پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

پژوهشهای ژئومورفولوژی کمّی

تحلیل ژئومورفولوژیک منطقه کپه داغ با استفاده از تئوری گسیختگی سطحی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکترای ژئومورفولوژی، گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
2 استاد گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
3 دانشیار گروه جغرافیای طبیعی، دانشکده جغرافیا، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
4 سازمان جغرافیایی نیروهای مسلح، تهران، ایران.
10.22034/gmpj.2025.493524.1540
چکیده
منطقه کپه داغ، یک ناحیه فعال تکتونیکی در شمال شرق ایران، چشم‌اندازی منحصر به فرد برای مطالعه پتانسیل گسیختگی سطحی و فرآیندهای هیدروژئومورفولوژیکی ارائه می‌دهد. این مطالعه با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته تحلیل ژئومورفومتری به بررسی تعامل پیچیده بین توپوگرافی، تکتونیک و فرآیندهای سطحی در این محیط نیمه‌خشک می‌پردازد. با بهره‌گیری از مدل‌های رقومی ارتفاعی (DEM) با وضوح بالا، پارامترهای کلیدی ژئومورفومتری از جمله ارتفاع، شیب و جهت شیب را استخراج و تحلیل می‌کنیم تا ویژگی‌های توپوگرافی منطقه و پیامدهای آن برای گسیختگی سطحی و مدیریت منابع آب را مشخص کنیم. در این روش‌شناسی ما به دنبال پردازش DEM، تحلیل‌های آماری و تکنیک‌های تجسم‌سازی با ادغام آنها و استفاده از اسکریپت های پایتون می باشیم. ما از روش‌های نمونه‌برداری کاهشی برای پردازش کارآمد مجموعه داده‌های بزرگ با حفظ یکپارچگی داده‌ها استفاده می‌کنیم و معیارهای آماری قوی را برای کمی‌سازی عدم قطعیت در یافته‌هایمان به کار می‌بریم. منطقه مورد مطالعه، با پوشش تقریبی 35,595 کیلومتر مربع، دامنه ارتفاعی 2,608 متری را از 354 تا 2,962 متر بالاتر از سطح دریا نشان می‌دهد.وجود شیب‌های بسیار تند (تا 89.60°) نشان‌دهنده مناطقی با پتانسیل ناپایداری و خطر فرسایش بالا است که احتمالاً با فعالیت تکتونیکی اخیر یا رویدادهای گسیختگی سطحی مرتبط است. جهت شیب غالب به سمت حدود جنوب، بینش‌هایی درباره کنترل‌های ساختاری بر توپوگرافی و الگوهای بالقوه گسیختگی سطحی ارائه می‌دهد. ترکیب تکنیک‌های پیشرفته ژئوسپیشیال(مکانی-فضایی) با تحلیل ژئومورفولوژیکی، رویکردی نوآورانه برای مطالعه مناطق فعال تکتونیکی ارائه می‌دهد که کاربردهای بالقوه‌ای در محیط‌های مشابه در سراسر جهان دارد. لذا با عنایت به درک صحیح از ژئومورفولوژی و چارچوب های روش شناختی پیشنهاد می شود که با رویکردهای پژوهشی نوین گامی در جهت شناخت سیستمی، برنامه ریزی منطقه ای، کاهش خطر و مدیریت منابع آب در این منطقه پیچیده زمین‌شناختی و حساس زیست‌محیطی برداشته شود.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Geomorphological Analysis Utilizing Surfacein interrupture Theory: The Central and Eastern Kopeh Dagh Region

نویسندگان English

morteza rezaei arefi 1
ٍEbrahim Moghimi 2
Mansour Jafar beglou 3
Seyyed Mosa Hosseini 3
Majid Fakhri 4
1 university of tehran
2 Faculty of Geography/Department of Natural Geography/Tehran University/Tehran/Iran.
3 Faculty of Geography/Department of Natural Geography/Tehran University/Tehran/Iran.
4 Geographical Organization of the Armed Forces/Tehran/Iran
چکیده English

The Kopet Dagh region, a tectonically active area in northeastern Iran, presents a unique landscape for studying surface rupture potential and hydrogeomorphological processes. This study employs advanced geomorphometric analysis techniques to investigate the complex interplay between topography, tectonics, and surface processes in this semi-arid environment. Utilizing high-resolution Digital Elevation Models (DEMs), we derive and analyze key geomorphometric parameters, including elevation, slope, and aspect, to characterize the region's topographic features and their implications for surface rupture and water resource management.



