地球科学进展, 2020, 35(4): 378-388 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.032

构造地貌学专栏

夷平面研究新进展

熊建国,1, 李有利2, 张培震1,3

1.地震动力学国家重点实验室,中国地震局地质研究所,北京 100029

2.地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京大学城市与环境学院,北京 100871

3.广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室,中山大学地球科学与工程学院,广州 510275

New Advances in Planation Surface Research

Xiong Jianguo,1, Li Youli2, Zhang Peizhen1,3

1.State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China

2.Key Laboratory of Earth Surface Processes of Ministry of Education, Peking University, Beijing 100871, China

3.Guangdong Provincial Key Laboratory of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

收稿日期: 2020-01-30   修回日期: 2020-03-19   网络出版日期: 2020-05-06

基金资助: 国家自然科学基金项目“山西地堑系北部六棱山地貌演化定量研究”.  41971002
“榆林河地貌演化及其对阿尔金断裂扩展的响应”.  41702219

Received: 2020-01-30   Revised: 2020-03-19   Online: 2020-05-06

作者简介 About authors

熊建国(1986-),男,重庆人,副研究员,主要从事活动构造和构造地貌学研究.E-mail:xiongjg@pku.edu.cn

XiongJianguo(1986-),male,ChongqingCity,Associateprofessor.Researchareasincludeactivetectonicsandtectonicgeomorphology.E-mail:xiongjg@pku.edu.cn

摘要

夷平面占据大的地域范围,其形成跨越长时间尺度,是地貌学研究的重要内容和基本理论问题。对夷平面的3个主要类型,即准平原、山麓面和刻蚀平原的基本概念、相关理论及其发展历史进行了简要回顾;然后基于夷平面与地层的关系,对上覆地层和下伏地层的年代学研究,以及一些综合的年代学方法进行了简要介绍;夷平面发育、最终形成和解体深受构造运动和气候变化的影响,因此在深入剖析两者各自作用后,详细阐释它们对夷平面的共同影响;最后对中国夷平面研究尤其华北地区夷平面研究的进展进行了阐述,并详细介绍了有关山西地堑系南部中条山北麓唐县面的演化过程的研究。

关键词: 夷平面 ; 准平原 ; 山麓面 ; 构造运动 ; 气候变化

Abstract

The planation surface occupies a large area and its formation spans a long-time scale. It is an important content and basic theoretical problem in geomorphology research. In this article, the basic concepts, related theories and development history of the three main types of planation surfaces, i.e. peneplain, pediment, and etchplain, were briefly reviewed. Then, based on the relationship between planation surface and strata, the chronological study of overlying and underlying strata, and some comprehensive chronological methods were briefly introduced. The respective and combined influence of tectonic movement and climate change on the development, final formation and disintegration of planation surface were deeply analyzed. Finally, the progress of planation surface research in China, especially in North China was elaborated, and the research on the evolution process of the Tangxian surface in the northern Zhongtiao Shan in the southern Shanxi Graben System was introduced in detail.

Keywords: Planation surface ; Peneplain ; Pediment ; Tectonic movement ; Climate change

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熊建国, 李有利, 张培震. 夷平面研究新进展. 地球科学进展[J], 2020, 35(4): 378-388 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.032

Xiong Jianguo, Li Youli, Zhang Peizhen. New Advances in Planation Surface Research. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(4): 378-388 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.032

地貌学研究始于19世纪下半叶,以美国的Powell J. W., Gilbert G. K., Davis W. M.和欧洲的Albrecht Penck为代表的地貌学家,分别建立了自己的理论体系。这其中,Davis的侵蚀循环理论和Penck W.的山前梯地理论最受推崇,也由此开启了半个多世纪有关地貌演化基本理论的争论[1,2,3]。20世纪50年代以来,山前梯地理论受到越来越多的追捧,但是侵蚀循环理论并未彻底被抛弃,其代表性的“准平原”一词仍然出现在很多研究论文中[3,4]。本文无意于继续争论这些基本理论,因此在介绍夷平面类型、基本概念后,阐述了夷平面研究的年代学方法,然后详细阐述夷平面与构造运动和气候变化的关系,最后对中国的夷平面研究进展展开阐述。

