共和盆地黃河階地礫石組構(gòu)特征與環(huán)境意義

胡夢珺，馮淑琴，李向鋒，潘寧惠

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

河流階地是構(gòu)造運動與氣候變化共同作用的結(jié)果，研究河流階地是探討其所在地區(qū)在階地形成時期古氣候變化、構(gòu)造運動與河流侵蝕等方面的重要途徑之一[1]。對階地堆積物特別是對礫石層組構(gòu)特征的研究可以分析階地中礫石的來源、搬運方式、水動力狀況及古河流流向等[2-5]。礫石組構(gòu)分析是借助數(shù)理統(tǒng)計方法對礫石的礫性、礫度、礫態(tài)和礫向進行測量與統(tǒng)計分析，從而確定礫石來源、搬運距離、水動力狀況以及沉積環(huán)境等[6-7]。

圖1 共和盆地階地礫石層分布Fig.1 Distribution of the section locations of the Yellow River’s terraces in Gonghe Basin

古近紀(jì)末共和盆地形成后，共和運動使黃河于0.11 Ma B.P.進入共和盆地，隨著青藏高原的階段性隆升與黃河的溯源侵蝕過程，黃河下切礫石層及下伏基巖底座而形成多級階地，其中多為堆積階地，少量為侵蝕階地。黃河源區(qū)階地的形成時間為中更新世晚期到全新世，龍羊峽段黃河約形成于0.06 Ma B.P.[8-10]。前人對共和盆地進行了大量的研究，主要集中于植被群落演化與環(huán)境演變[11-13]，以黏土礦物、孢粉、粒度、磁化率、地球化學(xué)元素等代用指標(biāo)研究古氣候演變[14-22]；關(guān)于地貌演化與黃河發(fā)育研究[23-24]等方面，對區(qū)域內(nèi)河流階地雖有所研究，但主要集中于用黃河階地來反映青藏高原的抬升速率和黃河的形成與河流階地成因等方面[8-9]，而對盆地內(nèi)黃河階地礫石層的組構(gòu)特征則研究極少。為此，本文對共和盆地黃河階地礫石層的礫性、礫度等組構(gòu)特征進行分析，討論階地礫石層的沉積環(huán)境及成因。本研究可填補該地區(qū)黃河階地礫石層組構(gòu)特征的研究空白，并為青藏高原東北部古氣候反演提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域與階地概況

共和盆地(35°27′—36°56′N，98°46′—101°22′E)位于青藏高原東北邊緣青海湖南側(cè)(圖1)，地處祁連山與昆侖山兩大山系交匯處，盆地東寬西窄，東西長約250 km，南北寬約60 km，最寬處達90 km，平均海拔為2 900 m。盆地為中生代形成的斷陷盆地，其基底為強烈變形的三疊紀(jì)復(fù)理石，盆地四周山地巖層主要為三疊紀(jì)砂巖、灰?guī)r、淺變質(zhì)板巖、片巖及印支時期形成的花崗巖和閃長巖等。新近紀(jì)以來沉積一套河湖相地層，地層中巖石以礫巖、石英巖和泥巖為主[8-9,24]。中更新世末—晚更新世黃河溯源侵蝕切開龍羊峽，使共和古湖湖水外泄，隨構(gòu)造抬升運動的繼續(xù)發(fā)展，黃河及其支流在龍羊峽轉(zhuǎn)彎，河段不均勻下切形成多級階地[23]。

表1 共和盆地黃河階地采樣點礫石層剖面描述

野外考察可知，黃河在龍羊峽段發(fā)生明顯拐彎，黃河不斷側(cè)向侵蝕形成河曲階地，隨著地面抬升，階地保存在河流左岸，黃河進一步側(cè)蝕形成新的階地。黃河龍羊峽段存在12級階地，各階地拔河較低，相對海拔相差較小，階地形態(tài)與韓建恩等[8]的描述相似，在階地出露礫石層上進行采樣。由海拔高度及測年數(shù)據(jù)可知，階地年代具有連續(xù)性，依次對階地礫石層編號為T1—T12。階地剖面及礫石采樣點描述如表1所示。

