汾河流域系列盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的沉積學(xué)響應(yīng)

汾河流域系列盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的沉積學(xué)響應(yīng)

1地貌階段性發(fā)育規(guī)律的應(yīng)用在對(duì)河流和湖泊地形發(fā)育的初步研究中，我們注重從結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的角度分析河流和湖泊特征的形成過(guò)程。在過(guò)去的10年里，結(jié)合環(huán)境變化和這項(xiàng)工作的研究是學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì)。自20世紀(jì)30年代開(kāi)始,就有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)山西汾河流域第四紀(jì)進(jìn)行研究。50年代以來(lái),對(duì)這一區(qū)域的研究涉及到區(qū)域地層、古人類、新構(gòu)造、地貌發(fā)育等一系列問(wèn)題,研究成果也極大地拓寬了對(duì)流域第四紀(jì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。但時(shí)至今日,關(guān)于流域中的很多問(wèn)題,諸如河湖地貌發(fā)育的階段性、引起地貌階段性演化的機(jī)制過(guò)程等仍不甚清楚。而開(kāi)展對(duì)這一問(wèn)題的研究將有助于我們更加全面深入地了解流域第四紀(jì)演化的經(jīng)絡(luò)。目前,隨著對(duì)青藏高原新生代隆升研究的展開(kāi),對(duì)黃河起源的問(wèn)題也引起了人們?nèi)找娴年P(guān)注,作為青藏高原的一外圍地區(qū),高原的階段性隆升對(duì)本區(qū)域的地貌演化有沒(méi)有影響呢?本文的研究將會(huì)對(duì)這一問(wèn)題做出一初步的結(jié)論;作為黃河中游的最大支流之一,其階段性的演化歷史也能在一定程度上折射出黃河的演變歷史。因此,開(kāi)展對(duì)本區(qū)域的地貌階段性發(fā)育規(guī)律的研究,對(duì)闡釋我國(guó)地學(xué)界正在討論的上述幾個(gè)問(wèn)題具有一定的積極意義。在研究盆地內(nèi)河湖地貌發(fā)育規(guī)律的過(guò)程中,確定地貌體或沉積體的年代一直是個(gè)惱人的問(wèn)題。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的TL、14C等方法的測(cè)年范圍十分有限,只能對(duì)較年輕的地貌體或沉積物進(jìn)行定年,無(wú)法直接測(cè)定時(shí)代稍老的地貌體或沉積物;而測(cè)年范圍稍廣的鈾系法,因滿足測(cè)年要求的樣品野外不易取到也難以普遍使用。但利用覆蓋在地貌體或沉積物之上的黃土古土壤序列,我們可以間接地確定某些地貌沉積體的形成年代。汾河流域的河湖地貌體及沖積層之上一般都覆蓋著厚度不一、層序不同的黃土古土壤層。正常情況下,形成時(shí)代早的地貌沉積體之上覆蓋的黃土古土壤層的厚度大、層序多;形成時(shí)代晚的地貌沉積體之上覆蓋的黃土古土壤層的厚度小、層序少。任何地貌沉積體一旦出露到氣下,由于風(fēng)成黃土堆積過(guò)程的連續(xù)性,在其地貌面上都會(huì)馬上覆蓋黃土沉積層。