蘭州及鄰區(qū)黃河及其次級(jí)河流階地變形特征與構(gòu)造抬高

蘭州及鄰區(qū)黃河及其次級(jí)河流階地變形特征與構(gòu)造抬高

0蘭州地區(qū)階地構(gòu)造變形特征河流地帶是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化的產(chǎn)物。在蘭州及其周邊地區(qū)，黃河及其支流形成了典型完整的河流地帶。長(zhǎng)期以來(lái)，巨大的黃土層受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，取得了許多研究成果。特別是，以蘭州為代表的黃河-黃河流域斷裂年代學(xué)方法的應(yīng)用，建立了適合區(qū)域的年度方序列，為進(jìn)一步探討高原的結(jié)構(gòu)變形奠定了良好的基礎(chǔ)。另一方面，蘭州及其周邊地區(qū)位于青藏高原東北部，是高原高度上升和變形的地區(qū)之一?；顒?dòng)結(jié)構(gòu)非常發(fā)達(dá)。許多區(qū)域的破壞程度超過(guò)了不同級(jí)別的河流走廊，導(dǎo)致河流的明顯變形。本文在前人基本理論工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)蘭州黃河及其支流水系的階地發(fā)育及變形特征進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量分析，重點(diǎn)研究了四個(gè)亞組區(qū)剖面的變形特征。從第四紀(jì)開始，它討論了蘭州新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征和建構(gòu)運(yùn)動(dòng)活力的特點(diǎn)。1不同地區(qū)階地分布現(xiàn)狀流經(jīng)蘭州地區(qū)的主要河流為黃河及其支流水系,如湟水、洮河、莊浪河、大夏河等.黃河由西向東橫穿蘭州盆地和隴西盆地,各支流水系一般發(fā)源于盆地邊緣山區(qū),呈向心狀匯入黃河干流.黃河南岸有由南向北匯入的大夏河,洮河及祖歷河;北岸有由北向南匯入的湟水、大通河和莊浪河等(圖1).由于構(gòu)造抬升和氣候變化,沿各水系兩岸形成了廣泛發(fā)育的各級(jí)河流階地.黃河階地在蘭州地區(qū)共發(fā)育了7級(jí)階地,各級(jí)階地在黃河兩岸分布差異較大,北岸發(fā)育完整但分布局限,T4以上階地受后期流水沖刷形成丘陵?duì)畹孛?南岸主要發(fā)育T1~T4級(jí)階地,而尤以T3級(jí)階地發(fā)育最為廣泛.湟水是黃河主要支流之一,也有人認(rèn)為是黃河古河道,發(fā)源于大通山南麓.在峽谷地區(qū)階地發(fā)育較弱;盆地內(nèi)一般發(fā)育5~7級(jí)階地,其中西寧盆地內(nèi)多達(dá)12級(jí);民和至入黃河口段共發(fā)育5級(jí)階地.除T1外均為基座階地,基座上覆2~5m厚沖積礫石層,頂部覆蓋厚層黃土.T2形成時(shí)代為31.38ka,其余各級(jí)階地可與蘭州階地形成時(shí)代相比.大通河屬于二級(jí)支流,發(fā)源于祁連山.發(fā)育4~6級(jí)基座階地,基座上覆5~25m沖積礫石層,頂部一般覆蓋15~100m風(fēng)成黃土.根據(jù)T1~T3階地發(fā)育和頂部古土壤層特征與蘭州黃河階地類似.大夏河發(fā)育7級(jí)階地,以基座階地為主.T1~T4階地面寬闊平坦而連續(xù),T5~T7零星分布,其規(guī)模和特征與黃河階地最為相似.T3階地形成時(shí)代為140ka,最高級(jí)階地大體在160ka開始下切.洮河河谷寬闊,沿岸發(fā)育4級(jí)階地,T1為堆積階地,T2~T4為基座階地,上覆3~10m沖積礫石層,頂部為黃土覆蓋.1.1不同類型階地的變形類型黃河一般發(fā)育5~7級(jí)階地,以基座階地為主,在蘭州盆地發(fā)育最為標(biāo)準(zhǔn),分布最廣泛.