山西河曲黃河階地初步研究

孫 強(qiáng)，劉運(yùn)明

（1.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715；2.安慶師范學(xué)院 資源環(huán)境學(xué)院，安徽 安慶 246000）

引言

黃河是中國第二長河，又被譽(yù)為中國的母親河，是中華文明的發(fā)源地。黃河的發(fā)育歷史復(fù)雜[1][2]，其形成和演化在地學(xué)界一直備受關(guān)注[3][4][5]，也是世界各大河流中最值得研究的河流之一。黃河的發(fā)育演化既與當(dāng)今人類的生活有著密切的聯(lián)系[6]，又與青藏高原、黃土高原、華北平原等構(gòu)造單元的演化有緊密的因果聯(lián)系，是綜合反映東亞構(gòu)造地貌和自然環(huán)境變遷的重大地質(zhì)問題。[7]對(duì)于黃河形成演化的研究，河流階地的研究是主要內(nèi)容之一。河流階地是由于河流侵蝕下切，原河流谷底被迫抬升至洪水位以上，并呈階梯狀分布在河谷谷坡上的地貌形態(tài)。河流階地的形成多與氣候變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、侵蝕基準(zhǔn)面的變化以及河流襲奪有關(guān)。[8]河流階地是由原河流作用形成的，可以反映河流形成與演化的歷史，因此對(duì)河流階地的研究對(duì)于理解河流的發(fā)育歷史及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有著至關(guān)重要的作用。黃河全程流經(jīng)多個(gè)不同的地貌單元，因此流域內(nèi)地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，各個(gè)河段的分段研究也就顯得很有必要。[9]各河段的研究中晉陜峽谷是重要河段之一，一直受到學(xué)者們的重視。[10][11][12][13]以往對(duì)黃河河流階地的研究多側(cè)重于高級(jí)階地[14][15][16]，對(duì)低級(jí)階地的研究略顯不足。作者在河曲地區(qū)考察發(fā)現(xiàn)該區(qū)縣城附近分布有三級(jí)階地，并對(duì)其上覆地層進(jìn)行磁化率采樣分析。

1 研究區(qū)概況

河曲地處山西省西北部，與內(nèi)蒙古自治區(qū)和陜西省交界。該地區(qū)地處晉陜峽谷北段，河谷開闊，有曲流發(fā)育(圖1)。氣候上，河曲地處季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)交界處，年均氣溫8.8℃，年降雨量460毫米[17]，降水季節(jié)變化與年際變化均比較大。構(gòu)造上，河曲地處鄂爾多斯高原東北邊緣，主要的斷裂帶有呼和浩特-河曲斷裂以及南部的保德——環(huán)縣斷裂。[18][19]在河曲縣城附近可識(shí)別出三級(jí)階地，各階地河流相礫石的巖性與現(xiàn)代黃河邊灘礫石巖性一致。各階地特征描述如下(圖2)：

1.1 一級(jí)階地(T1)：堆積階地

觀測點(diǎn)位于河曲縣城西面古渡廣場南200m處。該級(jí)階地面拔河高度約2-4m，上覆礫石層厚度2-3m，礫石層底部未見有基巖出露，因此判定該級(jí)階地是一級(jí)堆積階地。該套礫石層沿道路延伸約50-70m，延伸方向呈弧形，與現(xiàn)代黃河的流向一致。該級(jí)階地沿河兩岸均有分布，但并不連續(xù)，礫石層之上覆蓋了厚度約3-4m的馬蘭黃土。由于黃土層剖面太薄加之實(shí)驗(yàn)條件限制，我們并未對(duì)階地上的剖面采集樣品。邱維理等在距該處不遠(yuǎn)的唐家會(huì)村附近的黃河凸岸T1階地上采集了光釋光年代學(xué)樣品，其測年結(jié)果顯示T1階地的形成年代約為10ka。[20]

圖1 研究區(qū)位置示意圖

圖2 階地示意圖

1.2 二級(jí)階地(T2)：覆蓋基座階地

該級(jí)階地在縣城可見出露。階地海拔約920m。在河曲縣城中部觀測點(diǎn)附近礫石層出露厚度大于5m但底部未見基巖出露，在縣城南部公路旁接近同海拔高度的位置有明顯基巖出露，出露基巖有輕微傾斜。礫石巖性以灰?guī)r為主，并含有砂巖、花崗巖。粒徑以1-5cm占大多數(shù)，有小于1cm礫石分布，只有少數(shù)礫石粒徑可達(dá)15-20cm。礫石磨圓度較好。該級(jí)階地的河流相沉積其二元結(jié)構(gòu)明顯并有多個(gè)沉積旋回。在接近上部的河流相沉積有明顯的傾斜層理，傾角最大可達(dá)15°。河流相沉積上覆約8m的黃土沉積。

