2019, Vol.39
2 中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室, 湖北 武汉 430074)
黄河是我国的第二长河, 其形成与演化对于认识我国宏观地貌格局的形成[1~3]、青藏高原及黄土高原等区域的构造活动历史[3~6]、华北平原及黄渤海陆架的形成和演化[7~11]等问题具有重要意义。目前, 学者们对黄河各河段的演化历史开展了大量研究, 尤其是上游兰州-共和段[12~18]、中游晋陕峡谷段[19~24]、三门峡段[25~30]等, 都取得了很大进展。但是, 对黄河最上游——黄河源段(多石峡以上)的关注相对较少。
作为黄河源头, 其河谷的演化历史对于认识青藏高原东北部的构造和地貌演化历史[12, 17]、古环境特征[31~32]、水系的形成和发展规律[12~13]等问题均十分关键。因此, 一些学者针对黄河源段的发育历史和方式进行了探讨。多石峡是黄河的第一道峡谷, 程捷等[33]通过对多石峡及以上地区河流阶地的热释光测年, 认为扎陵湖-鄂陵湖段形成于30 ka左右, 黄河在晚更新世末才切开多石峡；最近, 韩建恩等[34]通过对黄河源地区阶地的电子自旋共振(ESR)测年, 也认为黄河源头在晚更新世末才形成。另一方面, 黄河袭夺若尔盖古湖的时间也是探讨黄河源水系发育历史的重要依据。Li[17]通过对若尔盖盆地湖相沉积物的14 C测年, 认为黄河源水系至少在22 ka仍未切开若尔盖盆地；而王云飞等[35]发现若尔盖盆地的沉积环境在38~35 ka发生了突变, 从湖相沉积转变为河流相沉积, 他们认为其指示着黄河袭夺了若尔盖古湖；杨达源等[18]根据若尔盖盆地以下玛曲黄河阶地的年代研究, 认为若尔盖与唐乃亥之间的峡谷在约20 ka才贯通；Harkins等[12]也指出, 黄河在30 ka以前仍未溯源侵蚀至若尔盖。
对于黄河源地区河谷的发育方式, 存在自下而上逐步溯源侵蚀贯通和自上而下湖水溢流贯通两种观点。杨达源等[18]提出, 共和盆地以上的黄河是自下而上逐级袭夺形成；张智勇等[36]认为, 30 ka左右的构造抬升事件使黄河上游快速溯源侵蚀而切开贵南南山, 贯通若尔盖盆地并进入黄河源盆地；Craddock等[13]结合黄河上游不同地点的阶地年代, 认为同德盆地以上黄河从约0.5 Ma开始以350 km/Ma的速率向源头快速溯源侵蚀；而郑本兴和王苏民[37]提出, 在晚更新世冰期, 黄河源地区的冰水湖外溢, 流入若尔盖盆地导致黄河源水系形成。
前人对黄河源地区河谷发育历史的上述研究, 多是基于河流阶地的年代来指示水系演化的历史, 并较为一致地认为黄河源段水系是晚更新世末-全新世以来形成的年轻河段。但是, 对于黄河源地区黄河的形成方式是否为自下而上溯源侵蚀仍存在一定的分歧。造成这一分歧的主要原因在于, 黄河源地处高寒地区, 在中更新世以来曾发育过较大规模的冰川活动[37~39], 因此存在冰蚀作用塑造河谷的可能。若如此, 冰蚀作用很可能同时会破坏掉早期的河流阶地, 而基于现存河流阶地的研究很可能导致对黄河源水系发育年代的低估。本文在对黄河源地区的河谷地貌详细野外考察的基础上, 运用ArcGIS软件提取了黄河源各级河流的河谷横剖面, 并与黄河源地区的现代冰川谷以及兰州段黄河成型河谷的横剖面特征进行了对比, 同时结合该区第四纪冰川活动的历史, 探讨了黄河源地区河谷的成因和演化历史。
1 研究区概况及研究方法黄河源盆地位于青藏高原东北部, 南以巴颜喀拉山为界, 北以布青山为界, 西至雅加达则山(图 1), 流域面积约2.8×104 km2。黄河源盆地平均海拔高达4500 m, 但是盆地内部高差较小, 地形相对和缓。该区属内陆高原高寒气候, 年均温- 3.9~- 7.9 ℃, 多年平均降雨量320 mm左右。黄河源地区在第四纪以来发育了多期冰川活动, 广泛发育古冰川地貌[37~39]。尤其在扎日加山、布青山、阿尼玛卿山、巴颜喀拉山等地区, 广泛发育有冰蚀谷。这些冰蚀谷按形成时间可以分为早、中、晚三期[39]：早期冰蚀谷分布在晚期冰蚀谷两侧, 多被后期冰蚀作用改造破坏, 保存不完整, 形成于中更新世早期；中期冰蚀谷分布位置与晚期冰蚀谷相近, 靠近巴颜喀拉山, 形成于倒数第二次冰期；晚期冰蚀谷保存最为完整, 形成于晚更新世晚期, 即末次冰期。现今黄河源地区仍存在一定范围(130 km2)的现代冰川, 这些冰川主要分布在阿尼玛卿山地区。
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图 1 黄河源位置图 Fig. 1 Location of the Yellow River source area |
