胡夢(mèng)珺，馮淑琴，李向鋒，潘寧惠

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

河流階地是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與氣候變化共同作用的結(jié)果，研究河流階地是探討其所在地區(qū)在階地形成時(shí)期古氣候變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與河流侵蝕等方面的重要途徑之一[1]。對(duì)階地堆積物特別是對(duì)礫石層組構(gòu)特征的研究可以分析階地中礫石的來(lái)源、搬運(yùn)方式、水動(dòng)力狀況及古河流流向等[2-5]。礫石組構(gòu)分析是借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)礫石的礫性、礫度、礫態(tài)和礫向進(jìn)行測(cè)量與統(tǒng)計(jì)分析，從而確定礫石來(lái)源、搬運(yùn)距離、水動(dòng)力狀況以及沉積環(huán)境等[6-7]。

圖1 共和盆地階地礫石層分布Fig.1 Distribution of the section locations of the Yellow River’s terraces in Gonghe Basin

古近紀(jì)末共和盆地形成后，共和運(yùn)動(dòng)使黃河于0.11 Ma B.P.進(jìn)入共和盆地，隨著青藏高原的階段性隆升與黃河的溯源侵蝕過(guò)程，黃河下切礫石層及下伏基巖底座而形成多級(jí)階地，其中多為堆積階地，少量為侵蝕階地。黃河源區(qū)階地的形成時(shí)間為中更新世晚期到全新世，龍羊峽段黃河約形成于0.06 Ma B.P.[8-10]。前人對(duì)共和盆地進(jìn)行了大量的研究，主要集中于植被群落演化與環(huán)境演變[11-13]，以黏土礦物、孢粉、粒度、磁化率、地球化學(xué)元素等代用指標(biāo)研究古氣候演變[14-22]；關(guān)于地貌演化與黃河發(fā)育研究[23-24]等方面，對(duì)區(qū)域內(nèi)河流階地雖有所研究，但主要集中于用黃河階地來(lái)反映青藏高原的抬升速率和黃河的形成與河流階地成因等方面[8-9]，而對(duì)盆地內(nèi)黃河階地礫石層的組構(gòu)特征則研究極少。為此，本文對(duì)共和盆地黃河階地礫石層的礫性、礫度等組構(gòu)特征進(jìn)行分析，討論階地礫石層的沉積環(huán)境及成因。本研究可填補(bǔ)該地區(qū)黃河階地礫石層組構(gòu)特征的研究空白，并為青藏高原東北部古氣候反演提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域與階地概況

共和盆地(35°27′—36°56′N，98°46′—101°22′E)位于青藏高原東北邊緣青海湖南側(cè)(圖1)，地處祁連山與昆侖山兩大山系交匯處，盆地東寬西窄，東西長(zhǎng)約250 km，南北寬約60 km，最寬處達(dá)90 km，平均海拔為2 900 m。盆地為中生代形成的斷陷盆地，其基底為強(qiáng)烈變形的三疊紀(jì)復(fù)理石，盆地四周山地巖層主要為三疊紀(jì)砂巖、灰?guī)r、淺變質(zhì)板巖、片巖及印支時(shí)期形成的花崗巖和閃長(zhǎng)巖等。新近紀(jì)以來(lái)沉積一套河湖相地層，地層中巖石以礫巖、石英巖和泥巖為主[8-9,24]。中更新世末—晚更新世黃河溯源侵蝕切開龍羊峽，使共和古湖湖水外泄，隨構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)發(fā)展，黃河及其支流在龍羊峽轉(zhuǎn)彎，河段不均勻下切形成多級(jí)階地[23]。

表1 共和盆地黃河階地采樣點(diǎn)礫石層剖面描述

野外考察可知，黃河在龍羊峽段發(fā)生明顯拐彎，黃河不斷側(cè)向侵蝕形成河曲階地，隨著地面抬升，階地保存在河流左岸，黃河進(jìn)一步側(cè)蝕形成新的階地。黃河龍羊峽段存在12級(jí)階地，各階地拔河較低，相對(duì)海拔相差較小，階地形態(tài)與韓建恩等[8]的描述相似，在階地出露礫石層上進(jìn)行采樣。由海拔高度及測(cè)年數(shù)據(jù)可知，階地年代具有連續(xù)性，依次對(duì)階地礫石層編號(hào)為T1—T12。階地剖面及礫石采樣點(diǎn)描述如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 礫石采集方法