基座最大拔河高度330m,為第三系紅色砂礫巖、砂巖和白堊系砂泥巖,上覆3~5m沖積礫巖,頂部為厚度不等的風(fēng)成黃土,階地越老黃土越厚.T1~T3連續(xù)完整,T4~T7受后期流水沖刷切割成為梁卯狀.根據(jù)14C、熱釋光和古地磁等方法確定的各級(jí)階地形成時(shí)代分別為10ka,60ka,140ka,560ka,1200ka,1500ka和1600ka.蘭州盆地最常見的階地變形有兩種類型,即穿過(guò)構(gòu)造抬升區(qū)引起的拱曲和橫切活動(dòng)斷裂引起的斷錯(cuò).塊體內(nèi)部階地變形的主要形式就是撓曲,它與階地基座巖性關(guān)系很大.在NE向區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下,基座為晚中生代和新生代砂巖、砂礫巖及礫石層的河流階地最容易產(chǎn)生撓曲變形.在近東西向的狹長(zhǎng)河谷盆地內(nèi)表現(xiàn)出不同的變形特征:在七里河凹陷區(qū)以西,階地抬升量較小,其中T3級(jí)階地最為典型,在隆起的核心部位T3級(jí)階地出現(xiàn)分岔,形成一個(gè)次級(jí)分支階地,兩個(gè)分支階地的抬升幅度分別為40m和50m;在九州臺(tái)隆起區(qū)受NNE向皋蘭山-白塔山隆起影響,T2~T6同步拱曲,抬升幅度分別為10m、30m、55m、80m,說(shuō)明1500ka以來(lái)階地變形在持續(xù)不斷的進(jìn)行著(圖2).1.2盤峽黃河階地變形特征黃河劉家峽段共發(fā)育5級(jí)階地,除T1外均為基座階地,基座最大拔河高度約240m.各級(jí)階地的結(jié)構(gòu)與蘭州盆地相似,形成時(shí)代大體相當(dāng).其中T3階地是本區(qū)發(fā)育最完善,分布最廣泛的一級(jí)階地,形成了十分平整的一系列臺(tái)地,均為基座階地,拔河70~90m.該級(jí)階地的基座在達(dá)川盆地以北發(fā)生了明顯的褶皺變形,形成許多對(duì)稱向斜和背斜.八盤峽黃河階地變形主要表現(xiàn)為NNE向的拱曲(圖3).在八盤峽和馬泉村之間兩岸階地均發(fā)生向上的拱曲變形,抬升幅度為20~30m,八盤村至馬泉村T3級(jí)階地礫石層相對(duì)河床抬升了70~80m,而八盤村至馬家灣T3級(jí)階地抬升了100m.根據(jù)八盤峽T3級(jí)階地的白堊紀(jì)砂泥巖基座強(qiáng)烈褶皺,我們推測(cè)這些階地的變形可能與下伏活動(dòng)斷裂或褶皺有關(guān).北西西向的興隆山—馬銜山斷裂向西延伸至八盤村以后,地表無(wú)任何活動(dòng)形跡,僅在八盤村以東表現(xiàn)出明顯的地貌線性分布特點(diǎn)及大量的黃土滑坡,因此可以認(rèn)為該斷裂西端即為八盤村.過(guò)黃河以西,轉(zhuǎn)化為以活動(dòng)褶皺為主,形成擠壓隆起山脈.該處恰好是NNW向莊浪河斷褶隆起帶南端,斷裂的最新活動(dòng)在地表淺層呈現(xiàn)為褶皺隆起,發(fā)育其上的T2、T3階地也同步彎曲,至少說(shuō)明T2形成以來(lái)的5萬(wàn)年該斷裂仍在活動(dòng).1.3米家山階地的形成時(shí)代米家山剖面位于海原活動(dòng)斷裂帶西段,黃河由南向北流經(jīng)此地.這里的階地反映了海原斷裂帶強(qiáng)烈活動(dòng)的歷史.西岸為米家山隆升區(qū),發(fā)育了21級(jí)河流階地,以基座和剝蝕階地為主,最大拔河高度可達(dá)400m左右.階地面狹窄,大多數(shù)階地表面遭受剝蝕,僅殘留有1~3m厚的沖積礫石層,局部有黃土覆蓋.東岸為哈思山隆升區(qū),在以南的老龍灣盆地至少發(fā)育了6級(jí)黃河階地,主要是基座階地,各級(jí)階地面寬闊,階地二元結(jié)構(gòu)清晰,礫石層厚度2~10m.