1.3 三級(jí)階地(T3)：基座階地

該級(jí)階地在縣城南部船灣村附近公路旁可見出露。階地海拔 935m 左右，經(jīng)緯坐標(biāo) 39°20′46″N，111°11′40″E，礫石層厚度 6-7m，最大厚度可達(dá) 9m，礫石磨圓度好，粒徑以1-15cm居多，亦存在大粒徑礫石。礫石巖性仍以灰?guī)r為主并含有砂巖，石英巖及少量泥巖。下覆基巖為暗紅色泥巖。

2 區(qū)域內(nèi)典型地層剖面研究

在對(duì)河曲縣城附近的考察發(fā)現(xiàn)，縣城附近發(fā)育有3級(jí)階地(更高級(jí)的階地研究見于本文之外)。T2、T3階地都屬于基座階地，其上覆沉積物為我們的研究提供了方便。我們選擇縣城T2剖面及船灣村T3剖面采樣點(diǎn)。對(duì)階地河流相沉積物上覆地層以10cm為間隔采集磁化率樣品(古土壤處適當(dāng)加密)。磁化率樣品放置實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，干燥后樣品在不損傷顆粒結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行研磨，然后將樣品放入直徑1cm、高2cm的無磁圓柱盒中壓實(shí)稱重，用英國Bartington公司產(chǎn)的MS2型雙頻磁化率儀分別測量低頻(976HZ)和高頻(15616HZ)磁化率。剖面研究結(jié)果描述如下。

2.1 縣城T2剖面

縣城T2階地上覆沉積物為黃土，剖面位于河曲縣城內(nèi)部，剖面所在的經(jīng)緯度坐標(biāo)為39°22′42″N，111°9′22″E，該剖面是工地開挖取土而出露的，剖面出露的總厚度約11m，其中河流相沉積物上覆的黃土層厚度約7m，黃土層底部發(fā)育有兩層古土壤，最上層有一層古土壤由東南向西北漸滅。從下往上縣城剖面的地層描述如下：

(1)-5- -2m，河流相礫石層

(2)-2-1m，河流相砂層

(3)-1- -0.5m，傾斜砂礫石層

(4)-0.5-0m，河流相礫石層

(5)0-0.3m，古土壤層，顏色偏紅，發(fā)育不是很強(qiáng)烈

(6)0.3-2.5m，黃土層

(7)2.5-3.5m，古土壤層，發(fā)育強(qiáng)烈，是整個(gè)剖面磁化率值最高的

(8)3.5-6m，灰黃色黃土層

(9)6-7m，紅色古土壤層

縣城T2階地上覆黃土剖面的磁化率測量結(jié)果如圖3所示。磁化率曲線與巖性柱有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即古土壤對(duì)應(yīng)磁化率曲線的峰值區(qū)。該剖面磁化率的最高值出現(xiàn)在剖面中部2.5-3.5m處，該處古土壤也是此剖面發(fā)育最好的。該剖面保存較為完整，最上層古土壤發(fā)育程度一般，保存完好，有人為作用痕跡，推斷為古土壤S0。中部古土壤層發(fā)育強(qiáng)烈，顏色鮮艷，根據(jù)剖面的完整程度應(yīng)為古土壤S1。據(jù)此推論最下層古土壤應(yīng)為S2。由于S2層并未達(dá)到低界，因此我們只能根據(jù)剖面沉積速率推斷其低界年齡。如果以整個(gè)剖面的沉積速率測算，剖面底部S2層所達(dá)到的年齡應(yīng)為198.5ka；若單純以古土壤S1的沉積速率測算，則低界年齡可達(dá)206.5ka。鑒于黃土及古土壤在沉積速率上的差異及計(jì)算誤差，我們推斷，剖面低界年齡約為200ka。

圖3 T2剖面磁化率及巖性

圖4 T3剖面磁化率及巖性

圖例說明：圖3中：1.黃土層 2.古土壤層 3.礫石層4.傾斜砂礫石層 5.河流相砂層。

圖4中：1.礫石層 2.河流相砂層 3.古土壤層 4.黃土層 5.砂層 6.鈣結(jié)核層 7.灰綠色泥巖 8.紅粘土

2.2 船灣T3剖面(圖4)

該剖面位于縣城東北部船灣村附近。剖面經(jīng)緯坐標(biāo) 39°20′46″N，111°11′40″E。剖面基座為灰紅色砂巖、泥巖構(gòu)成。該剖面巖性復(fù)雜，上覆沉積物厚度接近45m，為了方便我們僅對(duì)采樣高度進(jìn)行描述，自下而上描述如下：

