青藏高原东北缘黄河阶地类型及其成因

青藏高原东北缘黄河阶地类型及其成因

河流阶地成因的构造模式、气候模式以及未尽地区气候条件河流两岸的信息丰富，气候变化丰富。因此,阶地的发育年代、形成过程以及构造变形等一系列问题一直是新构造和古气候研究的重要内容。最近一、二十年来,由于多种新的测年技术与方法的发展和黄土-古土壤序列的建立,使我国北方干旱-半干旱地区河流阶地发育时间的确定取得了很大的进展1(李吉均等,1989;朱照宇,1989,1990;潘保田等,1991,1995;朱俊杰等,1995;熊尚发等,1997),并大大推动了阶地成因与构造运动、气候变化之间关系研究的深入开展(朱照宇等,1994;陈杰等,1996;熊尚发等,1997;朱照宇,1997;陈云等,1999)。河流阶地的形成受控于多种因素,但其中最重要的因素是新构造运动和古气候变化。构造抬升和气候变化以及二者共同作用,均可导致河流侧蚀与下蚀发生相互转换而形成阶地,因而有阐述河流阶地成因的构造模式和气候模式(熊尚发等,1997),以及构造-气候旋回控制阶地形成的观点(潘保田等,1995;陈云等,1999)。构造模式认为,河流阶地的发育主要受控于构造抬升,气候变化只起一定的作用,阶地发育时间并不与特定的气候状态严格对应。气候模式源于对第四纪以来构造相对稳定、地壳升降主要受冰盖生、消控制的欧洲与北美地区河流阶地的研究。在这里阶地的形成被归因于米兰科维奇天文周期控制的全球冰期-间冰期变化,其中冰期对应于河流的侧蚀加积期,间冰期对应于河流的下蚀切割期。构造-气候旋回的研究认为,河流阶地是在构造运动和气候变化共同控制下形成的,导致河流下切的构造抬升和导致河流加积的构造稳定时期分别与气候转为暖湿的间冰期和气候转为干冷的冰期之间存在着紧密的关系。从上述不同的观点可以看出,河流阶地的形成明显受所在地区构造和气候环境的控制,不同构造和气候环境下阶地形成的主控因素不同,具体取决于构造、气候或构造-气候耦合作用各自对河流影响的强度。从这种阶地成因随地域环境而改变的情况可进一步推知,在同一地区的不同时间同样有可能形成不同成因的阶地,特别是在第四纪以来构造运动和气候变化都非常活跃的地区,例如我国的青藏高原及其周边地区,因为在这样的地区第四纪以来各时期构造运动和气候变化的强度都不是恒定不变的。另外,对某一地区的某一地点(如构造区内的构造带)而言,阶地的形成除直接受这一地点本身构造活动过程的控制外,无疑还受更大区域构造背景和气候变化的影响。因此,某一具体地点或地段河流阶地的成因可能不是唯一的,并且还可能是多层次的,即既有反映区域控制因素的阶地,也有反映所在局部地点或地段构造活动的阶地,前者具有区域的可对比性,而后者往往无法进行区域的对比。野外常见同一构造区内不同构造地段河流阶地的级数明显不同,甚至相差很大,以及在不同地点阶地的对比中,有的符合于气候旋回,有的不符合于气候旋回,其原因可能就在于阶地的形成存在着这种多成因性和多层次性。通过对黄河米家山-天景山段河流阶地年龄的确定和对比研究,本文证实了上述推论的客观存在。1活动构造带的演变研究区位于青藏高原东北边缘的甘、宁交界地区。在这里,由于高原的强列隆起和向外的挤压扩展与侧向滑移,形成了海原-六盘山、香山-天景山、烟筒山和牛首山等4列向北东凸出的弧形构造山地,各山地之间夹压陷盆地,山地边缘发育挤压-左旋走滑活动断裂带,它们共同组成了本区弧形盆-山构造地貌格局(图1)。第四纪以来,区内沿断裂带的强烈走滑活动,造成了大量横跨断裂带的水系、山脊和地质体的水平错移,并在海原等大型活动断裂带内部发育了一系列非常典型的拉分盆地和局部挤压隆起(国家地震局地质研究所等,1990)。