黃河壺口逆源速率及其與韓城斷裂的關系

閆小兵 李自紅 趙晉泉 扈桂讓 郭 瑾

1)山西省地震局，太原 030002 2)山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，太原 030024

黃河壺口逆源速率及其與韓城斷裂的關系

閆小兵1)李自紅1)趙晉泉1)扈桂讓1)郭 瑾2)

1)山西省地震局，太原 030002 2)山西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心，太原 030024

在查閱黃河壺口位置的史料記載的基礎上，對黃河壺口沿線進行了野外調(diào)查，最終確定了黃河壺口在不同時期的具體位置，據(jù)此計算黃河壺口在不同時期的逆源侵蝕速率： 夏朝至唐朝為1.66m/a，唐朝至元朝為1.01m/a，元朝至明朝為0.97m/a，明朝至民國為1.28m/a，民國至現(xiàn)今為0.6m/a?？紤]到黃河沿線地質(zhì)條件的復雜性，綜合給出史料記載以來(先秦到現(xiàn)今)黃河壺口的逆源侵蝕的平均速率為1.51m/a。根據(jù)對韓城斷裂邵家?guī)X探槽和禹門口黃河階地的研究，韓城斷裂在晚更新世早、 中期發(fā)生過多次強烈活動，累計斷距為20.1m，上述斷裂活動在黃河禹門口附近形成高20余m的陡坎(裂點)，現(xiàn)今的黃河壺口可能是該裂點經(jīng)過4～5萬a的逆源侵蝕到達目前的位置。

黃河壺口 逆源侵蝕速率 韓城斷裂

0 引言

壺口瀑布是由于黃河主流流至壺口時，寬約400m的河面瞬間收縮于1個槽中，其形狀如 “壺口”而得名。壺口瀑布主瀑寬約40余m，深約30余m。

先秦以來，經(jīng)唐、 宋、 元、 明以及民國，相關歷史文獻都記載了壺口瀑布的具體位置； 前人對此有過論述(屈茂穩(wěn)，2002)，但不系統(tǒng)，且實地考察較少。筆者在查閱史料的基礎上，經(jīng)過細致的實地考察、 對比記載標識，最終確定了黃河壺口在各個歷史時期的具體位置，并根據(jù)文獻記載的時間和壺口的具體位置，推斷了黃河壺口的逆源侵蝕速率。

在韓城斷裂 1︰5萬活動斷層填圖過程中，在禹門口東北8.6km處的邵家?guī)X探槽揭示出韓城斷裂在晚更新世早、 中期曾經(jīng)有過劇烈活動，累計斷距為20.1m。禹門口一帶的黃河階地也顯示在晚更新世早、 中期曾發(fā)生20m左右的斷裂錯動。在上述資料的基礎上，結(jié)合黃河壺口的逆源侵蝕速率，筆者認為韓城斷裂在晚更新世早、 中期的多次強烈活動在黃河禹門口形成1個高20余m的陡坎(裂點)，現(xiàn)今的黃河壺口可能是該裂點經(jīng)過4～5萬a的逆源侵蝕到達目前的位置。

1 黃河壺口歷史變遷與逆源侵蝕速率

1.1 先秦時期黃河壺口位置的確定

《元和郡縣志》中記載 “夏時石溞，縣北石慅下(村名)三里黃河中流有石厄之，蓋禹鑿石導水處，謂壺口也。村頭有古碑，書 ‘壺口佳景，兩省通衢’為小船窩也”?！兑舜h志》： “小船窩，即水南渡，今之圪針灘”。以上是關于黃河壺口位置的最早記載。在當?shù)叵驅(qū)У膸椭拢覀冊邳S河陜西宜川縣一側(cè)發(fā)現(xiàn)黃河古渡口遺跡(圖1)，位于陜西省宜川縣壺口圪針灘景區(qū)下游700m處的黃河西岸，其地理坐標為： 北緯36°05′42.90″，東經(jīng)110°27′48.20″(圖1)。

圖1 夏朝壺口遺址——圪針灘古渡口和夏朝時期的黃河壺口位置Fig. 1 Hukou ruins of the Xia Dynasty-the Gezhentan ancient ferry and the determination of position of Hukou waterfall on the Yellow River in the Xia Dynasty.

