地球科学进展, 2020, 35(4): 404-413 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.034

构造地貌学专栏

黄河兰州段河谷演化研究与认识

贺鑫,, 胡小飞,, 潘保田

兰州大学资源环境学院,甘肃 兰州 730030

Research and Understanding of the Evolution of the Yellow River Valley in Lanzhou

He Xin,, Hu Xiaofei,, Pan Baotian

College of Resources and Environment, Lanzhou University, Lanzhou 730030, China

通讯作者: 胡小飞(1980-),男,河北张北人,教授,主要从事河流过程与构造变形研究. E-mail:feixhu@lzu.edu.cn

收稿日期: 2020-01-22   修回日期: 2020-03-09   网络出版日期: 2020-05-06

基金资助: 第二次青藏高原综合科学考察研究专题项目“冰—河—湖演化历史事件与耦合过程”.  2019QZKK0208
“碰撞以来古地理格局与构造地貌过程”.  2019QZKK0704

Corresponding authors: Hu Xiaofei (1980-), male, Zhangbei County, Hebei Province, Professor. Research areas include fluvial process and structural deformation. E-mail:feixhu@lzu.edu.cn

Received: 2020-01-22   Revised: 2020-03-09   Online: 2020-05-06

作者简介 About authors

贺鑫(1995-),女,河北邯郸人,硕士研究生,主要从事第四纪地质学研究.E-mail:hex17@lzu.edu.cn

HeXin(1995-),female,HandanCity,HebeiProvince,Masterstudent.Researchareasincludequaternarygeology.E-mail:hex17@lzu.edu.cn

摘要

兰州盆地作为黄河自青藏高原流入黄土高原的转折点,其河谷演化对黄河水系在不同地貌单元的演化研究有承上启下的意义。兰州黄河河谷演化研究至今已有近100年的历史,在研究过程中取得了重要的研究成果和认识:兰州盆地黄河河谷之上发育1级剥蚀面,河谷中发育了宽广连续的9级阶地;利用多种测年技术较系统地测定了1级剥蚀面和9级黄河阶地的年代。提出兰州黄河基座阶地的形成模式——在长期地面抬升的背景下,气候变化控制阶地形成的年代,抬升速率影响阶地的级数。兰州至其上游各盆地内黄河最高级阶地年代逐渐年轻化,揭示现代黄河上游水系格局的形成是黄河自兰州盆地不断溯源侵蚀,逐渐贯通上游内流盆地的结果。同时,阶地序列年代学仍需继续深入,区域构造抬升变形特征缺乏直接证据,阶地发育模式需要模型模拟进行验证,水系变化的地貌响应不清楚,以及阶地河漫滩沉积记录的河流过程缺乏关注,这些问题将是今后研究的重点。

关键词: 兰州盆地 ; 阶地 ; 河谷演化 ; 黄河

Abstract

As the turning point of the Yellow River flowing from the Tibetan Plateau to the Loess Plateau, the valley evolution of Lanzhou Basin is of great significance to the study of the evolution of the Yellow River system in different geomorphic units. The evolution of the Yellow River Valley in Lanzhou has been studied for nearly 100 years. In the process of research, important research results and understandings have been obtained as follows: The denudation surface develops above the Yellow River Valley in Lanzhou Basin, and the broad and continuous 9-level terrace develops in the valley. The age of the denudation surface and 9-level Yellow River terrace was systematically determined by using a variety of dating techniques. The development pattern of the strath terraces of the Yellow River in Lanzhou was put forward. Under the background of long-term ground uplift, climate change controls the age of terrace formation, and the rate of uplift affects the number of terrace. The age of the highest terrace of the Yellow River in the basins from Lanzhou to the upper reaches of the Yellow River is gradually younger. It is revealed that the formation of the present pattern in the upper reach of the Yellow River is the result of the headward erosion from Lanzhou Basin and the drainage intergration of the internal flow basin. At the same time, the chronology of terrace sequence still needs to be deepened, the characteristics of regional tectonic uplift and deformation are lack of direct evidence, the development pattern of terrace needs to be verified by model simulation, the geomorphic response of drainage change is not clear, and the river process recorded by the deposition of terrace flood plain is lack of attention. All those issues will be the focus of future research.

Keywords: Lanzhou Basin ; Terrace ; Valley evolution ; Yellow River.

