鄂西清江河流演化研究進(jìn)展

金維群, 肖尚斌, 常 宏, 趙信文, 魏寶華

(1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 宜昌地質(zhì)調(diào)查中心, 湖北 宜昌 443003; 2. 三峽大學(xué) 湖北省水電工程施工與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌 443002; 3. 中國(guó)科學(xué)院 地球環(huán)境研究所, 陜西 西安 710075)

鄂西清江河流演化研究進(jìn)展

Research progress on the evolution of Qingjiang River in western Hubei Province

金維群1, 肖尚斌2,3, 常 宏1, 趙信文1, 魏寶華2

(1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 宜昌地質(zhì)調(diào)查中心, 湖北 宜昌 443003; 2. 三峽大學(xué) 湖北省水電工程施工與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌 443002; 3. 中國(guó)科學(xué)院 地球環(huán)境研究所, 陜西 西安 710075)

河谷地貌和河流階地的觀測(cè)是新構(gòu)造研究的重要方面, 通過(guò)野外河流階地的調(diào)查和年代測(cè)試, 探討階地的發(fā)育特征、河谷下切歷史, 可以為研究地殼運(yùn)動(dòng)及分析區(qū)域穩(wěn)定性提供認(rèn)識(shí)。清江屬中等規(guī)模河流, 自成體系, 氣候控制因素相對(duì)單一, 通過(guò)解剖流域第四紀(jì)環(huán)境變化及其對(duì)河流演化的控制與影響,可以為認(rèn)識(shí)更復(fù)雜的大河流演化提供基礎(chǔ)。作者在對(duì)有關(guān)清江流域地貌及其河流演化的研究進(jìn)行較系統(tǒng)綜述的基礎(chǔ)上, 指出了存在的問(wèn)題和今后研究的方向。

1 清江概況

清江為湖北境內(nèi)長(zhǎng)江一級(jí)支流, 發(fā)源于齊岳山,經(jīng)利川、恩施、鶴峰、宣恩、來(lái)鳳、建始、巴東、五峰、長(zhǎng)陽(yáng)等縣市, 在宜都匯入長(zhǎng)江, 全長(zhǎng) 423 km,總落差1 430 m。清江幾乎與長(zhǎng)江平行, 流域位于湖北西南部, 流域面積17 000 km2。清江地處長(zhǎng)江中游暴雨區(qū), 多年平均雨量 1 400 mm, 年徑流總量135億 m3, 單位面積產(chǎn)水量相當(dāng)于長(zhǎng)江三峽以上河段的2倍。清江支流眾多, 左岸各級(jí)支流有49條, 右岸有 56條, 河長(zhǎng)一般較短, 所有支流均流向清江干流, 無(wú)分河道。一級(jí)支流有 25條, 流域面積在 500 km2以上的支流有忠建河、馬水河、野三河、龍王河、招徠河、丹水、漁洋河, 共7條。

清江流域及其周緣地區(qū), 大地構(gòu)造歸屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的二級(jí)單元八面山臺(tái)褶帶, 該臺(tái)褶帶展布于鄂西南、湘西北地域, 北部與鄂西-鄂中褶皺斷塊區(qū)相鄰, 西部與四川臺(tái)坳盆地毗連, 而清江流域的河口地段展布在江漢盆地邊緣[1]。

清江流域處于中國(guó)第二級(jí)階梯向第三級(jí)階梯過(guò)渡地帶, 屬云貴高原區(qū)的東北端中低山區(qū), 地勢(shì)自西向東傾斜, 山勢(shì)逐步降低。西部山嶺高程 1 000～2 000 m, 東部由1 000 m降至河口的數(shù)十米。流域內(nèi)除上游利川、恩施、建始三個(gè)盆地及河口附近有少數(shù)丘陵平原外, 其余均為高山, 山區(qū)占80%以上, 構(gòu)成“八山半水分半田”的格局, 且“分半田”以山坡田為主。流域山勢(shì)陡峻, 河谷深切, 河道狹窄、灘多, 比降大。震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、三疊系、二疊系、白堊系、下第三系及第四系地層均有出露。全流域無(wú)火成巖出露; 石灰?guī)r出露廣泛, 沿岸有70%的地區(qū)屬喀斯特地貌, 且大多為侵蝕構(gòu)造, 溶洞十分發(fā)育, 石芽、石洞、伏流、盲谷、溶蝕洼地遍布。

