貴州漣江惠水段河流階地特征與地貌演化研究

安妮,蔣璽,錢(qián)煥,陳文奇,寧凡,陳華,秦能旭,周涌

1) 貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽(yáng),550025;2) 貴州大學(xué)研究生院,貴陽(yáng),550025;3) 貴州喀斯特環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站,貴陽(yáng),550025

內(nèi)容提要: 貴州漣江惠水段級(jí)次清晰的四級(jí)階地是流域地貌階段性演化的直觀記錄。筆者等利用差分GPS測(cè)量法精確厘定了漣江階地的級(jí)序和高程,結(jié)合剖面觀測(cè)發(fā)現(xiàn)從上游到下游,漣江惠水段階地標(biāo)高和級(jí)差逐漸降低,地貌面整體呈“收攏”趨勢(shì);階地沉積物呈現(xiàn)礫石層厚度變小,礫石含量降低、礫徑減小,砂質(zhì)沉積占比增大趨勢(shì);階地類(lèi)型從基座階地為主向堆積階地為主演變。光釋光(OSL)測(cè)年顯示,T1階地埋藏年齡31.2±2.0 ka BP到14.7±1.3 ka BP,T2階地122.4±8.5 ka BP到66.9±3.8 ka BP,階地年齡與貴州高原其他流域十分相近,具有同步演化特征。結(jié)合階地時(shí)代和發(fā)育特征,認(rèn)為貴州高原河流階地是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。漣江四級(jí)階地記錄了在更新世以來(lái)四次構(gòu)造抬升背景下,流域經(jīng)過(guò)多期自北向南“削高補(bǔ)低”的地貌改造,逐步由構(gòu)造洼地演變?yōu)樯介g盆地的地貌過(guò)程。

河流階地是水系變遷保留下來(lái)的層狀地貌,蘊(yùn)含了流域古水文、古氣候、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等諸多演化信息,因而階地研究一直是重建流域地貌過(guò)程的重要途徑之一(Li Jijun et al., 1997;Pan Baotian et al., 2009;Lu Honghua et al., 2018;Schanz et al., 2018;王迎國(guó)等,2021;田鈺琛等,2022)。貴州高原是中國(guó)西部青藏高原到東南丘陵平原的地貌轉(zhuǎn)換帶,地貌演化備受關(guān)注(楊懷仁,1944;王世杰等,2015;Yang Ye et al., 2021;Liu Yu et al., 2022)。新生代以來(lái),受青藏高原持續(xù)隆升影響,貴州高原地殼運(yùn)動(dòng)以自西向東的掀斜式抬升為主,留下了多層剝夷面、層狀溶洞、河流階地等地貌記錄,它們之間存在良好的發(fā)育耦合關(guān)系,是研究區(qū)域地貌演化的重要載體。貴州高原的抬升和演化歷史,最早見(jiàn)于楊懷仁教授的研究。他根據(jù)多級(jí)剝夷面提出大婁山期、山盆期和烏江期3級(jí)地文期(楊懷仁,1944),但這種僅基于地貌面識(shí)別的劃分方案,缺乏年代學(xué)工作的有效約束。 因此,該方案長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議(李興中,2001;秦守榮等,2002;周德全等,2005)。多層溶洞是喀斯特地區(qū)構(gòu)造抬升和河流下切的直觀記錄,利用洞穴沉積物測(cè)年推測(cè)流域抬升速率成為研究貴州高原地貌階段性演化的重要方法(Liu Yu et al., 2013,2022;Yang Ye et al., 2021)。貴州的階地研究始于20世紀(jì)60年代的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作,后來(lái)有學(xué)者根據(jù)區(qū)調(diào)成果總結(jié)了貴州河流階地的發(fā)育特點(diǎn)和演化規(guī)律(高道德等,1986;林樹(shù)基等,1994)。整體上,與區(qū)域多層溶洞對(duì)應(yīng),貴州高原主要河谷階地一般發(fā)育4～5級(jí),自西向東呈級(jí)次減少、級(jí)差降低的趨勢(shì)。隨流域侵蝕強(qiáng)度變化,高原西部以侵蝕階地為主,中部則多見(jiàn)基座階地,海拔較低的東南部較多發(fā)育堆積階地(貴州省地質(zhì)調(diào)查院,2017)。但是,受階地保存條件和研究手段限制,基于高精度地貌高程測(cè)量和階地測(cè)年而開(kāi)展的流域地貌演化研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。

