寧夏沙坡頭黃河大彎的成因分析①

江亞風(fēng)，尹功明，俞 崗，王 躲

（1．中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；2．中國地震局地質(zhì)研究所 地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

0 引言

黃河在沙坡頭的夜明山流出黑山峽、跨過香山—天景山弧形斷裂后，向東北流入中衛(wèi)盆地。在香山—天景山斷裂與中衛(wèi)盆地之間，黃河地貌上呈現(xiàn)出美麗的“幾字形”河曲形態(tài)（圖1），地質(zhì)學(xué)家對此區(qū)域的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、斷裂性質(zhì)及運(yùn)動(dòng)特征、階地演變及形成時(shí)代、地貌演變過程等［1－9］多方面開展了詳細(xì)的研究，包括沙坡頭大彎的成因。丁國瑜［1］在討論香山—天景山斷裂的左旋性質(zhì)時(shí)提出斷裂活動(dòng)導(dǎo)致了黃河左旋位錯(cuò)而形成現(xiàn)今沙坡頭大彎；劉傳正［10］認(rèn)為兩組走滑斷裂是導(dǎo)致沙坡頭大彎形成的原因。構(gòu)造因素一直用來解釋沙坡頭大彎的成因，但據(jù)尹功明等［11］研究認(rèn)為香山—天景山斷裂自本研究區(qū)黃河固定以來左旋位錯(cuò)最大不足880m，純構(gòu)造事件不足以形成現(xiàn)今的大拐彎地貌。同時(shí)，香山－天景山斷裂北側(cè)大彎處的黃河階地的成因還沒有過詳細(xì)研究［9］，而對香山—天景山斷裂南側(cè)夜明山一帶的黃河階地已有過深入研究，認(rèn)為是香山—天景山斷裂的逆沖作用導(dǎo)致多達(dá)9級階地的形成［12－13］。本文根據(jù)香山－天景山斷裂北側(cè)大彎處的黃河階地分布特征、年齡，以及香山—天景山斷裂活動(dòng)性、水流自然特性等多方面因素，分析沙坡頭大彎現(xiàn)今地貌成因。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

沙坡頭黃河大彎位于寧夏中衛(wèi)市，騰格里沙漠的東南緣，地貌上是青藏高原、黃土高原、鄂爾多斯高原和阿拉善高原的過渡地帶；構(gòu)造上處在青藏高原東北緣弧形斷裂帶內(nèi)。該弧形斷裂帶是在SWNE方向的水平擠壓構(gòu)造應(yīng)力下，青藏塊體向古老而穩(wěn)定的阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊擠壓而形成的，主要由弧形逆沖斷層以及相關(guān)褶皺組成斷塊山地與斷陷盆地相間的地貌格局［14－15］，自南向北有海原斷裂、香山—天景山斷裂、煙筒山斷裂和牛首山斷裂，中衛(wèi)盆地夾于香山山地與煙筒山地之間［1－2，16］（圖1）。

青藏塊體前期主要表現(xiàn)為擠壓、逆沖，在早更新世中晚期至中更新世初，高原內(nèi)NW和NWW向斷裂的活動(dòng)性質(zhì)由擠壓逆沖轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮呋?7］。因此，香山—天景山斷裂是一條以左旋走滑為主兼具逆沖分量的斷裂，沿?cái)嗔褞Оl(fā)生地質(zhì)體的位移、水系的位錯(cuò)等，斷裂的左旋走滑量在沖溝上表現(xiàn)為幾十米到幾百米甚至千米不等［3－4］。

中衛(wèi)盆地是受早期山前逆沖斷裂控制的壓陷盆地，從第三紀(jì)至第四紀(jì)早期，盆地沉積范圍比較大，至第四紀(jì)晚期，盆地輪廓發(fā)生變化，規(guī)模有逐漸縮小的趨勢［17］

圖1 寧夏沙坡頭河流地質(zhì)地貌簡圖（據(jù)文獻(xiàn)［1］修改）Fig．1 The Sketch map of geological and geomorphological features along the Yellow River in Shapotou area，Ningxia（revised according to refence［1］）

