山西河曲黄河阶地初步研究

孙 强，刘运明

（1.西南大学 地理科学学院，重庆 400715；2.安庆师范学院 资源环境学院，安徽 安庆 246000）

引言

黄河是中国第二长河，又被誉为中国的母亲河，是中华文明的发源地。黄河的发育历史复杂[1][2]，其形成和演化在地学界一直备受关注[3][4][5]，也是世界各大河流中最值得研究的河流之一。黄河的发育演化既与当今人类的生活有着密切的联系[6]，又与青藏高原、黄土高原、华北平原等构造单元的演化有紧密的因果联系，是综合反映东亚构造地貌和自然环境变迁的重大地质问题。[7]对于黄河形成演化的研究，河流阶地的研究是主要内容之一。河流阶地是由于河流侵蚀下切，原河流谷底被迫抬升至洪水位以上，并呈阶梯状分布在河谷谷坡上的地貌形态。河流阶地的形成多与气候变化、构造运动、侵蚀基准面的变化以及河流袭夺有关。[8]河流阶地是由原河流作用形成的，可以反映河流形成与演化的历史，因此对河流阶地的研究对于理解河流的发育历史及构造运动有着至关重要的作用。黄河全程流经多个不同的地貌单元，因此流域内地质条件相对复杂，各个河段的分段研究也就显得很有必要。[9]各河段的研究中晋陕峡谷是重要河段之一，一直受到学者们的重视。[10][11][12][13]以往对黄河河流阶地的研究多侧重于高级阶地[14][15][16]，对低级阶地的研究略显不足。作者在河曲地区考察发现该区县城附近分布有三级阶地，并对其上覆地层进行磁化率采样分析。

1 研究区概况

河曲地处山西省西北部，与内蒙古自治区和陕西省交界。该地区地处晋陕峡谷北段，河谷开阔，有曲流发育(图1)。气候上，河曲地处季风区与非季风区交界处，年均气温8.8℃，年降雨量460毫米[17]，降水季节变化与年际变化均比较大。构造上，河曲地处鄂尔多斯高原东北边缘，主要的断裂带有呼和浩特-河曲断裂以及南部的保德——环县断裂。[18][19]在河曲县城附近可识别出三级阶地，各阶地河流相砾石的岩性与现代黄河边滩砾石岩性一致。各阶地特征描述如下(图2)：

1.1 一级阶地(T1)：堆积阶地

观测点位于河曲县城西面古渡广场南200m处。该级阶地面拔河高度约2-4m，上覆砾石层厚度2-3m，砾石层底部未见有基岩出露，因此判定该级阶地是一级堆积阶地。该套砾石层沿道路延伸约50-70m，延伸方向呈弧形，与现代黄河的流向一致。该级阶地沿河两岸均有分布，但并不连续，砾石层之上覆盖了厚度约3-4m的马兰黄土。由于黄土层剖面太薄加之实验条件限制，我们并未对阶地上的剖面采集样品。邱维理等在距该处不远的唐家会村附近的黄河凸岸T1阶地上采集了光释光年代学样品，其测年结果显示T1阶地的形成年代约为10ka。[20]

图1 研究区位置示意图

图2 阶地示意图

1.2 二级阶地(T2)：覆盖基座阶地

该级阶地在县城可见出露。阶地海拔约920m。在河曲县城中部观测点附近砾石层出露厚度大于5m但底部未见基岩出露，在县城南部公路旁接近同海拔高度的位置有明显基岩出露，出露基岩有轻微倾斜。砾石岩性以灰岩为主，并含有砂岩、花岗岩。粒径以1-5cm占大多数，有小于1cm砾石分布，只有少数砾石粒径可达15-20cm。砾石磨圆度较好。该级阶地的河流相沉积其二元结构明显并有多个沉积旋回。在接近上部的河流相沉积有明显的倾斜层理，倾角最大可达15°。河流相沉积上覆约8m的黄土沉积。

1.3 三级阶地(T3)：基座阶地

该级阶地在县城南部船湾村附近公路旁可见出露。阶地海拔 935m 左右，经纬坐标 39°20′46″N，111°11′40″E，砾石层厚度 6-7m，最大厚度可达 9m，砾石磨圆度好，粒径以1-15cm居多，亦存在大粒径砾石。砾石岩性仍以灰岩为主并含有砂岩，石英岩及少量泥岩。下覆基岩为暗红色泥岩。

2 区域内典型地层剖面研究

在对河曲县城附近的考察发现，县城附近发育有3级阶地(更高级的阶地研究见于本文之外)。T2、T3阶地都属于基座阶地，其上覆沉积物为我们的研究提供了方便。我们选择县城T2剖面及船湾村T3剖面采样点。对阶地河流相沉积物上覆地层以10cm为间隔采集磁化率样品(古土壤处适当加密)。磁化率样品放置实验室风干，干燥后样品在不损伤颗粒结构的前提下进行研磨，然后将样品放入直径1cm、高2cm的无磁圆柱盒中压实称重，用英国Bartington公司产的MS2型双频磁化率仪分别测量低频(976HZ)和高频(15616HZ)磁化率。剖面研究结果描述如下。