其中與地貌沉積體直接接觸的那層黃土古土壤層,其年齡與地貌沉積體脫離水域環(huán)境的時(shí)間相近,從而也就指示著該地貌沉積體的形成年代。利用這種方法確定一些老的地貌沉積體的年齡,其誤差可在10,000～40,000yr之內(nèi)。由于黃土古土壤層的發(fā)育不存在穿時(shí)性問(wèn)題,因此黃土古土壤序列就可以作為一個(gè)區(qū)域時(shí)間標(biāo)尺來(lái)標(biāo)定不同地段地貌沉積體的形成時(shí)代。另外,在本文的研究過(guò)程中,還利用了古地磁、鈾系、TL等測(cè)年方法來(lái)幫助確定地貌體、沉積物的年齡及上覆地貌沉積體的黃土古土壤序列。2沖湖積共同分布的古地內(nèi)涵太原盆地、臨汾盆地等在第四紀(jì)期間都曾發(fā)生過(guò)多次湖退湖進(jìn)或河湖環(huán)境交替的變化。這種湖退湖進(jìn)或河湖環(huán)境交替變化在盆地邊緣往往會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生河湖相地層與黃土古土壤層呈互層分布的現(xiàn)象;在地貌上形成了系列沖湖積臺(tái)地。分析盆地邊緣這種沉積相的變化及沖湖積臺(tái)地沉積結(jié)構(gòu)特征,我們可以追索盆地及汾河流域地貌演化的歷史過(guò)程。2.1黃土古土壤層的分布特征介休市東南的太原盆地邊緣分布著張壁臺(tái)地。溝谷切割臺(tái)地后,揭示出了臺(tái)地的沉積結(jié)構(gòu)(圖1)。從溝谷的上游至下游,揭露出的剖面中一共出現(xiàn)了三期湖相沉積層。每一期湖相沉積層之上都覆蓋有厚度不同、層序不一的黃土古土壤層,反映了它們出露氣下的時(shí)代有先后之分。根據(jù)野外觀察,每一期湖相沉積層與黃土古土壤層之間的相變是漸變過(guò)渡的、沒(méi)有侵蝕面的出現(xiàn),也就是說(shuō)該地的沉積雖然經(jīng)過(guò)了多次由水下-氣下的沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變,但沉積基本上是連續(xù)的。野外觀察同時(shí)也發(fā)現(xiàn),最早一期湖相層為一呈灰綠色及雜色的粘土或粉砂質(zhì)粘土層,其出露的高度最高,是該剖面中揭示出的最高一級(jí)湖積臺(tái)地。上覆其上的黃土古土壤層中見(jiàn)有8條明顯的紅色古土壤條帶,其中直接覆蓋在湖相層上的是第8條古土壤層。在湖相層的下部還下伏著另一更老的古土壤。野外工作中,從這一最老的古土壤層開(kāi)始,向上經(jīng)湖相層至上部黃土古土壤層,一共采集了31個(gè)古地磁樣品(在初步確定的地磁界面處,采樣密度較大,為40cm間距)。樣品在室內(nèi)經(jīng)地礦部地質(zhì)力學(xué)研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室測(cè)定,B/M界限位于第8與第7條古土壤之間的黃土層中。根據(jù)文獻(xiàn)揭示的古地磁極性界面在黃土地層中的分布特征推定:第8條古土壤層為S8。第二期灰綠色湖侵沉積層之上覆蓋了5條古土壤層,直接上覆在湖相沉積層之上的第5條古土壤為S5(S5古土壤層是黃土沉積中的一重要標(biāo)志層)。而在這級(jí)臺(tái)地的后緣,在湖相沉積層之下,還下伏著另一老于S5的古土壤層。同樣采用古地磁方法分析,結(jié)果表明這層古土壤也是S8。這一期湖相層構(gòu)成了剖面中的第二級(jí)湖積臺(tái)地。