青藏高原东部边缘地区第四纪泥石流发育特性研究

梁学战，陈洪凯，唐红梅

(重庆交通大学岩土工程研究所，重庆400074)

青藏高原东部边缘地区，山高谷深，坡地物质处于不稳定状态，加上季风性暴雨侵袭，所以第四纪以来泥石流活动十分频繁。很多学者通过对青藏高原东部边缘地区第四纪泥石流堆积剖面的研究，发现了很多第四纪泥石流活动的特点，其中比较有代表性的有:陈洪凯［1－2］等通过泥石流活动与气候变化的关系，对青藏高原东部边缘地区几个典型泥石流堆积剖面进行分析，指出温(或热)湿、凉(或冷)湿气候均有利于泥石流的活动，泥石流活动与气候变化的干湿周期变化比较吻合;李永化［3－4］等参考绝对年龄测试结果、基于地球化学分析和区域地层对比等手段，对青藏高原东部边缘多个第四纪泥石流堆积剖面进行了分析，指出泥石流发育与区域乃至全球性气候波动呈现出大致同步的规律性;史正涛［5］等根据不同时期泥石流堆积体分布的地貌部位、岩相特征、堆积体及其上发育的古土壤的化学特征、孢粉组台和部分绝对年代资料，将小江流域的泥石流活动初步划分5个强盛期，各期泥石流都是暴雨型泥石流。

文献分析发现，很多学者对青藏高原东部边缘地区第四纪泥石流活动规律的研究主要是以气候的周期性变化为依据，特别是冰期与间冰期的周期旋回，但是通过对青藏高原东部边缘地区第四纪泥石流沉积层大量的实地考查和资料分析发现，控制泥石流活动周期是多种环境因素相互耦合作用的结果，并且不同区域有不同的主控因素。古泥石流的研究可以帮助我们寻找现代泥石流广泛发育的历史原因［6］，因此通过对青藏高原东部边缘地区最具代表性、泥石流发育最严重(爆发频繁、强度大)的白龙江流域、小江流域古泥石流发育特性的研究，结合现代泥石流发育的环境［7－8］，就可以了解不同区域、不同沟谷泥石流的发育规律，预测它的发展趋势，为现代泥石流的工程防治提供理论依据［9］。

1 代表性泥石流沉积剖面

在每一级阶地上选取有代表性的泥石流堆积剖面，以阶地形成的先后顺序来分析白龙江流域和小江流域第四纪以来的泥石流活动过程，因为在相邻区域，阶地形成越早其拔河高程越高，所以把阶地沉积剖面按剖面顶部的拔河高程在同一张坐标图上描出(图1、图3)，通过分析泥石流堆积层在阶地剖面中的分布特点并结合泥石流堆积层的侧年数据(图2、图4)对两流域的第四纪泥石流活动过程进行对比。

1.1 白龙江流域代表性泥石流堆积剖面及年代

白龙江流域代表性泥石流堆积剖面特征按拔河高程(图1)及堆积年代(图2)依次为:

T6剖面以舟曲县城东山顶剃头坡混杂堆积层为代表，顶面距江面395m，泥石流堆积层厚2m，通过与兰州附近的黄河阶地［10］进行对比分析，可以推断这一时期泥石流大约发育于1.5 Ma B.P.。T5阶地为侵蚀阶地，在舟曲、迭部一带均未发现泥石流堆积层，基岩台面上直接覆8～10m厚的黄土。T4在陇南市区后山泉家沟一带的白龙江边，阶地面拔河280m，阶地下部，可以见到一期泥石流堆积，厚度约30余m，根据泥石流堆积物分布的地貌部位、胶结程度以及与离石黄土的沉积接触关系可以推断，泥石流堆积层形成于早更新世末至中更新世初(约0.73 Ma B.P.)［3］。T3见于白龙江中游地区柳城镇砖厂附近，顶面拔河约134m，阶地剖面中有明显的3期泥石流堆积。泥石流堆积①和②均厚30余m，泥石流相①和②初步估计分别形成于42.5～56.5万 a B.P.和16.5 ～24.5 万 a B.P.;剖面顶部为 10余m厚的风成黄土，黄土中发育有7层古土壤和1m厚的泥石流堆积 ③ ，泥石流相层下部黄土年龄为(116.8 ±9.9)ka B.P.(TL)，因此，该阶地属于中更新世的产物［1］。T2阶地在武都县城附近白龙江对岸三河沿岸的柏林寺附近阶地剖面，阶地顶部距河面约59m，河流相沉积上覆30m厚的马兰黄土，马兰黄土地层中经常见到夹有小股泥石流透镜体，测得其朽木年龄为49.5 ka，14C及热释光年龄为52 ～25 ka B.P.［11－12］，可知这一时期泥石流的发生时间大约在50～25 ka B.P.左右。T1阶地在沿白龙江沿岸的许多沟口附近形成两级或三级泥石流扇形地，阶地一般高出河面5～8m，它直接覆盖在河流砾石层之上，许多泥石流扇直抵江边，经14C年代测定，年龄在4～5 ka B.P.。现代泥石流堆积，由于人类活动的参与，3 ka来流域内的泥石流规模及范围与前期相比有扩大趋势。

