金沙江石鼓—虎跳峡河段演化史及形成环境研究

蔡耀军,王军怀,朱云发,李 书

(1.长江勘测规划设计研究有限公司,湖北武汉 430010;2.水利部长江勘测技术研究所,湖北武汉 430011)

金沙江石鼓—虎跳峡河段演化史及形成环境研究

蔡耀军1,2,王军怀2,朱云发2,李 书2

(1.长江勘测规划设计研究有限公司,湖北武汉 430010;2.水利部长江勘测技术研究所,湖北武汉 430011)

关于金沙江石鼓—虎跳峡河段演化史的学术争论已持续一个世纪。从阶地位相对比、河床覆盖层结构、古河道地质及地貌、区域构造环境等方面综合研究后,认为金沙江在第四纪之前是一条流向老君山湖的内陆河,现今的冲江河是古金沙江的一部分,鸿文—剑川谷地只是第四纪以来形成的构造谷。早第三纪末—晚第三纪,金沙江断裂活动导致老君山地区地壳抬升及岩浆侵入,老君山湖逐步消亡并形成现今的金沙江和澜沧江的分水岭,金沙江南流通道被堵塞,金沙江在石鼓盆地形成堰塞湖,迫使江水向东寻找出口。阶地研究表明,最晚在Q2中期金沙江虎跳峡段已完全贯通。Q2末—Q3初,金沙江石鼓一带,河床发生强烈下切,下切幅度达到100～150 m。进入Q3后,本地发生受北部德钦—中甸断裂、中甸—龙蟠断裂控制的断块下沉,形成100～250 m的巨厚堆积,直到1.5万年前,受喜马拉雅抬升影响,石鼓地区才重新转变为缓慢抬升区。

金沙江;石鼓;河道演化;形成环境

0 引言

金沙江石鼓—虎跳峡河段存在一系列奇特的地质和地理现象,由此引发了一系列的学术争论,如石鼓长江第一湾的形成条件、鸿文—剑川谷地是否为古金沙江向南流入印度洋的通道、金沙江虎跳峡河段何时切穿以及石鼓盆地河床深厚覆盖层是如何形成的。这些争论持续了将近一个世纪,至今尚无令人信服的结论。金沙江流域作为西电东送的重要能源基地,水利水电建设高潮的帷幕即将拉开,查清上述一系列悬而未决的问题不仅对指导金沙江水资源开发具有现实意义,而且这些问题的深入研究在西部构造复杂地区极具代表性,可以作为打开西部地区地质地理环境演变神秘之门的金钥匙。因此,从5个方面开展了较为系统的调查与分析:

(1)实地调查金沙江奔子栏—虎跳峡段河谷阶地的分布与位相,了解阶地的物质组成、形成时代与形成环境。

(2)寻找古金沙江曾经南流的证据,古河道位置,复原当时的水系。对鸿文村—白汉场—剑川带状谷地及冲江河进行实地调查,研究谷地的地貌与地质特征,分析谷地的成因。

(3)分析古金沙江向东改道进入太平洋的原因,寻找虎跳峡被切穿的年代依据。

(4)研究金沙江河谷深厚覆盖层结构,分析石鼓盆地河床深厚覆盖层的成因。

(5)分析金沙江改道与构造运动关系,研究长江第一湾的形成条件。

1 河谷阶地研究

自20世纪初,陆续有地质、地理、构造等专业的学者对金沙江上游进行过阶地的调查。通过对上游奔子栏到下游大具金沙江河谷阶地的系统研究,从高程上大致可以确定7级阶地[1],其中4级以上阶地一般为侵蚀阶地,完整性较差;1、2级阶地为Q3—Q4形成的新阶地,见表1。在上游奔子栏附近,共发现8级阶地,其中1、2级为堆积阶地,2级阶地最宽达400 m;4级基座阶地最宽达500 m。塔城附近可见到3级现代堆积阶地,其中2级阶地宽100～500 m。在塔城1 900～1 920 m(高出河面5～20 m)、石鼓1 895 m、龙蟠1 850 m等处分别发现了残留的古老河床冲积物,其相对高度在20～55 m,根据金沙江流域同类阶地测年资料,分析判断属于Q2的产物。其中卵石母岩主要由花岗岩组成,粒径5～15 cm,呈全风化状,手捏即碎,这一特征在金沙江流域可以作为标志层进行阶地的位相研究。如在塔城左岸,在现代崩坡积物下勘探揭露厚达10～20 m的埋藏阶地,宽度达100 m,其高程与现代河谷两岸的2级阶地相当。阶地下部为单一的花岗岩卵石,全风化状;上部为砂层,颗粒均匀。表明本河段经历了抬升—下沉—再抬升的地壳运动或侵蚀基准面下降—抬升—再下降的变化过程。

