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  • ISSN 1000-0240 
  • 创刊于1979年
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院寒区旱区
  •                  环境与工程研究所
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冰川冻土, 2021, 43(3): 827-840 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0024

陇中盆地及周边地区主夷平面演化与高原隆升

马振华,1,2, 彭廷江,2, 李小苗1,2, 冯展涛2, 郭本泓2, 李孟2, 张军2, 宋春晖3

1.曲阜师范大学 地理与旅游学院,山东 日照 276800

2.兰州大学 资源环境学院 西部环境教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000

3.兰州大学 地质科学与矿产资源学院,甘肃 兰州 730000

Evolution of the main planation surfaces in the Longzhong Basin and its surrounding areas and its significance for the uplift of the Tibetan Plateau

MA Zhenhua,1,2, PENG Tingjiang,2, LI Xiaomiao1,2, FENG Zhantao2, GUO Benhong2, LI Meng2, ZHANG Jun2, SONG Chunhui3

1.School of Geography and Tourism,Qufu Normal University,Rizhao 276800,Shandong,China

2.Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems,Ministry of Education,College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China

3.School of Earth Science,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China

通讯作者: 彭廷江,副教授,主要从事晚新生代环境与地貌演化研究. E-mail: pengtj@lzu.edu.cn

编委: 周成林

收稿日期: 2021-05-02   修回日期: 2021-05-29   网络出版日期: 2021-07-29

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41971099.  41330745.  41771209
曲阜师范大学科研启动资金项目资助

Received: 2021-05-02   Revised: 2021-05-29   Online: 2021-07-29

作者简介 About authors

马振华,讲师,主要从事层状地貌及水系演化研究.E-mail:geomazhh@163.com , E-mail:geomazhh@163.com

摘要

陇中盆地及周边地区是青藏高原向北东方向扩展的最前缘部位,其地貌演化过程的研究对于深入理解高原的隆升与扩展过程具有重要意义。鉴于夷平面在探讨高原隆升年代、幅度和过程方面的可靠性,首先总结陇中盆地及周边地区夷平面相关研究的前期成果,并结合最新年代数据,确定了不同区域主夷平面的发育和解体年代;再利用古河道拟合等方法定量评估了相关夷平面的隆升量;最后探讨了主夷平面的性质及其隆升过程。研究发现,陇中盆地及周边的地区的高海拔低起伏地貌面是被抬高的先存夷平面;不同区域主夷平面的发育与解体时间整体同步,它们自晚渐新世开始发育,并于晚中新世8~6 Ma左右解体;模拟结果表明,美武高原主夷平面自晚中新世以来相对陇中盆地隆升了约1 400~1 600 m,并且早更新世以来的隆升速率明显大于晚中新世-早更新世时期。

关键词: 陇中盆地 ; 主夷平面 ; 晚中新世 ; 高原隆升

Abstract

The Longzhong Basin is the front of the Tibetan Plateau expanding to the northeastern. The study of its landscape evolution plays a significance role for understanding the process and mechanism of the Tibetan Plateau uplift. In this paper, we date several different main planation surfaces in the Longzhong Basin and its surrounding area through in-depth summary of lots of previous researches and our new data. Moreover, we quantitatively evaluate the uplift of the main planation surfaces using reconstruction of relict landscape channel profiles. Our results suggest that these low-relief, high-elevation surfaces in the Longzhong Basin and its surrounding area are identified as elevated, preexisting low-relief planation surfaces, not in situ formation of low-relief landscape patches. The main planation surfaces have been developed synchronously. They began to develop since the Late Oligocene, and disintegrated at 8~6 Ma. The simulation results show that the Meiwu planation surface has been uplifted about 1 400~1 600 m relative to the Longzhong Basin since the Late Miocene. And the uplifting rate since Early Pleistocene is significantly higher than that during the interval of Late Miocene-Early Pleistocene.

Keywords: Longzhong Basin ; main planation surface ; Late Miocene ; uplift of the Tibetan Plateau

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本文引用格式

马振华, 彭廷江, 李小苗, 冯展涛, 郭本泓, 李孟, 张军, 宋春晖. 陇中盆地及周边地区主夷平面演化与高原隆升[J]. 冰川冻土, 2021, 43(3): 827-840 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0024

MA Zhenhua, PENG Tingjiang, LI Xiaomiao, FENG Zhantao, GUO Benhong, LI Meng, ZHANG Jun, SONG Chunhui. Evolution of the main planation surfaces in the Longzhong Basin and its surrounding areas and its significance for the uplift of the Tibetan Plateau[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(3): 827-840 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0024