2 沙坡頭大彎地貌特征及階地劃分

在沙坡頭黃河“幾”字形區(qū)域河道西側(cè)是騰格里沙漠覆蓋的平坦基巖區(qū)域，河道東側(cè)發(fā)育多級河流階地。前人對此處階地級數(shù)的劃分不一：丁國瑜［1］劃分出2級階地和1級臺地面、尹功明等［11］和閻滿存等［8］劃分出3級階地、胡海濤等［19］劃分出5級階地、馮希杰等［9］劃分出7級階地。

對比前人劃分結(jié)果及野外對階地剖面的測量，我們認(rèn)為大彎地區(qū)只發(fā)育3級基座階地（圖1～圖4）。最高階地相對拔河高度約80～100m，階地沉積物主要是磨圓度較好的礫石，粒徑以8～20cm為主，偶見巨大礫石。礫石層中幾乎無泥沙，沒有二元結(jié)構(gòu)特征?；鶠榈谌档募t色泥巖或砂巖。

圖2 沙坡頭黃河大彎一帶階地剖面圖（剖面位置見圖1）Fig．2 Profile of the Yellow river terraces in Shapotou area

圖3 沙坡頭黃河大彎河流階地地貌（鏡向東南）Fig．3 Photo of the Yellow river terraces in Shapotou area（View towards the southeast）

圖4 沙坡頭附近衛(wèi)星影像圖（底圖據(jù)Google Earth）Fig．4 Satellite image of Shangyou village and adjacent area in Shapotou area（According to Google Earth）

我們劃分的T1、T2階地與前人劃分基本一致［1，8－9，11，19］。丁 國 瑜［1］認(rèn) 為 的 臺 地 是 我 們 劃 分 的T3階地，因?yàn)榇恕芭_地”堆積的是典型的黃河礫石、未固結(jié)，與中衛(wèi)盆地南側(cè)南山臺子的堆積有明顯區(qū)別，并且測年結(jié)果也表明這些堆積物的時(shí)代為中更新世晚期。胡海峰等［19］劃分的T5（即他們劃分的最高階地）與我們的T3階地?zé)o論是范圍和高程都是一致的。而馮希杰等［9］劃分的T6和T7的范圍與我們的T3一致，二者之間有現(xiàn)代沙丘存在，經(jīng)我們這次差分GPS測量階地面是可以相連的，是階地向山地方向的自然延伸，二者可以合并。胡海峰等劃分的T3、T4以及馮希杰等劃分的T3－T5階地位于上游村南側(cè)的一個(gè)很狹窄的小山梁上（圖4）。從圖3可以看出，這個(gè)小山梁高差不足20m（處于T3前緣黃河礫石底部與T2后緣黃河礫石之間），由泥盆紀(jì)的砂巖［20］組成。小山梁北坡往東延伸時(shí)，與T2、T3之間的坡面相連，坡面形態(tài)自然，小山梁南坡受后期黃河侵蝕，成為陡坡（圖4）。小山梁非常狹窄，在小山梁頂部未見原生的黃河礫石分布。我們從高程以及地貌特征分析，在此不應(yīng)發(fā)育有階地，即胡海峰等［19］劃分的T3、T4是不存在的。因此，研究區(qū)自黃河被固定以來，只發(fā)育有3級階地。

T1階地：基座階地，拔河高度約8～10m，階地寬度約200～400m，被村莊和農(nóng)田占據(jù)。階地上部為河漫灘沙－粘土堆積，厚10～30cm（見圖5（a））。下部為厚4～8m的礫石層，礫石含長英質(zhì)成分，磨圓度好，粒徑約8～20cm為主。礫石層中透鏡體沙樣品光釋光年齡為（8．46±0．36）ka B．P．［21］。

T2階地：基座階地，前緣階地頂面拔河高約40 m，階地寬度800～1 100m，階地部分被現(xiàn)代風(fēng)沙覆蓋，發(fā)育沙丘。礫石層厚4～10m，粒徑約8～20cm為主，偶見1m以上礫石，含豐富的長英質(zhì)，礫石層理較明顯，磨圓度和分選好。礫石層中透鏡體沙樣品（見圖5（b））光釋光年齡為（71．84±2．59）kaB．P．［21］。

