大別山東麓河流階地初步研究

楊源源 李鵬飛 鄭海剛,2 潘浩波 路 碩 疏 鵬

1 安徽省地震局，合肥市長江西路558號，230031 2 安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站，安徽省亳州市蒙城縣小澗鎮(zhèn)，233527

河流階地是與河流侵蝕和堆積作用有關(guān)、沿河谷分布的階梯狀地形，其形成通常受構(gòu)造活動、氣候變化和侵蝕基準面下降等因素控制[1]。目前，河流階地的研究已成為分析新構(gòu)造及活動構(gòu)造的重要手段之一，如利用階地發(fā)育級數(shù)反映區(qū)域新構(gòu)造運動特征[2]；根據(jù)階地面錯斷變形分析斷裂的垂直或水平活動幅度、期次及速率[3]；利用階地面的拱曲變形討論地殼縮短與隆升[4]等。大別山雖然為中生代造山帶，新構(gòu)造期以來仍然具有一定的活動性，主要表現(xiàn)為多級夷平面的存在、不對稱掀斜式抬升、斷裂活動與斷塊差異升降運動、多級河谷裂點的存在及相對頻繁的中強地震活動等[5]。大別山東麓被郯廬斷裂帶切割，發(fā)育潛山盆地，盆山交界處具有大別山周緣最顯著的地形反差。由于巨大地形反差及郯廬斷裂帶的長期活動，大別山東麓河流極為發(fā)育，部分河流為區(qū)域性大型河流，構(gòu)成長江支流，如長河、潛水、大沙河等。部分學者依據(jù)大別山東麓部分河流的平面形態(tài)討論郯廬斷裂帶的右旋扭動特征[6-7]，但關(guān)于該區(qū)河流階地的研究較少，階地發(fā)育級數(shù)、類型、形成時代及變形情況均不明，這在一定程度上影響了郯廬斷裂帶新活動性和區(qū)域新構(gòu)造運動特征的分析。

本文基于遙感解譯、野外調(diào)查、光釋光(OSL)測年與無人機地形測繪，對大別山東麓桐城-太湖段河流階地進行分析研究，獲得對該段河流階地發(fā)育特征的初步認識，結(jié)合階地變形特征和有關(guān)資料進一步分析郯廬斷裂帶大別山東麓段的新活動性，研究結(jié)果可為區(qū)域新構(gòu)造運動研究和郯廬斷裂帶南段地震危險性評價提供基礎(chǔ)資料。

1 區(qū)域概況

大別造山帶是印支期揚子板塊向華北板塊俯沖形成的陸-陸碰撞造山帶[8]。郯廬斷裂帶構(gòu)成大別山與潛山盆地分界帶，受晚第三紀以來區(qū)域擠壓作用影響，斷裂帶內(nèi)斷陷盆地同步抬升與閉合，斷裂帶呈逆沖活動特征并延續(xù)至今[9]。大別造山帶內(nèi)主要斷裂走向為近EW向、NWW向及NE向，包括土地嶺-落兒嶺斷裂、青山-曉天斷裂、梅山-龍河口斷裂等，大部分斷裂具有第四紀活動性[5]。公元294年以來，大別山地區(qū)共發(fā)生M≥5地震10次，其中M≥6地震2次，分別為1652-03-23霍山東北6級地震和1917-01-24霍山西南6級地震，屬于中強地震活動區(qū)(圖1)。大別山總體由西北向東南延伸，表現(xiàn)為向南凸出的山體，北坡陡而短，南坡緩而長，最高峰超過1 500 m，地貌上表現(xiàn)為地塹谷、斷塊山和斷陷盆地廣泛分布，具有崗巒起伏、群峰突起的特征。

