三峽地區(qū)極短周期內(nèi)剝蝕速率、下切速率及地表隆升速率對比研究

鄭月蓉 李 勇

（1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都610059；2.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，成都610066）

目前對三峽地區(qū)的研究主要集中在地貌形態(tài)、階地特征、峽谷特征和基于三峽水庫而進(jìn)行的地震、巖性等方面的研究。在三峽地區(qū)的成因分析中往往將內(nèi)、外力作用因素分別進(jìn)行研究，導(dǎo)致對長江三峽的形成原因、形成時(shí)間、階地劃分等都存在著較大分歧（B.Willis，1903；李四光，1924；葉良輔，1925；李春昱，1933；巴爾博，1936；李承三，1956；任美鍔，1958；沈玉昌，1965；楊達(dá)源，1988，1992；吳錫浩，1989，1998；蔣復(fù)初，1998；田陵君，1996；張葉春，1999；趙誠，1996，1998，2000；唐貴智，1997；李長安，1999；李吉均，2001）；并且缺乏對三峽峽谷地貌形成的動力過程的研究。迄今為止，尚無研究者從隆升作用、剝蝕作用及其與河流下切作用的耦合過程來研究三峽的形成過程和形成機(jī)制。隆升作用與剝蝕作用的相互作用過程的研究是近年來大陸巖石動力學(xué)和地球表面過程研究中最前沿的科學(xué)問題之一［1～4］，對理解山地的形成機(jī)理提供了新的線索，具有重要的理論意義。隆升作用是三峽地區(qū)新生代構(gòu)造作用的重要表現(xiàn)形式之一，剝蝕作用是影響三峽隆升速率的重要因素，但如何評價(jià)剝蝕作用在成山過程中的作用也成為當(dāng)前地貌學(xué)界研究的焦點(diǎn)問題之一［1，4］。

目前研究剝蝕的途徑主要有三種：一是研究土壤剝蝕［5］；二是通過研究水系14C等同位素來確定匯源區(qū)的剝蝕速率［6］；三主要是研究線性剝蝕與河流下切［3］。具體的研究方法有：（1）宇宙核素?zé)崮甏鷮W(xué)方法研究的是短周期平均值（幾千年至幾萬年）；（2）輸沙量研究的是極短周期的平均值（幾十年）；（3）利用數(shù)字高程模型和河流下切速率則往往是中周期均值（幾十萬年）；（4）利用裂變徑跡研究的是長周期均值（百萬年尺度）。

定量分析地表隆升的方法主要有古生物－古氣候法（利用一些對氣候條件敏感的古生物化石、古冰川遺跡、古土壤、古地貌等標(biāo)志來恢復(fù)地表隆升的歷史及隆升高度）、古地理法（利用巖相古地理標(biāo)志來確定隆升的幅度及過程）、地質(zhì)壓力法（通過測定特定時(shí)代形成的礦物壓力估算或流體包裹體的壓力，判斷形成的深度，從而判斷隆升歷史）、熱年代學(xué)法（認(rèn)為巖石在隆升的過程中冷卻，因此通過測定冷卻溫度就可以反映隆升的歷史，常用磷灰石裂變徑跡封閉溫度法來測定地質(zhì)歷史時(shí)期的隆升）、多重?cái)U(kuò)散域的40Ar／39Ar年齡譜法、變質(zhì)作用p－T－t軌跡法等［7～15］。

如果只從外動力地質(zhì)作用（大氣、水和生物在太陽能、重力能的影響下產(chǎn)生的動力對地球表層所進(jìn)行的各種作用）分析，地表發(fā)生風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、堆積，地貌被削高填低，其結(jié)果應(yīng)是地表起伏減?。坏菍?shí)際上三峽地區(qū)地表高低起伏，山高谷深。那么該地區(qū)的形成機(jī)制是什么？本文嘗試研究極短周期內(nèi)隆升、剝蝕以及下切之間的定量關(guān)系，從而定量分析三峽地區(qū)極短周期內(nèi)地貌形態(tài)的變化。

