三峽河段階地分布特征及其對(duì)河流下切速率的影響

1實(shí)踐與結(jié)果:長(zhǎng)江流域下切速率一詞及地質(zhì)意義河流碎石率的研究一直是地質(zhì)勘探的熱點(diǎn)。它不僅關(guān)系到定量恢復(fù)河流形態(tài)的過(guò)程，也關(guān)系到闡明其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái),長(zhǎng)江三峽地區(qū)一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)地區(qū),但是國(guó)內(nèi)外關(guān)于長(zhǎng)江三峽河段下切速率的研究并不多見(jiàn),有的學(xué)者計(jì)算出了T3形成以來(lái)的三峽地區(qū)新構(gòu)造上升速度,這對(duì)研究三峽河段下切速率有一定的借鑒意義。但是該地區(qū)階地形成時(shí)代和級(jí)序判定存在爭(zhēng)議。長(zhǎng)江三峽河段平水期和洪水期水位變幅大,而且河流堆積物保存不完整,這些因素給定量計(jì)算河流的下切速率帶來(lái)了一定困難。本文在重新調(diào)查長(zhǎng)江三峽河段階地的基礎(chǔ)上,通過(guò)河流沉積物沉積相的分析和熱釋光(TL)測(cè)年,計(jì)算出了長(zhǎng)江三峽河段的下切速率。本文所指的長(zhǎng)江三峽河段西起重慶市,東到湖北宜昌市(圖1),全長(zhǎng)660km。它沿鄂西、湘西和貴州高原的西北邊緣,穿越了川東褶皺帶的多重背斜山脈以及黃陵背斜構(gòu)造帶的拱狀隆起后,向東注入江漢-洞庭盆地。長(zhǎng)江三峽河段以奉節(jié)白帝城為界分成兩段。奉節(jié)以西河段為四川盆地川東低山丘陵寬谷區(qū),其中奉節(jié)至涪陵河段,江面開(kāi)闊,一般寬約400～1000m,河谷兩岸階地發(fā)育,涪陵至重慶河段地貌特征為寬谷和低山峽谷。奉節(jié)以東到湖北宜昌河段即傳統(tǒng)意義上的三峽河段,為中低山峽谷區(qū),山頂高程多在1000～2000m之間,河谷狹窄、岸坡陡峭。2學(xué)習(xí)方法2.1階地堆積物堆積物保存完整的階地結(jié)構(gòu)為:上部為粉細(xì)砂和粘土組成的細(xì)顆粒沉積,屬河漫灘相堆積;中部是由砂、礫組成的粗顆粒堆積,屬河床相堆積;下部為基座,基座有的是基巖,有的是以前的階地堆積物被侵蝕的殘余。由于后期的變化,階地可能缺失河漫灘相沉積或河床相沉積,在調(diào)查中發(fā)現(xiàn),三峽河段多數(shù)地點(diǎn)的低階地堆積物以河漫灘相沉積為主,大部分地點(diǎn)第三、四級(jí)階地堆積物則是以河床相沉積為主。有的甚至兩種堆積物都沒(méi)有,如侵蝕階地。不同堆積物巖相指示的古地理意義也有很大差異,細(xì)顆粒的河漫灘相指示洪水泛濫沉積;粗顆粒堆積指示具有一定水深的河床沉積,但在指示古水位高度方面精度較差。而侵蝕階地表層沒(méi)有堆積物,很難測(cè)年也難以估計(jì)沉積水深,故此無(wú)法用侵蝕階地來(lái)研究河流下切。2.2關(guān)于階地高度的計(jì)算公式前人有多種計(jì)算方法,沈玉昌以當(dāng)?shù)睾恿鞯钠剿黄鹚?劉興詩(shī)以枯水位起算,楊達(dá)源以一般洪水位起算。由于長(zhǎng)江三峽河段水位的年內(nèi)和年際變化較大,而且不同地點(diǎn)之間的差別也很大,因此,不同方法的計(jì)算結(jié)果有很大差異。例如,在巫山附近進(jìn)行階地高度的測(cè)量,若分別以平水位、枯水位起算同一級(jí)階地的高度,就比一般洪水位起算分別要高35m和70m左右。