng. Mức cắt sâu càng lớn càng thể hiện tốc độ của vận động nâng tích cực cao của khu vực. Có thể sử dụng tỷ số độ chênh cao đó với độ dài đường thẳng nối các đỉnh ở hai bờ thung lũng để đánh giá hình thái của thung lũng có q trình cắt sâu: tỷ lệ này cao thể hiện mức cắt sâu cao và hình thái địa hình kiểu canyon. Ngồi ra có thể xác định vùng có hoạt động nâng và sụt khác nhau bằng việc xác định dị thường gradient (độ dốc) của thung lũng (đáng giá cùng cấp) cũng như của đường đỉnh (đường sống núi).
Tuy nhiên, chỉ số Vf cao cũng có thể do yếu tố địa chất khu vực quyết định cho nên không thể khẳng định ngay giá trị Vf lớn đồng nghĩa với mức độ hoạt động kiến tạo hiện đại được. Lúc này, có thể kết hợp chỉ số Vf với Smf để minh chứng, cụ thể là: với Vf lớn và Smf lớn, có thể luận giải thành phần thạch học có độ kháng cắt tốt trong giai đoạn kiến tạo tương đối bình ổn với địa hình núi cao và phần chân sườn được xâm thực lâu dài dẫn tới mất đi dạng tuyến tính ban đầu; ngược lại với Vf lớn và Smf nhỏ gần tới 1, có thể luận giải khu vực có mức độ hoạt động kiến tạo hiện đại, phản ánh được chế độ nâng rõ ràng ở cả hình thái thung lũng cũng như đặc điểm đường chân núi.
e. Chỉ số gradient chiều dài dòng chảy (SL)
Chỉ số gradient chiều chảy dịng chảy (SL) được tính bằng cơng thức [34]:
SL = (∆H/∆L)L (5)
Trong đó, SL là chỉ só gradient chiều dài dòng chảy; delH/delL là độ dốc dòng chảy trên đoạn delL, L là chiều dài dịng chảy được tính từ điểm cao nhất của dịng chảy tới điểm tính giá trị SL (Hình 1.7).
Hình 1.7. Mơ hình chỉ số gradient dịng chảy (SL) [34]
Chỉ số SL có liên quan đến năng lượng của dịng chảy và tính nhạy cảm với sự thay đổi độ dốc lịng. Chính sự nhạy cảm này cho phép đánh giá mối quan hệ giữa khả năng hoạt động kiến tạo, độ bền của đá và địa hình khu vực. Đây là một chỉ số quan trọng bên cạnh chỉ số HI và đường cơng HC trong phân tích đánh giá khả năng hoạt động kiến tạo.
Ý nghĩa của chỉ số SL: chỉ số SL liên quan tới năng lượng dịng chảy và tính nhạy cảm với sự thay đổi độ dốc lịng. Chính sự nhạy cảm này cho phép đánh giá mối quan hệ giữa khả năng hoạt động kiến tạo, độ bền của đá và địa hình khu vực. Chỉ số này tăng rõ rệt khi chạy qua các loại đá có độ bền cao. Tuy nhiên, khi dịng chảy trên các đá có độ bền thấp mà giá trị SL cao thì đó là biểu hiện của hoạt động kiến tạo hiện đại vì khi đó sự điều chỉnh trắc diện dọc của dòng chảy đối với độ kháng cắt của đá được coi là khá nhanh chóng. Do đó, chỉ số SL được dung để xác định hoạt động kiến tạo hiện đại [28].
Tương ứng trên cùng một nền thạch học, cùng một chế độ kiến tạo, cùng một quá trình ngoại sinh trong giai đoạn bình ổn sẽ định hình ra những đặc trưng hình thái địa hình riêng biệt phù hợp với điều kiện mơi trường đó. Do đó, nếu có những thay đổi bất thường của chỉ số SL sẽ là bằng chứng cho sự mất bình ổn. Đó chính là các hoạt động kiến tạo trẻ.
Tuy nhiên, nếu nhìn trên phương diện thạch học thì các đá có độ kháng cắt thạch học cao ln có chỉ số SL lớn và sự thay đổi theo thời gian là chậm vì bản thân q trình bóc mịn diễn ra tương đối chậm trên các đá cứng. Do đó, việc đánh giá các vận động kiến tạo hiện đại sẽ hiệu quả hơn khi chọn nghiên cứu chỉ số SL trên những đá có độ kháng cắt kém, địa hình thoải, mềm mại hơn và có hình thái địa hình nhạy cảm khi bị các hoạt động kiến tạo trẻ chi phối. Dù vậy, trên những nền địa chất bền vững, việc tính tốn chỉ số SL cũng vẫn hữu ích trong nghiên cứu mức độ hoạt động kiến tạo.
f. Chỉ số hình dạng lưu vực sơng suối (Bs)
Chỉ số Bs phản ánh hình dạng các lưu vực sơng suối có liên quan đến mức độ hoạt động kiến tạo hiện đại của đới cấu trúc trong khu vực. Chỉ số Bs được tính theo cơng thức [48]:
Bs = Bl/Bw (6)
Trong đó: Bs là chỉ số hình thái lưu vực; Bl là chiều dài lưu vực tính từ đầu nguồn cho đến phần hạ lưu tiếp xúc với đới cấu trúc chính; Bw là chiều rộng của lưu vực mà được lấy ở khoảng rộng nhất trong lưu vực ấy [48] (Hình 1.8).
Hình 1.8. Mơ hình chỉ số Bs [48]
Như vậy, giá trị Bs càng lớn đồng nghĩa với hoạt động kiến tạo tương đối hiện đại, lưu vực có dạng dẹt và dài theo hướng sườn; giá trị Bs càng nhỏ thể hiện các hoạt động kiến tạo cổ trong khu vực được phản ánh trên các lưu vực tròn và mở rộng.
Ý nghĩa của chỉ số Bs: chỉ số Bs phản ánh quá trình phát triển địa hình của một lưu vực sơng có nguồn gốc từ phá hủy đứt gãy kiến tạo. Ban đầu, sau khi đứt gãy hoạt động làm dịch chuyển địa hình (đặc biệt là đứt gãy trượt bằng), phía hai bên địa hình sẽ hình thành ra những khe nứt có phương vng góc với đới đứt gãy. Sau thời gian đầu tồn tại ở dạng các khe nứt, quá trình ngoại sinh phát triển và cải biến dần các khe nứt đó thành các lưu vực, ban đầu lưu vực sẽ mở thêm nhánh tuy nhiên chúng vẫn ít và có dạng thn, dài, song song với khe nứt ban đầu; quá trình bình ổn càng lâu dài thì các hoạt động ngoại sinh càng làm gia tăng khả năng xâm thực và mở rộng lưu vực theo các phương rộng hơn. Như vậy, các lưu vực sông càng hẹp và thn dài theo phương khe nứt thì chứng tỏ vận động kiến tạo chỉ mới diễn ra, còn các lưu vực tròn và mở rộng chứng tỏ vận động kiến tạo cổ và thời gian bình ổn lâu dài hơn.