2008-循化_贵德地区黄河水系河流纵剖面形态特征及其构造意义_张会平

第28卷 第2期2008年3月
第 四 纪 研 究QUATERNARY SC I ENCES
V o.l 28, N o .2M arch ,2008
文章编号 1001-7410(2008)02-299-11
循化-贵德地区黄河水系河流
纵剖面形态特征及其构造意义
*
张会平 张培震 吴庆龙 陈正位
(中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室,北京 100029)
摘要 青藏高原东北缘循化-贵德地区晚新生代构造活动强烈,同时晚新生代黄河的发育和演化也提供了研究高原构造隆升扩展以及黄河侵蚀下切过程的理想场所。

黄河水系通过调整河流纵剖面的形态在垂向上响应不同的构造隆升以及河床岩性的变化。

利用数字高程模型数据,提取黄河水系河流纵剖面形态,利用基岩河道河流水力侵蚀模型(strea m-pow er i nc ision m ode l)为依托,尝试揭示晚新生代以来强烈构造活动在黄河水系河流纵剖面形态特征上的表现。

分析发现,在循化-贵德地区岩性分布均匀的新生代盆地内部,黄河水系纵剖面在河流水力侵蚀模型坡度-面积双对数图解中大部分表现为上凸特征,即基岩河道的河床随时间的变化为正值,指示了基岩的隆升速率大于河流的下切侵蚀速率。

在河流流经盆地内部不同岩性地区,特别是前新生界地层区,河流纵剖面也表现为一定的上凸特征,表明了新生界与前新生界地层岩性差异对河流纵剖面的控制作用。

综合来看,青藏高原东北缘循化-贵德地区黄河水系河流纵剖面形态特征是晚新生代强烈构造活动和岩性差异共同控制的结果,揭示了循化-贵德地区造山系统地形发育仍然处于前均衡或接近均衡状态,同时也从侧面表明青藏高原东北缘地区是整个高原隆升扩展的最新和最前缘部位的时空格局特征。

主题词 青藏高原 循化-贵德地区 河流纵剖面 河流水力侵蚀模型中图分类号 P343.5,P 546 文献标识码 A
第一作者简介:张会平 男 29岁 助理研究员 构造地质学专业 E-m ai:l hu i p i ng @ies 1ac 1cn 1 引言
新生代欧亚板块与印度板块碰撞汇聚拼合造山以来,青藏高原不断在空间上实现扩展和增生。

虽然控制这一过程的动力学机制一直以来是国内外地学界争论的焦点
[1~7]
,但无论如何,地学界现今
普遍接受有关青藏高原东北缘地区是整个高原向外增生和隆升扩展的前缘部位之一的科学观点
[6,8,9]。

另外,青藏高原东北缘乃至整个高原在三
维尺度的不断扩展,影响甚至改变了区域气候环境,甚至是全球的气候系统
[2,3,8,10]。

由于青藏高原
东北缘地区是高原最新形成的前沿部位,同时也与古气候、古环境研究的最佳场所)))黄土高原在构造位置上相接,因此,深入探讨和分析青藏高原东
北缘新生代构造、气候以及环境演变过程,将为理解青藏高原新生代构造隆升与演化的运动学和动力学过程,以及揭示高原隆升和生长对气候环境演
变的作用等科学问题提供新的理论基础。

在新生代构造研究中,构造地貌和河流地貌研究是比较传统也是比较成熟的技术手段之一。

特
别是随着近些年高精度数字地形数据(如航卫片、数字高程模型等)的成功获取,地貌研究所需的相关参数得以快速地定量分析和解释,大量定性层面上的地貌问题也相应地迎刃而解
[11]。

而且,随着新
的测年技术不断改进和提高,新生代地貌研究似乎也正在成为复苏的热点研究领域之一。

青藏高原东北缘循化-贵德地区逆冲-走滑断裂系统(如日月山断裂、拉脊山断裂等)新生代构
造活动强烈,导致新生代盆地沉积标志被不同程度地褶皱和位错
1)[12,13]。

