天山北麓河流階地年代的新認(rèn)識(shí)

1山東河河階地的形成時(shí)代作為記錄山脈上升歷史的重要地質(zhì)單位，其構(gòu)造相關(guān)沉積和帶狀地形（野蠻剖面、剝削面、分級(jí)面等）一直是構(gòu)造地形研究最重要的內(nèi)容和對(duì)象之一。在對(duì)最近地質(zhì)時(shí)期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)研究中，河流路徑的信息包括豐富的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候變化信息，因此具有重要意義[9、10、12、14、15、16、17、18、19、20、21、22]。因此,階地序列及階地的構(gòu)造變形等一系列問題一直是新構(gòu)造和古氣候研究的重要內(nèi)容,而階地年代則是其分析的基礎(chǔ)與前提。盡管最近一、二十年來由于測年技術(shù)的發(fā)展[22,23,24,25,26,27,28,29],河流階地研究取得了很大進(jìn)展[9,10,12,14,15,16,17,18,19,20,21,22],但在具體研究過程中,常常由于缺乏適合測年的材料以及測年技術(shù)手段的限制等因素而難以取得可靠的年代數(shù)據(jù),以致限制了對(duì)階地相關(guān)資料的深入分析。天山具有十分復(fù)雜的演化歷史,自新生代以來,由于受到印度—?dú)W亞板塊碰撞作用,天山北麓逐漸形成現(xiàn)今地貌與構(gòu)造格局,而河流階地發(fā)育與變形則明顯受天山北麓特有構(gòu)造地貌格局的影響。目前對(duì)于天山北麓河流階地的研究多集中在階地的發(fā)育特征和變形上[35,36,37,39,40,41],現(xiàn)有的關(guān)于階地年代的報(bào)道存在很大分歧。根據(jù)方小敏等對(duì)天山北麓清水河T6階地(與本文階地劃分一致,對(duì)應(yīng)于其他文獻(xiàn)中的Ⅲ級(jí)階地)上覆黃土進(jìn)行的磁性地層研究結(jié)論推斷,T6階地形成時(shí)間將不晚于0.8MaBP;王永等根據(jù)熱釋光年齡和沉積速率得出安集海河高階地的形成年齡為約0.14~0.12MaBP;文獻(xiàn)給出的塔西河Ⅲ級(jí)階地即T6的形成時(shí)間更晚,為0.03MaBP;張培震等則根據(jù)北天山冰期、冰水沖洪積扇與階地的對(duì)應(yīng)關(guān)系,推斷天山北麓河流Ⅲ級(jí)階地形成于約0.12~0.06MaBP?；诖?本文通過詳細(xì)的野外工作,試圖弄清天山北麓主要河流的階地序列,進(jìn)而依據(jù)黃土—古土壤序列分析和ESR與OSL測年,以提出關(guān)于天山北麓河流階地序列及發(fā)育年代的新看法。2地表背斜帶的演變天山山體夾持于南部的塔里木盆地與北部的準(zhǔn)噶爾盆地之間,形成巨大的地勢落差。新生代以來,由于受到印度—?dú)W亞板塊碰撞擠壓作用的影響(圖1a),天山地區(qū)明顯受南北向應(yīng)力擠壓而發(fā)生地殼縮短,山體再次隆起,兩側(cè)盆地進(jìn)一步坳陷。在天山北麓山前坳陷內(nèi)強(qiáng)烈變形的擠壓構(gòu)造帶形成了山前逆沖席體,在地表表現(xiàn)為一系列近東西向延伸的受逆斷裂控制的背斜帶,由南向北分別為第I排山麓背斜帶(包括齊古背斜和南安集海背斜等)、第II排吐谷魯—瑪納斯—霍爾果斯背斜帶以及第III排安集?！驳隆?dú)山子背斜帶(圖1b)。研究表明,這三排背斜帶形成時(shí)間從南向北由老到新,即第I排山麓背斜帶主要形成于晚中新世—上新世時(shí)期;第Ⅱ排背斜帶構(gòu)造變形的起始時(shí)間約在上新世末—早更新世初;第III排背斜帶形成于早更新世末—中更新世初。