地質(zhì)構(gòu)造對黃河中游北段水系展布特征的影響

王凱 ，王曉勇 ，李明陽,2 ，薛強(qiáng)

（1. 中國地質(zhì)調(diào)查局造山帶地質(zhì)研究中心，中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710119；2. 中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

世界上主要大河水系的展布特征受地質(zhì)作用及區(qū)域構(gòu)造樣式的控制，同時(shí)水系的演化也是構(gòu)造應(yīng)力場變化特征的響應(yīng)，記錄著地質(zhì)演化過程 （錢寧等，1987；Lin et al.，2001；Potter et al.，2006；鄭洪波等，2009；金德生等，2015）。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對流域水系格局以及河流走向總體趨勢的控制特征非常顯著（Jackson et al.，1996），已經(jīng)受到不同學(xué)者的關(guān)注，并從地質(zhì)學(xué)的角度出發(fā)對水系發(fā)育形狀進(jìn)行分析。例如，Howard（1967）根據(jù)平面形態(tài)不同將水系劃分為樹枝狀、平行狀、格子狀、長方形、放射狀、環(huán)狀、多湖盆狀、多棱角狀等8種主要類型、12種變異類型和4種復(fù)合類型。錢寧等（1987）將常見的水系平面形態(tài)總結(jié)為6種基本類型和4種變異類型，其中放射狀或環(huán)狀水系主要受地表形態(tài)如穹窿、盆地或坳陷影響，控制這種地貌特征的主要因素是基巖巖性或地質(zhì)構(gòu)造。最常見的樹枝狀水系形態(tài)又可以細(xì)分為羽毛狀、平行狀、格子狀、長方形及多棱角狀（扭曲水系）等（Howard，1967；錢寧等，1987），其主要區(qū)別在于支流與干流的夾角以及支流的密度。研究表明，支流的密度主要與基巖巖性、產(chǎn)狀以及物質(zhì)成分的均一程度等有關(guān)，而支流與干流的夾角不同反映是否受到地質(zhì)構(gòu)造的影響或控制。例如：如果支流與干流均為近直角相交、同級(jí)水系近平行且有規(guī)律分布，則可以推斷其主要受基巖節(jié)理或斷層控制；如果支流與干流的夾角以及同級(jí)水系形態(tài)沒有存在明顯規(guī)律，則可能未受地質(zhì)構(gòu)造影響或受地質(zhì)構(gòu)造影響的因素較?。℉oward，1967；錢寧等，1987）。因此，建立水系形態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系，對于通過水系樣式解析地質(zhì)作用或從地質(zhì)角度指導(dǎo)對水系展布的認(rèn)識(shí)具有重要意義。

黃河作為中國第二大河，是哺育中華民族的母親河，也是中華民族文化和歷史的發(fā)源地。黃河中游的演化過程，以及對水土流失、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響是長久以來備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題（楊雯，1957；趙明甫，1957；Cao et al.，2010；Nie et al.，2015；Baker，2021；計(jì)文化等，2022；Yu et al.，2022；劉顥等，2023）。黃河中上游位于華北腹地鄂爾多斯盆地東北緣，是黃河流域重要的輸沙源區(qū)（楊根生等，1988；李華華等，2023），也是認(rèn)識(shí)黃河演化過程的關(guān)鍵區(qū)域（Pan et al.，2011；Xiong et al.，2022）。華北地區(qū)受控于新特提斯構(gòu)造域和環(huán)太平洋構(gòu)造域共同作用影響，主體構(gòu)造格架形成于中生代晚期，中新世以來以發(fā)育伸展構(gòu)造作用為主（張?jiān)罉虻龋?019）。認(rèn)識(shí)黃河中游流域新構(gòu)造作用對流域水系的平面形態(tài)和河流走向等區(qū)域地貌樣式的影響和控制，對于研究黃河演化過程和科學(xué)指導(dǎo)水土流失的治理尤為關(guān)鍵。

