长江万州-巫山段阶地成因

杨坤美, 向 芳, 由文智, 周权平, 李 磊, 喻显涛

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.中国地质调查局 南京地质调查中心，南京 210016)

长江三峡段是地质学研究重点关注的区域，前人对长江三峡的起源贯通、三峡及邻区的河流阶地级数划分、阶地形成时间等问题的研究较多，而较少对阶地成因进行更深入的分析[1-4]。目前，大多数学者认为河流堆积-下切模式的变化既受河流系统内动力的控制，也受气候变化、构造运动、基准面变化3个外部因素控制。但由于受阶地保存、年代测定的限制，很难确定河流内动力因素，因而气候变化、构造运动、基准面变化被认为是阶地形成的主要原因[5-11]。受单一气候变化制约的河流阶地发育模式可以解释沉积物通量和径流量变化引起的河流堆积-侵蚀过程，但它难以解释形成多级阶地的逐步或间歇性下切过程，多级阶地的形成可能同时受到构造抬升和周期性气候变化的制约[12]。杨达源等[13]认为三峡阶地是构造作用导致地壳抬升引起河流下切的过程中，由于气侯变化以及三峡的流量、水位变化所造成的。但是，每一级阶地的类型、沉积物特征及所处的时代背景和地质背景不一样，阶地主控成因可能也会因此存在差异。本文在第四纪冰期-间冰期气候旋回和青藏高原隆升的大背景下，结合阶地类型、沉积物特征及年代学资料，探讨长江万州-巫山段河流阶地发育的成因，以期为长江演化研究提供新的证据。

1 研究区地质背景

研究区位于长江沿线的万州-巫山段(图1)，万州、奉节同处于万州拗陷带，巫山位于齐岳山隆褶带。在奉节至巫山段，因川东褶皱的影响出现东北-西南向的平行岭谷，可见三叠系巴东组砂页岩组成的向斜宽谷和由三叠系大冶灰岩组成的背斜山脊交替出现[14]。地壳的构造形变是控制河流地貌景观形成与演化的决定性因素[15]。峡区的新构造运动以巴东、巫山、奉节一带为中心，向东、向西降低，形成大面积的拱形隆起，自最高一级阶地形成迄今，整个峡区持续隆升，期间只有短暂的间歇[3,14]。在第四纪新构造运动的驱动下，四川、重庆范围内地壳普遍发生5～9次间歇性抬升，并在长江两岸形成多级阶地[16]。此外，研究区位于青藏高原的远周边区，印度板块向北俯冲，挤压亚欧板块，使青藏高原隆升与侧向挤压，引致挤压伸展隆升，向周边地区以波状形式传递，引起峡区的升降运动[17]。

图1 研究区位置Fig.1 The location of the study area

2 阶地沉积特征及其形成时间

对于三峡及其邻区河流阶地级数及形成时间的研究，国内学者基于不同的划分方法，提出众多的看法[1,3-4,18-20]。由于各地构造抬升幅度及阶地基岩抗侵蚀能力不同，若将异常高度的阶地划归为不同级的阶地或利用阶地的级数进行对比，有可能会造成不同区域阶地级数的缺失或增加。通过前人的研究结果，结合野外阶地高程特点、沉积物特征等方面的观察，认为长江干流两岸最多存在5级阶地。其中万州、奉节、巫山等地保存较为完整[21-22]。研究区阶地的基岩多为沙溪庙组、巴东组，岩性主要是泥岩、砂岩。研究区阶地主要有堆积阶地、侵蚀阶地和基座阶地3种类型(表1)。其中，研究区的T1、T2级阶地均为堆积阶地；除万州T4、T5级阶地属侵蚀阶地，其余T3、T4、T5级阶地皆为基座阶地。

表1 万州-巫山长江沿岸河流阶地的海拔高度和类型对比Table 1 Altitudes and types of river terraces along the Yangtze River in Wanzhou-Wushan section