(1)河流相砂層，厚度約0.8m。

(2)古土壤層，厚度接近1m，肉眼觀察暗紅色，有白色絲狀物質(zhì)，磁化率曲線上表現(xiàn)為峰值，應(yīng)為一層古土壤。

(3)黃土層，厚度約8m，灰黃色，顆粒較粗，有風(fēng)成黃土的特點(diǎn)。

(4)砂層，厚度約9m，顆粒粗，無明顯河流作用痕跡，目測是風(fēng)成。

(5)鈣結(jié)核層，厚度約1.1m，未采集磁化率樣品。

(6)灰綠色泥巖，厚度約1m，泥巖巖性細(xì)膩，呈灰綠色，有明顯的湖泊作用痕跡。

(7)砂層，厚度6m，顆粒均勻，有流水作用痕跡，屬于河流相沖積砂層。

(8)古土壤層，厚度約1.5m，是該剖面發(fā)育最好的古土壤層，顏色暗紅，有灰色斑跡，磁化率結(jié)果呈現(xiàn)峰值。

(9)鈣結(jié)核層，厚度約0.8m，未采樣。

(10)砂層，厚度約5.5m，屬河流相沖積砂層。

(11)紅粘土層，厚度約4m，顏色較古土壤更深，有明顯流水作用的痕跡，屬于河流沖積相紅粘土。

(12)古土壤層，厚度約0.8m，發(fā)育弱，紅棕色，顏色明顯較上面地層深，肉眼觀察較明顯，有灰色斑跡，成壤作用強(qiáng)，磁化率測量值高。應(yīng)為古土壤S1。

(13)黃土層，厚度約2.5m，典型的風(fēng)成黃土。

該剖面雖較復(fù)雜，但磁化率曲線與巖性柱仍可進(jìn)行很好的對(duì)比，即磁化率峰值區(qū)對(duì)應(yīng)古土壤。由于剖面的復(fù)雜巖性我們僅能確定最上層古土壤層為S1，其余層位需更加深入的研究。該剖面中部存在灰綠色泥巖沉積層，屬于湖相沉積，可能與地方構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的湖泊或靜水作用有關(guān)。

3 階地成因分析

河流階地的形成主要受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候變化、侵蝕基準(zhǔn)面的變化等影響，河流的襲奪亦可形成局部階地[8]，其中構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是影響河流階地尤其是大型基座階地形成的最主要因素，在一定條件下，河流階地是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)靈敏的晴雨表。[21]氣候變化對(duì)河流階地形成的影響主要通過控制河流系統(tǒng)的含沙量與搬運(yùn)能力之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系來實(shí)現(xiàn)[22]，在氣候穩(wěn)定濕潤期，河流發(fā)生下切，而在氣候發(fā)生明顯轉(zhuǎn)化的時(shí)期，河流則發(fā)生加積。侵蝕基準(zhǔn)面的變化也是推動(dòng)階地形成的重要作用，可以由海平面升降引起也可以由局部的構(gòu)造抬升或下降引起。研究表明海平面升降對(duì)大型河流影響不會(huì)深入到內(nèi)陸很遠(yuǎn)，侵蝕基準(zhǔn)面變化對(duì)河流上游影響在400m以內(nèi)。

3.1 T1階地

該級(jí)階地分布較為廣泛，沿河分布基本連續(xù)且大部分地方表現(xiàn)為堆積階地，在河曲地區(qū)亦是如此。對(duì)于該級(jí)階地的形成年代學(xué)術(shù)界觀點(diǎn)也比較統(tǒng)一，即該級(jí)階地形成于10ka前后。[10][20][23][24]10ka左右末次冰期結(jié)束，冰后期開始，8ka左右開始的大西洋期是氣候最適宜的時(shí)期[25]，據(jù)此推斷，該級(jí)階地形成可能是氣候原因。邱維理等對(duì)該區(qū)域研究表明T1階地形成時(shí)河流下切幅度不大，但河流的側(cè)蝕速度卻比較大且河流沉積物較薄，以均衡沉積為主[20]，這說明這一時(shí)期內(nèi)該區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，因此也證實(shí)該級(jí)階地的形成主要受氣候變化的影響。

