渭河陇西段第七级阶地年代的确定及其构造意义①

刘小丰,刘洪春,高红山,潘保田,李保雄,范 兵

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000;2.兰州大学西部环境教育部重点实验室,甘肃兰州 73000)

渭河陇西段第七级阶地年代的确定及其构造意义①

刘小丰1,2,刘洪春1,高红山2,潘保田2,李保雄1,范 兵1

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000;2.兰州大学西部环境教育部重点实验室,甘肃兰州 73000)

昆黄运动是发生在中更新世时期青藏高原及其邻区一次重要的构造抬升事件,河流阶地及地层记录能够较好地反映这次构造事件。渭河陇西段第七级阶地沉积了 104.5 m厚的黄土,通过对其上覆黄土剖面的古地磁、粒度研究表明,此级阶地形成年代为距今 870 ka,阶地拔河高度说明自中更新世以来地面至少抬升了 205 m,其抬升速率约为 0.2 m/ka。这次构造事件在时间上与昆黄运动相一致,是对青藏高原强烈抬升的响应。

渭河;阶地;昆黄运动;陇西;年代测定

Abstract:Various evidences of terrace and stratigraphy show thatQinghai-Tibet plateau and its adjacent region experienced an intensive tectonic uplift during the middle Pleistocene,namely the Kunlun-HuangheMovement.The deepth of 104.5 m loess had been deposited on the 7th terrace ofWeihe River in Longxi segment.Through the studing on dating approaches such as palaeomagnetic and grain size,the 7th terrace is estimated to form in about870 ka before.The height above the river indicates that the uplift amount is at least 205 m from Pleistocene to today,and the move rate is about 0.2 m/ka.The time of this uplift eventwas same with Kunlun-Huanghe Movement,and was a response to intensive uplift of Qinghai-Tibet plateau.

Key words:W eihe River;Terrace;Kunlun-HuangheM ovement;Longxi;Dating

0 引言

中国西部的新生代构造运动中最主要的是以青藏高原隆升变形为代表的喜马拉雅运动。多年来研究者除对青藏高原隆升的时间、幅度、形式等进行详细讨论外,还对青藏高原隆升到不同高度时的环境效应展开了大量研究[1-4]。其中中更新世是喜马拉雅运动的一个重要时段,这个时期的构造运动导致青藏高原强烈抬升达到了 3 000～3 500 m,高原进入了冰冻圈[5],并对周边环境产生了重大影响,导致全球气候的变化。深海氧同位素记录表明在 0.9 Ma左右同位素值忽然增加了 0.29‰;气候主导周期从 41 ka转为 100 ka;全球冰量增加了 15%;气候向干冷方向发展。这些事件被称为中更新世气候转型[6-8]。在我国,孢粉、风成砂及黄土等均记录了这次干旱化事件[9]。导致这次重大事件的直接原因可能就是 0.8Ma左右的青藏高原的强烈隆升,被称为“昆仑 -黄河运动”,简称昆黄运动。

层状地貌面 (夷平面,剥蚀面和河流阶地)能够很好地反映地面的构造抬升,被认为是构造抬升的直接证据[10-11]。河流阶地是在构造运动和气候变化共同作用下形成的。构造抬升为河流的下切提供了一个垂直空间[12],阶地面能够代表原始地形面的大体情况,较忠实的记录了地面抬升的历史。因此可以认为多级阶地的形成是第四纪构造运动的一种表现形式,阶地是研究区域构造环境的一种重要手段[13]。本文通过对西秦岭北麓陇西附近的渭河第七级阶地上覆黄土沉积特征及年代的研究,探讨中更新世时此区域的构造运动特征。

1 研究区概述及剖面描述

研究区所在的陇中盆地属于青藏高原的前陆盆地,在大地构造上位于祁连山褶皱系和秦岭褶皱系中。中生代以来印度板块强烈向北俯冲欧亚板块,致使青藏高原隆升变形,导致高原内部及周边地区形成大量的挤压逆冲及走滑断层和新生代盆地,形成盆山相间的地貌格局,吸收了碰撞的能量[14-15]。第三纪初喜马拉雅运动开始后,受一系列 NWW和NNW向大型活动断裂的控制和影响,周围山地强烈抬升,中强地震频繁发生[16-17],区域构造应力场主应力方向总体位于 NE到近 EW向[18],与此同时陇中盆地大面积沉降,并开始接受来自周边山地的物质堆积,沉积了巨厚的湖相沉积和第三系红层[19]。

渭河发源于甘肃省渭源的鸟鼠山,属于黄河的一级支流,全长约 455 km,流至潼关进入黄河。渭河谷地从上游到下游由一系列的山间盆地串联而成。在陇西盆地渭河共发育了 7级阶地,T1,T3,T4,T5,T6,T7阶地在渭河的南岸保存较好,而 T2阶地则保存于河流的北岸 (图 1)。T1为堆积阶地;T2～T7阶地为基座阶地,具有典型的二元相结构,河漫滩上堆积了不同厚度的黄土。

图 1 渭河陇西段阶地分布及剖面位置图Fig.1 Map of the terraces ofWeihe river in Longxi basin and the profile location.