由于新构造运动的间歇性作用,区内层状地貌十分发育,各列山地除山顶面外,在山麓地带还不同程度地发育有多级剥蚀或冲洪积台地面,以及级数众多的河流阶地面。构造和地貌总体上显示,整个弧形构造区的构造活动强度由SW向NE逐渐减弱,其中海原构造带是本区规模最大、活动最强烈的活动构造带。黄河自青藏高原经陇西高地以SW-NE流向,通过红山峡、黑山峡、中卫-中宁盆地和牛首山西缘,斜贯了整个弧形构造区,并在沿线发育了级数众多的河流阶地。但不同构造地貌部位河谷形态和阶地的发育程度不尽相同。在强烈隆起的基岩山区,黄河多呈深切曲流形态,阶地很发育,一般有7～11级,最多达21级;在盆地或缓慢隆起的丘陵区,河道宽展,阶地级数较少,但一般也有4～6级。黄河米家山-天景山段跨越了弧形构造区中两条最重要的活动构造带——海原构造带和香山-天景山构造带,这也是区内黄河阶地最为发育的地段,在不同构造部位分布有10～21级阶地。我们对这些阶地进行了详细的野外考察,并用精度为1m的高度计对阶地高度做了系统的测量。2分类和发展特征2.1阶地特征和冲积层在海原构造带,黄河自米家山与哈思山之间通过,两山海拔高度分别为2240m和3010m,山顶残留古夷平面,海原活动断裂控制两山的北界和南界,并造成黄河河谷直接左旋错移3km(国家地震局地质研究所等,1990)。在黄河的凸岸米家山东坡分布21级阶地,最大拔河高度401m,其中除T1为堆积阶地外,其余均为基座和侵蚀阶地。由表1可看出,本处阶地具有如下显著特征:①级数多达21级,为研究区之最;②阶地沉积物薄,一般仅1～2m,最厚5m;③阶地面窄,绝大多数阶地面的宽度位于30～60m之间;④多数阶地面剥蚀较强烈,一些阶地面较窄的或坡度较大的阶地上的冲积层多呈残留状。此外,大部分阶地的基座由泥盆纪暗红色砂岩、砾岩构成,少数阶地基座由泥盆系和薄层中新世紫红色泥质角砾岩组成。泥盆纪地层产状:走向215°,倾角45°～60°。阶地冲积物主要为河床相卵砾石层,河漫滩相细粒层不发育。冲积层顶部偶见薄层黄土分布。保存较好的阶地顶面发育砾石钙膜,其厚度随阶地级数增大而变厚。因后期剥蚀作用,有的阶地上早期淀积有钙膜的砾石被搬运异地沉积,而在新的砾石层顶面又发育了晚期淀积的钙膜。例如,T19上新老钙膜的平均厚度分别为4.1mm和9.0mm,总厚13.1mm。2.2阶地的高度、高和基性特征由米家山离开海原构造带向北,黄河进入天景山块体西南部的中低山丘陵地区,阶地级数明显减少。在车木峡的河谷凸岸,黄河发育包括高度仅2～3m的最新一级低阶地在内共计11级阶地,其中T0、T1为堆积型,拔河高度分别为2～3m和16m;T8为嵌入型,拔河143m;其余阶地均为基座型,最大拔河高度为151m(表2)。本处阶地的最大特点是:①阶地沉积物厚度大,多数在7m以上,最厚为15m;②阶地面宽,多在100m以上,最宽达850m;③阶面上常有黄土覆盖,黄土底部多发育古土壤,例如T9上的褐红色古土壤厚0.3m,内含大量白色菌丝体和钙质团块,CaCO3含量高达30.68%,具有S7的特征。此处阶地基座主要由奥陶纪大理岩与砂岩、泥盆纪巨砾岩和二叠-三叠纪石英砂岩构成,阶地冲积物仍以河床相砾石层为主。因黄土覆盖的影响,阶地砾石钙膜多不发育,仅在T8和对岸同级的T2和T3上获得了测量数据。2.3关于侵蚀型阶地t2的特征黄河再向北经五佛寺进入香山-天景山构造带。在黑山峡河口一带共发育11级阶地(表3)。其中,T1～T10连续分布于夜明山东坡,T1拔河13m,为堆积阶地;T2～T9拔河介于30～140m之间,为基座阶地;T10拔河170m,为一基岩台坎,高出T9约30m,台面基岩风化剥蚀严重,无卵砾石分布,将它确定为阶地的主要依据是其明显的台坎形态及在山坡上所处的位置,但由于阶面剥蚀强烈其阶地属性尚存疑问,现暂定为侵蚀型阶地。