T3階地：基座階地，前緣階地頂面拔河高約80 m，階地寬約1 400～1 600m，階地上發(fā)育現(xiàn)代沙丘。礫石層厚達(dá)15m，粒徑以8～20cm為主，并含有1m以上礫石，含豐富的長英質(zhì)礫石，層理較明顯，磨圓度好，分選好（見圖5（c））。礫石層中透鏡體沙樣品（見圖5（d））光釋光、ESR年齡分別為（169±6）ka B．P．、（194±29）ka B．P．［11］。

3 討論

從圖1、圖4可以看出，沙坡頭大彎地貌是由3級河流階地、黃河的大拐彎構(gòu)成。顯然階地和大拐彎的成因可能是不同的，河流階地可能與垂向上的作用相關(guān)，大拐彎更可能與水平方向的作用相關(guān)。因此，為了分析討論清晰，我們分別對這二方面進(jìn)行分析。

圖5 沙坡頭黃河階地堆積物（照片位置見圖4）Fig．5 The Yellow River terrace deposits in Shapotou area

3．1 河流階地的成因分析

河流階地是過去河流的河床由于內(nèi)外因的變化而被廢棄的一種河流地貌［22］，其地貌形態(tài)和沉積物都記錄了河流系統(tǒng)的構(gòu)造活動(dòng)、氣候因素變化及侵蝕基準(zhǔn)面變化［23－27］。

黃河的侵蝕基準(zhǔn)面是海平面，Schumm［28］研究表明海平面的升降對大河影響的最大范圍在河口之上大約300km河段。而沙坡頭地區(qū)距河口的位置遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于300km，所以海平面下降很難影響到此處。

氣候干濕變化通過影響河流的水量和含沙量來影響河流過程和河流地貌。當(dāng)河流有較高的能量和高的沉積物供應(yīng)，階地面高差可達(dá)到5～15m，河流沉積礫石多為地方性基巖碎屑，磨圓度低，分選差，有多個(gè)二元結(jié)構(gòu)，堆積物中有泥流楔入，河流沉積物中常有斜坡堆積，一般為堆積階地［29］。僅僅依靠氣候變化，河流無法持續(xù)下切形成多級階地［30］。沙坡頭河流階地礫石以長英質(zhì)為主，磨圓度好，分選好，表明此處階地礫石并非本地來源；沙坡頭河流階地?zé)o二元結(jié)構(gòu)；沙坡頭發(fā)育高差約80～100m的3級基座階地；潘保田等［31］在研究蘭州東盆地黃河階地成因時(shí)得出氣候變化不是黃河T1（130ka）、T2（50 ka）、T3（10ka）階地形成的主要原因。沙坡頭黃河階地堆積物測年結(jié)果與該段黃河階地形成年代接近，氣候變化也不是階地形成的充分條件。綜上所述，沙坡頭大彎河流階地的形成并不是氣候變化作用下可以形成的。

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成侵蝕基準(zhǔn)面和河床坡度的變化，影響河流系統(tǒng)中侵蝕、搬運(yùn)和堆積過程，當(dāng)?shù)貧ぬ龝r(shí)，河床縱比降增大，水流下切侵蝕，力圖使新河床達(dá)到原先位置，靠近谷坡兩側(cè)的老谷底形成階地；地殼相對穩(wěn)定時(shí)期，河流以側(cè)蝕和堆積為主［24］。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的間歇性使得河流的下蝕與堆積交替進(jìn)行，可形成多級階地，多級階地分布的高度范圍可達(dá)數(shù)百米［32］。沙坡頭地區(qū)基座階地的沉積礫石厚度大，不具有二元結(jié)構(gòu)，階地面寬，不同級階地高差達(dá)80～100m，符合構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的階地的特征。

Starkel［29］提出的構(gòu)造上升區(qū)域河流對氣候變化響應(yīng)的模式認(rèn)為：在構(gòu)造穩(wěn)定的區(qū)域，氣候周期性變化形成的階地前后緣高差很小；在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域，以寬谷型階地為主，階地面之間的高差較大；在強(qiáng)烈構(gòu)造抬升區(qū)，低階地后緣遠(yuǎn)低于高階地堆積的底部。從圖2沙坡頭黃河大彎一帶階地剖面圖，根據(jù)Starkel［29］的理論，沙坡頭黃河大彎一帶階地的成因應(yīng)該為強(qiáng)烈構(gòu)造抬升區(qū)中的構(gòu)造事件形成的。