1.2 唐朝時期黃河壺口位置的確定以及夏朝至唐朝期間的逆源侵蝕速率

《唐·元和郡縣志》記載“唐朝元和八年(813年)，黃河在汾川縣東七里，河岸頓狹，狀似槽形，鄉(xiāng)人稱呼為石槽……石槽長一千步闊二十步……”，相關資料顯示： 唐朝1步為1.55m，石槽闊20步，換算結(jié)果為31m(該結(jié)果與目前的黃河石槽寬度相當，證明唐朝1步為1.55m是正確的)，那么石槽長1,000步，應為1,550m。

根據(jù)史料記載，唐朝時期汾川縣為今之陜西宜川縣，1里為300步，約合465m，即唐朝時期宜川縣縣界東465m為黃河，鑒于唐朝時期宜川縣縣界現(xiàn)已無法確認，筆者沿黃河，對整個宜川縣境內(nèi)的黃河進行考察，在圖2 中發(fā)現(xiàn)黃河石槽起點(即黃河頓狹處)，那么石槽起點往上1,000步(1,550m)的位置應為當時的壺口位置(圖2)，即現(xiàn)今的陜西省宜川縣黃河景區(qū)觀瀑舫大酒店往下游930m的位置，其地理坐標： 北緯36°08′15.54″，東經(jīng)110°26′38.10″。

圖2 唐朝時期的壺口位置Fig. 2 Determination of the position of Hukou waterfall in the Tang Dynasty.

夏朝(公元前22世紀)至唐元和八年(813年)共計3,013a。野外測量，夏朝壺口位置和唐朝壺口位置2點距離為5,110m，這段時間的逆源侵蝕速率為1.66m/a。

1.3 元朝時期黃河壺口位置的確定以及唐朝至元朝期間的逆源侵蝕速率

《吉縣志》記載“元初蒙古大將軍木華黎率軍攻克金朝隰縣經(jīng)略使楊貞……。 在壺口瀑布下游鑿窩樹樁，往返纏以鐵索，上架木板，以度大軍”。在黃河山西側(cè)發(fā)現(xiàn)木華黎將軍修建鐵索橋留下的樁坑(圖3a)，其地理坐標： 北緯36°08′18.90″ ，東經(jīng)110°26′39.50″，以及為鐵索橋祈福的龍王廟遺址(圖3b，c)，其地理坐標： 北緯36°08′20.71″ ，東經(jīng)110°26′48.74″，該位置可以和鐵索橋位置相互印證。鐵索橋樁坑和龍王廟遺址位置見圖3。

對現(xiàn)代黃河壺口瀑布的現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，壺口以下300m范圍內(nèi)，驚濤駭浪十分險要，不具備修建鐵索橋的基本條件。又根據(jù)《吉縣志》記載，木華黎將軍在修建鐵索橋時，因水流湍急，死人無數(shù)，因此推測木華黎將軍修建的鐵索橋應該在壺口下游至少300m的地方，且剛脫離瀑布造成的危險區(qū)。因此，鐵索橋向上游行進300m可以推測為元代黃河壺口的位置，其地理坐標： 北緯36°08′28.37″ ，東經(jīng)110°26′39.05″(圖3)。

《中國歷史大事記》記載“宋寧宗十一年金興定二年秋八月蒙古木華黎攻克河東諸州郡” 宋寧宗十一年為公元1217年，該記錄表明木華黎將軍是1217年修建的鐵索橋。

唐朝元和八年(813年)到宋寧宗十一年(1217年)共計404a，現(xiàn)場野外測量，這2個時期壺口位置的距離為410m，得出這段時間的逆源侵蝕速率為1.01m/a。

圖3 元代鐵索橋、 龍王面遺址現(xiàn)場考察和元代黃河虎口位置及相關地點位置Fig. 3 Field survey on the ruins of steel cable bridge and the temple of dragon king of the Yuan Dynasty，and the determination of the position of Hukou waterfall in the Yuan Dynasty.