T11位于峡口西约8km处的天景山断裂带北侧,此处厚2～4m的冲积卵砾石层直接覆盖在由N2红层构成的台地顶部,拔河215m,卵砾石定向测量总体显示由南向北的流向,砾石组分统计与夜明山阶地冲积层一致。由表3可见,以上11级阶地的许多特征,包括沉积物厚度、阶地面宽度、拔河高度、阶地级数、阶地面剥蚀程度等,均介于米家山阶地和车木峡阶地之间。由于后期环境适宜,本处阶地砾石钙膜发育并保存比较好,除T1已垦为农田和T10为侵蚀阶地外,其余阶地上均有钙膜发育,厚度由T2的大约0.2mm左右逐渐增大至T11的15mm左右。其中,T11的钙膜是研究区内所见到的发育最好、保存最好的钙膜,其最发育的层位厚度约0.2m,位于阶地面下0.2～0.5m的深度,或直接出露在地表。钙膜对砾石多呈半包裹状,厚度主要集中在13～18mm之间。这些砾石钙膜为阶地系统定年及横向对比提供了重要的条件。3砾石钙膜厚度的年龄测定在上述3处黄河阶地中,前人曾对黑山峡河口阶地开展过一些测年研究,但因测年方法所限仅获得了T3以下阶地的年龄。其中,T1、T2的14C年龄分别为4735±50a和17920±695a(韩文峰等,1993);T3有3个OSL测年数据,即68.7±5.1kaBP、91.6±7.2kaBP和100.3±7.2kaBP(田勤俭,1998),分别代表阶地剖面顶部薄层黄土及黄土之下冲积砂砾层和剖面中下部冲积砂层的年龄。另外,在地貌上T4与东侧中卫南山台子相当,南山台子前缘顶部洪积角砾层的OSL年龄为158.9±9.8ka(田勤俭,1998),因此推测T4的发育年代大约在15万年左右。为了能够获得较系统的年龄数据,我们在对弧形构造区内不同类型、不同级次地貌面特别是河流阶地的研究中,用土壤砾石钙膜方法确定它们的发育年代。砾石钙膜是干旱-半干旱地区冲洪积物土壤中常见的一种地质现象。它是在溶解有Ca2+和HCO-3的土壤水分向下渗透淋滤并至一定深度因蒸发失水后在砾石底部或整个表面逐渐淀积形成的(Birkeland,1974),其厚度与所在冲洪积地貌面形成以后经历时间的长短呈正相关,即地貌面的时代越老,钙膜沉积的厚度越大,反之,厚度越小。因此,砾石钙膜厚度可以作为一个良好的年代指标用于对冲洪积地貌面的定年(Pierce,1984;邢成起等,1998)。此外,钙膜的主要化学成份是CaCO3,因此其本身还可作为ESR方法的测年物质直接进行年龄测定。根据钙膜的这些特点,我们对区内冲洪积地貌面上的砾石钙膜厚度进行了系统的测量,对黑山峡河口部分阶地及附近一些冲洪积台地的砾石钙膜进行了ESR测年,由此获得了本区砾石钙膜厚度的平均累积速率为0.10mm/10ka,并建立了如下钙膜厚度-发育时间之间的经验计算公式:logy=1.03logx+1.968或y=92.942x1.03(r=0.998)(1)logy=1.03logx+1.968或y=92.942x1.03(r=0.998)(1)式中y为时间,以千年(ka)表示,x为地貌面土壤中砾石钙膜的平均厚度,以mm表示;同时确定了黑山峡河口一带T2～T11阶地的发育年代。所有这些研究结果以及砾石钙膜法的测年原理和野外厚度测量方法等内容都在我们最近完成并待刊的论文“干旱-半干旱地区砾石钙膜厚度与地貌面年代:黑山峡黄河阶地年龄的系统测定及其意义”中作了详细的论述,故此处不再赘述。现仅将测量的黑山峡河口各阶地砾石钙膜厚度的平均值和标准偏差以及年龄测定结果列于表4。表中阶地年龄结果的可靠性同时得到了已有14C、OSL年龄和古土壤对比及所测ESR年龄的印证,并与地质、地貌对比分析的地质时代完全相符。