2 實驗方法

2.1 礫石采集方法

進行礫石采集時，分別在12級階地上選取1 m×1 m的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)隨機選取100個礫石用羅盤測量并記錄礫石的傾向，編號后帶回實驗室。

2.2 礫石統(tǒng)計方法

2.2.1 礫性與礫向統(tǒng)計

在實驗室根據(jù)礫石的礦物組成及其含量對礫石進行具體分類，統(tǒng)計其不同礫性礫石數(shù)量。根據(jù)野外測量的礫石傾向數(shù)據(jù)繪制礫石傾向玫瑰花圖。

2.2.2 礫石礫度統(tǒng)計

2.2.3 礫石礫態(tài)統(tǒng)計

表征礫石礫態(tài)的參數(shù)主要包括礫石的形態(tài)、扁度、球度、磨圓度、風(fēng)化程度和礫態(tài)系數(shù)等[26]。通過礫石三軸的比值可將礫石形態(tài)分為4種：圓球體，b/a>2/3，c/b>2/3；扁球體，b/a>2/3，c/b<2/3；橢球體，b/a<2/3，c/b>2/3；扁長體，b/a<2/3，c/b<2/3)。

磨圓度(P)利用哈巴科夫的五級表目估，并通過公式P=(∑nQ/N)×25%(n為級數(shù)，Q為對應(yīng)級數(shù)的礫石個數(shù)，N為礫石總個數(shù))計算[4,27]。風(fēng)化程度根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》采用目測法統(tǒng)計。礫態(tài)系數(shù)為扁度與球度的比值。

3 礫石組構(gòu)特征分析與環(huán)境意義

3.1 礫性分析

礫性組合特征分析是探究礫石來源的重要手段之一[28]。共和盆地各階地礫石成分復(fù)雜(表2)，以砂巖和石英巖為主，平均含量分別為22.25%和28.75%；板巖次之，平均含量為9%；混合巖和礫巖含量分別為5.3%和4.41%；另外還含有較少其他性質(zhì)的礫石。各階地礫石性質(zhì)構(gòu)成差異明顯，T1、T3、T5、T6、T10、T11和T12的礫石樣品中砂巖占絕對優(yōu)勢，含量均在31%以上；T4和T9階地礫石樣品中石英巖占絕對優(yōu)勢，含量在33%以上；T2和T8礫石樣品中石英和砂巖含量約為50%，且兩者含量相差不大；T7礫石樣品中石英巖含量最多，但其含量與其他性質(zhì)的礫石含量相差較小，不占有絕對優(yōu)勢。

共和盆地各階地巖性分析結(jié)果表明：各階地的礫石巖性組合復(fù)雜，除T7外主要巖性含量優(yōu)勢明顯，以砂巖與石英巖為主，礫性組合與盆地內(nèi)地層巖石性質(zhì)組合相似，指示階地礫石來源于區(qū)域地層，未經(jīng)遠距離搬運。

3.2 礫度分析

礫石平均礫徑越大，反映的介質(zhì)平均動力越大，反之則相反。礫石礫徑的分選系數(shù)越接近1，說明當(dāng)時搬運介質(zhì)動力比較穩(wěn)定；分選系數(shù)大于3時，表明介質(zhì)動力極不穩(wěn)定。礫石軸徑頻率柱狀圖可反映礫石的分布特征、均勻、分選、對稱和離散狀況[20]。σ是表示分選程度的參數(shù)，值越接近0則分選程度越好，介質(zhì)動力比較穩(wěn)定，反之則相反，Sk是用來判斷礫度分布對稱程度的參數(shù)，在判斷礫石成因方面使用廣泛。Kg為衡量礫度頻率曲線尖銳程度的參數(shù)。通過σ、Sk和Kg可判斷礫石層具體成因[29-31]。

表2 共和盆地黃河階地礫石層的礫性特征(個)