0 引言

新生代以来青藏高原的隆升与扩展是全球最引人瞩目的地质事件之一。印度板块与欧亚板块的碰撞,以及其后印度板块向北的持续楔入对青藏高原的隆升,甚至整个亚洲大陆的地貌、构造格局乃至自然环境均产生了重大影响1-5。青藏高原的隆升过程一直是地学界的前沿课题和研究热点。关于青藏高原隆升过程,学者们利用不同方法从不同角度进行了深入研究,并取得了大量研究成果,但仍存在较大分歧16-9。在众多的高原隆升证据中,夷平面作为地貌长期发育的终极地形,具有分布范围广、高度相对稳定的特征,被认为是探讨高原隆升时间和幅度的可靠证据10-15。因此,围绕夷平面的发育与解体进行区域地貌演化研究,对于揭示青藏高原隆升的时空演化规律具有重要意义。

陇中盆地位于青藏高原东北缘,是高原向北东方向扩展的最前缘部位(图1)。其由西秦岭、祁连山和六盘山所围限,宏观上表现为由一系列次级新生代盆地与伸入盆地内的基岩山脉构成的盆山地貌格局。马衔山、达坂山等祁连山基岩山地将巨型陇中盆地分为西宁、兰州、临夏、天水等次级盆地。基岩山地发育有数级以夷平面为代表的层状地貌面,而盆地内堆积了厚层连续的新生代沉积,它们共同记录了青藏高原在东北缘地区的隆升扩展过程,是区域地貌演化和高原隆升研究的良好载体。

图1

图1   陇中盆地及周边地区地质地貌概况(白色方框所示为后文各小区域图位置)

Fig.1   The geological and geomorphological characteristics of the Longzhong Basin and its surrounding area (representative study areas are marked by white boxes)


陇中盆地及周边地区夷平面的专门论述,最早可以追溯到林文英先生1936年发表的《甘肃拉卜楞附近之地文》一文。1934年,林文英对夏河县周边地区层状地貌面进行了详细考察,依据夷平面和河流阶地提出了“高原剥蚀期”、“草地期”等9个地文期16。此后,杨钟健、黄汲清和王德基先生先后对达坂山东段的夷平面进行了研究17-19,但受当时研究手段的制约,研究内容限于地质地貌特征的定性描述,缺乏针对性的年代学研究。20世纪90年代以来,李吉均先生等依托青藏高原东北缘地区新生代盆地沉积序列对夷平面演化过程进行了探讨,指出主夷平面的解体时间在3.6 Ma左右20-21。近来,通过对祁连山东段的马衔山和达坂山主夷平面上覆沉积物进行定年,研究发现祁连山东段地区主夷平面的解体时间在8~6 Ma左右1422-23

然而,目前对陇中盆地及周边地区主夷平面的直接年代学研究还仅限于祁连山东段个别夷平面,并且主夷平面开始发育的时间也不明确。整个区域内主夷平面的时空演化规律尚不清晰,夷平面的发育与解体在区域内是否同步需要更多的年代学证据。并且,针对区域内夷平面的定量研究,目前仅限于地貌形态的三维显示、夷平面的提取等内容24-25,尤其缺乏关于主夷平面解体后隆升变形的定量分析。本文通过全面总结陇中盆地及周边地区夷平面相关研究的大量前期成果,并结合最新年代学结果,探讨了区域内主夷平面的时空演化规律;再利用古河道拟合等方法定量评估了区域内主夷平面的隆升变形量。这对于重建高原东北缘地貌演化与隆升过程,揭示青藏高原隆升的时空演化规律具有重要意义。

1 陇中盆地及周边地区夷平面

学者普遍认为陇中盆地及周边地区主要发育了两级夷平面,其中高夷平面命名为山顶面,另一级较低的更广阔的夷平面称之为主夷平面2126。区域内典型夷平面主要保存在祁连山东段及延伸余脉的达坂山、马衔山地区以及西秦岭地区。

马衔山地区较好的保存有两级夷平面[图2(a)2(b)]。山顶面主要分布在马衔山山顶地区,夷平了前震旦系马衔山群的混合岩、片岩、片麻岩等,其上现今发育有冻胀草丘、融冻泥流等典型冰缘地貌。夷平面提取、统计分析表明山顶面现存面积约为6.4 km2,平均高程为3 559 m25。主夷平面以马衔山西北部小水子一带保存最为完好,马衔山群和震旦系兴隆山群组成的基岩面有明显的波状起伏,夷平面上普遍分布有厚度不等的风化壳,局部厚达3 m以上,夷平面提取、统计分析表明主夷平面面积约为15.5 km2,平均高程为2 771 m25