根据本区砾石钙膜厚度平均累积速率或(1)式和表1、表2中所列砾石钙膜平均厚度可计算得到米家山东坡和车木峡一些阶地的发育年代(表1、表2)。因后期剥蚀和黄土覆盖的影响,这两处阶地的砾石钙膜测量受到了限制,只获得了部分阶地的测量数据。尽管如此,它们仍为阶地定年和对比研究提供了宝贵的依据。此外,在车木峡等地的阶地上,黄土覆盖层底部多发育红色古土壤,其色调随阶地变老而变暗。通过地貌对比分析和对阶地上黄土层中古土壤的研究,车木峡T4、T6、T7、T9和T10阶地上黄土底层的红褐色古土壤分别大致可与标准黄土-古土壤系列(丁仲礼等,1990;岳乐平等,1996)中的S1、S3、S4、S7和S12对比。4民家山-天所处的阶段差异由上述可见,米家山、车木峡和黑山峡河口3处的黄河阶地都是很发育的,它们的共同特点是级数多,并且绝大多数为基座型阶地。因此,总体上反映出它们形成于区域地壳强烈隆升的大构造背景下。而其间的差异,又反映出各自所在地域构造活动的局部特点。米家山阶地级数多达21级,并且高度大、阶面窄、冲积层薄,突出显示了米家山强烈而快速的隆升性质;车木峡阶地和黑山峡河口阶地,级数少、阶面宽阔、高度小、冲积层厚度大和嵌入阶地的存在,显示它们所在地区的地壳处于相对缓慢的隆升过程中。阶地发育时间和河流下切速率的对比结果(表5)以及阶地位相图(图2)则更直观地反映了上述地壳运动的基本状况。综合表5、图2和表1～3可以得出如下初步结论:(1)不同时期以来的河流下切速率表明,黄河米家山-天景山段所在地区的构造抬升呈现逐渐增强的趋势,自1.57Ma、0.5Ma和0.14Ma以来,3处阶地的河流下切速率依次为0.14～0.27m/ka、0.24～0.52m/ka和0.49～0.71m/ka。此外,在同一时期内,米家山往往发育有较多的阶地和具有较大的河流下切速率,其同期河流下切幅度和速率一般为车木峡和黑山峡河口的1.5～2倍,显示了海原构造带的强烈活动性质。(2)不同时期阶地的高度不尽相同,3处阶地系列均显示存在3个形成多级20m以上较高阶地的时期,它们分别距今于1.57Ma、0.5Ma和0.14Ma前后,其间被高度仅几为几米或十余米的一系列低阶地所分隔。这可能显示了构造间歇性抬升的不同频次和不同级次的特征。(3)大约1.1Ma以来,黑山峡口阶地与车木峡阶地基本上属于同步发育,二者在阶地级数、宽度、沉积物厚度和阶地类型等方面基本一致;在阶地高度上,除早期的2级阶地(T9、T10)在黑山峡河口较大外,其余阶地也大体一致。反映它们发育在构造活动相似的背景下。5海原-天药山积分山内阶地特点由上述可知,本区河流阶地明显受构造隆升的制约,阶地的级数等发育特征均随构造带的变化而变化。在海原-天景山构造区内,海原构造山地第四纪以来隆升最强烈,因而发育了多达20余级的基座和侵蚀型阶地,阶地最大拔河高度达401m;而在隆升相对较弱的车木峡和黑山峡口地区,阶地级数明显减少,同期仅发育了10～11级基座型为主的阶地,阶地最大拔河高度也只有215m。此外,由于车木峡和黑山峡同处于天景山块体内,因此这两处阶地系列具有基本相同的级数和同步发育的特征。虽然不同构造带上阶地发育的级数不同,但前述阶地发育时间的横向对比显示,它们中的许多阶地又是同时发育的。这表明某一构造带上阶地系列的形成除受该构造带本身抬升作用的控制外,还受更大区域构造隆升的制约,这两种构造隆升均可导致该地河流下切而形成阶地,并共同组成统一的阶地系列。我们把这种在不同范围、不同级次的构造隆升作用下形成的阶地系列特征称为阶地构造作用的多层次性。在研究区的三处阶地系列中,共计存在两个层次的构造成因的阶地。