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贺鑫, 胡小飞, 潘保田. 黄河兰州段河谷演化研究与认识. 地球科学进展[J], 2020, 35(4): 404-413 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.034

He Xin, Hu Xiaofei, Pan Baotian. Research and Understanding of the Evolution of the Yellow River Valley in Lanzhou. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(4): 404-413 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.034

1 引 言

黄河作为中华民族的母亲河,其形成发育历史一直受到广泛关注,而位于兰州盆地的黄河河谷,由于其内发育多级河流阶地且阶地面保存完整,被称为“兰州式”阶地 [1]。兰州黄河阶地不仅记录了其形成演化历史,同时也记录了构造活动、气候变化及河流对构造活动和气候变化响应机制的信息,成为黄河形成发育研究的焦点之一[2,3],也是全球河流阶地研究的一个范例[4]。对于兰州黄河河谷地貌的详细研究从20世纪20年代开始[5],至今已有近100年的研究历史,形成了一系列新的发现与认识,包括黄河形成、高原隆升、河流阶地发育模式、气候变化等方面,对于推动我国地貌学研究起到重要作用。本文对兰州黄河河谷研究历史进行系统梳理,着重介绍研究历史中得到的一些新发现与认识,旨在让读者对于兰州黄河河谷演化研究有一个全面的认识。

2 兰州盆地概况

兰州盆地位于黄土高原西部,青藏高原东北缘,地处我国三大自然地理区(东部季风湿润区、西北内陆干早区和青藏高原寒区)的交汇带。雷坛河断裂将兰州盆地分为东西两个盆地,西盆地为断陷盆地,地质构造复杂;东盆地相对抬升,主要为黄河侵蚀而成[6];黄河从青藏高原流出后,经虎头崖自西向东纵贯兰州盆地,在东侧的桑园峡流出(图1)。

图1

图1   兰州盆地地理位置(a)及地质概况(b

Fig.1   Geographical location (a) and geological survey (b) of Lanzhou Basin


兰州盆地内出露的年代最老地层为皋兰群,属于前寒武系变质岩,母岩为泥砂质的海相沉积岩,自西向东分布在安宁堡、十里店、白塔山和桑园峡附近。其次是雾宿山群,属于奥陶统,主要是浅海相变质程度较低的火山岩、硅质岩和灰岩,出露面积较小,在兰州盆地西南侧的雾宿山一带分布,并因此得名。中生代地层中三叠系和侏罗系地层出露面积极小,在兰州盆地西南侧偶有分布;下白垩统的河口群为主要出露地层,是一套河湖相碎屑沉积,主要分布在兰州盆地的河口地区,因此而得名,同时在罗锅沟附近也有出露。第三系地层由老到新可分为西柳沟组、野狐城组、咸水河组与临夏组,主要分布在咸水河附近,在兰州东盆地黄河南、北岸均有出露[7]。其中,西柳沟组主要为河流相深红色粗砂岩,与下伏河口群地层呈明显角度不整合;野狐城组为湖相沉积含砂砾岩层和大量石膏层,在野狐城附近较发育;咸水河组为河流相砂质泥岩、砂砾岩,含有动物化石,与野狐城组之间存在沉积间断;临夏组为山麓及河流相深红色砂质泥岩[7,8,9]。在第三系地层和第四系黄土地层之间发育有五泉砾岩和现代黄河阶地砾石层。其中五泉砾岩属于五泉山组,前人判断其为冰水沉积物[10]、向心水系沉积物[11],最新研究认为上五泉砾岩是山麓相冲洪积物,下五泉砾岩是河流相沉积物,形成时代为2.2~3.6 Ma,主要在七里河断陷带沉积,在范家坪和五泉山一带有出露[12,13];黄河阶地在黄河两岸均有分布,在东盆地黄河北岸阶地序列保存较为完整,有利于阶地的划分与对比,大量黄河河谷演化的研究集中在该区域。兰州盆地第四系黄土地层发育,覆盖了兰州盆地面积相当大区域,各个地区薄厚不一,在西津村发现了最老黄土沉积始于2.2 Ma[14]

纵观兰州地区剥蚀面和河流阶地的研究历史,概括起来可以划分为20世纪70年代之前、1980—2000年和21世纪3个研究阶段。

3 20世纪70年代之前的定性研究阶段

自20世纪20年代以来,兰州盆地内阶梯状地貌面发育就引起了国内外地貌学家的关注[5,15],为了对地貌面的形成原因进行理解,我国地貌学家提出了地文期学说。地文期指地貌的发展阶段,该学说以戴维斯侵蚀循环理论为指导,根据地貌和地层中的堆积—侵蚀现象,着重突出构造在地貌形成过程中的重要作用,分析得出地貌演化过程中的阶段性和旋回性[16]