同时,晚新生代黄河的形成
和演化与青藏高原东北缘的构造演化息息相关,其深刻记录了晚新生代以来高原东北缘在高度和宽度三维空间的隆升和扩展过程
[14~17]。

平面方向上,
走滑断裂的运动致使河流水系水平位错,记录断裂
300
第 四 纪 研 究2008年
运动的方式以及幅度[12,13]
;垂直方向上,逆冲断裂
(或正断裂系统)的活动导致河流纵剖面的变化,形成断裂诱发裂点并不断向上游迁移,记录基岩的隆升及其与河流下切的反馈过程。

通过河流水系的水平位错幅度和方式以及相应沉积物的年代测定定量研究活动断裂的性质已经比较成熟[18~21]
,被广泛地应用在高原周缘大型活动断裂体系的研究和相关运动学以及动力学模型的检验[19,20]。

然而,由于利用传统地形资料(如纸质地形图、地质图等)提取河流纵剖面的准确度和难易程度,河流纵剖面形态特征的定量研究国内还很少见有报道。

正是基于此,本文选择新生代构造活动强烈的青藏高原东北缘循化-贵德地区,以黄河水系河流纵剖面的提取分析为切入点,利用基岩河道河流水力侵蚀模型
(strea m -pow er i n cisi o n m ode l)[22,23]
为依托,尝试揭示晚新生代以来强烈构造活动在黄河水系河流纵剖面形态特征上的表现,并进而为探讨晚新生代以
来黄河的发育演化过程提供一定的宏观背景。

2 河流水力侵蚀模型
基岩河道(bedrock channel)的发育和演化能够记录活动造山带地区基岩的隆升以及河流的下切过程
[22~24]。

当地形发育达到均衡的条件下,也就是
基岩的隆升速率与河流的下切速率达到平衡,基岩河道的河床高程将不随时间改变(dz /d t =0,图1a),此时的河道纵剖面被称为均衡河道剖面(steady -state channe l profile)。

河流水力侵蚀模型的数学表达为[22~24]
:
dz /dt =U -E =U -KA m S
n
(1)
公式(1)中U 为基岩隆升速率,E 为河流下切侵蚀速率,K 为侵蚀系数,A 为河道上游的流域面积,S 为河道坡度,m 与n 为常数。

当dz /d t =0时,U =KA m
S n
,
则S =(U /K )1/n A -m /n
(2)
令H =m /n,k s =(U /K )1/n ,那么
S =k s A
-H
也即l o g(S )=-H @l o g(A )+log(k s )(3)
公式(3)中参数H 为均衡河道纵剖面的下凹程度指数(concav ity index),而k s 则为均衡河道纵剖面的陡峭指数(steepness i n dex )。

可见公式(3)在坡度-面积双对数图解中,流域面积与河道坡度之间表现为线性关系[24]
(见图1)。

然而,当造山带内部基岩隆升速率大于河流的下切侵蚀速率时,也即河床高程随着时间的变化而逐渐升高[24]
(dz /d t >0;见图1b),此时造山带系统地形发育处于前均衡状态(pre -steady -state topog raphy );相反情况下,当河流的下切侵蚀速率大于基岩隆升速率时,河床的高
程则随着时间的变化而逐渐降低[24]
(dz /d t <0;见图1b),而此时的造山带地形则发展为后均衡状态(pos-t steady -state topography)。

3 黄河水系河流纵剖面形态
311 河流纵剖面提取
为能够深入考察青藏高原东北缘循化-贵德地区黄河水系河流纵剖面形态特征,我们选择SRT M-DE M 数据为基础资料,选定汇入黄河干流的38条2级以上水系为研究对象(图2),提取了所有支流的最长河道河流纵剖面(见图2和图3)。

可以看到,6518%(25/38)的河流纵剖面呈现出明显的上凸特征(例如5#,9#,18#以及31#等等),而3412%(13/38)则主要表现为典型的下凹河流纵剖面特征(例如4#,11#,19#以及32#等等)。

