青海贵德—共和—同德地区更新统最小古沉积面恢复与全新世侵蚀量计算

高明星，刘少峰

(1.中国地震局地质研究所活动构造与火山重点研究室，北京 100029;2.中国地质大学(北京)，北京 100083)

0 引言

青藏高原作为世界上最高、最年轻的高原，拥有独特的地貌特征，对其周边地区的气候乃至全球气候具有重要的影响[1－3]。青藏高原的构造隆升、气候变化及地貌演化等科学问题一直倍受国际地球科学界的普遍关注[4－9]。青藏高原东北缘的贵德、共和及同德3个盆地因位于整个高原变形的前缘，其新生代以来的增生过程及地表过程引起了越来越多国内外学者的关注[10－12]。然而，大多数研究致力于解决该区新近纪以来快速隆升的时间和机制问题[13－16]，对该区第四纪以来是否仍然存在隆升则较少涉及。本文试图通过对位于青藏高原东北缘的贵德、共和及同德3个毗邻盆地的下切速率的研究，探讨该区在全新世以来是否存在构造隆升事件。

古沉积面恢复及古侵蚀量计算是一种新兴的新构造定量化研究方法[17－18]。对地质图的判读和野外地质调查结果显示，新近纪以来，共和与贵德2个盆地在更新世之前处于垂向加积状态，全新世以来则为垂向侵蚀;而同德盆地在新近纪以来始终以加积为主。3个盆地内的更新统变形很弱，这为恢复更新统沉积顶面创造了良好的地质条件。本研究利用精细的地质图数据，采用地质剖面取点的方法，重建了贵德、共和及同德3个盆地的更新统古沉积面;并以此为基础，计算了3个盆地全新世以来的侵蚀速率。结果表明，全新世以来3个流域盆地的侵蚀速率自高原边缘的贵德盆地向接近高原内部的同德盆地有不断减小的趋势。为了探讨该趋势所指示的构造和气候信息，本研究对侵蚀基准面、构造及岩性等因素对侵蚀速率的影响进行了分析，认为全新世以来青藏高原边缘构造活动的差异性导致了侵蚀速率自高原边缘向高原内部不断减小。本研究以盆地地区为研究对象，排除了由于山脉隆升带来的复杂因素;同时，样本点的选取来源于地质剖面判读，使研究者能够确定每个采样点的合理性，对典型区域古沉积面恢复研究是一种恰当的方法。此外，本研究还定量揭示了黄河在该区全新世以来的侵蚀规律，是对青藏高原东北缘河流侵蚀及地表过程研究的重要探索。

1 研究区概况

贵德—共和—同德盆地在大地构造上位于祁连、昆仑和秦岭3大褶皱系交汇地带(图1(a))。

图1 研究区概况Fig.1 Geographical and geological setting of the study area

研究区内最高高程6 266 m，最低高程2 100 m，平均高程4 118 m。黄河由西南向东北穿过3个盆地，穿切了新生代新近纪和第四纪沉积的地层，在盆地内形成了巨大的峡谷。该区在古近纪曾经是一个巨大的内流湖盆，沉积了巨厚的红色湖相地层[15];后期随着青藏高原不断向东北方向增生扩展，湖盆被一系列断裂分割;到第四纪晚更新世之后黄河的下切及搬运作用造就了现今的地貌形态。贵德盆地沉积了一套总厚度在1 000 m以上的贵德群，时代为新近纪中新世以后;第四系河湖相沉积一般厚200～300 m，最厚可达 350 m[19]。共和盆地大体上以NW—SE向展布(图1(b))，西窄东宽，呈菱形块体形态;盆地平均海拔3 200 m(图1(c))，盆地内充填了一套新近系和第四系湖相－河相地层[20]。同德盆地位于共和盆地以南，仅在盆地边缘出露新近系地层，其余地区均被第四系沉积物所覆盖。

2 数据源

本研究使用的是SRTM(shuttle radar topography mission)DEM数据(图2)，来源于2000年初美国空间信息情报局(National Geospatial－Intelligence Agency)、航空航天署(National Aeronautics and Space Administration)以及德国和意大利的相关部门合作实施的一项被称为“航天飞机雷达地形测量”的计划。该数据的水平分辨率为90 m，垂直分辨率为±16 m。数字地质图则利用同德、兴海、贵南、共和及贵德幅1∶20万比例尺数字地质图。

