山西平陆黄底沟三门峡水库黄土阶地形成时代的确定

山西平陆黄底沟三门峡水库黄土阶地形成时代的确定

黄河的起源和发展在地理学界引起了人们的注意。它不仅与过去和现今人类的生活息息相关,而且与青藏高原、黄土高原、华北平原和黄、渤海陆架的演变有着紧密的成因联系,是综合反映东亚构造地貌和自然环境变迁的重大地质问题。晚上新世,受青藏高原剧烈隆升的影响,黄河中上游地区发育了一系列断陷盆地,这些盆地汇水成湖,当时的古湖有共和古湖、银川古湖、河套古湖、汾河古湖、渭河地堑古湖和三门峡古湖等,黄河是在贯通一系列古湖的基础上形成的。根据黄河中上游阶地,流域岩相古地理、地层、盆地构造演化和古生物及黄河下游邙山黄土,黄、渤海陆架沉积物等的研究,对黄河东流时代的认识主要有以下几种观点:始新世;早更新世;1.2~1.1MaB.P.;0.86MaB.P.;0.15MaB.P.[1,12,13,14,15,16,17,18];更新世末或全新世初。造成如此大的差异的原因,主要是不同研究者研究的地区和研究的角度不同。三门峡地区位于黄河中游末端,其上黄河流经一系列山地(构造抬升区)和盆地(构造沉陷区),其下则进入平坦的平原,是流域形态发生明显转折的关键地段。三门峡段基岩山地曾是黄河东流入海的最后一道关隘,地质历史时期曾使晋豫陕之间的汾渭下游平原及三门峡地区汇水形成古三门湖,并发育“三门系”河湖相沉积。最近的磁性地层研究表明,山西平陆县黄底沟剖面是已知记录三门古湖起始时间最早、结束时间最晚的地层剖面。王苏民等、王书兵等参照该剖面磁性地层建立的年代序列,通过该剖面的岩性、地层、构造及孢粉、碳酸盐、总有机碳等环境指标的分析,对三门系地层、构造、环境变化及古三门湖演变与黄河东流问题等进行了研究,依据湖相沉积顶部湖滨砂及附近黄河阶地上覆黄土的热释光测年结果,认为黄河切穿三门峡东流入海、古三门湖消亡的时间约为0.15MaB.P.。这与郑州附近的邙山黄土自古土壤层S1以来的高沉积速率所揭示的黄河东流时代相吻合。但对邙山黄土地层的划分一直存有异议。最近的研究认为,邙山黄土沉积速率剧增的层位是自古土壤S2发育以来。显然,以邙山黄土沉积速率突增层位佐证黄河贯通三门峡的时代的结果是不一致的,阶地是河流发育演化的最直接的地貌证据。前人对平陆黄底沟剖面的研究,侧重于古三门湖沉积和环境的演化,对黄底沟入三门峡水库附近阶地的研究较少。本文在前人工作的基础上,对这一地区的阶地做了细致的野外和室内工作,进一步探讨该地区阶地发育演化与古三门湖消亡、黄河贯通三门峡的时代等问题。1地域的层序古土壤层理黄底沟位于山西省平陆县东约5km的黄河三门峡水库北侧(34°50′N,111°17′E)(图1)。经流水侵蚀,黄底沟深约百米,两侧近直立的峭壁出露古三门系河湖相沉积。研究区位于黄底沟与三门峡水库的交汇处,距三门峡水电站西约7km。根据野外观察结果,黄底沟入三门峡水库处由北向南发育有一级湖滨阶地(T3)和两级黄河阶地(T2和T1)(图2)。各级阶地的特征如下。湖滨阶地T3:基座阶地。下部为古三门湖湖相沉积,湖相沉积最高层位为厚约36m,灰白、灰黄、浅红黄色的湖滨中、粗砂。湖滨砂从黄底村向东尖灭,向西增厚,砂层中可见砾石透镜体、粘土夹层(厚约20cm)和泥砾(约10~20cm),发育交错层理。湖滨砂上为厚约12m的黄土沉积,黄土的底部和距顶部约2m处发育两层古土壤。底部为一复合古土壤层,由两层红褐色粉砂质粘土夹一层灰黄色粘土质粉砂组成,厚约4.5m。