部分阶地的测年数据见表1。

从上下游阶地高程看,奔子栏以上、龙蟠以下的河谷阶地与奔子栏—龙蟠河段的阶地相差悬殊,反映它们应属于不同的构造单元。在奔子栏—龙蟠河段内部,1～3级阶地具有一定的可比性,但高阶地可比性较差,反映在较早的某个时期上下游环境存在较大不同。

分布在塔城、石鼓、龙蟠的全风化花岗岩卵石对揭示金沙江河道演化具有重要的标志意义。关于古金沙江历史上曾向南流入南大洋(印度洋)的假设,均认为南流的转折点在石鼓或鸿文[1-3]。龙蟠位于鸿文下游约10 km,说明至少在形成全风化花岗岩卵石堆积时(Q2),金沙江向东的通道已经打通。

表1 金沙江日冕—大具河段河流阶地拔河高度及测年资料Table 1 Terraces data in the Rimian-Daju section

2 区域地质与构造运动特征

图1 金沙江石鼓段水系及构造格局示意图Fig.1 Water system in Shigu section and geotectonic scheme

在金沙江上江—石鼓南岸老君山—剑川一带分布有长条状的总厚度超过千米的下第三系砂岩、砾岩等,其东侧范围达到目前活动性较强的龙蟠—乔后断裂(F16),在石鼓下游鸿文村附近以及F16南延方向也有零星分布,说明在早第三纪时,在现金沙江南岸分布有一个受金沙江断裂(F1)控制的NW—SE向的构造湖盆(老君山湖),在湖盆持续下沉过程中堆积了巨厚的砂和砂砾石,并可能成为当时周边河流的侵蚀基准,见图1。石鼓西南侧冲江河目前是一条总长约40 km,但宽度达到300～500 m的金沙江一级支流,近河口附近勘探显示河床覆盖层厚度超过100 m,且物质组成和结构与金沙江相似,表明它是一条古老,与金沙江具有相同沉积环境的河流。有学者认为古金沙江曾从鸿文村沿剑川谷地南流进入印度洋,经过实地考察,剑川谷地目前为一个藕节状的构造谷地,低矮山包与宽缓盆地相间分布,没有发现与古金沙江规模相当的河流活动痕迹及地貌形态。位于鸿文和剑川之间的白汉场目前地面高程2 390 m,是剑川谷地的南北分水岭。该分水岭由泥盆系灰岩构成,且偏离老君山脉轴线十余公里,表明该分水岭主要系岩性控制,而非晚第三纪地壳隆起形成。根据区域构造研究成果,第四纪以来F16活动强烈,以拉张—左旋为其特征,剑川谷地多个宽缓小盆地当属于其拉张—左旋的产物——拉张盆地,目前的线状谷地应是构造作用的产物。冲江河宽阔的河谷、深厚的河床覆盖层与河流规模及目前的流量极不相称,推测在金沙江向东贯通之前,曾一度沿冲江河注入老君山湖,即冲江河是古金沙江的一部分,当时的金沙江属于内陆河。

在早第三纪末—晚第三纪,金沙江断裂(F1)强烈活动导致老君山断陷湖盆抬升,并在早第三系地层中形成多次酸性、中性、碱性斑岩侵入,在断裂西侧形成大范围花岗岩侵入,湖泊范围快速萎缩,至晚第三纪,仅在剑川F16断裂带两侧狭窄范围尚继续接受堆积。晚第三纪的构造运动和岩浆活动导致金沙江南部地区快速上升,古金沙江南部通道被堵。目前老君山地面最大高程4 414 m,为金沙江和澜沧江的分水岭,根据鸿文附近分布的早第三系高程推算,本次地壳抬升幅度达到2 500 m。

实地调查在鸿文村下游的龙蟠附近(兴园)发现了与塔城、石鼓等地同时代的全风化花岗岩卵石标志层,同时在石鼓—龙蟠金沙江岸坡发现较多的水成黄土状土,表明晚第三纪发生的南部地壳抬升,迫使金沙江在上江—石鼓—龙蟠一带形成堰塞湖,在新通道形成之前的相当长一段时间内,湖水呈漫流状态,可能的主要出口是向东通过虎跳峡,其次向南通过F16剑川谷地。全风化卵石层的出现则表明最迟在Q2,金沙江改道东流的格局已经形成,因此金沙江贯通东流的形成时期应在Q1-Q2早期。