研究剖面位于梁家坪村附近,为渭河的第七级阶地 (图 1)。本阶地为基座阶地,以第三系红层为基座,红层顶海拔 1 977 m,高出现代河床 205 m。河床相砾石层厚约 5 m,最大砾径达 40 cm,砾石以青灰色粉砂岩和红色砂岩为主,含一定量的砾岩及石英岩;砾石层顶部为一层 20 cm的红色粗沙层;向上为 3 m的具有水平层理的河漫滩相物质;上覆风成黄土厚度为 104.5 m。黄土剖面描述如下 (自下而上):

0～3 m:河漫滩水成黄土,极坚硬。内夹大量的CaCO3结核,呈卵状。具水平层理。

3～5 m:棕红色古土壤,较坚硬,含 CaCO3斑点。古土壤内含有青灰色物质及锈色斑迹。

5～7.5 m:粉沙质黄土。

7.5～10 m:棕红色古土壤,含 CaCO3结核。

10～13 m:粉沙质黄土与粘土的混杂堆积,内含少量 CaCO3斑点。

13～18 m:含两层古土壤,中间被 1 m黄土分开。古土壤发育程度较高,呈红棕色,含大量的 Ca-CO3斑点。其中下层古土壤含有 CaCO3结核,呈块状分布。

18～31 m:粉沙质黄土,质地均一。

31～39 m:发育程度较高的古土壤,含有少量的CaCO3斑点,棕红色。明显由三层古土壤组成。

39～44.5 m:黄土 ,较紧实。

44.5～48 m:棕红色古土壤,孔隙度大,含有虫孔及少量草根。

48～51 m:黄土,颗粒相对较细。

51～53 m:红色古土壤,含有少量的 CaCO3结核,土质较坚硬。

53～55.5 m:粉沙质黄土。

55.5～60.5 m:红色古土壤,中间加一层厚约 1 m的黄土。

60.5～65 m:粉沙质黄土。

65～80 m:三层古土壤复合而成,红棕色,具有团粒状结构,含有 CaCO3结核。

80～84.5 m:粉沙质黄土,疏松。

84.5～96 m:由三层发育程度较弱的古土壤组成,孔隙度较大,颜色较深,含少量 CaCO3结核。

96～104.5 m:粉沙质黄土,其中在黄土顶部为30 cm的现代耕作土。

2 样品的采集和测试

粒度样品是指对黄土散样的采集。黄土粒度组成中不同粒级组分的古气候意义不同,并且各粒级组分界线随着研究区域的不同而发生变化,但总体上能够进行区域上的对比。研究表明粗颗粒部分(>19μm,>30μm,>40μm)通常被用来反映冬季风的变化,细颗粒含量可以作为夏季风良好替代指标[20-21]。由于侧重点不同,本文并没有对沉积环境进行详细的分析,粒度测量主要为作者划分黄土地层提供参考。

为了保证粒度数据能够很好的反映地层特征,本文对渭河第七级阶地上覆黄土按照 10 cm的间隔进行高密度采样,共取得 1 045个粒度样品。粒度测量采用英国 Malven公司产的 Mastersizer2000型激光粒度仪 (测量范围为 0.02～2 000μm)进行测量。样品的处理与测量步骤:(1)将样品称重 0.2～0.3 g左右放入烧杯内;(2)加入 10 ml浓度为10%的双氧(H2O2)水后加热煮沸至没有或有微小气泡为止,目的是去除黄土样品中的有机质;(3)向烧杯中加入约 10 ml浓度为 2:1的盐酸溶液直到没有气泡为止,目的是去除样品中的碳酸盐;(4)用蒸馏水注满后静置 12小时以上,目的是使黄土颗粒沉淀到杯底;(5)用吸管抽取蒸馏水,加入 10%六偏磷酸纳溶液 10 ml,将烧杯放入超声波中进行震荡,使样品充分均匀。前处理结束,用仪器进行测量。

古地磁样品采集时必须保证样品取自新鲜的、很少受风化的岩石或黄土块体。本文采用人工挖掘深槽,深度视剖面具体情况而定。野外古地磁样品的定位本文采用水平定向法:将采样点地层进行水平处理,然后用罗盘定出北方向。为了避免采集及室内处理的误差,采集的样品一般为 10 cm×10 cm×10 cm,室内加工成 3块 2 cm ×2 cm ×2 cm的立方体样品,此时样品即可进行古地磁测量。为了保证古地磁测定的结果尽量捕捉到小的地磁事件,按不同的间隔在剖面上采样。剖面下部 (0～16 m)按0.5 m的间隔,中部 (17～60 m)按 1 m的间隔,上部(61～104.5 m)按 2 m的间隔采样。共采的古地磁年代样品 97组 291个样品。每个古地磁样块被切割成 3个标准古地磁样品,在中科院地质与地球物理研究所古地磁实验室低温超导磁力仪上测定。热退磁按照 50℃的步长,退磁梯度范围为 0～550℃。大多数样品在 250～300℃左右剩磁矢量强度和角度发生了大的转变,说明粘滞剩磁被除去,到了 350℃以后剩磁强度稳定的指向原点,代表了原生剩磁的方向 (图 2)。