Our methodology integrates custom Python scripts for DEM processing, statistical analyses, and visualization techniques. We employ downsampling methods to efficiently process large datasets while maintaining data integrity, and apply robust statistical measures to quantify uncertainty in our findings. The study area, covering approximately 35,595 square kilometers, exhibits an elevation range of 2,608 meters, from 354 to 2,962 meters above sea level.



Results reveal a diverse landscape with a mean elevation of 1,365.97 meters and a mean slope of 4.88° ± 0.01° (SEM). The presence of very steep slopes (up to 89.60°) suggests areas of potential instability and high erosion risk, possibly associated with recent tectonic activity or surface rupture events. The predominant east-northeast facing slope orientation (mean aspect 71.13° ± 0.03° SEM) provides insights into structural controls on topography and potential surface rupture patterns.



This study contributes to the field by providing a comprehensive geomorphometric characterization of the Kopet Dagh region, offering valuable insights for seismic hazard assessment, land-use planning, and water resource management. The integration of advanced geospatial techniques with geomorphological analysis presents an innovative approach to studying tectonically active regions, with potential applications to similar environments worldwide.The Kopet Dagh region, characterized by its complex geological formations and dynamic hydrogeomorphological processes, presents a unique opportunity for analyzing surface interruptions and their implications on landscape evolution. This study employs advanced computational techniques to analyze Digital Elevation Models (DEMs) and derive critical geomorphometric parameters that inform our understanding of surface interruption phenomena.



Our research aims to integrate terrain analysis with hydrogeomorphological assessments, focusing on the identification of potential fault lines and the evaluation of terrain metrics such as slope and aspect. The methodologies utilized herein are based on robust algorithms that process DEM data to extract meaningful geological insights.



By examining surface interruptions in the Kopet Dagh region, we seek to elucidate the relationships between topography, geological structures, and hydrological processes. This approach not only enhances our comprehension of the region's geomorphological evolution but also provides valuable insights into potential geological hazards and their impacts on water resources.



The study leverages high-resolution DEMs and applies a series of geospatial analyses to quantify and visualize terrain characteristics. These analyses include the calculation of slope gradients, aspect orientations, and curvature metrics, all of which are crucial for identifying areas prone to surface interruptions.



Through this research, we aim to contribute to the broader understanding of geomorphological processes in tectonically active regions and demonstrate the utility of surface interruption theory in interpreting landscape features. The findings of this study have implications for land-use planning, water resource management, and natural hazard assessment in the Kopet Dagh region and similar geological settings worldwide.



Methodology

The analysis is executed through a series of well-defined steps using Python programming, specifically leveraging libraries such as rasterio, numpy, matplotlib, and scipy. The following sections outline the key components of the methodology:



1. Data Acquisition:

- The study utilizes Digital Elevation Model (DEM) data sourced from the Kopet Dagh region. The DEM is crucial for calculating terrain metrics that are indicative of surface stability and potential interruption zones.



2. Terrain Metrics Calculation:

- The program employs a function (calculate_terrain_metrics) to compute essential geomorphometric parameters:

- Slope: Calculated using numerical gradients, providing insights into terrain steepness.

- Aspect: Derived from slope calculations, indicating the direction of maximum slope.

- Curvature: Analyzed using second derivatives to understand surface shape.

- Topographic Position Index (TPI) and Terrain Ruggedness Index (TRI): These metrics assess local elevation variations and landscape complexity.



3. Surface Interruption Identification:

- The function identify_potential_faults integrates calculated terrain metrics to identify areas prone to surface interruption. This function employs edge detection algorithms (Canny) and morphological operations (skeletonization) to enhance interruption identification.

- A combined metric is derived through weighted normalization, emphasizing slope, curvature, TPI, TRI, and entropy.



4. Processing in Tiles:

- To manage large datasets effectively, the program processes the DEM in tiles, optimizing memory usage while ensuring comprehensive coverage across the study area.



5. Output Generation:

- The results are saved as GeoTIFF files (potential_interruptions.tif and combined_metric.tif), which can be further analyzed using GIS software.

- Visualization of results is achieved through matplotlib, producing informative plots that illustrate potential interruption locations and terrain metrics.



This methodology provides a robust framework for analyzing the geomorphology of the Kopet Dagh region using surface interruption theory, enabling a comprehensive assessment of the landscape's characteristics and potential geological hazards.