研究区的阶地剖面中(图2)，万州地区T1阶地沉积物已被破坏，据田陵君[20]的记录主要表现为棕黄色黏土质砂沉积；T2阶地上部沉积物为黄土含腹足化石，下部沉积物为钙质胶结砂；T3阶地堆积物以棕黄色砾石层为主，夹透镜状砾石层，含钙质结核；T4、T5阶地阶坎上部未见沉积物，基岩裸露，且可见基岩侵蚀形成孤丘、孤峰，古河道展布于孤峰、陡崖间。奉节地区T1阶地上部为黄色粉砂质黏土，下部为砾石层；T2阶地沉积为黄色粉砂质亚黏土，偶夹大小混杂、略具定向性的砾石层；T3阶地沉积物主要为黄土黏土夹砾石层透镜体，含钙质结核；T4阶面已被耕种破坏，据田陵君[20]的记录，该级阶地沉积物为亚黏土夹砂层；T5阶地沉积物主要是褐黄色亚黏土夹砂层堆积。巫山T1阶地为黄土状堆积物，质地较为紧密、干燥；T2阶地露头均为疏松黄土，可见钙质结核；T3阶地为黄色黏土，含钙质结核；T4阶地沉积物为棕褐色黏土，未见砾石，下部有泥炭；T5阶地沉积物以棕色黏土沉积为主，未见砾石，在另一地点相同高度的富含钙屑的土黄色残坡积物中见小型溶洞，洞内充填有石钟乳或钟乳状钙结壳。

图2 万州-巫山段河流阶地剖面图Fig.2 Profile of fluvial terraces along the Wanzhou-Wushan section (据黄恒旭等[23]改绘)

Xiang等[22]通过对本研究区部分阶地沉积物的ESR年龄测定，并与前人的沉积年龄结果[4,19-20]合并比较，提出了研究区各级阶地形成时间(表2)，其中最老一级阶地形成于0.7～0.73 Ma B.P.，为中更新世早期。

表2 研究区河流阶地沉积物的地质年龄Table 2 Geological ages of fluvial terrace sediments in the study area

3 阶地成因讨论

河流阶地作为一种典型的台阶(阶梯)状地貌，其发育必须具备2个阶段，即堆积阶段和下切阶段。气候变化、构造运动和基准面变化被认为是阶地形成的主要原因。S.A.Schumm[24]、 J.E.Koss 等[25]基于实验模拟发现，海平面升降对滨海区河流冲淤行为有重要影响，但同时也发现基准面的变化对河流地貌的影响距离不超过400 km，对远离海洋的内陆区域几乎没有影响。研究区远离海洋，因此海平面升降对阶地发育的影响较小。

3.1 构造作用对阶地形成的控制

构造抬升导致河流梯度和水流势能的增加，为河流下切提供垂向空间，从而引起河流下切，形成阶地。进入第四纪，新构造运动上升节奏表现为缓慢-较快-较慢，特别是中更新世(730 ka B.P.)以来，长江三峡地区地壳上升的幅度增大，河流下切也随之增强[26]。

通过计算两级阶地阶坎间高度差和年龄差的比值，可以得出两级阶地间的下切速率(表3)。尽管河流的下切速率不等于区域的上升速率，但河流的下切速率可为估算区域上升速率提供可靠的定量约束[11,27-31]。图3-B显示了研究区阶地形成时间与下切速率之间的关系，在110 ka B.P.-现今的时间间隔内，表现为较大的下切速率。其中，110 ka B.P.-现在的平均下切速率高达2.15 m/ka，表明阶地在此期间快速下切，区域构造快速隆升，导致T1、T2、T3阶地的形成；相比之下，300～730 ka B.P.期间的下切速率显然没有110 ka B.P.以来的大，在长达400 ka的时间内仅形成了两级阶地；而在110～300 ka B.P.期间，河流下切速率更小，仅为0.18 m/ka，因而推测这是该期没有形成阶地的主要原因之一。张学年等[17]以河流平均枯水位作为相对侵蚀基准，估算出奉节-云阳地区在325～250 ka B.P.为地壳稳定期，250～120 ka B.P.为地壳下降期。地壳相对稳定或下降期间，河流不具备下切空间，再次证实了110～300 ka B.P.期间没有形成阶地主要是受到了相对稳定的构造背景的影响。在730 ka B.P.以来，研究区三地之间的下切速率相差不大，但仍存在一定的空间差异。巫山的河流下切速率大体上比万州、奉节两地的要大。受巫山比万州、奉节的下切速率大的影响，反映在长江三峡

表3 研究区各级阶地平均下切速率Table 3 Average downcutting rate of river terraces in the study area