1.4 明朝時期黃河壺口位置的確定以及元朝至明朝期間的逆源侵蝕速率

《明史》記載“明神宗二年，惠世揚因……被遷至陜西宜川”，惠世揚被貶到陜西宜川縣之后，游歷黃河壺口，留下詩句“源出昆侖埏大流，……雙騰虬線直沖斗…….”。根據(jù)太原師范學院歷史地理與環(huán)境變遷研究所謝鴻喜教授的解釋： “雙騰虬線”指的是出現(xiàn)在惠世揚面前的2個瀑布。1個為主瀑布，1個為副瀑布。副瀑布的出現(xiàn)是因為，在洪水期黃河水量增大，有部分水流漫過主瀑布，從主瀑布的旁邊傾瀉而下，形成副瀑布景觀?？菟?，黃河水量減少，黃河主流量從主瀑布流走，副瀑布為干枯狀態(tài)，所以，主瀑布由于逆源侵蝕不斷后退，副瀑布則永遠留在原來的位置。

本次野外調(diào)查，在圖4 位置發(fā)現(xiàn)明代副瀑布遺址，其地理坐標： 北緯36°08′40.05″，東經(jīng)110°26′40.58″。此位置也正是明代惠世揚游歷黃河壺口時期，黃河主瀑布和副瀑布共同所在的位置。

圖4 明代黃河壺口位置(明代副瀑布位置)Fig. 4 Determination of the position of Hukou waterfall in the Ming Dynasty.

明神宗二年為1588年，從宋寧宗十一年(1217年)到明神宗二年(1588年)共計371a。野外測量，從宋寧宗十一年到明神宗二年黃河壺口位逆源侵蝕距離為360m，得出這段時間的逆源侵蝕速率為0.97m/a。

1.5 民國時期黃河壺口位置的確定以及明朝至民國期間的逆源侵蝕速率

黃河瀑布落差大，加之瀑布下深槽狹長幽深，水流湍急，給水上船只通行帶來很大的不便； 過去，從壺口上游順水下行的船只，不得不在壺口上面水流平穩(wěn)處?？浚瑢⑷控浳镄断聛?，改用人挑、 馬馱的方式沿著河岸運到下游碼頭； 同時，靠人力將空船拉出水面，拖著空船在河岸上滾動前進，到壺口下游水流較平緩處，將貨物重新裝船，繼續(xù)下行。在岸上，靠人力拖船很費力，需要上百人拉纖，且需要在船下鋪一些原木。減少摩擦阻力，被稱為 “旱地行船”。

民國四年(1915年)。民國政府為發(fā)展黃河運輸業(yè)務，把明朝副瀑布整修開始運行 “旱地行船”，最終在當?shù)乩相l(xiāng)的帶領下，確定1915年黃河壺口的具體位置(圖5)。

圖5 民國時期的黃河壺口位置Fig. 5 Determination of the position of Hukou waterfall in the Republican period.