图2

图2   马衔山地区地质地貌概况及夷平面分布(a);马衔山夷平面立体图(b);达坂山东段地质地貌概况及夷平面分布(c);达坂山东段夷平面高程剖面(d)(据文献[27-28]修改)

Fig.2   The geological and geomorphological characteristics and the distribution range of two planation surfaces of the Maxianshan Mountains (a); The 3D map of the Maxianshan Mountains (b); The geological and geomorphological characteristics and the distribution range of planation surfaces of the Dabanshan Mountains (c); Topographic cross-section of the Dabanshan Mountains (d) (Modified from References [27-28])


达坂山主夷平面主要分布在达坂山东南缘,已被湟水、大通河及其支流切割为若干小的夷平面,在达坂山山体北侧主要有大岭夷平面、桌子山夷平面、老虎山夷平面、木垒掌夷平面、吐鲁坪夷平面、大吐鲁坪夷平面等;南侧主要有阿拉古夷平面、东坪夷平面等[图2(c)]。夷平面夷平了前寒武纪变质岩、早古生代侵入岩、古生代至古近纪沉积岩等。由于大通河、湟水及其支流的切割作用,各夷平面与周边地形以陡坡相接。夷平面高程由达坂山山脊的约3 500 m向两侧逐渐缓慢降低到约2 600 m[图2(d)]。

西秦岭地区夷平面分布广泛,且以洮河为界东西两段地区夷平面各具鲜明特征。西秦岭西段地区夷平面以美武高原地区最为典型,较好的保存有两级夷平面(图3)。山顶面主要分布在太子山山顶,海拔4 000~4 200 m,主要夷平了石炭纪、二叠纪地层以及三叠纪侵入岩。而主夷平面构成了美武高原的主体,海拔约3 500 m,夷平了石炭纪、二叠纪、古近纪地层以及三叠纪侵入岩。主夷平面地势平坦,发育厚度不等的风化壳。大夏河和洮河支流分别从西东两侧向美武高原内部溯源侵蚀[图3(c)]。在石炭系灰岩分布区发育有溶洞等喀斯特地貌。

图3

图3   西秦岭西段地区地质地貌概况及夷平面分布(a);美武高原夷平面野外照片(b, c)

Fig.3   The geological and geomorphological characteristics and the distribution range of planation surfaces of the west section of Western Qinling Mountains (a); Views of the Meiwu Plateau planation surfaces (b, c)


西秦岭东段发育有两级夷平面,分布广泛且保存较好,主要分布在漳县、岷县、宕昌、武都一带(图4)。山顶面零星分布于海拔3 000 m以上的山顶地带。主夷平面分布十分广泛,海拔2 500~2 700 m,低于西秦岭西段近1 000 m。主夷平面上峰丛、溶蚀洼地、溶洞等喀斯特地貌十分发育。该地区的喀斯特地貌组合具有典型的热带、亚热带喀斯特地貌特征,其发育条件明显区别于当今环境,是典型的古喀斯特地貌残留29。此外,部分主夷平面上覆新生代火山岩(图4)。

图4

图4   西秦岭东段地区地质地貌概况及夷平面分布(火山岩数字标注为其年代,年代上标为其参考文献)(a);漳县附近主夷平面野外照片(b);龙家沟红层(c);牛顶山火山锥(d)

Fig.4   The geological and geomorphological characteristics and the distribution range of planation surfaces of the east section of Western Qinling Mountains (The number near the volcanic rock represent the rock age and references) (a); View of the main planation surface near Zhangxian (b); View of the deposits of the Longjiagou section (c); View of the Niudingshan volcanic cone (d)


2 主夷平面的年代

2.1 祁连山东段主夷平面年代

达坂山和马衔山地区的主夷平面以上覆厚层风成沉积物为特征(图5)。马衔山主夷平面上普遍发育有厚度不等的风化壳。基岩或风化壳上覆红黏土,其产状基本水平或随基岩呈波状起伏,其中小水子村附近沉积最厚,可达40 m左右。小水子红黏土剖面上段产出大量小哺乳动物化石,经鉴定其时代为上新世早期23。结合化石年代,马衔山主夷平面上的小水子和上窑滩钻孔高分辨率的系统古地磁测试结果显示,小水子剖面红黏土的沉积开始于约6.9 Ma,上窑滩剖面红黏土的沉积开始于约6.4 Ma23图6(a)]。

图5

图5   马衔山地区主夷平面及上覆红黏土(a, b);达坂山地区主夷平面及上覆红黏土(c, d)