阶地年龄引自Xiang等[22]。

两岸，巫山的隆升强度较大，表现在地貌上则是山势高度自西向东大致成一不对称的抛物线型，巫山一带为最高点。

从青藏高原隆升阶段可知，昆仑-黄河运动(昆黄运动)发生于1 100～600 ka B.P.，共和运动发生于150 ka B.P.[32-33]。构造作用影响下，河流侧向侵蚀和下切具有滞后性，Cheng[34]通过对川西安宁河的研究验证了这一理论。由此推测，研究区1 100～600 ka B.P.和150 ka B.P.以来所形成的河流阶地主要反映了青藏高原两期主要的构造隆升事件。从前面的讨论中我们可以得出：在T5阶地发育期间，平均下切速率为0.24 m/ka，反映了该区在700 ka B.P.前后，存在一定的区域构造抬升，响应了青藏高原的昆黄运动，发育万州-巫山地区T5阶地。T4阶地平均下切速率仅为0.18 m/ka，较之其他4级阶地偏小，反映了该级阶地形成期间区域构造隆升幅度较小。研究区T3、T2、T1阶地下切速率较大，反映110 ka B.P.以来研究区内地质构造抬升显著，响应了青藏高原的共和运动，并在短时间内形成了3级阶地。

3.2 冰期-间冰期旋回对阶地形成的控制

W.B.Bull[36-37]提出阶地的形成与河流流量、沉积物通量之间的平衡密切相关，G.S.Hancock等[38]通过数值模拟也证实了这一观点。气候旋回周期是影响河流阶地形成与演化的主控因素之一。主流观点认为阶地沉积序列一般是在冰期或寒冷时期形成的，区域植被退化、坡面剥蚀增强，且冰期气候具有不稳定性，冻融作用增强、洪水增多，从而导致大量的沉积物被携带至河流，水沙比相对减小，河流携带的物质易沿河谷堆积下来；在冰期向间冰期的转换期，气候不稳定性增强，雨量增加、植被恢复，入河沉积物减少，此时河流以下切为主；当全球气候完全回到温暖时期，大气和大洋环流也随之返回到了更加稳定的状态，河流系统的动力条件相对减弱，此时只能形成较薄的沉积物或形成的沉积物难以保存下来[10,39]。研究区T1、T2阶地沉积物以黄土状堆积物为主，T3以棕黄色砾石、黄土状黏土沉积为主；另外，我们还从奉节T2阶地沉积剖面中，观察到7层黄土夹钙质层，记录了7次冷-暖事件，反映了该级阶地在堆积期受小尺度气候旋回冷暖变化的控制。因此，沉积物的特征反映了一个较冷的沉积环境，即冰期环境是影响阶地堆积的原因之一。

图3为研究区阶地形成时间与深海氧同位素(MIS)气候旋回之间的关系，显示了峡区及其邻区阶地T5、T3、T2、T1的堆积期与深海氧同位素记录的寒冷期大致对应，即可能分别与MIS18、MIS5d、MIS3b、YD相关，而阶地的下切期则可能发生在MIS18-MIS17、MIS5d-MIS5c、MIS3b-MIS3a、YD-全新世的冰期-间冰期或冰阶-间冰阶的转换阶段。

图3 万州-巫山河流阶地形成时间、下切速率与深海氧同位素曲线的对比Fig.3 Comparison of the formation time, downcutting rate and deep-sea oxygen isotope curves of river terraces in Wanzhou-Wushan section灰色条带为该级阶地的年龄范围，T5等点的位置代表该级阶地的年龄中值。(A)深海氧同位素气候变化曲线[35]; (B)万州-巫山河流阶地平均下切速率变化曲线

中更新世转型期始于1 250 ka B.P.，结束于700 ka B.P.，期间表现为100 ka的气候周期。向芳等[2]通过研究重庆-宜昌阶地与夷平面、善溪窑组沉积得出长江贯通时间为730 ka B.P.。中更新世转型末期730 ka B.P.左右，即长江贯通后，在万州-巫山段发育最高一级阶地。因此，本文认为研究区河流系统对中更新世转型的响应驱动了T5阶地的形成。阶地年龄表明，T3、T2阶地主要对应于MIS5、MIS3的冷阶，受全球小尺度气候变化的影响，发育了以黄土含钙质堆积为主的阶地上部堆积物。另外，YD事件是一次极强的寒冷事件，其14C测定的年龄值为11～10 ka，持续了1 150～1 300 a，然后在大约10 a 内突然结束[40-41]。极端气候事件下的气候迅速增温，易引发大规模的洪水事件，加速河流的堆积和下切，因此，T1阶地的堆积可能在YD期间盛行，而在YD突然结束，即气候转换期主要发生下切行为。