其中,车木峡、黑山峡阶地系列及其与米家山东坡阶地系列中同时发育的阶地(表5中Tm1、Tm3、Tm4、Tm5、Tm6、Tm9、Tm11、Tm12、Tm16、Tm18和Tm21)为第一层次阶地,它们是在海原-天景山构造区整体抬升过程中形成的,代表了该构造区在1.57Ma以来的垂直构造运动状况;第二层次的阶地均位于米家山,它们是Tm2、Tm7、Tm8、Tm10、Tm13、Tm14、Tm15、Tm17、Tm19和Tm20,这些阶地是在海原构造山地独自抬升过程中发育的,反映了该构造山地本身在1.57Ma以来的构造隆升特征。由表1和表3所列阶地高度和沉积物厚度可计算出,自1.57Ma以来,第一层次各阶地所反映的河流下切幅度在米家山为216m,在黑山峡为212m,二者基本相同;第二层次各阶地所反映的米家山河流下切幅度为185m,与米家山和黑山峡河流下切总幅度之差即401-212=189m基本一致。这表明海原-天景山构造区在整体隆升过程中内部差异活动不大,而海原山地相对于天景山块体的抬升幅度(189m)主要是在第二层次各阶地发育过程中产生的。此外,在车木峡和黑山峡口阶地系列中,除车木峡的Tc0为高漫滩性质的低阶地外,其余阶地均为同步发育并都可与米家山东坡相应的阶地进行对比,这表明天景山块体在大约1.5～1.6Ma以来所发生的11次抬升都是伴随着海原构造山地的隆升进行的,也就是说,天景山块体相对于海原山地在这一时期内未发生过单独的抬升。由此还进一步表明,天景山块体的构造隆升很可能是受控于海原构造带,即后者的隆升既可以单独进行,又可以在一定时候带动前者一起隆升。阶地构造作用的多层次性同样还表现在更大范围不同河流阶地的对比上。以黑山峡口阶地作为海原-天景山构造区阶地系列的代表,与兰州地区黄河阶地、黄土高原地区河流阶地、宝鸡地区渭河阶地及北京地区河流阶地进行对比(表6),可以看出如下特点:(1)各地区的大部分阶地在发育时间上具有非常好的可对比性和一致性。自大约1.6Ma以来,同期发育的阶地共有6期,由老至新阶地级序和发育时间依次为,第一期:Th11、TL7,1.6Ma;第二期:Th10、TL5、Tht6下、Tw5、Tb6,1.1Ma或1.2Ma左右;第三期:Th9、Tx、Tht6上、Tw4、Tb5,0.74Ma或0.8Ma左右;第四期:Th8、TL4、Tht5、Tw3、Tb4,0.5Ma左右;第五期:Th4、TL3、Tht4、Tw2、Tb2,0.13～0.14Ma左右;第六期:Th1、TL1、Tht2、Tw1、Tb0,0.005～0.01Ma左右。其中,在兰州阶地系列中,虽未见有0.8Ma的阶地发育,但在邻近的同属于陇中盆地的循化和西宁地区均有这一级阶地的纪录(李吉均等,1996)。这6期阶地构成了我国北方大范围内形成的第一层次的河流阶地,它们同期发育的共同基础是第四纪以来主导我国大陆构造变动的青藏高原以及更广大范围的阶段性持续隆起。这些阶地所反映的构造抬升幅度,在大约1.6Ma以来,在兰州地区和海原-天景山地区依次为285m和155m;在大约1.2Ma以来,在兰州地区、海原-天景山地区、宝鸡地区和北京地区依次为185m、113m、155m和75m,总体显示了由西向东构造抬升幅度渐小的趋势。(2)不同期发育的地区性阶地为第二层次或次一级构造作用形成的阶地,其数量和所代表的构造抬升幅度均随地区不同而变化。在海原-天景山区,不同期阶地发育有5级(即Th7、Th6、Th5、Th3和Th2),构造抬升幅度(各阶地基座相对高度之和)为57m;在兰州地区和北京西山地区各有两级(即TL6、TL2和Tb3、Tb1),抬升量分别为45m和26m;在黄土高原地区仅发育有一级,即Tht3;而在宝鸡地区则没有不同期的阶地发育,这显然与第四纪以来渭河断陷盆地一直表现为下降的运动有关,在这里只发育了反映大范围地壳隆升的同期阶地。