筆者選擇黃河中游北段皇甫川、孤山川和朱家川-縣川流域?yàn)檠芯繉ο?，嘗試通過對水系的發(fā)育特征和基巖節(jié)理和斷層構(gòu)造樣式的調(diào)查研究，討論水系的構(gòu)造控制因素，為厘清黃河中上游鄂爾多斯盆地東北緣區(qū)域水系的發(fā)育與地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系、認(rèn)識(shí)黃河中游水土流失的構(gòu)造控制因素和演化過程提供地質(zhì)依據(jù)。

1 黃河中游北段水系樣式特征

在黃河“幾”字灣東北角分別選擇黃河西岸北側(cè)的皇甫川流域、孤山川流域和黃河?xùn)|岸朱家川-縣川流域?yàn)檠芯繉ο螅▓D1a），以分辨率為2米的DEM（Digital Elevation Model數(shù)字高程模型）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用Arcmap軟件中Spatial Analyst工具提取并獲得水系的展布樣式（圖1b中淺藍(lán)色線條），顯示總體為樹枝狀或者近平行狀，進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)同一級(jí)支流的走向主體一致或近平行，且與更高一級(jí)的支流成大角度甚至垂直交匯。

為了統(tǒng)計(jì)比對3個(gè)研究區(qū)水系的走向特征，需要盡可能較為客觀地標(biāo)繪出水系的走向（圖1中深藍(lán)色線條）。為避免支流數(shù)據(jù)太多稀釋干流數(shù)據(jù)量而影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在標(biāo)繪干流水系時(shí)以每出現(xiàn)1條次級(jí)支流即用1條線段表；當(dāng)水系彎曲程度超過10°時(shí)，則分段標(biāo)繪或取平均走向。通過Arcmap給每條線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)賦坐標(biāo)值，利用三角函數(shù)計(jì)算出每1條（段）支流和干流的走向。

水系走向結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示，皇甫川流域、孤山川流域和黃河?xùn)|岸的朱家川-縣川流域水系流向特征不盡相同（圖1c～圖1e）。皇甫川流域水系主要流向表現(xiàn)為NE-SW向（約45°或225°）、NW-SE向（約135°或315°）和NNW-SSE向（約170°或350°）（圖1c）；孤山川流域水系主要流向?yàn)镹EE-SWW向（約65°或245°）、NWW-SEE向（約110°或290°）和NNW-SSE向（約160°或340°）（圖1d）。黃河?xùn)|岸的朱家川、縣川及其支流的展布特征較為相似，而且二者流域范圍相對較小，將其合并統(tǒng)計(jì)，顯示水系流向主要表現(xiàn)為NNE-SSW向（約20°或200°）、NEE-SWW向（約70°或250°）、NWW-SEE向（約300°或120°）和NNWSSE向（約330°或150°）（圖1e）。

2 黃河中游北段地質(zhì)構(gòu)造特征

2.1 皇甫川流域

皇甫川流域主要出露地層為三疊紀(jì)碎屑巖，上覆全新世風(fēng)成黃土和少量沖洪積物。三疊紀(jì)地層近水平展布，以灰白色細(xì)砂巖和紫紅色泥質(zhì)砂巖互層為主要巖石組合特征。地層中發(fā)育一系列近直立節(jié)理，節(jié)理面從三疊紀(jì)碎屑巖一直向上延伸到風(fēng)成黃土內(nèi)部。

對三疊紀(jì)碎屑巖中節(jié)理產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，主要發(fā)育NNW向和NEE向兩組近垂直節(jié)理，風(fēng)成黃土中的節(jié)理與基巖中的節(jié)理走向總體一致，二者產(chǎn)狀的微小差異可能是巖性不同、能干性不同導(dǎo)致（圖2），指示節(jié)理的形成是區(qū)域伸展作用的結(jié)果。

圖2 皇甫川流域三疊紀(jì)地層和全新世風(fēng)成黃土的野外特征及節(jié)理產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)圖Fig. 2 Field characteristics and attitude statistics of joints in Triassic strata and Holocene eolian loess within Huangfuchuan drainage system

