天山晚第四紀(jì)河流階地變形與構(gòu)造意義

天山晚第四紀(jì)河流階地變形與構(gòu)造意義

草莓位于中亞的南部，全長約2500公里，寬250.350公里。它是亞洲最重要的年輕山脈之一。目前，對年表上升趨勢和最新變形特征的研究已成為一個(gè)熱點(diǎn)。印度板塊與歐亞板塊的碰撞導(dǎo)致了年表的強(qiáng)烈上升。這種碰撞導(dǎo)致了股骨在山地北部兩側(cè)形成一系列擠壓覆蓋層。根據(jù)研究馬納斯河北緣的地表地殼變化直徑的相應(yīng)年齡，這一事件發(fā)生在大約（23.8.3.8）米的距離。通過河流剖面的變形和年表研究，研究區(qū)域內(nèi)晚第四紀(jì)地地殼運(yùn)動的特征和地殼縮短率可以可靠確定。Avouc和楊曉平等人在北天山通過變形階地的測量和年代學(xué)研究已經(jīng)初步得到中國北天山山前逆斷裂—背斜帶的縮短速率.筆者于2002—2003年對天山北麓幾條主要河流階地進(jìn)行了野外考察,特別是對塔西河上發(fā)育的河流階地變形和縱向相對高度變化進(jìn)行了實(shí)地測量,并結(jié)合前人得出的階地形成年代資料,對階地的變形特征、構(gòu)造意義及其形成提出一些新的認(rèn)識.1結(jié)構(gòu)及構(gòu)造背景塔西河位于新疆北天山中段的瑪納斯縣境內(nèi),發(fā)源于依連哈比爾尕山北坡,全長120km,年平均徑流量為2.32×108m3,橫切吐谷魯斷展背斜.天山北麓是一個(gè)山前薄皮構(gòu)造發(fā)育區(qū),所形成的北天山山前斷展褶皺系由三排沖斷褶皺帶構(gòu)成,即南部山麓沖斷褶皺帶、霍爾果斯—瑪納斯—吐谷魯沖斷褶皺帶、獨(dú)山子—安集海沖斷褶皺帶(圖1).塔西河所流經(jīng)的吐谷魯背斜位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣第二排沖斷褶皺構(gòu)造帶上,地貌上表現(xiàn)為走向近東西的長條形山體,最高峰位于塔西河以東約2km處,海拔1381.1m,向東西兩側(cè)高度逐漸遞減,為一典型的斷裂擴(kuò)展褶皺.在形成過程中,背斜中段前翼地層略有減薄,傾伏端前翼略有增厚.它開始形成于上新世末到早更新世初距今約2.92Ma.背斜最大縮短量為6000m,自開始形成以來平均縮短速率為2.06mm/a.2分類特征及變形分類2.1背斜緣結(jié)構(gòu)亞砂地層.塔西河兩岸不同程度地發(fā)育著三級階地,所有階地在靠近背斜核部均為基座階地,背斜兩側(cè)則為堆積階地.圖2是穿過背斜核部塔西河階地實(shí)測橫剖面圖現(xiàn)詳述如下:Ⅲ級階地在背斜南北兩翼均有分布,在背斜段僅殘存于零星的孤峰之上.階地面被一層黃土覆蓋其下為灰黑色礫石層,屬典型的“二元結(jié)構(gòu)”.此層黃土和灰黑色礫石層均具有在背斜核部厚度薄,兩翼厚度大的特征.Ⅱ級階地主要發(fā)育在塔西河西岸,在背斜北部與現(xiàn)代戈壁連為一體.階地面寬闊平坦,由礫石和亞砂土組成.其中,在背斜核部,Ⅱ級和Ⅲ級階地之間還發(fā)育次級階地Ⅱh,主要由砂礫石組成.Ⅰ級階地地勢低平,主要分布于現(xiàn)在河谷中,階地面由砂礫石、亞砂土等組成.階地面拔河高度約5～18m.在背斜核部地區(qū),還發(fā)育兩個(gè)次級小階地Ⅰh和Ⅰl.除此之外,由于吐谷魯背斜的構(gòu)造隆升,在塔西河切過吐谷魯背斜核部地區(qū),可以明顯看到河流階地的級數(shù)增加,現(xiàn)已發(fā)育了六級階地.2.2塔河西階地的實(shí)測測量2003年,我們采用GPS并結(jié)合1∶100000地形圖對塔西河發(fā)育的各級階地進(jìn)行了精細(xì)測量.