河流纵剖面上的上凸点或者上凸部位通常被称为裂点(或尼克点,kn ickpo int)。

依据我们提取的所有河流纵剖面数据分析得到,在所有25条上凸的河流纵剖面均存在至少一个规模较大的裂点异常点,异常点上下游河道高程差约为100m,甚至达到400m 左右(如10#,31#等)。

另外统计发现,3610%(9/25)上凸河流的裂点分布于相对应河流的中下游
2期张会平等:循化-贵德地区黄河水系河流纵剖面形态特征及其构造意义301
图2 循化-贵德地区地貌特征及其黄河水系河流分布图
F i g 12
G eomo rph i c features and d istri buti on o f
H uanghe R i v er dra i nage a round X unhua -G u i de area
部位(如3#,8#以及31#等),距离黄河干流约5~15km 不等;6410%(16/25)的裂点则主要见于河道
的中上游,大体基本接近于盆地边缘或者盆山交接部位。

312 河流纵剖面形态特征
以研究选取的38条黄河支流所在亚流域盆地(subbasin )为研究对象,依照河流级数(strea m order)由小到大的顺序向下游对整个亚流域盆地内部的河道进行统计,建立log(A )和log(S )的关系图(图4)。

我们这里统计河道上游流域面积是指所有同级河道上游流域面积的平均值,相应地河道坡度也就是指所有同级河道坡度的平均值。

因此,log(A )和l o g(S )的关系图并非仅仅讨论38条最长河道的对应值(见图4)。

由统计资料我们可以看到(见图4),6814%(26/38)的亚流域盆地河道在S -A 双对数图解内表现为上凸特征(如3#,14#,27#和36#等),也就对应图1中dz /dt >0部分,即河道高程是随着时间逐渐蚀模型S -A 双对数图解内对应了dz /d t =0部分,指示了河道现今已经达到或接近均衡状态(见图1和图4);然而在所有参与统计的38条河流亚流域
盆地内部,仅仅810%(3/38)的河道统计值表现为下凹形态(如8#,31#和35#),对应标准图解的dz /dt <0部分,代表这3条河流的下切侵蚀速率已经超出了基岩的隆升速率(见图1和图4)。

另外我们不难看出,虽然大多数图解表现为上凸特征,但从统计角度来看,大部分的上凸形态与均衡线性标准图解仍然很接近,似乎表明整个研究区刚刚处于构造隆升速率大于河流下切侵蚀速率的临界状态(见图4)。

但无论如何,所有参与统计的亚流域盆地以及盆地内部的河流纵剖面特征指示了青藏高原东北缘循化-贵德地区的地形发育形态仍然处于前均衡或接近均衡状态
[24]
(见图4)。

4 控制因素分析与讨论
青藏高原周边水系发育演化、现今格局以及其
反映的构造和气候控制特征被广泛报道[25~31]。

通
302第四纪研究2008年
图3黄河水系河流纵剖面图
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图4黄河水系河流水力侵蚀模型S-A双对数图解
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宇宙成因核素年代学等测年技术,建立基岩河道下凹程度、陡峭程度和基岩隆升以及河流下切之间的定量关系,进而可以探讨活动造山带地区构造-气候-地形演化等反馈机制以及相互作用过程。

411区域构造
青藏高原东北缘地区新生代早期以来可能存在巨大的盆地系统,沉积了巨厚的陆相沉积,后期盆地系统遭受隆起并褶皱成山,被基岩山脉分割成独立的/菱形0盆地系列(如共和盆地、贵德盆地以及循化盆地和临夏盆地等等),成为青藏高原向北东方向扩展的最新前缘部位[9,12,13]。