最晚一期湖相沉積層的出露高度最低,構(gòu)成了剖面中最低一級(jí)湖積臺(tái)地。之上上覆了S1及其以來(lái)的黃土古土壤層。臺(tái)地的后緣,在湖相沉積層的下部下伏著S5古土壤層。由對(duì)張壁剖面的分析可知:在S8發(fā)育以前,太原盆地是一個(gè)湖泊大發(fā)展時(shí)期,形成了剖面中揭示出的最早一期湖相沉積層。對(duì)應(yīng)于S8古土壤發(fā)育時(shí)期是一個(gè)湖退階段,由于湖泊的后退,其下發(fā)育的S8古土壤層超覆在早期湖相層之上。至S8發(fā)育晚期,盆地中又開(kāi)始出現(xiàn)新的一次湖泊擴(kuò)張,湖水淹沒(méi)了部分原先出露氣下的S8古土壤層。這次湖侵一直持續(xù)到S5的早期,湖侵期間形成的湖積層構(gòu)成了第二級(jí)臺(tái)地。而S5發(fā)育期間卻是盆地中的又一大幅湖退時(shí)期,由于湖面縮小,湖相沉積層暴露氣下,S5古土壤層廣泛覆蓋在這一期湖相層之上。至S5晚期,盆地中開(kāi)始了第三次湖侵,湖水淹沒(méi)了盆地周遍部分S5古土壤。這次湖侵一直持續(xù)到S1的早期,期間形成的湖積物構(gòu)成了盆地中最低一級(jí)湖積臺(tái)地。至S1古土壤開(kāi)始發(fā)育時(shí),盆地中出現(xiàn)了第三次大幅湖退,湖積物大面積出露氣下,在其之上堆積覆蓋了S1及其以來(lái)的黃土古土壤層。2.2古土壤層的分布及沉積特征臨汾盆地位于汾河流域的下游,由兩個(gè)凹陷-臨汾凹陷、河津凹陷組成。兩個(gè)凹陷在第四紀(jì)期間經(jīng)歷的多次湖泊收縮擴(kuò)張或河湖環(huán)境交替變化,在地貌、沉積上都留下了大量蹤跡。臨汾凹陷的東部,從最東側(cè)的浮山臺(tái)地至汾河漫灘,地形上呈幾級(jí)階梯狀下降。對(duì)應(yīng)于不同高度的臺(tái)地,臺(tái)地脫離水下環(huán)境的時(shí)間是不一樣的(圖2)。以大陽(yáng)斷層為界,以西的浮山臺(tái)地至少自上新世以來(lái),就一直處于氣下?tīng)顟B(tài),接受著風(fēng)成堆積,沒(méi)有受到湖水的侵?jǐn)_;以東,第四紀(jì)期間普遍受到多次湖退湖進(jìn)的影響,形成了大范圍的湖相沉積層。大陽(yáng)臺(tái)地是凹陷中最高一級(jí)湖積臺(tái)地。在灰綠色水平層理發(fā)育的湖相沉積層之上直接覆蓋著S5及其以來(lái)的黃土古土壤層,厚度達(dá)30m。在臺(tái)地的前緣,S5古土壤層的產(chǎn)狀明顯地向下一級(jí)喬李-臨汾臺(tái)地傾斜,且出現(xiàn)后期湖相層超覆S5的現(xiàn)象。喬李-臨汾臺(tái)地比大陽(yáng)臺(tái)地低約70m,但在東西寬度上可達(dá)14km。在灰黃色及雜色湖相沉積層之上堆積了愈15m厚的黃土古土壤層,直接上覆湖相層的是一深發(fā)育古土壤層。野外對(duì)上覆的黃土古土壤層進(jìn)行了系統(tǒng)磁化率取樣及TL測(cè)年,結(jié)果顯示該黃土古土壤層是S,及其以來(lái)的堆積。河津凹陷是一近東西向的斷陷盆地,從凹陷南側(cè)的峨嵋臺(tái)地至汾河岸邊,地形也是由幾級(jí)臺(tái)地組成,呈幾級(jí)階梯狀下降的。從最高的萬(wàn)榮-通化臺(tái)地至低一級(jí)的萬(wàn)安-翟店臺(tái)地,上覆湖相或河湖相沉積層的黃土古土壤序列是不同的(該凹陷中的水下沉積物除湖相層外,還包括有一定厚度的典型沖積砂礫石層)。萬(wàn)榮-通化臺(tái)地上,河湖相地層之上直接覆蓋著S8及其以來(lái)的系列黃土古土壤層。