所使用的儀器是GARMIN廠生產(chǎn)的GPS,型號為eTrexSummit,其水平定位精度達(dá)到1～3m,在校準(zhǔn)情況下,其高度測量精度達(dá)到±3m.在實(shí)際測量過程中,為求得更加精確的數(shù)據(jù),對吐谷魯背斜核部進(jìn)行了加密測量.圖3是塔西河階地實(shí)測縱剖面圖,從圖中可以看出,階地相對于現(xiàn)今的河床面均有不同程度的抬升.在吐谷魯背斜處,可以明顯看到由于褶皺隆起,階地的變形幅度隨之增大.從總的變形形態(tài)來看,河流階地的變形特征同吐谷魯背斜的形態(tài)基本一致,由于斷展背斜的發(fā)育,階地南翼變形緩,北翼陡.其中Ⅲ級階地變形幅度最大,背斜核部處相對于現(xiàn)今的河床面抬升了約268mⅡ級階地面發(fā)育連續(xù)完整,它的形態(tài)與Ⅲ級階地相似,同樣為一個(gè)南緩北陡的不對稱背斜.從圖中可以看出Ⅱ級階地背斜核部最高點(diǎn)較Ⅲ級階地明顯北移約2km;Ⅰ級階地同樣較Ⅱ級階核部最高點(diǎn)北移,體現(xiàn)了吐谷魯斷展背斜不斷向北擴(kuò)展的特點(diǎn).Ⅱ級階地和Ⅰ級階地在背斜核部處相對于現(xiàn)今河流水平面分別抬升了約67m和18m.2.3吐谷魯背斜隆升速率在每級階地上系統(tǒng)采集了用于確定階地形成年代的熱釋光樣品和C14樣品,由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還沒有得到,因而暫時(shí)采用鄧起東等所得到的年齡數(shù)據(jù).需要特別指出的是,表1中整體抬升速率是用各級階地間的高差除以相對隆升時(shí)間計(jì)算出來的.吐谷魯背斜處的整體抬升速率,是吐谷魯背斜褶皺隆起、天山地殼的區(qū)域性整體隆升以及氣候因素造成的下蝕作用的綜合結(jié)果.而最后一欄所顯示的吐谷魯背斜隆升速率則是在消除氣候影響和區(qū)域性隆升影響因素之后確定的.從表中可以看出,吐谷魯背斜的變形呈現(xiàn)脈動型特點(diǎn),在距今約12～13ka時(shí)隆升的速率最快,達(dá)到9.67～14.5mm/a,平均隆升速率為2.06～3.57mm/a.3討論和結(jié)論3.1氣候偏轉(zhuǎn)干冷條件下階地成因模式河流階地的形成受控于多種因素,但其中最重要的因素是新構(gòu)造運(yùn)動和古氣候變化.構(gòu)造抬升和氣候變化以及二者共同作用,可導(dǎo)致河流側(cè)蝕與下蝕發(fā)生相互轉(zhuǎn)換而形成階地,熊尚發(fā)把河流階地成因分為構(gòu)造模式和氣候模式2種,而潘保田和陳云則認(rèn)為構(gòu)造-氣候旋回控制階地的形成.構(gòu)造模式認(rèn)為,河流階地的發(fā)育主要受控于構(gòu)造抬升,氣候變化只起一定的作用,階地發(fā)育時(shí)間并不與特定的氣候狀態(tài)嚴(yán)格對應(yīng).氣候模式源于對第四紀(jì)以來構(gòu)造相對穩(wěn)定、地殼升降主要受冰蓋生、消控制的歐洲與北美地區(qū)河流階地的研究.在這里階地的形成被歸因于米蘭科維奇天文周期控制的全球冰期—間冰期變化,其中冰期對應(yīng)于河流的側(cè)蝕加積期,間冰期對應(yīng)于河流的下蝕切割期.構(gòu)造-氣候旋回的研究認(rèn)為,河流階地是在構(gòu)造運(yùn)動和氣候變化共同控制下形成的,導(dǎo)致河流下切的構(gòu)造抬升和導(dǎo)致河流加積的構(gòu)造穩(wěn)定時(shí)期分別與氣候轉(zhuǎn)為暖濕的間冰期和氣候轉(zhuǎn)為干冷的冰期之間存在著緊密的關(guān)系.