劉小豐，高紅山，劉洪春，李保雄，范 兵

（1.中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 73000）

0 引言

河流階地是河谷地貌中最突出的地貌特征之一，也是它所屬的河流范圍內(nèi)古氣候變遷、古水文和新構(gòu)造運(yùn)動以及河流侵蝕基準(zhǔn)面升降的最豐富的史冊。河流階地是通過河流下切侵蝕，原來的河谷底部（河漫灘或河床）超過一般洪水位以上，不再受到洪水的作用，而在河谷中沿河分布的階梯狀地形。階地按照地形單元可劃分為階地面、階地陡坎、階地前緣和階地后緣［1］。

河流階地是自然界河流演化的一種地貌形態(tài)，早在19世紀(jì)中葉就被人們所認(rèn)識［2－6］。但是河流階地的研究在上個世紀(jì)初才得到了廣泛的關(guān)注，并開始探討其形成原因。例如，Penck［7］在研究德國南部的河流中發(fā)現(xiàn)了四級階地，并將當(dāng)時(shí)盛行的四次冰期與河流階地相對應(yīng)，并把其成因歸咎于氣候因素，認(rèn)為冰期時(shí)河流加積，間冰期河流下切。然而，關(guān)于階地的形成原因也存在不同的觀點(diǎn)，對Sofia與Skopje盆地中階地的研究認(rèn)為，此區(qū)域中的階地反映了四次構(gòu)造抬升事件，并計(jì)算出了抬升速率［8－9］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及方法與手段的不斷更新，階地研究也取得了長足的進(jìn)展，本文對河流階地研究現(xiàn)狀及發(fā)展歷程進(jìn)行簡要評述。

1 從定性描述到年代的準(zhǔn)確測定

上世紀(jì)70年代以來，受當(dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展水平的限制，階地研究主要以定性的描述為主，通過階地沖積物及其上覆物質(zhì)的表面特征來闡述階地的性質(zhì)。徐叔鷹［10］早期主要基于對沖積物的特征、階地橫縱剖面及上覆物質(zhì)對蘭州黃河進(jìn)行了研究，認(rèn)為它們是早更新世的產(chǎn)物，這一方法在其它地區(qū)階地研究中也被廣泛采用［11－12］。

階地研究最大的難點(diǎn)就是其形成時(shí)代問題。隨著測年儀器的發(fā)明與發(fā)展，使準(zhǔn)確測定階地年代成為可能。主要采用的測年方法為14C、OSL、ESR、古地磁及宇生成因核素測年等，其中后者是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新的技術(shù)，解決了階地上無覆蓋物質(zhì)或少量物質(zhì)時(shí)階地的測年問題［13－15］。準(zhǔn)確年代的測定是進(jìn)行流域階地對比及深入研究的基礎(chǔ)，潘保田［16］通過研究把黃河階地序列與深海氧同位素嚴(yán)格對應(yīng)起來，Maddy［17］甚至根據(jù)測定的年代把階地形成與地軸傾斜度周期對應(yīng)起來（圖1）。當(dāng)然，河流階地年代的確定不但可以用來推斷階地的成因，也可以計(jì)算出河流的侵蝕、加積和下切速率，進(jìn)而可以大體計(jì)算山地的抬升速率［18］。

圖1 土耳其Gediz河早更新世河流階地序列與氧同位素曲線對比（據(jù)文獻(xiàn)［17］）Fig.1 Comparison of terrace sequence with the curve of Oxygen isotope along Gediz river in Turkey.

2 從簡單模式到復(fù)雜模式

階地的簡單模式可以理解為單一因素形成階地，主要包括構(gòu)造階地、氣候階地和基準(zhǔn)面變化階地。歐洲階地早期研究把成因與氣候?qū)?yīng)起來，認(rèn)為氣候變化形成了階地［7］，主要理論為冷期發(fā)生加積，暖期發(fā)生下切形成階地。另外，間冰期時(shí)海平面升高導(dǎo)致河流下游甚至中游河道發(fā)生加積，冰期時(shí)由于海平面的下降，下游至中游河道也可下切形成階地［19］。隨著階地研究的深入發(fā)展，單純用氣候變化很難解釋大型基座階地的形成，進(jìn)而產(chǎn)生了另一種觀點(diǎn)，認(rèn)為階地的形成代表了構(gòu)造抬升，如蘭州黃河階地代表了青藏高原多次抬升過程［20－22］；西寧－互助地區(qū)湟水發(fā)育的11級階地指示了青藏高原東北緣的多次階段性抬升［23］；在中國西部地區(qū)多處階地研究中也指示了地面抬升［24－25］。地面抬升是否具有階段性，還是存在周期性仍沒有明確的定論［26－27］，因此把階地的成因歸咎于任何單一因素明顯存在著一定的局限性。