貴州高原地表風(fēng)化剝蝕作用強(qiáng)烈,河流階地保存普遍較差,僅在各流域的山間盆地內(nèi)可發(fā)現(xiàn)級(jí)次序列和沉積物保存相對(duì)較好的階地剖面,如烏當(dāng)盆地(南明河)、惠水盆地(漣江)、黃平舊州盆地(舞陽(yáng)河)、榕江盆地(都柳江)等(貴州省地質(zhì)調(diào)查院,2017)。蔣璽等(2020,2021)結(jié)合階地沉積特征和光釋光(Optically Stimulated Luminescence,OSL)測(cè)年,分析了貴州烏江流域?yàn)醍?dāng)盆地、綏陽(yáng)盆地和旺草盆地T1、T2階地的形成時(shí)代和流域地貌演化過(guò)程。近來(lái),樊云龍等(2022)也利用OSL法對(duì)清水江上游開(kāi)展了4個(gè)剖面的T1、T2階地測(cè)年研究,發(fā)現(xiàn)了斷層活動(dòng)引起的差異性抬升導(dǎo)致了清水江流域階地的差異發(fā)育。野外調(diào)查顯示,漣江惠水盆地的河流階地保存較貴州高原其他流域更完整,T1～T4都保存了多個(gè)可供對(duì)比研究的完整剖面。而且,惠水盆地地處貴州高原南部珠江水系紅水河支流漣江上游,在漣江自南向北的強(qiáng)烈溯源侵蝕作用下,地貌對(duì)水系變遷的響應(yīng)可能更為靈敏。之前,林樹(shù)基等(1994)利用14C測(cè)年確定惠水盆地T1階地發(fā)育于全新世。張順成等(2022)在惠水盆地開(kāi)展了T1階地的宇宙成因核素測(cè)年嘗試,認(rèn)為較老的測(cè)年結(jié)果(69.43±2.52 ka BP和65.05±2.45 ka BP)可能是由于測(cè)年樣品具有多次埋藏史。本次工作中,筆者等將利用差分全球定位系統(tǒng)(Differential Global Positioning System,DGPS或差分GPS)測(cè)量法,精確厘定惠水盆地內(nèi)T1～T4階地級(jí)序及高程變化;通過(guò)沉積剖面觀測(cè),揭示流域各級(jí)階地沉積特征演化規(guī)律;利用OSL測(cè)年,分析T1和T2階地沉積時(shí)代。最后以河流階地的發(fā)育和演化探討惠水盆地地貌形成過(guò)程。

1 研究區(qū)概況

惠水盆地位于貴州高原長(zhǎng)江、珠江水系分水嶺苗嶺山脈南側(cè),屬珠江水系紅水河支流漣江流域(圖1a)。盆地呈NNE—SSW向狹長(zhǎng)狀展布,長(zhǎng)約30 km,寬約2.5 km,面積約75 km2。漣江自北向南流經(jīng)盆地,盆地最低海拔約920 m,流域相對(duì)高差約500 m(圖1b)。構(gòu)造上,盆地地處貴州都勻南北向隔槽式褶皺變形區(qū),地貌走向明顯受近南北向的緊閉向斜、寬緩背斜和斷層構(gòu)造組合控制。褶皺帶出露地層主要包括中—上石炭統(tǒng)灰?guī)r,二疊系中統(tǒng)灰?guī)r、二疊系上統(tǒng)硅質(zhì)灰?guī)r夾泥頁(yè)巖,三疊系下統(tǒng)灰?guī)r和白云巖等。向斜軸部上白堊統(tǒng)礫巖、紫紅色砂巖及泥質(zhì)粉砂巖呈角度不整合覆于二疊系或三疊系之上,構(gòu)成盆地主要基座。盆地內(nèi)第四系沉積物沿河谷形成4級(jí)河流階地,中上游階地主要分布于漣江西岸,到下游則以東岸更為發(fā)育(圖1c)。

2 研究方法及結(jié)果

2.1 階地差分GPS高程測(cè)量

為精確厘定惠水盆地內(nèi)漣江不同河段階地的高程變化,我們采用差分GPS法開(kāi)展了各級(jí)階地面的高程測(cè)量。差分GPS法是利用已知精確坐標(biāo)的差分GPS基準(zhǔn)臺(tái),對(duì)用戶衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以提高定位精度的測(cè)量方法,被廣泛用于高精度的地貌測(cè)量(劉興旺等,2012;錢(qián)達(dá),2015)。本次測(cè)量?jī)x器為千尋RTK測(cè)量?jī)x,精度達(dá)厘米級(jí),測(cè)量坐標(biāo)系為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系(CGCS 2000)。野外測(cè)量時(shí),現(xiàn)代河床(T0)高程以水面為基準(zhǔn),河流階地則選擇保存較好的平整階地面。本次工作沿漣江河谷從上游到下游布設(shè)7個(gè)地形剖面共28個(gè)GPS測(cè)量點(diǎn)(圖1c),獲得河谷階地位相圖(圖2)。