由此看来,在地貌形态上,循化-贵德盆地区仍然是青藏高原东北缘造山系统正在隆起的部位之一。

宏观构造背景之下,青藏高原向北东方向的不断扩展以及青藏高原东北缘不同构造部位盆地的不断分割、隆起,循化-贵德地区正逐渐隆起并在地貌上加入整个高原的演化。

循化-贵德地区晚新生代构造活动强烈,逆冲-走滑断裂系统控制了区域内变形的总体格架,导致新生代盆地沉积标志被不同程度地褶皱和位错1)[12,13]。

依据循化-贵德地区及其相邻柴达木盆地北缘断裂带和鄂拉山断裂带等研究结果,晚更新世以来断裂垂直活动速率约为0115~0130 mm/a[12,13]。

虽然目前我们仍然没有直接的方式定量获得循化-贵德地区的基岩构造抬升速率,但是我们仍然可以以黄河阶地所记录的下切速率来评价基岩隆升速率。

参考现有研究区内黄河阶地资料可以发现,黄河干流中更新世以来的下切速率大致为015~218mm/a[32,33],如果我们以现今国内相关研究所假设河流下切与基岩隆升动态平衡理论来看,循化-贵德地区中更新世以来的基岩隆升速率则应该为015~218mm/a。

但是,结合整个地区黄河流域循化-贵德段的S-A图解(图5)可知,现今研究区黄河流域盆地尺度仍然处于前均衡地形演化阶地,这也就能够说明循化-贵德地区的构造隆升速率应该要大于015~218mm/a,当然我们仍不能排除中更新世以来黄河快速下切速率的部分分量是受控于黄河水系自身水动力条件的改变,或者是黄河溯源侵蚀过程所指示的瞬态特征[33]。

在研究区以上兴海、同德地区,最新资料表明,基于10Be核素定量的盆地尺度侵蚀速率大致为0105~0111mm/ a[33]。

虽然我们现在还没有直接资料证实在循化-贵德地区黄河及其支流的侵蚀速率也与上述地区相当,但考虑到河流的溯源演化过程,我们仍然可以推测,既然黄河上游兴海、同德等地区黄河仍然处于前均衡状态,那么在下游邻近的循化-贵德地区黄河则可能也处于前均衡或接近均衡状态,这与我们的统计分析结果仍然是吻合的(见图4)。

图5黄河流域循化-贵德段S-A双对数图解
F ig15S-A loga rith m i c plot o f the Xunhua-
G uide segm en t
o f the H uanghe R i ver dra i nage
412岩性差异
研究区位于青藏高原东北缘新生代断陷-压陷盆地主体部位,盆岭地貌格局明显。

盆地区主要沉积了相对连续的新生界湖相、河流相碎屑岩沉积,而分割盆地的基岩山脉地区则分布有太古-元古代变质岩系(如拉脊山一带)以及三叠系厚层碎屑岩、浅变质岩系(如西秦岭地区)[34]。

由于晚新生代黄河水系的形成与演化,盆地内部部分地区新生代地层已经被下切至下伏基岩,因此在我们统计的部分河流纵剖面上也表现为上凸异常点或部位(如5#,6#和18#)。

综合新生界和前新生界地层的岩性、固结状态,前新生界地层的抗侵蚀能力明显要高于新生界砾岩,砂岩以及泥岩体系。

虽然如此,本研究所提取的大部分河流纵剖面仍然代表了单一岩性区(如仅仅为新生界碎屑岩区或者前新生界基岩区)河流发育的形态。

以贵德盆地农春河(18#)为例,我们提取出前新生界基岩区以上河段的河流纵剖面以及相应流域的S-A图解(图6),对比可以看到(见图4和图6),农春河上游地区仍然表现为纵剖面的上凸以及河流水力侵蚀模型S-A图解所指示的前均衡状态。

综合来看,岩性差异在贵德-循化盆地区黄河水系河流纵剖面的形态特征发育上起到了一定的
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图6贵德盆地农春河上游河流纵剖面(a)及其S-A双对数图解(b)
F ig16Long it udi na l profile(a)and S-A loga rith m i c plot(b)of N ongchunhe R iver upstream in
G u i de Basi n
控制作用,但在排除岩性异常部位后仍能够得到前均衡状态地形发育特征的结果,则确切地说明了区域构造隆升作用在河流纵剖面形态发育和演化过程中仍然是主导因素。

413河流水动力差异
除构造隆升以及岩性差异等外在控制因素之外,河流自身水动力条件的差异也会影响到河流的下切侵蚀能力,例如流域内河流流量以及流域形态等等[22,23,35]。