上部古土壤厚约1.8m,发育钙质结核,结核大小约3cm。黄河阶地T2:堆积阶地,具有典型的河流阶地二元结构。阶地下部为厚约20m的砾石层与粉砂层互层;上部为河漫滩粉细砂沉积;砂层之上为厚约11m的黄土沉积。黄土中部发育一层厚约2.4m的古土壤层,土壤团粒结构明显,钙质胶结较硬,含较多碳酸盐白色菌丝体和钙结核,结核大小约3cm,多虫孔。黄土底部为一弱发育古土壤层。黄河阶地T1:堆积阶地。下部未出露砾石层,上部为厚约11m的黄土沉积,未见明显发育古土壤层。东延村及其主要耕地位于此阶地上。上述3级阶地均位于黄底沟西侧,黄底沟东侧也发育有同等阶地,但侵蚀破坏较为严重,仅湖滨阶地T3保存较好。由于T3阶地上覆黄土开始沉积的时间对确定古三门湖消亡的时代有重要意义,为了与黄底沟西侧的T3阶地上覆黄土地层进行对比,进一步确定T3阶地上覆黄土底部的年代,我们对黄底沟东侧阶地的上覆黄土也做了野外和室内工作,为论述方便,将该阶地称为湖滨阶地T′3。湖滨阶地T′3:位于黄底沟东侧,与其西侧的黄河阶地相距近千米,成一舌状向三门峡水库突出,地势略高于其西侧。由于侵蚀作用,该侧阶地破坏较严重,仅湖滨阶地上覆黄土保存较好,在阶地层位关系上与湖滨阶地T3相当。T′3向南,可见零碎的河流砾石沉积及上覆黄土,相当于河流阶地T2。T′3剖面黄土沉积厚约27m,发育多层古土壤,其中底部为复合古土壤层,由两层古土壤和一层黄土组成,厚约8m。距顶部约10m处发育一古土壤层,含有较多蜗牛化石、虫孔和钙质结核,结核大小约3cm。顶部为一厚约0.5m的古土壤层。2测试结果及分析野外观测T1,T2和T3顶部均没有发现古土壤层,T′3顶部发育有一厚约0.5m的古土壤层,根据中国黄土-古土壤序列,推测为古土壤S0。T2中部古土壤层、T3上部古土壤层和T′3距顶部约10m处的古土壤层岩相特征极为相似,均发育有3cm左右的钙质结核,推断为同一古土壤层S1。T3和T′3底部古土壤层推断为S2。黄土的磁化率不仅可以作为东亚季风演化的一个代用指标,而且也是区分黄土、古土壤及进行地层对比、划分的一个重要的手段。为了验证野外阶地上覆黄土地层划分的正确性,确定阶地上覆黄土地层的序列,对T2,T3和T′3阶地上覆黄土地层按10cm等间距采样,在中国科学院地球环境研究所进行磁化率测量。磁化率的测试结果如图3所示。T2阶地磁化率最高值达170×10-8m3/kg,显然该层为古土壤。这层古土壤的上、下部黄土中最高磁化率值120×10-8m3/kg,为黄土中的弱发育古土壤。T3阶地磁化率最高值在120×10-8~140×10-8m3/kg之间,正对应于底部和中上部的两个古土壤层。T′3阶地底部和距顶部约10m处的古土壤层的磁化率值大于120×10-8m3/kg。将阶地上覆黄土地层的磁化率曲线与研究程度较高的蓝田段家坡剖面S2以上的磁化率曲线对比,进一步确定T2,T3和T′3阶地上覆黄土地层的序列。如图3所示,T′3黄土地层的磁化率曲线与段家坡剖面S2以上地层的磁化率曲线极为相似。S0磁化率值较高;L1中间磁化率较高,两边较低,为一峰两谷;S1为一发育很好的古土壤层;L2黄土中间夹两层弱发育的古土壤,对应的磁化率值也较高;S2由两层古土壤夹一层弱发育古土壤组成,磁化率曲线表现为三峰两谷。通过与段家坡剖面的对比,可以确定T′3上覆黄土地层包含S0,L1,S1,L2和S2。