由此可见,不同期阶地明显受控于其所在地区本身的构造运动状况,与同期阶地相比,它们是在次一级的、局域范围内的构造隆升作用下形成的,它们的级数和抬升幅度代表了其所在地区构造隆升活动的强度。综合以上对研究区3处阶地系列和大范围内河流阶地系列的对比与多层次分析,最终我们可以在研究区确定出共3个层次的阶地(表7)。其中,第一层次阶地为在广大范围内同期形成的6期阶地系列,它们代表1.6Ma以来青藏高原隆升的次数和幅度;第二层次阶地为仅在海原-天景山构造区内同期发育的5级阶地,以及在兰州、黄土高原、宝鸡和北京西山地区发育的不同期阶地,它们代表1.6Ma以来所在构造区本身隆升的次数和幅度;第三层次阶地为发育在米家山东坡的10级不同期阶地,它们代表1.6Ma以来海原构造山地独自抬升的次数和幅度。6阶地与相关构造的关系将米家山、车木峡和黑山峡3处河流阶地的发育年代与黄土-古土壤序列(刘东生等,1997)进行对比,结果表明这些阶地的形成并不完全与特定的气候状态相对应,表现为有的阶地的下切期与相应古土壤发育时的间冰期对应,而有的阶地,特别是米家山的许多阶地则并不与间冰期对应,而是与黄土沉积时的冰期相对应。这似乎显示本地区阶地的形成与气候变化之间没有明显的关系。然而,当仔细分析那些发育年代与间冰期相对应的阶地的情况时,并按照上述所划分出的3个层次的阶地分别与黄土-古土壤系列进行对比时发现,那些发育年代与间冰期相对应的阶地大都属于第一层次的阶地,亦即反映青藏高原大范围构造隆升的第一层次阶地与气候变化之间的关系密切,其形成年代均与相应古土壤发育时的间冰期对应(表7),暗示导致河流下切的大范围构造抬升与强干冷期后同样可导致河流下切的气候暖湿期紧密相关,它们相伴而生,共同组成了构造-气候旋回。第二层次和第三层次阶地的发育年代与气候变化之间无统一特定的关系,显示它们的形成更主要地受控于海原-天景山构造区和海原构造带的隆升作用。7区域地质构造背景的阶地研究通过以上河流阶地的对比分析,揭示了阶地系列形成过程中构造作用的多层次性特征。区内所划分出的3个层次的河流阶地,分别代表青藏高原、海原-天景山构造区和海原构造带自1.6Ma以来各自隆升的次数、幅度及年代。大量研究表明,一个地区经历的构造运动在强度、级次、表现形式和影响范围上都是有变化的。河流阶地形成中构造作用的多层次性从一个侧面反映了构造运动的这种变化特征。因此,对阶地构造作用的多层次性进行深入的解剖、分析,无疑具有重要的意义:(1)首先,多层次分析可以把叠加在一个地方的不同范围、不同规模和不同级次的构造隆升作用区分开来,从而有助于正确认识它们各自隆升的状况,避免将某一处阶地系列笼统地归结为仅仅是某一地域范围构造抬升的结果。事实上,某一处阶地系列往往是多级次构造隆升作用的综合表现。(2)我国大陆地区,第四纪以来一直处于青藏高原强烈隆升的大构造背景下。这一构造背景可以在大范围内导致河流阶地的同期发育。然而,由于不同构造区带尚有其本身的、局域的构造活动特点及其响应的阶地,因此只有进行大范围的阶地对比和多层次性分析,才能获得比较确切的有关青藏高原第四纪构造隆升的状况,包括隆升的次数、幅度和具体年代。(3)大量研究表明,某一构造带的强震活动主要与该构造带本身的活动状况密切相关。通过阶地构造作用的多层次性分析,可以获得构造带本身的具体隆升状况及其有关数据。例如,在米家山的21级阶地系列中,反映该山地独自隆升的阶地有10级,其中绝大部分又形成于Q2以来,而这一时期也恰是海原构造带内第四纪拉分盆地大量发育并快速发展的时期。此外,根据该阶地系列中Tm2和Tm1的拔