1 基本概念、类型及其基本理论

夷平面是指由剥蚀和夷平作用所产生的,以截面形式横切所有老于它的地层和构造的一种平缓地形,是地貌长期发展的终极产物经抬升破坏或埋藏的结果。在过去的一个多世纪夷平面的形成演化一直是地貌学中重要的基本理论问题。由于跨越长时间尺度并占据广大的地域范围,对中生代尤其是新生代以来的地貌演化有重要的指示作用[5,6,7,8],因此夷平面一直是研究热点。夷平面这一概念包括准平原(peneplain)、山麓面(pediment)和刻蚀平原(etchplain)[9]

(1)准平原:基于“侵蚀循环”理论提出,即一个地区被抬升并首先被重新恢复活力的河流系统切割为深切山谷;由于地势升高,风化作用和河间地的侵蚀使其降低为一个微起伏的低地(图1)。准平原一词一被提出就遭到很多批评与反对[1]。尽管修正观点将构造运动分情况讨论,但是主要争论仍然在于构造运动能否长时期保持稳定[10]。此含义强调“海平面的高度”和“水平的地貌面”,但是均衡抬升作用将使该地貌所在区域永远无法下降到海平面的高度,再考虑到构造运动的不稳定和气候变化的波动,准平原似乎是理想的、且永不能形成的一种地貌[3,10];如果认为准平原存在,势必要更改其定义,但这又违背了其广为人知的含义。而且不同的气候和岩性条件导致的地表过程的速率、范围等不同,很难对“准平原”给出准确的定量化意义。虽然坡度被引入定义准平原,但似乎其很难用一个固定值来量化[11]。近年来,“低起伏面”被很多学者使用,它强调的是和缓起伏的形态,如果定量描述即为小于一定坡度。因此我们建议采用“低起伏面”,尤其在不清楚一个平缓地貌面的来源和性质的时候。

图1

图1   坡地演化理论对比

Fig.1   Theoretical comparison of slope evolution


(2)山麓面:是由雨水冲刷、河流侵蚀、风化共同作用下,坡地平行后退形成的基岩夷平地面(图1)[2]。以海面或者当地的河湖体系为侵蚀基准面。它可能是研究对象最明确、定义最清楚的一种夷平面了。多个山麓面联合组成的面,被称为联合山麓面或山麓剥蚀平原和山麓侵蚀面平原。尽管平行后退的理论在被提出后的一段时间里不被认同,然而,考虑到详细的形式以及更多的事实,这一理论逐渐被大多数科学家所接受[3,12,13]。山麓面形成中的4个山坡要素随即被提出(图2)[14]:包括顶面(凸坡)、自由面(岩石露头)、碎屑坡和山麓面(衰减坡)。自由面的岩石被风化、剥落和搬运至碎屑坡,如果碎屑没有被及时搬运,自由面将被埋藏[3]。这些物质被搬运、穿越山麓面进入低地沉积区,撤退的高地留下了一个增大的山麓面[15]。风化、重力作用、片流、岩石抗侵蚀强度、土壤等因素均可能影响山坡后退[3,16]。土壤覆盖的顶面更容易达到一个上凸的稳态[17],而由非均一岩性或者构造影响的石质顶面形态更复杂[18],比如坚硬岩石的暴露将决定地表起伏[19]。自由面的缺失和碎屑坡的被保护意味着夷平作用无法继续[3,14],即山麓面发育终止。

图2

图2   山麓面形成中的山坡要素(据参考文献[14]修改)

Fig.2   Slope elements in pediment formation (modified after reference [14])


(3)刻蚀平原:是若基岩上风化产物很厚,即风化前锋低而风化速率与冲刷速率达到平衡,当上部松散物质被剥离后露出的基岩面。比如覆盖性岩溶区拥有双层夷平面,而这正是刻蚀平原发展而起的基础。基于青藏高原到中国东部灰岩地区夷平面的分异,刻蚀平原被认为不是一个独立的夷平面类型,而是双层夷平面抬升解体过程中的一种表现形式[11]

