祁連山北麓祁青地區(qū)河流階地沉積特征及成因

梁文君，何　穎，肖傳桃

(長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北武漢430100)

祁連山北麓祁青地區(qū)河流階地沉積特征及成因

梁文君，何穎，肖傳桃

(長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北武漢430100)

摘要：對祁連山北麓祁青地區(qū)河流階地進行野外測量和調(diào)查,獲得了北大河、朱隴關河、小柳溝河階地的拔河高度、結構、發(fā)育及沉積特征等資料。探討了祁青地區(qū)河流階地類型，為進一步研究北祁連河流階地的發(fā)育成因及對古氣候的沉積響應提供了科學依據(jù)。分析得出該地區(qū)河流階地發(fā)育有基座階地T4，堆積階地T3、T2、T1,其年齡分別為70.00、30.00、10.78、5.77 ka BP。結合古構造運動、古氣候環(huán)境以及對階地沉積特征的觀察，認為基座階地T4主要受白楊河運動形成，而堆積階地T3、T2、T1主要受氣候變化的影響。

關鍵詞：河流階地；沉積特征；氣候變化；祁連山北麓；甘肅

中圖分類號：P512.2；P931.1

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2015)02-0218-07

收稿日期：2014-10-21；修回日期：2015-01-30；編輯：陸李萍

基金項目：湖北省教育廳計劃類科技項目(03Z0105)、國家大學生創(chuàng)新性試驗計劃聯(lián)合資助

作者簡介：梁文君(1991—)，女，碩士研究生，主要從事儲層沉積學研究，E-mail：306346558@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1674-3636.2015.02.225

0引言

河流階地是河流系統(tǒng)中重要的組成部分，它的發(fā)育主要受控于構造運動、氣候變化及基準面的升降，它是新構造運動和古氣候研究的重要內(nèi)容(潘保田等，2000；高紅山等，2005；王永等，2009)。

祁連山位于青藏高原東北邊界，其抬升歷史在一定程度上記錄了青藏高原的隆升過程。祁連山北部發(fā)育一系列以山前洪積臺地和河流階地為代表的層狀地貌。這些地貌是山地階段性強烈隆升和不斷向北擴展的直接反映(潘保田等，2000)。通過對野外地質(zhì)調(diào)查獲得的北大河、朱隴關河、小柳溝河河流階地類型及沉積物特征資料分析，探討了祁青地區(qū)河流階地的成因。

1區(qū)域地貌概況

研究區(qū)位于甘肅南部裕固族自治縣境內(nèi)。祁連山脈呈北西向分布于甘、青邊界，構成青藏高原的北東邊緣。祁連山主脈自北而南，由走廊南山、托萊山、托萊南山、疏勒南山、野馬山、野馬南山等一系列平行斜列山脈組成。山勢巍峨陡峻，山脊、山峰海拔多在4 000 m以上。由于4 500 m以上常年冰雪覆蓋，故以雪山著稱。部分高山區(qū)有現(xiàn)代冰川，是河西走廊的天然“高山水庫”(圖1)。

圖1　研究區(qū)區(qū)域位置及剖面分布略圖Fig.1　Schematic map showing location of the study area and section distribution

區(qū)內(nèi)北東、南西兩側分屬祁連山區(qū)和托勒山高山區(qū)，中央地帶為朱隴關河及北大河河谷。區(qū)內(nèi)谷地海拔一般低于3 500 m，地勢平緩，其中最低海拔為北大河河谷(2 600 m)。山體海拔一般在4 000 m以上，地形陡峭，其中最高海拔為西北角鏡鐵山(5 197 m)。

區(qū)內(nèi)水系縱橫，主水系北大河為常年內(nèi)陸性河流，源于青海省境內(nèi)托萊山，由南向北流入走廊盆地，年平均流量12.83 m3/s，最大洪水流量為13.55 m3/s，貧水期一般為10.26～12.50 m3/s。朱隴關河、小柳溝河均屬季節(jié)性河流，其補給水源來自現(xiàn)代冰川，5—9月有水，7—8月水量最大。

2河流階地類型

對研究區(qū)進行詳細的野外地質(zhì)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)發(fā)育的河流階地主要分為基座階地和堆積階地2種類型。

2.1　基座階地

基座階地代表剖面為朱隴關河PM02中第四級階地(T4)，剖面海拔高度2 935 m，剖面方位87°。該基座主要巖性為礫巖、砂礫巖，屬于白堊系下統(tǒng)新民堡群地層，為一套紅色河湖山麓相陸屑建造，是由于地殼抬升、河流下切侵蝕形成的。