T3上覆黄土地层的磁化率曲线与T′3和段家坡剖面S2以上地层也非常相似,但T3的S1以上地层有明显的缺失,这可能与T3阶地上覆黄土发育的地貌和人类活动的改造有关。T1,T2和T3阶地的黄土沉积顶部均为耕地,普遍缺失古土壤层S0,而T3阶地上的马兰黄土L1也显然有缺失。野外观测T3的顶面方圆不足百米,顶部由于人类的耕种被推平,形成梯田,因此,S0及L1的部分沉积可能已被人为破坏。只有T′3黄土沉积为一个大的塬面,S0发育且保存较好。根据野外观测、室内磁化率的测量结果及与蓝田段家坡已知黄土地层的对比,初步认为T1上覆黄土为马兰黄土L1;T2上覆黄土地层包括L2,S1和L1;T3上覆黄土地层包括S2,L2,S1和L1;T′3上覆黄土地层包括S2,L2,S1,L1和S0。3黄土-古土壤序列的年龄及我国地层划分的科学性光释光样品是在阶地上覆黄土陡坡表面挖进30cm左右避光采集,用铝罐或铝纸包装。采样位置如图2所示,T1剖面两个样品的采集位置分别位于距顶部3m和10m处;T2剖面的两个样品的采样位置分别位于距顶部3m和6m处;T3剖面采集3个样品,分别位于距顶部1.2m,6.2m和10.2m处。样品的测试在香港大学地球科学系完成,实验所用仪器为automatedRisøTL/OSLreader,型号OSL/TL-DA-15。用再生剂量法(SAR)获得石英的等效剂量。沉积环境中铀、钍及钾的含量所用仪器分别为LowLevelAlphaCounter7286和XRF。提取样品中>63μm的石英颗粒进行蓝光释光测年。黄土中石英的光释光信号在T3下部的两个样品中已经饱和,不能得到有效的年龄,其余5个样品的实验结果如表1所示。T1阶地上覆黄土底部年龄为49.2±3.8kaB.P.,显然为马兰黄土L1。T2阶地上覆黄土中古土壤的年龄为79.9±6.1kaB.P.,根据黄土-古土壤序列的年龄,为古土壤S1。T3阶地上覆黄土距顶部1.2m处的年龄为53.7±4.0kaB.P.,为马兰黄土L1,其下面的两个古土壤层为S1和S2。光释光测年的结果证实了本次阶地上覆黄土地层划分的正确性。中国黄土沉积具有连续性和区域可对比性,记录了陆地过去两百多万年的冰期-间冰期旋回的古气候演化历史。前人在古地磁年龄控制点下,用不同的方法建立了黄土-古土壤的时间序列,使得不同地区同一层位或同一地区不同层位的黄土、古土壤层有了较确切年龄。因此,只要能确定黄土沉积的序列,就可以确定其年代。这对于黄土沉积厚度较小,缺乏有效的古地磁年龄控制点(如B/M界限),但其年代又超出常规测年技术(14C以及光释光测年等)的黄土沉积年龄的确定非常有用。黄河中游及其众多支流在第四纪发育有多级河流阶地,且阶地上多为黄土覆盖。由于风成黄土堆积的连续性,阶地一旦形成,就开始接受黄土沉积。因此,阶地上覆黄土最底部的年代与阶地形成的年代相近。山西平陆黄底沟T3和T′3阶地上覆黄土地层最底部为古土壤S2,对应于深海氧同位素第7阶段,其底界的天文调协年龄为245kaB.P.;T2阶地上覆黄土最底部为L2中上部弱发育古土壤层L2-2,对应的年代为149kaB.P.;T1阶地上覆黄土最底部为L1中下部弱发育古土壤层,根据本文光释光年龄测试结果,年代约为50kaB.P.。因此,三门峡平陆黄底沟的3级阶地分别在245kaB.P.,149kaB.P.和50kaB.P.前形成。