2 夷平面的年代学

夷平面对气候和构造具有重要的指示作用,要研究它,首先需要知道其演化过程,因此年代学是夷平面研究里最重要的研究内容之一。基于夷平面发育过程,其侵蚀夷平的最新地层以及上覆的最老地层可以约束侵蚀开始和结束的时间,从而给出夷平面发育的时期。对于越老的地貌面,其上覆地层的年代结果越粗糙;相反,上覆地层的年代越精确。近年来,热年代学被应用于研究山体隆升过程,也可以大致约束夷平面发育的时期。

对夷平面的上覆地层进行年代学研究,仍然是夷平面研究里主要的手段和内容,主要包括地层学、宇宙核素暴露定年、K-Ar年代学、磁性地层学和电子自旋共振测年法(Electron Spin Resonance,ESR)等。地层学往往应用于较老的夷平面,且在其他年代学方法难以展开的情况下:如澳大利亚三叠纪—侏罗纪的夷平面被河流切割并填充白垩纪的海相和陆相地层[20,21];再如结合铝土矿的分布特征及铝土矿的地貌特征,倾向于解释西非有2个夷平面,而不是1个[22]。当夷平面上覆沉积物薄,但保留条件较好的情况下,宇宙核素暴露定年则是一个合适的方法。通过核素暴露定年和侵蚀速率校正,得到美国东部的夷平面被埋藏于中新世晚期—上新世[23]。当上覆地层含有火山灰或者熔岩时,K-Ar/Ar-Ar年代学将是非常方便的手段。此方法将安第斯山的主夷平面最终形成和抬升开始时间厘定为上新世,表明该地区在上新世才达到现在的高度[5,24],该方法也被用于研究东格陵兰的两级夷平面[25]和确定地中海地区的上新世夷平面年代[26]。当上覆地层序列完整的时候,磁性地层学能准确约束夷平面形成最终的时代。一系列磁性地层剖面厘定了华北地区唐县面的最终形成年代及其形成相关的地貌过程[27,28,29]。此外,以ESR将三峡地区夷平面的上覆砾岩确定为3.4~3.6 Ma[30]。多方法结合,也是常用的研究手段:如磁性地层和生物地层表明拉萨地体始新世晚期接近海平面形成夷平面[31],K-Ar和磁性地层结合研究地中海的夷平面[26]

下伏和上覆地层年代学研究的结合,也经常被用来约束地貌面发育时期。对侵蚀夷平的地层和上覆地层进行时代判别,巴西东北显生宙期间的几个古夷平面被识别[32],中国华北地区新生代以来的北台面和甸子梁面也被区分[33]。在南太平洋新喀里多尼亚,通过其侵蚀夷平和上覆地层的研究,区分出始新世末期以来发育了8级地貌面[34]

与夷平面相关的地块的隆升剥蚀和沉积也可以用来研究其形成年代。结合磷灰石裂变径迹分析(Apatite Fission Track Analysis,AFTA)数据的冷却历史、地貌分析和地层记录的剥蚀历史,格陵兰岛西部的一个夷平面被认为形成于20 Ma之前,并有超过1 km的沉积盖层被剥蚀[35]。洞穴沉积物的陆地宇宙成因核素的埋藏年龄也可以被用于与其平行的同时期夷平面形成年代研究[36]

3 夷平面发育机制

夷平面形成保留的限制条件主要有4个:两次地壳上升之间构造宁静时间的长短;海平面或当地基准面的升降;气候变化;静止时期以后的上升强度和切割程度。构造活动和气候变化深刻影响着夷平面的演化。海平面的升降受到构造和全球气候的影响,静止期后的上升强度和切割程度也与构造和/或气候变化有关系。夷平作用需要构造的宁静期[4,6,33],一般来说,山麓面在构造长期稳定区域最发育[33,37],也依赖于适宜气候的持续长短[4,11,38]。低的抬升速率促进风化和侵蚀点水平移动,从而导致限制陡崖撤退(图2)[4],也就是说夷平与抬升达到平衡。夷平面的抬升往往被归因于构造抬升[39,40]或气候变化导致的海平面升降和地方基准面变化[32,41]