2.2 孤山川流域

孤山川流域以出露侏羅紀(jì)延安組碎屑巖地層為主，地層產(chǎn)狀近水平或緩傾向西，傾角小于10°（圖3a）。上覆黃褐色黃土，厚度不等，最厚可達(dá)數(shù)十米。在侏羅紀(jì)中厚層細(xì)砂巖和粉砂巖互層的地層中可見發(fā)育兩組分別為NNE向和SEE向的節(jié)理。在基巖上覆的中更新世黃土中同樣可觀測到發(fā)育有兩組垂直節(jié)理，其優(yōu)選產(chǎn)狀為近S-N向和近EW向，可能是由于受黃土質(zhì)地較為松軟的影響，節(jié)理產(chǎn)狀在后期發(fā)生變化而導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)結(jié)果不夠集中。此外，黃土中保存的節(jié)理與基巖節(jié)理產(chǎn)狀近似一致或有小角度偏差。形成二者節(jié)理產(chǎn)狀不同的原因可能與基巖和黃土不同物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的能干性不同有關(guān)（圖3）。

2.3 朱家川-縣川流域

朱家川-縣川一帶主要出露中奧陶世馬家溝組灰?guī)r和石炭紀(jì)—二疊紀(jì)碎屑巖。地層近水平或緩傾向西，局部地層緩傾向東。在黃河?xùn)|岸出露的中奧陶世灰?guī)r地層中較好地記錄并保存著脆性構(gòu)造變形樣式。通過野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在中奧陶世馬家溝組厚層灰?guī)r中發(fā)育有陡傾向西的正斷層，露頭尺度所記錄的斷距約為10～15 cm（圖4）。在中薄層灰?guī)r中可以識(shí)別出發(fā)育一系列平行產(chǎn)出的正斷層陡傾西向或東（圖5，圖6），傾向不同的正斷層往往相鄰產(chǎn)出，且斷層產(chǎn)狀顯示二者可能為共軛關(guān)系，指示為伸展作用的結(jié)果。其中西傾的正斷層控制了第四系的沉積邊界，指示該正斷層為活動(dòng)斷層（圖5）。

圖4 中奧陶世厚層灰?guī)r中發(fā)育正斷層野外照片F(xiàn)ig. 4 Normal faults in the thick-bedded limestone of Middle Ordovician

圖5 中奧陶世中薄層灰?guī)r中發(fā)育脆性正斷層并控制更新世沖洪積物野外照片F(xiàn)ig. 5 Normal faults in the medium-thin-bedded limestone of Middle Ordovician which controlled the deposition of the Pleistocene pluvial alluvial sediments

圖6 中奧陶世中厚層灰?guī)r中發(fā)育共軛正斷層野外照片F(xiàn)ig. 6 Conjugate normal faults in the medium-thick-bedded limestone of Middle Ordovician

向東可以識(shí)別出中薄層灰?guī)r地層發(fā)育寬緩背斜（圖7），背斜的樞紐近S-N向，同時(shí)發(fā)育走向直交的兩組節(jié)理面。結(jié)合相鄰地區(qū)發(fā)育的正斷層，指示該寬緩背斜為近E-W向伸展作用下形成的橫彎褶皺。

圖7 中奧陶世中厚層灰?guī)r發(fā)育寬緩背斜野外照片F(xiàn)ig. 7 Bending folds in the medium-thick limestone of Middle Ordovician

中奧陶世馬家溝組中厚層灰?guī)r和與之互層的泥質(zhì)灰?guī)r能干性不同，發(fā)育的節(jié)理產(chǎn)狀不同或節(jié)理面不連續(xù)。受區(qū)域伸展作用的持續(xù)影響，原本不連續(xù)的節(jié)理面會(huì)發(fā)生追蹤貫通并形成連續(xù)的破裂面。在侵蝕作用下，地層極易沿著破裂面發(fā)生局部失穩(wěn)滑坡（圖8）。

綜上對朱家川-縣川流域內(nèi)巖石地層出露情況和變形特征的觀測和產(chǎn)狀的系統(tǒng)測量統(tǒng)計(jì)顯示（圖9），地層多為近水平產(chǎn)出，層理緩傾向東或西，傾角多小于10°。地層中主要保存近S-N向和SE-NW向兩組近直立的節(jié)理。露頭尺度所保存的斷層多為脆性斷層，往往與節(jié)理伴生產(chǎn)出，斷層的斷距較小，主要為近S-N向或NNE向和NW-SE向兩組，且與節(jié)理面近平行。

