古地形地貌的复原可以表明沉积区和剥蚀区及海陆变迁等古地理环境特征, 有助于表现沉积盆地的演化史, 对石油, 天然气以及沉积矿产资源的寻找也有重大实用价值.Ziegler等(1985)提出了古地貌复原的最基本原则:现代地表环境与大地构造背景及其高程, 地形学特征表示的对应关系是可以应用到过去的, 即遵从"均变论(Uniformitariansim)".文中所涉及的复原方法的基本思路是在岩相古地理图的基础上, 根据各沉积相单元特征, 结合相关地质数据, 综合推断该区域对应年代的地表和水深状况, 结合解释的高程值, 从中提取古高程和古水深信息, 并以此设置高程等值线.这里需要指出, 地学问题是很复杂的, 局部地区可能不符合"均变论", 但是作为地质模型, 目前的研究是在"均变论"的假设下, 根据所研究区域的具体地质背景略作调整.文中提供了一种基于GIS建立数字古高程模型的思路和方法, 而已知的研究区域大地构造背景及沉积古地理环境在古地形地貌复原中发挥着至关重要的作用, 地貌的复原是要通过对古地理图及区域地质资料进行综合分析来实现的, 研究区域的相关地质资料收集的越多, 生成的地貌细节越多, 复原效果就会更好.

具体复原方法概括如下:

有沉积记录的区域基本可以根据沉积相特征推断其古地形及地貌.如河流, 湖泊, 三角洲, 滨海, 浅海, 深海沉积相等都可以通过现代地形地貌特征推断其古地形地貌.

山脉作为沉积物源区, 其位置需根据古沉积相来进行推断:利用洪积扇, 冲积扇等相单元来推断山坡走势; 波痕等古水流方向标志用于指示剥蚀山脉的大致方位; 山脉的整体展布, 可以根据与造山带相关的古构造进行推测.如近似平行于碰撞带的造山带, 在收缩挤压应力作用下形成谷--脊构造, 与造山带走向平行或斜交的伸展拉应力则形成盆岭构造等; 此外, 冰川沉积相的分析, 对于古山脉位置展布及古高程的确定也有很重要的意义.

在利用上述方法对该区域古地理环境有了初步认识的基础上, 依据Ziegler等(1985)所总结的区域古地理图不同环境的高程范围(表1), 针对研究区域沉积相类型和构造特点整理了其古地形和古水深高程值的范围(表2), 在单个沉积相的高程范围基础上, 还考虑了各临近沉积相在空间上的相互关系来确定具体的高程值.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 区域古地理图中不同环境的高程范围(据Ziegler等, 1985, 有修改) Table 1 Elevation ranges of different environments of regionalpaleogeographic map(modified from Ziegler et al., 1985) 代码 高程/m 环境 地质识别标志 9 +4000~ +10000 碰撞 造山带 高温, 高压变质岩 8 +2000~ +4000 安第斯型 山峰 大陆环境下的安山岩/花岗闪长岩 7 +1000~ +2000 岛弧山峰 海洋环境下的安山岩/花岗闪长岩 裂谷肩部 邻源扇砾岩 6 +200~ +1000 内陆平原 在环境5和7之间 地堑 玄武岩, 在地堑内的湖相沉积物 某些弧前洋脊 构造混杂岩 5 0~ +200 沿海平原 冲积复合体 下游河流系统 主要为洪泛平原混合物 三角洲顶部 沼泽和河道砂 4 -50~ 0 内大陆架 复杂的海相沉积物 礁坝陆架 巴哈马型碳酸盐岩 三角洲前缘 顶积层粉砂岩和砂岩 3 -50~ -200 外大陆架 细粒沉积物, 大部分有"生物生产力" 某些内陆盆地 细粒的碎屑岩或碳酸盐岩 前三角洲 前积层粉砂岩和近源浊积岩 2 -200~ -4000 大陆斜坡/隆起 滑塌相/等深流沉积相 洋中脊 洋壳年龄少于20 Ma 前扇三角洲 底积层泥岩和远源浊积岩 1 -4000~ -6000 洋底 洋壳上的深海沉积序列 0 -6000~ -12000 海沟 深海沉积序列中的浊积岩

表1 区域古地理图中不同环境的高程范围(据Ziegler等, 1985, 有修改) Table 1 Elevation ranges of different environments of regionalpaleogeographic map(modified from Ziegler et al., 1985)

这部分内容是将上述对地形地貌的推断结果利用比较直观准确的方式表达出来.目前采用DEM进行三维地形数据的模拟和表达己被广泛接受, 该研究是通过建立Palaeo-DEM来表现古地理和古地形的.一般生成DEM的方法有两种:一是利用遥感数据提取高程生成DEM, 二是根据已有测绘资料经过插值生成DEM.作者采用第2种思路, 即通过已知高程等值线插值生成DEM.岩相古地理图中各种沉积相指示着对应的地貌, 可以认为沉积相边界的高程是基本一致的, 可以将其作为等值线, 设置对应高程值后插值生成Palaeo-DEM.