晚白垩纪或者新生代以来的夷平面广泛分布于南美[5,24,32]、北美[22]、格陵兰[25,35]、欧洲[26,36,42]、南太平洋[34]和非洲[22]。相关学者结合年代学、沉积学、生物地层学对这些夷平面的形成时代、变形进行了研究,进而对夷平面与构造和气候的关系进行了广泛讨论。

构造运动主要控制夷平面的形成和抬升[5,39]。格陵兰在始新世—渐新世过渡时期和中新世之后抬升被侵蚀形成两级夷平面[25]。格陵兰岛西部夷平面及其之间的下切是海底扩张停止数百万年后发生的裂谷后间歇性隆起的证据,而且与斯堪的纳维亚的阶梯状地貌共轭,表明它们都是在北大西洋解体后形成的[25,35,43]。高海拔被动大陆边缘被归因于裂谷作用后的下沉埋藏和随后的挤压造成的抬升和暴露,而不是裂谷作用、冰川过程或者均衡抬升等[44]。意大利半岛上新世夷平面在海平面附近剥蚀形成,正断层活动导致抬升[5,45]。构造运动被认为是阿尔卑斯东部边缘的几级上新世夷平面形成和演化的主要驱动因素[36]。巴西东北部高原发育上新世的山麓面受到裂谷作用而分裂、变形,表明内部抬升强烈,而海平面最有可能是基准面[32,41]。受到太平洋俯冲影响,安第斯山北部哥伦比亚、厄瓜多尔地区中新世—上新世夷平面在上新世才达到现在的高度[24],并影响物种迁移。正因为如此,抬高的夷平面被用来指示区域抬升、剥蚀和埋藏过程[31,46,47,48],尽管多级夷平面可能表明是分期而不是持久的构造隆升[35]

尽管有反对的声音[4],大量的研究表明夷平面发育依赖于气候变化和海平面、当地河流系统等侵蚀基准面[11,31,38,48,49]。而且适宜气候期的持续长短是夷平面形成的基本条件[4]。海面升降受到气候变化的影响,例如全球广泛分布的高海拔平原被解释为侵蚀面或夷平面,它们被剥蚀并逐渐接近海平面[1]。在较短时间尺度内,海平面上升在海岸带形成海蚀阶地或海积阶地;海平面下降形成堆积或风化面[50,51,52,53]。南美洲西海岸在400 ka高海平面时形成海蚀阶地[47]。在较长时间尺度内,海侵时期形成侵蚀面或者夷平面,海退切割夷平面并形成低夷平面。中新世晚期时在地中海中西部,海侵海退在海岸带堆积不同的沉积物,而且可能影响夷平面或侵蚀面的形成[26,54]

具有多期夷平面发育历史的板块或者地块经常与稳定的构造活动有关,但全球气候条件下的海平面升降对夷平过程和夷平面上覆堆积有重要作用。斯堪的纳维亚在寒武纪和侏罗纪—白垩纪被剥蚀为准平原,然后被海侵并接受沉积[43];沉积学和生物地层学给出了地中海周边侵蚀和海侵的发生序列,它们主要与构造活动的强弱有关,气候变化则被认为是次要的[26,36,42]。由于澳大利亚远离板块边界且位于低纬度地区,因此较弱的构造活动、冰川和积雪有利于侵蚀面的长时期保存[21],甚至元古代和三叠纪—侏罗纪的夷平面被暴露且现今仍在发育[20];中国的鄂尔多斯地块,中生代时接受陆相沉积,新生代以来构造稳定,主要接受侵蚀而发育多级夷平面[28]。构造的不稳定和海平面的波动是准平原缺乏的重要解释,相反构造活动的间歇或气候波动都能够解释多级山麓剥蚀面的存在[4]。自始新世末期以来,南太平洋新喀里多尼亚地区发育了8级地貌面,暗示大陆脊的隆升运动和新近纪气候变化的共同作用,后者与全球古气候事件紧密相关[34]

