1 区域背景

50Ma以前开始的印度与欧亚大陆的碰撞及其后持续的汇聚作用形成了今日的“世界屋脊”青藏高原^{[1, 2, 3, 4]},而印度板块与欧亚板块的汇聚碰撞,不仅影响着整个青藏高原的构造格局及地貌变化,同时,也影响周边区域断裂构造及活动褶皱的活动性。位于青藏高原东北构造边缘,作为黄土高原“黄金分割线”的六盘山,早古生代到新生代以来,经历多期次不同性质的构造运动旋回^{[5, 6, 7]},在喜马拉雅造山运动晚期才奠定了现今的构造地貌格局,其分割黄土高原为东西两部分,东西两侧的地质构造与地貌格局有着明显的差异性。

六盘山褶皱带近南北向延展,其北端延伸至月亮山附近,毗邻阿拉善地块的东南缘,与青藏高原东北缘似“三联点”发育的一系列弧形构造带相接^[10],南端延展到宝鸡盆地。属于南北地震带的北段,东西两侧地貌差异与南北地震带龙门山相比落差较小。西侧陇中盆地,平均海拔大于1900m,到六盘山山脉,海拔高度在2500m以上,最高峰达2942m。东侧逐渐过渡至稳定的鄂尔多斯地台,海拔低于1500m。此区域自8.1Ma开始接受风成堆积,地层沉积连续,第四纪以来亦较为稳定^{[11, 12]},仅在六盘山与东侧鄂尔多斯盆地过渡衔接部位发育有近SN向展布的六盘山东麓断裂带、 小关山断裂等几条以挤压为主的逆冲断层。而六盘山西侧的区域构造比较复杂,从青藏高原的山前断陷陇中盆地向西边缘延伸^[13],到达青藏高原东北缘前缘边界部位,发育一系列大型NW向逆走滑性质断裂带及活动褶皱( 图1),隆升造山作用较强。

图1(Fig.1)

图1 六盘山区域构造地貌及主干流域分布 Fig.1 Tectonic geomorphology and distribution of trunk drainage in the Liupanshan Mountain area

如何定量表达这种东西差异是亟待解决的问题。通过研究发现,六盘山东西两侧不同河流都发育多级的河流阶地,并且,前人已有大量研究工作^{[9, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]},对阶地的地质构造、 沉积物等参数都有着较新和全面的分析结果。河流阶地作为第四纪以来较新沉积单元,较完整的记录第四纪以来各种内动力或外动力事件,对比研究区域内河流阶地参数,可为分析第四纪以来区域构造活动特征提供有力证据^{[24, 25]}。因此,选择六盘山东西两侧不同区域的河流阶地,利用已有的研究成果,对比其各项参数来分析内动力和外动力地质营力对这种差异性贡献的大小,对比分析出区域活动性的差异及地震危险性评价有很重要的意义。

第四纪以来河流阶地是现代构造地貌学研究最重要对象,吸引众多国内外学者对其各项地质构造及沉积地貌进行详细的研究^{[24, 25, 26, 27, 28, 29]}。目前,就河流阶地的成因主要有: 间歇性新构造运动所引起地壳的上升与下降、 气候变化导致的冰期与间冰期的交替、 侵蚀基准面的下降和河流系统内部相互影响^{[26, 29]}。由于河流阶地的形成过程中影响因素较多,如果利用河流阶地的下切幅度来计算区域地壳抬升幅度,必然存在着一定的差异。前人研究证明^{[16, 17, 18, 27, 28]},多数地区河流阶地的形成同时受到气候作用和构造作用影响。

因此,对于这种复杂成因河流阶地,设定现存阶地的拔河高度为(H),其中主要由气候作用期间形成的拔河(H_C)、 构造作用为主时期形成的拔河高度(H_T)、 侵蚀基准面下降期间形成的拔河(H_B)和其他及其弱的影响因素期间形成的拔河(。(ΔZ)),则可以表达为:

Schumm和Parker^[30]研究认为,侵蚀基准面升降变化影响阶地形成的范围只在400km以内,如果研究深居内陆地区,可排除侵蚀基准面升降变化对阶地形成的影响,公式(1)可进一步表示为:

如果对同期次不同区域形成的河流阶地的拔河高度H₁、 H₂进行对比分析,由公式(2)推得:

公式(3)可得阶地的拔河高差(ΔH):

气候变化是大范围发生的事件,如果相互对比区域较近、 各自区域气候环境差异较小,在理想状态下,则可近似认为两个对比区域内在相同时间尺度内形成阶地时期所受的气候条件是一致的,则公式(4)可表示为:

公式(5)表明不同区域阶地拔河高差在限定了区域范围、 气候条件等其他条件之后仅与构造作用为主时期形成的拔河高度相关,体现了构造隆升作用对河流阶地的贡献大小。因此,对同时期(t)内形成的阶地,引进构造差异隆升速率(ΔU_T)参数,其物理意义表示为: 地质历史内,在相同外动力地质条件下,阶地形成过程中,构造作用所参与程度的差异性或强弱性指标。由公式(1)-(5)可得:

其中,正值表示H₁一侧较H₂一侧构造隆升快或构造活动性较强,负值则相反。

通过公式(6)定量计算出区域构造差异隆升速率,不同区域内形成的河流阶地在相同时间尺度下,可对比分析区域构造作用的强弱,且可对不同级别河流阶地形成的各个时间段内,构造隆升作用的强弱快慢进行横向对比。

六盘山东西两侧在第四纪以来同时接受了不同时期的黄土沉积^{[31, 32]},在各个时段内处于相近或相同的气候环境条件下,这为计算构造差异隆升速率提供理论基础。六盘山西侧兰州段黄河阶地、 西南陇西渭河阶地和东侧泾河阶地( 图1)都属于较大河流发育的阶地,对区域地质历史事件有着较为完整的记录,更有可能从中获取区域构造运动活跃程度的信息,利用这些区域河流阶地参数,对区域地貌演化及构造隆升的分析已有大量研究工作^{[18, 27]}； 兰州黄河阶地和陇西渭河阶地处于青藏高原东北缘,更能记录下六盘山西侧所受青藏高原的构造隆升影响,泾河阶地位于六盘山东侧鄂尔多斯盆地的西缘,河流阶地很好的响应较稳定块体上河流的区域构造环境的变化^{[9, 18, 27, 33, 34]}。

因此,本文搜集了六盘山西侧兰州黄河阶地、 陇西渭河阶地和六盘山东侧泾河彬县阶地数据^{[9, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 27]},以相同时间尺度下形成的阶地为前提,对东西两侧的河流阶地进行对比划分,估算同期阶地和不同时期阶地构造差异隆升速率。

通过整理收集资料,选定六盘山西侧兰州黄河阶地、 陇西渭河阶地和六盘山东侧泾河阶地( 图1)。对第四纪以来以黄土沉积为主的六盘山地区,因其地质构造和沉积环境复杂性,及黄土成因(风成、 水成等)多变性与不确定性,河流阶地拔河高度(H)选择了黄土沉积层下覆砾石层顶界到河面的高度； 阶地形成年龄(t)选择了阶地砾石层顶界黄土层底界黄土、 古土壤的年龄^{[9, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 27]},作为阶地形成年龄。在研究相同地质对象时,由于人为或仪器原因,不同研究者得出的结果之间可能有一定差异,但都在可接受范围之内,因此,本文利用统计学方法,总结大量已有的研究资料,对同一级阶地的拔河高度和形成年龄将不同的研究者的数据对比求平均值,统计总结出阶地级数、 类型、 拔河高度、 形成年龄和测年方法等各项参数( 表1)。

表1(Table 1)