礫石各軸的分選系數(shù)均大于1.5，分選作用差，表明礫石層沉積時介質(zhì)動力不夠穩(wěn)定。根據(jù)礫石a軸礫徑的分選系數(shù)得出各礫石層堆積時期介質(zhì)動力穩(wěn)定性大小依次為T1>T3>T5>T8>T6>T10>T7>T12>T9>T2>T4>T11。各礫石層σ在1.79～2.62之間，反映各礫石層礫石分選程度較差，根據(jù)σ可知礫石層沉積過程中介質(zhì)動力的穩(wěn)定性依次為：T4>T9>T7>T10>T6>T8>T5>T1>T11>T12>T2>T3。各礫石層Sk均為正值，范圍在0.17～0.4之間。Kg在0.88～1.41之間，T2、T3、T5、T12、T10、T6 、T8和T9峰值大于1，表現(xiàn)為窄峰，反映介質(zhì)搬運動力作用強度依次減弱，T7、T1、T4、 T11峰值略小于1，表現(xiàn)為中等峰度，介質(zhì)的搬用強度依次減弱，各參數(shù)指示的礫石層成因如表4。

對礫石a軸頻數(shù)分布柱狀圖(圖2)分析可知：各礫石層礫石a軸礫徑跨度大，范圍在11.98～193.94 mm之間；礫徑分布基本服從正態(tài)分布，峰值分布范圍靠前且較寬；礫徑較大的礫石頻數(shù)較少，除T5、T10、T11外，其余各階地礫石a軸礫徑分布較分散，且在某些礫徑范圍內(nèi)未有分布，各礫徑頻數(shù)柱狀圖指示礫石經(jīng)歷中短距離的搬運。

由表4可知，各參數(shù)反映的礫石層成因具有一定的差異性，可能是由于黃河源區(qū)區(qū)域高差變化小，礫石未經(jīng)充足搬運分選就發(fā)生了沉積。礫度參數(shù)反映的同一礫石層成因有差別，因此，對于礫石層成因的判斷必須結(jié)合其他條件才能完成。前人研究[32-33]發(fā)現(xiàn)0.9～0.6 Ma B.P.時唐古拉山(海拔5 300 m)的最大雪線的平衡高度為4 250 m，昆侖山埡口(海拔4 767 m)上伏冰磧層只存在于山頂，冰磧層形成時間不晚于0.6 Ma B.P.，而共和盆地各階地形成于0.11 Ma B.P.之后，且海拔高度均在2 900 m以下，遠低于唐古拉山和昆侖山的海拔，盆地不可能形成冰川，所以礫石層成因中應(yīng)排除冰磧成因，各礫石層均為流水成因。

3.3 礫態(tài)分析

礫石的Ψ和F可在一定程度反映介質(zhì)條件的變化，一般認(rèn)為隨著介質(zhì)作用的加強，Ψ增大，而F減小[29, 34-35]。P值越大表示磨圓度越好，搬運距離越大[4, 36]。由各礫石層礫態(tài)特征(表5)可知：各礫石層礫石形態(tài)總體以扁球狀為主，不同階地礫石在相同形態(tài)上的分布差別較大，T1、T5、T12 、T3、T6、T11形態(tài)以扁球體為主，其次為扁長體；T4、T10、T7、T8、T9形態(tài)以扁球體為主，其次為圓球體；T2形態(tài)以扁球體為主，其次為橢球體。形態(tài)特征也反映階地礫石未經(jīng)歷遠距離搬運。

表4 粒度參數(shù)反映的黃河階地礫石層成因

圖2 共和盆地黃河階地礫石層a軸礫徑頻率分布柱狀圖Fig.2 The histograms of a-axon size-frequency distribution of conglomerate layers of the Yellow River’s terraces in Gonghe Basin

階地形狀/個圓球體扁球體橢球體扁長體FΨPF/Ψ風(fēng)化程度1234T1115314222440656175401841600T220382220229065595385742600T321441223248065617543195500T421471814226066557537793700T521342223221067590036191810T6183714312560626125455702910T7234113232190675975354584110T833421213210069665323792100T9253516242350656025402871300T10194918142280666275372762220T1114421331269061710047989920T1213401829270062667548191900

圖3 共和盆地各階地礫石層礫石ab面傾向玫瑰花圖Fig.3 Rose maps of gravel primeval a-b plane of the Yellow River’s terraces in Gonghe Basin