کلیدواژه‌ها English

Geomorphometric Analysis
Kopet Dagh Region
Surface Interruption Theory
Geospatial
  • توسلی، س، سپهر، ع، قادری، ع، 1402، بررسی ارتباط بین معیارهای تنوع زمینی و درجه حساسیت پذیری چشم اندازها در پهنه کپه داغ شرقی، پژوهش های ژئومورفولوژی کمی، دوره یازدهم، شماره چهار، صص 2298-210.

    جعفر بگلو، م، مقیمی، 1، یمانی، م، زمانزاده، س.م.، کامرانی دلیر، حمید، 1398، تحلیل مورفوتکتونیکی حوضه های آبریز کوهستان کرکس روی سامانه گسلی قم-زفره، پژوهش های ژئومورفولوژی کمی، دوره هشتم، شماره یک، صص 198-179.

    حسینی، س.، و محمدی، ع. (1398). بررسی ویژگی‌های ژئومورفولوژیکی کپه‌داغ با رویکرد توصیفی. فصلنامه علوم زمین، 28(2)، 120-135.

    زارع، م.، قهرمانی، ا.، و صفری، ح. (1395). تحلیل تکتونیکی گسل‌های کپه‌داغ با تأکید بر زمین‌لرزه‌های اخیر. مجله پژوهش‌های زمین‌شناسی ایران، 12(3)، 45-60.

    گورابی، ا.، کیا رستمی، فاطمه، 1399، تاثیر حرکات نو زمین ساخت بر شکل حوضه (مطالعه موردی حوضه آبریز رودک)، پژوهش های ژئومورفولوژی کمی، دوره نهم، شماره یک، صص 12-1.

    مقیمی، ا. (۱۳۸۹). ژئومورفولوژی ایران. تهران: انتشارات دانشگاه تهران.

    مقیمی، ا. (۱۳۹۰). اکوژئومورفولوژی و حقوق رودخانه. تهران: انتشارات دانشگاه تهران.

    مقیمی، ا. (۱۳۹۱). فلسفه تغییرات محیط (بر مبنای معرفت‌شناسی معنوی). تهران: انتشارات دانشگاه تهران.

    Alipoor, R., Poorkermani, M., Zare, M., & El Hamdouni, R. (2011). Active tectonic assessment around Rudbar Lorestan dam site, High Zagros Belt (SW of Iran). Geomorphology, 128(1-2), 1-14.

    Baize, S., Nurminen, F., Sarmiento, A., Dawson, T., Takao, M., Scotti, O., ... & Azuma, T. (2019). A worldwide and unified database of surface ruptures (SURE) for fault displacement hazard analyses. Seismological Research Letters, 90(4), 1511-1520.

    Bennett, M. R., & Glasser, N. F. (2009). Glacial Geology: Ice Sheets and Landforms. John Wiley & Sons.

    Bull, W. B. (2007). Tectonic Geomorphology of Mountains: A New Approach to Paleoseismology. Blackwell Publishing.

    Burbank, D. W., & Anderson, R. S. (2001). Tectonic Geomorphology* (1st ed.). Blackwell Science.

    Chorley, R. J., Schumm, S. A., & Sugden, D. E. (1984). Geomorphology*. Methuen.

    Conoscenti, C., Angileri, S., Cappadonia, C., Rotigliano, E., Agnesi, V., & Märker, M. (2016). Gully erosion susceptibility assessment by means of GIS-based logistic regression: A case of Sicily (Italy). Geomorphology, 204, 399-411.

    Dietrich, W. E., & Dunne, T. (1978). Sediment budget for a small catchment in mountainous terrain. Zeitschrift für Geomorphologie, 29(3), 191-206.

    ESRI. (2022). ArcGIS Pro Documentation. ESRI.

    Friedman, J. M., & Hupp, C. R. (2019). The role of vegetation in controlling sediment dynamics in river systems: Implications for geomorphology and ecology. Geomorphology, 332, 1-12. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2019.01.012

     

    • GDAL. (2022). GDAL Documentation. GDAL.
    • Gorabi.A, Kia Rostami.F, 1399. The Impact of Neotectonic Movements on the Shape of the Basin (Case Study of Roodak Basin), Quantitative Geomorphology Research, VOL: 1, NO: 2, PP: 1-12.

    Hartmann, W. K., & Quinlan, G. (1995). The Earth's Crust and Mantle. Springer.

    Hovius, N., Stark, C. P., & Allen, P. A. (1997). Sediment flux from a mountain belt derived by landslide mapping. Geology, 25(3), 231-234.

