青藏高原東部邊緣地區(qū)第四紀(jì)泥石流發(fā)育特性研究

梁學(xué)戰(zhàn)，陳洪凱，唐紅梅

(重慶交通大學(xué)巖土工程研究所，重慶400074)

青藏高原東部邊緣地區(qū)，山高谷深，坡地物質(zhì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，加上季風(fēng)性暴雨侵襲，所以第四紀(jì)以來(lái)泥石流活動(dòng)十分頻繁。很多學(xué)者通過(guò)對(duì)青藏高原東部邊緣地區(qū)第四紀(jì)泥石流堆積剖面的研究，發(fā)現(xiàn)了很多第四紀(jì)泥石流活動(dòng)的特點(diǎn)，其中比較有代表性的有:陳洪凱［1－2］等通過(guò)泥石流活動(dòng)與氣候變化的關(guān)系，對(duì)青藏高原東部邊緣地區(qū)幾個(gè)典型泥石流堆積剖面進(jìn)行分析，指出溫(或熱)濕、涼(或冷)濕氣候均有利于泥石流的活動(dòng)，泥石流活動(dòng)與氣候變化的干濕周期變化比較吻合;李永化［3－4］等參考絕對(duì)年齡測(cè)試結(jié)果、基于地球化學(xué)分析和區(qū)域地層對(duì)比等手段，對(duì)青藏高原東部邊緣多個(gè)第四紀(jì)泥石流堆積剖面進(jìn)行了分析，指出泥石流發(fā)育與區(qū)域乃至全球性氣候波動(dòng)呈現(xiàn)出大致同步的規(guī)律性;史正濤［5］等根據(jù)不同時(shí)期泥石流堆積體分布的地貌部位、巖相特征、堆積體及其上發(fā)育的古土壤的化學(xué)特征、孢粉組臺(tái)和部分絕對(duì)年代資料，將小江流域的泥石流活動(dòng)初步劃分5個(gè)強(qiáng)盛期，各期泥石流都是暴雨型泥石流。

文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)者對(duì)青藏高原東部邊緣地區(qū)第四紀(jì)泥石流活動(dòng)規(guī)律的研究主要是以氣候的周期性變化為依據(jù)，特別是冰期與間冰期的周期旋回，但是通過(guò)對(duì)青藏高原東部邊緣地區(qū)第四紀(jì)泥石流沉積層大量的實(shí)地考查和資料分析發(fā)現(xiàn)，控制泥石流活動(dòng)周期是多種環(huán)境因素相互耦合作用的結(jié)果，并且不同區(qū)域有不同的主控因素。古泥石流的研究可以幫助我們尋找現(xiàn)代泥石流廣泛發(fā)育的歷史原因［6］，因此通過(guò)對(duì)青藏高原東部邊緣地區(qū)最具代表性、泥石流發(fā)育最嚴(yán)重(爆發(fā)頻繁、強(qiáng)度大)的白龍江流域、小江流域古泥石流發(fā)育特性的研究，結(jié)合現(xiàn)代泥石流發(fā)育的環(huán)境［7－8］，就可以了解不同區(qū)域、不同溝谷泥石流的發(fā)育規(guī)律，預(yù)測(cè)它的發(fā)展趨勢(shì)，為現(xiàn)代泥石流的工程防治提供理論依據(jù)［9］。

1 代表性泥石流沉積剖面

在每一級(jí)階地上選取有代表性的泥石流堆積剖面，以階地形成的先后順序來(lái)分析白龍江流域和小江流域第四紀(jì)以來(lái)的泥石流活動(dòng)過(guò)程，因?yàn)樵谙噜弲^(qū)域，階地形成越早其拔河高程越高，所以把階地沉積剖面按剖面頂部的拔河高程在同一張坐標(biāo)圖上描出(圖1、圖3)，通過(guò)分析泥石流堆積層在階地剖面中的分布特點(diǎn)并結(jié)合泥石流堆積層的側(cè)年數(shù)據(jù)(圖2、圖4)對(duì)兩流域的第四紀(jì)泥石流活動(dòng)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比。

1.1 白龍江流域代表性泥石流堆積剖面及年代

白龍江流域代表性泥石流堆積剖面特征按拔河高程(圖1)及堆積年代(圖2)依次為:

T6剖面以舟曲縣城東山頂剃頭坡混雜堆積層為代表，頂面距江面395m，泥石流堆積層厚2m，通過(guò)與蘭州附近的黃河階地［10］進(jìn)行對(duì)比分析，可以推斷這一時(shí)期泥石流大約發(fā)育于1.5 Ma B.P.。T5階地為侵蝕階地，在舟曲、迭部一帶均未發(fā)現(xiàn)泥石流堆積層，基巖臺(tái)面上直接覆8～10m厚的黃土。T4在隴南市區(qū)后山泉家溝一帶的白龍江邊，階地面拔河280m，階地下部，可以見(jiàn)到一期泥石流堆積，厚度約30余m，根據(jù)泥石流堆積物分布的地貌部位、膠結(jié)程度以及與離石黃土的沉積接觸關(guān)系可以推斷，泥石流堆積層形成于早更新世末至中更新世初(約0.73 Ma B.P.)［3］。T3見(jiàn)于白龍江中游地區(qū)柳城鎮(zhèn)磚廠附近，頂面拔河約134m，階地剖面中有明顯的3期泥石流堆積。泥石流堆積①和②均厚30余m，泥石流相①和②初步估計(jì)分別形成于42.5～56.5萬(wàn) a B.P.和16.5 ～24.5 萬(wàn) a B.P.;剖面頂部為 10余m厚的風(fēng)成黃土，黃土中發(fā)育有7層古土壤和1m厚的泥石流堆積 ③ ，泥石流相層下部黃土年齡為(116.8 ±9.9)ka B.P.(TL)，因此，該階地屬于中更新世的產(chǎn)物［1］。T2階地在武都縣城附近白龍江對(duì)岸三河沿岸的柏林寺附近階地剖面，階地頂部距河面約59m，河流相沉積上覆30m厚的馬蘭黃土，馬蘭黃土地層中經(jīng)常見(jiàn)到夾有小股泥石流透鏡體，測(cè)得其朽木年齡為49.5 ka，14C及熱釋光年齡為52 ～25 ka B.P.［11－12］，可知這一時(shí)期泥石流的發(fā)生時(shí)間大約在50～25 ka B.P.左右。T1階地在沿白龍江沿岸的許多溝口附近形成兩級(jí)或三級(jí)泥石流扇形地，階地一般高出河面5～8m，它直接覆蓋在河流礫石層之上，許多泥石流扇直抵江邊，經(jīng)14C年代測(cè)定，年齡在4～5 ka B.P.?，F(xiàn)代泥石流堆積，由于人類活動(dòng)的參與，3 ka來(lái)流域內(nèi)的泥石流規(guī)模及范圍與前期相比有擴(kuò)大趨勢(shì)。

圖1 白龍江流域代表性泥石流堆積剖面Fig.1 Typical debris flow deposition profile in Bailongjiang River basin

圖2 白龍江流域泥石流堆積剖面地質(zhì)年代Fig.2 Geological age of debris flow deposition profile in Bailongjiang River basin

1.2 小江流域代表性泥石流堆積剖面及年代

在小江流域，小江河谷地貌在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響下，形成了明顯的7級(jí)階(臺(tái))地，且每級(jí)臺(tái)地均有泥石流發(fā)育，代表性泥石流堆積剖面(圖3)及沉積年代(圖4)按拔河高程依次為:

圖3 小江流域代表性泥石流堆積剖面Fig.3 Typical debris flow deposition profile in Xiaojiang River basin