图1 白龙江流域代表性泥石流堆积剖面Fig.1 Typical debris flow deposition profile in Bailongjiang River basin

图2 白龙江流域泥石流堆积剖面地质年代Fig.2 Geological age of debris flow deposition profile in Bailongjiang River basin

1.2 小江流域代表性泥石流堆积剖面及年代

在小江流域，小江河谷地貌在新构造运动的影响下，形成了明显的7级阶(台)地，且每级台地均有泥石流发育，代表性泥石流堆积剖面(图3)及沉积年代(图4)按拔河高程依次为:

图3 小江流域代表性泥石流堆积剖面Fig.3 Typical debris flow deposition profile in Xiaojiang River basin

在小江河谷最高一级阶(台)地(T6或T7)以位于蒋家沟附近的多照沟台地下部的台地沉积为代表(图3)，剖面顶部拔河1 000m，有2层巨厚的泥石流堆积层，分别形成于元谋运动和金沙江运动，两层泥石流相均夹于厚层的河流相及洪积扇相沉积物之中［13］，ESR 年代为 1.42 Ma B.P.［14］。在小江流域上鸡冠石台地剖面，位于海拔1 450～1 600m的T5阶地，顶面拔河高度530m台地沉积地层厚约90m，下部为是泥石流和水石流混杂堆积物;中部为1套厚达70m的泥石流堆积层;上部为1套红色黏土层，山原红壤发育年龄测算年0.985 Ma B.P.［13］，属于小江流域早更新世晚期的泥石流堆积物。在上鸡冠石台地剖面下部T4阶地上，有厚度74m的下鸡冠石台地剖面，顶面拔河高度320m，泥石流以多层具有悬浮分选递变性质的泥粒层组成，ESR年代为0.562 Ma B.P.［13］。小江河谷T3阶地上堆积了厚层的泥石流台地，代表性剖面为蒋家沟沟口外的泥得坪台地，顶面拔河280m，总厚度106m，地层岩性分为3层，下部为亚黏土、粉砂夹砾石层组成;中部为厚度85m的泥石流堆积物;上部为红色黏土、亚黏土层和1层夹有红色黏土、亚黏土的砾石层，ESR测年为0.218 Ma B.P.。T2阶地选择在蒋家沟沟口对面、小江的左岸的达朵台地剖面，为1座高出小江江面约200m的堆积台地，沉积地层总厚195m左右，泥石流堆积与河流沉积交互堆积，ESR测年结果为14 ka B.P.左右。在小江流域沿岸较大支沟T1阶地上部覆盖有大规模的泥石流堆积扇，以小江沿岸拔河约40m何家堡剖面为代表，剖面总厚度22m，下部为褐色黏土层，厚约4m，其ESR年龄为 7.3 ka B.P.［14］，上段为近代泥石流堆积层。现代泥石流堆积，与白龙江流域相似，3 ka来由于人类活动的参与，流域内的泥石流规模及范围与前期相比有扩大趋势。