清江上游段從河源至恩施城, 長(zhǎng)約 153 km, 屬高山河谷型, 總落差1 070 m, 占干流總落差的75%,平均比降6.5‰, 集水面積約3 700 km2。中游段從恩施城至長(zhǎng)陽(yáng)縣資丘鎮(zhèn), 長(zhǎng)約160 km, 總落差約280 m,平均比降為1.8‰; 河道絕大部分流經(jīng)深山峽谷, 兩岸陡坡達(dá) 60°～80°, 屬山地河流型, 河床一般為巖石, 覆蓋層多為卵石, 枯水期河寬一般為 10～60 m,水深一般為1.5 m左右, 集水面積約9 800 km2。下游段從資丘鎮(zhèn)至宜都市入長(zhǎng)江口, 長(zhǎng)約 110 km, 屬半山地河流型, 總落差約80 m, 河床平均比降0.73‰。

2 研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代以來(lái), 隨著高壩洲、隔河巖、水布埡水電站在清江上的建設(shè), 清江流域及其鄰區(qū)地殼穩(wěn)定性等關(guān)鍵地質(zhì)問(wèn)題得到了持續(xù)的研究, 特別是對(duì)于斷層、斷裂系統(tǒng)、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究系統(tǒng)而深入[1～5]。這些研究表明, 清江流域第四紀(jì)以來(lái)的構(gòu)造變形弱、斷裂活動(dòng)不強(qiáng); 大區(qū)域主要表現(xiàn)為間歇性整體上升, 形成多期夷平面和多級(jí)河流階地及多層層狀巖溶地貌; 抬升幅度不同塊體之間存在一定差異導(dǎo)致了鄂西隆起和江漢坳陷懸殊的西高東低地勢(shì)。

2.1 山地夷平面

鄂西山地夷平面可劃分為3期5級(jí)夷平面, 大致以五峰-云臺(tái)荒-巴東為軸線, 各級(jí)夷平面向東西兩側(cè)逐漸傾斜, 從而構(gòu)成了區(qū)域上以鄂西隆起區(qū)為中心, 向東江漢坳陷區(qū)、向西成都斷陷區(qū)逐級(jí)層狀下降地貌[2,5], 并造成在區(qū)域上較高的地區(qū)出現(xiàn)比較老的地貌、在較低的河谷地區(qū)形成相對(duì)較新的地貌類型。

2.2 階地

河流階地是過(guò)去某個(gè)時(shí)期的河床被廢棄后形成的河流地貌, 它以地貌和沉積物兩種方式記錄了河流系統(tǒng)對(duì)過(guò)去環(huán)境變化的響應(yīng)情況[6]。長(zhǎng)期以來(lái), 河流階地在第四紀(jì)地貌與環(huán)境研究中占有重要地位;根據(jù)各級(jí)階地基座相對(duì)于現(xiàn)代河床的高差及其相應(yīng)的下切時(shí)間, 還可以判斷河谷的下切速率[6,7]。階地面曾經(jīng)是過(guò)去的河床, 代表了河道由堆積向下切過(guò)程的轉(zhuǎn)變, 可根據(jù)它來(lái)恢復(fù)過(guò)去的古河道或反演河道演變過(guò)程; 階地面的形成則可代表古河床側(cè)向侵蝕的過(guò)程[8]。階地沉積物的厚薄和顆粒粗細(xì)等特征在一定程度上反映了古氣候變化[9], 而包含在沉積物中的器具、古生物化石等則記錄了人類及其他古生物的活動(dòng)情況, 這也間接地反映了氣候變化[10]。

河流階地的形成過(guò)程可大致概括為側(cè)向侵蝕形成階地基座、階地沉積物的堆積及形成階地的下切過(guò)程三方面[11]。研究表明, 階地基座是河谷在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于平衡或準(zhǔn)平衡狀態(tài)時(shí)形成的, 即當(dāng)河谷的徑流量和泥沙含量均較大, 且徑流搬運(yùn)能力與由泥沙產(chǎn)生的抵抗能力相當(dāng)時(shí), 河谷主要表現(xiàn)為側(cè)向侵蝕, 形成寬谷面[11]。由于第四紀(jì)氣候變化主要表現(xiàn)為冰期-間冰期旋回, 而氣候的這種周期性變化又通過(guò)氣候-植被帶的上下(或南北)遷移影響到河流沉積物通量和徑流量的變化[12]。因而, 不少研究者將河流階地的形成與第四紀(jì)氣候變化聯(lián)系起來(lái)[13]。而作為層狀地貌面的一種, 河流階地也被看作是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的一個(gè)直接證據(jù), 例如, 它曾被廣泛應(yīng)用于青藏高原抬升研究[14]。此外, 也有大量研究者認(rèn)為河流階地的形成是海平面升降變化的結(jié)果[15]。關(guān)于河流階地的形成時(shí)間, 也有多種看法。Penck 等[16]于 1909年在有關(guān)阿爾卑斯山冰期研究中, 開(kāi)創(chuàng)性地將阿爾卑斯山前陸平原的階地形成時(shí)間與阿爾卑斯四次冰期聯(lián)系起來(lái), 認(rèn)為山前階地的沉積物是古冰川作用及其相關(guān)的冰水沉積的直接產(chǎn)物, 堆積于冰期, 而促使河流階地形成的下切過(guò)程則發(fā)生在間冰期。Pan等[7]的研究表明, 形成祁連山沙溝河階地的下切行為發(fā)生在冰期-間冰期轉(zhuǎn)型期。Bridgland[10]對(duì)英國(guó)泰晤士河流階地的研究后則表示, 階地沉積物的堆積過(guò)程主要發(fā)生在冰期, 河流的下切過(guò)程既可出現(xiàn)在冰期間冰期轉(zhuǎn)型期, 也可發(fā)生在間冰期-冰期過(guò)渡期?？磥?lái), 不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為河流階地的形成遵循于哪一種模式, 其實(shí)際形成過(guò)程可能要復(fù)雜得多, 應(yīng)將不同地區(qū), 甚至不同河段的河流地貌發(fā)育過(guò)程區(qū)別對(duì)待[6]。