3 样品结果分析与阶地年代的确定

将测量结果与标准古地磁年表进行对比,可以发现距底部 5 m处属于正负极性转换的B/M界限,年代为距今 780 ka[22](图 3),结合粒度数据可知该位置在岩石地层上位于 L8,与黄土高原其它地区磁性地层学研究得到的 B/M界限位置一致[23]。在距底 1.5～3 m为正极性时,基于粒度指标可知在距底3～5 m之间只存在一个古土壤 S8,下部的河漫滩及砾石层应属于冰期的产物[24]。可以认为位于 L9中距底 1.5～3 m这个短暂的极性事件为后贾亚米洛事件[25],在六盘山以东也有记录,被称为蓝田事件[26]。因此 T7剖面底部年龄大约为 S8的年龄,S8的底部年龄约为 865 ka B.P.[20],第七级阶地的形成年代约为 870 ka B.P.。

图 2 部分代表性样品的热退磁曲线与逐步热退磁结果Fig.2 Progressive thermal demagnetization and orthogonal projecting plots of some samples.

图 3 渭河陇西段 T7上覆黄土磁性地层学Fig.3 Loess stratigraphy and palaeomagnetism of T7ofWeibe river in Longxi.

4 结论与讨论

渭河作为黄河最大的一条支流,其阶地和地貌演化过程自上个世纪中叶就受到了广泛的关注。陈云通过渭河宝鸡段调查发现此地区渭河共发育了 5级阶地,形成年代分别为 1.2 Ma B.P.、0.8 Ma B.P.、0.5 Ma B.P.、0.13 Ma B.P.和 0.09 Ma B.P.,阶地形成的主要驱动力为在构造运动[27]。关于渭河宝鸡段阶地的形成年代,也有不同的研究结果,最新的研究表明渭河在宝鸡发育的五级阶地分别形成于 2.6 Ma B.P.、1.2 Ma B.P.、0.9 Ma B.P.、0.65 Ma B.P.和 0.15 Ma B.P.,认为阶地的形成主要是新生代印度板快向欧亚板快俯冲的结果[28-29]。渭河在天水地区共发育了 7级阶地,形成年代分别为1.5 Ma B.P.、1.2Ma B.P.、0.87Ma B.P.、0.62Ma B.P.、0.4 Ma B.P.、0.13 Ma B.P.和 0.01 Ma B.P.[30]。可以看出,渭河在不同地段出现的时间有所差异,但都存在着 0.8 Ma B.P.时期形成的阶地,说明在 0.8 Ma B.P.左右整个渭河流域经历了一次强烈的抬升。这次构造运动不仅仅体现在渭河流域,地貌证据显示黄河在兰州、三门峡也普遍存在着 0.8Ma B.P.阶地,正是这次的构造抬升导致黄河切穿三门峡东流入海[31-33]。祁连山东段沙沟河阶地年代测定结果表明,其最高阶地形成于 0.83 Ma B.P.[34];对青藏高原内部湟水河阶地研究表明,第五级阶地形成于中更新世[35-36]。说明 0.80 Ma B.P.前后在青藏高原及其周缘地区普遍发生了一次强烈的构造抬升,此事件被称为“昆黄运动”。除了河流地貌学的证据外,还有其他证据的支持。如在河西走廊西端老君庙背斜开展的工作表明,祁连山地构造运动可以分为两幕,第二幕构造运动发生在 0.93～0.84 Ma B.P.,造成了走廊地区酒泉砾岩和玉门砾岩区域性不整合[37];在青藏高原内部的若尔盖盆地,湖泊演化历史也记录到了这次构造事件[38]。渭河 870 ka阶地正是对青藏高原“昆黄运动”的响应。

河流阶地是古地形面的残余,忠实地记录了地面抬升的历史,其下切速率能够大体反映地面的抬升速率。渭河陇西段第七级阶地高出现代河床 205 m,表明中更世以来的地面抬升速率约为 0.2 m/ka,但是其活动性明显低于秦岭内部地区 (乾佑河和岷江下切速率分别为 0.31 m/ka和 1.5 m/ka)。薛祥煦[39]通过对南洛河溶蚀洞穴的研究也得到了秦岭的抬升资料,并认为秦岭的抬升趋势与青藏高原相似。表明青藏高原隆起的整体性中存在不同地区的差异性。本文关于渭河阶地研究提供了“昆黄运动”在西秦岭北麓表现的新证据。

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Age of the 7th Terrace ofW eihe River in Longxi Segment and Its Tecton ic I mplication

L IU Xiao-feng1,2,L IU Hong-chun1,GAO Hong-shan2,PAN Bao-tian2,L IBao-xiong1,FAN Bing1
(1.Lanzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,China;2.Key Laboratory of W estern China’s Environmental Systems,M inistry of Education,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

P546

A

1000-0844(2010)02-0144-06

2009-01-05

国家科技支撑项目“汶川地震断裂带科学钻探”;国家创新研究群体科学基金(40721061)

刘小丰 (1976-),男 (汉族),河北唐山人,助理研究员,第四纪地质及地震地质.