蘭州莊浪河階地差分GPS測量與構(gòu)造變形分析①

劉興旺，袁道陽

（1．中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2．中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000；3．蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

莊浪河發(fā)育于祁連山地區(qū)，其上游稱為金強河，進入蘭州市永登縣境內(nèi)稱為莊浪河，在蘭州市河口地區(qū)匯入黃河，為黃河的一級支流，全長約160km（圖1）。沿莊浪河兩岸發(fā)育Ⅰ～Ⅳ級河流階地。由于地處構(gòu)造活動強烈的青藏塊體東北部邊緣，緊鄰莊浪河斷裂，其構(gòu)造活動引起了階地的變形［1］。莊浪河斷裂是本區(qū)的一條重要斷裂，歷史上曾發(fā)生過1440年永登6 1/4級地震和苦水5 1/2級地震［2］。1995年7月22日莊浪河西側(cè)又發(fā)生了永登5．8級地震［3－4］。由于莊浪河斷裂地表出露不清楚，所獲得的斷裂新活動性證據(jù)不充分，認識上也不統(tǒng)一，是長期以來想解決而又沒很好解決的重要斷裂。

階地是記錄構(gòu)造變形的良好地貌證據(jù)，利用階地變形研究新構(gòu)造運動也是一種重要的手段［5－7］。袁道陽等［1］曾用氣壓計研究本區(qū)階地變形，根據(jù)階地變形特征，認為該區(qū)的莊浪河斷裂為一逆斷裂－褶皺帶，屬斷裂擴展褶皺模式。然而氣壓計易受到環(huán)境的影響，誤差較大，存在較大的不確定性。本文在詳細劃分階地的基礎(chǔ)上，利用差分GPS實測莊浪河不同級別階地面和礫石層高度，做階地縱、橫剖面圖，進而探討莊浪河斷裂的新活動性及其構(gòu)造變形特征，獲得該區(qū)構(gòu)造活動的地貌學證據(jù)，以期對莊浪河階地發(fā)育和斷裂變形特征給出更明確的認識。

圖1 莊浪河地區(qū)DEM圖像Fig．1 DEM image of the Zhuanglang river region．

1 蘭州莊浪河階地發(fā)育分布特征及年代序列

沿莊浪河兩岸共發(fā)育了四級階地，其中東岸階地連續(xù)性好，發(fā)育較全，西岸零星發(fā)育。以張家磨為界，以北地區(qū)以堆積階地為主，沉積了厚層的風成黃土，以南地區(qū)均為基座階地，河谷狹窄。

Ⅰ級階地連續(xù)性好，發(fā)育普遍，以堆積階地為主，局部地方為基座階地，基座為白堊系磚紅色砂礫巖。階地面總體走向NNW，西岸狹窄，東岸寬闊。堆積階地上部為薄層土狀堆積物，下部為砂礫石層，礫石磨圓度中等，分選性一般。階地面拔河高度5～15m。在本次的研究中，我們選擇階地發(fā)育典型的沙溝附近（36°23′13．2″，103°23′41．4″）對I級階地采集了光釋光年代樣品。剖面如圖2所示，頂部0．7m為富含植物根系的灰黑土層，中間為黃土層，在距離地表2．8m的I級階地礫石層上部，上覆黃土層的底部，采了光釋光樣品，年齡為（4．9±0．5）ka B．P．。

圖2 莊浪河Ⅰ級階地樣品采集剖面（鏡像E）Fig．2 Sample collection section at T1of Zhuanglang river．

圖3 莊浪河Ⅱ級階地樣品采集剖面（鏡像E）Fig．3 Sample collection section at T2of Zhuanglang river．

Ⅱ級階地在張家磨以南為基座階地，階地面發(fā)育不完整，經(jīng)后期的侵蝕，地貌上表現(xiàn)為不連續(xù)的小山包，順河谷兩岸山前呈細條狀零星分布。階地面拔河50～60m，礫石層拔河30～40m?；鶠榘讏紫荡u紅色砂礫巖，上覆2～3m厚的沖積礫石層，之上為2m左右的淺桔紅色層狀水成黃土，上覆5～10m厚的風成黃土。張家磨以北為堆積階地，階地面拔河20～30m，上部為厚層風成黃土，未見基底出露。在沙溝附近（36°23′20．8″，103°24′03．3″）我們對Ⅱ級階地也采集了年代樣品，剖面如圖3所示。頂部0．5m為含植物的根系的灰黑土層，中間為黃土層，樣品點距地表8m，階地礫石層之上，年齡為（52．6±4．7）ka B．P．。