早期各位学者对阶地序列和级数考察结果不完全一致,总体来讲共发现4~6级阶地和一级剥蚀面,并将每级地貌面的形成归因于不同期次的构造抬升活动,同时作为每个侵蚀期的标志。例如杨钟健等[17]提出第三系红层的堆积和最高级剥蚀面的形成是甘肃期这一堆积—侵蚀旋回的结果,陈梦熊[15]将最高级侵蚀面命名为“甘肃期准平原”。除了构造活动的影响外,地层沉积也受控于气候因素的影响:第三系红层和黄土沉积指示气候相对干燥;河流相沉积指示气候湿润[10,15,18]

为了观察新构造活动对地貌的影响,第四纪地质学家对盆地内阶地面和剥蚀面的拔河高度进行了测量。据此,韩源等[19]发现白塔山—皋兰山一带各级地貌面海拔均高于东西两侧、同级阶地南侧高于北侧,推断该地区存在NW350°~S174°背斜式隆起且南侧隆起程度较北岸更强烈一些,河道在向北迁移;张林源[10]发现越年轻的阶地之间高差越小,认为是构造活动幅度逐渐变小造成的,推测从虎头崖至桑园峡共存在3个隆起带和2个相对拗陷带;但徐叔鹰[18]认为皋兰山处的背斜隆起带并不存在,对于高级阶地的比降高于低级阶地和现代河床而且阶地西侧高差大于东侧的现象,他解释为阶地形成时西侧盆地隆升幅度大于东侧。

在这一研究阶段,由于测年技术手段的限制,地貌形成的时间标尺主要依赖于地文期学说。随着对黄土形成年代理解的加深,为阶地相对年代限定起到极大辅助作用,徐叔鹰[18]根据上覆黄土地层年代得到阶地形成年代分别为Q2Q3Q4。同时在这一时期,对阶地级数的划分还存在很大争议,阶地年代学研究还处于萌芽阶段,更深入的工作亟待完成。

4 1980—2000年的绝对定年阶段

随着绝对测年技术的发展,古地磁测年、14C测年、裂变径迹测年等测年方法逐渐应用到阶地形成年代研究中,测年精度不断提高,使兰州阶地年代学进入定量化阶段。九州台位于黄河北岸,第三系红层之上覆盖2~3 m砾石层,砾石层顶拔河高度约230 m,砾石层上覆21 m厚的河漫滩相粉砂和297 m厚的风成黄土[20],是当时发现的最厚黄土沉积。在早期的研究中,黄土沉积越厚在一定程度上代表黄土在兰州的发育时代越早;九州台由于海拔较高,被认为是兰州黄河河谷夷平面或剥蚀面[21],后改为最高级阶地[22]。由于兰州地区黄土堆积早于剥蚀面和黄河阶地的形成年代,因此各级地貌面上堆积了不同厚度的黄土,这为利用黄土地层及其定年确定各级地貌面的年代提供了方便。每级黄河阶地都是过去的河漫滩,在河漫滩发育时即使有大气降尘,也将被河流过程带走或改造,无法形成黄土地层;只有当河漫滩被废弃成为河流阶地后大气降尘才能不断积累形成黄土地层;因此黄土地层底部年代大致代表了阶地形成年代[23]。为了探明黄土在兰州开始堆积和黄河河谷开始发育的时代,将九州台阶地作为重点关注对象开展了广泛研究。王永焱等[21]对31组古地磁样品测试的结果表明九州台黄土底部年代为1.0~1.1 Ma;Burbank等[22]以7 m左右间隔采集43组样品,测定风成黄土底部沉积年代为1.3 Ma;Derbyshire等[24]的古地磁样品退磁结果相似,并将松山正极性时中存在的2个负极性对应为贾拉米洛事件(Jaramillo)及奥杜威事件(Olduvai),认为九州台黄土底部年代为2.4 Ma;曹继秀等[20]加密采集123组样品,测量结果与前人类似,将松山世的2个正极性事件,分别对应于贾拉米洛事件和后贾拉米洛事件,认为风成黄土底部年代为1.2 Ma;由于对黄土剖面中松山世出现的2次正极性事件存在不同观点,Chen等[25]在年代争议处加密补采古地磁样品80余组,加上之前曹继秀等[20]的123组样品共同限定上覆黄土年代,将松山世的2个正极性事件定为贾拉米洛事件和后贾拉米洛事件,得到黄土沉积年代为1.3 Ma,根据黄土底部发育古土壤层S18(约1.4 Ma,古土壤年代[26])认为黄土底部年代为1.3~1.4 Ma;陈怀录等[27]对砾石层顶部石膏进行裂变径迹测年,得到年代为(1.48±0.12) Ma,确定了九州台阶地废弃年代为1.5 Ma之后。