3.2 T2階地

該級(jí)階地上覆黃土地層底部有一層古土壤，研究表明該層古土壤可能為S2，據(jù)此推斷階地形成年代應(yīng)為約200ka。王均平對(duì)河曲地區(qū)研究認(rèn)為T2階地上覆黃土地層發(fā)育有三層古土壤，其中最下層古土壤為S3，據(jù)此T2階地形成年代應(yīng)為336ka。[26]二者在形成年代上稍有差別。但值得注意的是兩者研究的共同點(diǎn)，即剖面最下部即河流相沉積物之上都有一層古土壤發(fā)育。縱觀整個(gè)黃河流域的研究現(xiàn)狀，此種現(xiàn)象并非該地區(qū)獨(dú)有。蘇懷等對(duì)三門峽地區(qū)的研究表明黃河在三門峽地區(qū)有1.24Ma，0.86Ma，0.62Ma，0.25Ma，0.13Ma和0.05Ma六個(gè)時(shí)代的階地，分別對(duì)應(yīng)古土壤 S14，S8，S5，S2，S1和 Sm。[27]潘保田等對(duì)蘭州地區(qū)黃河階地的研究也表明該地區(qū)河漫灘相沉積物之上都有一層古土壤發(fā)育。[28]由此可見，在整個(gè)黃河流域階地序列中，河流相沉積物之上發(fā)育古土壤的現(xiàn)象十分普遍。古土壤發(fā)育時(shí)期正好位于氣候相對(duì)比較適宜的間冰期。[29]河曲地區(qū)處于東亞季風(fēng)的邊緣，受季風(fēng)氣候影響較大。冰期氣候干冷，冬季風(fēng)相對(duì)強(qiáng)盛，植被覆蓋率低，地表徑流減少，黃土堆積也比較旺盛，黃河泥沙含量增大，河流作用主要表現(xiàn)在側(cè)蝕和拓寬谷底。[30]而間冰期冬季風(fēng)減弱，夏季風(fēng)反而增強(qiáng)，氣候變得相對(duì)濕潤，植被覆蓋率增加，地表徑流也相對(duì)增加，黃河泥沙含量也減少，河流作用則主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈下蝕，發(fā)育階地。[30]

氣候變化只是階地形成的必要條件而非充分條件。從黃河的下切速率和階地形成年代來看，地面抬升仍是形成階地的重要影響因素。只有當(dāng)?shù)孛嫣俾蔬_(dá)到一定程度的時(shí)候，氣候變化才能導(dǎo)致黃河堆積與下切交替形成階地；而地面上升緩慢時(shí)期，即使發(fā)生了大幅度的氣候變化，黃河也沒有階地記錄。[28]由此可見構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在此級(jí)階地形成中的作用也不容忽視，0.2-0.15Ma左右，青藏高原及其周圍經(jīng)歷了一次廣泛而劇烈的隆升過程——共和運(yùn)動(dòng)，此次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也引起了周圍河流的強(qiáng)烈下切。黃河上游地區(qū)形成了一系列階地。[24]從區(qū)域性構(gòu)造作用來看，河曲所在的鄂爾多斯高原在196.7ka-76.4ka平均隆起量達(dá)到28m，速率達(dá)0.23mm/a。[31]結(jié)合以上分析我們認(rèn)為河曲T2階地的形成是氣候變化與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)共同作用的結(jié)果。

3.3 T3階地

由于T3階地上覆地層剖面巖性復(fù)雜加上研究手段的限制我們僅能確定其第一層古土壤為S1，剖面最底部的年齡并不能確定。S1之下有多層河流沖積層，剖面中部有一層灰綠色泥巖，湖相沉積層。王均平對(duì)該區(qū)研究證實(shí)，保德地區(qū)在第三紀(jì)時(shí)期已有古湖形成，古湖邊緣存在一些以古湖為中心的短小河流，5-3.6Ma期間，隨著河流溯源侵蝕的作用，在晉陜峽谷北段，已形成自河套地區(qū)向保德古湖的河流，1.2Ma之后黃河切傳三門峽東流入海，同時(shí)河流溯源侵蝕，將河套與汾渭地塹貫通，晉陜峽谷形成。[26]T3上覆剖面湖相地層可能與保德古湖邊緣作用有關(guān)，但其年齡并不確定，二者關(guān)系還需進(jìn)一步研究。研究區(qū)所處的鄂爾多斯高原在1409.8ka-196.7ka平均隆起量為46m[31]，其平均隆起速率并不大。而復(fù)雜的地層沉積可能更多地記錄了該地區(qū)地方性的氣候變化。我們推測該級(jí)階地形成更多是與氣候變化有關(guān)。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在階地形成中的作用還有待于尋找以及階地年代的確定。

結(jié)語

第一，河曲縣城附近發(fā)育有三級(jí)河流階地，其中T1階地為堆積階地，T2階地為埋藏基座階地，T3階地為基座階地。

第二，T1階地年齡為10ka，其形成主要受氣候變化影響。T2階地形成時(shí)代約為200kaBP，其形成原因主要受氣候變化和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)共同影響。T3階地的形成年代還需進(jìn)一步研究確定，其成因可能與地方性的氣候變化有關(guān)。

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