Ⅲ級階地在張家磨以南為基座階地，階地面拔河70～100m，基座拔河45～55m，基座之上2～3 m為沖積礫石層，礫石磨圓度一般，分選性較好，之上為厚層風成黃土。張家磨以北為堆積階地，階地面拔河40～60m，階地面寬闊平坦，后期侵蝕成丘陵狀。剖面中顯示厚層風成黃土，未見基座出露?？紤]到III級階地的年代可能大于100ka，光釋光測年誤差較大，因此Ⅲ級階地的年代主要由區(qū)域河流階地年代對比獲得。

Ⅵ級階地由于后期侵蝕切割，階地面殘缺不全，只有零星分布，以堆積階地為主，上部為厚層風成黃土，底部為沖積砂礫石層。由于其分布的不完整和不連續(xù)，因此在本次的研究中未做工作。

對黃河及其與莊浪河緊鄰的一級支流湟水河的年代序列，前人曾做過大量的研究［8－16］。最新的研究結(jié)果表明，黃河T1～T3年代分別為10ka、50ka和130ka［8］，湟水河 T1～T3的年代分別為10ka、50～70ka和120～150ka［12－16］。由二者年代序列與莊浪河年代對比，莊浪河T1階地年代為（4．9±0．5）ka B．P．，考慮到莊浪河作為黃河的支流，發(fā)育晚于黃河，因此該年代值較為可信。莊浪河T2階地年齡（52．6±4．7）ka B．P．，該年齡值與黃河及湟水對比，基本與二者相當。雖然在本次的研究中，沒有采集莊浪河T3的年代樣品，但與黃河及湟水河對比可知，莊浪河T3的年代應(yīng)該介于120～150ka之間。

2 莊浪河階地差分GPS測量及構(gòu)造變形分析

本次研究選擇了莊浪河東岸發(fā)育連續(xù)且完整的Ⅰ～Ⅲ級階地進行了構(gòu)造變形的定量研究。野外測量采用瑞士萊卡1200系列差分GPS儀，共實測了300多個階地面高度值（圖1），做出了河流階地縱剖面圖；同時利用DEM數(shù)據(jù)的地表高度，結(jié)合前人研究資料，做出河流階地橫剖面圖。

2．1 莊浪河階地縱剖面變形特征

圖4是根據(jù)實測的莊浪河東岸Ⅰ～Ⅲ級階地縱剖面圖。其中張家磨以北為沉降區(qū)，屬堆積階地；張家磨以南為隆起區(qū)，屬基座階地。階地變形最常見的有兩種類型，即穿過構(gòu)造抬升區(qū)引起的拱曲和橫切活動斷裂引起的斷錯［17］。從莊浪河階地縱剖面圖可以看出，張家磨以南階地明顯隆起，發(fā)生了同步褶皺變形，變形主要以拱曲為主而不是直接斷錯，形成較寬的構(gòu)造變形帶，寬約1～2km，說明其構(gòu)造活動以褶皺隆起為主，沒有直接斷錯特征。變形部位核部比較平坦，南翼緩傾，北翼陡傾．其幾何形態(tài)與斷裂擴展褶皺模型的圖像十分類似［5，18］。其中Ⅲ級階地面抬升幅度為28m左右，Ⅱ級階地面抬升幅度為19m左右，Ⅰ級階地抬升幅度僅5m，顯示該逆斷裂－褶皺帶自晚新生代形成以來到晚更新世甚至全新世仍在活動?？梢?，莊浪河斷裂帶晚第四紀以來仍是以斷裂擴展機制變形的，本區(qū)發(fā)生的多次中強地震可能也與此有關(guān)［1］。根據(jù)相應(yīng)的年代資料，則可得出T3的變形速率為0．19～0．23mm／a，T2的變形速率為0．36mm／a，T1的變形速率為1 mm／a。

所得階地變形速率的可靠性如何呢？本次研究中所用差分GPS精度較高，誤差為厘米級，因此儀器誤差可以不計；根據(jù)所測階地年代及與區(qū)域河流的對比，莊浪河階地的年代可信度也較高，誤差也不會很大。若速率存在誤差，很有可能來源于階地本身的測量，如不同地段黃土沉積厚度的不同、測量點位于階地前緣還是后緣等。但該速率與黃河階地變形速率相當［19］，與GPS觀測的斷層滑動速率也高度吻合［20］，因此我們認為該速率還是較為可靠的。由階地變形速率的值可以看出，階地變形速率在晚第四紀有逐漸增快的趨勢，表明莊浪河斷裂活動晚更新世至全新世活動有所增強。

圖4 蘭州莊浪河階地縱剖面圖Fig．4 Longitudinal profiles of Zhuanglang river terraces in Lanzhou．