用構(gòu)造-氣候旋回年代學(xué)方法確定的米家山第21級(jí)階地形成年齡為1.561MaB.P.;用礫石鈣膜厚度累積速率法確定的最高級(jí)階地形成年齡為1.57MaB.P..與周圍其它階地相比,米家山階地明顯抬升隆起,隆升期次和幅度為整個(gè)地區(qū)之最.這種強(qiáng)烈而快速的隆升過(guò)程除了與氣候變化有關(guān)外,很大程度上是區(qū)域構(gòu)造抬升和海原活動(dòng)斷裂作用的結(jié)果.1.4莊浪河谷階地莊浪河發(fā)源于祁連山冷龍嶺地區(qū),呈NNW向延伸,河谷最大寬度15km,沿岸共發(fā)育4級(jí)階地.張家磨以北為沉降區(qū),T1、T2為堆積階地,階地面寬闊;以南為隆起區(qū),T1~T4均為基座階地,河谷狹窄.基座為第三系紅色砂礫巖、砂巖和白堊系砂泥巖,上覆2~3m沖積礫巖,頂部為風(fēng)成黃土.各級(jí)階地形成時(shí)代與蘭州黃河階地相當(dāng).發(fā)育于河谷西側(cè)NNW向的莊浪河斷裂是祁連山山體與天祝盆地及莊浪河谷地的邊界斷層,控制了兩側(cè)的構(gòu)造環(huán)境,西側(cè)是3000m以上的中高山區(qū),東側(cè)是2000m以下的低山丘陵和沖洪積平原區(qū),顯示了強(qiáng)烈的垂直差異運(yùn)動(dòng).莊浪河斷裂的NWW向次級(jí)斷裂在張家磨以南切過(guò)莊浪河,引起了階地的變形.從階地縱剖面中的T2、T3階地分布特點(diǎn)可看出,張家磨以南階地明顯隆起,階地面抬升幅度為30m左右.從局部實(shí)測(cè)基座礫石層高度來(lái)看,野狐城至五里墩段基座發(fā)生明顯的拱曲變形(圖4),T2和T3的基座隆起幅度達(dá)到22m和26m,是NWW向次級(jí)斷裂擠壓逆沖活動(dòng)的最直接證據(jù),反映了該次級(jí)斷裂在晚更新世仍然在活動(dòng).2河流階地分布特征蘭州地區(qū)位于青藏高原東北緣隴西盆地西緣,其形成和構(gòu)造演化與青藏高原的階段性隆起息息相關(guān).青藏高原隆起的時(shí)間、幅度和形式問(wèn)題由來(lái)已久,至今未達(dá)共識(shí).根據(jù)青藏高原-戈壁沙漠-黃土高原的相關(guān)耦合關(guān)系和中國(guó)黃土沉積研究,青藏高原在2.6Ma達(dá)到臨界高度2000m,第三紀(jì)末至第四紀(jì)初發(fā)生了非常強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),自此以后大體經(jīng)歷了3個(gè)大的演化階段,即3.6~1.7Ma的青藏運(yùn)動(dòng)(包含了3.6Ma、2.5Ma、1.7Ma三個(gè)階段),1.1~0.6Ma的昆黃運(yùn)動(dòng)(包含了1.1Ma、0.8Ma、0.6Ma三個(gè)階段)和0.15Ma以來(lái)的共和運(yùn)動(dòng).3.6Ma的青藏運(yùn)動(dòng)在高原內(nèi)外形成若干新的湖盆;2.6Ma使高原達(dá)到了2000m的臨界高度,堆積了大面積的黃土;1.7Ma使黃河長(zhǎng)江貫通.昆黃運(yùn)動(dòng)使高原達(dá)到平均3000m的高度,1.2Ma之前本區(qū)主要水系黃河發(fā)源于祁連山,湟水和大通河即為上游,1.2Ma的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使黃河切開積石峽流入蘭州盆地.自上新世以來(lái)在青藏高原整體隆起和局部快速抬升相結(jié)合的機(jī)制下,發(fā)生了多階段、非均勻和不等速抬升運(yùn)動(dòng).蘭州地區(qū)由于所處的構(gòu)造位置具有獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)環(huán)境和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征,可作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的構(gòu)造單元,計(jì)算1600ka以來(lái)不同時(shí)期河流階地抬升幅度和下切速率.