3 Q2以来的河谷演化

在形成了以全风化花岗岩卵石层为标志的阶地后,金沙江其宗—虎跳峡河段进入一个快速下切阶段,从塔城、上江、龙蟠等地河床基岩面高程及Q2阶地以下河岸形态分析,河流连续下切幅度达到100～150 m。其原因可能有两种:一是构造抬升作用,即自晚第三纪开始的南部地壳抬升范围向北扩展至金沙江一带。区域构造研究表明,在Q2晚期到Q3早期,滇西北地区曾发生一次明显的地壳抬升;二是金沙江虎跳峡河段快速下切导致石鼓河段侵蚀基准下降,虎跳峡河段一级阶地高出目前河水位100 m,二级阶地高出河水位200 m,可能是当时快速下切的结果。伴随河床强烈下切,石鼓盆地金沙江两岸形成了一系列密集的滑坡,如上江右岸的海排滑坡,其前缘低于目前河水面约100 m,并被Q3河床堆积物覆盖。上江下游的古倾倒变形体,前缘低于现代河水位约150 m[4]。

Q3初期开始,石鼓盆地转为下沉堆积状态。根据目前掌握的资料,奔子栏上游约60 km的斯木达河床覆盖层厚度约30 m,其宗上坝址河床覆盖层厚度75～85 m,其宗下坝址河床覆盖层厚度100～110 m,塔城河床覆盖层厚度100 m,上江河床覆盖层厚度200 m,红石崖(礼都)河床覆盖层厚度>250 m,石鼓河床覆盖层厚度172 m,龙蟠附近河床覆盖层厚度100 m左右,虎跳峡一带河床覆盖层厚度40～50 m,显示金沙江在其宗—龙蟠河段形成一个巨大的沉积凹槽。该堆积物总体上可分为三层:底部为砂砾层,夹少量卵石,厚度30～150 m不等,在近岸地带混杂有崩坡积物;中部分布一层厚度8～20 m的深灰色粘土,局部夹壤土或粉细砂,有机质较重,局部含较多的木屑或树枝;上部为砂卵石层,厚度20～50 m。本次地壳下沉在石鼓盆地金沙江支流也有一定反映,主要表现在两方面:一是支流普遍具有宽浅特征,二是支流沟口普遍有数米至20余米的粘性土堆积。从金沙江河床覆盖层厚度增大的范围看,本次地壳下沉的北边界显然受德钦—中甸断裂(F2)、中甸—龙蟠断裂(F3)的控制,且在Q3早期本地相对差异沉降幅度较大,沉降中心位于巨甸—红石崖,最大沉降幅度超过250 m。中部层位测年显示其形成时代为5万～8万年,目前高出河水位约20 m左右的二级阶地测年显示为2.6万年,表明进入Q3后,石鼓盆地发生长时期的、受断块差异运动控制的地壳下沉,直至1.5万～2万年前,受青藏高原抬升影响,本地区才逐步转为缓慢抬升。从沉积物特征分析,本次地壳下沉速率经历了较快—快—较慢的变化过程。

从河谷基岩形态看,Q2时期的河床快速下切后,迅速转为Q3时期的下沉,之间没有明显的停顿。因此,推算河床下切主要发生在Q2晚期,虎跳峡完全贯通可能发生在Q2中期。

4 金沙江石鼓段演化史

(1)早第三纪时期:在现金沙江南部受金沙江断裂控制,形成NW-SE展布的“老君山断陷湖”,成为周边河流,包括石鼓以上古金沙江的排泄基准;石鼓南岸金沙江支流—冲江河是当时古金沙江的一部分,是古金沙江向南注入老君山湖盆的通道。F16断裂当时已经存在,但并没有成为当时古金沙江入老君山湖的通道。发源于中甸的小中甸河当时向南流至石鼓后与古金沙江汇合,一起注入老君山湖盆。因此石鼓长江第一湾上游部分是古金沙江,下游部分则是源自古小中甸河的改向河。

(2)早第三纪末期—晚第三纪,老君山湖地区快速抬升,老君山湖消亡,古金沙江向南出路被壅塞,迫使金沙江向东寻找新的出路。在石鼓—龙蟠金沙江两岸分布的黄土状土堆积,石鼓盆地内被后期崩坡积物掩埋的宽达100～200 m的阶地,以及金沙江石鼓段宽阔的河谷可能与当时湖盆环境有关。从掩埋阶地的分布范围分析,当时堰塞湖回水范围可能在其宗上游不远处。