利用階地拔河高度，可以得出階地下切速率分別為T30．47～0．83mm／a，T20．87～1．25mm／a，T11～3mm／a。莊浪河地區(qū)地處青藏高原東北緣地區(qū)，其階地的形成與青藏高原的隆升有著密切的聯(lián)系。根據(jù)前人的研究，0．15Ma以來青藏高原起碼經(jīng)歷了三次脈動式的上升［8］，黃河及其支流湟水河等均形成了三級階地，年代與莊浪河各階地相當［9－10，12］。同 樣，根 據(jù) 河 流 的 下 切 速 率 可 以 看 出，0．15Ma以來青藏高原的隆升明顯有后期加速的趨勢。

2．2 莊浪河階地橫剖面變形特征

在構(gòu)造作用長期持續(xù)的地區(qū)，其活動變形作用應(yīng)產(chǎn)生一種疊加在長期構(gòu)造效應(yīng)之上的河流響應(yīng)，其中引用最為廣泛的變形證據(jù)是河谷內(nèi)階地的撓曲或發(fā)育在斷裂或河谷兩側(cè)的同級階地高度的變化［21］。已有的研究結(jié)果表明：發(fā)生在青藏高原隆升區(qū)內(nèi)的大多數(shù)階地的形成和變形過程常與新構(gòu)造運動相關(guān)［22－25］。其中利用階地資料分析構(gòu)造運動的認識主要有以下幾種類型：河流發(fā)育的階地級數(shù)常與構(gòu)造運動期次相對應(yīng)；階地面的變形、斷錯與斷裂活動相聯(lián)系；河流兩岸同級階地高差及階地類型的較大幅度變化可能與斷裂的活動方式相聯(lián)系。

圖5 龍泉寺階地橫剖面圖Fig．5 Vertical profiles of terraces at Longquansi．

圖6 馬家坪階地橫剖面圖Fig．6 Vertical profiles of terraces at Majiaping．

在本次研究中，莊浪河階地橫剖面的獲得主要是通過DEM圖形數(shù)據(jù)及前人研究資料獲得①甘肅省地震局，中國地震局蘭州地震研究所．蘭州地區(qū)地震地質(zhì)環(huán)境研究．2001．。莊浪河河谷較為狹窄，最寬的地方約10km，最窄不足1km。從橫剖面圖5、6可以看出西岸階地與東岸階地相比，發(fā)育既不完整也不連續(xù)；同級階地西岸大多高于東岸。野外調(diào)查表明，西岸主要為基座階地和侵蝕階地，東岸除發(fā)育基座階地外還有堆積階地。另外，階地礫石層厚度差異較大，西岸一般均小于2 m，東岸礫石層厚度可達5～8m，說明東岸的堆積作用強于西岸。這些資料反映了莊浪河兩岸階地的抬升方式和幅度是不一致的。

3 結(jié)論

通過對莊浪河階地的差分GPS測量，結(jié)合DEM圖像數(shù)據(jù)，獲得黃河南北兩岸階地縱橫剖面圖，參考該區(qū)斷裂的活動特征，綜合研究得到如下認識：

（1）莊浪河階地的變形地區(qū)之中在張家磨至土槽灣地區(qū)，變形范圍約1～2km，變形方式表現(xiàn)為斷裂擴展褶皺模式。Ⅲ級階地面抬升幅度為28m左右，Ⅱ級階地面抬升幅度為19m左右，而Ⅰ級階地抬升幅度為5m左右。

（2）結(jié)合階地年代學資料，獲得III～I級階地的變形速率分別為0．19～0．23、0．36、1mm／a，階地變形速率在晚第四紀有逐漸增快的趨勢，表明莊浪河斷裂活動晚更新世至全新世活動是逐漸增強的。

（3）利用階地拔河高度，獲得Ⅲ～Ⅰ級階地下切速率分別為0．47～0．83mm／a，0．87～1．25 mm／a，1～3mm／a，表明青藏高原在晚更新世以來的隆升有加速的趨勢。

（4）綜合階地橫剖面特征和野外調(diào)查結(jié)果，莊浪河東西兩岸的階地抬升方式和幅度是不一致的。

［1］ 袁道陽，劉百篪，張培震，等．蘭州莊浪河斷裂帶的新構(gòu)造變形與地震活動［J］．地震學報，2002，24（4）：441－444．

［2］ 國家地震局蘭州地震研究所，甘肅省計劃委員會．甘肅省地震危險性區(qū)劃研究［M］．蘭州：蘭州大學出版社，1993：88－91．

［3］ 邢成起，榮代潞，姚同福，等．1995年7月22日永登5．8級地震發(fā)震構(gòu)造與發(fā)震機制分析［J］．西北地震學報，1996，18（3）：1－9．