2 河流階地發(fā)育特征

2.1 大別山東麓河流概況

據(jù)前期研究，大別山東麓桐城-太湖發(fā)育有不同規(guī)模河流45條，采用Strahler分類法可劃分為6個級別[7]。其中，1級河流14條，一般為順坡發(fā)育的小沖溝，谷寬2～5 m，谷深1～2 m，無常年性流水；2級河流19條，規(guī)模稍大，谷寬10～25 m，谷深3～5 m，有常年性流水；3級河流7條，河流寬度一般為30～150 m，谷深在5 m以上，水流量大，通常具有固定名稱，如掛車河(河流10)、牌樓河(河流37)、白沙河(河流39)等；4級以上河流5條，寬度為100～500 m，谷深在5 m以上，通常為區(qū)域性大型河流，構(gòu)成長江(區(qū)域最高級河流，7級)重要支流，如大沙河(河流22)、潛水(河流33)、長河(河流45)等。本文結(jié)合上述分級結(jié)果和河谷寬深比情況，將大別山東麓河流簡化為小型、中型、大型3類(圖2)，其中1、2級河流為小型河流，谷寬通常不超過30 m，寬深比不超過5，形成時代較新；3級河流為中型河流，谷寬30～150 m，寬深比為5～30；4級以上河流為大型河流，谷寬100 m以上，寬深比不小于20，形成時代較早。除部分小型河流外，多數(shù)河流普遍表現(xiàn)為寬谷，顯示具有壯年-老年期河流地貌特征。

圖2 大別山東麓河流展布Fig.2 Distribution of rivers in the eastern footof Dabie mountains

2.2 河流階地發(fā)育特征

在遙感解譯基礎(chǔ)上，對不同規(guī)模河流階地的發(fā)育情況進行系統(tǒng)調(diào)查。各中、小型河流出山后下切幅度均較小，T1階地面大多直接與盆地平原面相連接，河谷內(nèi)局部地段發(fā)育有河漫灘(T0)。選取河流34與河流32進行專題研究，其中河流34寬2 m，為最新發(fā)育的小型沖溝，東岸發(fā)育T0與T1階地(圖3)。T0階地河拔高度1.3 m，階地面寬15 m，未見礫石層出露；T1階地河拔高度4.2 m，階地面向上與盆地古近系紅色砂巖構(gòu)成的丘陵緩坡相連接，為基座階地，階地前緣陡坎下部有礫石層出露，厚度大于1 m。T1階地底部礫石呈渾圓狀-次棱角狀，分選較好，礫徑2～5 cm，偶見10～30 cm巨礫，礫石層夾于灰黃色粘土之中，粘土較為堅硬。在礫石層與頂部灰黃色粘土交界處采集1個光釋光(OSL)樣品進行測試，編號為H34-1。

圖3 河流34階地發(fā)育特征Fig.3 Terrace development characteristics of river 34

河流32寬5 m，見1級階地發(fā)育(圖4)。其中，T0階地河拔高度為1 m，階地面寬達3～6 m，為河漫灘階地；T1階地河拔高度4 m，為基座階地，基座為前寒武系中風化棕黃色花崗片麻巖，頂部見礫石層出露，厚度約0.5 m。礫石呈次圓狀-次棱角狀，分選較差，礫徑3～30 cm，集中于8～12 cm。礫石層頂部為砂質(zhì)紅棕色亞粘土，較硬，間夾薄層基巖風化沉積物。T1階地面構(gòu)成盆地平原基準面，在T1階地礫石層與頂部砂質(zhì)紅棕色亞粘土交界處采集1個光釋光(OSL)樣品，編號H32-1。

圖4 河流32階地發(fā)育特征Fig.4 Terrace development characteristics of river 32

研究區(qū)內(nèi)大型河流階地研究工作主要在皖水(河流29)、長河(河流45)開展，由于皖水山前地段植被發(fā)育，難以開展階地調(diào)查，故選取山內(nèi)湖田村一帶進行研究。皖水在該地段寬約200 m，發(fā)育2級階地(圖5(a)和5(b))，其中T1階地河拔高度3 m，為堆積階地，主要發(fā)育于西岸，階地面寬20～100 m；T2階地河拔高度6 m，也為堆積階地，兩岸階地陡坎下部均見礫石層出露。東岸T2階地礫石層較為粗大，中部夾粗砂層，底部夾黑色薄層砂質(zhì)粘土層，厚5～10 cm，礫石礫徑5～40 cm，分選一般，磨圓度好(圖5(c))。西岸T2階地礫石層分選較好，礫徑3～10 cm，礫石與砂層互層，磨圓度好，礫石層頂部為河漫灘相粘土、粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)堆積。在西岸T2階地礫石層內(nèi)細砂層中采集1個光釋光(OSL)樣品，編號H29-1(圖5(d))。