黄河源头段又称为玛曲。南北两源头支流卡日曲和约古宗列曲在约古宗列盆地汇合, 然后自西向东穿过鄂陵湖与扎陵湖, 在多石峡转向南流, 最终流出黄河源盆地(图 1)。黄河在该区发育有至少两级支流, 这些支流均较为短小, 长度多不足100 km。这些支流的源头, 很多延伸进入现代冰蚀谷。黄河干流及其支流贯穿于黄河源盆地之中, 塑造了广泛分布的河谷地貌。
在野外实地考察的基础上, 本文基于美国航天局(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)等联合测量得到的1弧秒SRTM1-DEM高程数据(分辨率约为30 m), 利用ArcGIS 10.2软件, 提取了流域水系以及不同河段的干流和一级、二级支流的河谷横剖面曲线。本文在黄河源干流及一、二级支流分别选取6~9个代表性河谷横剖面(干流和一、二级支流的横剖面编号分别为A1~A6、B1~B6和C1~C9；位置见图 1)开展形态特征分析。为了对比黄河源河谷形态与典型的流水成因河谷以及典型冰蚀谷的异同, 我们在兰州段黄河选取了4处代表性成型河谷(编号L1~L4, 位置见图 4), 并在黄河源地区选取了6处现代冰蚀谷(编号G1~G6, 位置见图 1), 用同样的方法获得其横剖面形态进行对比研究。
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图 4 兰州附近的黄河河谷横剖面特征 (a)河谷横剖面位置；(b)河谷横剖面特征 Fig. 4 Characteristics of the cross sections of the Yellow River near Lanzhou City. (a)Location of the cross sections; (b)Characteristics of the cross sections |
在野外考察过程中, 我们注意到, 黄河源地区的河谷规模十分大, 形态较为特殊。具体来讲, 该区的河谷呈现出如下特征(图 2)：1)河谷规模巨大, 一些河谷谷底被堆积物覆盖, 显得十分平坦, 但两侧谷坡陡立；2)河床狭窄, 河流的流量规模非常小；3)河流阶地少, 尚未发育阶地或只发育有一级河流阶地；4)河流阶地和河漫滩上的堆积物分选和磨圆极差, 但混有少量磨圆很好的砾石, 与冰碛物或冰水沉积物特征接近；5)河谷切割深度可达200 m以上, 但河谷两侧的基岩山地起伏较小, 上覆风化层极薄, 山顶呈浑圆状。我们测量了其中4个地点的河谷和河床宽度(图 2, 照片位置见图 1中a、b、c、d点), 发现这些河谷的宽度均远大于河床宽度。如在玛多县城西北, 黄河的河床宽度仅59 m, 而河谷宽度达7.6 km(图 2a)；在黄河乡白玛纳村处, 黄河河床只有53 m宽, 而河谷宽度达6.2 km(图 2d)。
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图 2 黄河源地区的河谷地貌照片 (a)玛多县城西北20 km的黄河河谷；(b)玛多县城东南13 km的河谷；(c)黄河支流坎郎玛曲的河谷；(d)黄河乡附近的黄河河谷 Fig. 2 Photographs of the Yellow River valley in the source area. (a)The Yellow River valley near Maduo County(about 20 km northwest to the county); (b)The Yellow River valley near Maduo County(about 13 km southeast to the county); (c)The valley of tributary Kanlangmaqu; (d)The Yellow River valley near Huanghexiang |
上述野外考察所见的黄河河谷的地貌特征与我们通过SRTM1-DEM高程数据提取得到的河谷横断面的主要特征一致。黄河干流及一、二级支流的河谷横剖面(位置和剖面编号见图 1)的宽度可达6~8 km, 深度可达200 m以上(图 3)。在堆积物覆盖较少的河段, 其谷坡较陡, 左右两侧较为对称, 呈现出“U”型谷的特征, 如图 3中的A1、A5、B2、C5、C9等。而在一些有较多堆积物覆盖的河谷, 其谷坡也十分陡峭, 左右两侧也较为对称, 但谷底十分平坦, 如图 3中的A2、A4、C8等。此外, 也有部分支流的源头段存在“V”型谷, 如约古宗列曲向雅加达则山延伸的支流(C1)、邹玛曲(C6)、多曲的支流(C7)等。遗憾的是, 受DEM高程数据精度所限, 这些河谷横断面曲线难以反映出黄河源地区的河流阶地和河漫滩, 这主要是由于黄河源地区的阶地高度多不足5 m。总之, 从野外考察所见和所提取得到的河谷横剖面曲线来看, 黄河源地区的河谷规模非常大, 且大多表现出“U”型谷的特征。