Fig.5   Views of the Maxianshan main planation surface and red clay covered on the planation surface (a, b); Views of the Dabanshan main planation surface and red clay covered on the planation surface (c, d)


图6

图6   马衔山主夷平面(a)和达坂山主夷平面(b)上覆红黏土剖面岩性柱及磁性地层序列(黑色条带代表的正极性事件,白色条带代表的负极性事件)(据文献[1423]修改)

Fig.6   Lithology and magnetostratigraphy for the red clay borehole core on the Maxianshan main planation surface (a) and Dabanshan main planation surface (b) (Black represents the normal polarity and white represents the reversed polarity) (Modified from References [14,23])


达坂山夷平面上普遍发育厚层风化壳,花岗岩风化壳厚度1~3 m,石英岩风化壳可厚达约10 m。风化壳之上普遍发育晚新生代沉积物,达坂山边缘地区夷平面上覆地层下部为河湖相沉积物,上部为红黏土和黄土,而达坂山内部地区红黏土或黄土直接覆于夷平面之上。其中在阿拉古夷平面的永进村以及东坪夷平面的芦花村附近新生代沉积物最厚,均可达40 m。永进和芦花红黏土剖面上段均产出大量小哺乳动物化石,经鉴定其时代分别为晚中新世至早上新世和早上新世14。结合化石年代,永进和芦花钻孔高分辨率的系统古地磁测试结果显示,永进剖面红黏土的沉积开始于约6.7 Ma,芦花剖面红黏土的沉积开始于约6.4 Ma14图6(b)]。

根据年界法原理,地貌面的形成解体时代早于其上覆地层。因此,马衔山主夷平面和达坂山主夷平面的最终形成年代,即夷平面解体的时间分别在约6.9 Ma和约6.7 Ma之前。

此外,野外考察发现,马衔山地区的山间盆地内保存有厚约170 m新生代沉积物[图2(a)]。地层岩性以红色粉砂质泥岩为主,局部含砂岩层及细砾岩,地层近水平,不整合于白垩纪砂砾岩之上[图7(a)]。我们在石头沟剖面该套地层的中部层位发现了大量的小哺乳动物化石,初步鉴定为奇蹄目、反刍类、食虫目有刺形类、兔形目、啮齿目等,其时代约为晚渐新世。而来自盆地内该套新生代地层的物源研究结果显示,其碎屑锆石U-Pb年龄以200~300 Ma和400~500 Ma为主,只有少量800~1 000 Ma的锆石颗粒30,明显区别于马衔山地区的前寒武纪变质基底锆石年龄,指示其物源并非来自两侧的马衔山和兴隆山,而主要来自于西秦岭地区。该结果表明,直到渐新世末期,马衔山地区的山间盆地内仍未大量沉积来自马衔山的物质,说明马衔山在晚渐新世之前尚未隆起遭受剥蚀。马衔山地区山顶面尚未解体,即马衔山地区主夷平面的剥蚀夷平始于晚渐新世之后。综上所述,祁连山东段主夷平面自晚渐新世之后开始发育,并于6.7 Ma之前解体。

图7

图7   马衔山石头沟剖面岩性柱及野外照片[剖面位置见图2(a)](a);美武高原合作东剖面岩性柱及野外照片[剖面位置见图3(a)](b)

Fig.7   Lithology and views of the Shitougou section in Maxianshan Mountains [the location is shown in Fig.2(a)] (a); Lithology and views of the Eastern Hezuo section in Meiwu Plateau [the location is shown in Fig.3(a)] (b)


2.2 西秦岭西段主夷平面年代

西秦岭西段的美武高原夷平面[图3(a)]是陇中盆地及周边地区保存最为完好的一处。夷平面夷平的石炭纪地层为灰白色巨厚层块状灰岩,夷平面解体后河流下切过程中发育了一系列层状水平溶洞,如岗岔溶洞就是典型代表[图8(a)]。岗岔溶洞为一单通道廊道式水平溶洞,发育于石炭系灰白色灰岩中,洞口海拔约3 450 m,洞深约20 m,洞底近水平,洞内发育石笋、石幔等次生碳酸盐沉积物。岗岔洞穴内较为发育的次生碳酸盐沉积物为溶洞的定年工作提供了良好的条件。我们采集了多个次生碳酸盐样品用以测年工作,样品采自岗岔溶洞洞口外侧岩壁上的流石[图8(c)和(d)]。样品由纯净方解石晶体构成,质地致密,无明显重结晶、溶蚀等现象[图8(e)]。