沙坡頭位于青藏高原東北緣斷裂帶內(nèi)，該區(qū)域晚第四紀(jì)以來活動(dòng)強(qiáng)烈。青藏高原及其周邊地區(qū)河流階地的研究都表明有受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響［33－36］。在沙坡頭大彎處河流階地的基座多為第三系的紅色泥巖或砂巖，其抗侵蝕能力較差，有助于黃河的下切而形成基座階地。

中衛(wèi)盆地在第三紀(jì)至第四紀(jì)早期沉積范圍較大，至第四紀(jì)晚期盆地輪廓發(fā)生變化，規(guī)模逐漸縮小。這是盆地與其西南側(cè)弧形山地間發(fā)育的活動(dòng)斷裂帶隨時(shí)間向盆地內(nèi)部遷移，由擠壓逆沖轉(zhuǎn)為剪切走滑的結(jié)果。另外中衛(wèi)盆地北東側(cè)的煙筒山斷裂帶約在中更新世末期開始強(qiáng)烈活動(dòng)，使得中衛(wèi)盆地在內(nèi)的煙筒山斷裂西南盤抬升［17－18］。中衛(wèi)盆地的抬升導(dǎo)致黃河開始被固定，受隆升作用開始形成階地。若中衛(wèi)盆地一直處于沉降狀態(tài)，黃河只會形成辮狀河，不發(fā)育階地。沙坡頭大彎最高階地（T3）形成時(shí)代恰處在中更新世末期，這與中衛(wèi)盆地在中更新世末期發(fā)生構(gòu)造事件逆轉(zhuǎn)（從沉降轉(zhuǎn)變?yōu)槁∩┦且恢碌摹?/p>

研究表明，青藏高原第四紀(jì)時(shí)期包括現(xiàn)今仍處于隆升之中，晚第四紀(jì)發(fā)生過多次構(gòu)造事件，使得在青藏高原內(nèi)及邊緣的河流之中發(fā)育構(gòu)造成因的階地［37－43］，如 0．15Ma前 后 的 “共 和 運(yùn) 動(dòng)”［23］、0．01 Ma前后的“若爾蓋運(yùn)動(dòng)”［44］。沙坡頭處于青藏高原東北緣、第四紀(jì)以來有過多次活動(dòng)的走滑兼逆沖的香山—天景山斷裂的北側(cè)［7］。綜上所述，沙坡頭大彎三級階地主要是在構(gòu)造作用下形成的，此三級階地記錄了本區(qū)域的三次構(gòu)造事件。

3．2 大拐彎的成因分析

彎曲性河流在自然界中普遍存在是由區(qū)域構(gòu)造條件、氣候變化、河流自我調(diào)節(jié)等因素共同作用的結(jié)果［45］。

當(dāng)河流穿過斷層時(shí)，斷裂的水平錯(cuò)動(dòng)可使河道發(fā)生扭曲和變形，河流的平衡狀態(tài)遭到破壞，要達(dá)到新的平衡，必然引起河槽內(nèi)部水動(dòng)力變化，進(jìn)而使得河道變遷［46］。丁國瑜［1］認(rèn)為香山—天景山斷裂導(dǎo)致黃河3km位錯(cuò)形成現(xiàn)今的大彎。尹功明等［11］最新研究認(rèn)為香山—天景山斷裂導(dǎo)致的黃河位錯(cuò)最大不足880m，而目前大拐彎距離達(dá)3 000m。因此，香山—天景山斷裂的左旋走滑使得黃河水道發(fā)生左移，但是現(xiàn)今大彎的形成不完全是斷裂的作用。

巖石抵抗侵蝕的強(qiáng)弱對沙坡頭大彎的形成有重要的影響，水系遇到障礙后會發(fā)生轉(zhuǎn)向。沙坡頭小灣村附近有泥盆紀(jì)的殘丘［11］，河水受到殘丘的阻擋向北流去，沙坡頭大彎的形成受到水系的自然演變的影響。