MIS12是一个重要的气候周期，期间发生了大规模的冰川作用[8]。研究区T4阶地年龄范围包括MIS12阶段但又不仅限于MIS12。另外，T4阶地年龄与青藏高原聂聂雄拉冰期在时间上具有耦合关系(图4)，T4阶地沉积期和聂聂雄拉冰期在时间上都表现得异常长，表明了二者之间存在着联系。巫山T4阶地为基座阶地，棕褐色黏土堆积，未见砾石，下部有泥炭；万州T4阶地为侵蚀阶地，基岩被侵蚀形成孤丘。从观察到的阶地特征看，表现为温暖潮湿气候的产物，这似乎与冰期常见的堆积物不同。郭旭东[42]在研究珠穆朗玛峰地区第四纪气候时发现，受山地抬升的影响，在中更新世及更早之前，珠峰地区气候类型为海洋性气候，而晚更新世、全新世气候类型则为大陆性气候；两段时期内的冰川类型也存在差异，如早、中更新世的希夏邦马冰期、聂聂雄拉冰期珠峰北坡为大规模的海洋型山麓冰川，晚更新世、全新世内的冰期北坡变为大陆性的干冷气候，冰川则变为大陆型冰川。在研究区，T4、T5与T3、T2、T1阶地沉积物反映的气候冷暖情况不同，但5级阶地主要发育于冰期；从时间节点看，T4、T5与T3、T2、T1阶地沉积物冷暖特征变换恰与珠峰冰川类型变换具有同步性，这或许与海洋型冰川、大陆型冰川所处的气候背景有关。海洋型冰川是暖湿的海洋性气候的产物，冰川补给量和消融量均大[43]；而T4阶地发育时间与聂聂雄拉冰期发生时间具有高度的耦合性，因此推测T4阶地是与聂聂雄拉冰期海洋型冰川同为暖期气候下的产物。

图4 研究区阶地形成年代与青藏高原冰期旋回对比图Fig.4 Comparison of terrace formation age in the study area and glacial cycles of Qinghai-Tibet Plateau (据Xiang等[22]改绘)

T5阶地主要位于MIS18和MIS18-MIS17的气候转换期，从时间的角度看，阶地的堆积期发生在MIS18冰期；但从沉积物特征看，奉节、巫山T5阶地沉积物主要为褐黄色亚黏土夹砂层、棕色黏土，指示沉积物为暖期气候下的产物，且与巫山T5阶地同一高度的另一地点出现岩溶地貌，说明巫山附近地区早更新世气候温暖湿润，由此推测冰期对T5阶地的影响较小，或冰期环境并未被阶地沉积物记录下来。在冰期向间冰期转换期间，气候不稳定性增强，促进了河流的下切过程。因此推测气候周期变化对T5阶地的下切起到了促进作用。

从前面的讨论中可以得出，气候周期对研究区T5阶地的下切阶段、T4阶地的堆积阶段和T3、T2、T1阶地的堆积和下切阶段有重要的影响。但是，从0.73 Ma B.P.开始，存在MIS18-MIS1共18个冰期-间冰期旋回，然而在此期间只形成了5级阶地。D.R.Bridgland等[7]认为河流的堆积-下切行为并不能完全与气候的冰期-间冰期旋回严格对应，可能有时仅对一些重要的气候旋回做出响应。这也是研究区阶地数量与气候周期数量不同的主要原因之一。从青藏高原冰川系列与阶地发育时间、阶地沉积物特征发现，具有海洋型冰川特征的高原冰期影响着研究区T4阶地沉积物的发育，而具有大陆型冰川特征的高原冰期影响着研究区T3、T2、T1阶地的形成与演化。

4 讨 论

L.Starkel[44]通过模拟研究认为在相对稳定的区域，冰期-间冰期或冰阶-间冰阶表现为侧向平行的填充，并由下切阶段分隔，可发育内叠阶地、埋藏阶地；在轻微构造抬升作用的河段，可形成被厚层沉积物所覆盖的堆积阶地；在隆起更剧烈的山谷，具有很高的下切速率，在峡谷中形成侵蚀台阶，多发育基座阶地。单一的构造运动或单一的气候变化都难以形成多级基座阶地、堆积阶地、侵蚀阶地并存的阶地序列。D.R.Bridgland等[39]、Pan等[45]认为区域隆升为河流下切提供了垂向空间，决定了河流下切的幅度；而气候变化则通过流域降水、植被覆盖度等变化，影响着河流的径流量和含沙量，控制着河流的侵蚀和堆积过程，从而控制着阶地形成的时间。