图8

图8   岗岔溶洞位置(a);岗岔溶洞所在河谷地形剖面图[剖面位置如图3(a)中a—b所示](b);流石样品采集位置(c);岗岔溶洞洞口流石(d);5号流石样品(e);流石U-Pb测年结果(f)

Fig.8   The location of Gangcha cave (a); Topographic cross-section across the cave (the location of the profile a—b is shown in Fig.3a) (b); The location of flowstone used for U-Pb dating (c); Flowstones outside the Gangcha cave (d); Cross sections of flowstone No.5 (e); U-Pb isochrons and calculated age estimates (f)


为获得样品年龄课题组同墨尔本大学Jon Woodhead教授进行了合作,获得了初步结果。首先利用U-Th法对其进行了测年尝试,结果显示流石样品年龄已超出U-Th法测年的上限31,表明年龄老于0.6 Ma。而U-Pb测年技术可将次生碳酸盐沉积的测年范围扩展到数千万年甚至古生代,已成功应用于世界多个洞穴沉积物的定年32-34。因此,本文采用了U-Pb测年方法对样品进行测试(样品测试流程、数据处理详见文献[32])。结果显示流石最老年代为约3.2 Ma[图8(f)]。样品测试数据如表1所示,由于样品中Pb元素含量相对较高,导致年龄结果误差较大(2σ=1.7 Ma)。

表1   样品U和Pb元素测量结果

Table 1  U and Pb data for the sample considered in this study

样品编号样品量/mgU/(10-3 mg∙g-1Pb/(10-3 mg∙g-1238U/206Pb误差(2σ207Pb/206Pb误差(2σ
5-1987563.520.6050.3236.4990.5180.8580.100
5-1988251.400.5710.2019.8570.5170.8560.100
5-1989564.660.5160.3724.8180.5360.8580.102
5-1990214.280.5660.2258.7350.5120.8570.100

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岗岔溶洞外流石应为溶洞形成以后,洞壁裂隙中流出的渗流水沿壁流动而形成。此后,随着河流下切,河谷拓宽,溶洞外侧垮塌而导致流石暴露于洞口之外。因此,流石的年龄限制了溶洞发育的最小年龄,即岗岔溶洞形成于约3.2 Ma之前。一般认为水平溶洞的发育受控于局地侵蚀基准面,即溶洞附近的河谷35-37。随着夷平面的隆升解体,河流不断下切,假设美武高原地区自主夷平面解体以来,河流的下切速率保持一致,则利用岗岔溶洞的高程与年龄即可推测夷平面的解体年代。岗岔溶洞现今高程约3 450 m,其上夷平面高程约3 620 m,河谷高程约3 280 m[图8(b)],据此推算,美武高原主夷平面的解体年代约为6.4 Ma。

此外,野外考察发现,美武高原主夷平面夷平的最新地层为一套新生代红色地层。在高原西侧的合作盆地,该套地层厚约150 m,底部为褐红色砂砾岩,向上粒度逐渐变细过渡为褐红色粉砂质泥岩夹灰绿色泥岩条带,其中合作城东一剖面出露较好,剖面厚约40 m[图7(b)]。2019年我们在合作东剖面的中上部层位中发现了大量的犀牛、属兔等哺乳动物化石,经鉴定其时代应属于晚渐新世-早中新世,这也是首次在合作盆地新生代红层中发现哺乳动物化石。因此,美武高原主夷平面夷平的最新地层为晚渐新世-早中新世,即美武高原主夷平面的剥蚀夷平始于晚渐新世-早中新世。综上所述,西秦岭西段主夷平面自晚渐新世-早中新世之后开始发育,并于6.4 Ma左右开始解体。

2.3 西秦岭东段主夷平面年代

西秦岭东段主夷平面以喀斯特地貌发育及广泛上覆新生代火山岩为特征,并且夷平面内的龙家沟盆地新生代地层中出产了大量的哺乳动物化石38。详细的已有火山岩年代39-40以及龙家沟三趾马动物群的研究为夷平面的年代限定提供了丰富的材料与数据(图4)。

礼县西部及宕昌东部多处火山岩体尚保存有完整锥型火山外貌,如礼县唐王村南部的牛顶山,为一保存完整的海拔约3 000 m的火山锥,顶部尚存一凹状火山口,高于周边夷平面200 m左右[图4(d)]。完整的锥型火山形态、高于夷平面的高程说明这些火山岩体出现在夷平面形成之后。年代学研究显示,该区域的火山岩年代多集中在8.7~7.1 Ma39-40图4(a)]。西秦岭东段在晚中新世发生的大规模火山活动,指示了强烈的构造活动,说明区域内主夷平面的解体应该发生在8.7~7.1 Ma左右。