图4 小江流域泥石流堆积剖面地质年代［15］Fig.4 Geological age of debris flow deposition profile in Xiaojiang River basin

2 泥石流活动分期

根据以上对代表性泥石流堆积剖面的分析，按阶梯形成的先后顺序和泥石流活动的时间规律，结合泥石流沉积层的测年数据(图2、图4)，可系统的对小江流域和白龙江流域泥石流活动进行分期，白龙江流域及小江流域在第四纪时期内的泥石流活动均可分为8期(表1、表2)。

表1 白龙江流域第四纪泥石流活动周期划分Tab.1 Division of the Quaternary debris flow activity period in Bailongjiang River basin

表2 小江流域第四纪泥石流活周期划分［15］Tab.2 Division of the Quaternary debris flow activity period in Xiaojiang River basin

3 泥石流活动与冰期、间冰期气候特征比较

根据文献［1］、文献［16－18］可知，青藏高原东部边缘山区自第四纪以来泥石流多属于暴雨泥石流，不同的泥石流形成区在冰期、间冰期泥石流活动特征不同。

3.1 间冰期

第四纪期间，季风环流已经形成，间冰期的所处的气候环境与现代气候环境概况大致相同。

纬度位置较低的小江流域在间冰期的早期，在低纬行星风系向北扩展的过程中，南部洋面的湿润气流北上频繁，当同滞留在小江流域北方来的冷空气相遇时，常形成锋面，降雨充沛［19］，泥石流活动频繁。在间冰期的夏季，西南季风更加强烈，降水更加丰沛，在地表物质处于一定数量的情况下，形成的泥石流以稀性或加沙水流为主，而且这一时期的河流水量较大，河谷两侧的泥石流容易被河水搬运带走，因此这一时期形成泥石流堆积层较少，在泥石流堆积层中显示的是泥石流活动较弱期。位于青藏高原东北边缘的白龙江流域纬度较高，间冰期在低纬行星风系向北扩展的过程中，南部洋面的湿润气流在北上的过程中，受地形及其它大气环流的阻挡作用到达白龙江流域与北下的冷空气相遇时水汽减少，势力减弱，形成的锋面强度远小于小江流域，降水较少，所以形成泥石流以黏性和亚黏性为主，地表径流较少，容易形成泥石流堆积层。

3.2 冰期

根据李吉均［20］等的研究，冰期时的大气环流形式如图5。由图5可知，随着冰期来临，位于北纬40°～60°的西风带南移，在青藏高原西侧由于青藏高原的阻挡，分为南北两支西风激流，且终年存在。

小江流域在北纬25°45'～26°35'，由图 5 可知，南支西风激流影响小江流域。在冰期的夏季，西风带较冬季时北移，绕青藏高原南侧的南支西风激流势力收敛减弱，但仍然维持在小江流域附近。而夏季太阳直射点北移，小江流域位于热赤道附近，小江流域地面增温使地面空气受热上升，从而诱导南部洋面西南季风的湿润气流由南向北推进至小江流域附近，与南支西风激流辐合形成锋面，产生冰期期间的主要降雨过程。所以冰期时小江流域降水依然存在，只是降水减少，如果具备足够的地表松散物质和合适的坡度条件，就会形成粘性较大的泥石流，而且由于此时小江河流径流量较小，小江两岸泥石流堆积作用明显。

白龙江流域纬度位置较小江流域高，由图5可以看出，整个冰期期间都受到西风带绕青藏高原的北支西风激流的影响，且西风的势力较强。即使在夏季西风带北移，在纬度较高的白龙江流域依然受到势力强劲的西风激流的影响，南部洋面的暖湿的西南季风和东部洋面湿润的东南季风，很难到达白龙江流域附近，不容易产生降雨，形成了白龙江流域冰期干冷的气候，此时白龙江流域难以形成泥石流。

图5 末次冰期中的夏季环流形式［20］Fig.5 Form of summer circulation in the last glacial stage

4 泥石流发育过程分析

根据对青藏高原东部边缘地区泥石流堆积层及活动周期的分析，结合泥石流活动与冰期间冰期气候特征的比较，青藏高原东部边缘地区泥石流活动过程表现出一致性和非平衡性的特点。

