祁连山大通河河流阶地形成时代及地质意义

于 航， 步 凡， 胡道功， 张绪教， 杨金中

(1.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083； 2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081； 3.中国地质大学(北京)，北京 100083)

0 引言

河流两岸的剖面是河流地貌系统的重要组成部分，它的形成与侵蚀基准面下降所导致的河流快速下切密切相关。新构造运动和气候变化是控制侵蚀基准面下降的2个重要因素，二者通过改变河流流量和沉积物通量来控制河流阶地的形成[1-4]。在构造运动强烈的地方，构造抬升导致河流侵蚀基准面下降[5-10]； 在气候影响强烈的地方，气候变化导致河流阶地抬升速率加快[11-15]。因此，研究河流阶地剖面沉积物年代和抬升速率，对解译第四纪以来的新构造运动和气候变化具有重要意义。

第四纪测年方法很多,但每种方法都因测年所用的物质、被测事件的性质和给出年代的方式而具有一定的局限性[16]。根据不同的研究内容，采用不同的测年材料和测年技术，才能取得较可靠的年代数据。前人对河流阶地的研究部分应用光释光和热释光技术[17-19]，而ESR测年技术是现在较为普遍流行的测年手段之一。Tissoux 等[20]同时利用石英Al 心和Ti心ESR法对法国Indre 地区Creuse valley的河流阶地样品进行埋藏年代测试，结果表明石英Ti- Li心ESR信号较适合于中更新世河流阶地。此外，国内多人利用ESR测年技术进行第四纪测年，均取得较好结果[21-22]。

在祁连山地区，前人通过区域地质调查，将大通河河流阶地的形成时代定义为早更新世玉门砾岩时期，岩性为土黄—土红色砾石层，且成分复杂，判定沉积环境为冰水相沉积，且未有相关定量或者定性数据佐证结果。本文通过ESR测年技术测定大通河河流阶地剖面样品年龄，利用年龄数据与前人研究结果相比较，厘定剖面岩层的形成时代和沉积相环境，分析大通河形成年代和形成成因，通过河流阶地剖面沉积物年代和抬升速率，佐证大通河流域的重大历史构造运动和气候变化，对解释祁连山地区第四纪以来的新构造运动和气候变化具有重大意义。

1 研究区概况

大通河属于黄河水系，为黄河一级支流湟水的支流，地处青藏高原东北部祁连山地区，发源于青海省天峻县境内托勒南山，自西北向东南流经青海、甘肃两省。区为大通河上游一部分，位于37°50′～38°12′N、99°00′～100°00′E范围内，海拔约4 000 m，研究区内大通河上游由于水流冲刷形成宽谷，地势高，有大面积高海拔草原。研究区气温垂直变化明显，河流旺水季为每年6月至9月，其余时间的河流流水较少。

根据前人研究，祁连山地区自新生代发育有多级地貌面，最高一级夷平面于3.6 Ma B.P.之前解体[23]。在主夷平面之下是一级剥蚀面，削平的最新地层为第三纪疏勒河组红色砂岩，覆盖于砾石层上的黄土沉积年龄为1.4 Ma B.P.[24]，指示剥蚀面形成于1.4 Ma B.P.之前，之后开始发育形成现代水系。在剥蚀面之下，主要是以河流阶地和冲-洪积扇为代表的层状地貌面，自1.2 Ma B.P.以来各条河流发育了多级河流阶地[25-26]。

大通河等祁连山地区东段自更新世以来河流阶地较为发育，多发育有2～3级阶地，阶地类型为基座阶地。流域内河床、河漫滩多为全新世沉积物，河流阶地多为中晚更新世酒泉砾岩和戈壁砾岩时期沉积物，少数为早更新世玉门砾岩时期沉积物(图1)。

1.常年性河流； 2.季节性河流； 3.湖泊； 4.基岩； 5.早更新世沉积物； 6.中、晚更新世大通河河流阶地沉积物； 7.全新世大通河河床、河漫滩与河流阶地沉积物； 8.剖面沉积物采样点

图1祁连山地区大通河河谷第四纪地质图

Fig.1QuaternarygeologicalmapofDatong

RiverValleyinQilianMountains

2 大通河河流阶地剖面特征

祁连山地区采样点附近的大通河河流阶地海拔约3 800 m，剖面顶部的河拔高61.8 m。剖面主要以砂层、砂砾层为主，局部有黏土层、粉砂质黏土层出露。以砂砾层、砂层作为标志层，共划分出18层(图2)。