位于武都北的龙家沟盆地为一面积仅约10 km2的小型山间盆地[图4(a)]。盆地四周为保存完好的岩溶夷平面,基岩为石炭系、二叠系厚层灰岩。盆地内为侏罗系、白垩系及新近纪红层,各层及基底岩层之间均呈不整合接触,新生代红层厚度在20~340 m之间,上部为砖红色或紫红色砂质泥岩,局部夹淡绿色或灰绿色泥灰岩及薄层钙质细粉砂,泥岩多呈块状,含钙结核;下部以砂、砂砾岩为主38。龙家沟盆地是我国一处重要的三趾马动物群化石产地,含化石层位位于上部岩性段,龙家沟动物群成员绝大多数都是中新世保德阶的典型分子,并且出现了一些时代较晚类型,因此其时代可能处于保德阶较晚阶段38,动物组合特征同陕西府谷老高川的庙梁动物群类似,古地磁年代约为6.0 Ma41。龙家沟盆地为一小型山间盆地,化石层位岩性以较细的泥岩为主[图4(c)],指示了此时周边夷平面尚未解体。因为如果夷平面解体抬升,盆地会被破坏解体而结束沉积,或者沉积粗粒近源沉积。据此推测该区域夷平面的解体时间应在6 Ma之后。综上所述,西秦岭东段主夷平面的解体发生在晚中新世8~6 Ma左右。

3 晚中新世以来主夷平面的隆升定量分析

河流是塑造地表形态最重要的营力之一,在夷平面的形成与解体过程中均发挥着重要作用。经过漫长的“削高填低”,夷平面与盆地面趋于统一,此时河道剖面趋于均衡。如果河道相对侵蚀基准面发生差异构造隆升,会导致河流的下切,均衡状态打破,裂点随即形成于河口,并随时间推移不断溯源侵蚀。假设河道基岩隆升速率空间均匀,则河道高程的改变仅来源于裂点侵蚀。而假设基岩河道水力侵蚀速率与河道坡度呈线性关系时(即n=1),每一次构造活动产生的裂点都可以保存。夷平面解体抬升,随之形成第一个裂点,裂点随后溯源侵蚀进入夷平面内部,因此夷平面之下第一个裂点以上应该为夷平面解体之前残存均衡古河道。根据该残存河道的形态特征即可重建其下游河道纵剖面,将不同时期同一位置河道高程进行对比即可定量分析夷平面的相对隆升量42-44

对于基岩河道中某一点的高程随时间的变化可以表示为河道抬升速率与河道下切速率的函数45-46

dzdt=Ux,t-KAmSn

式中:U为抬升速率;A为上游流域面积;S为河道比降;mn为正常数。当河道处于均衡状态,即河道高程不随时间变化时,此时dz/dt=0,那么:

0=Ux,t-KAmSn

即:

S=(UK)1/nA- m/n

该理论推导公式同大量实际观察得到的结果一致,即河道比降是上游流域面积的幂函数47-48

S=ksA- θ

式中:ks是河道陡峭系数;θ是河道下凹度。因此河道纵剖面特征主要由ksθ两个参数决定。

ksθ两个参数值,可以通过积分法获得。在均衡状态下,方程1可以表示为49

z=z(xb)+(UKA0m)1/nχ

并且

χ=xbx(A0A(x'))m/ndx'

式中:x是距河口水平距离;xb是下游终点处高程;x'是个虚拟变量;A0是参考流域面积(本文中我们取A0=1 m2)。

公式5可知χ-h图中的斜率值即ks。由公式6可知即使m/nθ)值微小的变化也能直接对χ值高低产生很大影响,进而影响χ-h的斜率,即河道陡峭系数ks,因此必须先求得最佳θ值。对于单一流域,可以在区间0到1上取一系列θ值(本文以0.01为间隔共取100个不同值),计算裂点以上不同θ值下的χ值,绘制χ-h图,并计算线性拟合的相关系数,取最大相关系数对应的凹度值作为最佳参考凹度49。利用获得的ksθ值重建裂点以下河道剖面。

