河流阶地是河流下切时产生的典型地貌,其形成主要受到区域气候变化、侵蚀基准面的变化和构造活动的影响[1,2,3]。气候阶地对当地气候变化有良好的记载[4,5,6];山区中的河流阶地的发育则记录了区域山体隆升的幅度和速率[7,8,9,10];外流河的阶地在一定程度上反映了全球海平面的变化[11,12,13]。因此,研究河流阶地对了解区域气候变化和山体隆升的时段、幅度有重要的意义。

第四纪以来太行山南段河流发育多级阶地,记录了多次间歇性隆升活动,前人对此做了较多研究。张蕾[14]认为太行山南段晚更新世发生了4次构造隆升事件,马寅生[15]和龚明权[16]认为太行山南缘第四纪以来发生过6次构造隆升事件;吴忱[17]通过唐县期夷平面高度推算太行山南段第四纪隆升幅度在1300m左右,张蒙[18]和龚明权[16]通过太行山南段最高阶地拔河高度认为第四纪时期隆升幅度只有100m左右。可见太行山南段地区第四纪以来的隆升幅度和隆升事件仍存有争议,且前人仅通过河流阶地的拔河高度或夷平面高度估算太行山南段第四纪以来的隆升幅度是不精确的,缺乏定量计算和整体上的分析,影响了对太行山南段第四纪隆升的整体认识。因此,文中通过总结分析前人的研究,对太行山南段北端的浊漳河和南端的子房河、平甸河和丹河阶地对比研究,结合青藏高原隆升和区域地质记录资料,尝试分析第四纪以来太行山南段隆升的幅度及驱动机制。

1、研究区自然概况

太行山是我国重要的构造地貌边界,整体上位于华北板块的中部,前人以漳河、滹沱河为界[17],把太行山分成南、中、北三段。太行山南段西界为晋城～长治,北部以漳河为界,东界以邯郸～安阳～新乡为界,济源～焦作为南部界限,西南界为王屋山,山脉整体走向为NNE,由丘陵、低山和中山构成,区域内最高海拔为1800m,从高到低发育三级夷平面。西临沁水盆地,东部过渡至华北平原,发育汤阴凹陷、济源凹陷、焦作盆地和林县盆地。该区域整体上处于东部季风区,年均温5-11℃,雨热同期,年降水分配不均匀,雨水集中在6～9月。太行山南段发育众多河流,属于黄河水系或海河水系。区域内较大型河流有漳河、丹河和沁河,都发源于山西境内,由西向东穿过太行山流向华北平原,东部山区发育有子房河、峪河、淇河等河流。河谷中普遍发育了4～6级阶地,为研究区域构造活动提供了有利的信息记录。

2、河流阶地特征

子房河发育6级阶地,T6、T4、T3为基座阶地,T2和T1为侵蚀阶地,T5为堆积阶地,T6之上发育白色钙质胶结的砾石层和砂砾石层,T4和T3阶地之上为砂砾石和马兰黄土堆积。阶地拔河高度分别为110m、60m、36m、27m、10m、3～4m,T6～T1阶地年龄分别为1709.55kaB.P.、908.75KaB.P.、78.31±6.64kaB.P.、54.35±4.62kaB.P.、50～30kaB.P.、35.21±2.99kaB.P.[15](表1,图1a)。

丹河发育4级阶地,T4、T3为基座阶地,基座为奥陶纪灰岩,T2为侵蚀阶地。T4～T1拔河高度分别为100m、50m、25m、3～5m,年龄分别为845.92kaB.P.、中更新世末期至晚更新世早期、219KaB.P.、3～5kaB.P.[19](表1,图1b)。

平甸河发育4级阶地,T4～T2为基座阶地,沉积物主要为河流冲积物砂砾石,定向排列明显,T4～T1拔河高度为61～96m、35～54m、19～43m、3～5m,阶地年龄分别为97.4kaB.P.、73.9kaB.P.、48.3kaB.P.、2.3kaB.P.[14](表1,图1c)。