盡管階地在河流地貌研究中具有舉足輕重的地位, 但是在清江流域的研究卻十分薄弱, 特別是在中游未見(jiàn)與階地相關(guān)的研究報(bào)道。初步的研究認(rèn)為[1,2,5], 清江上游一般發(fā)育 4級(jí)階地, 且主要是基座階地, 堆積物具二元結(jié)構(gòu), 以冰川堆積物為主。根據(jù)冰期對(duì)比分析其中形成時(shí)代為中更新世早期至晚更新世晚期, 其中第Ⅳ級(jí)階地為侵蝕階地, 大致相當(dāng)于云夢(mèng)群夷平面。清江下游一般發(fā)育 5～7級(jí)基座階地。根據(jù)階地上堆積物時(shí)代對(duì)比, 下游比上游多2～3級(jí)高基座階地, 即多級(jí)中更新世以前形成的階地。綜上所述, 鄂西山區(qū)從更新世到全新世出現(xiàn)過(guò)多次間歇式的上隆過(guò)程[2]。

2.3 巖溶地貌

王增銀等在分析鄂西清江流域地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上, 根據(jù)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)展史和古水文網(wǎng)的發(fā)育演變,對(duì)區(qū)內(nèi)溶洞發(fā)育的區(qū)域特征及形成條件進(jìn)行了初步分析[17], 著重對(duì)巖溶地貌及演化過(guò)程進(jìn)行了研究,劃分了巖溶發(fā)育期[17,18]。認(rèn)為清江流域成層狀巖溶地貌的發(fā)育與夷平面的形成相輔相成, 都是鄂西山地區(qū)上部地殼隆起抬升過(guò)程中的產(chǎn)物, 自上而下也可大致分為5層, 其發(fā)育高程基本上可與5級(jí)夷平面發(fā)育高程相當(dāng)或略低于同級(jí)夷平面高程。

2.4 河流演化

通過(guò)對(duì)鄂西清江地區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)展演化研究,王增銀等[19]認(rèn)為清江是在中更新世時(shí)期由江漢盆地水系襲奪恩施盆地水系形成的, 兩個(gè)盆地古水系的分水嶺在火燒坪、燕子巖一帶。清江中游河段是清江形成前后變化最大的河段。清江未形成前, 漁峽口以西屬恩施盆地水系, 水自東向西流入恩施盆地;其東屬江漢盆地水系, 水自西向東流, 清江形成后河水自西向東流入江漢盆地。由于該段河谷兩岸地勢(shì)較高, 大部分在1 300 m以上, 所以河流沿襲原有河谷發(fā)育, 河床一直以下切侵蝕為主, 河谷深窄, 兩岸陡峭, 多為“V”型峽谷。從鹽池河以下河床平均坡降為 0.125%、鹽池河以上平均坡降為 0.25%, 河床調(diào)整還沒(méi)有結(jié)束, 仍存在下切侵蝕作用[19]。清江形成后, 該段河流的支流也發(fā)生相應(yīng)的變化, 大多數(shù)支流在原有河谷基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)育河床以下切侵蝕為主,形成深切的峽谷, 河床平均坡降多在1%以上。有的支流因受清江干流流向改變的影響, 河流發(fā)生改道。如招徠河在清江形成前屬于恩施盆地水系, 原河谷沿虎洞、半邊坑、轉(zhuǎn)馬池、趙家囤匯入干流。清江形成后, 受河流改向東流的影響, 使得原河流在虎洞附近發(fā)生 90°轉(zhuǎn)彎, 橫切半峽背斜軸部, 改在招徠河村附近排入清江, 原河谷形成巖溶槽谷[20]。

3 分析及展望

已有關(guān)于清江流域的研究, 主要是以地殼穩(wěn)定性為中心進(jìn)行的, 而對(duì)清江流域第四紀(jì)環(huán)境與河流演化的研究總體上是零碎的、不系統(tǒng)的, 以下幾方面有待于進(jìn)一步研究。

