Parameter estimation of river incision models of soft sedimentary rocks; A Case study on the Kamikita Coastal Plain, northeast Japan

高井 静霞 ; 三箇 智二*; 島田 太郎 ; 武田 聖司 

Takai, Shizuka; Sanga, Tomoji*; Shimada, Taro; Takeda, Seiji

河川侵食モデルの理解は、将来長期の地形変化を予測する上で重要である。岩盤河川に対する侵食モデル(Detachment-limited (DL) model:侵食速度, :流域面積、:河床勾配)では、Eが既知であれば、河床縦断形解析によりパラメータ(, , )を推定できる。先行研究ではBe濃度から算出された流域平均侵食速度に基づき、、様々な地質に対するパラメータ値がグローバルに整理されている。しかし、堆積軟岩に対してはデータが不足していた。さらに日本のような湿潤変動帯では、石英に乏しい堆積岩地域でのBeの測定は困難である。そこで本研究では、地殻変動(過去30万年間で約0.2mm/y)および地質(中新世更新世の堆積岩)が比較的一様な、青森県上北地域において河床縦断形解析を実施した。河川の下刻速度は、対象地域に広く分布する海成段丘(MIS5e, 7, 9, 11)から近似的に推定した。その結果、対象とした計6河川に対して、沖積域上端より上流の限られた範囲において、DL的な挙動が確認された。平均的な河川の凹型度()は0.44 0.10であり、動的平衡状態の河川に対する代表値に近い結果となった。が0.4-0.6の範囲において、河床勾配の指数項は一貫して1.14-1.34の非線形性を示し、先行研究でのグローバルな結果と一致した。この非線形性は、過去の海水準変動に対する過渡的な変化を反映している可能性が高く、これにより同程度の標高に遷急点が形成されたと考えられる。さらに推定された侵食係数K(10-10)は、一軸圧縮強度()とのグローバルな関係性()と類似し、基盤岩の地質がKに大きく影響することを裏付けた。

Understanding river incision model is crucial for predicting long-term landscape evolution. For the bedrock channel incision model (detachment-limited (DL) model: erosion rate where is drainage area, is channel gradient), parameters (, , and ), can be estimated via slope-area analysis if is known. Using Be denudation rate, previous studies globally compiled the parameter values for variable lithology. However, limited data availability for soft sedimentary rock restricts the applicability of global compilation. In addition, measuring the Be concentration in sedimentary rock is challenging in humid and tectonically active regions. To address this, slope-area analysis was conducted in the Kamikita Coastal Plain, Japan, where lithology (Miocene to Pleistocene sedimentary rocks) and uplift rate ( 0.2 mm y for the past 300 ka) are assumed to be uniform. River incision rates were derived approximately from widely distributed marine terraces (MIS 5e-11). For six target rivers, DL-like behaviour was confirmed in the limited areas located upstream of the alluvium distribution. The reference concavity was 0.44 0.10, typical for steady-state channels. Across the range of 0.4-0.6, the exponent consistently exhibited nonlinearity ranging between 1.14 to 1.34, which is consistent with the previous global compilations. This observed nonlinearity likely reflects transient landscape responses to past sea-level changes, which generated slope-break knickpoints at similar elevations. Finally, the estimated erosion coefficient (10-10) agreed with the global relationship with unconfined compressive strength (), supporting the significant influences of bedrock lithology on .