［4］ 周俊喜．1995年7月22日永登5．8級地震發(fā)震構(gòu)造初步分析［J］．西北地震學報，1997，19（增刊）：139－141．

［5］ 楊曉平，鄧起東，張培震，等．利用階地變形資料研究北天山吐魯谷逆斷裂－背斜帶晚更新世以來的褶皺變形特征［A］∥《活動斷裂研究》編委會編．活動斷裂研究2［G］．北京：地震出版社，1994，44－62．

［6］ 程紹平，鄧起東，閔偉，等．黃河晉陜河流階地和鄂爾多斯高原第四紀構(gòu)造運動［J］．第四紀研究，1998，8（3）：238－248．

［7］ 王峰，徐錫偉，鄭榮章．用階地測量方法探討阿爾金中段全新世滑動速率［J］．地震地質(zhì)，2004，26（1）：61－70．

［8］ 潘保田，李吉均，朱俊杰，等．蘭州地區(qū)黃河階地發(fā)育與地貌演化［A］∥中國第四紀冰川與環(huán)境研究中心、中國第四紀研究委員會編．中國西部第四紀冰川與環(huán)境［G］．北京：科學出版社，1991，271－277．

［9］ 潘保田，蘇懷，胡春生，等．蘭州地區(qū)1．0Ma黃河階地的發(fā)現(xiàn)和0．8Ma階地形成時代的重新厘定［J］．自然科學進展，2006，16（11）：1411－1418．

［10］ 潘保田，蘇懷，劉小豐，等．蘭州東盆地最近1．2Ma的黃河階地序列與形成原因［J］．第四紀研究，2007，27（2）：172－180．

［11］ 朱俊杰，曹繼秀，鐘巍，等．蘭州地區(qū)黃河最高級階地與最老黃土沉積的發(fā)現(xiàn)及其古地磁年代學的研究［A］∥青藏高原形成演化、環(huán)境變遷與生態(tài)系統(tǒng)研究［G］．北京：科學出版社，1994，77－90．

［12］ 曾永年，馬海州，李珍，等．西寧地區(qū)湟水階地的形成與發(fā)育研究［J］．地理科學，1995，15（3）：253－258．

［13］ 侯元才，許偉林，俞建，等．青藏高原東北緣112Ma B．P．以來各階段古氣候演變［J］．青海地質(zhì)，2001，（增刊）：10－16．

［14］ 張智勇，于慶文，張克信，等．黃河上游第四紀河流地貌演化——兼論青藏高原1∶25萬新生代地質(zhì)填圖地貌演化調(diào)查［J］．地球科學，2003，28（6）：621－626．

［15］ 鹿化煜，安芷生，王曉勇，等．最近14Ma青藏高原東北緣階段性隆升的地貌證據(jù)［J］．中國科學（D輯），2004，34（9）：855－864．

［16］ 何生胤．西寧盆地湟水河流階地與高原演化特征分析［J］．水利與建筑工程學報，2007，5（3）：81－85．

［17］ C R艾倫，等著，四川省地震局譯．活動構(gòu)造學［M］．四川：科學技術(shù)出版社，1989．

［18］ Suppe J，Medwedeff D．A．Geometry and kinematics of faultpropagation folding［J］．Ecologue Geol．Helv．，1990，83（3）：409－454．

［19］ 劉興旺，袁道陽，葛偉鵬．蘭州黃河階地高精度差分GPS測量與構(gòu)造變形分析［J］．西北地震學報，2007，29（4）：341－346．

［20］ 周德敏，甘衛(wèi)軍，任金衛(wèi)，等．基于GPS觀測資料反演莊浪河斷裂帶、馬銜山北緣斷裂帶的滑動速率［J］．地震地質(zhì)，2005，27（4）：706－714．

［21］ 侯康明，袁道陽，李紹業(yè)．武威—天?！f浪河NNW向斷裂分段及變形特征［J］．地殼形變與地震，1999，19（3）：55－63．

［22］ 楊景春，譚利華，李有利，等．祁連山北麓河流階地與新構(gòu)造造演化［J］．第四紀研究，1998，3：229－237．

［23］ 陳杰，盧演儔，丁國瑜．祁連山西段及酒西盆地區(qū)第四紀構(gòu)造運動的價段劃分［J］．第四紀研究，1996，3：263－271．

［24］ 李有利，楊景春．河西走廊平原區(qū)全新世河流階地對氣候變化的響應(yīng)［J］．地理科學，1997，（13）3：248－252．

［25］ 李吉均，方小敏，馬海州，等．晚新生代黃河上游地貌演化與青藏高原隆起［J］．中國科學（D輯），1996，（26）4：316－322．