浊漳河发育5级阶地,阶地拔河高度为115m、75m、55m、40m、25m,阶地之上堆积砂砾石和黄土-古土壤,T4～T1年龄分别为0.815±0.08MaB.P.、45.10±3.83kaB.P.、35.86±3.93kaB.P.、3～5kaB.P.[16],浊漳河在1.5Ma左右形成[20],因此,推测T5年龄最大为1.5Ma(表1,图1d)。

图1太行山南段河流阶地剖面[14-16,19]

3、结果与分析

3.1 结果

根据河流阶地的拔河高度和阶地年龄(表1)计算其阶地平均抬升速率(表2),通过太行山南段北端、南端和全段的阶地平均抬升速率计算2.6Ma以来太行山南段的隆升幅度(表3)。

图2太行山南段河流阶地年龄分布频率图

3.2 结果分析

对阶地年龄分析(表1,图2),1.7Ma以来太行山南段阶地形成年代大致可以分为三个时期,分别为1.6Ma左右、0.8Ma左右和0.1Ma-0.03Ma,即早更新世晚期、中更新世和晚更新世,具体可以划分为6个阶段,即1.7Ma、0.8Ma、0.1Ma、0.07Ma、0.05Ma和0.03Ma。

对阶地拔河高度分析(表1),1.7Ma,浊漳河构造幅度最大,抬升115m,子房河抬升110m,南北端构造幅度基本相同;0.8Ma,最大的隆升幅度发生在南端的丹河地区,隆升幅度100m,南端的构造幅度较大;0.1Ma,只有平甸河发育T4,拔河高度61～96m;0.07Ma,子房河与平甸河发育T4和T3,平甸河抬升幅度最大;0.05Ma和0.03Ma北端浊漳河的隆升幅度最大。

对各个阶段的阶地抬升速率分析(表2),1.7Ma,北端浊漳河隆升速率最大,北端抬升速率略强于南端;0.8Ma南北端平均抬升速率相同;0.1Ma和0.07Ma,南端抬升速率强于北端;0.05Ma和0.03Ma,北端浊漳河抬升速率最大,平均抬升速率北端大于南端。1.7Ma-0.03Ma太行山南段阶地平均抬升速率在0.07mm/a～0.99mm/a之间,平均抬升速率从早更新世晚期到晚更新世逐渐加强。太行山南段在1.7Ma、0.8Ma、0.05Ma和0.03Ma发生同步抬升活动,1.7Ma、0.05Ma和0.03Ma整体抬升过程中北端速率大于南端,0.8Ma南端与北端的阶地抬升速率一致;0.1Ma和0.07Ma在南端发生区域构造活动。

通过各阶段的平均隆升速率计算,得出2.6Ma以来太行山南段的隆升幅度(表3)。以晚更新世的阶地速率计算的太行山南段隆升幅度为754～3172m,大于当前山体高度,而以晚更新世之前的阶地抬升速率计算的隆升幅度为166～239m。

4、讨论

4.1 构造活动对太行山南段河流阶地形成的影响

太行山南段地区阶地的发育主要受到区域构造活动的控制。侵蚀基准面通常和海平面的高低有关,其影响主要在河口之上约300km[21],而太行山南段距离海洋远远超过此距离,研究河流多为2级或3级河流,不直接注入海洋,受影响小,因此侵蚀基准面的变化并不是该区域阶地形成的主要原因。气候阶地在形态上表现为两岸对称分布的堆积阶地,晚全新世由于气候变化导致华北地区河流下切,两岸堆积,形成T1阶地[22],因此该区T1(3-5ka)为气候阶地。T6～T2阶地形成时代既有冰期也有间冰期,阶地多为基座阶地和侵蚀阶地,高差较大,河谷为深切V型谷,因此构造运动才是T2～T6形成的主要原因。

在长时间的构造尺度中,较多研究把构造成因的河流阶地看作区域构造运动的标志[7,8,23,24,25],阶地的抬升速率接近山体隆升的速率。太行山南段阶地受构造活动驱动,阶地发育的级数、年龄和速率可以作为地面抬升的指示。