2.2　堆積階地

堆積階地主要由河流沖積物組成。它的形成過程首先是河流的側向侵蝕作用，導致河谷底部被拓寬，同時沖積物大量堆積，形成寬闊的河漫灘；而后再經(jīng)歷河流強烈的下蝕作用，最終形成了階地。一般，河流的下蝕深度通常不會超過沖積物厚度，因此在階地上只能看到松散的堆積物(張偉等，2013)。

北大河流域的河流階地主要為此種類型，代表剖面為PM02中的第二級河流階地(T2)，剖面海拔高度2 888 m，剖面方位86°。

3河流階地序列及沉積特征

北大河河流階地剖面PM01海拔高度2 880 m，剖面方位83°。該剖面共發(fā)育有3級河流階地，均為堆積階地。其中，T3階地最大的特點是平坦寬闊，覆蓋有黃土層；T2階地窄而平坦；T1階地拔河高度低，分布范圍有限。

朱隴關河階地剖面PM02海拔高度2 935 m,剖面方位87°。該剖面共發(fā)育有4級河流階地，除T4階地為基座階地外，其余均為堆積階地(圖2a)。T4階地的拔河高度為46 m，為一套紅色河湖山麓相陸屑建造，主要巖性為礫巖、砂礫巖，巖層松散，由鈣質(zhì)及黏土膠結，磨圓度高，分選性好，屬于次圓—圓狀，礫石粒徑一般為3～10 cm；T3階地海拔為2 915 m，拔河高度39 m，主要為松散的砂礫石堆積，礫石成分為變質(zhì)砂巖、灰?guī)r及角礫巖，磨圓度較低，次棱角狀，分選中等，礫石粒徑2～10 cm,最大可達30 cm。T2階地海拔為2 888 m，拔河高度12 m，為砂礫石堆積，礫石成分主要為變質(zhì)砂巖、千枚巖、灰?guī)r、片麻巖，礫石磨圓度較低，次棱角狀，分選中等，礫石粒徑2～8 cm，偶見有大于60 cm的巨型灰?guī)r漂礫(圖2b)。T1海拔為2 878 m，拔河高度2 m，為礫石的堆積層，礫石松散，未膠結，次棱角狀—次圓狀，具有較好的分選性和磨圓度。

圖2　朱隴關河階地及T2階地沉積剖面Fig.2　Photos showing the terraces of the Zhulongguan river and the section of T2(a)　Zhulongguan river terraces; (b)　section of the terrace PM02-T2

小柳溝河發(fā)育剖面PM03海拔高度3 305 m，在該剖面處發(fā)育有3級河流階地，均為堆積階地(圖3a)。階地主要發(fā)育在河流的西岸，T3階地海拔為3 305 m,拔河高度33 m，厚度5 m，在礫石層之上覆蓋有黃土層，黃土底部呈黃褐色—深棕色，中上部呈淺黃色。黃土結構較緊密、堅實，黏性重。由于受到后期流水改造作用，階地上發(fā)育有沖溝，反映其形成時間較早。T2階地海拔為3 300 m，拔河高度25 m，厚度25 m，具有典型的“二元”結構，下部為流水沖積的礫石層，礫石呈疊瓦狀定向排列，大小不一，磨圓度較好，階地上覆蓋有1層厚約0.6 m的黃土，上部松散，下部結實，有蟲孔等空洞構造(圖3b)。T1階地是發(fā)育在T2階地上的沖溝，拔河高度5 m，與T2、T3相比，年齡最新。以上3條河流的階地剖面及沉積柱狀圖如圖4所示。

圖3　小柳溝河階地及PM03-T2階地沉積剖面Fig.3　Photos showing the terraces of the Xiaoliugou river and the section of T2(a)　field photo of the Xiaoliu river terraces； (b)　section of the terrace PM03-T3, with a dual structure

圖4　北大河(a,b)、朱隴關河(c,d)、小柳溝河(e,f)河流階地橫剖面及沉積柱狀圖Fig.4　Profiles and sedimentary column ofthe Beida river, Zhulongguan river, Xiao-　　　　　liugou river terraces(a)　river terrace of Beida river；(b)　sedimentarycolumn of Beida river；(c)　river terrace of Zhulong-guan river；(d)　sedimentary column of Zhulongguanriver；(e)　river terrace of Xiaoliugou river; (f)　sed-imentary column of Xiaoliugou river