构造、气候、沉积和侵蚀过程相互之间复杂的作用导致了古地貌和夷平面的复杂演化过程[10,52,55]。我们现在看到的夷平面高于海平面几百米甚至几千米,看起来主要是构造活动控制其抬升到现今的高度,但是构造如何影响其形成过程,却很难有直接证据去揭示。过程—响应的数值模拟显示岩性和构造易变的基底地区不太可能有利于一个大陆宽度范围的夷平面形成[56]。而且有多期历史的夷平面,没有年代学意义[7]。基于此,夷平面与相关沉积的关系可能是夷平面研究的突破口,例如:上新世—更新世海平面下降导致河流下切,在山间盆地[45]或者滨海堆积沉积物[57];构造抬升/沉积物供给几个周期的增加和减少在伊比利亚半岛周边建立[58]

气候与构造的关系已经被深入探讨,白垩纪末期—古新世、渐新世和晚上新世以来3个时期的气候恶化,海平面下降,后者的振荡幅度大[59,60]。拉萨地块在白垩纪末期—古近纪早期发育准平原,在50 Ma左右受到印欧碰撞而迅速抬升并达到接近现在的高度,进而影响了当地气候[48,61]。尽管存在区域的构造加速,但是晚新生代山脉加速隆升和盆地加速堆积主要归因于从稳定的气候到一个频繁、高幅度变化的气候[62,63]。不管是在被动大陆边缘,如斯堪的纳维亚、格陵兰[64,25]还是稳定的克拉通如澳大利亚[20,21],地方河流系统和海平面作为侵蚀基准面对理解夷平面形成是非常基本的。气候变化是全球性的动力过程[63],而全球构造运动不具有同时性[65]。从这个角度来说,气候大幅度变化及其导致的基准面波动有可能是晚白垩纪以来全球夷平面最终形成的重要原因,但是侵蚀与阶段性隆升或气候变化导致的海平面升降的直接关系难以建立,这仍然是需要进一步研究的科学问题。

4 中国的夷平面研究进展

4.1 中国夷平面分布与发育期次

中国的华北和青藏高原的夷平面都有较为详细的研究,华南的夷平面也有部分介绍。利用洞穴再结晶方解石测得的裂变径迹年代数据证明主夷平面形成时代为19~7 Ma BP,并认为目前意义上的青藏高原源自5 Ma BP的最新一次抬升[66]。利用磷灰石和锆石的(U-Th)/He年龄和磷灰石裂变径迹数据、有孔虫δ18O以及侵蚀速率研究,晚白垩世强烈的弧后伸展变形被认为是导致西藏南部在低海拔地区广泛发育准平原的原因[31,48,67,68]。利用校正后的最负古地表水δ18O值重建古高程,表明拉萨准平原在印亚碰撞期间达到了(4 500±400) m的海拔高度,即接近现在的海拔高度[61]。藏北可可西里地区的中新世五道梁组沉积于20 Ma形成的统一夷平面,后来构造运动造成夷平面和五道梁组的500 m垂直高差[69]。以古地磁将陇中盆地的马衔山准平原的形成年代确定为6.9 Ma,并将其与青藏高原晚新生代的构造隆升相关联[70]

华南的三峡地区,长江从上新世夷平面切下去,并发育第四纪一系列阶地[30]。粤北的地形被区分出4级夷平面,并对其发育时代和成因机制进行了阐述[71]。另外,华南多灰岩,“双层夷平面”理论被提出适用于我国南方灰岩区[11,72,73]

华北地区存在3级主要夷平面(图3)。在1903—1904年进行地质考察后,美国地质学家Bailey Willis首次提出中国北方有两级夷平面[74]。他将五台山一个呈剥蚀平原状态并被红色风化壳覆盖的山顶面命名为北台面,并认为其形成于白垩纪至始新世早期;又将河北省唐县附近的低山、丘陵面命名为形成于始新世晚期至上新世早期的唐县夷平面[74]。此后,更多的学者对中国山西高原乃至整个华北地区的夷平面进行了研究[27,75,76,77,78]

图3

图3   中国华北地区夷平面分布(据参考文献[29,33]修改)

1:五台山;2:小五台山

Fig.3   Planation surface distribution in North China (modified after references[29,33])