測(cè)量結(jié)果顯示,漣江惠水段河谷地貌整體自北向南高程降低。現(xiàn)代河床(T0)最大落差約37 m,且上游到中游高程變化明顯,至高旺剖面后下游趨于平緩。T1階地高程變化趨勢(shì)與T0基本一致,階地面拔河高度3.5～7.5 m。T2階地在上游河段拔河高度最大19.6 m,并呈往南逐漸降低趨勢(shì),至好花紅剖面后降低到12.3 m。T3和T4階地在流域上高程變化較T2更明顯,在上游赤土剖面其拔河高度分別為36.5 m和58.4 m,到高旺剖面則分別降低到31.1 m和33.9 m,而到下游好花紅T3階地已降到23.3 m。總體上,除個(gè)別高程點(diǎn)受風(fēng)化剝蝕影響外(如方家院T3、高旺T4等),漣江惠水段河谷階地具有明顯的自北向南高程降低,階地越老拔河高度變化越大等特點(diǎn),從上游到下游地貌面呈現(xiàn)逐步“收攏”的演化趨勢(shì)。

2.2 階地剖面觀測(cè)

在階地高程測(cè)定基礎(chǔ)上,我們對(duì)保存較好的階地剖面進(jìn)行了沉積特征觀測(cè),觀測(cè)剖面位置及沉積特征如圖2。

T4階地2個(gè)觀測(cè)剖面(赤土T4和高旺T4)結(jié)構(gòu)特征相似,階地自下而上由基底、河床相礫石層、漫灘相砂質(zhì)層組成?；诪榘讏紫底霞t色砂巖,階地沉積物以角度不整合覆于其上。在上游赤土T4剖面,沉積物礫石層厚近2 m,砂質(zhì)層最厚達(dá)2.5 m。礫石層中礫石平均含量超過(guò)80%,以磨圓狀的石英砂巖和碳酸鹽巖為主,礫徑一般10 cm±,最大可達(dá)30 cm。礫石在剖面上呈疊瓦狀排列,自下而上含量降低、礫徑減小,具粒序結(jié)構(gòu)。上部漫灘相砂質(zhì)層主要為土黃色粉砂質(zhì)沉積物,結(jié)構(gòu)松散,層理不明顯,底部含少量細(xì)礫石。至中游高旺T4剖面,礫石層厚度約2 m,砂質(zhì)層厚度約1.6 m,階地整體沉積特征與赤土T4相似。

在觀測(cè)的2個(gè)T3階地剖面上,礫石層顯示出明顯的多旋回沉積特征。上游赤土T3剖面,沉積物總厚度超過(guò)7 m。最下部為厚約1.2 m的粗礫石層,礫石含量達(dá)80%以上,礫徑多超過(guò)10 cm,最大可達(dá)30 cm,磨圓度高,呈疊瓦狀排列。其上為厚約4 m的中礫石層,該層礫石含量明顯降低(平均約60%),礫徑一般5～10 cm,呈次圓狀,定向性不明顯。中礫石層可分出顯著的3個(gè)沉積旋回,每個(gè)旋回中自下而上礫石含量降低、礫徑減小,粒序結(jié)構(gòu)明顯。剖面上部為厚約2 m的漫灘相砂質(zhì)層,沉積物呈深灰色,粒度較T4階地粗,以砂質(zhì)為主,沉積層理清晰。至中游高旺剖面,T3階地分層與赤土剖面基本相似,但沉積結(jié)構(gòu)有明顯變化。高旺T3剖面沉積物總厚度約5.2 m,底部粗礫石層厚約1 m,礫徑一般小于10 cm,磨圓度高,具疊瓦狀定向排列;中部礫石層3個(gè)沉積旋回也十分明顯,但礫石含量明顯降低(約30%),沉積物由數(shù)毫米到2厘米左右的砂礫質(zhì)組成,其中的礫石磨圓較赤土T3剖面差,含較多的角礫狀碎屑。高旺T3剖面漫灘相砂質(zhì)層沉積結(jié)構(gòu)與赤土T3相似,但受剝蝕和人為擾動(dòng)最大殘留厚度僅1 m±。

惠水盆地T2階地分布廣、保存好。在上游方家院到高鎮(zhèn)T2剖面,階地礫石層最厚可達(dá)約4 m,礫石含量高(>80%),礫徑一般大于10 cm。與T4和T3階地底部礫石層相似,礫石磨圓度高并呈疊瓦狀排列。高鎮(zhèn)T2剖面上部漫灘相沉積層厚度約2 m,沉積物呈土黃色,以石英碎屑和粘土礦物為主,底部含少量次圓狀礫石與礫石層過(guò)渡。中游羅九院T2剖面由于地處盆地內(nèi)漣江及其支流濛江交匯處,沉積厚度明顯增大。該剖面礫石層最厚達(dá)約6 m,礫石平均含量70%以上,磨圓度高,具定向排列特征。礫石層下部礫石含量高,礫徑可超過(guò)20 cm;從中部往上,礫石含量逐漸降低,礫徑逐漸減小到數(shù)厘米;到頂部則形成由直徑數(shù)毫米的礫石與粗砂組成的礫砂過(guò)渡層。上覆的漫灘相砂質(zhì)層厚度約3.5 m,層理清晰。往南到下游好花紅T2剖面,未見(jiàn)階地基座,階地特征與中上游相似,發(fā)育了河流相二元沉積結(jié)構(gòu),但剖面上觀測(cè)到的礫石層厚度不足1 m,礫石含量低(<30%),磨圓好,礫徑最大不超過(guò)5 cm,整體上按長(zhǎng)軸方向順層定向排列,且往上礫石含量和礫徑逐步降低向砂質(zhì)沉積層過(guò)渡。剖面上部的漫灘相砂質(zhì)層最厚約2 m,沉積物以粉砂質(zhì)碎屑和粘土為主,可見(jiàn)清晰的水平層理。