4河流階地年代

祁連山東段北麓黃土堆積年代可早至1.4 Ma，而在研究區(qū)各級河流階地上均堆積了不同厚度的風成黃土，因此可以認為階地一旦形成，脫離流水環(huán)境后，其上便開始堆積風成黃土(潘保田等，2000)。據(jù)此也可以認為，研究區(qū)各階地形成的年代均晚于1.4 Ma。據(jù)楊景春等(1988)的研究，北大河流域河流最老階地T12發(fā)育于洪積臺地上，拔河高度278 m，其年齡為(145.53±5.82)ka BP；其他階地T4、T3、T2、T1年齡分別為70.00、30.00、10.78、5.77 ka BP(胡春生等，2006)。作為北大河支流的朱隴關河和小柳溝河，其階地形成的誘導因素應具有一定相關性。根據(jù)區(qū)域?qū)Ρ群碗A地沉積特征分析，認為研究區(qū)3條河流同一級階地的形成時間應是一致的，即受同一構造運動或氣候變化影響。

近年來，電子自旋共振法(ESR)、光釋法(OSL)、宇宙射線法(CRN)等技術已經(jīng)應用于第四紀測年，這些技術和14C、熱釋光(TL)、古地磁等手段互相輝映，為準確測年提供了堅實的技術支持。但由于測年材料的缺乏和測年技術的限制，確定階地形成的年代是一項較困難的工作。根據(jù)礫石風化圈厚度估算地貌年齡，這種方法自Cernohouz等于1966年在捷克波西米亞地區(qū)使用以來，在很多國家都得到了運用，并建立起了相關函數(shù)(Cinn, 1981；Colman, 1981；Berryman，1990；Valdiya，1992)。我國專家也提出了根據(jù)礫石風化圈厚度估算地貌年齡的方法(程紹平等，1988，1991；李?？〉?，1996)。該方法的基本原理是：礫石風化時，表面會產(chǎn)生殘余物并形成風化圈，礫石風化圈的厚度與時間呈正相關性，即礫石風化圈厚度越厚其年代越老。通過測年數(shù)值為標尺，建立起礫石圈厚度與時間的函數(shù)。利用這一方法，李保俊等(1996)建立起了我國西部干旱區(qū)礫石風化圈厚度與時間的函數(shù)：

T=79.43d11.33

(1)

T=101.9d21.05

(2)

式(1)、(2)中，T為時間，ka；d1為礫石風化圈眾數(shù)厚度值，mm；d2為礫石風化圈平均厚度值，mm。

4.1　礫石風化圈厚度的測量與統(tǒng)計

為對該方法的可行性進行驗證，筆者在朱隴關河的T4、T3階地上分別采集了30個礫石樣。采樣時對于可能為上級階地滾落下的礫石進行了剔除，盡量選取一面被掩埋，而另一面暴露地表遭受風化剝蝕的礫石。利用帶有刻度的40倍和100倍放大鏡進行測量，測量的邊界包括風化圈的淡紅與淡白2個部分。受差異風化的影響，礫石殘余物中的石英脈往往比較突出，在測量的過程中也將其厚度作為風化圈厚度計入。所測的數(shù)值如圖5所示。

圖5　風化圈厚度直方圖Fig.5　Histogram showing thickness of weathering rinds

4.2　根據(jù)礫石風化圈厚度估算階地年齡

通過測量統(tǒng)計，T3階地礫石風化圈的平均厚度為1.78 mm，T4階地礫石風化圈的平均數(shù)值為1.89 mm。礫石風化圈的平均值反映了階地由新到老，數(shù)值增大的趨勢。通過式(2)對階地年齡進行估算，得到T3階地的年齡為186.50 ka BP，T4階地的年齡為199.19 ka BP，與上述河流階地的年齡有較大出入，這是因為礫石風化圈的形成并不僅僅受時間控制，海拔、降水、植被、礫石成分及掩埋程度或多或少地影響了風化圈的厚度(李?？〉龋?996)。因此對于利用該方法得到的地貌年齡并不十分準確，在使用時，需綜合多種方法進行驗證，但對于定性描述地貌新老關系時，該方法還是具有獨特的優(yōu)越性。

5階地成因及意義

河流階地形成主要受控于氣候條件、構造活動、基準面下降等因素，在大多數(shù)情況下，基座階地主要為構造成因，而堆積階地主要為氣候成因(王永等，2009)。

大量研究表明(徐叔鷹，1965；沈玉昌等，1986)，氣候變化形成階地的礫石層物質(zhì)多為地方性基巖碎屑，磨圓度低，分選差；沖積層厚度大大超過了河流沉積的正常厚度，礫石層屬于加積類型。而且氣候變化形成的階地之間的高差很小，河流下切很難切穿沖積層而進入基巖，故在類型上多屬于堆積階地(潘保田等，2000)。

構造活動形成的階地多以基座階地為主，由于構造運動間歇性的特點，地殼抬升時，河流下切侵蝕，地殼穩(wěn)定時以側蝕為主。構造活動形成的階地往往高差大，階地沉積的礫石分選好、磨圓度高、夾有透鏡體等特點?；鶞拭嫦陆凳沟煤恿髟诤涌诟浇钕刃纬呻A地，河流溯源侵蝕，在遠離河口的流域階地發(fā)育程度低。