图2 祁连山地区大通河河流阶地剖面素描图

河流阶地剖面自上而下依次划分为：

①砂砾层。砾石成分以砂岩、辉长岩、辉石岩、糜棱岩、花岗岩、石英岩为主，成分复杂，砾径1～10 cm为主，分选一般，厚约2.0 m，为一般砂砾层，胶结差，1～2级磨圆。

②粉砂质黏土层。棕色粉砂质黏土，厚约1.2 m。

③砂砾层。为一般砂砾层，砾石成分以砂岩、辉长岩、辉石岩、糜棱岩、花岗岩、石英岩为主，成分复杂，砾径1～10 cm为主，分选一般，胶结差，1～2级磨圆，厚约2.5 m。

④砂砾层。厚约0.8 m，中细砂夹小砾，砾径1～3 cm为主(取样B1062-2)。

⑤砂砾层。该层厚约3.8 m，含有较多大砾石，砾石成分以砂岩、辉长岩、辉石岩、花岗糜棱岩、石英岩为主，成分复杂，分选差，砾径1～5 cm占60%，5～20 cm占40%，砾径较一般砾石层大，砾石之间为黄绿色粗砂。

⑥砂砾层。该层厚约1.0 m，为棕色—暗棕色中细砂含小砾，砾径1～3 cm为主(取样B1062-3)。

⑦砂砾层。该层厚约1.5 m，为一般砂砾层。

⑧砂砾层。厚约1.9 m，为亮棕色细砂含小砾，砾径1～3 cm为主，成分复杂，镜向西，中间有约30 cm的棕色黏土(黏土区域取样B1062-4)。

⑨砂砾层。厚约2.5 m，为一般砂砾层。

⑩砂层。厚约1.0 m，棕色细砂层，含砾较少，偶见小砾石(取样B1062-6)。

3 测年结果

江仓北地区的剖面中，从下部、中部、上部分别取样B1062-9、B1062-6、B1062-4、B1062-3和B1062-2，测出的年龄分别为(602±60) ka B.P.、(210±20) ka B.P.、(121±12) ka B.P.、(71±5) ka B.P.、(42±4) ka B.P.，说明剖面符合河流阶地的沉积旋回定律，下老上新。此外，还从与B1062-4对应河拔高度处取样B1051-1，与B1062-4的年龄进行横向对比，通过测年分析，B1051-1的年龄为(134±13) ka B.P.，与B1062-4的年龄大体相近(表1)，说明年龄较为真实可靠。

表1 大通河河流阶地砾石利用ESR技术测定年龄结果

注： 测试单位为中国地质调查局天津地质调查中心。

4 地质意义

4.1 大通河河流阶地形成年代和沉积环境

前人在区域地质调查时，将采样位置的剖面划分为早更新世玉门砾岩，为土黄—土红色砾石层，成分复杂，判定其为冰水沉积环境。但经过野外验证与ESR测年技术相佐证，该剖面岩层形成时代对应中晚更新世酒泉砾岩和戈壁砾岩时期，主要原因如下：

(1)剖面砾石较小，多以1～5 cm为主，剖面以砂砾层、砂层为主，与玉门砾岩的多为10～100 cm大砾石的组成不符。

(2)冰水沉积环境下的砾石的磨圆较差，多棱角状，分选较差，多为砾岩，砾石排列无规律。而剖面的砾石层磨圆较好，分选一般，砂砾层和砂层交替分布，砾石呈定向排列，长轴指向河流上游，这些都表明沉积环境应为河流相沉积。

(3)ESR测年结果表明，该剖面的沉积年代为中晚更新世，与玉门砾岩的形成时代(早更新世)不符。

4.2 大通河形成的原因

江仓地区在中新世白杨河组之后发生了大规模的盆山运动，可能为大通河形成的原因，新生代构造研究表明，逆冲断裂、活动褶皱、构造隆升普遍发生在祁连山、河西走廊和龙首山一带，整个祁连山地区都经历了强烈的构造变形[27]。而陈杰等[28]通过对祁连山北缘玉门盆地内褶皱带生长地层及内部渐进不整合填图和磁性地层年代学研究，发现褶皱变形在祁连山北麓的山前起始于3 Ma B.P.，而盆地内部的褶皱变形起始于1.2 Ma B.P.。这个方法或许在祁连山江仓地区，对大通河的成因也适用。由于大通河为祁连山内部区域构造运动形成，其很有可能在早更新世或者更早一些的时间形成。此外，昌马—祁连—海原大断裂发生在早更新世，大断裂直接影响了祁连山地区构造地貌的格局，但是否影响了大通河的形成，暂时不得而知，需要其他证据佐证。