萬(wàn)安-翟店臺(tái)地寬度在8～10km。根據(jù)沉積結(jié)構(gòu)的差異,該臺(tái)地實(shí)際可分上下半段兩個(gè)部分,上半段:沉積特征是河湖相地層之上直接覆蓋著S5及其以來(lái)的黃土古土壤層。S5古土壤的分布向臺(tái)地下游可延伸到臺(tái)地的下半段,直至現(xiàn)代汾河的岸邊。下半段的沉積特征是:以S5為界,以下為湖相粘土亞粘土沉積,以上為河湖相互層沉積;河湖相地層之上覆蓋著S1及其以來(lái)的黃土古土壤層。上下半段間的過(guò)渡區(qū)域,沉積特征表現(xiàn)為S5以來(lái)的黃土古土壤層與河湖相沉積層呈鋸齒狀互層分布。綜合分析臨汾凹陷、河津凹陷中的地貌、沉積特征,我們發(fā)現(xiàn)自中更新世中晚期以來(lái),盆地中河湖地貌發(fā)育的歷史與太原盆地是一致的,即:S8、S5、S,古土壤發(fā)育時(shí)期是盆地中3個(gè)大的湖退階段,古土壤層覆蓋了早期河湖相地層;S8以前、S8的晚期至S5的早期、S5的晚期至S1的早期是盆地中的3個(gè)湖侵時(shí)期,湖侵產(chǎn)生的河湖相沉積超覆在部分古土壤層之上。2.3次湖退事件不同構(gòu)造基礎(chǔ)的對(duì)比對(duì)于一內(nèi)陸湖盆的變動(dòng)來(lái)講,構(gòu)造和氣候是兩個(gè)主要影響因素。在構(gòu)造穩(wěn)定時(shí)期,濕潤(rùn)多雨的氣候會(huì)產(chǎn)生較大的入湖徑流,引起湖泊的擴(kuò)張;而干旱時(shí)期則相反,會(huì)引起湖泊的縮小。構(gòu)造的下沉一般有助于湖泊蓄水?dāng)U張;而構(gòu)造的抬升導(dǎo)致湖水外泄,會(huì)產(chǎn)生湖面后退。由上述幾個(gè)剖面的分析揭示,汾河流域中的系列斷陷盆地自中更新世中晚期以來(lái)出現(xiàn)的3次大幅度湖泊后退,正分別對(duì)應(yīng)著S8、S5、S1古土壤的發(fā)育時(shí)期,氣候濕潤(rùn)。因此,這3次湖退事件的發(fā)生不可能是氣候因素造成的,只能歸結(jié)于區(qū)域構(gòu)造抬升,且抬升導(dǎo)致湖水外瀉遠(yuǎn)大于濕潤(rùn)氣候所產(chǎn)生的湖泊擴(kuò)張作用。3次構(gòu)造抬升分別開(kāi)始于S8、S5、S1古土壤發(fā)育之時(shí)。這3次區(qū)域構(gòu)造抬升是根據(jù)湖盆演化特征分析出來(lái)的,實(shí)際上在各大盆地周邊的山間溝谷及汾河上游河段上,在S8早期、S5早期、S1早期也都發(fā)育了系列基座階地,如太原盆地兩側(cè)山地中的文峪溝(文水縣城西北8km處)、龍鳳溝谷中(介休東北4km處)以及汾河上游靜樂(lè)河段上都出現(xiàn)有S8、S5或S1古土壤層直接覆蓋在基座階地之上的現(xiàn)象。山地溝谷中的系列基座階地的形成不僅說(shuō)明了這3次區(qū)域構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)的存在,而且還說(shuō)明這三次構(gòu)造抬升所波及的范圍并不僅僅只限于流域中的幾個(gè)盆地區(qū)域。根據(jù)劉東生、劉嘉麒等的研究,S8、S5及S1古土壤開(kāi)始發(fā)育的時(shí)間分別為0.76MaBP、0.55MaBP、0.13MaBP,也即是說(shuō),汾河流域中曾發(fā)生過(guò)的3次強(qiáng)烈構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)大約發(fā)生于0.76MaBP、0.55MaBP、0.13MaBP。