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图 3 黄河源地区黄河干流及一、二级支流的横断面特征 A1~A6为黄河源干流横断面；B1~B6为黄河源一级支流横断面；C1~C9为黄河源二级支流横断面 Fig. 3 Characteristics of the cross sections of the Yellow River and its tributarys in the source area. A1~A6 are cross section of the trunk stream; B1~B6 are cross section of primary tributary; C1~C9 are cross section of second tributary |
兰州段黄河因毗邻青藏高原东北部, 在构造抬升和全球气候变化作用下, 形成了5级以上明显的河流阶地[3, 17, 19, 40], 为典型的成型河谷。我们用同样的方法在兰州段黄河干流上截取了4处代表性的河谷横剖面(位置和编号L1~L4见图 4)。该段河谷显示出如下方面的特征：1)河谷宽度可达5 km以上, 切割深度多在120 m左右；2)河床宽度达200 m以上, 水流量较大；3)河谷横剖面上显示出明显的多级阶地, 并呈现出因河流侧蚀产生的左右不对称特征。需要指出的是, 兰州附近的河谷横剖面多选自干流河道附近, 加上DEM数据精度有限, 导致所获得的阶地序列并不完整, 但仍可分辨出至少有3级明显的河流阶地, 属典型的成型河谷。
2.3 黄河源地区冰蚀谷地貌特征我们在扎日加山(G1)、扎陵湖北岸(G2)、巴颜喀拉山北坡(G3~G6)截取了6个代表性现代冰蚀谷的横剖面(图 5, 位置和编号见图 1), 其显示出如下特征：1)谷底开阔平坦, 谷坡陡直, 左右两侧较为对称, 横剖面呈现出明显的“U”形特征, 为典型的冰蚀谷；2)规模较大, 深度一般可达300 m, 谷宽也多在3 km左右, 与黄河源地区黄河的一些支流的河谷(图 3)规模相当。
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图 5 黄河源地区的现代冰蚀谷横剖面特征 Fig. 5 Characteristics of the cross section of the modern glacial valley in the source area of the Yellow River |
对比黄河源段与兰州段典型黄河河谷的特征发现, 二者存在明显差异, 表现在如下4个方面：1)在河谷形态上, 兰州段黄河河谷的横剖面因河流的侧蚀作用和下蚀作用而呈现出明显的左右不对称, 谷坡发育有明显的多级阶地, 为典型的成型河谷, 这些特征与黄河源段所呈现出的“U”型谷特征有明显差别；2)在切割深度上, 尽管兰州段切割的古近系红色粉砂岩较黄河源地区的三叠系砂岩和板岩更为松软[17, 39], 其河流流量也远大于黄河源段, 但兰州段河谷的切割深度只有120 m左右, 而黄河源段却可达200 m以上；3)在河床宽度上, 兰州段远较黄河源段宽, 可达200 m以上；4)在阶地数量和河谷发育历史方面, 兰州段河谷的阶地数量多达5级以上[3, 17, 19, 40], 远比黄河源段的阶地数多, 并且其阶地发育的年代至少始于早更新世[3, 6, 16~17, 40], 也远早于黄河源段的阶地年代(晚更新世末-全新世[33~34])。
上述对比显示出一个明显的悖论, 即：黄河兰州段较黄河源段形成的年代更早、水流的侵蚀能力更强、所切割的地层更软弱, 但其切割的河谷深度却反而不如黄河源段大。这种悖论使我们怀疑黄河源地区的谷地很可能不是由单纯的流水侵蚀作用形成的。因为在晚更新世末以来如此短的时间内, 黄河源地区是绝不可能发育规模如此之大的流水成因河谷的。考虑到黄河源地区广泛分布的古冰川地貌以及一定规模的现代山岳冰川[37~39], 我们推测黄河源段的河谷为冰川成因河谷。