T1階地分布于漣江河流沿岸,在河流進(jìn)入盆地山口部位的赤土河段,階地沉積物中常見(jiàn)礫徑超過(guò)30 cm的粗大礫石。在方家院T1觀測(cè)剖面,階地由3個(gè)沉積層組成。下部礫石層厚度超過(guò)3 m,礫石平均含量約70%,自下而上含量逐漸降低,礫徑也從10 cm±逐漸變細(xì)到1 cm±。礫石整體磨圓度高,并呈傾向河流上游的疊瓦狀定向排列。階地中部為厚約0.7 m的灰黃色砂質(zhì)層,層理清晰,成分以砂級(jí)石英碎屑和粘土為主,其底部以砂礫沉積物與礫石層過(guò)渡。剖面上部是厚度超過(guò)2 m的礫砂混合沉積層。該層底部礫石含量約40%,向上含量降低、粒度變小。自方家院T1剖面往南追溯,該礫砂混合層逐步相變?yōu)榈湫偷穆┫嗌百|(zhì)層。到高鎮(zhèn)河段,礫砂混合沉積僅殘留厚度約20 cm,上下均為層理清晰的砂質(zhì)沉積物。到中下游高旺T1剖面,階地沉積物呈現(xiàn)典型的河流相二元結(jié)構(gòu)。下部礫石層厚度超過(guò)3 m,礫石含量超過(guò)60%,礫徑最大可達(dá)15 cm,礫石磨圓好,具定向排列和粒序結(jié)構(gòu)。上部漫灘相沉積物厚度約3 m,由層理清晰的灰黃色砂質(zhì)沉積物組成。

整體上,漣江惠水段中上游河流階地剖面發(fā)育和保存較好,基本可見(jiàn)較完整的階地沉積序列;到下游階地級(jí)差降低,地形趨于平緩,加之強(qiáng)烈的人類(lèi)生產(chǎn)擾動(dòng),完整的階地沉積剖面十分少見(jiàn)。階地類(lèi)型上,從上游赤土剖面至中下游高旺剖面發(fā)育均為基座階地,基底為白堊系惠水組(K2h)紫紅色砂巖及粉砂巖;高旺剖面以南,除三都河段T3階地可見(jiàn)零星的白堊系基底外,其余均未觀測(cè)到基座出露,發(fā)育以堆積階地為主。階地沉積特征上,觀測(cè)剖面都顯示出由下部礫石層和上部砂質(zhì)層組成的河流相二元沉積結(jié)構(gòu)。同級(jí)階地礫石層呈現(xiàn)從上游到下游厚度減小,礫石含量降低、礫徑減小的變化趨勢(shì);上部的砂質(zhì)層由于風(fēng)化剝蝕和人為擾動(dòng)影響,剖面保存厚度變化大,但整體上從上游到下游呈現(xiàn)出在沉積總厚度中比重增大的趨勢(shì)。

2.3 階地OSL測(cè)年

光釋光(OSL)法被用于測(cè)定階地沉積物埋藏年齡。野外采樣時(shí),選定沉積穩(wěn)定的河漫灘砂質(zhì)層,挖去剖面表層30 cm以上,利用一端裝填黑色塑料袋的長(zhǎng)20 cm、內(nèi)徑5 cm不銹鋼管,順沉積層砸入剖面直至樣品填滿鋼管。然后挖出并立即用黑色塑料袋和廢舊報(bào)紙多層包裹使鋼管完全避光。實(shí)驗(yàn)時(shí)在暗室剝?nèi)ヤ摴軆啥丝赡芷毓鈽悠?選用鋼管中段沉積物開(kāi)展測(cè)年工作。