由三級(jí)臺(tái)地的高差推斷,每次構(gòu)造抬升引起的湖退幅度都在50～100m之間。3氣候變化對(duì)流域內(nèi)河流和湖泊地形發(fā)育的影響3.1巖相古地理特征洪山臺(tái)地是位于太原盆地介休市東北8km處的一湖積臺(tái)地。在臺(tái)地上洪山鎮(zhèn)南側(cè)的一溝谷中,由溝谷的切割出露了一第四紀(jì)中晚期沉積層剖面-洪山剖面。該剖面為一個(gè)系列剖面,由洪山湖積層剖面(圖3a)和洪山黃土古土壤層剖面構(gòu)成(圖3b)。洪山湖積層剖面高度約16m,整個(gè)剖面可分上下兩個(gè)半段,上半段沉積為氣下的黃土古土壤層,下半段為水下的湖相沉積層,在剖面的最底部還下伏著一層紅色古土壤層。該剖面中湖相層的典型特征是:質(zhì)地均一的灰綠、黃綠色粉砂粘土層與含碳酸鈣結(jié)晶體的沉積層呈互層分布。從整個(gè)剖面的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分看,剖面中第2層是一古土壤層,其直接上覆在下部湖相層上。湖相層的總體是由灰綠色、黃綠色的粉砂粘土層構(gòu)成,但在其中的第3、5、7、9層中,則出現(xiàn)湖相粉砂粘土層中夾數(shù)薄層碳酸鈣結(jié)晶體現(xiàn)象。碳酸鈣結(jié)晶體呈中空管狀形,管狀體的長(zhǎng)度一般不大于2cm,管尖大多朝上,反映它的形成是下部溶解有碳酸鈣的水不斷因毛管作用上升、鈣質(zhì)結(jié)晶而成的,而非上部含鈣水淋溶下滲沉淀的結(jié)果。碳酸鈣結(jié)晶聚集體空隙度很大,呈蜂窩形。第10、11層分別是礫石層和古土壤層,其中古土壤層為褐紅色,是一深度發(fā)育的土壤層。為弄清該剖面沉積的時(shí)間序列,我們分別在第9、7、5、3層提取了4個(gè)新生碳酸鈣測(cè)年樣品,樣品在室內(nèi)由國(guó)家地震局地質(zhì)研究所新生代學(xué)鈾系實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)定。由于樣品碳酸鈣結(jié)晶體在形成時(shí)受到了風(fēng)成黃土中老的碳酸鈣污染(樣品中含有少量黃土粉砂物質(zhì)),只有第9、5、3層做出了年代結(jié)果,其分別為:大于50萬(wàn)年(已超出鈾系測(cè)年范圍)、28.901.45萬(wàn)年、16.00.8萬(wàn)年。據(jù)分析估計(jì),這三個(gè)年齡結(jié)果較實(shí)際稍偏大,因?yàn)闇y(cè)出年代的3個(gè)樣品中的230Th/232Th比值都不高,最高的第5層樣不到39,最低的第9層樣只有7.99。但結(jié)果所顯示的樣品沉積時(shí)間順序是正確的,與我們?cè)鹊念A(yù)測(cè)也比較接近,因此我們認(rèn)為其應(yīng)是可信的。在該剖面點(diǎn)東側(cè)上游30m處,出露著洪山黃土古土壤層剖面,剖面清楚地顯示出:這里出露的地層全部為氣下發(fā)育的黃土古土壤層。野外工作中對(duì)這約17m高的黃土古土壤剖面進(jìn)行了系統(tǒng)的磁化率采樣(圖3c)。該剖面磁化率曲線與臨汾盆地柴莊剖面中的L1～S5層段的磁化率曲線是近似的;特別是第五條古土壤,發(fā)育程度很深,色呈褐紅(剖面中沒(méi)見(jiàn)底),具有S5古土壤層的典型特征。根據(jù)區(qū)域地層對(duì)比及古土壤層的特征判別,該剖面上出露著的是S5及其以來(lái)的黃土古土壤層。