所以,本文根據(jù)階地堆積物沉積相指示的古地理指示意義,推算其沉積水深,求出當(dāng)時(shí)的水位,再測(cè)量自階地堆積物形成以來(lái)到現(xiàn)在相同水文條件下長(zhǎng)江水位的下降幅度,作為階地的相對(duì)高度,即河流階地上的堆積物樣品高程與現(xiàn)代河床中相同沉積相堆積物的相對(duì)高差,并作為該地點(diǎn)河流的深切幅度。此外,有些階地發(fā)生了滑動(dòng)與錯(cuò)落的變位,如忠縣水平小區(qū)第二級(jí)階地前緣已經(jīng)錯(cuò)落并行成3級(jí)平臺(tái),在計(jì)算階地相對(duì)高度時(shí),充分考慮了變位量。2.3核心樣品的堆積相分析在重慶李家沱等8個(gè)地點(diǎn)共采集了熱釋光(TL)法測(cè)年所需的樣品17個(gè)(見(jiàn)圖1),同時(shí)為了充分考慮樣品的代表性,盡量選擇河床相或者河漫灘相中的沙樣,有些高階地的表層堆積物是次生堆積,樣品的測(cè)年可能代表次生堆積物形成的時(shí)代。在這種情況下,盡可能與采樣點(diǎn)沉積相的分析結(jié)合起來(lái)。本次TL年齡的測(cè)量由中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所熱釋光實(shí)驗(yàn)室完成,測(cè)量?jī)x器是北京261廠生產(chǎn)的型號(hào)為F-427A的熱釋光劑量?jī)x,其測(cè)量對(duì)象是樣品中的礦物集合體,使用附加劑量法測(cè)古劑量,年劑量根據(jù)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院所測(cè)量樣品的放射性元素含量而確定。3實(shí)踐的分級(jí):晚更新世至未來(lái)階地的形成時(shí)代70年前,巴爾博認(rèn)為長(zhǎng)江三峽河谷中幾乎沒(méi)有階地的分布;20世紀(jì)50年代末,沈玉昌認(rèn)為:“事實(shí)上從奉節(jié)到宜昌有10級(jí)明顯的階地,再往上到四川萬(wàn)縣、重慶等地有5級(jí)階地的分布”;到了80年代,劉興詩(shī)提出三峽河谷中只有6級(jí)階地;李吉均等則認(rèn)為,長(zhǎng)江三峽河段的階地在宜昌地區(qū)有6級(jí),宜昌以上的地區(qū)為7級(jí)。關(guān)于長(zhǎng)江三峽階地的形成時(shí)代,沈玉昌認(rèn)為第一級(jí)階地可能形成于晚更新世晚期,第五級(jí)以上的階地形成于晚第三紀(jì)末期;劉興詩(shī)認(rèn)為三峽的6級(jí)階地均形成于第四紀(jì),第一級(jí)階地上部堆積物形成于全新世,而下部堆積物形成于晚更新世晚期;楊達(dá)源認(rèn)為巴東至宜昌附近兩岸的第一級(jí)階地形成于全新世,巴東以下的第二級(jí)階地形成于24kaB.P.,第三級(jí)階地形成于90.9kaB.P.,第四級(jí)階地形成距今11萬(wàn)年以前,第五、六級(jí)階地形成于距今73萬(wàn)年以前,巫山、奉節(jié)、云陽(yáng)等地的第一級(jí)階地形成于晚更新世,相當(dāng)于重慶、宜昌附近的第二級(jí)階地;李吉均等則認(rèn)為第一至第五級(jí)階地形成于0.01～0.73MaB.P.之間,第五至第六級(jí)階地形成于0.73～1.16MaB.P.之間。3.1第四級(jí)階地長(zhǎng)江三峽河段的階地主要分布在寬谷河段和長(zhǎng)江支流河口部位,多數(shù)分布在彎曲河道的凸岸,個(gè)別在凹岸,例如豐都縣鎮(zhèn)江鎮(zhèn)的第二、三級(jí)階地就出現(xiàn)在長(zhǎng)江凹岸。