在小江河谷最高一級(jí)階(臺(tái))地(T6或T7)以位于蔣家溝附近的多照溝臺(tái)地下部的臺(tái)地沉積為代表(圖3)，剖面頂部拔河1 000m，有2層巨厚的泥石流堆積層，分別形成于元謀運(yùn)動(dòng)和金沙江運(yùn)動(dòng)，兩層泥石流相均夾于厚層的河流相及洪積扇相沉積物之中［13］，ESR 年代為 1.42 Ma B.P.［14］。在小江流域上雞冠石臺(tái)地剖面，位于海拔1 450～1 600m的T5階地，頂面拔河高度530m臺(tái)地沉積地層厚約90m，下部為是泥石流和水石流混雜堆積物;中部為1套厚達(dá)70m的泥石流堆積層;上部為1套紅色黏土層，山原紅壤發(fā)育年齡測(cè)算年0.985 Ma B.P.［13］，屬于小江流域早更新世晚期的泥石流堆積物。在上雞冠石臺(tái)地剖面下部T4階地上，有厚度74m的下雞冠石臺(tái)地剖面，頂面拔河高度320m，泥石流以多層具有懸浮分選遞變性質(zhì)的泥粒層組成，ESR年代為0.562 Ma B.P.［13］。小江河谷T3階地上堆積了厚層的泥石流臺(tái)地，代表性剖面為蔣家溝溝口外的泥得坪臺(tái)地，頂面拔河280m，總厚度106m，地層巖性分為3層，下部為亞黏土、粉砂夾礫石層組成;中部為厚度85m的泥石流堆積物;上部為紅色黏土、亞黏土層和1層夾有紅色黏土、亞黏土的礫石層，ESR測(cè)年為0.218 Ma B.P.。T2階地選擇在蔣家溝溝口對(duì)面、小江的左岸的達(dá)朵臺(tái)地剖面，為1座高出小江江面約200m的堆積臺(tái)地，沉積地層總厚195m左右，泥石流堆積與河流沉積交互堆積，ESR測(cè)年結(jié)果為14 ka B.P.左右。在小江流域沿岸較大支溝T1階地上部覆蓋有大規(guī)模的泥石流堆積扇，以小江沿岸拔河約40m何家堡剖面為代表，剖面總厚度22m，下部為褐色黏土層，厚約4m，其ESR年齡為 7.3 ka B.P.［14］，上段為近代泥石流堆積層。現(xiàn)代泥石流堆積，與白龍江流域相似，3 ka來(lái)由于人類活動(dòng)的參與，流域內(nèi)的泥石流規(guī)模及范圍與前期相比有擴(kuò)大趨勢(shì)。

圖4 小江流域泥石流堆積剖面地質(zhì)年代［15］Fig.4 Geological age of debris flow deposition profile in Xiaojiang River basin

2 泥石流活動(dòng)分期

根據(jù)以上對(duì)代表性泥石流堆積剖面的分析，按階梯形成的先后順序和泥石流活動(dòng)的時(shí)間規(guī)律，結(jié)合泥石流沉積層的測(cè)年數(shù)據(jù)(圖2、圖4)，可系統(tǒng)的對(duì)小江流域和白龍江流域泥石流活動(dòng)進(jìn)行分期，白龍江流域及小江流域在第四紀(jì)時(shí)期內(nèi)的泥石流活動(dòng)均可分為8期(表1、表2)。

表1 白龍江流域第四紀(jì)泥石流活動(dòng)周期劃分Tab.1 Division of the Quaternary debris flow activity period in Bailongjiang River basin

表2 小江流域第四紀(jì)泥石流活周期劃分［15］Tab.2 Division of the Quaternary debris flow activity period in Xiaojiang River basin

3 泥石流活動(dòng)與冰期、間冰期氣候特征比較

根據(jù)文獻(xiàn)［1］、文獻(xiàn)［16－18］可知，青藏高原東部邊緣山區(qū)自第四紀(jì)以來(lái)泥石流多屬于暴雨泥石流，不同的泥石流形成區(qū)在冰期、間冰期泥石流活動(dòng)特征不同。

3.1 間冰期

第四紀(jì)期間，季風(fēng)環(huán)流已經(jīng)形成，間冰期的所處的氣候環(huán)境與現(xiàn)代氣候環(huán)境概況大致相同。

緯度位置較低的小江流域在間冰期的早期，在低緯行星風(fēng)系向北擴(kuò)展的過(guò)程中，南部洋面的濕潤(rùn)氣流北上頻繁，當(dāng)同滯留在小江流域北方來(lái)的冷空氣相遇時(shí)，常形成鋒面，降雨充沛［19］，泥石流活動(dòng)頻繁。在間冰期的夏季，西南季風(fēng)更加強(qiáng)烈，降水更加豐沛，在地表物質(zhì)處于一定數(shù)量的情況下，形成的泥石流以稀性或加沙水流為主，而且這一時(shí)期的河流水量較大，河谷兩側(cè)的泥石流容易被河水搬運(yùn)帶走，因此這一時(shí)期形成泥石流堆積層較少，在泥石流堆積層中顯示的是泥石流活動(dòng)較弱期。位于青藏高原東北邊緣的白龍江流域緯度較高，間冰期在低緯行星風(fēng)系向北擴(kuò)展的過(guò)程中，南部洋面的濕潤(rùn)氣流在北上的過(guò)程中，受地形及其它大氣環(huán)流的阻擋作用到達(dá)白龍江流域與北下的冷空氣相遇時(shí)水汽減少，勢(shì)力減弱，形成的鋒面強(qiáng)度遠(yuǎn)小于小江流域，降水較少，所以形成泥石流以黏性和亞黏性為主，地表徑流較少，容易形成泥石流堆積層。