長河在山前地帶可見階地發(fā)育，山內(nèi)由于人工修建水庫地形地貌改觀較大，難以開展階地研究。長河在山前地帶寬240 m，發(fā)育2級階地(圖5(e)和5(f))。圖5(g)為階地橫剖面，其中T1階地為基座階地，河拔高度3 m，階地面寬達90 m；T2階地也為基座階地，河拔高度7 m，階地面構(gòu)成潛山盆地平原面。T1階地底部可見礫石層發(fā)育，厚度大于0.5 m，礫石礫徑3～5 cm，分選性及磨圓度均較好。礫石層頂部為棕黃色亞粘土堆積，在礫石層中采取1個光釋光(OSL)樣品，編號WH-T1(圖5(h))。皖河T2階地前緣陡坎高4 m左右，階地底部見棕黃色花崗片麻巖發(fā)育，表明為基座階地(圖5(i))。陡坎上植被發(fā)育，為棕黃色粘土、粉質(zhì)粘土覆蓋，未見礫石層出露。在T2階地棕黃色粘土層中部采集1個光釋光(OSL)樣品，編號WH-T2。

圖5 典型大型河流階地發(fā)育特征Fig.5 Terrace development characteristics of typical large rivers

研究表明，大別山東麓河流階地發(fā)育較差，各中、小型河流在山前地帶普遍只發(fā)育1級階地，僅少數(shù)大型河流發(fā)育2級階地。不同地段階地類型和河拔高度均存在一定差異，T1階地河拔高度普遍為2～4 m， T2階地河拔高度通常為5～7 m，各級階地類型以基座階地較為常見。

2.3 河流階地時代

構(gòu)建河流階地年代格架是開展以河流階地為記錄的構(gòu)造抬升、氣候變化和地貌演化的前提和基礎(chǔ)。獲得階地形成的絕對年代，是目前河流階地研究的重點和難點。研究區(qū)河流階地的研究基礎(chǔ)較弱，河流階地發(fā)育較差，以往未有該區(qū)河流階地形成時代的相關(guān)研究。本文通過光釋光(OSL)測年方法，在典型河流階地沉積物中采集樣品進行測試，初步了解大別山東麓地區(qū)河流階地的形成時代。在T1階地沉積物中采集OSL樣品3個，編號分別為H34-1、H32-1、WH-T1，其中H34-1、H32-1代表研究區(qū)內(nèi)小型河流T1階地樣品，WH-T1代表大型河流T1階地樣品；在皖水、長河大型河流T2階地沉積物中采集OSL樣品2個，編號分別為H29-1、WH-T2。所有樣品均由山東省地震局年代學實驗室完成測試，各樣品測試結(jié)果見表1。

表1 大別山東麓河流階地年代測試結(jié)果

從各級河流階地測試結(jié)果來看，T1階地獲得3個年代數(shù)據(jù)，分別為3.8±0.6 ka BP、11.8±0.8 ka BP、24.8±2.5 ka BP，其中3.8±0.6 ka BP測試結(jié)果較為年輕，且采樣點頂部為田埂，存在人為改造的可能，該結(jié)果可信度低。分析認為，T1階地年齡范圍在24.8±2.5 ka BP～11.8±0.6 ka BP較為合理，即晚更新世晚期至全新世早期；T2階地獲得2個年齡樣品，分別為57.5±1.5 ka BP、54.6±3.3 ka BP，均為晚更新世中期。上述河流階地沉積物OSL測年結(jié)果表明，大別山東麓河流T1階地形成時代為晚更新世晚期至全新世早期(約25 ka BP～12 ka BP)，T2階地形成時代為晚更新世中期(約55ka BP)。

3 河流階地與斷裂活動

郯廬斷裂帶大別山東麓段晚第四紀活動性分析一直是研究的難點，主要原因在于斷裂帶沿線總體處于剝蝕隆升區(qū)，露頭剖面頂部普遍缺失第四系沉積物，并且人為改造與植被覆蓋較為嚴重，不利于開展活動性鑒定工作?？紤]到河流階地作為最新的沉積-地貌單元，對斷層新活動的響應(yīng)較敏感，有必要從階地變形角度對該段最新活動特征開展進一步研究。