各礫石層Ψ在2.1～2.7之間，分布較集中，其中T12最大，T8最小。階地礫石Ψ反映的介質(zhì)作用強弱依次為T8>T7>T5>T4>T10>T2>T9>T1>T3>T6>T11>T12。球度范圍在0.61～0.69之間，分布集中且一致性分布特征明顯，T8最大，T12最小。F反映礫石層形成時流水作用強弱為T8>T7、T5>T10、T4>T9、T3、T2、T1>T6>T12>T11，與Ψ所反映的情況基本一致。球度系數(shù)范圍在3.23～4.81之間，分布較集中。

P范圍在55.75～71之間， T2、T4 、T5 和T7磨圓度較差，T1、T3、T6、T8、T9、T10、T11和T12磨圓度中等，總體來說P反映各階地礫石未經(jīng)歷長距離的搬運。P反映階地礫石層形成時礫石搬運距離的遠近依次為：T11>T12>T8>T10、T1、T3>T6>T9>T7>T2>T5>T4。各礫石層礫石風(fēng)化程度總體較弱，主要為1～2級，3級略有分布，說明本區(qū)礫石層主要遭受物理風(fēng)化，化學(xué)風(fēng)化則較弱。

綜合分析可知，各礫石層的礫態(tài)系數(shù)分布較集中，一致性特征明顯，由此可推斷礫石層在成因上具有相似性。根據(jù)前人[4, 28-40]對河流相、沖洪積相、冰磧相礫石扁度和球度等的研究成果，結(jié)合區(qū)域考察結(jié)果確定各階地礫石層最終成因(表4)， T1、T3、T4、T7、T8、T11為穩(wěn)定的河流流水成因，T2、T5、T6、T9、T10和T12為流水沖積成因。

3.4 礫向分析

礫向是指礫石扁平面(a-b面)的產(chǎn)狀要素，礫石原始平面優(yōu)勢指向可反映古河道方向與礫石來向[6]。根據(jù)野外礫石傾向測量數(shù)據(jù)，繪制各測點位置礫石最大扁平面(a-b面)傾向的玫瑰花圖，如圖3所示。由圖3可知：各礫巖層的傾向玫瑰花圖分布特征各不相同，礫石層礫石的主傾向明確，與野外觀察結(jié)果一致。T1、T2、T5、T6和T10礫石來向與古水流流向較復(fù)雜， T3、T4、T7、T8、T9、 T11和T12礫石來向與古水流流向較簡單。T1、T2、T6 、T7和T10以偏N向為主， T4、T5、T8、T9、T11和T12以S向為主，T3無絕對的主方向。

4 結(jié) 論

(1)共和盆地各礫石層礫石礫性組成與研究區(qū)內(nèi)礫石組成一致，礫石形態(tài)特征以扁球體為主、磨圓度較差、風(fēng)化程度低、分選性差，指示各礫石層礫石均源于四周山體和區(qū)域湖相地層，礫石未經(jīng)遠距離搬運。各礫石層平均礫徑均大于中值礫徑，小礫徑礫石所占比重較大，說明各階地礫石層形成時期介質(zhì)動力不強。

(2)扁度與球度推斷出各礫石層形成時期介質(zhì)動力大小依次為T8>T7>T5>T4>T10>T2>T9>T1>T3>T6>T11>T12。由礫態(tài)和礫度參數(shù)并參考前人的研究結(jié)果推斷出，T1、T3、T4、T7、T8、T11為穩(wěn)定的河流流水成因，T2、T5、T6、T9、T10和T12為流水沖積成因。礫向研究表明T1、T2、T5、T6和T10礫石來向與古流水流向復(fù)雜，T3、T4、T7、T8、T9、T11和T12礫石來向與古河流流向較簡單，各礫石層主方向與野外觀察一致。

黃河階地的全面研究可對青藏高原抬升與氣候變化研究提供證據(jù)，階地礫石層組構(gòu)特征指示的環(huán)境意義雖簡單，但其礫度和礫態(tài)反映的環(huán)境意義可與年代數(shù)據(jù)相結(jié)合來研究各層礫石形成時的氣候變化與地面抬升狀況。測量階地剖面不同深度年代，并結(jié)合其他指標(biāo)可反映具體的氣候演變與地面抬升信息，這可作為今后研究青藏高原東北部氣候變化與地面抬升的新切入點。

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