2.1 县城T2剖面

县城T2阶地上覆沉积物为黄土，剖面位于河曲县城内部，剖面所在的经纬度坐标为39°22′42″N，111°9′22″E，该剖面是工地开挖取土而出露的，剖面出露的总厚度约11m，其中河流相沉积物上覆的黄土层厚度约7m，黄土层底部发育有两层古土壤，最上层有一层古土壤由东南向西北渐灭。从下往上县城剖面的地层描述如下：

(1)-5- -2m，河流相砾石层

(2)-2-1m，河流相砂层

(3)-1- -0.5m，倾斜砂砾石层

(4)-0.5-0m，河流相砾石层

(5)0-0.3m，古土壤层，颜色偏红，发育不是很强烈

(6)0.3-2.5m，黄土层

(7)2.5-3.5m，古土壤层，发育强烈，是整个剖面磁化率值最高的

(8)3.5-6m，灰黄色黄土层

(9)6-7m，红色古土壤层

县城T2阶地上覆黄土剖面的磁化率测量结果如图3所示。磁化率曲线与岩性柱有非常好的对应关系，即古土壤对应磁化率曲线的峰值区。该剖面磁化率的最高值出现在剖面中部2.5-3.5m处，该处古土壤也是此剖面发育最好的。该剖面保存较为完整，最上层古土壤发育程度一般，保存完好，有人为作用痕迹，推断为古土壤S0。中部古土壤层发育强烈，颜色鲜艳，根据剖面的完整程度应为古土壤S1。据此推论最下层古土壤应为S2。由于S2层并未达到低界，因此我们只能根据剖面沉积速率推断其低界年龄。如果以整个剖面的沉积速率测算，剖面底部S2层所达到的年龄应为198.5ka；若单纯以古土壤S1的沉积速率测算，则低界年龄可达206.5ka。鉴于黄土及古土壤在沉积速率上的差异及计算误差，我们推断，剖面低界年龄约为200ka。

图3 T2剖面磁化率及岩性

图4 T3剖面磁化率及岩性

图例说明：图3中：1.黄土层 2.古土壤层 3.砾石层4.倾斜砂砾石层 5.河流相砂层。

图4中：1.砾石层 2.河流相砂层 3.古土壤层 4.黄土层 5.砂层 6.钙结核层 7.灰绿色泥岩 8.红粘土

2.2 船湾T3剖面(图4)

该剖面位于县城东北部船湾村附近。剖面经纬坐标 39°20′46″N，111°11′40″E。剖面基座为灰红色砂岩、泥岩构成。该剖面岩性复杂，上覆沉积物厚度接近45m，为了方便我们仅对采样高度进行描述，自下而上描述如下：

(1)河流相砂层，厚度约0.8m。

(2)古土壤层，厚度接近1m，肉眼观察暗红色，有白色丝状物质，磁化率曲线上表现为峰值，应为一层古土壤。

(3)黄土层，厚度约8m，灰黄色，颗粒较粗，有风成黄土的特点。

(4)砂层，厚度约9m，颗粒粗，无明显河流作用痕迹，目测是风成。

(5)钙结核层，厚度约1.1m，未采集磁化率样品。

(6)灰绿色泥岩，厚度约1m，泥岩岩性细腻，呈灰绿色，有明显的湖泊作用痕迹。

(7)砂层，厚度6m，颗粒均匀，有流水作用痕迹，属于河流相冲积砂层。

(8)古土壤层，厚度约1.5m，是该剖面发育最好的古土壤层，颜色暗红，有灰色斑迹，磁化率结果呈现峰值。

(9)钙结核层，厚度约0.8m，未采样。

(10)砂层，厚度约5.5m，属河流相冲积砂层。

(11)红粘土层，厚度约4m，颜色较古土壤更深，有明显流水作用的痕迹，属于河流冲积相红粘土。

(12)古土壤层，厚度约0.8m，发育弱，红棕色，颜色明显较上面地层深，肉眼观察较明显，有灰色斑迹，成壤作用强，磁化率测量值高。应为古土壤S1。

(13)黄土层，厚度约2.5m，典型的风成黄土。

该剖面虽较复杂，但磁化率曲线与岩性柱仍可进行很好的对比，即磁化率峰值区对应古土壤。由于剖面的复杂岩性我们仅能确定最上层古土壤层为S1，其余层位需更加深入的研究。该剖面中部存在灰绿色泥岩沉积层，属于湖相沉积，可能与地方构造运动形成的湖泊或静水作用有关。

3 阶地成因分析

河流阶地的形成主要受构造运动、气候变化、侵蚀基准面的变化等影响，河流的袭夺亦可形成局部阶地[8]，其中构造运动是影响河流阶地尤其是大型基座阶地形成的最主要因素，在一定条件下，河流阶地是构造运动灵敏的晴雨表。[21]气候变化对河流阶地形成的影响主要通过控制河流系统的含沙量与搬运能力之间的动态平衡关系来实现[22]，在气候稳定湿润期，河流发生下切，而在气候发生明显转化的时期，河流则发生加积。侵蚀基准面的变化也是推动阶地形成的重要作用，可以由海平面升降引起也可以由局部的构造抬升或下降引起。研究表明海平面升降对大型河流影响不会深入到内陆很远，侵蚀基准面变化对河流上游影响在400m以内。