圖9 朱家川-縣川流域基巖層理（a）、節(jié)理（b）和斷層（c）產(chǎn)狀極射赤平投影圖Fig. 9 (a) Beddings, (b) joints and (c) faults stereographic projection of strata in Zhujiachuan-Xianchuan

3 水系樣式的控制因素

巖石受構(gòu)造作用影響形成的節(jié)理或斷層等破裂面容易被風(fēng)化、侵蝕形成溝壑或水系等地貌特征。對黃河中游北段皇甫川、孤山川和朱家川-縣川流域水系走向的統(tǒng)計(jì)以及黃土和基巖地層節(jié)理、斷層等構(gòu)造樣式和產(chǎn)狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示：

皇甫川流域的水系走向主要為NE向、NW向和近S-N向或NNW向等。在流域內(nèi)出露的新生代黃土中發(fā)育有NEE向和NW向兩組近垂直節(jié)理，中生代基巖地層中主要發(fā)育NE向和NW向兩組近垂直的節(jié)理（圖10）?；鶐r和黃土中的節(jié)理走向與NE向、NE向的水系展布特征具有較好的耦合性。但在基巖地層和黃土中均未明顯發(fā)育與近S-N向或NNW向水系特征相近的節(jié)理。

孤山川流域的水系走向主要為NEE向、NWW向和近S-N向或NNW向等。在流域內(nèi)出露的黃土中主要發(fā)育NE向、NW向和近S-N向垂直節(jié)理；基巖地層中主要發(fā)育NWW向、NNE向和少量NEE向節(jié)理（圖10）。NEE向水系與NE向的黃土節(jié)理相近，NWW向的水系可能受控于NWW向的基巖或黃土中發(fā)育的節(jié)理，近S-N向或NNW向的水系與黃土中近S-N向節(jié)理及基巖地層中NNE向節(jié)理較為一致。推測孤山川流域流向南的水系與黃土內(nèi)其中一組節(jié)理走向平行，而其他支流的流向主要平行于基巖中節(jié)理走向。

朱家川-縣川流域的水系走向主要為NNE向、NNW向和NWW向3組。由于區(qū)內(nèi)黃土保存較差，在野外對基巖中節(jié)理和斷層的識(shí)別和產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示主要發(fā)育NWW向、NEE向以及近S-N向的節(jié)理和斷層構(gòu)造（圖10）。根據(jù)玫瑰花圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示NNE和NWW向的水系與基巖中節(jié)理或斷層走向具有較好耦合關(guān)系。

根據(jù)上述對水系樣式、走向和基巖、黃土等地質(zhì)體內(nèi)發(fā)育的節(jié)理和斷層產(chǎn)狀分析顯示，研究區(qū)內(nèi)水系的走向與基巖節(jié)理或斷層的產(chǎn)狀總體具有較好的耦合關(guān)系。因此，推斷研究區(qū)內(nèi)水系的發(fā)育總體受到地表破裂面的控制。此外，在黃河西岸近S-N向支流的發(fā)育除了受地表破裂面的影響以外，可能還受到流域內(nèi)北高南低的地勢控制，黃河?xùn)|岸的朱家川-縣川流域NW向或NNW向的水系可能受相鄰的NE向呂梁山脈西北緣地勢的控制（圖10）。