4.3 河流阶地受构造运动和气候因素的影响结果

隆升速率是江仓地区隆升研究的重要问题之一，对其进行计算时，可用河流的下切速率代替江仓地区的隆升速率[29-31]。

通过ESR对剖面的年代计算，在(42±4)～(602±60) ka B.P.期间，大通河河流阶地共抬升了42.6 m，抬升速率平均为0.068～0.086 mm/a(表2)。而采样位置的河流海拔为3 817 m，根据野外考察，最早发现的河流剖面形成高度约为4 150 m。因此，可以初步推断大通河的形成年代为200～500 ka B.P.，即在早更新世或者更早的一些时间内形成。此外，在第三纪红层之中并未发现有河流相的沉积，可以初步判断大通河应该在5～8 Ma B.P.之后形成的。

表2 不同时期大通河河流阶地堆积厚度及堆积时间

从中更新世晚期到晚更新世早期((121±12)～(210±20) ka B.P.)，沉积速率相对于中更新世早期不断减慢，说明在这一时期的构造活动和气候变化强度减弱。在构造运动方面，沿断裂分布的水平剪切分量大幅度增大,进而引发了祁连山NWW向主断裂的走滑运动,这是造成祁连山NWW向断裂带走滑运动的重要原因之一,其发生时间应为第四纪早、中期之后。这一研究结果与近年来在一系列大断裂上取得的研究结果是一致的,如昌马—祁连—海原大断裂的走滑时间为早更新世末至中更新世初，由于祁连山构造应力场的旋转,引起了区内一系列重大的构造变动[32]。因此，可以判断由于山前的逆冲断裂[32]以及昌马—祁连—海原大断裂在早更新世末至中更新世初的影响，使得在(121±12)～(210±20) ka B.P.期间的构造活动没有中更新世早期那么强烈，河流阶地的抬升速率也因此减慢。在气候方面，此期间气候转向干旱寒冷，形成第三次寒冷期，且又出现一次冰期，但是不如前两次冰期这么寒冷[13]，气候由温暖湿润转变为寒冷干旱，或许是抬升速率下降的原因之一。在(42±4)～(121±12) ka B.P.期间，从更新世早期到中期，河流阶地的抬升速率不断加快，说明这一时期的构造活动和气候变化加强。在构造运动方面，发生在150 ka B.P.左右的共和运动，是一次强烈的构造抬升和河流深切事件[13]，反映为河流强烈的下切，或许是这次运动及之后产生的影响，致使大通河河流阶地抬升速率加快。在气候方面，此期间进入中期第三次温暖期，祁连山区北大河、疏勒河等各大河流径流增加，侵蚀和剥蚀作用加强河谷深切，出山口后在祁连山北麓前缘形成数级堆积阶地[18，33]。气候由寒冷干旱转变为温暖湿润也是大通河流域河流阶地在此期间加快抬升速率的原因。大通河河流阶地剖面的抬升速率为江仓地区的隆升提供了定量数据，江仓地区的快速抬升表明祁连山地区在该期间快速隆升，为青藏高原以面积和体积扩张的观点提供了新的依据[34-37]。

5 结论和建议

(1)通过野外验证，剖面砾石层磨圆较好，分选一般，粗细粒砾石岩层交替分布，砾石呈定向排列，长轴指向河流上游。因此，剖面不符合冰水沉积环境。结合ESR测年结果，判断剖面岩层形成时代对应中晚更新世酒泉砾岩和戈壁砾岩时期，沉积环境应为河流相沉积。

(2)ESR测年结果很好地表明，早在662～542 ka B.P.之前的中更新世早期，大通河不但已经形成，而且大通河水系发育有很好的沉积旋回。

(3)可能受到火烧沟组—白杨河组之后的中更新世盆山构造运动、早更新世祁连山褶皱变形及气候旋回等因素影响，大通河水系地貌发育，说明江仓地区的大幅度隆升应该发生在中更新世之前。经过对河流阶地抬升速率和其他因素的推算，表明大通河的形成应该为早更新世或者更早一点。

(4)从中更新世早期到中更新世晚期，剖面河流阶地抬升速率不断变缓，说明大通河流域构造运动和气候变化强度不断减弱； 但是从中更新世晚期到晚更新世中期，剖面河流阶地抬升速率不断加快，说明大通河流域的构造运动和气候变化强度加强，江仓地区在该期间的快速抬升速率表明祁连山地区在此期间快速隆升，为青藏高原以面积和体积扩张的观点提供了新的依据.

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