從上述各階地發(fā)育序列和沉積特征分析可見，祁青地區(qū)河流階地的成因主要受控于氣候條件的變化，而構造活動在一定的程度上也影響著河流階地的發(fā)育。

在構造活動相對比較穩(wěn)定的情況下，冰期環(huán)境由于水量小，不利于河流階地的形成。而在間冰期，氣候溫暖潮濕，降水量大，河流流量大，河流下蝕作用增強，有利于階地的形成。通過深海同位素SPECMAP及古里雅冰芯120 ka BP以來的氣候變化曲線(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，階地T4發(fā)育時期70.00 ka BP屬于MIS 4，階地T3發(fā)育時期30.00 ka BP屬于MIS 3，階地T2、T1發(fā)育時期10.78、5.77 ka BP，屬于MIS 1。深海同位素奇數(shù)階段表現(xiàn)為氣候濕熱，處于間冰期環(huán)境；偶數(shù)階段變現(xiàn)為氣候干冷，處于冰期環(huán)境(胡春生等，2006)。因此，該時期的T3、T2、T1階地主要是受氣候條件改變形成的。氣溫升高，通過溫度正反饋作用導致冰川消融和大氣降水的增加，河流水量補給增多、流量加大和侵蝕作用增強，河流深切入河床上的冰期堆積物，進而形成河流階地。

圖6　古里雅冰芯與SPECMAP120 ka BP以來氣候變化曲線(據(jù)胡春生等，2006)Fig.6　Climate records of the Guliya ice core and　　SPECMAP since 120 ka BP(after Hu et al, 2006)

在PM02處，T4階地的形成主要受控于白楊河運動對祁連山的抬升作用。發(fā)生在0.12 Ma BP時期的白楊河運動，使祁連山北緣大斷裂及廟北逆斷裂向北逆沖，酒泉盆地中部的南斷裂向南逆沖。酒泉盆地與周圍山地一起作為整體抬升(陳杰等，1998)。其在90、70、44 ka BP均發(fā)生過構造事件，而T4階地恰巧是在70.00 ka BP受白楊河構造運動影響而形成的。構造活動的加強和頻率的加快使得河流下切與側向侵蝕作用交替進行，導致河流階地的形成。

圖7　祁連山西段及酒西盆地區(qū)第四紀構造略圖(據(jù)陳杰等，1998)Fig.7　Schematic map of Quaternary structures in　the Qilian Mountains and Jiuxi basin(after Chen et al, 1998)

6結論

祁青地區(qū)河流階地的形成受區(qū)域斷裂活動控制，與印度板塊向北俯沖導致祁連山北緣大斷裂的相對運動有直接關系。

河流階地階段性下切過程及其速率受區(qū)域性板塊活動造成的相對隆升所制約。祁連山地區(qū)構造顯著時期，山體發(fā)生抬升，為河流的下切階段，形成主要受構造運動影響的基座階地T4。而以堆積階地為主的T3、T2、T1階地發(fā)育序列，表明本地區(qū)河流階地主要受控于氣候變化，更新世間冰期溫暖潮濕的氣候環(huán)境為河流提供了足夠的水量，河流下切和側蝕加強，使其切入河床上的冰期堆積物，形成堆積型河流階地。

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Sedimentary characteristics and genesis of river terraces in the Qiqing area, North Qilian Mountains

LIANG Wen-jun, HE Ying, XIAO Chuan-tao

(Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources, Ministry of Education, Yangtze University, Wuhan 430100， Hubei, China)

Abstract：This study carried out field measurements and investigations on the terraces of the Beida river, Zhulongguan river and Xiaoliugou river in the Qiqing area of North Qilian Mountains to get their height, structure, development and sedimentary characteristics, and thus to discuss the main types of the river terraces, which may provide evidence for further researching their development genesis and sedimentary response on climatic changes. The result shows that the river terraces developed in the Qiqing area are mainly pedestal terraces and accumulation terraces. The pedestal terrace T4 was formed at around 70.00 ka B.P., and the accumulation terraces T3, T2 and T1 were formed at around 30.00,10.78, 5.77 ka B.P., respectively. Combined with the paleo-tectonic activities, paleo-climate and sedimentary features of river terraces, it is inferred that the pedestal terrace T4 were developed by the Baiyanghe movement, while the accumulation terraces T3,T2,T1 were results of climatic changes.

Keywords：river terraces; sedimentary characteristics; climatic changes; North Qilian Mountains; Gansu