中國中西部地區(qū)堆積的巨厚黃土，可以作為階地年代測定的媒介，因此比歐洲地區(qū)階地研究具有更好的測年條件。對河西地區(qū)沙溝河階地的研究發(fā)現(xiàn)，在每級階地風(fēng)成黃土的最底部都發(fā)育了一層古土壤，從而開創(chuàng)性的把階地成因歸因于與構(gòu)造和氣候聯(lián)系共同作用的結(jié)果［28］，認(rèn)為構(gòu)造抬升是階地形成背景，而氣候變化控制著階地的形成。黃河階地的研究能夠把階地的形成與氧同位素偶數(shù)階段很好的對應(yīng)起來［16］（表1）。不同的構(gòu)造抬升速率下，河流對不同尺度的氣候變化具有不同的反映［29］，這在歐洲地區(qū)也有記錄［30－31］（圖2）。抬升速率為零時(shí)，河流沉積物能夠記錄氣候變化信息，但是河流沒有空間下切形成階地，只能形成內(nèi)疊階地（圖2－Ⅰ）；抬升速率加大后，氣候變化能夠形成大量的階地，河流沉積物同時(shí)能夠反映出氣候變化信息（圖2－Ⅱ）；抬升速率繼續(xù)加大，河流也能夠形成多級階地，但是河流沉積物明顯變薄，并且河流沉積物很難記錄到次一級的氣候變化信息（圖2－Ⅲ）。由此可以看出，氣候變化控制著階地的形成，而構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈程度是決定階地能否形成并保存下來的關(guān)鍵［32－33］，階地形成是構(gòu)造抬升和氣候變化耦合作用的產(chǎn)物，構(gòu)造抬升為階地的形成提供了垂直空間，氣候變化驅(qū)動階地的形成。

表1 黃河蘭州段河流階地的形成年代及與氧同位素階段對比（據(jù)文獻(xiàn)［16，29，34］）

圖2 構(gòu)造抬升區(qū)域內(nèi)河流系統(tǒng)對第四紀(jì)氣候旋回的響應(yīng)模式［30］Fig.2 Response model of fluvial systems to Quaternary climatic cycles in tectonic uplifting regions.

3 物理模擬－計(jì)算機(jī)物理模擬結(jié)合－模型產(chǎn)生

物理模擬主要是實(shí)驗(yàn)室水道模擬，通過改變水道的基準(zhǔn)面、流沙量、來水量以及水道高度來觀察階地的形成及河流的加積和侵蝕過程，應(yīng)用此方法Schumm［35］得到了復(fù)雜響應(yīng)階地的形成原因。而當(dāng)前的模擬主要是通過計(jì)算機(jī)重建現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以建立理想狀態(tài)下階地的發(fā)育模式［36］。自然系統(tǒng)非常復(fù)雜，其發(fā)展需要經(jīng)歷很長時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室模擬只能夠揭示這些復(fù)雜系統(tǒng)的一個短期的函數(shù)關(guān)系［37］，而計(jì)算機(jī)模擬則可以恢復(fù)長尺度的河流過程，迅速地成為研究者們理解地貌系統(tǒng)演化的重要途徑。

河流階地主要是由于氣候、構(gòu)造及基準(zhǔn)面的變化打破了河流平衡狀態(tài)而下切形成的［38］，通過改變流量和沉積物量及地面抬升速率（分別反映氣候和構(gòu)造因素）的模擬結(jié)果顯示形成的階地可能很快就被側(cè)向侵蝕掉，在地面抬升速率為0.1m／ka時(shí)，一些階地能夠很好的保存下來［39］。Veldkamp［32］設(shè)置了不同的抬升速率背景，輸入10次冰期－間冰期旋回的氣候記錄，當(dāng)?shù)孛嫣俾蕿?.02m／ka時(shí)，不能形成階地；當(dāng)抬升速率為0.18m／ka時(shí)，模擬顯示只能形成少量的階地；當(dāng)抬升速率為0.11m／ka時(shí)，河流能夠?qū)夂蜃兓龀鋈娴捻憫?yīng)，形成多達(dá)10級階地，即每次氣候變動導(dǎo)致一級階地的形成（圖3）。

圖3 在不同抬升速率下河流對氣候旋回的響應(yīng)［32］Fig.3 Response of the river with different uplifting rates to climatic cycles.