4黄河贯通三组地区古三门湖沉积广布于晋豫陕间黄河及渭河谷地,东起三门峡,西至宝鸡一带,南缘为秦岭北麓,北迄禹门口—龙门山一带。王书兵等对该区域不同地区剖面及钻井资料的分析,表明古三门湖相沉积自西向东迁移,西部消失较早,东部较晚。前人研究多认为,三门峡未被贯通前,古三门湖是一个封闭的内流体系,以三门系沉积终结为标志的古湖消亡,是东流黄河得以形成的前提,并认为黄河贯通三门峡、东流入海的时代为晚更新世。平陆黄底沟剖面是已知最东部的古三门湖沉积,湖滨阶地T3和T′3上覆黄土形成于古土壤S2发育时,年代约为245kaB.P.,这一时期为暖湿的间冰期,降雨量增大,会使古三门湖扩张,如果此时古三门湖没有外泻,湖相沉积顶部的白砂层应处于湖水的作用下,粉尘在这种沉积环境下不会原地保存并发育形成古土壤。所以,湖滨白砂层上覆黄土开始沉积的时间,代表了古三门湖开始外泻、消亡的时间。导致古三门湖水外泻的原因,推测与黄河切穿或部分切穿三门峡段基岩山地有关,东流入海的黄河可能已经形成。T2阶地为典型的河流阶地,其形成时代为149kaB.P.。T2阶地河床砾石层与河漫滩粉砂层交错,沉积厚度约20m,横向稳定出露的长度约700m,应为黄河形成的阶地。潘保田等以黄河中上游现存的一些河湖并存现象为例,认为在三门峡地区,湖泊的消失与黄河贯通三门峡、东流入海之间并没有必然的联系,三门峡地区现存的最老的阶地的年代,代表了黄河形成年代的上限,并根据三门峡地区和河南堰师市扣马附近黄河现存最老阶地的古地磁年代,认为黄河东流入海的格局分别在0.865MaB.P.和1.165MaB.P.前就已形成。Sun等根据黄河流域众多古湖消失、河流阶地及上覆黄土开始发育的时代,认为黄河在1.1MaB.P.前东流入海。黄河贯通三门峡,必定在其下游的沉积地层中有所记录。通过三门峡地区与孟津以东地区地层的对比研究,对于确定黄河贯通三门峡的时代有重要意义。河南黄河冲积平原与汾渭、三门峡盆地更新统介形类化石组合的对比研究表明:早更新世早期汾渭和三门峡盆地的介形类组合在三门峡以东的河南平原地区的下更新统中是见不到的;至早更新世晚期,汾渭盆地的介形类组合中的多数份子在河南平原地区也有出现,但到中更新世,两地介形类组合面貌具有明显的相似性。这表明汾渭盆地与河南平原之间的水系联系在早更新世晚期已经基本出现。这一观点支持黄河在1.1MaB.P.前贯通三门峡、东流入海。然而,对三门峡地区和孟津以东地区中更新统的沉积物的研究表明,这两个地区沉积物的成因类型和岩性的明显不同,表明三门峡地区和孟津地区在中更新世是互不连通的。这一结论与三门峡地区和河南黄河冲积平原介形类化石组合的研究结果相矛盾。由于黄河下游河南平原区的地层多被全新世冲积物覆盖,导致河南平原区的研究较少,已有的研究也很少关注黄河贯通三门峡时代的问题。因此,通过黄河中下游地层、古生物等的对比,确定黄河贯通三门峡的时代,需要进一步加强黄河下游平原的研究工作。郑州附近属砂黄土的邙山黄土,被认为是黄河贯通三门峡、东流入海的一个有力的证据。邙山黄土-古土壤层S2以下的黄土、古土壤的厚度与黄土高原相近,而S2以来的沉积速率和粒度突然增大,说明直到S2发育时,三门峡才被切开,导致黄河中游地区的侵蚀基准面下降,大量的侵蚀物质在孟津以东的宽阔平原地区堆积,形成巨大的冲积扇,为S2以来的邙山黄土沉积提供了丰富的近源粉尘物源,并在冬季偏北风吹扬下,就近堆积,形成邙山黄土S2以来的巨厚沉积。这一结论与平陆黄底沟古三门湖消失、最老阶地T3