4 地質(zhì)構(gòu)造對地貌的控制特征

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生脆性破裂形成的共軛斷裂面的夾角為60°。Ramsay（1980）提出隨著巖石的塑性壓扁，共軛斷裂的夾角由銳角逐漸變?yōu)殁g角。Zheng等（2004） 通過自然和實(shí)驗(yàn)變形帶的數(shù)據(jù)分析提出最大有效力矩準(zhǔn)則，指出自然界廣泛分布的韌性變形形成的共軛斷裂夾角約為110°。侯泉林等（2018）從理論和實(shí)踐結(jié)合的角度系統(tǒng)對比不同巖石變形準(zhǔn)則，提出共軛剪切破裂的剪裂角受不同變形構(gòu)造層次影響的同時(shí)，還受到如巖性特征、應(yīng)變速率、孔隙壓力、流體等其他因素的影響。Hancock等（1989）對北美新構(gòu)造節(jié)理系統(tǒng)研究認(rèn)為，大陸地殼上部約500 m尺度內(nèi)通常發(fā)育多組垂直共軛裂隙，地表剝蝕和構(gòu)造隆升導(dǎo)致的卸載作用是其擴(kuò)展的先決條件。近年報(bào)道的同地震發(fā)育的地表裂隙也多呈現(xiàn)近垂直共軛的特征 （Robinson et al.，2001；Yue et al.，2012；Feng et al.，2020；王雨晴等，2022） 。以上研究表明，在不同條件的應(yīng)力作用下，由于巖石的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的不同、以及受巖石內(nèi)先存破裂的影響，不同巖性地質(zhì)體表現(xiàn)為不同的構(gòu)造變形特征。

筆者以黃河中游北段為研究對象，對黃河兩岸研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的節(jié)理和斷層統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在黃土和基巖地層中發(fā)育有相似的構(gòu)造樣式，均表現(xiàn)為近垂直的共軛節(jié)理或正斷層。華北地區(qū)數(shù)值模擬顯示新生代期間整體處于伸展構(gòu)造背景（Liu et al.，2017），鄂爾多斯盆地周緣GPS速度場顯示在鄂爾多斯盆地東北緣現(xiàn)今總體處于張應(yīng)力作用的伸展背景（Wang et al.，2020；Hao et al.，2021）。Shi等（2020） 通過野外構(gòu)造解析及應(yīng)力場恢復(fù)顯示晚中新世開始鄂爾多斯盆地東北緣由純剪應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵渭羟?，并表現(xiàn)為NW-SE向的伸展作用（圖10）。據(jù)此推測，在伸展背景下，地殼淺部可以發(fā)育一系列張性節(jié)理或正斷層，這些破裂面可能不完全與巖石變形準(zhǔn)則吻合，而呈現(xiàn)為地表近直交、傾角近直立的共軛斷裂系，受巖性差異、孔隙度及流體等不同因素影響，在基巖及黃土中斷裂系的產(chǎn)狀會(huì)有偏差，總體控制或影響地表水系的展布特征。鄂爾多斯盆地東北緣由純剪變形向簡單剪切變形轉(zhuǎn)換的時(shí)間與黃河中上游貫通時(shí)間相近，可能也是影響黃河演化的重要因素之一（Shi et al.，2020；李明陽，2023）。

綜上所述，鄂爾多斯盆地東北緣地表發(fā)育的節(jié)理或斷層是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用的結(jié)果。黃河中游北段水系的展布特征受到這些節(jié)理和斷層等新構(gòu)造變形樣式的影響和控制。反之，水系樣式的展布特征也可為恢復(fù)新構(gòu)造應(yīng)力場特征提供依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）以黃河中游北段皇甫川、孤山川和朱家川-縣川流域?yàn)檠芯繉ο?，通過對高精度DEM水系樣式的提取和流向的統(tǒng)計(jì)，以及對野外節(jié)理、斷層等構(gòu)造樣式產(chǎn)狀及性質(zhì)的調(diào)查分析，顯示水系流向與基巖地層和黃土中節(jié)理或斷層走向具有相關(guān)性。

（2）鄂爾多斯盆地東北緣，新生代以來總體處于張應(yīng)力背景下，發(fā)育一系列地表近垂直的節(jié)理或斷裂，可能是影響或控制區(qū)域內(nèi)水系樣式發(fā)育程度和展布特征的關(guān)鍵要素。作為構(gòu)造作用的響應(yīng)，水系樣式的展布特征也可以作為恢復(fù)地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場的有效載體。

致謝：兩位匿名評(píng)審專家提出了有益的修改意見，筆者在此表示衷心的感謝！