2019年4月我們分別在方家院T1剖面、羅九院T2剖面和赤土T3剖面采集了共5個(gè)測(cè)年樣品,編號(hào)FJY-T1-1、LJY-T2-1、LJY-T2-2、CT-T3-1和CT-T3-2(采樣位置如圖2、圖3)。樣品送中國(guó)地震局地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行OSL測(cè)年,測(cè)年方法為簡(jiǎn)單多片再生法(SMAR)(王旭龍等,2005;楊會(huì)麗等,2011),測(cè)年結(jié)果如表1?？紤]到之前關(guān)于貴州高原階地沉積物OSL測(cè)年的研究報(bào)道較少,山區(qū)河流沉積物測(cè)年可能存在曬退不充分等問(wèn)題。2021年6月我們又在高旺T1剖面和高鎮(zhèn)T2剖面采集了2個(gè)測(cè)年樣品,編號(hào)GW-T1-1和GZ-T2-1(圖2、圖3)。樣品送中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,采用單片再生法(SAR)與標(biāo)準(zhǔn)生長(zhǎng)曲線法(SGC)相結(jié)合的方法(夏銀珍等,2017;Yang Shengli et al., 2020)開(kāi)展測(cè)年,測(cè)年結(jié)果如表2。兩批樣品送不同研究機(jī)構(gòu),其目的主要是通過(guò)不同測(cè)年方法對(duì)測(cè)年結(jié)果進(jìn)行互檢,確保階地年齡結(jié)果可信度。

表1 貴州漣江惠水段河流階地簡(jiǎn)單多片再生法(SMAR)測(cè)年結(jié)果Table 1 Dating results of Sensitivity-corrected Multiple Aliquot Regenrative-dose protocol (SMAR) for river terrace in Huishui Basin along Lianjiang River in Guizhou Plateau

表2 貴州漣江惠水段河流階地單片再生法(SAR)與標(biāo)準(zhǔn)生長(zhǎng)曲線法(SGC)測(cè)年結(jié)果Table 2 Dating results of Single-Aliquot Regenerative-dose protocol (SAR) and Standardised Growth Curves protocol (SGC) for river terrace in Huishui Basin along Lianjiang River in Guizhou Plateau

圖3 貴州漣江惠水盆地OSL測(cè)年采樣位置、樣品編號(hào)及樣品年齡Fig.3 Sampling location, sample number and age of OSL dating of the Huishui Basin along Lianjiang River in Guizhou Plateau

結(jié)果顯示,樣品FJY-T1-1(埋深3.3 m)埋藏年齡為31.2±2.0 ka BP,GW-T1-1(埋深2.3 m)年齡為14.7±1.3 ka BP。由于兩個(gè)剖面位于漣江不同河段,上游沉積物年代更老,且樣品FJY-T1-1埋深顯著大于GW-T1-1,而且與惠水盆地以北約50 km的烏當(dāng)盆地T1階地測(cè)年結(jié)果(26.7±1.8 ka BP～23.6±1.8 ka BP)(蔣璽等,2021)對(duì)比,這些年齡數(shù)據(jù)基本一致,可有效指示流域T1階地相應(yīng)層位的沉積時(shí)代。羅九院T2剖面頂部樣品(LJY-T2-1)年齡

注:a為用SAR法所測(cè)樣片數(shù),b為用SGC法所測(cè)樣片數(shù)。

為66.9±3.8 ka BP,底部(LJY-T2-2)年齡為122.4±8.5 ka BP,指示該剖面T2階地經(jīng)歷了長(zhǎng)期穩(wěn)定的沉積過(guò)程。樣品GZ-T2-1埋藏年齡115.7±11.0 ka BP,與羅九院T2階地底部沉積時(shí)代基本一致,遠(yuǎn)大于相似深度的樣品LJY-T2-1埋藏年齡。我們推測(cè)一方面是由于高鎮(zhèn)剖面地處上游而更早沉積,更重要的是羅九院位于惠水盆地漣江和濛江交匯處,水流匯集部位古地勢(shì)相對(duì)較低,階地經(jīng)歷了更漫長(zhǎng)的沉積過(guò)程,這也導(dǎo)致羅九院T2剖面沉積厚度明顯大于流域其他同級(jí)階地。同樣在鄰近的烏當(dāng)盆地,T2階地時(shí)代177.4±17.0 ka BP～87.6±6.8 ka BP(蔣璽等,2021),也顯示了可對(duì)比的T2階地沉積過(guò)程。關(guān)于赤土T3剖面的2個(gè)OSL年齡,樣品CT-T3-1采自剖面砂質(zhì)層頂部(埋深0.5 m),測(cè)定年齡125.8±8.2 ka BP,從數(shù)據(jù)上看明顯低于T3實(shí)際年齡,推測(cè)此時(shí)樣品累積劑量已飽和,數(shù)據(jù)無(wú)法指示準(zhǔn)確的T3階地時(shí)代。樣品CT-T3-2采自同一剖面不同位置漫灘相砂質(zhì)層底部(埋深0.8 m),測(cè)定年齡1.8±0.1 ka BP,表明階地沉積物遭受過(guò)后期改造,測(cè)年結(jié)果無(wú)效。因此通過(guò)測(cè)年結(jié)果的綜合對(duì)比分析,我們認(rèn)為本次獲得的漣江惠水段T1和T2階地OSL年齡是可信的,可用于指示階地的沉積時(shí)代。

