天山晚第四纪河流阶地变形与构造意义

天山晚第四纪河流阶地变形与构造意义

草莓位于中亚的南部，全长约2500公里，宽250.350公里。它是亚洲最重要的年轻山脉之一。目前，对年表上升趋势和最新变形特征的研究已成为一个热点。印度板块与欧亚板块的碰撞导致了年表的强烈上升。这种碰撞导致了股骨在山地北部两侧形成一系列挤压覆盖层。根据研究马纳斯河北缘的地表地壳变化直径的相应年龄，这一事件发生在大约（23.8.3.8）米的距离。通过河流剖面的变形和年表研究，研究区域内晚第四纪地地壳运动的特征和地壳缩短率可以可靠确定。Avouc和杨晓平等人在北天山通过变形阶地的测量和年代学研究已经初步得到中国北天山山前逆断裂—背斜带的缩短速率.笔者于2002—2003年对天山北麓几条主要河流阶地进行了野外考察,特别是对塔西河上发育的河流阶地变形和纵向相对高度变化进行了实地测量,并结合前人得出的阶地形成年代资料,对阶地的变形特征、构造意义及其形成提出一些新的认识.1结构及构造背景塔西河位于新疆北天山中段的玛纳斯县境内,发源于依连哈比尔尕山北坡,全长120km,年平均径流量为2.32×108m3,横切吐谷鲁断展背斜.天山北麓是一个山前薄皮构造发育区,所形成的北天山山前断展褶皱系由三排冲断褶皱带构成,即南部山麓冲断褶皱带、霍尔果斯—玛纳斯—吐谷鲁冲断褶皱带、独山子—安集海冲断褶皱带(图1).塔西河所流经的吐谷鲁背斜位于准噶尔盆地南缘第二排冲断褶皱构造带上,地貌上表现为走向近东西的长条形山体,最高峰位于塔西河以东约2km处,海拔1381.1m,向东西两侧高度逐渐递减,为一典型的断裂扩展褶皱.在形成过程中,背斜中段前翼地层略有减薄,倾伏端前翼略有增厚.它开始形成于上新世末到早更新世初距今约2.92Ma.背斜最大缩短量为6000m,自开始形成以来平均缩短速率为2.06mm/a.2分类特征及变形分类2.1背斜缘结构亚砂地层.塔西河两岸不同程度地发育着三级阶地,所有阶地在靠近背斜核部均为基座阶地,背斜两侧则为堆积阶地.图2是穿过背斜核部塔西河阶地实测横剖面图现详述如下:Ⅲ级阶地在背斜南北两翼均有分布,在背斜段仅残存于零星的孤峰之上.阶地面被一层黄土覆盖其下为灰黑色砾石层,属典型的“二元结构”.此层黄土和灰黑色砾石层均具有在背斜核部厚度薄,两翼厚度大的特征.Ⅱ级阶地主要发育在塔西河西岸,在背斜北部与现代戈壁连为一体.阶地面宽阔平坦,由砾石和亚砂土组成.其中,在背斜核部,Ⅱ级和Ⅲ级阶地之间还发育次级阶地Ⅱh,主要由砂砾石组成.Ⅰ级阶地地势低平,主要分布于现在河谷中,阶地面由砂砾石、亚砂土等组成.阶地面拔河高度约5～18m.在背斜核部地区,还发育两个次级小阶地Ⅰh和Ⅰl.除此之外,由于吐谷鲁背斜的构造隆升,在塔西河切过吐谷鲁背斜核部地区,可以明显看到河流阶地的级数增加,现已发育了六级阶地.2.2塔河西阶地的实测测量2003年,我们采用GPS并结合1∶100000地形图对塔西河发育的各级阶地进行了精细测量.所使用的仪器是GARMIN厂生产的GPS,型号为eTrexSummit,其水平定位精度达到1～3m,在校准情况下,其高度测量精度达到±3m.在实际测量过程中,为求得更加精确的数据,对吐谷鲁背斜核部进行了加密测量.图3是塔西河阶地实测纵剖面图,从图中可以看出,阶地相对于现今的河床面均有不同程度的抬升.在吐谷鲁背斜处,可以明显看到由于褶皱隆起,阶地的变形幅度随之增大.从总的变形形态来看,河流阶地的变形特征同吐谷鲁背斜的形态基本一致,由于断展背斜的发育,阶地南翼变形缓,北翼陡.其中Ⅲ级阶地变形幅度最大,背斜核部处相对于现今的河床面抬升了约268mⅡ级阶地面发育连续完整,它的形态与Ⅲ级阶地相似,同样为一个南缓北陡的不对称背斜.