1 地質(zhì)地貌背景

長江三峽地區(qū)西起四川奉節(jié)，東至湖北宜昌，全長近200km，由瞿塘峽、巫峽和西陵峽組成；在地勢上位于中國第二階梯到第三階梯的過渡地帶，是長江的重要組成部分。從地質(zhì)結(jié)構(gòu)看，三峽地區(qū)位于揚(yáng)子地臺區(qū)，主要經(jīng)歷了三次較強(qiáng)的構(gòu)造運(yùn)動，即震旦紀(jì)前的晉寧運(yùn)動，侏羅紀(jì)末的燕山運(yùn)動和古近紀(jì)末的喜馬拉雅運(yùn)動。晉寧運(yùn)動期間形成了古老的結(jié)晶基底；燕山運(yùn)動全面褶皺；喜馬拉雅運(yùn)動除蓋層有輕度變形、少數(shù)斷裂有微弱的繼承性活動外，全區(qū)轉(zhuǎn)入以整體抬升為特征的新構(gòu)造運(yùn)動時(shí)期，其特點(diǎn)是隆起的不均勻性、掀斜性和間歇性，造就了長江兩岸的夷平面和階地。

2 根據(jù)輸沙量計(jì)算剝蝕速率

根據(jù)流域輸沙量計(jì)算和估計(jì)匯水區(qū)短周期剝蝕速率和剝蝕量是當(dāng)前較為成熟的一種方法［2，6］。三峽段流域面積為58×103km2，多年平均輸沙量為5.5×106t，即3.67×106m3／a。

影響地表剝蝕的因素主要有溫度、風(fēng)、流水等因素，但是在季風(fēng)氣候區(qū)，流水的作用（主要是長江）是主要因素（同一地區(qū)巖性視為不變）。

設(shè)長江在三峽段的年平均剝蝕速率為v1，則

其中：Qin為多年平均輸沙量（m3／a）；A0為三峽段的流域面積（km2）。

長江三峽段的剝蝕作用由化學(xué)剝蝕作用和機(jī)械剝蝕作用構(gòu)成，而由輸沙量計(jì)算的剝蝕作用只反映了機(jī)械剝蝕作用。據(jù)研究，河流的機(jī)械剝蝕速率與化學(xué)剝蝕速率之比為3∶1［6，16，17］；那么，長江在三峽段的化學(xué)剝蝕速率v2大約為0.021 mm／a。因此，長江三峽段在極短周期內(nèi)的總剝蝕速率應(yīng)為機(jī)械剝蝕速率（v1）和化學(xué)剝蝕速率（v2）之和，即

3 利用階地計(jì)算下切速率

對三峽地區(qū)階地的成因及劃分、年代測定，學(xué)者們有不盡相同的認(rèn)識。根據(jù)劉興詩［18］（1983）、楊達(dá)源［19］（1990）、謝明［20］、陳寶沖［21］（1996）、田陵君［22］（1996）、李吉均［23］（2001）等人對三峽的研究資料，作者分別對宜昌、巫山、奉節(jié)三地的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，認(rèn)為三峽地區(qū)的下切速率大約為0.006～8.62mm／a。因?yàn)楸敬窝芯績H限于極短周期長江三峽流域的研究，因此，本文只對三峽地區(qū)一級階地的資料進(jìn)行分析，根據(jù)劉興詩利用化石及14C測年方法測定巫山一級階地的大致估計(jì)值，計(jì)算出一級階地下切速率為0.013～5.83 mm／a；根據(jù)楊達(dá)源利用14C測年、熱釋光及古地磁方法推算三峽宜昌一級階地的時(shí)間計(jì)算宜昌一級階地的下切速率為4.875mm／a；而利用謝明14C測年數(shù)據(jù)計(jì)計(jì)算巫山的一級階地下切速率為8.62mm／a；利用陳寶沖14C測年數(shù)據(jù)可以算出奉節(jié)一級階地的下切速率為8.2mm／a，巫山一級階地下切速率為6mm／a，宜昌一級階地下切速率為3.125mm／a；利用田陵君數(shù)據(jù)計(jì)算出宜昌一級階地下切速率為5.25mm／a，奉節(jié)一級階地下切速率為4.71mm／a，巫山一級階地下切速率為4.80mm／a（表1）。對以上數(shù)據(jù)分析處理，可以推導(dǎo)出三峽地區(qū)一級階地的下切速率大約為3.025mm／a；國內(nèi)部分河流（金沙江、岷江、黃河）的下切速率在0.59～5.079mm／a之間［24～27］。