表1 六盘山东西两侧河流阶地各项参数统计Table 1 Parameter statistics of the river terraces from the east and west sides of Liupanshan Mountain 阶地 阶地类型 H/m t/ka 测年方法 资料来源 兰州黄河 阶地 T1 堆积阶地 12.5 10 14 C、 古地磁 [9,16,18,19,21,27] T2 基座阶地 24.75 50 热释光、古地磁 [9,16,18,19,21,27] T3 基座阶地 60.5 135 热释光;古地磁 [9,16,18,19,21,27] T4 基座阶地 90 860 古地磁 [9,16,18,19,21,27] T5 基座阶地 98.67 960 古地磁 [9,16,18,19,20,21,22,27] T6 基座阶地 113.5 1000 古地磁 [9,16,18,19,21,27] T7 基座阶地 178 1220 古地磁 [16,19] 陇西渭河 阶地 T1 堆积阶地 1.75 12.5 古地磁、 OSL、14 C [17,22,23] T2 基座阶地 17.5 58.5 古地磁、 OSL、14C [17,22,23] T3 基座阶地 39 130 古地磁、 OSL、14 C [17,22,23] T4 基座阶地 66 418 古地磁、 OSL、14 C [17,22,23] T5 基座阶地 126 712 古地磁、 OSL、14 C [17,22,23] T6 基座阶地 156 788.5 古地磁、 OSL、14 C [17,22,23] T7 基座阶地 198.5 863 古地磁、 OSL、14 C [17,22,23] T8 基座阶地 223.5 1030 古地磁 [17] T9 基座阶地 252.5 1080 古地磁 [17] T10 基座阶地 290.5 1120 古地磁 [17] 泾河阶地 T1 堆积阶地 2 10 古地磁 [9,17] T2 基座阶地 7 120 古地磁 [9,17] T3 基座阶地 18 620 古地磁 [9,17] T4 基座阶地 54 820 古地磁 [9,17] T5 基座阶地 85 1200 古地磁 [9,17]

表1 六盘山东西两侧河流阶地各项参数统计 Table 1 Parameter statistics of the river terraces from the east and west sides of Liupanshan Mountain

在相同的时间尺度内,不同地区形成同期次阶地具有一定的可对比性。在六盘山地区基于前人对此区域阶地拔河高度、 阶地形成年龄等参数已有研究成果^{[9, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 27]},以同期次时间尺度为标准,对相同的时间内六盘山东西两侧形成的阶地对比划分: 六盘山西侧兰州黄河阶地与东侧泾河阶地对比划分出在相同时间内形成4级阶地； 六盘山西侧陇西渭河阶地与东侧泾河对比可划分出同期次3级阶地。而六盘山东西两侧均属内陆地区,远超出了侵蚀基准面升降变化影响的范围,即400km以内^[30],排除了阶地成因受侵蚀基准面升降变化的影响； 同时,六盘山东西两侧同处于黄土高原^{[31, 32]},在理想状态下,近似认为第四纪以来具有相同的气候条件,且其他因素影响程度较小。因此,对比基础之上,据公式(5)计算出同期次阶地拔河高差(ΔH)统计出兰州黄河阶地、 陇西渭河阶地和泾河阶地的拔河高度H₁、 H₂和H₃与各个期次阶地形成年龄； 由于在不同的区域内,虽是在同期次地质年代基础之上进行对比划分阶地,但是绝对地质年代数值仍有一定的误差,据公式(6)计算构造差异隆升速率(ΔU_T)时,分别求出最大区域构造差异隆升速率(ΔU_T(max))、 最小区域构造差异隆升速率(ΔU_T(min))和平均区域构造差异隆升速率(ΔU_T )( 表2和 表3)。

表2(Table 2)