从图中可以看出Ⅱ级阶地背斜核部最高点较Ⅲ级阶地明显北移约2km;Ⅰ级阶地同样较Ⅱ级阶核部最高点北移,体现了吐谷鲁断展背斜不断向北扩展的特点.Ⅱ级阶地和Ⅰ级阶地在背斜核部处相对于现今河流水平面分别抬升了约67m和18m.2.3吐谷鲁背斜隆升速率在每级阶地上系统采集了用于确定阶地形成年代的热释光样品和C14样品,由于实验数据还没有得到,因而暂时采用邓起东等所得到的年龄数据.需要特别指出的是,表1中整体抬升速率是用各级阶地间的高差除以相对隆升时间计算出来的.吐谷鲁背斜处的整体抬升速率,是吐谷鲁背斜褶皱隆起、天山地壳的区域性整体隆升以及气候因素造成的下蚀作用的综合结果.而最后一栏所显示的吐谷鲁背斜隆升速率则是在消除气候影响和区域性隆升影响因素之后确定的.从表中可以看出,吐谷鲁背斜的变形呈现脉动型特点,在距今约12～13ka时隆升的速率最快,达到9.67～14.5mm/a,平均隆升速率为2.06～3.57mm/a.3讨论和结论3.1气候偏转干冷条件下阶地成因模式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,可导致河流侧蚀与下蚀发生相互转换而形成阶地,熊尚发把河流阶地成因分为构造模式和气候模式2种,而潘保田和陈云则认为构造-气候旋回控制阶地的形成.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,在同一地区不同时间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.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.阶地形成的多成因性和多层次性对于塔西河河流阶地具有重要意义.关于天山北麓山前主要地貌单元的形成发育时期,已有不少学者作过研究.前人认为天山可以划分出4期冰期.高望峰冰期发生在200～300ka以前;下望峰冰期发生在140～170ka之前;上望峰冰期发生在10～20ka之前;新冰期发生在2～3.5ka之前,其间为间冰期.间冰期或冰后期气候湿润,因而河流以下切作用为主,冰期中所堆积的冰水冲洪积扇被下切,进而废弃形成阶地.天山位于欧亚大陆腹地,属于典型的内陆半干旱气候,山前的冲、洪积地貌和堆积物的形成与冰期和气候变化有直接关系.晚新生代印—藏碰撞的远程效应使天山再次活跃,现今GPS观测、变形的河流阶地研究均表明天山地区至今仍有较高速率的地壳变形.处于这样一个大的构造背景下,本区河流阶地的隆升必然要受到天山总体隆升的影响,因而构造因素在讨论本区阶地的形成是不可或缺的.从野外实地考察来看,Ⅲ级阶地发育连续而完整,从河口一直延伸到石门子水库,具有区域性的特点,达34km.后期主要受吐谷鲁背斜的隆升而发生一定程度的变形;从沉积物的发育特点来看,Ⅲ级阶地面被一层黄土覆盖,具有“二元结构”,而黄土一般被认为是寒冷干燥气候下的产物,应该是冰期的沉积,很可能形成于上望峰冰期的第二期冰水冲洪积扇,推测三级阶地是距今140～170ka的下望峰冰期的堆积产物,因而在Ⅲ级阶地的形成过程中,气候因素应是主导因素;Ⅱ级和Ⅰ级阶地均发育在距背斜核部5km范围之内,三级阶地间的小阶地则见于背斜核部,这表明阶地的形成与构造因素有关,但从沉积物特征看气候因素也是重要的.因而应该说它们的形成体现了多成因性和多层次性,是构造-气候相互耦合作用的结果.3.2河流阶地的形成与发育笔者通过对穿过吐谷鲁背斜核部的塔西河变形阶地的实地测量得到了各级阶地相对于现今河