نشریه سنجش از دور و GIS  ایران

نشریه سنجش از دور و GIS ایران

مقایسه شاخص فرکتالی مبتنی بر گرادیان شیب آبراهه با شاخص طول–گرادیان آبراهه: ارزیابی تطبیقی زمین‌ساخت فعال و لرزه‌خیزی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 گروه زمین شناسی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه پیام نور،تهران، ایران.
2 گروه جغرافیا، دانشکده ادبیات و علوم انسانی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
چکیده
سابقه و هدف: شاخص‌ ریخت‌زمین‌ساختی طول–گرادیان آبراهه یا SL به‌طور گسترده برای شناسایی تغییرات پروفیل طولی رودخانه‌ها و ارزیابی تأثیر فعالیت‌های زمین ساختی مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، مقادیر این شاخص می‌توانند علاوه بر فعالیت‌های زمین‌ساختی، تحت تأثیر عوامل دیگری مانند تغییرات سنگ‌شناسی و تفاوت در مقاومت واحدهای زمین‌شناسی قرار گیرند. در این پژوهش، عملکرد ویژگی فرکتالی گرادیان شیب آبراهه در قالب شاخص FD در ارزیابی فعالیت‌های زمین ساختی بررسی و با شاخص متداولSL مقایسه شده است. هدف اصلی پژوهش، ارزیابی توانایی شاخص FD در آشکارسازی الگوهای مرتبط با فعالیت زمین‌ساختی، شناسایی ساختارهای گسلی و بررسی میزان انطباق فضایی آن با رخدادهای لرزه‌ای، در مقایسه با شاخص SL است.

مواد و روش‌ها: منطقه مورد مطالعه در محدوده صحنه در غرب ایران قرار دارد و برای انجام تحلیل‌ها به 23 حوضه زهکشی تقسیم شد. در هر حوضه، طویل‌ترین آبراهه به‌عنوان مبنای محاسبات انتخاب شد. شاخص SL بر اساس گرادیان شیب محلی و موقعیت آن در امتداد طول تجمعی آبراهه محاسبه گردید؛ به‌طوری‌که برای هر نقطه میانی در گرادیان شیب محلی، یک مقدارSL به دست آمد. هم‌زمان، برای هر محل تقاطع آبراهه و خطوط تراز، واقع در فاصله بین دو نقطه میانی متوالی، بعد فرکتالی گرادیان شیب یا FD محاسبه شد. پس از محاسبه مقادیر دو شاخص، به‌منظور بررسی تغییرات مکانی آن‌ها، داده‌ها با استفاده از روش درون‌یابی به رستر تبدیل و نقشه‌های تراز مربوط بهSL و FD تهیه شدند. سپس الگوی تغییرات فضایی آن‌ها با موقعیت گسل‌های شناخته‌شده، سبک ساختاری منطقه و واحدهای سنگ‌شناسی مقایسه شد. برای ارزیابی کمی ارتباط شاخص‌ها با فعالیت لرزه‌ای، رسترهای SL و FD هر یک به 10 کلاس طبقه‌بندی شدند. سپس مقدار کلاس متناظر با هر یک از کانون‌های زمین‌لرزه استخراج و نسبت فراوانی رخدادهای لرزه‌ای در کلاس‌های مختلف محاسبه شد. علاوه بر تحلیل نسبت فراوانی، مقادیر دو شاخص در محل وقوع زمین‌لرزه‌ها استخراج و شاخص‌های آماری شامل میانگین، میانه، انحراف معیار و ضریب تغییرات برای آن‌ها محاسبه شد تا میزان تمرکز و پراکندگی رخدادهای لرزه‌ای در دامنه‌های مختلف مقادیر SL و FD ارزیابی شود.

نتایج و بحث: مقادیر بالاتر شاخص SL عمدتاً در مجاورت گسل‌های راندگی مشاهده شدند و در بسیاری از موارد با واحدهای سنگ‌شناسی دارای مقاومت متوسط تا بالا ارتباط داشتند. این وضعیت نشان می‌دهد که تغییرات SL می‌تواند حاصل اثر هم‌زمان فعالیت‌های زمین‌ساختی و تفاوت‌های سنگ‌شناسی باشد. در مقابل، مقادیر پایین‌تر SL در مقیاس مورد بررسی، رابطه مشخص و پایداری با ساختارهای گسلی یا واحدهای سنگ‌شناسی خاص نشان ندادند. الگوی حاصل از شاخص FD متفاوت بود. مقادیر منفی FD عمدتاً با ساختارهای راندگی و مناطق تحت تأثیر بالاآمدگی و تغییرشکل عمودی مرتبط بودند، در حالی که مقادیر مثبت بیشتر با رژیم‌های امتدادلغز ارتباط نشان دادند. بنابراین، شاخص FD علاوه بر بازتاب تغییرات مرتبط با مؤلفه عمودی تغییرشکل، توانایی آشکارسازی تغییرات ناشی از مؤلفه افقی و امتدادلغز را نیز نشان داد. این نتایج نشان می‌دهد که تحلیل تغییرات فرکتالی گرادیان شیب می‌تواند در آشکارسازی ساختارهای احتمالی و بررسی دقیق‌تر الگوهای تغییرشکل منطقه نیز مفید باشد. ارزیابی ارتباط دو شاخص با رخدادهای لرزه‌ای نیز برتری نسبی FD را نشان داد. بیشترین مقادیر نسبت فراوانی برای شاخصFD، در کلاس‌های دارای مقادیر بالا به دست آمد که بیانگر تمرکز قابل توجه رخدادهای لرزه‌ای در این محدوده‌ها است. در مقابل، برای شاخص SL تنها یک کلاس دارای نسبت فراوانی بزرگ‌تر از 2 بود. نتایج آمار توصیفی نیز با یافته‌های تحلیل نسبت فراوانی هم‌خوانی داشت. پراکندگی کمتر مقادیر FD نشان می‌دهد که رخدادهای لرزه‌ای در دامنه نسبتاً یکنواخت‌تر و مشخص‌تری از این شاخص متمرکز شده‌اند، در حالی که مقادیر SL در محل وقوع زمین‌لرزه‌ها تغییرپذیری بیشتری دارند.

نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان داد که اگرچه شاخص SL همچنان ابزار مفیدی برای شناسایی تغییرات توپوگرافی و بررسی اثرات ترکیبی زمین‌ساخت و سنگ‌شناسی است، شاخص فرکتالی FD در منطقه مورد مطالعه حساسیت بیشتری نسبت به کنترل‌های ساختاری نشان می‌دهد. الگوی فضایی FD ارتباط مشخص‌تری با نوع و سبک جنبش گسل‌ها داشته و قادر است هر دو مؤلفه عمودی و افقی تغییرشکل را در پاسخ ژئومورفیک شبکه زهکشی بازتاب دهد. همچنین،FD در مقایسه با SL انطباق فضایی بیشتری با رخدادهای لرزه‌ای دارد. در مجموع، تحلیل فرکتالی گرادیان شیب آبراهه می‌تواند به‌عنوان روشی کمی و مکمل در مطالعات ریخت‌زمین‌ساختی، شناسایی نواحی فعال زمین‌ساختی و بررسی ارتباط میان ساختارهای فعال، پاسخ شبکه زهکشی و لرزه‌خیزی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

A Fractal-Based Stream Gradient Index versus the Stream Length–Gradient Index: A Comparative Assessment of Active Tectonics and Seismicity

نویسندگان English

Mahnaz Nedaei 1
Seyed Hasan Mirahadi 2
1 Geology Department, Faculty of Basic Science, Payame Noor University (PNU), Tehran, Iran.
2 Department of Geography, Faculty of Literature and Humanities, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده English

Background and Objective: The Stream Length–Gradient (SL) index is widely used in morphotectonic studies to evaluate the effects of tectonic activity. However, SL values may be influenced not only by tectonic processes but also by other factors, such as lithological variations. In this study, the performance of the fractal characteristic of stream gradient, represented by the FD index, was evaluated for assessing tectonic activity and compared with that of the conventional SL index. The main objective was to evaluate FD's ability to reveal patterns associated with active tectonics and assess its spatial correspondence with seismic events, compared with the SL index.

Materials and Methods: The study area in the Sahneh region of western Iran was divided into 23 drainage basins for analysis. The longest stream in each basin served as the basis for calculations of the Stream Length (SL) index, which was derived from the local channel gradient and its position along cumulative stream length, resulting in one SL value per midpoint. The fractal dimension of the stream gradient (FD) was also calculated at intersections between the stream and contour lines between consecutive midpoints. The calculated values were interpolated into raster surfaces to analyze spatial variations, and contour maps of SL and FD were created. These patterns were compared with known fault locations, regional structural features, and lithological units. To quantitatively evaluate the relationship between the indices and seismic activity, the SL and FD rasters were each classified into 10 classes. The corresponding class value was then extracted for each earthquake epicenter, and the frequency ratio of seismic events was calculated for the different classes. In addition to the frequency-ratio analysis, the values of both indices at earthquake locations were extracted, and descriptive statistical parameters, including the mean, median, standard deviation, and coefficient of variation, were calculated to assess the concentration and dispersion of seismic events across different ranges of SL and FD values.

Results and Discussion: Higher SL values were mainly observed in the vicinity of thrust faults and were, in many cases, associated with lithological units of moderate to high resistance. This pattern suggests that variations in SL may result from the combined effects of tectonic activity and lithological contrasts. In contrast, lower SL values did not show a clear or consistent relationship with specific fault structures or lithological units at the scale of the present analysis. The pattern obtained from the FD index was different. Negative FD values were mainly associated with thrust structures and areas affected by uplift and vertical deformation, whereas positive values showed a stronger association with strike-slip regimes. Thus, in addition to reflecting variations related to the vertical component of deformation, the FD index also demonstrated the ability to detect changes associated with the horizontal and strike-slip components of deformation. These results suggest that fractal analysis of stream-gradient variations can also be useful for identifying potential structures and providing a more detailed assessment of regional deformation patterns. The evaluation of the relationship between the two indices and seismic events also indicated the relative superiority of FD. The highest frequency-ratio values for FD were obtained in classes with high FD values, indicating a considerable concentration of seismic events within these ranges. In contrast, only one SL class had a frequency ratio greater than 2. The descriptive statistical results were also consistent with the findings of the frequency-ratio analysis. The lower dispersion of FD values indicates that seismic events are concentrated within a relatively more uniform and distinct range of FD values, whereas SL values show greater variability at earthquake locations.

Conclusion: The results of this study showed that although the SL index remains a useful tool for identifying topographic variations and investigating the combined effects of tectonics and lithology, the fractal FD index exhibits greater sensitivity to structural controls in the study area. The spatial pattern of FD shows a clearer relationship with the fault mechanism. Furthermore, FD shows a stronger spatial correspondence with seismic events than the SL index. Overall, fractal analysis of stream-gradient variations can be used as a quantitative and complementary approach in morphotectonic studies for identifying tectonically active areas and for investigating the relationships among active structures, drainage-network response, and seismicity.

کلیدواژه‌ها English

Active Tectonics
Stream Length–Gradient Index (SL)
Fractal Dimension of Stream Gradient (FD)
Seismicity
Sahneh

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 05 آبان 1405