在重慶附近有6級(jí)階地,往下直到三斗坪一帶,最多只有4級(jí)階地,一般只有2或3級(jí)階地。第四級(jí)階地主要分布在秭歸龍江鎮(zhèn)、巫山、云陽(yáng)和重慶一帶。第二、三級(jí)階地均為基座階地,主要分布在云陽(yáng)以上寬谷段彎道的凸岸以及支流河口的兩側(cè),少數(shù)分布在基巖島上。重慶巴縣到萬(wàn)州以及湖北巴東官渡口附近向下到三斗坪,除了其間的峽谷河段以外,沿長(zhǎng)江干流兩岸,第一級(jí)階地分布比較普遍一些。3.2數(shù)據(jù)分析結(jié)果重慶市廣陽(yáng)壩大旗寺的第一級(jí)階地(194m,階地面海拔高度,下同)堆積物為河漫灘相沉積,棕褐色粉砂、細(xì)砂,上部粉砂層的TL測(cè)年結(jié)果為17.42±1.48kaB.P.。第二級(jí)階地(203m)的堆積物剖面分為3層,上部為50cm厚的黃褐色細(xì)砂,中部為30cm左右的灰白色粘土,下部為棕黃色粉沙質(zhì)粘土,堆積物類型為河漫灘相沉積,TL年齡為28.25±2.40kaB.P.。第三級(jí)階地(254m)的階地堆積物厚度大于2m,為棕色粉砂夾礫石,屬河床相沉積,其TL年齡為104.71±8.90kaB.P.(表1)。重慶市區(qū)附近分布有許多高度不等的平臺(tái)。位于李家沱黃家咀的第二級(jí)階地(208m)保存比較完整,階地堆積物為河漫灘相沉積,灰色的粉砂厚3m左右。距離地表3m處取TL測(cè)年樣品,其測(cè)年結(jié)果為45.92±3.90kaB.P.(見(jiàn)表1)。涪陵焦巖一帶的第二級(jí)階地(178m)堆積物類型為河床相沉積,并且砂礫已經(jīng)膠結(jié)成巖,含砂質(zhì)透鏡體,其厚度達(dá)3m。在礫石層中采集了TL測(cè)年樣品,測(cè)年結(jié)果為38.33±3.26kaB.P.(見(jiàn)表1)。豐都鎮(zhèn)江鎮(zhèn)附近的第三級(jí)階地(192m)堆積物由礫石層組成,屬河床相沉積,厚度約17m,在礫石層中采集了TL樣品,年齡為81.34±6.91kaB.P.(見(jiàn)表1)。忠縣水平小區(qū)一帶的第一級(jí)階地(148m)堆積物為河漫灘相沉積,淺黃色沙土的可見(jiàn)厚度約10m,在該層頂部取TL測(cè)年樣品,測(cè)試結(jié)果為7.22±0.61kaB.P.。第二級(jí)階地堆積物(172m)是礫石層夾黃褐色沙土,可見(jiàn)厚度約2～3m,TL樣品取自礫石層中的砂質(zhì)透鏡體,測(cè)年結(jié)果為61.93±5.26kaB.P.(見(jiàn)表1)。萬(wàn)州五橋寨子寶附近第四級(jí)階地(227m)的堆積物為河漫灘相沉積,棕黃色粉砂質(zhì)沖積物厚約2m,在粉砂層底部取TL測(cè)年樣品,其結(jié)果為126.58±10.67kaB.P.(見(jiàn)表1)。奉節(jié)縣白帝鎮(zhèn)附近的第三級(jí)階地(155m)堆積物為灰黃礫石層,厚度大于2m,礫石層上覆厚約1m的土黃色粉砂,TL測(cè)年樣品取自該層,其年齡為75.13±6.39kaB.P。第四級(jí)階地(194m)的階地堆積物為礫石層夾沙土,呈棕色,礫石風(fēng)化較嚴(yán)重,TL測(cè)年樣品取自礫石層中的沙土,測(cè)試結(jié)果為102.86±8.74kaB.P.(見(jiàn)表1)。宜昌三斗坪-茅坪一帶的第一級(jí)階地堆積物為厚7～10m的含粘土粉砂層,第一級(jí)階地前緣邊坡出露花崗巖,花崗巖上面有鈣質(zhì)沉積物,其14C年齡為20.21±0.90kaB.P.(見(jiàn)表1)。3.3該河段的平均下切速率長(zhǎng)江三峽河段不同地點(diǎn)階地堆積物的TL年齡或14C年齡從約127kaB.P.至7kaB.P.