從明神宗二年(1588年)到民國四年(1915年)共計327a，野外量取這2個時期壺口位置的距離為420m，得到這段時間的逆源侵蝕速率為1.28m/a。

1.6 民國四年至現(xiàn)今的逆源侵蝕速率

從民國四年(1915年)到2014年共計99a，根據(jù)野外測量，這2個時期壺口位置距離為60m，得到這段時間的逆源侵蝕速率為0.6m/a。

總之，公元22世紀至現(xiàn)今，共經(jīng)歷4,214a，黃河壺口逆源侵蝕共計6,361m，考慮到黃河沿線地質(zhì)條件的復雜性，綜合給出史料記載以來黃河壺口的逆源侵蝕速率為1.51m/a。

2 黃河壺口逆源侵蝕成因探討

關于河流逆源侵蝕的原因，前人研究較多(屈茂穩(wěn)，2002；徐國強，2005； 張兆琪，2009)，黃河壺口逆源侵蝕主要源于其物質(zhì)組成和特殊的水動力條件。據(jù)野外調(diào)查，結(jié)合中華人民共和國區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告(大寧幅)(山西區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊，1978)，壺口瀑布周圍巖性主要是三疊系二馬營組第2段青灰色、 灰綠色厚層中粒長石英砂巖和暗紫色、 黃綠色泥巖，這種軟硬結(jié)合的特征組成黃河特有的地質(zhì)條件。筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，黃河水在沖入壺口之后，利用回旋之力先將較軟的泥巖磨蝕，隨水沖走，導致上層長石英砂巖懸空，在流水的沖刷之下，日積月累到一定程度，長石雜砂巖整塊垮落，這樣黃河壺口就發(fā)生逆源侵蝕了。

3 韓城斷裂禹門口段活動性與黃河壺口的形成

3.1 韓城斷裂禹門口段活動性調(diào)查研究

禹門口，位于河津市市區(qū)西北12km的黃河峽谷中。北魏酈道元《水經(jīng)注》記載： “龍門為禹所鑿，廣80步，巖際鐫跡尚存?！焙笕艘驗閼涯畲笥碇嗡墓Φ?，便稱之為禹門，并延傳后世。由于禹門是秦晉兩省交通要沖的古渡口，禹門便稱之為禹門口了。

韓城斷裂是侯馬凹陷和韓城凹陷的主要控制邊界斷裂(閻鳳忠等，1987)，斷裂北起河津北面的西磴口、 向西南經(jīng)禹門口，斜穿韓城市入合陽境內(nèi)，在義井一帶與峨嵋臺地南緣斷裂相交。斷裂總體走向N30°E，延伸總長100余km。采用目標區(qū)遙感解譯方法(何宏林，2011)、 野外地質(zhì)調(diào)查以及古地震探槽研究方法(冉勇康等，2014)對韓城斷裂進行 1︰5萬活動斷裂填圖。在禹門口東北8.6km處的邵家?guī)X開挖1個探槽，該探槽位于洪積扇前緣，前緣陡坎明顯，線性延伸。在探槽附近進行了陡坎地貌測量，其高差約10m(圖6)。

邵家?guī)X探槽剖面出露8層地層(圖7)，該探槽共揭露韓城斷裂6條分支斷層，其中F1為前第四紀斷裂，發(fā)育于花崗片麻巖中，斷距為0.8m左右。根據(jù)樣品測年結(jié)果： F2—F6皆為晚更新世斷裂，其具體演化過程為： 1)在花崗片麻巖基礎之上，堆積層②，之后斷層F4活動，錯斷層②，由斷層F4兩側(cè)層②的底界推算，斷距為2.1m。2)緊接著，斷層F3開始活動，也錯斷層②，由斷層F3兩側(cè)層②的底界推算，斷距為4.0m。3)接著層⑦、 層④開始堆積，之后，斷層F2發(fā)生活動，錯斷層②、 層⑦和層④，由斷層F2兩側(cè)層②的底界推算，斷距為3.0m。4)層③開始堆積之后，斷層F5發(fā)生活動，錯斷層③和層④，由斷層F5兩側(cè)層④的頂界推算，斷距為9.0m。5)層⑥開始堆積之后，斷層F6發(fā)生活動，錯斷層⑥、 層④和層⑦，由斷層F6兩側(cè)層⑥的頂界推算，斷距為2.0m。上述5次斷裂活動累計斷距為20.1m。

圖6 邵家?guī)X探槽位置圖Fig. 6 The position of Shaojialing trench.a 遙感影像圖； b 實際位置圖； c 探槽處地貌測量等值線圖

圖7 邵家?guī)X探槽剖面圖Fig. 7 The cross section of Shaojialing trench.a 照片拼圖； b 剖面素描圖

圖8 禹門口黃河階地位相圖Fig. 8 Schematic diagram of terrace profile at Yumenkou of the Yellow River.