3 討論

3.1 階地發(fā)育動(dòng)力和時(shí)代

階地發(fā)育的動(dòng)力機(jī)制一直是階地研究的焦點(diǎn)(Schanz et al., 2018;Maddy et al., 2020;王迎國(guó)等,2021)。構(gòu)造抬升促使河流下切形成階地是對(duì)階地成因最傳統(tǒng)的解釋(Pan Baotian et al., 2009;Gao Hongshan et al., 2017;Jia Liyun et al., 2017;Delmas et al., 2018;Schanz et al., 2018)。但諸多研究表明,冰期到間冰期氣候突變導(dǎo)致的河流沉積物通量及徑流量變化也常驅(qū)動(dòng)河流下蝕形成階地,甚至在構(gòu)造活躍的造山帶,氣候變化也可以成為河流階地發(fā)育的主要?jiǎng)恿?Pan Baotian et al., 2003;Starkel,2003;Bridgland et al., 2008;Hu Chunsheng et al., 2017)。之前,林樹(shù)基等(1994)通過(guò)階地形貌和沉積特征分析,把貴州高原的多級(jí)階地劃分為多次冰期產(chǎn)物,分別為平壩冰期、龍?zhí)翜媳凇⒒菟诤统嗤帘?。我們認(rèn)為這種劃分僅是缺乏定量年代學(xué)支撐的推測(cè)。表3是貴州高原主要河谷階地和層狀溶洞的測(cè)年成果,可看出僅T1和T2的沉積過(guò)程就跨越了多個(gè)氣候階段,如惠水盆地T2的沉積作用從MIS 6末一直持續(xù)到MIS 4,對(duì)應(yīng)了相對(duì)冷—暖—冷的氣候階段(趙井東等,2011),MIS 5暖期是階地最重要的沉積時(shí)期,階地的下切形成與氣候變化似乎未展現(xiàn)直接聯(lián)系。另一方面,區(qū)域構(gòu)造背景顯示貴州高原自晚新生代來(lái)以階段性隆升為主,在主要流域形成了耦合發(fā)育的多層溶洞和河流階地等層狀地貌(高道德等,1986;貴州省地質(zhì)調(diào)查院,2017;陳文奇等,2020)。從多層溶洞之間數(shù)十米的級(jí)差分析,如果沒(méi)有構(gòu)造抬升導(dǎo)致的侵蝕基準(zhǔn)面顯著下降,僅由氣候突變引起的徑流量變化要驅(qū)動(dòng)古地下河下蝕切穿厚達(dá)數(shù)十米的碳酸鹽巖層似乎是不可能的。同時(shí),剖面特征上氣候發(fā)育階地一般具有厚度小,同級(jí)階地落差近似等特性。因而,我們認(rèn)為貴州高原河流階地發(fā)育的主要?jiǎng)恿?lái)自構(gòu)造抬升。

表3 貴州高原主要河谷階地和層狀溶洞測(cè)年結(jié)果Table 3 Dating results of terraces and layered karst caves in Guizhou Plateau

注:T指河谷階地;L指層狀溶洞;14C指碳十四測(cè)年法;TCN指宇宙成因核素測(cè)年法;U-series指U系測(cè)年法。

嚴(yán)格來(lái)說(shuō),階地的形成時(shí)代是指河流下切使階地沉積物完全脫離水面的時(shí)間窗口。但實(shí)際上受剖面保存情況和測(cè)年方法限制,一般的階地測(cè)年很難獲得階地形成的確切時(shí)間。所以,我們的探討是基于階地測(cè)年結(jié)果分析其沉積和發(fā)育演化過(guò)程。如表3,本次獲得的漣江惠水段T1階地OSL年齡31.2～14.7 ka BP,稍老于林樹(shù)基等(1994)在惠水盆地和鄰近的曹渡河測(cè)定的14C年齡(分別為8.010 ka BP和8.268 ka BP),這可能與測(cè)年的河段有關(guān),因?yàn)橹暗?4C測(cè)年樣品采自河流下游的砂泥質(zhì)沉積物。與其他區(qū)域(黔西南岔河、黔中烏當(dāng)盆地、黔北綏陽(yáng)盆地、黔東清水江馬寨等)的OSL測(cè)年結(jié)果相比,我們發(fā)現(xiàn)貴州高原T1階地的沉積時(shí)代基本一致。從年齡序列最完整的惠水盆地和綏陽(yáng)盆地看,T1階地的形成時(shí)代推測(cè)主要為更新世末期至全新世早期。本次的T2階地OSL最新年齡(66.9 ka BP)與黔西南岔河和清水江馬寨、翁?hào)|剖面基本一致。對(duì)于貴州高原規(guī)模較大的惠水盆地、烏當(dāng)盆地和綏陽(yáng)盆地,T2沉積時(shí)代分別為122.4～66.9 ka BP、177.4～87.6 ka BP和144.4～104.1 ka BP?？紤]到階地剖面的剝蝕影響,從整體年齡序列上分析,我們認(rèn)為這些盆地T2階地的發(fā)育時(shí)代基本一致。雖然這些階地下部的OSL年齡由于釋光信號(hào)接近飽和可能存在低估,但通過(guò)與Yang Ye等(2021)在綏陽(yáng)盆地附近測(cè)定的L2層洞穴礫石宇宙成因核素埋藏年齡180±90 ka BP(對(duì)應(yīng)于T2階地礫石層時(shí)代)對(duì)比,我們認(rèn)為用這些階地年齡指示T2沉積時(shí)代是可信的。從這些最新的T2年齡推算,貴州高原T2階地的主要下切時(shí)代應(yīng)為晚更新世中期。受階地沉積地質(zhì)記錄和測(cè)年手段限制,貴州高原階地年代學(xué)研究起步較晚,目前關(guān)于T3和T4階地的系統(tǒng)測(cè)年研究尚未見(jiàn)報(bào)道。利用洞穴礫石宇宙成因核素測(cè)年法,Yang Ye等(2021)獲得綏陽(yáng)地區(qū)L3層洞穴年齡320±90 ka BP,Liu Yu等(2013)認(rèn)為六沖河流域L4層洞穴發(fā)育時(shí)代為750～490 ka BP。因此,基于貴州高原層狀溶洞與河流階地良好的發(fā)育耦合關(guān)系,我們推測(cè)惠水盆地T3和T4階地發(fā)育時(shí)代可能分別在中更新世中期和早中期。