通過模擬可以看出，階地的形成是在構(gòu)造和氣候共同作用下形成的，只有當(dāng)構(gòu)造抬升和氣候變化達(dá)到一個合適的數(shù)值時(shí)，河流對外界的響應(yīng)才最為敏感，形成多級的階地。這個理論在現(xiàn)實(shí)自然界中得到了很好的應(yīng)用，例如邢成起［40］在對黃河中游河流階地的研究中，也發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致河流下切的大范圍構(gòu)造抬升與強(qiáng)冷干氣候緊密相關(guān)，兩者共同組成了構(gòu)造－氣候旋回。同時(shí)基于年代學(xué)與形態(tài)學(xué)，潘保田［16，29］進(jìn)一步把蘭州段黃河階地的形成解釋為地面抬升與氣候變化耦合作用的結(jié)果。

4 從河流階地到河流沖積物高分辨率分析

河流階地沖積物的研究是伴隨著階地研究的深入和測年技術(shù)的發(fā)展而興起的。河流沉積物主要反映了第四紀(jì)周期性的氣候變化，并能夠反映古洪水事件［41－43］。在構(gòu)造下沉區(qū)，巨厚的河流沉積物能夠較完整的記錄氣候變化的信息。Nádor［44］對匈牙利Pannonian盆地的河流沉積物進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它記錄了2.6Ma BP以來的氣候變化信息，并對其進(jìn)行了粒度、磁化率及孢粉分析，認(rèn)為河流沉積物能夠很好的與深海氧同位素曲線進(jìn)行對比，高磁化率主要對應(yīng)于粗砂層，并且這些粗砂層中孢粉組合反映的是暖期氣候，反之亦然。同時(shí)認(rèn)為是米蘭科維奇周期控制著河流的沉積，這無疑是對記錄氣候變化“三個秘籍”（冰芯、黃土和深海沉積物）的有力補(bǔ)充。河流階地沖積物主要是指河漫灘相物質(zhì)，河漫灘沉積主要是由間歇性洪水導(dǎo)致的，并能夠與氣候變化進(jìn)行較好的對比。一般認(rèn)為，沉積物粒度的大小直接反映了沉積水動力狀況，細(xì)粒和粗粒物質(zhì)分別代表了河流能量降低和增強(qiáng)的階段［45］。較大的洪水淹沒河漫灘的深度較大，河流動力較強(qiáng)，能夠沉積粗顆粒的物質(zhì)，較小的洪水則相反。河流水動力強(qiáng)弱受到流域氣候和環(huán)境的控制，例如降水與植被等［46－47］。同時(shí)洪水規(guī)模的強(qiáng)弱能導(dǎo)致河流在兩種模式之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)換（曲流和辮流相互轉(zhuǎn)化）。

Lewis［48］通過河流沉積物的特征及其包含的替代性指標(biāo)指示了氣候快速變化的信息，（1）沉積相的變化：粒徑的變化反映了能量狀態(tài)及沉積物狀況，相變反映了流量特征及沉積物供應(yīng)狀況；（2）沉積物中不整合面的存在反映了沉積環(huán)境的重大變化及河流系統(tǒng)對外界的調(diào)節(jié)；（3）沉積物平面的幾何形態(tài)以及加積和下切的趨勢能判斷沉積學(xué)特征，河型變化指示了沉積物供應(yīng)與流量變化，上述特征可能是由于河流內(nèi)部調(diào)整導(dǎo)致的，不需要外部氣候變化的調(diào)節(jié)；（4）沉積物中的孢粉、植物化石、甲蟲及軟體動物；（5）年代的確定（對具有明顯侵蝕面的地方進(jìn)行測年），使沖積物與其它沉積記錄進(jìn)行對比成為可能。通過上述研究，能夠利用已知?dú)夂蛐畔⑤^好的解釋河流沉積序列對氣候變化的響應(yīng)。

5 結(jié)語

河流階地的研究是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷完善的，從早期的定性描述到現(xiàn)代的精確年代的測定，使人們對階地發(fā)育歷史和階地形成模式有了更加深入的認(rèn)識，并衍生出了許多新的研究方向，能夠利用階地的物理參數(shù)和年代學(xué)特征來演化區(qū)域構(gòu)造發(fā)展史和氣候信息。但是，河流階地的研究遠(yuǎn)沒有達(dá)到完美的地步，一是某些地區(qū)缺乏足夠的測年材料，使階地的年代存在著較大的不確定性；二是河流階地的研究的深入程度不夠，在某些地區(qū)甚至是空白，這導(dǎo)致對河流演化歷史缺乏足夠的認(rèn)識；三是不同地貌條件下階地的特征存在明顯的差異，而這種差異并沒有得到圓滿的解釋。這些不足無疑都阻礙我們完善階地發(fā)育模式。

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