基于现代计算机模拟技术, 利用生成的等值线图对未含有高程信息的区域进行插值计算, 生成的高程光栅图既是对未知区域的信息补充, 又可以对已推断出的部分结果进行纠正.目前国内外比较流行的插值方法是Hutchinson于20世纪80年代提出的利用多种高程信息生成DEM的算法, 并基于该算法生产了软件ANUDEM.研究表明, 基于ANUDEM建立的DEM, 表面光滑, 其派生等高线与原等高线符合度高, 能够较好地表现地形起伏, 正确反映地貌特征(张彩霞等, 2005; 杨勤科等, 2006).其相关算法已经集成到ArcGIS/Info系统中(ArcToolBox中Topo to Raster).

晕渲是地图制图学中表现地形地貌的一种方式, 能够较好地反映区域地理特征, 立体感强, 直观易读.为了突出图中各种沉积相类型和地貌高程变化, 根据各沉积相高程值的特点设置了分级节点, 并相应选择了能够鲜明地表达地表及水深的颜色, 对插值生成的网格光栅图采用特定的晕渲色彩方案, 增强表达效果.利用ArcScene的三维显示功能进行立体晕渲显示, 实现了从二维古地理图到含有地形地貌特征的三维古地理图的重建.

岩相古地理特点 拉萨地体的北界为班公--怒江缝合带, 南界为雅鲁藏布江缝合带, 向西与克什米尔拉达克弧地体相接, 向东延至滇西腾冲陆块, 其东西长约2500, km, 南北宽100~300 km.

晚侏罗世到白垩纪末, 拉萨地体古地理特征总体为弧后海盆夹半岛格局, 即活动边缘下的两个沉积盆地夹持一个暴露岩浆弧.主体隆升为陆, 北部大部分为盆地, 中部和西南部地区出露部分陆地, 高度不超过1000, m, 南部为提供物源的暴露区, 西北有一狭长海相盆地.陆相沉积主要由冲--洪积, 河流及冲积平原沉积组成.海相沉积为一套以碳酸盐岩和陆源碎屑岩混合的浅海相沉积组合, 滨岸相沿暴露陆地呈条带状分布, 广阔陆棚夹持于暴露陆地之间, 在相应的近陆源部位可见入海三角洲相沉积(李祥辉等, 2001; 陈明等, 2005).图2为拉萨地体晚侏罗世岩相古地理图, 图中的标注为区域对应的沉积相类型.

在了解研究区域古环境特点的基础上, 按照该研究所设计的方法流程图建立数字古高程模型, 其中所涉及的数据处理部分是在ArcGIS/Info软件中完成的.

3.2.1 古地理图预处理

首先将资料转换为Shapefile格式, 并进行配准和投影等预处理工作.该研究选择北京54椭球参数, 兰伯特等角圆锥投影坐标系.

3.2.2 设置等值线高程值

对岩相古地理图中包含地形地貌特征的不同沉积相单元的边界线, 已有古高程信息的山脉点等, 结合表2设置古高程和古水深的对应高程值.由于数据比较稀疏, 如果将海陆作为一个整体同时进行插值, 在深海环境和低地区域会产生错误的结果.这是由等值线插值生成DEM存在的一个普遍问题.