获得以上研究成果后,更值得关注的问题是兰州是否还存在更高级阶地?黄河究竟是何时开始在兰州发育的?带着这样的疑问,朱俊杰等[28]在兰州黄河北岸薛家湾处发现一级基座比九州台高约100 m的阶地,基座为第三系红层,上覆100~200 m黄土,应列为第七级阶地。继续向北到烟洞沟,发现一级拔河约440 m的剥蚀面,上覆约1 m厚、分选差、岩性单一、肉红色次棱角状砾石组成的砾石层,砾石层上覆百余米黄土,下伏第三系红层。为了确定最高级阶地和剥蚀面的形成年代,朱俊杰等[28]在薛家湾附近对阶地上覆110 m黄土进行古地磁采样,测量结果表明黄土底部年代为1.66 Ma;在烟洞微波站对剥蚀面上覆120 m厚黄土进行采样,得到黄土底部年代为1.80 Ma;李吉均等[2]在剥蚀面对砾石层底部石膏进行裂变径迹定年得到年代为(1.79±0.15) Ma。

除了对最高级地貌面的关注,对罗锅沟附近的黄河阶地序列及其上覆黄土地层的年代也开展了研究工作。除两级高级阶地外,还发现了较低的五级阶地:T5(墩洼山)、T4(五一山)、T3(白塔山)、T2(石峡口)、T1(兰州市)[28,29]。为了获得阶地序列的年代,对T5和T4阶地上覆黄土采用古地磁测年、T2和T1阶地采用无机14C和有机14C测年方法,结合各级阶地上覆黄土—古土壤序列,得到较低5级阶地的年代:T5为1.1 Ma、T4为0.59 Ma、T3为0.14 Ma、T2为(34.8±1.26) ka、T1为(6.68±0.18) ka[6,29]

研究还发现,黄河切穿兰州以上各盆地的年代和在兰州阶地下切年代相吻合,其主要驱动因素应为多次的构造抬升[16]:剥蚀面和最高级阶地T7年代指示兰州盆地黄河形成年代约为1.8 Ma,与临夏盆地黄河形成时间相当[2],以黄河1.8 Ma在陇中盆地发育为标志,李吉均等[2]提出当时的构造背景是“青藏运动C幕”[30];九州台T6阶地形成指示发生在1.3 Ma的“元谋运动”;黄河切穿积石峡、兰州墩洼山T5阶地形成指示发生在1.1 Ma的“黄河运动”;黄河切穿松巴峡、兰州五一山T4阶地形成指示0.6 Ma发生的“S5运动”或“松巴运动”、共和盆地抬升、龙羊峡下切和白塔山T3阶地形成指示0.14 Ma左右发生的“共和运动”;兰州T2和T1形成分别指示了发生在0.05和0.01 Ma的“间冰段运动”和“若尔盖运动[30]。其中,李吉均等[29]根据T1~T4阶地上覆古土壤层发育提出气候对阶地形成影响在于冰期河流加积,间冰期河流下切。

至此,兰州盆地内共发现7级阶地和1级剥蚀面。这一阶段对兰州河谷演化关注点集中于阶地序列调查、地貌面年代学研究。这一时期对各级阶地的定年趋于完善,对于黄河阶地形成的解释主要倾向于构造运动方面,认为兰州黄河的发育与阶地的形成受到青藏高原阶段性隆升的控制。