進(jìn)行礫石采集時(shí)，分別在12級(jí)階地上選取1 m×1 m的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取100個(gè)礫石用羅盤測(cè)量并記錄礫石的傾向，編號(hào)后帶回實(shí)驗(yàn)室。

2.2 礫石統(tǒng)計(jì)方法

2.2.1 礫性與礫向統(tǒng)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)礫石的礦物組成及其含量對(duì)礫石進(jìn)行具體分類，統(tǒng)計(jì)其不同礫性礫石數(shù)量。根據(jù)野外測(cè)量的礫石傾向數(shù)據(jù)繪制礫石傾向玫瑰花圖。

2.2.2 礫石礫度統(tǒng)計(jì)

2.2.3 礫石礫態(tài)統(tǒng)計(jì)

表征礫石礫態(tài)的參數(shù)主要包括礫石的形態(tài)、扁度、球度、磨圓度、風(fēng)化程度和礫態(tài)系數(shù)等[26]。通過(guò)礫石三軸的比值可將礫石形態(tài)分為4種：圓球體，b/a>2/3，c/b>2/3；扁球體，b/a>2/3，c/b<2/3；橢球體，b/a<2/3，c/b>2/3；扁長(zhǎng)體，b/a<2/3，c/b<2/3)。

磨圓度(P)利用哈巴科夫的五級(jí)表目估，并通過(guò)公式P=(∑nQ/N)×25%(n為級(jí)數(shù)，Q為對(duì)應(yīng)級(jí)數(shù)的礫石個(gè)數(shù)，N為礫石總個(gè)數(shù))計(jì)算[4,27]。風(fēng)化程度根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》采用目測(cè)法統(tǒng)計(jì)。礫態(tài)系數(shù)為扁度與球度的比值。

3 礫石組構(gòu)特征分析與環(huán)境意義

3.1 礫性分析

礫性組合特征分析是探究礫石來(lái)源的重要手段之一[28]。共和盆地各階地礫石成分復(fù)雜(表2)，以砂巖和石英巖為主，平均含量分別為22.25%和28.75%；板巖次之，平均含量為9%；混合巖和礫巖含量分別為5.3%和4.41%；另外還含有較少其他性質(zhì)的礫石。各階地礫石性質(zhì)構(gòu)成差異明顯，T1、T3、T5、T6、T10、T11和T12的礫石樣品中砂巖占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，含量均在31%以上；T4和T9階地礫石樣品中石英巖占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，含量在33%以上；T2和T8礫石樣品中石英和砂巖含量約為50%，且兩者含量相差不大；T7礫石樣品中石英巖含量最多，但其含量與其他性質(zhì)的礫石含量相差較小，不占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

共和盆地各階地巖性分析結(jié)果表明：各階地的礫石巖性組合復(fù)雜，除T7外主要巖性含量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，以砂巖與石英巖為主，礫性組合與盆地內(nèi)地層巖石性質(zhì)組合相似，指示階地礫石來(lái)源于區(qū)域地層，未經(jīng)遠(yuǎn)距離搬運(yùn)。

3.2 礫度分析

礫石平均礫徑越大，反映的介質(zhì)平均動(dòng)力越大，反之則相反。礫石礫徑的分選系數(shù)越接近1，說(shuō)明當(dāng)時(shí)搬運(yùn)介質(zhì)動(dòng)力比較穩(wěn)定；分選系數(shù)大于3時(shí)，表明介質(zhì)動(dòng)力極不穩(wěn)定。礫石軸徑頻率柱狀圖可反映礫石的分布特征、均勻、分選、對(duì)稱和離散狀況[20]。σ是表示分選程度的參數(shù)，值越接近0則分選程度越好，介質(zhì)動(dòng)力比較穩(wěn)定，反之則相反，Sk是用來(lái)判斷礫度分布對(duì)稱程度的參數(shù)，在判斷礫石成因方面使用廣泛。Kg為衡量礫度頻率曲線尖銳程度的參數(shù)。通過(guò)σ、Sk和Kg可判斷礫石層具體成因[29-31]。

表2 共和盆地黃河階地礫石層的礫性特征(個(gè))