3.1 T1阶地

该级阶地分布较为广泛，沿河分布基本连续且大部分地方表现为堆积阶地，在河曲地区亦是如此。对于该级阶地的形成年代学术界观点也比较统一，即该级阶地形成于10ka前后。[10][20][23][24]10ka左右末次冰期结束，冰后期开始，8ka左右开始的大西洋期是气候最适宜的时期[25]，据此推断，该级阶地形成可能是气候原因。邱维理等对该区域研究表明T1阶地形成时河流下切幅度不大，但河流的侧蚀速度却比较大且河流沉积物较薄，以均衡沉积为主[20]，这说明这一时期内该区域构造稳定，因此也证实该级阶地的形成主要受气候变化的影响。

3.2 T2阶地

该级阶地上覆黄土地层底部有一层古土壤，研究表明该层古土壤可能为S2，据此推断阶地形成年代应为约200ka。王均平对河曲地区研究认为T2阶地上覆黄土地层发育有三层古土壤，其中最下层古土壤为S3，据此T2阶地形成年代应为336ka。[26]二者在形成年代上稍有差别。但值得注意的是两者研究的共同点，即剖面最下部即河流相沉积物之上都有一层古土壤发育。纵观整个黄河流域的研究现状，此种现象并非该地区独有。苏怀等对三门峡地区的研究表明黄河在三门峡地区有1.24Ma，0.86Ma，0.62Ma，0.25Ma，0.13Ma和0.05Ma六个时代的阶地，分别对应古土壤 S14，S8，S5，S2，S1和 Sm。[27]潘保田等对兰州地区黄河阶地的研究也表明该地区河漫滩相沉积物之上都有一层古土壤发育。[28]由此可见，在整个黄河流域阶地序列中，河流相沉积物之上发育古土壤的现象十分普遍。古土壤发育时期正好位于气候相对比较适宜的间冰期。[29]河曲地区处于东亚季风的边缘，受季风气候影响较大。冰期气候干冷，冬季风相对强盛，植被覆盖率低，地表径流减少，黄土堆积也比较旺盛，黄河泥沙含量增大，河流作用主要表现在侧蚀和拓宽谷底。[30]而间冰期冬季风减弱，夏季风反而增强，气候变得相对湿润，植被覆盖率增加，地表径流也相对增加，黄河泥沙含量也减少，河流作用则主要表现为强烈下蚀，发育阶地。[30]

气候变化只是阶地形成的必要条件而非充分条件。从黄河的下切速率和阶地形成年代来看，地面抬升仍是形成阶地的重要影响因素。只有当地面抬升速率达到一定程度的时候，气候变化才能导致黄河堆积与下切交替形成阶地；而地面上升缓慢时期，即使发生了大幅度的气候变化，黄河也没有阶地记录。[28]由此可见构造运动在此级阶地形成中的作用也不容忽视，0.2-0.15Ma左右，青藏高原及其周围经历了一次广泛而剧烈的隆升过程——共和运动，此次构造运动也引起了周围河流的强烈下切。黄河上游地区形成了一系列阶地。[24]从区域性构造作用来看，河曲所在的鄂尔多斯高原在196.7ka-76.4ka平均隆起量达到28m，速率达0.23mm/a。[31]结合以上分析我们认为河曲T2阶地的形成是气候变化与构造运动共同作用的结果。

3.3 T3阶地

由于T3阶地上覆地层剖面岩性复杂加上研究手段的限制我们仅能确定其第一层古土壤为S1，剖面最底部的年龄并不能确定。S1之下有多层河流冲积层，剖面中部有一层灰绿色泥岩，湖相沉积层。王均平对该区研究证实，保德地区在第三纪时期已有古湖形成，古湖边缘存在一些以古湖为中心的短小河流，5-3.6Ma期间，随着河流溯源侵蚀的作用，在晋陕峡谷北段，已形成自河套地区向保德古湖的河流，1.2Ma之后黄河切传三门峡东流入海，同时河流溯源侵蚀，将河套与汾渭地堑贯通，晋陕峡谷形成。[26]T3上覆剖面湖相地层可能与保德古湖边缘作用有关，但其年龄并不确定，二者关系还需进一步研究。研究区所处的鄂尔多斯高原在1409.8ka-196.7ka平均隆起量为46m[31]，其平均隆起速率并不大。而复杂的地层沉积可能更多地记录了该地区地方性的气候变化。我们推测该级阶地形成更多是与气候变化有关。构造运动在阶地形成中的作用还有待于寻找以及阶地年代的确定。

结语

第一，河曲县城附近发育有三级河流阶地，其中T1阶地为堆积阶地，T2阶地为埋藏基座阶地，T3阶地为基座阶地。

第二，T1阶地年龄为10ka，其形成主要受气候变化影响。T2阶地形成时代约为200kaBP，其形成原因主要受气候变化和构造运动共同影响。T3阶地的形成年代还需进一步研究确定，其成因可能与地方性的气候变化有关。

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