5 2000年以来的丰富完善阶段

5.1 兰州阶地的重新定年与新阶地的发现

除了上述已经发现的7级阶地外,兰州河谷是否还存在其他未被发现的阶地?为了得到详细的阶地序列,有研究者[31,32,33,34]在兰州东盆地北岸开展了自罗锅沟至石台沟的多条断面考察,并在T5墩洼山阶地和T4五一山阶地之间新发现了两级阶地,因此T5墩洼山阶地由于新发现的两级阶地而改为T7。由于受大沙沟、小沟发育的断层错动影响,同级阶地砾石层拔河总体上有向东逐渐降低的趋势,阶地均遭受不同程度的变形[4]。但根据黄土—古土壤层的判断和古地磁年代结果对比,可将不同断面的同级阶地进行对比,例如T7的2个典型剖面分别位于墩洼山和骆驼岘,阶地砾石层拔河从墩洼山到骆驼岘附近降低了75 m,但根据2个剖面黄土底部共同发育古土壤层S14和古地磁结果可以判断两处阶地均为T7[33]。T6在小沟—大浪沟出露较好,黄土底部发育古土壤层S10;T5阶地面宽度50 m,仅在小沟至小砂沟之间发育,黄土底部发育古土壤层S9;T4以枣树沟和五一山为代表剖面,黄土底部发育古土壤层S8;T3以白塔山剖面为代表,黄土底部发育古土壤为S1;T2在罗锅沟,黄土底部发育弱古土壤Sm;T1目前被兰州城区占据[4]。迄今为止黄河在兰州地区共发现9级阶地和1级剥蚀面(图2)。

图2

图2   兰州盆地各级地貌面分布(据参考文献[4]修改)

Fig.2   Distribution of geomorphic surface at all levels in Lanzhou Basinmodified after reference[4])


随着黄土—古土壤轨道调谐年龄研究的深入,黄土—古土壤地层发育起始年代得到精确限定,根据阶地顶部古土壤层位可以判断阶地面废弃年代[32]。为了建立盆地内广泛统一的阶地序列年代框架,对之前进行过古地磁测年的阶地T7和T4,选择不同剖面加密采样测年[32,35,36];对刚发现的T6和T5阶地,进行同样方法的古地磁测年[32,34];对在东、西盆地内发育连续的T3和T2,采用光释光(Optically Stimulated Luminescence, OSL)、红外释光(Infrared Stimulated Luminescence, IRSL)进行测年[37,38,39];另外随着宇生核素埋藏测年理论和技术的发展,阶地砾石也应用于阶地T9~T4的定年当中[40,41,42]。目前为止,已经获得了兰州盆地1级剥蚀面和9级黄河阶地较系统的年代(表1图3)。但值得注意的是,同一级阶地不同测年方法得到的年代结果有一定的差异。如高级阶地砾石层的埋藏年代较黄土古地磁年代老,可能是由于阶地砾石层中混入了源于上游盆地沉积物中的二次埋藏的砾石[42]。有的差异是由于测年手段的发展导致,如九州台古地磁年代的结果;还有测年位置不同的原因,如T2阶地河漫滩和上覆黄土的年代。对于这些不同位置的年代结果,我们可以根据自己研究的需要,选择对应位置(黄土、河漫滩、砾石层)的年代结果进行参考。若以阶地面废弃、河流开始下切的年代[4]作为阶地年代,目前对风成黄土底部和河漫滩顶部的定年显示各级阶地形成的时代(以东盆地为主)如下:T9为1.7 Ma、T8为1.3~1.4 Ma、T7为1.24 Ma、T6为1.05 Ma、T5为0.96 Ma、T4为0.86 Ma、T3为0.13 Ma、T2为54 ka、T1为6.7 ka。

表1   兰州盆地地貌面年代

Table 1  The age of layered landform surfaces in Lanzhou Basin

地貌面地点方法位置年代参考文献
剥蚀面烟洞沟古地磁黄土底部1.80 Ma[28]
剥蚀面烟洞沟裂变径迹砾石层底1.79 Ma[2]
五泉砾岩五泉山宇生核素埋藏砾岩内部