礫石各軸的分選系數(shù)均大于1.5，分選作用差，表明礫石層沉積時(shí)介質(zhì)動(dòng)力不夠穩(wěn)定。根據(jù)礫石a軸礫徑的分選系數(shù)得出各礫石層堆積時(shí)期介質(zhì)動(dòng)力穩(wěn)定性大小依次為T1>T3>T5>T8>T6>T10>T7>T12>T9>T2>T4>T11。各礫石層σ在1.79～2.62之間，反映各礫石層礫石分選程度較差，根據(jù)σ可知礫石層沉積過(guò)程中介質(zhì)動(dòng)力的穩(wěn)定性依次為：T4>T9>T7>T10>T6>T8>T5>T1>T11>T12>T2>T3。各礫石層Sk均為正值，范圍在0.17～0.4之間。Kg在0.88～1.41之間，T2、T3、T5、T12、T10、T6 、T8和T9峰值大于1，表現(xiàn)為窄峰，反映介質(zhì)搬運(yùn)動(dòng)力作用強(qiáng)度依次減弱，T7、T1、T4、 T11峰值略小于1，表現(xiàn)為中等峰度，介質(zhì)的搬用強(qiáng)度依次減弱，各參數(shù)指示的礫石層成因如表4。

對(duì)礫石a軸頻數(shù)分布柱狀圖(圖2)分析可知：各礫石層礫石a軸礫徑跨度大，范圍在11.98～193.94 mm之間；礫徑分布基本服從正態(tài)分布，峰值分布范圍靠前且較寬；礫徑較大的礫石頻數(shù)較少，除T5、T10、T11外，其余各階地礫石a軸礫徑分布較分散，且在某些礫徑范圍內(nèi)未有分布，各礫徑頻數(shù)柱狀圖指示礫石經(jīng)歷中短距離的搬運(yùn)。

由表4可知，各參數(shù)反映的礫石層成因具有一定的差異性，可能是由于黃河源區(qū)區(qū)域高差變化小，礫石未經(jīng)充足搬運(yùn)分選就發(fā)生了沉積。礫度參數(shù)反映的同一礫石層成因有差別，因此，對(duì)于礫石層成因的判斷必須結(jié)合其他條件才能完成。前人研究[32-33]發(fā)現(xiàn)0.9～0.6 Ma B.P.時(shí)唐古拉山(海拔5 300 m)的最大雪線的平衡高度為4 250 m，昆侖山埡口(海拔4 767 m)上伏冰磧層只存在于山頂，冰磧層形成時(shí)間不晚于0.6 Ma B.P.，而共和盆地各階地形成于0.11 Ma B.P.之后，且海拔高度均在2 900 m以下，遠(yuǎn)低于唐古拉山和昆侖山的海拔，盆地不可能形成冰川，所以礫石層成因中應(yīng)排除冰磧成因，各礫石層均為流水成因。

3.3 礫態(tài)分析

礫石的Ψ和F可在一定程度反映介質(zhì)條件的變化，一般認(rèn)為隨著介質(zhì)作用的加強(qiáng)，Ψ增大，而F減小[29, 34-35]。P值越大表示磨圓度越好，搬運(yùn)距離越大[4, 36]。由各礫石層礫態(tài)特征(表5)可知：各礫石層礫石形態(tài)總體以扁球狀為主，不同階地礫石在相同形態(tài)上的分布差別較大，T1、T5、T12 、T3、T6、T11形態(tài)以扁球體為主，其次為扁長(zhǎng)體；T4、T10、T7、T8、T9形態(tài)以扁球體為主，其次為圓球體；T2形態(tài)以扁球體為主，其次為橢球體。形態(tài)特征也反映階地礫石未經(jīng)歷遠(yuǎn)距離搬運(yùn)。

表4 粒度參數(shù)反映的黃河階地礫石層成因

圖2 共和盆地黃河階地礫石層a軸礫徑頻率分布柱狀圖Fig.2 The histograms of a-axon size-frequency distribution of conglomerate layers of the Yellow River’s terraces in Gonghe Basin

階地形狀/個(gè)圓球體扁球體橢球體扁長(zhǎng)體FΨPF/Ψ風(fēng)化程度1234T1115314222440656175401841600T220382220229065595385742600T321441223248065617543195500T421471814226066557537793700T521342223221067590036191810T6183714312560626125455702910T7234113232190675975354584110T833421213210069665323792100T9253516242350656025402871300T10194918142280666275372762220T1114421331269061710047989920T1213401829270062667548191900

圖3 共和盆地各階地礫石層礫石ab面傾向玫瑰花圖Fig.3 Rose maps of gravel primeval a-b plane of the Yellow River’s terraces in Gonghe Basin

