共和盆地黄河阶地砾石组构特征与环境意义

胡梦珺，冯淑琴，李向锋，潘宁惠

(西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

河流阶地是构造运动与气候变化共同作用的结果，研究河流阶地是探讨其所在地区在阶地形成时期古气候变化、构造运动与河流侵蚀等方面的重要途径之一[1]。对阶地堆积物特别是对砾石层组构特征的研究可以分析阶地中砾石的来源、搬运方式、水动力状况及古河流流向等[2-5]。砾石组构分析是借助数理统计方法对砾石的砾性、砾度、砾态和砾向进行测量与统计分析，从而确定砾石来源、搬运距离、水动力状况以及沉积环境等[6-7]。

图1 共和盆地阶地砾石层分布Fig.1 Distribution of the section locations of the Yellow River’s terraces in Gonghe Basin

古近纪末共和盆地形成后，共和运动使黄河于0.11 Ma B.P.进入共和盆地，随着青藏高原的阶段性隆升与黄河的溯源侵蚀过程，黄河下切砾石层及下伏基岩底座而形成多级阶地，其中多为堆积阶地，少量为侵蚀阶地。黄河源区阶地的形成时间为中更新世晚期到全新世，龙羊峡段黄河约形成于0.06 Ma B.P.[8-10]。前人对共和盆地进行了大量的研究，主要集中于植被群落演化与环境演变[11-13]，以黏土矿物、孢粉、粒度、磁化率、地球化学元素等代用指标研究古气候演变[14-22]；关于地貌演化与黄河发育研究[23-24]等方面，对区域内河流阶地虽有所研究，但主要集中于用黄河阶地来反映青藏高原的抬升速率和黄河的形成与河流阶地成因等方面[8-9]，而对盆地内黄河阶地砾石层的组构特征则研究极少。为此，本文对共和盆地黄河阶地砾石层的砾性、砾度等组构特征进行分析，讨论阶地砾石层的沉积环境及成因。本研究可填补该地区黄河阶地砾石层组构特征的研究空白，并为青藏高原东北部古气候反演提供理论依据。

1 区域与阶地概况

共和盆地(35°27′—36°56′N，98°46′—101°22′E)位于青藏高原东北边缘青海湖南侧(图1)，地处祁连山与昆仑山两大山系交汇处，盆地东宽西窄，东西长约250 km，南北宽约60 km，最宽处达90 km，平均海拔为2 900 m。盆地为中生代形成的断陷盆地，其基底为强烈变形的三叠纪复理石，盆地四周山地岩层主要为三叠纪砂岩、灰岩、浅变质板岩、片岩及印支时期形成的花岗岩和闪长岩等。新近纪以来沉积一套河湖相地层，地层中岩石以砾岩、石英岩和泥岩为主[8-9,24]。中更新世末—晚更新世黄河溯源侵蚀切开龙羊峡，使共和古湖湖水外泄，随构造抬升运动的继续发展，黄河及其支流在龙羊峡转弯，河段不均匀下切形成多级阶地[23]。

表1 共和盆地黄河阶地采样点砾石层剖面描述

野外考察可知，黄河在龙羊峡段发生明显拐弯，黄河不断侧向侵蚀形成河曲阶地，随着地面抬升，阶地保存在河流左岸，黄河进一步侧蚀形成新的阶地。黄河龙羊峡段存在12级阶地，各阶地拔河较低，相对海拔相差较小，阶地形态与韩建恩等[8]的描述相似，在阶地出露砾石层上进行采样。由海拔高度及测年数据可知，阶地年代具有连续性，依次对阶地砾石层编号为T1—T12。阶地剖面及砾石采样点描述如表1所示。

2 实验方法

2.1 砾石采集方法

进行砾石采集时，分别在12级阶地上选取1 m×1 m的区域，在此区域内随机选取100个砾石用罗盘测量并记录砾石的倾向，编号后带回实验室。

2.2 砾石统计方法

2.2.1 砾性与砾向统计

在实验室根据砾石的矿物组成及其含量对砾石进行具体分类，统计其不同砾性砾石数量。根据野外测量的砾石倾向数据绘制砾石倾向玫瑰花图。

2.2.2 砾石砾度统计

2.2.3 砾石砾态统计

表征砾石砾态的参数主要包括砾石的形态、扁度、球度、磨圆度、风化程度和砾态系数等[26]。通过砾石三轴的比值可将砾石形态分为4种：圆球体，b/a>2/3，c/b>2/3；扁球体，b/a>2/3，c/b<2/3；椭球体，b/a<2/3，c/b>2/3；扁长体，b/a<2/3，c/b<2/3)。

磨圆度(P)利用哈巴科夫的五级表目估，并通过公式P=(∑nQ/N)×25%(n为级数，Q为对应级数的砾石个数，N为砾石总个数)计算[4,27]。风化程度根据《工程岩体分级标准》采用目测法统计。砾态系数为扁度与球度的比值。