表2 兰州黄河与泾河同期次阶地对比划分及构造差异隆升速率 Table 2 Comparison and division of terraces of the Yellow River in Lanzhou segment and Jinghe River in the same periods,and their tectonic differential uplifting rates 兰州黄河阶地 泾河阶地 ΔH/m ΔUT(max) /mm·ka -1 ΔUT(min) /mm ·ka -1 ΔU T /mm ·ka -1 ( ΔU T )平均值/mm ·ka -1 H 1/m t/ka H 3/m t/ka T1 12.5 10 T1 2 10 10.5 1050 1050 1050 397.70 T3 60.5 135 T2 7 120 53.5 445.83 396.29 421.06 T4 90 860 T4 54 820 36 43.90 41.86 42.88 T7 178 1220 T5 85 1200 93 77.5 76.23 76.87

表2 兰州黄河与泾河同期次阶地对比划分及构造差异隆升速率 Table 2 Comparison and division of terraces of the Yellow River in Lanzhou segment and Jinghe River in the same periods,and their tectonic differential uplifting rates

表3(Table 3)

表3 陇西渭河与泾河同期次阶地对比划分及构造差异隆升速率Table 3 Comparison and division of terraces of the Weihe River in Longxi segment and Jinghe River in the same periods,and their tectonic differential uplifting rates 陇西渭河阶地 泾河阶地 ΔH/m ΔUT(max) /mm·ka -1 ΔUT(min) /mm ·ka -1 ΔU T /mm ·ka -1 ( ΔU T )平均值 /mm ·ka -1 H 2/m t/ka H 3/m t/ka T3 39 130 T2 18 120 21 175 161.54 168.27 172.49 T7 198.5 863 T4 54 820 144.5 176.22 167.44 171.83 T10 290.5 1120 T5 85 1200 205.5 183.48 171.25 177.37

表3 陇西渭河与泾河同期次阶地对比划分及构造差异隆升速率 Table 3 Comparison and division of terraces of the Weihe River in Longxi segment and Jinghe River in the same periods,and their tectonic differential uplifting rates

分析 表2和 表3可知,首先,兰州黄河与泾河阶地和陇西渭河与泾河阶地同期次阶地的拔河高差分别是:ΔH=H₁-H₃,ΔH=H₂-H₃； 其结果都为正值,利用公式(6)计算出的构造差异隆升速率(ΔU_T)均为正值,说明了六盘山西侧的活动性或隆升要比六盘山东侧强。其次,求出最大构造差异隆升速率(ΔU_T(max))和最小构造差异隆升速率(ΔU_T(min))的结果分析,同期次ΔU_T(max) 值比ΔU_T(min) 值相差最大49mm/ka,平均相差约1-15mm/ka,之间的差别较小,可认为在地质历史内,ΔU_T近似为ΔU_T(max) 和ΔU_T(min) 的平均值,即平均构造差异隆升速率(ΔU_T )。

据 表2和 表3数据为基础,以阶地形成年代(t)和平均构造差异隆升速率(ΔU_T )两组数据进行统计分析得到 图2。从 图2可以看出在约1200ka以来兰州黄河阶地与泾河阶地ΔU_T 呈明显逐渐增大趋势,尤其在晚更新世(120-135ka)ΔU_T 突然增大。而陇西渭河阶地与泾河阶地ΔU_T 值总体呈近似不变趋势； 约1200-600ka期间陇西渭河阶地与泾河阶地ΔU_T 要明显高于兰州黄河阶地与泾河阶地ΔU_T ,约600ka以来兰州黄河阶地与泾河阶地ΔU_T 要大于陇西渭河阶地与泾河阶地ΔU_T ； 同时,第四纪以来兰州黄河阶地与泾河阶地的ΔU_T 约是陇西渭河阶地与泾河阶地的ΔU_T 的2倍。

图2(Fig.2)

图2 平均构造差异隆升速率(ΔUT )递变关系 Fig.2 Regularity of the average tectonic differential uplifting rates