图2 研究区数字高程模型图Fig.2 DEM of the study area

3 研究方法

古沉积面恢复一方面是为了分析某特定地质时期古沉积面在沉积之后的变形样式，另一方面可以定量计算特定地质时期古沉积面形成之后的最小侵蚀量;因此，这就要求恢复出来的古沉积面最接近于原始古沉积的顶面。在地表获得的特定地质时期的古沉积露头反映了古沉积面空间分布的部分特征，由于无法获得全部沉积顶面点的空间分布特征数据，通过数值插值计算预测未知区域的空间分布特征是重建古沉积面的有效方法之一。McMillan等[21]及 Small等[22]曾对美国西部 Rocky Mountains进行了盆地沉积面恢复，但他们选择了研究区新生代以来所有地层露头点的高程恢复古沉积面，而恢复出的古沉积面并非准确地代表特定地质时期的古沉积顶面，因而没有地质年代意义;加之，由于存在地表剥蚀，地表地层露头点并非都是严格意义上的该段地层的顶面点。张会平等[12]曾利用90 m分辨率的SRTM数字高程数据以及1∶50万比例尺数字地质图对青藏高原东北缘更新统古沉积面进行了恢复。他们在一定范围的更新统露头区选择一个地层的最高点代表该区更新统的顶面点，进而进行区域古沉积面恢复;但区域上的最高点不一定代表该地层的原始顶面点(有可能由于侵蚀作用，该露头点高程会偏低，加之较大的露头可能包含更多地层的顶面点，如果只取一个最高点可能会忽略掉很多信息)。

图3 古沉积面恢复示意图Fig.3 Sketch map for reconstruction of the paleosurface

本研究在综合、对比前人方法的优缺点后，通过在地质剖面网上确定地层的空间接触关系，人工提取代表地层顶面的样本点(图3);将选取的样本点赋予高程值，选用自然邻点法对得到的样本点进行高程插值预测，重建了3个盆地的更新统最小古沉积面;并将所得的古沉积面DEM与现今DEM相减，得到全新世以来盆地的最小侵蚀量。图4为盆地的现代地貌照片。

图4 盆地现代地貌野外照片Fig.4 Field photos showing the modern landscape of the basins

4 结果

4.1 更新统最小古沉积面

利用通过地质剖面网所选取的样本点进行差值运算，获取了更新统之后的古沉积面DEM(结果如图5(a)中黑白DEM图所示)。所恢复的盆地沉积顶面DEM最大坡度不超过9°，其中同德与贵德盆地平均坡度为3°，共和盆地平均坡度为6°，表明更新统盆地沉积充填面并不是一个水平的面(图5(b))。

图5 研究区3个盆地更新统最小古沉积面恢复结果Fig.5 Reconstructed minimum paleosurface of Pleistocene for 3 basins in the study area

4.2 全新世最小侵蚀速率

利用上述恢复的古沉积面DEM与现今DEM相减，获得全新世以来的最小侵蚀量。全新世以来盆地的平均侵蚀速率为盆地总剥蚀量除以盆地面积再除以时间。表1列出了全新世以来3个盆地的最小侵蚀速率。结果表明，侵蚀速率自贵德盆地向同德盆地有逐渐减小的趋势。

表1 研究区3个盆地全新世以来盆地侵蚀量及侵蚀速率Tab.1 Erosion quantity and erosion rates for the three basins in the study area

5 讨论

1)与前人研究结果对比。前人研究[23]表明，同德盆地全新世早期平均侵蚀速率为4.2 mm/a，全新世晚期平均侵蚀速率为10.1 mm/a，这与本文估计的同德盆地全新世最小侵蚀速率3.6 mm/a是可以对比的。

2)岩性对侵蚀速率的影响。地表侵蚀过程受岩性、构造活动、气候以及人类活动等影响因素的控制。同德和共和盆地以第四系砂岩为主，贵德盆地则以新近系中新统砂岩为主，岩性均松软而易被侵蚀;盆地内部河流还没有下切到新生代以前的地层，未出现软硬岩层互层现象。因此，岩性并不是影响3个盆地全新世以来侵蚀速率的主要因素。