4.2 阶地抬升与构造阶段和幅度关系

太行山南段河流阶地年龄记录指示1.7Ma以来的构造活动,阶地形成主要集中在早更新世晚期、中更新世和晚更新世三个时期。阶地之外的地质资料也记录了各期活动。早更新世晚期,晋东南地区整体发生抬升,榆社古湖沉积结束,R型红土发生沉积间断[20,26],太行山南段西侧屯留地区在该时间段产生侵蚀面[27],太行山中段的滹沱河早更新世时期也发育T4阶地[28,29];中更新世时期太行山南段发育0.8Ma阶地,邻区临汾盆地0.75Ma发生一次构造活动,使临汾古湖发生湖退,产生T5湖积台地[30],渤海沉积在0.9Ma-0.4Ma产生不整合面[31];晚更新世时期,受构造活动影响,华北河流水系发生变迁[32],河谷进一步深切,沟壑纵横交错,马兰黄土披覆于不同高度面上[33]。这些证据表明1.7Ma以来太行山南段发生了三次构造活动。

以晚更新世阶地抬升速率计算出第四纪以来太行山南段的隆升幅度较高,远超过了现如今的太行山南段高度,与实际不相符。其原因是:0.1Ma和0.05Ma-0.03Ma阶地形成主要是构造成因,但分属于MIS5C和MIS3温暖湿润阶段[34,35],在一定程度加快了河流下切的速率,所以以晚更新世阶地抬升速率计算第四纪太行山南段的抬升幅度偏大;晚更新世以前的河流阶地抬升主要以构造活动为主,受到气候影响较小,因此,以晚更新世以前河流阶地的抬升速率估计第四纪太行山南段的隆升幅度相对准确。

太行山南段邻区的盆地对太行山的构造活动具有响应[36],盆地的沉积物厚度在一定程度上可以反映区域山体构造活动的强度,而断裂可以作为判断构造隆升的辅助资料[37]。焦作盆地和长治盆地的第四纪沉积物厚度约175～200m[38,39],济源和汤阴凹陷第四系沉积物只有几十到几百米厚[36,40,41];太行山山前断裂第四纪活动强度不大[42,43,44],汤阴凹陷上新世湖积层被错断了72～190m[45];上述证据指示了第四纪以来太行山南段构造活动不强。第四纪以来黄土高原隆升了250～300m[46],而太行山南段处于黄土高原边缘,第四纪隆升幅度可能不大于黄土高原隆升的幅度。

4.3 隆升机制

不少学者认为新生代以来太行山隆升和上新世以来太行山南段的构造变形主要受青藏高原隆升的影响[44,47,48,49]。太行山南段阶地形成于早更新世晚期、中更新世和晚更新世三个时期,这契合于青藏高原1.7Ma以来发生的三次构造活动,即青藏高原运动C幕(1.7Ma)、昆-黄运动(0.8Ma-0.6Ma)和共和运动(0.15Ma)[50]。黄河兰州段、祁连山、新宁～互助地区和河西等区域发育多级河流阶地均反映了青藏高原的间歇性活动[8,51,52],太行山南段发育的1.7Ma、0.8Ma、0.07Ma和0.05Ma阶地与上述区域阶地形成时代相同。与此同时,太行山南段所处区域应力场的转变,邻区山体及黄土高原的隆升、盆地的构造演化和气候的转变均被认为是受青藏高原隆升活动影响[46,53,54,55,56,57,58,59],因此第四纪以来太行山南段的构造活动可能与青藏高原的间歇性活动相关。

5、结论

(1)太行山南段1.7Ma以来至少发生了3期6个阶段的构造隆升事件,即早更新世晚期、中更新世和晚更新世,6个阶段为1.7Ma、0.8Ma、0.1Ma、0.07Ma、0.05Ma和0.03Ma。

(2)太行山南段1.7Ma以来隆升的平均速率逐步加快。同步隆升阶段,南端开始时间较早,但隆升速率和幅度都略低于北端。2.6Ma以来太行山南段平均抬升了166～239m,最大不超过300m,第四纪并不是太行山南段主要的隆升阶段。

(3)印度板块持续向北挤压使青藏高原发生间歇性隆升是第四纪以来太行山南段隆升的主要原因。

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