(見(jiàn)表1)。把階地的相對(duì)高程作為階地堆積物形成以來(lái)河流的下切幅度,除以階地堆積物的TL年齡,得出該河段該時(shí)段的平均下切速率(見(jiàn)表1):重慶河段為84.56cm/ka,涪陵河段為93.9cm/ka,豐都河段為69.8cm/ka,忠縣河段為77.65cm/ka,萬(wàn)州河段為75.1cm/ka,奉節(jié)河段為83.8cm/ka,宜昌三斗坪河段為74.2cm/ka。整個(gè)三峽河段的平均下切速率為81.2cm/ka。4第三,該規(guī)則的進(jìn)一步驗(yàn)證(1)對(duì)長(zhǎng)江三峽河段多個(gè)地點(diǎn)階地的研究表明:TL測(cè)年數(shù)據(jù)與階地級(jí)序基本相符,測(cè)年數(shù)據(jù)基本可靠。若干地點(diǎn)同為第二或第三級(jí)階地堆積物,其TL年齡存在較大的差別(見(jiàn)表1)。究其原因,一方面可能是由于階地的劃分還存在問(wèn)題,階地發(fā)育不完整或者受到后期的破壞,均可能導(dǎo)致標(biāo)定的級(jí)序不正確。另一方面,不同地點(diǎn)的階地本身不能簡(jiǎn)單對(duì)比,它們也許確實(shí)就形成于不同的時(shí)間。此外,階地堆積物保存狀況與年代也有關(guān)。一般來(lái)說(shuō),山區(qū)河流階地中部粗顆粒堆積形成時(shí)代比上部細(xì)顆粒形成時(shí)代要早,所以,多數(shù)情況下階地粗顆粒堆積物樣品的測(cè)年數(shù)據(jù)要比上部細(xì)顆粒堆積物樣品的測(cè)年數(shù)據(jù)要老的多。目前計(jì)算河流下切速率面臨的困難有兩個(gè)方面,即估算深切幅度和測(cè)定年齡。本研究所采用的估算深切幅度的方法可以盡最大的可能消除誤差。所以本項(xiàng)研究中,難以準(zhǔn)確地測(cè)定階地年齡就成為下切速率準(zhǔn)確與否的主要影響因素。對(duì)于測(cè)定幾十萬(wàn)年以來(lái)的階地,當(dāng)前缺乏高分辨率的測(cè)年方法。國(guó)內(nèi)在測(cè)定相對(duì)年輕的階地時(shí),比較常用的方法是TL法、14C法和光釋光(OSL)法,利用階地上的風(fēng)成堆積序列也可以推測(cè)出階地的形成年齡。最近國(guó)際上使用宇宙射線暴露(CRE)法測(cè)定階地的年齡,不過(guò)該方法也存在較大的誤差。以后若條件允許,可以使用光釋光單片技術(shù)來(lái)測(cè)定階地的年齡,因?yàn)樵摷夹g(shù)更適合河流相沉積物的測(cè)年。盡管測(cè)年精度不高是導(dǎo)致下切速率計(jì)算出現(xiàn)誤差的主要原因,但由于本次階地調(diào)查是按千年、幾千年尺度判別階地堆積物的形成時(shí)代,所以在沒(méi)有更多證據(jù)的情況下,認(rèn)為本次T1～T3的TL測(cè)年數(shù)據(jù)基本可以滿足要求。(2)研究區(qū)域不同河段下切速率沒(méi)有顯著的差別。從重慶到宜昌三斗坪,當(dāng)河流穿過(guò)豐都、忠縣和萬(wàn)州等向斜寬谷河段時(shí),下切速率似乎相對(duì)較慢,河流穿過(guò)背斜山系峽谷河段時(shí),下切速率似乎相對(duì)較快,這種可能存在的差別雖然同三峽河段的河床縱剖面線疏密變化一致,但由于各地點(diǎn)下切速率的差異均小于可能的年代誤差,所以上述判斷需要依靠今后更精確的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證。萬(wàn)州、忠縣和涪陵等地點(diǎn)在126.58kaB.P.以來(lái)、61.39kaB.P.以來(lái)、38.33kaB.P.