在我们统计分析的所有结果中,存在部分亚流域干流的河流纵剖面表现为上凸特征,但是相应流域内部的S-A图解则表现为均衡或后均衡状态(如8#,31#和35#),也就是说在干流仍然处于前均衡状态时,整个流域却先于干流提前达到均衡状态,显然这一现象并非区域构造隆升以及岩性差异控制,这似乎说明了流域内部水动力条件的改变调节了部分流域内部河流纵剖面形态,然而这一结论仍然需要更进一步的野外实地观测或者数字模拟实验检验。

在降水量相对一致的地区,流域内河流流量(Q)的大小与流域面积(A)之间成正比关系[36] (Q W A017~110),而且流量的大小则在一定程度上控制了流域内河流的水动力条件。

流域面积大,流域流量相对就大,因此水动力条件也就相对变强,其侵蚀能力也就随之变大,最终流域达到均衡状态所需的时间也就相对比较短。

但由S-A图解我们不难发现(见图4),流域面积与我们分析统计得到的流域内部地形发育均衡状态之间并不存在必然的关系,也就是说流域流量也并非控制地形发育演化达到均衡状态的主控因素。

但是,我们也不能否认,如果综合考虑地表植被发育,流域原始地形条件等因素,具有相同流量的流域盆地也会呈现现今不同的流域地貌形态。

另外,研究选取的河道主要是以线状基岩河道为主,辫状河以及曲流河河道比较少。

野外调查发现,大多数河道现今仍然以下切侵蚀作用为主,只是在盆地局部地区存在加积现象发生。

也从一个侧面证实贵德-循化地区黄河水系现今仍然未下切侵蚀达到均衡状态,因此在标准河流水力侵蚀模型S-A双对数图解中表现为上凸特征,指示地形发育处于前均衡或接近均衡状态。

5河流纵剖面形态对黄河演化的启示晚新生代以来黄河的发育和演化问题一直以来是国内外地学界普遍关心的重大科学问题之一。

黄河自上游向下,不但流经了青藏高原、黄土高原以及华北平原三大地貌单元,而且也横跨了上游抬升基岩区、中游断陷盆地区和下游冲积平原区等宏观地质构造单元,记录了晚新生代以来构造-气候-侵蚀循环的丰富信息。

因此,黄河及其流域的演化研究是理解中国大陆,乃至东亚新生代大地构造问题一个突破口之一。

在理论方面,黄河中上游地区的发育与青藏高原晚新生代以来的隆升和变形过程息息相关[32,37,38],黄河水系的垂向下切和侧向迁移无不与周缘山脉的隆升生长过程相互耦合,黄河中上游地区盆岭相间的宏观格局以及水系发育的样式是解释高原演化的重要突破口之一;其次在经济方面,黄河中下游地区流域产沙、现代坡面过程等研究是缓解和防御流域地质灾害的关键科学问题[39]。

潘保田1)(1991)在系统总结和回顾黄河发育研
306第四纪研究2008年
究的历史时,以两个问题开头:黄河几大转折是怎样形成的?黄河是何时出现并如何演化的?然后间接引出1868年R.彭伯利(R1Pum pe ll y)关于黄河源于河套,取道岱海的认识;而后综合而言,目前大多数学者都赞同黄河是由多个相互独立或不同发育历史的湖泊水系或段落通过袭夺、溯源侵蚀相互串联起来的,同时他也指出这一认识是以后研究黄河演化等问题的基础。

可见,经过近一个半世纪的探索至今,黄河发育及其演化问题仍然是地学界颇为感兴趣的科学问题。

我们也不难看出,黄河形成历史及其演化过程极其复杂,不同河道类型、不同构造-气候部位的演化历史会不尽相同,独立、详尽的研究和分析可能是深入揭示单一部位的有力手段,但研究的同时仍然需要考虑整个黄河流域的演化图像,以宏观的演化历史为研究背景。