    Hosseini, S., & Mohammadi, A. (2019). "Investigation of geomorphological characteristics of the Kopet Dag with a descriptive approach." Quarterly Journal of Earth Sciences, 28(2), 120-135 (in Persian).

    Huggett, R. J. (2017). Fundamentals of Geomorphology. Routledge.

    IRSC. (2022). Iranian Seismological Center. Institute of Geophysics, University of Tehran.

    • Jafarbaglou.M, Moghimi.A, Yameni, M, Zamanzadeh, S,M, Kamrani Dalir, H, 1398. Morphotectonic Analysis of Watersheds in the Karkas Mountains on the Qom-Zefreh Fault System, Quantitative Geomorphology Research, VOL: 1, NO: 2, PP: 179-198.

    Keller, E. A., & Pinter, N. (2002). Active Tectonics: Earthquakes, Uplift, and Landscape (2nd ed.). Prentice Hall.

    Kennedy, B. A. (2015). Inventing the Earth: Ideas on Landscape Development Since 1740. Wiley-Blackwell.

    Leopold, L. B., Wolman, M. G., & Miller, J. P. (1964). Fluvial Processes in Geomorphology. W.H. Freeman and Company.

    Mackey, B. H., & Roering, J. J. (2011). Sediment yield, spatial characteristics, and the long-term evolution of active earthflows determined from airborne LiDAR and historical aerial photographs, Eel River, California. Geological Society of America Bulletin, 123(7-8), 1560-1576.

    Mokarram, M., & Sathyamoorthy, D. (2018). Modeling the relationship between elevation, aspect and spatial distribution of vegetation in the Darab Mountain, Iran, using remote sensing data. Modeling Earth Systems and Environment, 4(4), 1477-1488.

    • Moghimi, A. (2009). Geomorphology of Iran. Tehran: Tehran University Press.
    • Moghimi, A. (2011). Ecogeomorphology and River Law. Tehran: Tehran University Press.
    • Moghimi, A. (2012). Philosophy of Environmental Changes (Based on Spiritual Epistemology). Tehran: Tehran University Press.

    Pourghasemi, H. R., Yousefi, S., Kornejady, A., & Cerdà, A. (2020). Performance assessment of individual and ensemble data-mining techniques for gully erosion modeling. Science of the Total Environment, 609, 764-775.

    • Reichenbach, P., Rossi, M., Malamud, B. D., Mihir, M., & Guzzetti, F. (2018). A review of statistically-based landslide susceptibility models. Earth-Science Reviews, 180, 60-91.
    • Schumm, S. A., & Lichty, R. W. (1965). Time, Space, and Causality in Geomorphology. American Journal of Science, 263(2), 110-119.

    Sofia, G., Dalla Fontana, G., & Tarolli, P. (2016). High-resolution topography and anthropogenic feature extraction: testing geomorphometric parameters in floodplains. Hydrological Processes, 28(4), 2046-2061.

    Summerfield, M. A. (1991). Global Geomorphology: An Introduction to the Study of Landforms. Longman Scientific & Technical.

    Strahler, A. N. (1964). Quantitative Geomorphology of Drainage Basins and Channel Networks. In Handbook of Applied Hydrology (pp. 39-76). McGraw-Hill.

    Sweeney, K. E., Roering, J. J., & Ellis, C. (2018). Geomorphometric analysis of tectonic landscapes using digital elevation models." Earth Surface Processes and Landforms, 43(5), 1120-1135.

    Tarolli, P. (2014). High-resolution topography for understanding Earth surface processes: Opportunities and challenges. Geomorphology, 216, 295-312.

    Turcotte, D. L., & Schubert, G. (2002). Geodynamics: Applications of Continuum Physics to Geological Problems. John Wiley & Sons.

    Walker, R., & Jackson, J. (2004). "Active tectonics and geomorphology of the Kopet Dag region, NE Iran." Tectonics, 23(4), TC4012.

    USGS. (2022). Earthquake Hazards Program. United States Geological Survey.

    • Zare, M., Ghaffari, A., & Safari, H. (2016). "Tectonic analysis of active faults in the Kopet Dag with emphasis on recent earthquakes." Iranian Journal of Geological Research, 12(3), 45-60.

    Zhou,Y.&Chen,Y.(2020) Influence of tectonic activity on landscape evolution: A case study of the eastern Tibetan Plateau. Geomorphology,358:107073.