4.1 泥石流发育过程的一致性

1)小江流域与白龙江第四纪泥石流活动划分的期数基本相同，均可划分为8期泥石流，且其年代有一定的相关性。

2)泥石流开始发育的最早年代基本相同。新构造运动以来，当早更新世青藏高原面平均海拔高度上升到2 000m时，现代东亚季风环流尤其是印度洋季风(即西南季风)的形成，早更新世季风的形成给处于季风边缘带的青藏高原东部边缘地区带来暴雨天气，为泥石流的发生提供了诱发因子，受青藏高原新构造运动以来阶段性隆升的影响［10］，本区也呈区域性的间歇式抬升，间歇式抬升不仅为泥石流发生提供合适的地貌条件，也为泥石流发生提供了丰富的松散固体物质，所以青藏高原东部边缘地区泥石流发生的最早时间均在早更新世。

3)青藏高原东部边缘地区间冰期暖湿环境均有泥石流发育。

4.2 泥石流发育过程的非平衡性

1)泥石流堆积剖面结构不同。小江流域泥石流堆积剖面在地层中连续性较好，几乎分布在每个地层，稀性泥石流、亚黏性泥石流、水石流居多;而白龙江流域泥石流堆积剖面连续性不好，在地层中缺失较多，黏性泥石流居多。说明小江流域的泥石流活动几乎贯穿整个第四纪时期，很少间断;而甘肃白龙江流域第四纪期间泥石流活动间歇期长、间断较多。

2)冰期环境的泥石流活动差异大，间冰期堆积作用不同。小江流域冰期夏季降水依然存在，泥石流发育，且泥石流堆积较大;而白龙江流域在冰期不容易产生降雨，冰期时难以形成泥石流;间冰期小江流域降水多，地表径流过大，堆积作用小于白龙江流域，泥石流堆积层较少。

3)泥石流活动周期的主控因素不同。纬度较低的小江流域，第四纪泥石流堆积层与新构造运动的间歇抬升［17］有很好的共轭关系，即每次新构造运动后都会发育泥石流，在地貌上表现在每一阶地形成后或每一构造期后不管气候处于冰期还是间冰期都会有泥石流发生，产生泥石流堆积层，随着新构造运动的间歇性平静，大量松散物质消耗殆尽，大的地表起伏逐渐平缓，泥石流活动逐渐消失，这样小江流域的一个泥石流活动期至此得以完成，直到出现下一个新构造运动的发生，所以第四纪以来新构造运动控制了小江流域泥石流大的活动周期。

纬度较高的白龙江流域新构造运动与泥石流沉积层的共轭性较差，第5级阶地没发现泥石流沉积层，第3级阶地有3期泥石流发育(图1)。当一次构造运动间歇性抬升活动发生之后，气候期处在间冰期或冰期的间冰段时会发生泥石流，而处于冰期时受干燥的西风控制，降水少，一般不会有泥石流发生。若一次新构造运动完全与干冷气候相对应，即使有需要的地貌条件和丰富的物质基础，在此次新构造运动期间将不会有泥石流发生;若一次构造运动中有若干次冷干和暖湿气候的剧烈变化，则会出现多次泥石流发育期，所以第四纪以来冷干与暖湿的气候周期旋回控制了白龙江流域的第四纪泥石流活动周期。

5 结论

1)通过对青藏高原东部边缘地区各阶地剖面的分析，第四纪以来青藏高原东部边缘地区泥石流活动具有周期性特点，根据阶地、泥石流沉积剖面与地质年代的关系，把白龙江流域和小江流域第四纪以来的泥石流活动周期均分为8期。

2)根据对青藏高原东部边缘地区泥石流堆积及活动周期的分析，结合泥石流活动与冰期间冰期气候特征的比较，得出青藏高原东部边远地区第四纪泥石流活动过程既具有泥石流活动周期数基本相同、泥石流开始发育的最早年代基本相同、间冰期暖湿环境均有泥石流发育的一致性特点，也有泥石流剖面结构不同、冰期环境的泥石流活动差异大、泥石流活动周期的主控因素不同的非平衡特性。

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