2.72-0.46+0.54 Ma

2.85-0.52+0.60 Ma

[12]
五泉砾岩范家坪古地磁砾岩顶底2.2~3.6 Ma[12]
T9薛家湾古地磁黄土底部1.66 Ma[28]
T9薛家湾宇生核素埋藏砾石层(2.81±0.44) Ma[42]
T8九州台古地磁黄土底部1~1.1 Ma[21]
T8九州台古地磁黄土底部1.3 Ma[22]
T8九州台古地磁黄土底部2.4 Ma[24]
T8九州台古地磁漫滩底部1.3 Ma[20]
T8九州台古地磁黄土底部1.2 Ma[20]
T8九州台古地磁+古土壤黄土底部1.3~1.4 Ma[25]
T8九州台古土壤断代漫滩底部1.48 Ma[25]
T8九州台裂变径迹砾石层顶部1.48 Ma[27]
T8九州台宇生核素埋藏砾石层(2.10±0.38) Ma[42]
T7骆驼岘古地磁+古土壤黄土底部1.24 Ma[4]
T7墩洼山宇生核素埋藏砾石层(2.02±0.29) Ma[42]
T6大浪沟古地磁+古土壤黄土底部1.05 Ma[4]
T6大浪沟宇生核素埋藏砾石层(1.39±0.28) Ma[42]
T5小沙沟古地磁+古土壤黄土底部0.96 Ma[4]
T5小沙沟宇生核素埋藏砾石层(0.83±0.27) Ma[42]
T4枣树沟古地磁黄土底部0.86 Ma[4]
T4五一山古地磁黄土底部0.86 Ma[4]
T4枣树沟宇生核素埋藏砾石层(0.83±0.25) Ma[42]
T3白塔山古土壤断代黄土底部0.13 Ma[4]
T3范家坪(西盆地)光释光黄土底部(54.5±6.6) ka[39]
T2沙金坪红外释光黄土底部(53.9±3.7) ka[37]
T2沙井驿(西盆地)光释光河漫滩底部(24.6±0.2) ka[38]
T2罗锅沟14C河漫滩底部(34.8±1.26) ka[6]
T1兰州市区14C黄土底部(6.68±0.18) ka[6]

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图3

图3   兰州盆地各级地貌面年代(据参考文献[42]修改)

Fig.3   Age of geomorphic surface at all levels in Lanzhou Basinmodified after reference[42])


5.2 河流阶地发育模式

先前对兰州阶地发育的模式已经形成了初步的认识:阶地的形成受控于强烈的构造隆升活动,冰期—间冰期旋回也影响河流加积和下切的状态[29,30,43]。随着阶地序列的完善和年代的精确测定,为探讨阶地发育模式提供了可靠的依据。

第四纪气候波动表现为冰期与间冰期冷暖交替出现,黄土与古土壤的发育分别指示了气候的冷暖[26,44]。冰期干冷,缺乏降水,植被稀疏,沉积物供给多,水沙比减小有利于河床沉积;冰期向间冰期转换时期,降水以季节性强降水为主且易形成洪水,植被逐渐茂盛,沉积物供给少,高含沙水流有利于河流下切[32,45]。野外考察发现每级阶地河流相沉积物顶部均发育一层古土壤,若河床沉积指示冰期,古土壤发育指示间冰期,则代表冰期内河流侧向拓宽和砾石层加积,冰期向间冰期转换时河流下切,阶地面废弃,古土壤在其上发育[26,46,47]。这种现象在黄河中游晋陕峡谷段[48]、黄河支流渭河三阳川盆地[49]、祁连山东段西营河、金塔河、黄羊河、古浪河[50]也有发现,表明气候波动通过影响降水、植被和沉积物供给等因素驱动河流在堆积和下切状态间转化,形成阶地。

兰州盆地黄河河谷发育历史约1.7 Ma,而其阶地序列指示并不是每次气候转换都导致阶地的形成。Pan等[4]通过分析河流下切速率与阶地序列发现:在河流下切较快的时段,阶地序列与气候旋回对应较好。据此,Pan等[4]提出阶地形成的新模式:构造与气候共同作用形成河流阶地,构造抬升决定了河流下切的幅度,气候变化控制河流阶地形成的时间,构造抬升的速率决定了阶地级数的多寡,即在地面抬升较快时,较小幅度的气候旋回可以导致下切(T1~T3);抬升速率中等时,较大幅度的气候旋回才引起河流下切(T4~T7);而抬升较慢时,即使有较大的气候波动,河流也难以下切形成阶地[4]

5.3 兰州盆地河谷演化与黄河水系发育

黄河水系发育历史一直以来是地学界研究的热点问题[12,48,51,52,53,54]。兰州盆地内河流相沉积物包括下五泉砾岩[12]和黄河阶地沉积[4],是盆地内河谷发育的证据。而现代河谷开始发育则以最高级阶地的发育或黄河流经的盆地由堆积转为下切作为标志[55,56,57]