被卷入背斜的新生代地層在背斜的南北兩翼成近似對(duì)稱分布(圖1b)。此外,在第III排背斜帶西北的烏蘇附近發(fā)育了一個(gè)形成時(shí)代更新、隆起幅度更小的西湖隆起,是一個(gè)正在活動(dòng)的活動(dòng)背斜。一系列南北流向的河流橫切這三排背斜帶(圖1b),河流在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下遷移改道,發(fā)育的河流階地則受背斜帶構(gòu)造活動(dòng)的影響而發(fā)生變形和變位。因此關(guān)于階地的發(fā)育特征及變形研究對(duì)揭示天山北麓晚新生代的構(gòu)造活動(dòng)有重要意義,而階地發(fā)育年代則是分析的基礎(chǔ)。3河流階地特征盡管前人對(duì)于天山北麓的河流階地做了一定研究,并認(rèn)為山前河流主要發(fā)育3級(jí)連續(xù)階地,但3級(jí)階地的劃分方案并沒有充分考慮存在于局部的階地,從而不能很好地反映背斜段河流階地的發(fā)育情況。為查清天山北麓河流階地序列,筆者對(duì)塔西河、瑪納斯河、三個(gè)泉河以及金鉤河等主要河流的階地進(jìn)行了野外測量和相關(guān)研究,內(nèi)容包括階地礫石層的沉積特征、階地面的延展度(縱向延續(xù)性和橫向?qū)挾?以及階地拔河高度等,并完成了階地年代樣品、典型黃土剖面粒度與磁化率樣品的采集。經(jīng)全面考察,認(rèn)為天山北麓河流發(fā)育7級(jí)階地(表1),其中T7階地發(fā)現(xiàn)于瑪納斯河流域與金鉤河出山口;T6階地發(fā)育最為廣泛,階地上覆較厚層的黃土;T5階地最大特點(diǎn)是階地面寬闊平坦;T2階地基本連續(xù)地分布于現(xiàn)代河床兩側(cè),階地面窄但較為平坦。除了背斜段T6階地由于受到侵蝕作用而僅殘留于孤峰之上外,T6、T5以及T2等3級(jí)階地在天山北麓各河流上下游基本連續(xù)發(fā)育,階地發(fā)育特征表明其分別與文獻(xiàn)劃定的III、II、I級(jí)階地對(duì)應(yīng)。而T4和T3等2級(jí)階地分布范圍有限,僅在背斜段發(fā)育,T1階地則分布在現(xiàn)代河谷的局部地段,拔河一般1~2m。3.1不同層位土壤特性T7階地以瑪納斯河?xùn)|岸旱卡子溝T7階地最為典型(圖2a,圖3a)。階地類型為覆蓋基座階地,階地拔河153m;階地礫石層較厚,礫石大小不一,分選差,磨圓次棱角—次圓。在階地礫石層之上覆蓋厚層的黃土堆積。黃土底部呈黃褐色—深棕色,中上部呈淺黃色或灰黃色(表2)。黃土結(jié)構(gòu)較緊密、堅(jiān)實(shí),粘性重,粘粒含量最高可達(dá)28%。剖面中發(fā)現(xiàn)少量鈣質(zhì)結(jié)核。該級(jí)階地上覆黃土中古土壤發(fā)育很弱,除了在底部可確認(rèn)有古土壤發(fā)育外,其他層位未曾見到。由于受到后期流水作用的改造,階地面上沖溝發(fā)育,呈波狀起伏,指示其形成較早。3.2階地類型在背斜的部位分布T6階地在天山北麓發(fā)育最好,分布范圍廣泛。階地拔河高度在不同流域以及背斜兩翼有很大差別(表3)。在河流出山口附近階地拔河高度達(dá)到最大,金鉤河T6階地在公路橋附近達(dá)268m,瑪納斯河T6階地在紅溝煤礦拔河240m。往下游方向T6階地拔河逐漸減小,但在背斜核部處階地拔河高度明顯增大(表3),如塔西河水文站南1km處T6拔河159m,瑪納斯河紅山嘴T6階地拔河105m,這指示階地變形明顯受背斜構(gòu)造活動(dòng)的控制。在背斜段階地類型均為基座階地。野外考察發(fā)現(xiàn),T6階地面呈波狀起伏,但與T7階地面相比,起伏幅度要稍小。