1.Wutai Shan; 2. Xiaowutai Shan


夷平面的最终形成时代是有关夷平面研究的重要内容。夷平作用结束,也就意味着夷平面的最终形成。自始新世以来鄂尔多斯地块缓慢并间歇性抬升,多期古夷平面在其上形成,且保留至今[79,80]。华北地区的山地夷平面和华北平原的埋藏地貌面有非常详细的总结,而且对位于北台面和唐县面之间的甸子梁期夷平面进行了定义(图3[33,81]。北台面夷平的最新岩石的K-Ar和Rb-Sr年龄主要为93~118 Ma,上覆繁峙玄武岩的K-Ar年龄主要为37~62 Ma,因此北台面形成于白垩纪末期—古新世;甸子梁期夷平面蚀平的最新岩石是渐新统,上覆的最老岩石是汉诺坝玄武岩,汉诺坝玄武岩的K-Ar年龄主要为5.2~26.8 Ma,因此其形成于晚渐新世;唐县面侵蚀和斜截的最新岩石是汉诺坝玄武岩上覆的最老岩石是早更新世泥河湾组,所以唐县面形成于晚中新世到早上新世。有赖于夷平的地层和夷平面上覆地层的研究,华北地区唐县面为代表的上新世夷平面[33]研究给出了较为准确的年代学结果。近年来,建立了唐县面上覆晚新生代沉积物的高精度磁性地层,获得了唐县面在山西地堑系北部的大同—阳原盆地[82]、鄂尔多斯高原[80]的年龄,分别约为3.12和3.7 Ma。另外,全球与中国的夷平面形成,从年代学上是可以对比的:非洲[22]与中国北方[33]均分布有形成于白垩纪末期—古新世以及渐新世的夷平面;从委内瑞拉到法属圭亚那的南美东北部存在3期新生代夷平面[49],与中国北方3期夷平面[33]时代相同。以中国北方唐县面[33,80]为代表的上新世夷平面广泛存在于青藏高原[83]和中国南方[30,84,85]。围绕其年代学、动力学机制都进行了广泛地讨论。

4.2 华北地区唐县面演化机制

由于唐县面的形态保存最好,夷平作用的相关沉积和夷平面上覆沉积保存完整,与其有关的年代学及动力学机制研究最成熟,已经成为一个夷平面研究领域中较为详尽的例子。在这里,较为详细地介绍作者在山西地堑系南部中条山唐县面的演化研究中的一些认识。

过去几年,作者对山西地堑系南部中条山北麓的唐县面进行了系统研究,包括上覆沉积物、相关沉积物以及盆地钻孔,以沉积学和磁性地层学限定其形成年代为3.1 Ma,并深入讨论了夷平面发育、最终形成和抬升解体演化过程,以及构造和气候扮演的具体角色[28,29]。包含唐县面的夏县台地的边缘和夏县砾岩现在高于盆地300多米,受到中条山北麓断裂活动的控制(图4)。将夷平作用的相关沉积——王峪口剖面和盐湖钻孔的磁性地层的各极性带高度进行对比后发现,在2.6 Ma以前,2个剖面相同极性带高差一致,均在约700 m。但是更新世以来,高差逐渐缩小,这是由于F2进一步活动造成夏县台地抬升,其边缘的坡度加大导致夏县砾岩顶部黄土沉积速率较慢。沉积相转变、沉积速率急速减小表明F2于约2.6 Ma开始活动,F1停止活动,造成夏县砾岩与其东侧唐县面及其上覆沉积物一起抬升,形成现今的夏县台地地貌(图4)。

图4

图4   中条山唐县面地质地貌图

(a)中条山—运城盆地地质简图(据1∶20万地质图)和主要断裂[86,87];(b)中条山—运城盆地地质结构图(据参考文献[29]修改);唐县面、夏县砾岩、低台地和运城盆地分别被中条山北麓断裂的分支断裂F1、F2、F3分割;SLB:盐湖钻孔;WYK:王峪口剖面;XX:夏县剖面;YT:窑头剖面;NY:南窑剖面;LP:了坡剖面

Fig.4   Geological and geomorphic map of the Tangxian planation surface in the Zhongtiaoshan

(a) Simplified geological map of the Yuncheng Basin and Zhongtiao Shan digitized from 1∶200 000 Chinese geologic maps with main faults[86,87]; (b) Geological cross of the of the Zhongtiao Shan-Yuncheng Basin(modified aftrer reference[29]). The Tangxian planation surface,Xiaxian Conglomerate,Low Platform and Yuncheng Basin are respectively bounded by F1, F2, and F3, three branches of the north Zhongtiao Shan fault. SLB. Salt Lake borehole; WYK. Wangyukou section; XX. Xiaxian setion; NY. Nanyao section; LP. Liaopo section