本文在河流階地調(diào)查與定年基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，選取線性地貌特征清楚、斷層位置相對明確的大沙河出山口一帶開展階地無人機航拍工作，構(gòu)建河流階地跨斷層的高精度數(shù)字高程模型(DEM)，并提取各級階地跨斷層的地形剖面線，以分析其垂直變形特征。階地航拍采用大疆精靈4 RTK無人機，通過連接網(wǎng)絡(luò)差分信號可獲得實時cm級定位精度，將航拍照片在PhotoScan軟件中處理獲得航拍區(qū)域的數(shù)字高程模型，最后在ArcGIS軟件中提取跨斷層的各級河流階地地形剖面。

圖6(a)為航拍獲取的大沙河附近正射影像，分辨率為0.03 m；圖6(b)為相應(yīng)的DEM，分辨率為0.25 m；圖6(c)為在正射影像圖基礎(chǔ)上，基于區(qū)域地質(zhì)資料和野外調(diào)查認識給出的地質(zhì)地貌解譯?；谝巴庹{(diào)查、遙感影像和DEM綜合解譯發(fā)現(xiàn)，大沙河山前一帶發(fā)育有2級階地，即T1、T2，其中T1階地分布在河流西南岸，發(fā)育較差，并受后期人為改造與河漫灘(T0)連為一體，影像上較難識別。圖6(d)為河流西南岸階地照片，宏觀上顯示T2階地面在斷層兩側(cè)相對連續(xù)，T1階地因修筑防洪堤壩導致形態(tài)不完整，斷層兩側(cè)難以對比。圖6(e)為跨河流的A-B地形剖面，從圖中可以看出存在T1階地，河拔高度約3 m；T2階地發(fā)育較好，在山內(nèi)部分(即斷層以西)主要發(fā)育在河流西南岸，出山后與山前盆地面相連，河拔高度約7 m。圖6(f)和6(g)為經(jīng)T2階地并跨斷層的2條地質(zhì)地貌剖面。圖6(f)顯示在C-D剖面上，T2階地在斷層兩側(cè)海拔高度較為一致，均在42 m左右，即階地面在斷層兩側(cè)無明顯垂直落差。圖6(g)顯示在E-F剖面上，T2階地在斷層兩側(cè)海拔高度不一致，斷層西側(cè)為42 m左右，東側(cè)為39 m左右，存在約3 m落差。遙感解譯和實地考察表明，該落差為人為改造所致，即斷層東側(cè)的T2階地因修筑防洪堤壩被人為開挖取土，導致地表高度發(fā)生下降而形成連片水塘。上述情況表明，大沙河山前地帶T2階地面在斷層兩側(cè)無明顯垂直落差，反映斷層自T2階地形成以來未發(fā)生明顯垂直運動。另外，本文也對發(fā)育T2階地的長河、皖河山前一帶進行了詳細遙感解譯與實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)各河流T2階地面在跨斷層附近均平坦、連續(xù)，表明未發(fā)生過變形。

圖6 大沙河階地發(fā)育特征Fig.6 Terrace development characteristics of Dashariver

4 結(jié) 語

基于遙感解譯、野外調(diào)查、光釋光測年和無人機地形測繪，對大別山東麓桐城-太湖段河流階地發(fā)育特征、形成時代與跨郯廬斷裂帶的變形情況開展研究，得到以下結(jié)論：

1)大別山東麓河流階地發(fā)育較差，各中小型河流普遍發(fā)育1級階地，少數(shù)大型河流發(fā)育2級階地。T1階地河拔高度普遍在2～4 m，T2階地河拔高度通常在5～7 m，各級階地以基座階地較為常見。

2)大別山東麓河流T1階地形成時代為晚更新世晚期至全新世早期(約25 ka BP～12 ka BP)，T2階地形成時代為晚更新世中期(約55 ka BP左右)。

3)郯廬斷裂帶大別山東麓段自河流T2階地形成以來未發(fā)生明顯活動，該段斷層最新活動時代為中更新世。

由于研究區(qū)內(nèi)氣候溫暖濕潤，降雨豐沛，地形地貌受自然剝蝕及人為改造較大，特別是大部分河流山內(nèi)地段均建有水庫，河流原始地貌破壞嚴重，更高級河流階地是否發(fā)育或保存目前尚不清楚。對于該問題還需進行深入研究。