3 砾石组构特征分析与环境意义

3.1 砾性分析

砾性组合特征分析是探究砾石来源的重要手段之一[28]。共和盆地各阶地砾石成分复杂(表2)，以砂岩和石英岩为主，平均含量分别为22.25%和28.75%；板岩次之，平均含量为9%；混合岩和砾岩含量分别为5.3%和4.41%；另外还含有较少其他性质的砾石。各阶地砾石性质构成差异明显，T1、T3、T5、T6、T10、T11和T12的砾石样品中砂岩占绝对优势，含量均在31%以上；T4和T9阶地砾石样品中石英岩占绝对优势，含量在33%以上；T2和T8砾石样品中石英和砂岩含量约为50%，且两者含量相差不大；T7砾石样品中石英岩含量最多，但其含量与其他性质的砾石含量相差较小，不占有绝对优势。

共和盆地各阶地岩性分析结果表明：各阶地的砾石岩性组合复杂，除T7外主要岩性含量优势明显，以砂岩与石英岩为主，砾性组合与盆地内地层岩石性质组合相似，指示阶地砾石来源于区域地层，未经远距离搬运。

3.2 砾度分析

砾石平均砾径越大，反映的介质平均动力越大，反之则相反。砾石砾径的分选系数越接近1，说明当时搬运介质动力比较稳定；分选系数大于3时，表明介质动力极不稳定。砾石轴径频率柱状图可反映砾石的分布特征、均匀、分选、对称和离散状况[20]。σ是表示分选程度的参数，值越接近0则分选程度越好，介质动力比较稳定，反之则相反，Sk是用来判断砾度分布对称程度的参数，在判断砾石成因方面使用广泛。Kg为衡量砾度频率曲线尖锐程度的参数。通过σ、Sk和Kg可判断砾石层具体成因[29-31]。

表2 共和盆地黄河阶地砾石层的砾性特征(个)

砾石各轴的分选系数均大于1.5，分选作用差，表明砾石层沉积时介质动力不够稳定。根据砾石a轴砾径的分选系数得出各砾石层堆积时期介质动力稳定性大小依次为T1>T3>T5>T8>T6>T10>T7>T12>T9>T2>T4>T11。各砾石层σ在1.79～2.62之间，反映各砾石层砾石分选程度较差，根据σ可知砾石层沉积过程中介质动力的稳定性依次为：T4>T9>T7>T10>T6>T8>T5>T1>T11>T12>T2>T3。各砾石层Sk均为正值，范围在0.17～0.4之间。Kg在0.88～1.41之间，T2、T3、T5、T12、T10、T6 、T8和T9峰值大于1，表现为窄峰，反映介质搬运动力作用强度依次减弱，T7、T1、T4、 T11峰值略小于1，表现为中等峰度，介质的搬用强度依次减弱，各参数指示的砾石层成因如表4。

对砾石a轴频数分布柱状图(图2)分析可知：各砾石层砾石a轴砾径跨度大，范围在11.98～193.94 mm之间；砾径分布基本服从正态分布，峰值分布范围靠前且较宽；砾径较大的砾石频数较少，除T5、T10、T11外，其余各阶地砾石a轴砾径分布较分散，且在某些砾径范围内未有分布，各砾径频数柱状图指示砾石经历中短距离的搬运。

由表4可知，各参数反映的砾石层成因具有一定的差异性，可能是由于黄河源区区域高差变化小，砾石未经充足搬运分选就发生了沉积。砾度参数反映的同一砾石层成因有差别，因此，对于砾石层成因的判断必须结合其他条件才能完成。前人研究[32-33]发现0.9～0.6 Ma B.P.时唐古拉山(海拔5 300 m)的最大雪线的平衡高度为4 250 m，昆仑山垭口(海拔4 767 m)上伏冰碛层只存在于山顶，冰碛层形成时间不晚于0.6 Ma B.P.，而共和盆地各阶地形成于0.11 Ma B.P.之后，且海拔高度均在2 900 m以下，远低于唐古拉山和昆仑山的海拔，盆地不可能形成冰川，所以砾石层成因中应排除冰碛成因，各砾石层均为流水成因。

3.3 砾态分析

砾石的Ψ和F可在一定程度反映介质条件的变化，一般认为随着介质作用的加强，Ψ增大，而F减小[29, 34-35]。P值越大表示磨圆度越好，搬运距离越大[4, 36]。由各砾石层砾态特征(表5)可知：各砾石层砾石形态总体以扁球状为主，不同阶地砾石在相同形态上的分布差别较大，T1、T5、T12 、T3、T6、T11形态以扁球体为主，其次为扁长体；T4、T10、T7、T8、T9形态以扁球体为主，其次为圆球体；T2形态以扁球体为主，其次为椭球体。形态特征也反映阶地砾石未经历远距离搬运。