表1 三峽一級階地下切速率統(tǒng)計(jì)The incision rates in first terrace of the Three Gorges of the Yangtze River

我們分別做了宜昌、奉節(jié)、巫山階地年齡與高程圖（圖1），均顯示階地年齡與高程基本上呈線性關(guān)系。

4 地表隆升速率

地表隆升、地殼隆升不是同一個(gè)概念，地殼的隆升高度需要減去地表剝蝕厚度才等于地表隆升。三峽地區(qū)的隆升多是從歷史角度上進(jìn)行大致的演化推斷，至于隆升了多少，謝明利用不同的測年方法，以夷平面和階地為重要標(biāo)志，算出長江三峽地區(qū)自新構(gòu)造運(yùn)動以來的上升速率為0.21～0.73mm／a［20］。

周忠友等［28］采用李志昌等（2002）大老嶺超單元石英二長花崗巖的年齡 （786±54）Ma作為隆升開始年齡，將馬大銓等（1991）七里峽巖墻群全巖Rb－Sr年齡（750±54）Ma作為黃陵花崗巖的隆升結(jié)束，計(jì)算出黃陵花崗巖的平均隆升速率為0.45mm／a，并分析指出該隆升速率應(yīng)為黃陵地區(qū)的最小隆升速率。該速率應(yīng)為黃陵地區(qū)地質(zhì)歷史上的平均隆升速率。李愿軍（1991）［29］根據(jù)現(xiàn)代地殼變形測量和GPS測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)黃陵穹隆現(xiàn)今地表仍以整體隆升為主，相對于周邊地區(qū)其地表隆升速率最大可達(dá)5～10mm／a。因?yàn)楸疚难芯繉ο笫菢O短周期，因此我們采用后者的數(shù)據(jù)，取其平均值7.5mm／a作為三峽地區(qū)極短周期的地表隆升速率。

5 三峽地區(qū)極短周期下切速率與黃陵穹隆地表隆升速率之間的定量關(guān)系

河流階地的形成主要應(yīng)與構(gòu)造抬升、侵蝕基準(zhǔn)面和氣候變化相關(guān)，三峽地區(qū)的局部侵蝕基準(zhǔn)面是兩湖平原，兩湖平原控制了三峽地區(qū)的下切速率，且與三峽位于同一氣候帶，因此，可以將侵蝕基準(zhǔn)面和氣候變化對三峽階地的影響約束為一系數(shù)，則三峽的河流下切速率與隆升速率之間應(yīng)存在線性關(guān)系，可用以下算式來表達(dá)

其中：vr為河流下切速率；vs為表面隆升速率；K為侵蝕基準(zhǔn)面和氣候變化對階地形成的控制作用進(jìn)行約束的系數(shù)。

本文vr＝3.025mm／a，vs＝7.5mm／a，則K≈0.4，即三峽地區(qū)短周期河流下切速率與表面隆升速率的系數(shù)為0.4。表明三峽地區(qū)的下切速率與隆升速率之間的關(guān)系為：vr＝0.4vs，其地質(zhì)涵義為三峽地區(qū)的下切速率小于隆升速率。

6 結(jié)論

圖1 三峽地區(qū)階地年齡與高程圖The terrace age and elevation map of the Three Gorges area

三峽地區(qū)在地質(zhì)歷史時(shí)期形成比較穩(wěn)定的揚(yáng)子地臺以后，主要經(jīng)受了后期的抬升及剝蝕、下切作用，剝蝕作用分為面狀剝蝕和線性剝蝕，而河流下切作用是線狀剝蝕作用中的主要形式。三峽地區(qū)的表面隆升速率大于剝蝕速率，大約是剝蝕速率的89倍；下切速率大于剝蝕速率，大約是剝蝕速率的36倍；表面隆升速率同樣大于下切速率，大約是下切速率的2.5倍。三峽地區(qū)隆升大于剝蝕，也大于下切速率，說明三峽地區(qū)地表仍然在不斷地升高；而地表剝蝕速率小于下切速率，下切速率越來越快，說明地表將被進(jìn)一步切割加深。因此，三峽地貌在地殼構(gòu)造抬升的過程中，在較緩慢的面狀剝蝕和較快的河流線狀侵蝕的作用下，地貌出現(xiàn)高低起伏、山高谷深的形態(tài)，并有進(jìn)一步加劇的趨勢。

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