3.2 漣江階地對(duì)惠水盆地演化的指示

惠水盆地流域地貌演化整體上受近南北向的惠水緊閉向斜和縱向斷層控制,盆地發(fā)育于惠水向斜核部,形成近南北向狹長(zhǎng)的山間盆地(圖1b)。盆地基座以上白堊統(tǒng)惠水組(K2h)洪積相礫巖、紫紅色含礫砂巖和粉砂巖為主,第四系階地沉積物以角度不整合堆積其上,形成貴州高原典型的山間盆地“紅層+階地”地層組合?；菟M(K2h)“紅層”與下伏地層為角度不整合接觸,洪積相地層的傾向整體從四周指向盆地,表明燕山運(yùn)動(dòng)后惠水流域的原始構(gòu)造洼地地貌已基本形成。新生代以來(lái),在青藏高原持續(xù)隆升構(gòu)造背景下,貴州高原地殼運(yùn)動(dòng)以間歇性構(gòu)造抬升為主(貴州省地質(zhì)調(diào)查院,2017),導(dǎo)致漣江流域產(chǎn)生階段性的下蝕和堆積作用,進(jìn)而塑造了現(xiàn)代惠水盆地河谷地貌。

從區(qū)域?qū)訝钊芏春秃恿麟A地耦合發(fā)育關(guān)系看,更新世以來(lái)貴州高原至少經(jīng)歷了四次顯著的構(gòu)造抬升(Liu Yu et al., 2013;陳文奇等,2020)。漣江惠水段四級(jí)階地發(fā)育特征(圖2)顯示,T4階地從上游到中下游沉積物具有明顯的河流相二元結(jié)構(gòu),下部礫石層礫徑粗、磨圓好,呈向上游傾斜的疊瓦狀定向排列,表明此階段漣江發(fā)育穩(wěn)定并對(duì)流域有強(qiáng)烈的地貌改造。與T4相比,T3階地分布更廣、沉積厚度更大,顯示了該時(shí)期流域更廣泛的夷平作用。階地礫石層中呈現(xiàn)多旋回沉積,且含有較多近程搬運(yùn)的角礫狀碎屑,推測(cè)是氣候變化導(dǎo)致的河流水動(dòng)力突變引起。上游至下游T3階地沉積層礫石含量降低,砂質(zhì)含量增加,此階段開(kāi)始表現(xiàn)出上游強(qiáng)烈剝蝕為主,下游運(yùn)力減弱開(kāi)始以緩慢沉積為主的水動(dòng)力改造趨勢(shì)。測(cè)年結(jié)果顯示,在我們已調(diào)查的惠水盆地、烏當(dāng)盆地(蔣璽等,2020)和綏陽(yáng)盆地(蔣璽等,2021),T2階地都經(jīng)歷了數(shù)萬(wàn)年以上的沉積過(guò)程。而且根據(jù)OSL樣品年齡及其采樣深度推算,這些T2階地的沉積速率也基本一致(表3),表明經(jīng)過(guò)T4和T3時(shí)期的地貌改造后,T2階段貴州高原主要山間盆地在演化上已呈現(xiàn)出一定的同步性。T1階地形成記錄了惠水盆地流域最近一期構(gòu)造抬升,階地面分布于現(xiàn)代河流兩側(cè),自上游到下游高程變化與現(xiàn)代漣江基本一致,縱剖面相線相較T4、T3和T2階地更加趨于平緩。從沉積剖面看,由于上游水動(dòng)力更強(qiáng),沉積記錄對(duì)氣候變化的響應(yīng)更為靈敏,呈現(xiàn)更復(fù)雜的礫、砂質(zhì)沉積組合,至中下游則發(fā)育為典型的河流相二元結(jié)構(gòu)沉積物。