图2

Fig.2

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	图2 拉萨地体晚侏罗世岩相古地理图(据李祥辉等, 2001, 略修改)Fig.2 Lithofacies paleogeographic map of Lhasa Terrane in the Late Jurassic(modified from Li et al., 2001)

图3

Fig.3

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	图3 拉萨地体晚侏罗世古陆地和古水深高程等值线图Fig.3 Isoline map of bathymetry of old-land and old-sea depth of Lhasa Terrane in the Late Jurassic

图4

Fig.4

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	图4 拉萨地体晚侏罗世古陆地高程光栅图Fig.4 Raster image of old-land bathymetry of Lhasa Terrane in the Late Jurassic

图5

Fig.5

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	图5 拉萨地体晚侏罗世古水深高程光栅图Fig.5 Raster image of old-sea depth of Lhasa Terrane in the Late Jurassic

图6

Fig.6

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	图6 拉萨地体晚侏罗世数字古高程光栅图Fig.6 Raster image of palaeo-DEM of Lhasa Terrane in the Late Jurassic

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 研究区不同沉积相类型古高程和古水深的高程范围 Table 2 Elevation ranges of palaeo-elevation and palaeoba-thymetry of different sedimentary facies in the study area 沉积相 高程/m 大洋盆底 -5000~-6000 大洋盆地 -2000~-3000 海底扇 比盆底浅10~100 斜坡 -300~-3000 陆棚 -50~-300 碳酸盐岩台地 0~-300 滨岸 50~-50 三角洲 5~-200 冲积扇 0~50 曲流河与冲积平原 0~50 辫状河 100~500 洪积扇 500~1000 古陆 0~3000

表2 研究区不同沉积相类型古高程和古水深的高程范围 Table 2 Elevation ranges of palaeo-elevation and palaeoba-thymetry of different sedimentary facies in the study area

自然地理特征首先是海陆的分布, 其次是陆地和海洋内部的各级自然地理单元, 如陆地的剥蚀区以及湖泊, 河流, 滨海, 浅海和深海沉积区等的分布(冯增昭, 1999).按照这个思路, 先从古地理图中提取海岸线作为海陆分隔线, 将其高程值设置为0.将海陆区分开后, 对古高程和古水深两部分分别进行处理, 再将生成的结果拼合起来.根据岩相古地理图中每个沉积相所对应的高程值范围以及各沉积相之间的空间关系确定高程值, 生成等值线图(图3), 图中数值表示对应等值线的高程值.

3.2.3 生成网格化光栅图并离散化分类渲染

根据设置的等高线, 利用地形生成工具(Topo to Raster), 分别将古陆地和古水深等值线插值生成网格光栅图(Grid格式), 默认结果是用灰度拉伸表示高程值.

为了突出原图中各种沉积相类型, 根据各沉积类型高程值的特点设置了分级节点, 并相应选择了能够鲜明表达地表及水深的颜色, 利用离散的彩色等高域光栅图表示连续变化的灰度图.

按照数字高程模型的一般表达习惯, 对不同的地貌特征设置特定的晕渲色彩方案.

陆地是按高程分级的彩色晕渲, 借用分层设色法的原理来强调地势起伏的立体感.比如, 低平原以黄色调为主; 山体地貌用棕色; 除此之外, 还须根据不同地貌高程变化设置一定的渐变色彩.

海洋环境划分为滨海带, 浅海带, 半深海带, 深海带等不同的环境, 按照海洋的等深线图进行古海洋的渲染, 主要选择蓝色色系, 且随水深变化蓝色变深.

3.2.4 掩模及融合

为了保证海陆边界之间的无缝效果, 对古陆地和古水深边界各生成一定的缓冲区后(Buffer), 掩模(Extract by Mask)得到具有原始海陆边界的光栅图再进行融合(Mosaic).图4为古陆地高程光栅图, 图5为古水深高程光栅图, 图6为融合后的数字古高程光栅图.图中, 不同的颜色代表不同的高程值.棕红色代表高山(高程值在1000, m左右), 黄色代表平原(高程值在0~100, m左右), 滨海用浅蓝色表示(水深在-50~0, m), 深海用深蓝色表示(水深在-5000, m左右), 介于这几种情况之间的高度和水深用渐变色彩表达.

图7

Fig.7

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	图7 拉萨地体晚侏罗世三维地形图Fig.7 Three-dimensional topographic map of Lhasa Terrane in the Late Jurassic

3.2.5 数字古高程模型的3D表达

利用ArcSceen软件对上述生成的古高程光栅图进行三维显示和渲染, 生成立体古地形图(图7).

将成果图件(图 6, 图7)与原岩相古地理图(图2)进行对比, 可以发现建立的数字古高程模型与古地理图中沉积相所指示的地形地貌特征基本一致, 该模型在增加地貌细节的同时, 能够直观地表现出山脉, 低地, 浅海和深海盆地的分布及变化过程, 全方位地表达古地理单元及其环境背景, 为古地貌--沉积组合与油气藏关系, 古地理与油气勘探等相关研究提供有效的方法.