向溝谷下游追蹤該剖面中的L5、S4、L4、S3、L3、S2、L2、S1等黃土古土壤層,我們發(fā)現(xiàn)S5與湖相層剖面(圖3a)中的第11層古土壤、S,與第2層古土壤是連續(xù)的;而L5、L4、L3、L2分別與第9、7、5、3含碳酸鈣結(jié)晶體的湖相沉積層漸變過(guò)渡;S4、S3、S2分別與第8、6、4質(zhì)地均一的湖相沉積層漸變過(guò)渡。特別是與第9、5、3層呈漸變過(guò)渡的L5、L3、L2黃土層,根據(jù)劉東生對(duì)洛川剖面研究出的各黃土古土壤層的發(fā)育初始年齡,這幾個(gè)黃土層開(kāi)始堆積的年代分別為45萬(wàn)年,這與鈾系法測(cè)出的第9、5、3層中的碳酸鈣年齡是相接近的(其中第9層中的樣品年齡與L5起始年齡相差較大,可能與樣品中含老的黃土成分較多及鈾系測(cè)年法對(duì)較老樣品的測(cè)年誤差大有關(guān)),這也從另一個(gè)側(cè)面反映了洪山湖相層剖面中含碳酸鈣結(jié)晶體的湖相沉積層是在黃土堆積期形成的。上述現(xiàn)象說(shuō)明洪山湖積層剖面的位置在S5古土壤發(fā)育晚期至S1古土壤發(fā)育早期這個(gè)時(shí)間段內(nèi)是處在太原古湖盆的邊緣地帶,處在氣下環(huán)境與水下環(huán)境的過(guò)渡區(qū)域。剖面以西是湖盆范圍,一直接受著湖相層的堆積;以東已是湖岸范圍,沒(méi)有受到湖水的侵?jǐn)_。3.2古土壤氣候突變的影響洪山剖面中的湖相沉積層是形成于自S5古土壤發(fā)育晚期至S1古土壤開(kāi)始發(fā)育這一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的太原古湖盆的邊緣地帶,因此,沉積環(huán)境的變化體現(xiàn)著氣候和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的變化。從湖相層物質(zhì)成分上的變化分析,在這個(gè)沉積時(shí)段內(nèi),湖面高度或湖岸線的位置是在不斷變動(dòng)的,且湖面振蕩波動(dòng)引起沉積物成分的變化與氣候變化引起的氣下黃土古土壤堆積的變化是同步的;另外根據(jù)上文的分析,這個(gè)時(shí)段內(nèi)區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也相對(duì)比較穩(wěn)定。因此可以推斷,導(dǎo)致湖面上下波動(dòng)的原因不是構(gòu)造運(yùn)動(dòng),而主要是氣候的干濕變化。在古土壤發(fā)育時(shí)期,濕潤(rùn)多雨的氣候致使湖面升高、岸線擴(kuò)張。這時(shí)洪山湖積層剖面位置被湖水淹沒(méi)處于水下環(huán)境,接受的是完全的湖相粉砂粘土層沉積;由于與古土壤發(fā)育同期,所以沉積層在平面相變上就與其下發(fā)育的S4、S3、S2古土壤層呈漸變過(guò)渡。當(dāng)氣候轉(zhuǎn)為干冷時(shí),是我國(guó)北方黃土強(qiáng)烈堆積階段,這時(shí)的降水稀少,入湖水量小,而蒸發(fā)卻特別強(qiáng)烈,因此古湖面收縮、湖岸線后退。這個(gè)氣候時(shí)段中,洪山湖積層剖面位于岸線以上或岸線附近,由于強(qiáng)烈蒸發(fā),下部湖相沉積物內(nèi)部的一些水分就會(huì)通過(guò)毛管作用方式向地表移動(dòng),其所溶解的碳酸鹽類也因水分的不斷蒸發(fā)而濃縮結(jié)晶,結(jié)果在地表或近地表形成一些碳酸鈣結(jié)晶