110 ka B.P.以来较高的下切速率促进了T3、T2、T1阶地的下切行为，而阶地沉积物表现为冷期沉积物，且阶地堆积期主要集中在MIS5d、MIS3b、YD三个冷期。150 ka B.P.前后，青藏高原隆升到4 km以上，冬季风加强，对周围环境影响较大，奉节、巫山T3、T2、T1阶地均出现风成黄土或钙质结核，黄土远距离搬运到长江沿岸沉积指示干冷的古气候，也论证了研究区T3、T2、T1阶地沉积物沉积于冰期或冰阶。因此，综合前面的讨论，我们得出在T3、T2、T1阶地的形成期间是受构造-气候因素的共同影响，河流下切速率大，引致了3期阶地的快速下切，响应了共和运动的快速上升；同时，具有冰期沉积特征的沉积物沉积在阶面上，构成阶地的二元结构。T4阶地形成时间处于聂聂雄拉冰期，受冰期的影响发育阶地沉积物；T4阶地的下切速率较小，反映了阶地发育期间构造相对稳定，构造隆升幅度较小，换言之，即构造运动对T4阶地的发育影响较小，T4阶地也因此得以在长期相对稳定的地质背景下缓慢发育，长达200 ka。万州地区T5阶地为侵蚀阶地，阶地发育以下切为主；奉节、巫山T5阶地为基座阶地，显示出T5阶地形成时均下切到基岩。相对于重要构造运动的长时间尺度，100 ka的气候变化周期要短许多，昆黄运动构造剧烈运动影响万州-巫山段阶地发育，构造作用的影响超过了气候变化的影响。在L.Starkel[44]的模拟研究中，山谷隆起剧烈期间，发育侵蚀台阶，多形成基座阶地。因此认为T5阶地强烈下切至基岩主要受控于剧烈构造运动。在气候周期上，主要处于MIS18-MIS17冰期向间冰期的气候转换期上，通过流域内降水、植被覆盖度等变化影响着河流的径流量和含沙量，参与促进阶地的下切。

研究区3个地点均发育5级阶地，且同级阶地类型和堆积物具有一定的相似性，表明3个地点具有相似的地质构造特征和气候背景；但从表3和图3可以看出，3个地点在相同时间段具有不同的河流下切速率，从而反映出不同河段具有不一样的构造隆升强度。前人对三峡及其邻区新构造运动的研究也指出，该区存在构造隆升的差异性，峡区的新构造运动是以巴东、巫山、奉节一带为中心，近乎持续性大面积的拱形隆起[3,14]。除了构造运动以外，一些局部因素，如基岩岩性、次级构造断裂发育及活动强度、不同河段的滑坡堵江等因素也会造成不同河段的阶地发育存在差异。此外，研究区虽然是长江流域的一部分，但由于长江流域横跨多个构造单元和地貌单元，不同河段新构造运动、气候背景及河流地质作用等方面均存在差异，因此研究区阶地形成的控制因素可能不能完全代表整个长江流域阶地的形成模式，但是，却可以为不同河段阶地的成因研究提供参考。

5 结 论

a.通过对河流阶地的沉积特征和年代学分析，我们认为730 ka B.P.以来的长江万州-巫山段在构造-气候的共同作用下共发育了5级阶地。万州-巫山阶地存在2个下切期：700 ka B.P.前后、110 ka B.P.-现在，期间河流较大的下切速率响应了青藏高原昆黄运动、共和运动的构造抬升过程，即T5、T3-T1响应了1 100 ka B.P.以来青藏高原的两期主要的构造隆升事件。

b.通过研究阶地与深海氧同位素气候变化曲线、青藏高原冰期旋回的相关性，发现研究区阶地的堆积期主要受控于气候变化，T3、T2、T1分别对应于MIS5d、MIS3b、YD冷期；T4阶地处于深海氧同位素MIS12冷期、青藏高原聂聂雄拉冰期，沉积物特征异于T3、T2、T1，表现为具暖期特征的沉积物，响应了聂聂雄拉冰期珠峰北坡发育海洋型冰川的暖湿气候背景；T5阶地沉积期处于MIS18及MIS18-MIS17气候转换期，气候的不稳定性改变了河流的径流量和含沙量，促进河流的下切。