现代黄河在兰州盆地发育年代大致为1.8 Ma[28,47],临夏盆地由堆积状态向下切状态的转变年代约为1.77 Ma[58],指示黄河约1.8 Ma时在兰州—临夏段开始发育[55]。再向上游,循化盆地黄河最高级阶地年代为1.1 Ma[59],共和盆地最高级阶地年代为0.2 Ma[60],同德盆地顶面由宇生核素埋藏年代和古地磁年代共同限定得出为0.5 Ma[3],最高级阶地形成年代为0.14 Ma[61]。阿尼玛卿山附近军功盆地黄河最高级阶地年代为0.1 Ma,折曲最高级阶地年代为0.03 Ma[61]。上游各盆地内最高级阶地形成年代年轻化指示黄河自兰州盆地不断溯源侵蚀,逐渐贯通上游的内流盆地,最终形成现代黄河上游水系格局 [61,62]。兰州T9~T4阶地埋藏年代与上覆黄土年代差异反映的阶地物源变化分析也与这一观点相符[42]。黄河上游溯源侵蚀的的驱动因素目前有2种观点,Li等[62]认为黄河贯通上游各盆地年代和兰州阶地下切年代相吻合,共同指示青藏高原隆升是原动力。但Craddock等[3]提出,对于青藏高原东北缘的隆升,黄河的响应具有明显的滞后性,如共和盆地、贵德盆地、临夏盆地河流下切年代比盆地周缘山体隆升年代晚了约10 Ma。因此提出在2.6~1.8 Ma,由于气候变化促使贵德、临夏盆地扩张,湖水溢流,各个盆地开始贯通,黄河下切,形成现代上游水系格局。

最近通过对兰州盆地五泉砾岩的定年和特征分析[12],认为兰州的河谷最早形成于3.6~3.0 Ma BP,现代黄河继承五泉砾岩时期的河谷而形成。Wang等[63]对比黄河兰州阶地沉积物与银川盆地3.3 Ma以来沉积物的重矿物组合特征发现,银川盆地沉积物与黄河阶地沉积物的有极大的相似性,提出至少在3.3 Ma黄河已经贯通了兰州—银川地区,为银川盆地提供沉积物物源。

从以上的研究结果可以发现,对兰州黄河河谷地貌的研究不仅完善了黄河阶地序列及其年代,而且根据这些新的研究结果提出了新的科学认识,如构造—气候共同作用下的河流阶地发育模式、黄河形成过程的新观点。

6 结论与展望

当前黄河兰州段河谷演化研究在地貌面分布、年代学研究、阶地发育模式和黄河水系演化方面做了大量工作,探明盆地黄河河谷之上发育1级剥蚀面和河谷内9级阶地,采用多种测年技术系统地测定了它们的形成年代,得到了兰州阶地受构造和气候共同影响的发育模式。黄河在兰州上游盆地最高级阶地逐渐年轻化指示了现代黄河上游水系格局由溯源侵蚀形成,另外兰州最高级阶地物源与下游盆地沉积物物源的相似性共同指示了黄河水系的演化历史。

当前对兰州黄河河谷的研究取得了较大进展,同时衍生出一系列新的问题,是将来研究的重点和趋势:阶地定年:阶地年代学研究是探讨黄河演化、高原隆升、阶地发育模式的基础,兰州黄河阶地仍需更精确的定年工作;阶地发育模式:目前还缺乏构造抬升和变形的直接证据,如兰州盆地构造与高原抬升的关系、构造变形的特征,进而定量分析构造和气候因素对兰州盆地黄河阶地发育的影响,并通过数值模拟进行验证;河流演化:目前存在争议较大,有系列问题需要解决,如黄河兰州段在1.8~1.7 Ma形成,那么其上游水系格局是怎样的?如果银川盆地在3.3 Ma就接受兰州黄河上游的物源,那么当时的河谷与现代的河谷有怎样的差别与联系?黄河上游的盆地是逐渐解体纳入到黄河水系的,这些贯通事件对兰州黄河河谷演化有怎样的影响?河流过程:黄河洪水一直以来是黄河流域的重要特征,在兰州黄河各级阶地砾石层之上堆积了很厚的河漫滩沉积物(最厚可达25 m),这些洪水过程是否记录在漫滩堆积中,如何联系不同洪水过程与沉积记录,也是兰州河谷研究急需发展的一个研究内容。

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