本文选择主夷平面保存最为完好的美武高原地区的河流为研究对象进行古河道拟合研究,其中选取了4条大夏河支流,3条洮河支流[图3(a)]。本文的溶洞年代学约束以及前人研究结果显示:美武高原至中新世晚期(约8~6 Ma)已基本被夷平,其同紧邻的临夏盆地的晚中新世盆地面趋于统一,自美武高原流向临夏盆地的河流趋于均衡状态;在青藏运动序幕的作用下,美武高原自8~6 Ma开始整体隆升,河流出山口形成裂点并不断溯源。χ-h图可以直观的展示裂点的分布,其斜率的转折点就是裂点49。结果显示,大夏河和洮河上游均存在明显的两个裂点[图9(a)和(b)],最接近夷平面的裂点为K1,更大的裂点为K2。关于K2,学者认为它们是现代大夏河在约1.7 Ma形成以后溯源侵蚀而成43。我们认为K1为美武高原夷平面解体后河流溯源而形成的,K1以上河段为夷平面解体之前残存均衡古河道。因此,本文选择K1以上河段的参数值拟合重建晚中新世残存古河道,选择K1至K2河段的参数值拟合重建早更新世残存古河道,结果如[图9(c)和(d)]所示。

图9

图9   大夏河、洮河典型支流χ-h图(a, b)及拟合重建古河道(c, d)[支流位置如图3(a)所示]

Fig.9   The χ-h plots (a, b) and present longitudinal profiles and paleolongitudinal profile reconstructions (c, d) of the Daxia River and Taohe River [The location of rivers are highlighted in Fig.3(a)]


通过比较不同时代古河道高程与现代河道高程差即可计算不同时段内河流的下切量,该下切量可以认为是山体相对于侵蚀基准面的大致隆升量42-44。研究发现,晚中新世古河道与现代河道的高差达1 400~1 600 m[图9(c)和(d)],指示美武高原主夷平面自晚中新世以来相对于临夏盆地的隆升量为1 400~1 600 m左右。此外,重建的早更新世古河道与当今河道的高差为1 000 m左右,与晚中新世古河道高差在500 m左右[图9(c)和(d)],指示了美武高原在晚中新世至早更新世期间隆升了约500 m,早更新世以来隆升了约1 000 m。

4 讨论

4.1 陇中盆地及周边地区主夷平面的性质

自从William Morris Davis 1899年发表《地理循环》(The geographical cycle)一文,提出了“准平原”与“地理循环”理论50。在该理论的指导下,一般认为夷平面的形成指示了地貌演化进入到晚期阶段,其高度接近海平面或者局部侵蚀基准面,而夷平面的解体则指示了强烈的构造隆升,作为指示陆地抬升的标志被广泛应用于全球地貌演化研究中1012-1421233751。但是,近年来不断有学者对夷平面形成机制的传统认识提出挑战,认为某些高海拔低起伏地貌面并不是先在低海拔位置形成,再被构造抬升起来的古地貌面,而是可形成于任意高度的多成因地貌面52-55。因此,有必要通过一系列的地质证据和形态学标准来判断地貌面成因56-58

首先,地质地貌证据表明陇中盆地及周边地区的主夷平面上没有发生大规模的冰川、冰缘作用。夷平面上普遍保存的晚新生代沉积物、厚层风化壳以及古喀斯特地貌表明,晚中新世以来夷平面上未遭受明显的侵蚀作用,指示了夷平面不可能是因晚中新世以来的冰川、冰缘作用或者其他侵蚀作用而形成。而晚中新世之前,研究表明该地区的气候更加湿热4159-60,年均温甚至高于20 ℃61。因此,在晚中新世之前该地区也不可能发生大规模的冰川、冰缘作用。所以陇中盆地及周边地区的主夷平面的形成应该与冰川、冰缘侵蚀作用无关。

Yang等52认为当河流上游发生袭夺,汇水面积减少,河流的侵蚀能力将明显降低,如果该地区发生了持续的隆升,周边不断下切,而侵蚀能力相对较弱的上游地区,高程将相对增加,最终形成高海拔低起伏的地貌面5262。在这种情况下,河流袭夺可以发生在任何高度,因此地貌面也可以形成于任意高度;这些地貌面被水系的分水岭所围限。为区别高海拔低起伏地貌面是被抬升的夷平面还是由于流域面积减少造成的侵蚀速率降低而形成的地貌面。Whipple等57提出了一系列的地貌形态标准,对于一个被抬升的夷平面来说,残存夷平面应该大致分布在同一高度上(允许由于后期构造活动,造成高程有规律的变化);夷平面主要保留在各个流域上游源头地区。对于陇中盆地及周边的地区的主夷平面来说,虽然各处主夷平面的现今高程具有显著差异,但是在同一区域内其高程是稳定的,如马衔山主夷平面高程稳定在2 600~2 800 m,美武高原主夷平面高程稳定在3 400~3 700 m。此外,各夷平面主要分布在各个流域的源头且是跨流域的,如达坂山主夷平面主要分布在大通河和湟水各支流的源头地区,美武高原主夷平面分布在洮河和大夏河各支流的源头地区。因此,本文认为陇中盆地及周边的地区的高海拔低起伏地貌面是被抬高的先存夷平面。