以來(lái)的平均下切速率分別為75.1cm/ka,79.1cm/ka和93.9cm/ka(見(jiàn)表1),下切速率在時(shí)間軸上似乎有越來(lái)越快的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象得到其他研究的支持,根據(jù)楊達(dá)源等對(duì)秭歸九龍鎮(zhèn)馬龍溪口附近第四級(jí)階地底部鷂子礫巖的研究,得出0.4Ma以來(lái)該地點(diǎn)長(zhǎng)江下切速率為25cm/ka,這個(gè)數(shù)據(jù)明顯小于本文所得到的在過(guò)去約0.1Ma時(shí)間內(nèi)的平均下切速率(見(jiàn)表1)。我們認(rèn)為0.4Ma以來(lái)三峽河段下切速率有越來(lái)越快的趨勢(shì),可能由以下原因造成的:1)構(gòu)造隆升,由于長(zhǎng)江三峽地區(qū)新構(gòu)造隆升侵蝕基準(zhǔn)面的變化,從而引起了河流的下切加劇;2)由于川西高原,滇西高原的強(qiáng)烈隆升,而江漢-洞庭湖盆地的相對(duì)下陷,使得長(zhǎng)江三峽河段的縱比降增大,河流溯源侵蝕加強(qiáng),河流的垂直下切作用則相應(yīng)增大;3)氣候變化,川西高原和云南高原的強(qiáng)烈隆升,在其達(dá)到最大降雨高度之前,該地的降水會(huì)逐漸大幅增加,同時(shí)大大增加了地表徑流和河水流量。上游豐富的來(lái)水匯入長(zhǎng)江三峽河段,有著巨大的能量,河流的側(cè)蝕既受到限制,勢(shì)必用于下蝕深切。(3)國(guó)外某些河流的下切速率介于4～150cm/ka之間(表2),三峽河段的下切速率在此范圍內(nèi)。值得注意的是,長(zhǎng)江三峽河段的平均下切速率和法國(guó)西阿爾卑斯的Bu?ch河在190ka以來(lái)的下切速率80cm/ka相近。據(jù)研究,Bu?ch河的下切速率反映了區(qū)域性剝蝕速率,而與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān),根據(jù)國(guó)內(nèi)關(guān)于長(zhǎng)江三峽地區(qū)剝蝕速率的研究并不多見(jiàn),有的學(xué)者研究長(zhǎng)江三峽黃陵背斜段地質(zhì)時(shí)期結(jié)晶巖風(fēng)化剝蝕速率為16.97cm/ka,如果長(zhǎng)江三峽河段過(guò)去約0.1Ma內(nèi)的剝蝕速率也保持在這個(gè)水平上,則下切速率遠(yuǎn)大于剝蝕速率,這顯示長(zhǎng)江三峽河段不存在類似于Bu?ch河的區(qū)域性剝蝕控制的下切速率相對(duì)穩(wěn)定的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)一些河流的下切速率介于59～507.9cm/ka之間(見(jiàn)表2)。我們對(duì)金沙江下段元謀龍街至祿勸金坪子河段進(jìn)行了相似的研究,并用同樣的計(jì)算方法算出了不同地點(diǎn)河段的下切速率(見(jiàn)表2),可以看出金沙江下段的下切速率大小與長(zhǎng)江三峽河段相當(dāng)。所以,我們推測(cè)這兩個(gè)地區(qū)的新構(gòu)造抬升幅度大體一致,這可能與金沙江東流、與長(zhǎng)江貫通時(shí)代相近以及青藏高原東緣的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的掀斜上升有關(guān)。同時(shí),通過(guò)對(duì)黃河上游瑪曲、唐乃亥、貴德盆地3個(gè)河段下切速率(見(jiàn)表2)的分析,結(jié)果表明黃河上游下切速率由東