各礫石層Ψ在2.1～2.7之間，分布較集中，其中T12最大，T8最小。階地礫石Ψ反映的介質(zhì)作用強(qiáng)弱依次為T8>T7>T5>T4>T10>T2>T9>T1>T3>T6>T11>T12。球度范圍在0.61～0.69之間，分布集中且一致性分布特征明顯，T8最大，T12最小。F反映礫石層形成時(shí)流水作用強(qiáng)弱為T8>T7、T5>T10、T4>T9、T3、T2、T1>T6>T12>T11，與Ψ所反映的情況基本一致。球度系數(shù)范圍在3.23～4.81之間，分布較集中。

P范圍在55.75～71之間， T2、T4 、T5 和T7磨圓度較差，T1、T3、T6、T8、T9、T10、T11和T12磨圓度中等，總體來(lái)說(shuō)P反映各階地礫石未經(jīng)歷長(zhǎng)距離的搬運(yùn)。P反映階地礫石層形成時(shí)礫石搬運(yùn)距離的遠(yuǎn)近依次為：T11>T12>T8>T10、T1、T3>T6>T9>T7>T2>T5>T4。各礫石層礫石風(fēng)化程度總體較弱，主要為1～2級(jí)，3級(jí)略有分布，說(shuō)明本區(qū)礫石層主要遭受物理風(fēng)化，化學(xué)風(fēng)化則較弱。

綜合分析可知，各礫石層的礫態(tài)系數(shù)分布較集中，一致性特征明顯，由此可推斷礫石層在成因上具有相似性。根據(jù)前人[4, 28-40]對(duì)河流相、沖洪積相、冰磧相礫石扁度和球度等的研究成果，結(jié)合區(qū)域考察結(jié)果確定各階地礫石層最終成因(表4)， T1、T3、T4、T7、T8、T11為穩(wěn)定的河流流水成因，T2、T5、T6、T9、T10和T12為流水沖積成因。

3.4 礫向分析

礫向是指礫石扁平面(a-b面)的產(chǎn)狀要素，礫石原始平面優(yōu)勢(shì)指向可反映古河道方向與礫石來(lái)向[6]。根據(jù)野外礫石傾向測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制各測(cè)點(diǎn)位置礫石最大扁平面(a-b面)傾向的玫瑰花圖，如圖3所示。由圖3可知：各礫巖層的傾向玫瑰花圖分布特征各不相同，礫石層礫石的主傾向明確，與野外觀察結(jié)果一致。T1、T2、T5、T6和T10礫石來(lái)向與古水流流向較復(fù)雜， T3、T4、T7、T8、T9、 T11和T12礫石來(lái)向與古水流流向較簡(jiǎn)單。T1、T2、T6 、T7和T10以偏N向?yàn)橹鳎?T4、T5、T8、T9、T11和T12以S向?yàn)橹?，T3無(wú)絕對(duì)的主方向。

4 結(jié) 論

(1)共和盆地各礫石層礫石礫性組成與研究區(qū)內(nèi)礫石組成一致，礫石形態(tài)特征以扁球體為主、磨圓度較差、風(fēng)化程度低、分選性差，指示各礫石層礫石均源于四周山體和區(qū)域湖相地層，礫石未經(jīng)遠(yuǎn)距離搬運(yùn)。各礫石層平均礫徑均大于中值礫徑，小礫徑礫石所占比重較大，說(shuō)明各階地礫石層形成時(shí)期介質(zhì)動(dòng)力不強(qiáng)。

(2)扁度與球度推斷出各礫石層形成時(shí)期介質(zhì)動(dòng)力大小依次為T8>T7>T5>T4>T10>T2>T9>T1>T3>T6>T11>T12。由礫態(tài)和礫度參數(shù)并參考前人的研究結(jié)果推斷出，T1、T3、T4、T7、T8、T11為穩(wěn)定的河流流水成因，T2、T5、T6、T9、T10和T12為流水沖積成因。礫向研究表明T1、T2、T5、T6和T10礫石來(lái)向與古流水流向復(fù)雜，T3、T4、T7、T8、T9、T11和T12礫石來(lái)向與古河流流向較簡(jiǎn)單，各礫石層主方向與野外觀察一致。

黃河階地的全面研究可對(duì)青藏高原抬升與氣候變化研究提供證據(jù)，階地礫石層組構(gòu)特征指示的環(huán)境意義雖簡(jiǎn)單，但其礫度和礫態(tài)反映的環(huán)境意義可與年代數(shù)據(jù)相結(jié)合來(lái)研究各層礫石形成時(shí)的氣候變化與地面抬升狀況。測(cè)量階地剖面不同深度年代，并結(jié)合其他指標(biāo)可反映具體的氣候演變與地面抬升信息，這可作為今后研究青藏高原東北部氣候變化與地面抬升的新切入點(diǎn)。

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