4.2 陇中盆地及周边主夷平面的解体与高原隆升

基于“盆山耦合”原理,盆地为物质填充提供空间,山脉为沉积物提供物源,盆地与山脉之间的高差为沉积物搬运提供了动力和通道63。不仅盆地本身的形成、演化过程反映了高原的隆升和扩展历史,而且盆地沉积物中也记录了高原隆升、夷平面演化有关的构造和环境变迁信息。中新世期间,陇中盆地及周边地区堆积了巨厚的连续的河湖相沉积物,沉积厚度可达千米64-65。并且物源研究结果显示,其物质主要来自于西秦岭以及东祁连地区64-69。因此,陇中盆地是其周边的西秦岭和东祁连地区主夷平面的局地侵蚀基准面,堆积了夷平面的相关沉积物,记录了夷平面演化的相关信息。

研究显示约8 Ma开始临夏盆地发育了褶皱变形、生长地层并发生了显著的顺时针旋转,临夏盆地演化由前期的冲压拗陷阶段演化为冲断褶皱阶段7071;西宁盆地在约8.6 Ma沉积环境由洪泛平原转变成了辫状河,并且在约6.3 Ma再次转变成洪积扇,同时沉积物粒度不断变粗,沉积速率也不断增加72;武山盆地沉积环境6.5 Ma左右由前期的深湖-浅湖相转变成了以沉积平原-冲积扇相,沉积物变粗,沉积速率由约130 m·Ma-1增至约400 m·Ma-1[73-74;类似的沉积记录同样出现在天水盆地,7.1 Ma左右盆地沉积由前期的浅湖相“斑马层”沉积转变成洪泛平原和湖滩泥坪沉积,湖泊大范围退缩75。这些沉积记录都指示陇中盆地及周边地区在8~6 Ma发生了广泛的构造事件,周边山体发生了明显隆升。盆地沉积记录同前述主夷平面晚中新世8~6 Ma左右解体的结论相匹配。

现今达坂山和马衔山主夷平面高程为约2 800 m,自晚中新世以来相对于陇中盆地隆升了约800 m27-28;现今美武高原主夷平面平均高程约为3 500 m,但自晚中新世以来相对陇中盆地的隆升量达到了1 400~1 600 m。因此,陇中盆地周边山体在晚中新世时期具有相对一致的高程,这表明整个陇中盆地及周边地区在晚中新世应已形成了一个低起伏的统一地貌面。

此后,不同区域的夷平面发生同步、差异性隆升,逐步形成了现今的地形高差。并且,晚新生代以来的隆升量大部分来自于更新世以来。西秦岭西段自晚中新世以来隆升了约1 500 m,其中晚中新世-早更新世隆升了约500 m,早更新世以来隆升了约1 000 m,早更新世以来的隆升速率数倍于前一阶段。祁连山东段表现出了相同的隆升速率变化,阿拉古夷平面从约6.7 Ma开始被切割,但是此时下切速率较小,仅有约9 cm·ka-1;约1.4 Ma现代湟水出现以后,下切速率明显增加,最高达到70 cm·ka-1以上28。陇中盆地及周边地区在青藏运动序幕的作用下,夷平面发生了同期解体,此后在青藏运动、昆黄运动及共和运动作用下快速隆升,形成了现今的地貌格局。

5 结论

(1)陇中盆地及周边地区的高海拔低起伏地貌面是被抬高的先存夷平面。

(2)陇中盆地及周边地区不同区域主夷平面的发育与解体整体同步:晚渐新世之后开始发育,晚中新世8~6 Ma左右解体。祁连山东段的马衔山主夷平面自晚渐新世开始发育,约6.9 Ma之前解体;祁连山东段的达坂山主夷平面约6.7 Ma之前解体;西秦岭西段的美武高原主夷平面自晚渐新世开始发育,约6.4 Ma解体;西秦岭东段的主夷平面8~6 Ma左右解体。

(3)美武高原主夷平面自晚中新世以来相对陇中盆地隆升了约1 400~1 600 m,且早更新世以来的隆升速率明显大于晚中新世-早更新世时期。

本文所做工作是在李吉均先生直接指导下完成的,谨以此文,纪念恩师李吉均院士在地貌学方面的贡献!

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