沙坡頭黃河彎曲形成的因素還有河流內(nèi)生特性：沙坡頭大彎形成的一個(gè)內(nèi)在條件是水體運(yùn)動(dòng)的軌跡趨向彎曲這一特性［47］。促進(jìn)沙坡頭大彎形成的條件還有地球自轉(zhuǎn)偏向力（科里奧利力），水流向右偏轉(zhuǎn)，使得河流發(fā)生側(cè)蝕作用，河流不斷侵蝕凹岸，在凸岸不斷沉積［48］。沙坡頭黃河大彎受彎道離心力和地球偏轉(zhuǎn)力的影響，從凸岸由水面流向凹岸的水流（表流）和從凹岸由河底流向凸岸的水流（底流）構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的螺旋形向前流動(dòng)的橫向環(huán)流（圖6（a）），形成凹岸和凸岸相間分布的河曲形態(tài)（圖6（b））。

圖6 河曲水流運(yùn)動(dòng)方向及平面形態(tài)示意圖Fig．6 Sketch map of meander stream current direction and planar shape

歷史資料記錄的沙坡頭黃河多年平均徑流量3．50×1010m3，多年平均輸沙量1．6×108t［49］，即多年平均徑流量1 109．8m3／s，多年平均輸沙量5．1 t／s。如前所述，在本研究區(qū)的黃河階地中沒有堆積沙、粉沙，表明此地的黃河水動(dòng)力是非常強(qiáng)的，使得黃河水含大量的泥沙來不及沉降。階地堆積物主要是8cm以上的礫石為主。因此，抗侵蝕能力不強(qiáng)的砂巖、泥巖在水動(dòng)力極強(qiáng)的黃河水作用下，必定產(chǎn)生凹岸侵蝕、凸岸堆積。圖6說明，黃河在出黑山峽后受到斷裂的左旋走滑向左偏轉(zhuǎn)，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下侵蝕右岸，在圖6（a）中的A處形成凹岸；之后水流向北流去，水流受慣性力影響侵蝕北岸，在圖6（a）中的B處，在南岸發(fā)生堆積作用；又因地勢的西高東低，水流向東流去，在圖6（a）中C處發(fā)生侵蝕；然后水流在地轉(zhuǎn)偏向力及離心力作用下，繼續(xù)侵蝕凹岸，即圖6（a）中D處。

因此，現(xiàn)今的大拐彎形態(tài)必定有河流內(nèi)生動(dòng)力學(xué)成因。尹功明等［11］研究認(rèn)為自本區(qū)的黃河被固定以來，香山—天景山斷裂導(dǎo)致的黃河位錯(cuò)最大不足880m，而目前大拐彎距離達(dá)3 000m。所以由河流內(nèi)生動(dòng)力學(xué)成因引起的黃河拐彎至少達(dá)2 200 m。顯然，沙坡頭的大拐彎成因是以河流內(nèi)生動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致河流拐彎為主，香山—天景山斷裂左旋位錯(cuò)貢獻(xiàn)的拐彎為輔。

4 結(jié)論

（1）沙坡頭黃河只在河流凸岸發(fā)育3級階地，凹岸沒有發(fā)育階地。沙坡頭大彎河流階地是構(gòu)造事件形成的階地，氣候作用不明顯。在中更新世末期，中衛(wèi)盆地由沉降轉(zhuǎn)變?yōu)樘?，黃河河道被相對固定，形成最高級階地 T3，又約在70kaB．P．、8ka B．P．形成T2、T1階地。

（2）沙坡頭的黃河大拐彎是由香山—天景山斷裂左旋走滑位錯(cuò)，以及水流受地球自轉(zhuǎn)偏向力的河流內(nèi)生動(dòng)力共同的作用結(jié)果，并且后者（導(dǎo)致拐彎約2 200m）的作用遠(yuǎn)大于香山—天景山斷裂左旋位錯(cuò)（約880m）的貢獻(xiàn)。

致謝：本文野外考察和寫作過程中得到了寧夏回族自治區(qū)地震局柴熾章研究員、杜鵬、雷啟云，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）楊桂芳副教授，中衛(wèi)地震臺賀永章臺長，中國地震災(zāi)害防御中心王林等的幫助和指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。感謝審稿專家和編輯提出的寶貴而富有建設(shè)性的修改意見。

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