3.2 冰期

根據(jù)李吉均［20］等的研究，冰期時(shí)的大氣環(huán)流形式如圖5。由圖5可知，隨著冰期來(lái)臨，位于北緯40°～60°的西風(fēng)帶南移，在青藏高原西側(cè)由于青藏高原的阻擋，分為南北兩支西風(fēng)激流，且終年存在。

小江流域在北緯25°45'～26°35'，由圖 5 可知，南支西風(fēng)激流影響小江流域。在冰期的夏季，西風(fēng)帶較冬季時(shí)北移，繞青藏高原南側(cè)的南支西風(fēng)激流勢(shì)力收斂減弱，但仍然維持在小江流域附近。而夏季太陽(yáng)直射點(diǎn)北移，小江流域位于熱赤道附近，小江流域地面增溫使地面空氣受熱上升，從而誘導(dǎo)南部洋面西南季風(fēng)的濕潤(rùn)氣流由南向北推進(jìn)至小江流域附近，與南支西風(fēng)激流輻合形成鋒面，產(chǎn)生冰期期間的主要降雨過(guò)程。所以冰期時(shí)小江流域降水依然存在，只是降水減少，如果具備足夠的地表松散物質(zhì)和合適的坡度條件，就會(huì)形成粘性較大的泥石流，而且由于此時(shí)小江河流徑流量較小，小江兩岸泥石流堆積作用明顯。

白龍江流域緯度位置較小江流域高，由圖5可以看出，整個(gè)冰期期間都受到西風(fēng)帶繞青藏高原的北支西風(fēng)激流的影響，且西風(fēng)的勢(shì)力較強(qiáng)。即使在夏季西風(fēng)帶北移，在緯度較高的白龍江流域依然受到勢(shì)力強(qiáng)勁的西風(fēng)激流的影響，南部洋面的暖濕的西南季風(fēng)和東部洋面濕潤(rùn)的東南季風(fēng)，很難到達(dá)白龍江流域附近，不容易產(chǎn)生降雨，形成了白龍江流域冰期干冷的氣候，此時(shí)白龍江流域難以形成泥石流。

圖5 末次冰期中的夏季環(huán)流形式［20］Fig.5 Form of summer circulation in the last glacial stage

4 泥石流發(fā)育過(guò)程分析

根據(jù)對(duì)青藏高原東部邊緣地區(qū)泥石流堆積層及活動(dòng)周期的分析，結(jié)合泥石流活動(dòng)與冰期間冰期氣候特征的比較，青藏高原東部邊緣地區(qū)泥石流活動(dòng)過(guò)程表現(xiàn)出一致性和非平衡性的特點(diǎn)。

4.1 泥石流發(fā)育過(guò)程的一致性

1)小江流域與白龍江第四紀(jì)泥石流活動(dòng)劃分的期數(shù)基本相同，均可劃分為8期泥石流，且其年代有一定的相關(guān)性。

2)泥石流開(kāi)始發(fā)育的最早年代基本相同。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái)，當(dāng)早更新世青藏高原面平均海拔高度上升到2 000m時(shí)，現(xiàn)代東亞季風(fēng)環(huán)流尤其是印度洋季風(fēng)(即西南季風(fēng))的形成，早更新世季風(fēng)的形成給處于季風(fēng)邊緣帶的青藏高原東部邊緣地區(qū)帶來(lái)暴雨天氣，為泥石流的發(fā)生提供了誘發(fā)因子，受青藏高原新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái)階段性隆升的影響［10］，本區(qū)也呈區(qū)域性的間歇式抬升，間歇式抬升不僅為泥石流發(fā)生提供合適的地貌條件，也為泥石流發(fā)生提供了豐富的松散固體物質(zhì)，所以青藏高原東部邊緣地區(qū)泥石流發(fā)生的最早時(shí)間均在早更新世。