盡管惠水盆地階地都遭受不同程度的風(fēng)化剝蝕,但階地面的標(biāo)高總體北高南低,且上游河段高程降低明顯,下游至高旺河段后逐漸趨于平緩。多級(jí)階地面之間這種變化趨勢(shì)更為明顯,表現(xiàn)為階地級(jí)差從上游到下游逐漸減小,反映了流域階段性上游剝蝕為主、下游沉積漸強(qiáng)的“削高補(bǔ)低”地貌改造趨勢(shì)。在盆地上游,階地礫石層厚度大、礫徑粗,表明流域水動(dòng)力強(qiáng),剝蝕作用強(qiáng)烈;到下游礫石層明顯變薄,礫石含量和礫徑顯著降低,砂質(zhì)沉積物占比增大,顯示該河段水動(dòng)力減弱,河流沉積作用占主導(dǎo)。同理,在上游河段,強(qiáng)烈的剝蝕作用加劇了構(gòu)造抬升期河流對(duì)地貌的下蝕切割,導(dǎo)致盆地上游新老階地之間級(jí)差更大,且剖面多出露階地基座;在下游,盡管同樣經(jīng)歷了構(gòu)造抬升,但河流沉積作用顯著降低了抬升對(duì)地貌的改造強(qiáng)度,因此階地級(jí)差小,且多發(fā)育堆積階地。

綜上,總結(jié)惠水盆地演化過(guò)程如下:① T4形成階段,盆地流域原始地貌為底部尚不平坦的構(gòu)造洼地,穩(wěn)定的階地沉積僅在局部發(fā)育,如從上游峽谷區(qū)進(jìn)入洼地的山口部位(赤土河段),以及漣江和濛江匯合口下游(羅九院至高旺河段)等;② 經(jīng)過(guò)T4階段的地貌改造后,構(gòu)造洼地地形漸趨平緩,促使T3階地更廣泛沉積,在流域形成較連續(xù)的階地面;③ 再一次構(gòu)造抬升后,流域經(jīng)歷了T2階地?cái)?shù)萬(wàn)年以上的夷平過(guò)程,洼地地貌逐步夷平后,河流沉積作用更為廣泛,惠水盆地基本成型,漣江T2階地在盆地中形成廣闊的階地面平臺(tái);④ T1階地的發(fā)育記錄了流域最近一期地貌夷平作用,階地面沿河流連續(xù)分布并對(duì)老階地產(chǎn)生地形切割,最終塑造了現(xiàn)代漣江河谷山間盆地地貌?？傊?惠水盆地是在構(gòu)造抬升驅(qū)動(dòng)下,流域通過(guò)多期次自北向南“削高補(bǔ)低”的地貌改造,最終形成的從上游到下游地貌面逐步“收攏”的山間盆地。

4 結(jié)論

利用差分GPS測(cè)量、剖面觀測(cè)和OSL測(cè)年,研究了貴州漣江惠水段河流階地的發(fā)育和沉積特征,并以此探討惠水盆地的演化過(guò)程,得到如下結(jié)論:

(1)漣江惠水盆地河谷地貌自北向南高程降低,上游到中游降幅大,至下游后逐步趨于平緩。階地越老高程下降越明顯,各級(jí)階地面呈自上而下的“收攏”趨勢(shì)。

(2)流域中上游河段階地多為基座階地,至下游多發(fā)育堆積階地。漣江河谷階地沉積物一般具由下部礫石層和上部砂質(zhì)層組成的河流相二元結(jié)構(gòu)。從上游到下游,階地礫石層呈現(xiàn)厚度變小,礫石含量降低、礫徑減小的演化趨勢(shì);上部砂質(zhì)層在沉積總厚度中呈占比增大趨勢(shì)。

(3)通過(guò)階地測(cè)年和區(qū)域地貌耦合演化分析,認(rèn)為間歇性構(gòu)造抬升是貴州高原河流階地發(fā)育的主要?jiǎng)恿?。漣江T1階地OSL年齡為31.2±2.0 ka BP到14.7±1.3 ka BP;T2階地年齡為122.4±8.5 ka BP到66.9±3.8 ka BP。對(duì)比貴州高原其他流域階地年齡,推測(cè)漣江T1階地形成于更新世末期至全新世早期,T2階地形成于晚更新世中期。

(4)在更新世以來(lái)四次顯著的構(gòu)造抬升驅(qū)動(dòng)下,惠水流域經(jīng)歷了多期次自北向南“削高補(bǔ)低”的地貌改造,最終由構(gòu)造洼地演變?yōu)閺纳嫌蔚较掠蔚孛裁嬷鸩健笆諗n”的山間盆地。

致謝:感謝中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所在OSL測(cè)年工作上的幫助和支持,感謝匿名審稿專(zhuān)家的有益建議。