3)河流下切对侵蚀基准面下降的影响。侵蚀基准面下降是造成河流下切的主要原因之一。李吉均等[6]认为，发生于0.15 Ma之前的“共和运动”使黄河溯源侵蚀进入龙羊峡以上的共和盆地，因此黄河在全新世以来的侵蚀基准面为海平面。然而，侵蚀基准面下降的效应向黄河上游流域的传递范围不是无限的，海平面下降引起的黄河河道延伸不利于裂点的传递[24]。因此，海平面变化对距黄河入海口约3 600 km远的研究区来说，河流下切对侵蚀基准面下降的影响基本上可以忽略[25]。

4)气候对地表侵蚀的影响。气候作用对地表侵蚀的影响在大区域上是准同步的，即全球性的气候变化不会对一定范围内(如一个气候带)的若干局部地区的地表侵蚀造成差异。研究区整体气候干旱，因而全球性的气候变化对3个盆地侵蚀速率的影响应是一致的，这可能表明气候并非是导致全新世以来侵蚀速率差异的主要原因。此外，现代地貌学普遍认为，河流长期深切需要地面抬升来驱动[25]，如果仅靠气候因素，很难想象黄河在该区能下切250 m以上。

5)地面抬升速率变化对河流下切速率变化的影响。地面抬升速率的变化是导致河流下切速率变化的重要原因之一[26]。研究区位于青藏高原向北扩展的前缘，新构造活动发育，历史上曾经发生过多次8级以上的大地震。断裂的走滑、逆冲活动造成了河流的拐弯、冲积扇或阶地的错段，记录断裂最新活动的地貌表现明显。Craddock等[23]的研究结果表明，黄河在 1.8 Ma贯通以后以稳定的速率(350 mm/a)溯源侵蚀，认为最新的构造活动并未对黄河水系造成影响。吴庆龙等[27]等对贵德盆地下游拉脊山地区的研究结果表明，由于古地震引起的滑坡曾堵塞黄河，可见全新世以来黄河的确受到过活动构造的影响。阶地的研究结果也表明，全新世以来共和盆地次级块体抬升具有不均一性。赵振明等[28]对共和盆地至甘肃兰州黄河河谷地貌的研究表明，在溯源侵蚀的背景下，构造活动起到了决定作用。其中1万a以来发生过一次新构造事件，导致贵德盆地全新统平均抬升速率为1.0～1.5 mm/a，共和盆地平均抬升速率为1.2 mm/a。综上所述，自接近高原内部的同德盆地至高原边缘的贵德盆地侵蚀速率不断增加的趋势可能表明，全新世高原边缘构造活动强于高原内部，这与前人提出的青藏高原北部边缘的地表隆升和地壳增厚大于其内部的论点一致[29]。

6)关于研究时段。本研究的时间段仅限于全新世以来的3个盆地侵蚀量的变化，这与Craddock等[23]计算的峡谷区的侵蚀量是不同的，因为峡谷区侵蚀量并不能代表盆地的平均侵蚀量，而且其研究的时段为1.8 Ma以来，与本文的研究时段(全新世以来)是不同的。

6 结论

本文利用地质剖面网的方法提取特定时代岩层的分界点，恢复了更新统沉积之后的沉积面，计算了全新世以来青藏高原东北缘的贵德—共和—同德盆地的最小侵蚀量，取得如下认识:

1)以盆地地区为研究对象，利用剖面网方法提取代表更新统顶面的样本点，重建更新统沉积之后的顶面，排除了由于山脉隆升带来的不合理因素;且恢复的古沉积面具有地质年代意义。

2)通过对贵德—共和—同德3个盆地古沉积面恢复及其全新世以来侵蚀量及侵蚀速率的计算，发现这3个盆地侵蚀速率具有由高原边缘向内部减小的趋势。结合岩性、侵蚀基准面以及构造、气候等因素分析，认为构造因素起着主导作用。

利用DEM数据进行古沉积面研究是一个新的领域，其技术方法尚未得到完善。利用该方法计算全新世盆地的侵蚀速率尚属于探索阶段，其误差主要源于DEM数据本身的精度及插值点的密度。该方法在残存地貌面较少、信息不充足的情况下，误差会相应增大，故其计算结果必须与通过年代学或者沉积学等其他方法获得的数据相校正。

志谢:感谢中国地震局地质研究所的何宏林研究员在论文成文过程中提出的宝贵意见。

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