表4 粒度参数反映的黄河阶地砾石层成因

图2 共和盆地黄河阶地砾石层a轴砾径频率分布柱状图Fig.2 The histograms of a-axon size-frequency distribution of conglomerate layers of the Yellow River’s terraces in Gonghe Basin

阶地形状/个圆球体扁球体椭球体扁长体FΨPF/Ψ风化程度1234T1115314222440656175401841600T220382220229065595385742600T321441223248065617543195500T421471814226066557537793700T521342223221067590036191810T6183714312560626125455702910T7234113232190675975354584110T833421213210069665323792100T9253516242350656025402871300T10194918142280666275372762220T1114421331269061710047989920T1213401829270062667548191900

图3 共和盆地各阶地砾石层砾石ab面倾向玫瑰花图Fig.3 Rose maps of gravel primeval a-b plane of the Yellow River’s terraces in Gonghe Basin

各砾石层Ψ在2.1～2.7之间，分布较集中，其中T12最大，T8最小。阶地砾石Ψ反映的介质作用强弱依次为T8>T7>T5>T4>T10>T2>T9>T1>T3>T6>T11>T12。球度范围在0.61～0.69之间，分布集中且一致性分布特征明显，T8最大，T12最小。F反映砾石层形成时流水作用强弱为T8>T7、T5>T10、T4>T9、T3、T2、T1>T6>T12>T11，与Ψ所反映的情况基本一致。球度系数范围在3.23～4.81之间，分布较集中。

P范围在55.75～71之间， T2、T4 、T5 和T7磨圆度较差，T1、T3、T6、T8、T9、T10、T11和T12磨圆度中等，总体来说P反映各阶地砾石未经历长距离的搬运。P反映阶地砾石层形成时砾石搬运距离的远近依次为：T11>T12>T8>T10、T1、T3>T6>T9>T7>T2>T5>T4。各砾石层砾石风化程度总体较弱，主要为1～2级，3级略有分布，说明本区砾石层主要遭受物理风化，化学风化则较弱。

综合分析可知，各砾石层的砾态系数分布较集中，一致性特征明显，由此可推断砾石层在成因上具有相似性。根据前人[4, 28-40]对河流相、冲洪积相、冰碛相砾石扁度和球度等的研究成果，结合区域考察结果确定各阶地砾石层最终成因(表4)， T1、T3、T4、T7、T8、T11为稳定的河流流水成因，T2、T5、T6、T9、T10和T12为流水冲积成因。

3.4 砾向分析

砾向是指砾石扁平面(a-b面)的产状要素，砾石原始平面优势指向可反映古河道方向与砾石来向[6]。根据野外砾石倾向测量数据，绘制各测点位置砾石最大扁平面(a-b面)倾向的玫瑰花图，如图3所示。由图3可知：各砾岩层的倾向玫瑰花图分布特征各不相同，砾石层砾石的主倾向明确，与野外观察结果一致。T1、T2、T5、T6和T10砾石来向与古水流流向较复杂， T3、T4、T7、T8、T9、 T11和T12砾石来向与古水流流向较简单。T1、T2、T6 、T7和T10以偏N向为主， T4、T5、T8、T9、T11和T12以S向为主，T3无绝对的主方向。

4 结 论

(1)共和盆地各砾石层砾石砾性组成与研究区内砾石组成一致，砾石形态特征以扁球体为主、磨圆度较差、风化程度低、分选性差，指示各砾石层砾石均源于四周山体和区域湖相地层，砾石未经远距离搬运。各砾石层平均砾径均大于中值砾径，小砾径砾石所占比重较大，说明各阶地砾石层形成时期介质动力不强。

(2)扁度与球度推断出各砾石层形成时期介质动力大小依次为T8>T7>T5>T4>T10>T2>T9>T1>T3>T6>T11>T12。由砾态和砾度参数并参考前人的研究结果推断出，T1、T3、T4、T7、T8、T11为稳定的河流流水成因，T2、T5、T6、T9、T10和T12为流水冲积成因。砾向研究表明T1、T2、T5、T6和T10砾石来向与古流水流向复杂，T3、T4、T7、T8、T9、T11和T12砾石来向与古河流流向较简单，各砾石层主方向与野外观察一致。

黄河阶地的全面研究可对青藏高原抬升与气候变化研究提供证据，阶地砾石层组构特征指示的环境意义虽简单，但其砾度和砾态反映的环境意义可与年代数据相结合来研究各层砾石形成时的气候变化与地面抬升状况。测量阶地剖面不同深度年代，并结合其他指标可反映具体的气候演变与地面抬升信息，这可作为今后研究青藏高原东北部气候变化与地面抬升的新切入点。

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