同T7階地一樣,T6階地也具有典型的“二元”結(jié)構(gòu)(圖2a,c),下部為沖洪積礫石層,礫石分選差、磨圓程度較好,階地上覆厚層黃土(表2)。若論天山北麓河流各級(jí)階地面上覆黃土的分布范圍,以該級(jí)階地上覆黃土的分布最為廣泛,圖3b便是T6階地上的典型黃土剖面。3.3階地發(fā)育程度不同的階地在河階地長T5階地的最大特點(diǎn)是階地面平坦寬闊,基本沒有沖溝發(fā)育,這表明其形成時(shí)間較晚。在不同流域,T5階地具有不同的發(fā)育特征。在金鉤河兩岸T5階地發(fā)育程度存在差異,河西岸階地面要比河?xùn)|岸寬許多,尤其在泥火山一帶,階地面寬超過500m(圖2b),東岸則由于受到侵蝕而變得不連續(xù)。在金鉤河水文站北,T5階地便過渡為一期沖積扇。塔西河T5階地主要發(fā)育在河?xùn)|岸,階地面平坦寬闊,西岸的T5階地則由于受到侵蝕基本沒有保留下來,該級(jí)階地在塔西河水文站北與一期沖積扇呈過渡關(guān)系。天山北麓T5階地具備典型的“二元”結(jié)構(gòu),下部為厚層的礫石堆積,上覆厚約1m的粉砂。3.4t1階地特征T4及以下各級(jí)階地拔河相對(duì)于上述3級(jí)階地而言要小,屬于河流低階地。其中T4和T3階地分布范圍有限,僅在背斜段發(fā)育,階地類型均為基座階地。T2階地基本連續(xù)地分布于現(xiàn)代河床兩側(cè),階地面窄但較為平坦,階地拔河一般5m左右,在河口處與現(xiàn)代沖積扇呈過渡關(guān)系。T1階地則不連續(xù)地分布在現(xiàn)代河谷內(nèi),拔河一般1~2m。4鹿灣土壤層的形成時(shí)代前人對(duì)于天山北麓河流階地發(fā)育年代的看法存在很大分歧,其原因之一是對(duì)階地分級(jí)存在差異;二是由于所運(yùn)用的定年手段不同。為了準(zhǔn)確測定天山北麓河流階地的年代,筆者綜合運(yùn)用電子自旋共振測年法(ESR)、光釋光測年法(OSL)與黃土—古土壤序列對(duì)比分析等。ESR、OSL年代由中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測試完成(表4、5)。表4數(shù)據(jù)說明,天山北麓不同河流下切形成T6階地的時(shí)間存在差異,階地形成時(shí)限在0.3~0.2MaBP之間。T5階地的測年結(jié)果(表5)與Molnar等采用宇宙成因核素方法測得的奎屯河II級(jí)階地(即本文的T5)的年代基本一致。鹿角灣黃土剖面研究為上述測年結(jié)果提供了佐證。該剖面位于安集海河支流頭道溝出山口東岸、鹿角灣公路258km處,剖面厚約8m,可明顯識(shí)別出4個(gè)古土壤層(圖3b)。黃土層呈淺棕色或灰黃色,外觀比較均勻,質(zhì)地較疏松。古土壤層顏色明顯要深,一般呈棕色或棕黃色,與黃土過渡帶見少量小的鈣質(zhì)結(jié)核。剖面頂部為黑壚土,較薄,呈灰黑色,厚度在10~15cm間變化,其下的古土壤稍厚,約20cm。剖面下部的古土壤層分別厚約20cm和30cm,中間為一層厚約2.0m的黃土。磁化率測試結(jié)果表明(圖4),鹿角灣剖面中存在3個(gè)磁化率值相對(duì)較高的層位,對(duì)應(yīng)于剖面下部的3個(gè)古土壤層。與黃土高原東北緣武威黃羊鎮(zhèn)剖面同時(shí)期磁化率曲線的對(duì)比結(jié)果顯示(圖4),鹿角灣剖面中磁化率較高的古土壤層分別對(duì)應(yīng)于黃土高原的S1、S2、S3。按黃土高原的慣例,將鹿角灣黃土剖面中由上往下的4層古土壤依次標(biāo)記為S0、S1、S2、S3。可見,黃土—古土壤序列對(duì)比分析所指示的第3層古土壤S2的年代與ESR年齡有很好的一致性,據(jù)此認(rèn)為鹿角灣黃土剖面底界年齡可用S3古土壤層的年齡來界定,由此推斷,鹿角灣T6階地形成時(shí)間為約0.3MaBP。