其一, 已有研究偏重于強(qiáng)調(diào)地殼整體性的抬升對(duì)河流演化、夷平面、階地、巖溶作用的影響和控制, 而對(duì)流域第四紀(jì)環(huán)境與氣候變遷及其影響的研究少有涉及。僅有的報(bào)道為黃俊華等人[21]對(duì)清江和尚洞石筍碳、氧同位素記錄的19.0～6.9 ka BP古氣候與古環(huán)境征的初步分析。今后的研究應(yīng)加強(qiáng)用多種手段和方法對(duì)流域第四紀(jì)環(huán)境開(kāi)展深入分析, 包括土壤鈣結(jié)巖C和O穩(wěn)定同位素和土壤有機(jī)質(zhì)C穩(wěn)定同位素分析、階地堆積物粘土分析、孢粉分析等等。只有在深入解剖流域第四紀(jì)環(huán)境基礎(chǔ)上, 才能探討環(huán)境變遷與河流演化的關(guān)系。

其二, 作為河流地貌最重要組成部分之一的河流階地, 已有的報(bào)道僅停留在上游發(fā)育4級(jí)階地、下游發(fā)育 5～7級(jí)階地這種籠統(tǒng)的模糊描述上, 既不具體更缺乏年齡數(shù)據(jù)。在中游, 則未見(jiàn)與階地相關(guān)的研究報(bào)道。

傳統(tǒng)的河流階地研究基本上都以階地上的河流堆積物為主要對(duì)象, 而通常忽略對(duì)侵蝕階地或階地基座的研究。最近的研究表明, 利用鈣質(zhì)膠結(jié)的地下水鈣結(jié)巖, 討論地殼抬升與穩(wěn)定的發(fā)展階段、再造當(dāng)時(shí)的地形發(fā)展過(guò)程[22,23], 并可以利用它來(lái)討論地下水位的變化歷史等[24,25]。因?yàn)榈叵滤}結(jié)巖中的碳酸鹽沉淀于地下水位附近[26]、緊鄰低地下水位之處[27]; 且僅形成于地下水位距地表小于5 m的環(huán)境,接近于地下水體, 特別是在淡水和咸水混合的地下水出流帶[28,29]。因此, 無(wú)論是作為階地基座的地下水鈣結(jié)巖, 還是位于古河道內(nèi)的其他鈣結(jié)巖, 均可指示膠結(jié)時(shí)的河水深度, 其年齡則可以通過(guò)ESR、U系測(cè)年等方法獲取。

因此, 需要以大量野外調(diào)查為基礎(chǔ), 應(yīng)用自然地理學(xué)和沉積學(xué)的手段, 對(duì)不同類型的階地采用不同的方法進(jìn)行研究。對(duì)階地上的河流堆積物, 進(jìn)行詳細(xì)的沉積學(xué)分析, 包括粒度分析、垂向?qū)有?、空間分布特征等。對(duì)與河流階地發(fā)育關(guān)系密切的巖溶地貌要進(jìn)一步深入研究, 以揭示二者的內(nèi)在聯(lián)系; 對(duì)其他河流地貌單元也要進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查和分析, 包括古河道形態(tài)特征、河床沉積等等。

其三, 根據(jù)王增銀等[19]的研究, 位于清江中游的火燒坪、燕子巖一帶為古清江東西段的分水嶺。該認(rèn)識(shí)是基于構(gòu)造演化、地形特點(diǎn)等分析得出的, 而沒(méi)有階地等直接證據(jù), 更沒(méi)有年代數(shù)據(jù)的支持。

此外, 已有關(guān)于長(zhǎng)江三峽段河流階地發(fā)育與演化的研究相對(duì)較多[30,31], 黃陵背斜被認(rèn)為是古長(zhǎng)江東、西段的分水嶺[32], 這與清江也有類似之處[19]。由于清江流域與長(zhǎng)江三峽宜昌段屬于同一個(gè)大地構(gòu)造單元、在第四紀(jì)也具有一致的地殼活動(dòng)歷史, 并且氣候背景一致, 因此需要加強(qiáng)兩地的對(duì)比以推動(dòng)研究工作的深入。

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Q55

A

1000-3096(2010)03-0088-04

2008-11-04;

2009-12-28

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目(1212010814008); 中國(guó)博士后特別資助基金項(xiàng)目(200801440); 中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(20070421132); 湖北省青年杰出人才基金項(xiàng)目(2008CDB382)

金維群(1964-) , 男, 湖北嘉魚(yú)人, 教授級(jí)高級(jí)工程師, 主要從事地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境地質(zhì)相關(guān)研究工作, E-mail：jweiqun@126.com

(本文編輯： 劉珊珊)