(3)在经历了一个较长时期的侵蚀后,金沙江虎跳峡通道最迟在Q2中期已完全形成。

(4)在金沙江虎跳峡段贯通直至Q2末-Q3早期,其宗—龙蟠河段持续下切100～150 m,引发石鼓盆地金沙江两岸大量崩塌滑坡。

(5)Q3早期(约10万年前),受北侧德钦—中甸断裂、中甸—龙蟠断裂控制的断块差异运动导致石鼓盆地下沉,下沉经历了较快→快→较慢,这样一个变化过程,与此对应分别形成了砂砾石层、粘土层、砂卵石层三套岩组。其中,Q3早期在巨甸—红石崖段下沉量最大,形成厚度超过250 m的巨厚层冲湖积相堆积物。

(6)在Q3末,随着青藏高原隆起,本区结束自Q3早期开始的持续下沉,进入缓慢抬升剥蚀阶段,石鼓盆地两岸普遍形成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地。

5 结语

金沙江石鼓段河谷演化受控于金沙江断裂、德钦—中甸断裂及中甸—龙蟠断裂的活动。金沙江在向东贯通之前为一条流向老君山湖的内陆河,金沙江断裂活动导致的老君山地区隆起是诱发金沙江改道的直接原因。晚第三纪—早更新世,金沙江石鼓段形成堰塞湖。Q2中期,虎跳峡被切穿,金沙江东流通道完全形成。Q2中后期,石鼓段河床快速下切100～150 m。Q3早期开始石鼓段转入持续下沉和堆积时期,最大堆积厚度超过250 m,石鼓盆地形态在本阶段初步形成。Q3末以来本地区处于缓慢抬升状态,断块差异运动不明显。长江第一湾则是古金沙江和古小中甸河改向的产物。

[1] 杨达源.长江地貌过程[M].北京:地质出版社,2006:15-50.

[2] 杨达源,徐李生.金沙江东流的研究[J].南京大学学报:自然科学版,2001,37(3):319-322.

[3] 许仲路,李行健,滇西北丽江鸿文村—剑川甸南纵谷成因与金沙江袭夺问题的探讨[J].地理学报,1982,37(3):325-333.

[4] 长江勘测规划设计研究院.金沙江塔城水电站工程地质勘察报告[R].武汉:长江勘测规划设计研究院,2009.

(责任编辑:李 雯)

Study on Revolution History and Formation Environment of the Shigu-Hutiaoxia Section of Jinsha River

CAI yaojun1,2,WANG Junhuai2,ZHU Yunfa2,LI Shu2
(1.Changjiang Survey Design Planning Research Co.L td.,Wuhan,Hubei430010;2.Changjiang Investigation Institute,Wuhan,Hubei430011)

The dispute about the evolution of the Shigu-Hutiaoxia section of Jinshajiang River lasts already one century.After researching some aspects of the terrace contrast,the structure of riverbed overburden,the geologic and topographic feature,and the regional tectonic environment reveals that before the Quaternary,the authors believe that,the upper section of Jinsha River at Shigu is a continent river toward to Laojunshan lake,the current Chongjiang River is a partof the ancient Jinsha River,and the Hongwen-Jianchuan valley is only a tectonic one for med since the Quaternary.During the end of the early Tertiary and late Tertiary,the south part of the river near theLaojunshan lake blocks up gradually because of the raise of the earth’s crust and themagma invasion,which forces the river to find a new exit towards to the east.At themiddleQ2period,the Hutiaoxia section of Jinsha River must have been in complete connection.At late Q2or early Q3period,the raise of the earth’s crust in the region induced an intensive riverbed cutting of 100 to 150 m.Since the Q3,the subside of the earth’s crust which controlled by the north Deqin-Zhongdian fault and the Zhongdian-Longpan fault had caused a huge accumulation of 100 to 250 m.At the Q3end,the region starts raise slowly influenced by the H imalaya movement.

Jinsha River;Shiju;evolution;formation environment

TV147

A

1671-1211(2010)03-0283-04

2010-02-03;改回日期:2010-05-17

蔡耀军(1963-),男,教授级高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事水利水电工程勘察与设计工作。E-mail:caiyaojun@cjwsjy.com.cn