第四纪以来,兰州黄河阶地与泾河阶地ΔU_T 的4个期次分别为76.87mm/ka、 42.88mm/ka、 421.06mm/ka 和1050mm/ka； 陇西渭河阶地与泾河阶地ΔU_T 的3个期次内分别为177.37mm/ka、 171.83mm/ka 和168.27mm/ka。它们的数值均表现为正值,表明六盘山西侧活动性比六盘山东侧的构造活动性强,原因可能是六盘山西侧作为青藏高原东北缘边界构造带,来自青藏高原内部的挤压应力首先传递至此,导致区域内发育一系列近NWW向和NNW向的断裂构造和褶皱构造,此结果也符合袁道阳^[35]研究成果,认为青藏高原隆升和构造变形的主体区已经向北东扩展到达了东北缘地区,成为其最新的和正形成的重要组成部分； 而六盘山东侧可能位于较稳定的鄂尔多斯盆地,断裂及褶皱构造相对单一^[36],因此表现为六盘山构造带西侧相对东侧发生隆升运动。

兰州黄河阶地与泾河阶地ΔU_T 第四纪以来一直处于逐渐增大的趋势,4个期次内的ΔU_T 平均值为397.70mm/ka； 而陇西渭河阶地与泾河阶地ΔU_T 则是整体不变的趋势,3个期次内的ΔU_T 平均值为172.49mm/ka。第四纪以来,两组构造差异隆升速率均值相差约2倍(见图2),说明第四纪以来,六盘山构造带北段活跃性明显比南段强,青藏高原内部的挤压应力已传递到青藏高原东北缘最远处的东北边界,激发东北缘边界构造带发育的一系列近NWW向和NNW向褶皱断裂构造,而刘同文^[37]研究也认为最大的主应变区在海原断裂带和祁连山断裂带附近； 西南陇西渭河阶地位于秦岭造山带的北麓,可能受西秦岭的阻挡,应力已吸收或减弱,活动性相对较弱,刘护军^[38]也认为秦岭的隆升与青藏高原的隆升有着密切的关系。在约晚更新世(120-135ka),ΔU_T 突然增大,据前人研究^{[27, 39, 40, 41]},在约0.15Ma发生的共和运动,青藏高原再一次强烈隆升,整个青藏高原正是经过共和运动才达到现代高度。因此,晚更新世以来的隆升加速可能是六盘山东西两侧受到共和运动的影响。

据研究表明,第四纪以来渭河流域与秦岭造山带之间有着密切联系^[38],同时,秦岭造山带第四纪以来上升速率在第四纪早更新世为0.45mm/a,中更新世为0.13mm/a,晚更新世为0.25mm/a^[42],说明在第四纪以来秦岭造山带的活动性具有明显的阶段性。在约1200-600ka期间,陇西渭河阶地与泾河阶地ΔU_T 要明显高于兰州黄河阶地与泾河阶地ΔU_T ,而约600ka以来兰州黄河阶地与泾河阶地ΔU_T 要大于陇西渭河阶地与泾河阶地ΔU_T ,主要可能由于秦岭造山带早更新世强烈隆升影响到六盘山构造带南段的陇西渭河流域,导致早更新世阶段六盘山构造带南段渭河流域活动性增强,而中更新世以来秦岭造山带活动性减弱同样影响到陇西渭河流域的活动性。

综合分析,利用各阶地求得的平均构造差异隆升速率(ΔU_T )结果都显示出六盘山西侧比六盘山东侧断层活动性强或区域隆升构造作用较强,同时显示六盘山构造带北段要比六盘山构造带南段活动性或区域隆升作用更强,初步推测六盘山构造带北段可能存在较大的地震危险性,但由于本文资料有限,可能需结合GPS、 地球物理等其他资料进一步佐证分析评价。

致谢 衷心感谢评审专家及杨美芳老师在文章修改编辑过程中给予宝贵的意见和鼓励,让笔者得到很大启示,受益匪浅。