階地的形成除與構(gòu)造抬升有關(guān)外還受氣候變化等因素影響,但在氣候大體相同的地區(qū)不同時(shí)期河流下切速率的差異可能就是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果.階地的構(gòu)造抬升和下切具有同步,等速率的分布特點(diǎn).黃河及其支流最早下切均始于1600ka,期間經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段;大約在150ka左右發(fā)生同步下切,形成本區(qū)廣泛發(fā)育的第三級(jí)階地,這一時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定,氣候變化不大.蘭州地區(qū)劉家峽至黑山峽段不同時(shí)期抬升幅度相差很大.0~5ka抬升幅度不超過(guò)5m,10~150ka抬升幅度為20m,150~220ka抬升幅度為40m,220~700ka抬升幅度為200m,700~1100ka抬升幅度為150m(圖5).這種大規(guī)模的構(gòu)造抬升與黃河上游公伯峽附近拉脊山隆起一樣是區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的綜合體現(xiàn),與青藏高原的抬升隆起息息相關(guān).橫穿構(gòu)造線、構(gòu)造體的河流階地發(fā)育程度、抬升幅度和縱向微位相形態(tài)與變形等反映了階地發(fā)育地區(qū)不同時(shí)期以來(lái)的地殼垂直運(yùn)動(dòng)幅度和速率、構(gòu)造變形的強(qiáng)度和方式以及斷裂作用的性質(zhì).蘭州地區(qū)河流階地的發(fā)育及變形特征表明,在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下,由于NWW向海原斷裂和NW向興隆山-馬銜山斷裂的擠壓逆沖活動(dòng),斷裂兩側(cè)階地抬升幅度急劇變化并在逆沖上升盤產(chǎn)生了不對(duì)稱的斷裂擴(kuò)展褶皺作用,各級(jí)階地不同程度地發(fā)生與背斜形態(tài)相似的穹狀彎曲變形,變形程度與年代成正比.黃河和次級(jí)支流的下切速率隨時(shí)間推移有逐漸增加的趨勢(shì),T1~T3形成的150ka以來(lái)的構(gòu)造抬升速率最大,達(dá)到0.5~1.25mm/a;其次為T6~T7形成以來(lái)的1600ka,下切速率達(dá)到1.0mm/a(表1).3興隆山—結(jié)論蘭州及鄰近地區(qū)河流階地和變形研究結(jié)果表明:(1)河流階地變形特征直觀的反映了活動(dòng)構(gòu)造不同時(shí)期的活動(dòng)性狀,可以作為確定構(gòu)造活動(dòng)時(shí)期的相對(duì)可靠的證據(jù).(2)各支流水系的發(fā)育受黃河干流控制,一般發(fā)育4~7級(jí)階地,它們對(duì)第四紀(jì)以來(lái)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)十分顯著,興隆山—馬銜山斷裂西端八盤峽附近黃河Ⅲ級(jí)階地發(fā)生明顯的隆起變形,至少說(shuō)明15萬(wàn)年以來(lái)該斷裂發(fā)生過(guò)擠壓逆沖活動(dòng);黃河米家山階地抬升幅度和期次最大;莊浪河階地在張家磨-野狐城發(fā)生同步拱曲變形,反映了北西西向斷裂的活動(dòng).(3)蘭州地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)經(jīng)歷了多次階