循化-贵德地区地处青藏高原东北缘新生代构造造山、隆升扩展的前缘部位。

黄河在研究区附近自上游向下流经多个/菱形0新生代盆地,揭示了完整的新生代沉积序列[9,13,15,36,37],同时沿黄河水系也发育了比较连续的阶地[32,38,40](包括堆积阶地和基座阶地),因此这些都为探讨高原变形和生长提供了理想的标志和载体。

近些年来,大量的研究开始通过河流阶地的分布形态及其变形特征,定量恢复和揭示活动构造的变形,同时对比分析相应地质历史时期的气候演变过程,探讨构造-气候旋回对于河流地貌演化的控制及其机制[25~29]。

与河流阶地面(阶地位相)变形分析原理相同[32],现今河流纵剖面形态研究也能够反映新构造活动以及岩性和气候演变信息。

构造抬升通过增大河道坡度以及降低区域侵蚀基准提高河流下切能力,进而加速流域地形向动态平衡(均衡)状态发展;盆地内部岩性的差异进一步加剧和促使裂点的形成和溯源迁移演化;而晚新生代气候变化频率增强,则使得河流的水动力条件不断发生变化和调整,进而推进河流流域地貌的演化进程。

诚然,河流系统具体如何、怎样响应和在什么时间尺度响应区域构造隆升或者是气候变化等过程仍然是一个比较复杂的问题,比如河道宽度[41,42]、河流分支[43]、河网密度[44,45]以及河流型式[46]等都会在特定地质环境中进行调整。

因此,河流纵剖面形态的研究仅仅是河流地貌分析的一个基本要素,系统的研究工作仍然需要进一步开展。

如前所述,如果黄河的形成和演化过程正如现今学者所认识的一样,即是由多个相互独立或不同发育历史的湖泊水系或段落通过袭夺、溯源侵蚀相互串联起来的。

那么,下游先前发育的黄河溯源袭夺上游封闭内流水系以后,对于上游新形成的黄河流域而言,其侵蚀基准快速下降,此时上游河道如何调整?在多长的时间尺度内调整?而且,溯源侵蚀、河流重组过程之后,随着上游流域面积的突然增大,同时水动力条件也会相应增强,那么这一过程会对下游流域河流的形态以及侵蚀下切起到什么样的作用,在黄河下游会有何反应?例如,潘保田1)(1991)等相关研究[15~17]认为,111~112M a左右黄河切穿积石峡,循化盆地与临夏盆地贯通,那么,循化地区流域的侵蚀基准在黄河切穿积石峡时会突然增大,随着黄河主河道的快速下切,支流水系也会随即响应,形成裂点逐渐溯源侵蚀,那么黄河水系的这一重组过程会对下游(如兰州地区)有何影响,是否会加剧黄河的侵蚀下切?如果存在这一正反馈响应,具体会体现在什么时段,以及下游哪一级别的阶地上?例如,根据黄河兰州段阶地的最新研究成果[39],0186M a(T4)~0113M a(T3)之间仍然未发现残余阶地,那么,是存在阶地后期被侵蚀破坏,还是黄河自0186M a开始持续下切并未形成阶地?如果后者成立,是否是某一时段上游黄河水系重组导致水动力条件变化,从而导致下游河道的持续下切?再进一步讲,如果黄河水系上游重组能够造成下游持续侵蚀下切,那么黄河兰州段0186M a(T4)~0113M a(T3)的下切历史则并不是仅仅响应区域构造隆升,而是存在河流水动力条件改变的贡献量。

综上所述,黄河的形成以及演化历史极其复杂,记录了晚新生代以来构造隆升、气候演变以及水系形态自身调整等重要信息,因此其研究意义也就不言而喻。

而本文通过提取青藏高原东北缘循化-贵德盆地区黄河及其支流水系河流纵剖面,并以此为基础初步探讨了构造隆升、岩性差异以及河流水动力条件差异的控制因素,研究仍然主要是基于地形数据的处理和分析,因此也就需要更进一步系统深入的研究工作,为揭示黄河的形成和演化过程提供更翔实的数据资料。