從上述不同觀點(diǎn)可以看出,河流階地的形成明顯受所在地區(qū)構(gòu)造和氣候環(huán)境的控制,不同構(gòu)造和氣候環(huán)境下階地形成的主控因素不同,具體取決于構(gòu)造、氣候或構(gòu)造-氣候耦合作用對河流影響的強(qiáng)度從這種階地成因隨地域環(huán)境而改變的情況可進(jìn)一步推知,在同一地區(qū)不同時(shí)間有可能形成不同成因的階地,特別是在第四紀(jì)以來構(gòu)造運(yùn)動和氣候變化都非?；钴S的地區(qū).另外,對某一地區(qū)的某一地點(diǎn)(如構(gòu)造區(qū)內(nèi)的構(gòu)造帶)而言,階地的形成除直接受這一地點(diǎn)本身構(gòu)造活動過程的控制外,無疑還受更大區(qū)域構(gòu)造背景和氣候變化的影響.因此,某一具體地點(diǎn)或地段河流階地的成因可能不是唯一的,并且可能是多層次的,即既有反映區(qū)域控制因素的階地,也有反映所在局部地點(diǎn)或地段構(gòu)造活動的階地,前者具有區(qū)域的可對比性,而后者往往無法進(jìn)行區(qū)域的對比.階地形成的多成因性和多層次性對于塔西河河流階地具有重要意義.關(guān)于天山北麓山前主要地貌單元的形成發(fā)育時(shí)期,已有不少學(xué)者作過研究.前人認(rèn)為天山可以劃分出4期冰期.高望峰冰期發(fā)生在200～300ka以前;下望峰冰期發(fā)生在140～170ka之前;上望峰冰期發(fā)生在10～20ka之前;新冰期發(fā)生在2～3.5ka之前,其間為間冰期.間冰期或冰后期氣候濕潤,因而河流以下切作用為主,冰期中所堆積的冰水沖洪積扇被下切,進(jìn)而廢棄形成階地.天山位于歐亞大陸腹地,屬于典型的內(nèi)陸半干旱氣候,山前的沖、洪積地貌和堆積物的形成與冰期和氣候變化有直接關(guān)系.晚新生代印—藏碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)使天山再次活躍,現(xiàn)今GPS觀測、變形的河流階地研究均表明天山地區(qū)至今仍有較高速率的地殼變形.處于這樣一個(gè)大的構(gòu)造背景下,本區(qū)河流階地的隆升必然要受到天山總體隆升的影響,因而構(gòu)造因素在討論本區(qū)階地的形成是不可或缺的.從野外實(shí)地考察來看,Ⅲ級階地發(fā)育連續(xù)而完整,從河口一直延伸到石門子水庫,具有區(qū)域性的特點(diǎn),達(dá)34km.后期主要受吐谷魯背斜的隆升而發(fā)生一定程度的變形;從沉積物的發(fā)育特點(diǎn)來看,Ⅲ級階地面被一層黃土覆蓋,具有“二元結(jié)構(gòu)”,而黃土一般被認(rèn)為是寒冷干燥氣候下的產(chǎn)物,應(yīng)該是冰期的沉積,很可能形成于上望峰冰期的第二期冰水沖洪積扇,推測三級階地是距今140～170ka的下望峰冰期的堆積產(chǎn)物,因而在Ⅲ級階地的形成過程中,氣候因素應(yīng)是主導(dǎo)因素;Ⅱ級和Ⅰ級階地均發(fā)育在距背斜核部5km范圍之內(nèi),三級階地間的小階地則見于背斜核部,這表明階地的形成與構(gòu)造因素有關(guān),但從沉積物特征看氣候因素也是重要的.因而應(yīng)該說它們的形成體現(xiàn)了多成因性和多層次性,是構(gòu)造-氣候相互耦合作用的結(jié)果.3.2河流階地的形成與發(fā)育筆者通過對穿過吐谷魯背斜核部的塔西河變形階地的實(shí)地測量得到了各級階地相對于現(xiàn)今河