地層描述：

①砂質(zhì)黏土夾含碎石塊，碎石塊粒度較小。

②砂礫石層，水平層理明顯，礫徑較小。

③黏土夾較大的碎石塊，塊徑≤10cm不等，較為風化，排列無序，磨圓不好。

④灰黃色砂質(zhì)黏土夾小碎石塊，膠結(jié)，硬實。

⑤礫石、 中砂混雜堆積，上部砂層成層性好，礫石礫徑3～10cm。

⑥粉土，含植物根系。

⑦砂質(zhì)黏土，夾雜中砂粒及小的礫石塊。

⑧花崗片麻巖。

3.2 韓城斷裂禹門口段黃河階地的調(diào)查研究

黃河禹門口段主要分布Ⅰ至Ⅲ級階地及河漫灘。在韓城斷裂兩側(cè)，黃河河漫灘拔河高度均為1～3m左右，未發(fā)現(xiàn)河漫灘明顯錯動的跡象。黃河Ⅰ級階地在斷裂上升盤拔黃河17～19m，下降盤拔黃河15～16m，表明在Ⅰ級階地形成時期斷裂發(fā)生過2～3m的錯動。黃河Ⅱ級階地在斷裂上升盤拔河38～43m，下降盤35～38m，表明在Ⅱ級階地形成時期斷裂發(fā)生過5～6m的錯動。黃河Ⅲ級階地在斷裂上升盤拔河70～74m，下降盤拔河52～54m，表明在Ⅲ級階地形成時期斷裂發(fā)生過20～22m的錯動。黃河禹門口一帶韓城斷裂兩側(cè)階地位相圖見圖8。

相關資料顯示： 禹門口一帶黃河河漫灘和Ⅰ級階地形成時代為全新世，Ⅱ級階地形成時代為晚更新世中期，Ⅲ級階地形成時代為晚更新世早期(程紹平，1989； 申屠炳明，1990)。據(jù)此，韓城斷裂在全新世時期曾經(jīng)發(fā)生2～3m的斷裂錯動，晚更新世早、 中期累計斷錯量達20～23m，扣除全新世斷錯量，斷裂在晚更新世早、 中期曾發(fā)生位錯量達20m左右的斷裂錯動。上述結(jié)論表明： 韓城斷裂在晚更新世早、 中期活動強烈，到全新世時期，活動趨于緩和。

4 韓城斷裂活動與黃河壺口形成關系的討論

(1)韓城斷裂邵家?guī)X探槽剖面顯示： 在晚更新世早、 中期，斷裂存在明顯錯斷地表的運動，累計斷錯量為20.1m。黃河禹門口階地位相也證實： 斷裂在晚更新世早、 中期曾發(fā)生位錯量達20m左右的斷裂錯動。如果考慮禹門口以北鄂爾多斯高原的整體抬升，那么在晚更新世早、 中期，韓城斷裂活動和鄂爾多斯高原區(qū)域整體隆升共同作用造成的斷層兩側(cè)斷距應為20余m，該高度和現(xiàn)今黃河壺口位置陡坎高度基本相當。

(2)根據(jù)史料和野外調(diào)查確定，黃河壺口綜合逆源侵蝕速率為1.51m/a。假設黃河壺口逆源侵蝕速率恒定不變，黃河壺口從韓城斷裂禹門口逆源侵蝕到目前的位置(兩地距離為65km)需要經(jīng)歷4～5萬a(晚更新世早、 中期)。