3)青藏高原東部邊緣地區(qū)間冰期暖濕環(huán)境均有泥石流發(fā)育。

4.2 泥石流發(fā)育過(guò)程的非平衡性

1)泥石流堆積剖面結(jié)構(gòu)不同。小江流域泥石流堆積剖面在地層中連續(xù)性較好，幾乎分布在每個(gè)地層，稀性泥石流、亞黏性泥石流、水石流居多;而白龍江流域泥石流堆積剖面連續(xù)性不好，在地層中缺失較多，黏性泥石流居多。說(shuō)明小江流域的泥石流活動(dòng)幾乎貫穿整個(gè)第四紀(jì)時(shí)期，很少間斷;而甘肅白龍江流域第四紀(jì)期間泥石流活動(dòng)間歇期長(zhǎng)、間斷較多。

2)冰期環(huán)境的泥石流活動(dòng)差異大，間冰期堆積作用不同。小江流域冰期夏季降水依然存在，泥石流發(fā)育，且泥石流堆積較大;而白龍江流域在冰期不容易產(chǎn)生降雨，冰期時(shí)難以形成泥石流;間冰期小江流域降水多，地表徑流過(guò)大，堆積作用小于白龍江流域，泥石流堆積層較少。

3)泥石流活動(dòng)周期的主控因素不同。緯度較低的小江流域，第四紀(jì)泥石流堆積層與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的間歇抬升［17］有很好的共軛關(guān)系，即每次新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后都會(huì)發(fā)育泥石流，在地貌上表現(xiàn)在每一階地形成后或每一構(gòu)造期后不管氣候處于冰期還是間冰期都會(huì)有泥石流發(fā)生，產(chǎn)生泥石流堆積層，隨著新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的間歇性平靜，大量松散物質(zhì)消耗殆盡，大的地表起伏逐漸平緩，泥石流活動(dòng)逐漸消失，這樣小江流域的一個(gè)泥石流活動(dòng)期至此得以完成，直到出現(xiàn)下一個(gè)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，所以第四紀(jì)以來(lái)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了小江流域泥石流大的活動(dòng)周期。

緯度較高的白龍江流域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與泥石流沉積層的共軛性較差，第5級(jí)階地沒(méi)發(fā)現(xiàn)泥石流沉積層，第3級(jí)階地有3期泥石流發(fā)育(圖1)。當(dāng)一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)間歇性抬升活動(dòng)發(fā)生之后，氣候期處在間冰期或冰期的間冰段時(shí)會(huì)發(fā)生泥石流，而處于冰期時(shí)受干燥的西風(fēng)控制，降水少，一般不會(huì)有泥石流發(fā)生。若一次新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)完全與干冷氣候相對(duì)應(yīng)，即使有需要的地貌條件和豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，在此次新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期間將不會(huì)有泥石流發(fā)生;若一次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中有若干次冷干和暖濕氣候的劇烈變化，則會(huì)出現(xiàn)多次泥石流發(fā)育期，所以第四紀(jì)以來(lái)冷干與暖濕的氣候周期旋回控制了白龍江流域的第四紀(jì)泥石流活動(dòng)周期。

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)青藏高原東部邊緣地區(qū)各階地剖面的分析，第四紀(jì)以來(lái)青藏高原東部邊緣地區(qū)泥石流活動(dòng)具有周期性特點(diǎn)，根據(jù)階地、泥石流沉積剖面與地質(zhì)年代的關(guān)系，把白龍江流域和小江流域第四紀(jì)以來(lái)的泥石流活動(dòng)周期均分為8期。

2)根據(jù)對(duì)青藏高原東部邊緣地區(qū)泥石流堆積及活動(dòng)周期的分析，結(jié)合泥石流活動(dòng)與冰期間冰期氣候特征的比較，得出青藏高原東部邊遠(yuǎn)地區(qū)第四紀(jì)泥石流活動(dòng)過(guò)程既具有泥石流活動(dòng)周期數(shù)基本相同、泥石流開(kāi)始發(fā)育的最早年代基本相同、間冰期暖濕環(huán)境均有泥石流發(fā)育的一致性特點(diǎn)，也有泥石流剖面結(jié)構(gòu)不同、冰期環(huán)境的泥石流活動(dòng)差異大、泥石流活動(dòng)周期的主控因素不同的非平衡特性。

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