唐县面发育时,一定与作为基准面的盆地面高度一样或者接近,否则河流下切将导致夷平无法进行。夏县砾岩稳定的砾岩堆积结束于约2.6 Ma,这个时期砾岩面与盆地面也应该是接近的。以这两个地貌面与盐湖钻孔的磁性地层的对应地貌面约束晚新生代以来中条山北麓断裂的活动速率。中条山北麓断裂自3.1和2.0 Ma以来的活动速率分别为0.25和0.27 mm/a,而且运城盆地沉积速率和沉积相在上新世—早更新世也相对稳定(图4)。因此,中条山北麓断裂在上新世以来活动稳定,运城盆地的基底和中条山是在稳定地分离。作为夷平的侵蚀基准面,运城盆地面也是相对稳定的。晚中新世—早上新世,全球气候相对稳定,中国北方气候暖湿[88,89]。该时期稳定的构造活动和气候是夷平进行的重要基础[29]。晚上新世以来,伴随着气候变化的加速振荡,从一个侵蚀状态到另一个状态的改变,可能导致侵蚀比仅仅一个状态完成侵蚀更快[63]。在稳定构造背景下,气候变化导致的河流下切或基准面降低都能够造成侵蚀基准面与夷平面的分离。因此,高频震荡的气候恶化可能是夷平面发育终止的主要原因。

夷平结束后冲沟从台地边缘下切并溯源侵蚀造成唐县面上覆砾岩面的年龄由西向东大致逐渐变年轻[28]。晚上新世—早更新世,气候恶化导致风成堆积物沉积速率增加[88],然而,运城盆地并没有表现出对应的沉积速率增加,而表现为较为稳定的湖泊环境[87],这可能与沟通渭河—运城盆地和华北平原的黄河作为沉积基准面以及区域构造抬升温[80]有关。这个时期,堆积与构造下沉达到均衡。早更新世—中更新世,运城古湖与侯马古湖连通成为统一的大湖,湖泊规模有大有小[90]。约1.0 Ma以来的气候波动比之前更为剧烈[91,92],响应其的是急速增加的黄土沉降量[88,80],比如夏县剖面中L9的加速堆积将坡地填充为平地,且侵蚀量增加[63]。同期,中条山西麓[93]和晋陕峡谷[80]的阶地表明黄河加速下切。因此,这个时期盆地加速沉降与气候导致加速堆积共同决定了运城盆地堆积速率是之前的3~4倍[90],100多米厚的沉积物堆积在唐县面之上,使得唐县面被保存,并继续在黄土顶面展现出一个和缓起伏的平面[28]

5 结语与展望

在夷平面的基本类型和理论中,与准平原相比,山麓面和坡地平行后退理论被更多学者接受。夷平面的上覆和下伏地层的年代学研究,是夷平面研究的重要内容和手段。构造运动主控夷平面的形成和抬升,但夷平面发育依赖于气候变化以及作为终极基准面的海平面以及当地河流系统。中国华北地区晚白垩纪以来形成北台面、甸子梁面和唐县面三级夷平面,其中有关唐县面的年代学和动力学研究最为详尽。稳定的构造运动和气候变化控制了中条山唐县面的发育,但晚上新世恶化和大幅振荡的气候变化可能是唐县面最终形成的原因,此后构造和气候共同影响着唐县面的上覆沉积及其组成的台地地貌。

地貌学研究离不开年代学方法的发展,后者每次出现新的方法都极大地推动了地貌学的进步。如磁性地层学在中国华北的夷平面研究发挥了重要作用。未来,低温热年代学、数值模拟[94]等新方法与夷平面研究的结合,可能会推动对其演化历史的新认识。另外,地球物理学对岩石圈结构的精细刻画,古气候学对海平面和地方侵蚀基准面变化的新理解,以及气候变化对地表过程的具体影响,将推动在夷平面演化的动力过程及其机制方面有更进一步的认识。

参考文献

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