(3)在以上論述的基礎上，筆者認為： 韓城斷裂在晚更新世早、 中期的多次強烈活動在黃河禹門口附近形成1個20余m的陡坎(裂點)，現(xiàn)今的黃河壺口可能是該裂點經(jīng)過4～5萬a的逆源侵蝕到達目前的位置。

5 結(jié)論

(1)通過查閱史料和野外調(diào)查，確定黃河壺口的逆源侵蝕速率： 夏朝至唐朝為1.66m/a，唐朝至元朝為1.01m/a，元朝至明朝為0.97m/a，明朝至民國為1.28m/a，民國至現(xiàn)今為0.6m/a。從公元22世紀的夏朝至今的平均速率為1.51m/a。

(2)現(xiàn)今的黃河壺口可能是韓城斷裂在晚更新世早、 中期的多次強烈活動累計形成的1個高20余m的陡坎(裂點)經(jīng)過4～5萬a的逆源侵蝕到達目前的位置。

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THE RETROGRESSIVE EROSION RATE AT HUKOU WATERFALL，YELLOW RIVER AND THE RELATION TO THE HANCHENG FAULT

YAN Xiao-bing1)LI Zi-hong1)ZHAO Jin￣quan1)HU Gui-rang1)GUO Jin2)

1)EarthquakeAdministrationofShanxiProvince，Taiyuan030002，China2)ShanxiCenterofGeo-environmentMonitoring，Taiyuan030024，China

On the basis of consulting historical records about the positions of Hukou waterfall at different times，we conduct a field geological survey along the Yellow River and ultimately determine the specific locations of the Hukou waterfall in the different periods. Based on this，the retrogressive erosion rates in different periods are calculated as about 1.66m/year during the Xia Dynasty to the Tang Dynasty period，about 1.01m/year in the Tang Dynasty to the Yuan Dynasty，about 0.97m/year in the Yuan Dynasty to the Ming Dynasty，about 1.28m/year in the Ming Dynasty to the Republican period，and 0.6m/year from the Republican period to the present. Considering the complex geological conditions along the Yellow River，the average retrogressive erosion rate of Hukou waterfall on the Yellow River is obtained to be 1.51m/year since the historical records(early Qin Dynasty to the present). Lithology surrounding the Hukou waterfall includes mainly the Triassic gray，gray-green thick-layered mid-grained feldspar sandstone and dark purple，yellow-green mudstone，this hardness and softness combination feature is the unique geological condition of the Yellow River. After abrasing the softer shale driven by water cyclotron at this position，water washes off the debris，causing the overlying feldspar sandstone suspended for a long period. Feldspar greywacke block collapses under accumulative water erosion in long years，and then retrogressive erosion occurs in Hukou waterfall. In the process of 1︰50 000 active fault mapping of Hancheng Fault，we excavated a trench at Shaojialing，and the trench profile shows that: in the early and middle period of late Pleistocene，there are obvious surface ruptures produced by the fault. Cumulative offset near the trench is more than 20 meters in height difference. Yellow River terraces survey at Yumenkou also confirms that a fault slip of about 20 meters occurred during the early and middle period of the late Pleistocene. Assuming the retrogressive erosion rate is constant，the author thinks the Hancheng Fault was activated at early and middle age of the Late Pleistocene，forming a 20～30m high scarp(knick point)，and today’s position of Hukou waterfall may be the position of this knick point after the retrogressive erosion of about 40 to 50ka.

Hukou，retrogressive erosion rate，Hancheng Fault

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.04.009

2015-01-07收稿，2016-10-14改回。

中國地震局地震行業(yè)科研專項(200908001)與中國地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務專項(IGCEA1416)共同資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)04-0911-11

閆小兵，男，1978年生，2008年于中國地震局地質(zhì)研究所獲構(gòu)造地質(zhì)學碩士學位，高級工程師，主要從事活動構(gòu)造和地震活動斷層研究，E-mail: 42953033@qq.com。