根據(jù)ESR與OSL測年、黃土—古土壤序列對(duì)比分析,并參考前人成果,本文給出天山北麓7級(jí)河流階地年代(表6)。5討論5.1與階地面相連接的沖積扇天山北麓發(fā)育7級(jí)河流階地,其中T6、T5及T2等3級(jí)階地分別對(duì)應(yīng)于文獻(xiàn)確定的III、II、I級(jí)階地。野外考察表明,階地發(fā)育與沖積扇關(guān)系密切,T7、T6、T5及T2等主要階地為河流下切先期沖積扇而形成,階地面與沖積扇面連為一體。本文把與T7、T6、T5及T2等4級(jí)階地對(duì)應(yīng)的4期沖積扇分別稱為F1、F2、F3、F4期沖積扇(圖5),其中F2、F3、F4期沖積扇分別與文獻(xiàn)確定的I、II、III期沖積扇對(duì)應(yīng)。天山北麓由逆斷裂控制的背斜帶的形成時(shí)間從南向北由老到新,這說明天山北麓的構(gòu)造隆升呈現(xiàn)向北遷移的趨勢,山麓地帶抬升范圍不斷向北擴(kuò)大,從而造成不同時(shí)期的沖積扇頂點(diǎn)不斷向北遷移,以至上述4期沖積扇呈串珠狀發(fā)育,其中F3與F4期沖積扇還具有內(nèi)迭特征(圖5)。而且,在背斜帶間的向斜地帶發(fā)育的沖積扇(如F1、F2),其形態(tài)不規(guī)則,而在背斜帶之外,由于沒有背斜帶的限制,沖積扇(如F3、F4)扇形形態(tài)完整(圖5)。5.2沖積扇堆積的形成時(shí)代天山位于歐亞大陸腹地,屬于典型的內(nèi)陸半干燥氣候,山前沖積地貌發(fā)育與冰期間冰期的氣候變化有著緊密聯(lián)系。階地年代表明(表6),T7階地沉積物及F1期沖積扇堆積發(fā)生在紅山嘴冰期,河流下切形成階地發(fā)生在之后的間冰期,約0.54Ma的形成年代也說明該級(jí)階地下切形成時(shí)間與黃土高原古土壤層S5及深海氧同位素MIS15階段基本同期;T6階地沉積物及F2期沖積扇堆積發(fā)生在哈熊溝冰期(與高望峰冰期同期),在之后的間冰期河流切割沖積扇形成階地;T5階地沉積物及F3期沖積扇堆積則發(fā)生在烏達(dá)特冰期(與上望峰冰期同期),河流下切形成階地則在之后的間冰期。從測年結(jié)果上看,與呼斯臺(tái)冰期(與下望峰冰期同期)間冰期旋回對(duì)應(yīng)的沖積地貌未能發(fā)現(xiàn),這可能是由于后期氣候、構(gòu)造事件導(dǎo)致此時(shí)期形成的沖積地貌不復(fù)存在,也可能緣于此時(shí)期構(gòu)造抬升使沉積區(qū)變?yōu)榉浅练e區(qū)。上述河流地貌發(fā)育與天山冰期的對(duì)應(yīng)關(guān)系有別于文獻(xiàn)的結(jié)論。文獻(xiàn)推測,III級(jí)階地(即T6)礫石層沉積與對(duì)應(yīng)沖積扇堆積于0.17~0.14MaBP的下望峰冰期;本文根據(jù)ESR年齡和黃土—古土壤序列對(duì)比,認(rèn)為T6階地沉積與F2期沖積扇堆積發(fā)生在0.3~0.2MaBP的高望峰冰期(表7)。5.3間冰期沖積扇fps根據(jù)天山北麓3排背斜帶的形成過程、天山更新世冰期發(fā)育以及上述沖積扇與階地的對(duì)應(yīng)關(guān)系,給出如下的天山北麓河流地貌演化過程。中更新世時(shí)期,早先形成的褶皺低山丘陵由于受到外營力作用而普遍遭到侵蝕。紅山嘴冰期的冷干氣候使得河流攜帶物質(zhì)的能力降低,大量物質(zhì)堆積于山前,第一期沖積扇(F1)開始堆積形成。在與黃土高原古土壤層S5及深海氧同位素MIS15階段同期的間冰期,氣候由冷干轉(zhuǎn)為暖濕,水量增大導(dǎo)致河流下切侵蝕作用增強(qiáng),河流由堆積形成沖積扇轉(zhuǎn)而下