为证明这一点, 我们进一步将黄河源段河谷横剖面特征与该区典型的冰蚀谷进行了对比(如图 3和5)。结果显示, 二者均表现出切割深度大、谷底宽阔、横剖面呈“U”形等特征, 这表明黄河源段的河谷实际上为冰蚀谷。事实上, 巴颜喀拉山主峰段辐射出许多河流, 这些河流的源头段谷地均表现出典型的冰川谷的特征[37], 一些黄河支流的源头, 如勒那曲、热曲等(图 1), 都直接与现代冰蚀谷相连。当冰川扩张时, 这些现代冰川会发展为规模更大的山谷冰川和山麓冰川, 延伸至现今的黄河谷地中, 伴随的冰蚀作用必然会侵蚀和改造之前的河谷, 形成冰蚀谷。这也进一步证明了黄河源地区的河谷与冰蚀谷之间存在重要的成因联系。
那么, 黄河源地区是否发生过大规模的冰川活动呢？一部分学者认为青藏高原在中更新世以来的冰期中曾发育过大范围的冰盖[41~44]。但多数学者认为, 虽然青藏高原在冰期时发生了较大规模的冰川扩张, 甚至形成了一些局地的小冰盖, 但并未形成大冰盖[45~52]。就黄河源地区而言, 一些学者提出, 该区在冰期时曾出现过大规模的冰川活动甚至发育过小冰盖, 巴颜喀拉山和阿尼玛卿山构成小冰盖的主干[37, 46~47, 53]。尽管目前学者们对于黄河源地区古冰川的规模和形成的确切时间仍存在一定的分歧[37, 46~47, 53~56], 但该区广泛存在的冰川槽谷、冰碛物、冰水湖、冰川漂砾等证据表明该区确曾发育过较大规模的冰川活动。李吉均等[46]在考察该区的古冰川遗迹时, 发现一些谷地源头的山顶呈浑圆状, 提出古冰川曾占据山头并形成贯穿型槽谷；郑本兴和王苏民[37]发现, 流入鄂陵湖的勒那曲上游的3条支谷有明显的两列终碛垄；而周尚哲[38]也指出, 黄河支流热曲河谷中也延伸出典型的冰碛垄, 扎陵湖北岸的南北向谷地具有宽、短、浅、直的冰川谷特征, 南岸则分布着多个长条形南北向湖泊, 疑为贯穿型槽谷堰塞形成的湖泊, 扎陵湖西岸还有典型的带有冰川擦痕的漂砾[38]。我们在考察过程中也发现, 黄河源地区的河流阶地和河漫滩上的堆积物的分选和磨圆极差, 但却混有少量磨圆很好的砾石, 我们推测其为冰川作用形成的混杂堆积。
3.2 对黄河源地区水系发育历史及机制的启示由于冰川和冰川融水极具侵蚀破坏能力, 理论上讲, 黄河源地区经历的多次大规模的冰川进退[37~38, 53~56]会对该区的地貌塑造和水系发育产生十分深刻的影响。这些影响对于认识黄河源地区水系的发育具有多方面的重要启示。
首先, 大规模的冰川进退会极大加速黄河源地区谷地的侵蚀。如图 6的模式所示：当气候进入冰期时, 山岳冰川不断扩张, 并逐步发展成山谷冰川和山麓冰川, 此时冰川会进入早期的冰蚀谷或河谷中, 不断侵蚀谷底和谷坡, 使谷底变得宽阔, 谷坡变陡, 将其改造成“U”型谷；而间冰期时, 冰川退缩, 冰川谷被流水占据, 就如同现今的黄河及各级支流, 此时的流水作用也会一定程度改造谷地的形态, 甚至发育河流阶地。从这个意义上讲, 该区的河谷是由流水与冰川共同塑造而成。但从该区河谷的横剖面形态来看(图 3), 其具有十分明显的冰蚀谷特征, 可能指示着这些谷地主要是由冰蚀作用所塑造。
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图 6 黄河源河谷形成过程模式图 Fig. 6 Conceptual model for the evolution of valley in the Yellow River source area |
第二, 冰蚀作用会破坏黄河源地区早期的河流阶地。冰蚀作用对早期所形成的地貌和堆积物有极大的破坏性, 通常只有最近一次冰期形成的地貌和冰碛物保存最完整。这意味着, 即使黄河源地区的河谷中发育有末次冰期之前的河流阶地, 也会被后期的冰蚀作用所侵蚀, 而只能保存末次冰期以来发育的河流阶地。而当前对黄河源地区河流阶地的测年, 的确发现该区的阶地都形成于晚更新世末-全新世[33~34], 这很可能是对上述推测的印证。若如此, 当前基于现存河流阶地年代的研究很可能低估了黄河源地区河谷的发育历史。支持这一推测的理由包括：首先, 该区中更新世以来经历了多次冰川进退[37~39], 必然存在早期的冰川谷, 冰川退缩后这些冰川谷会成为河谷；其次, 流水和冰川的侵蚀作用不可能在晚更新世末以来如此短暂的时间内塑造出规模如此巨大的谷地。当然, 这一推测还需要今后进一步工作的支持。这里值得注意的是, 黄河源地区的这种冰蚀作用破坏早期河流阶地的情况警示着, 对于有古冰川发育的地区, 在探讨该区水系演化历史时, 需慎重运用河流阶地这一证据。
第三, 冰川的进退对黄河源地区水系的形成和贯通有重要影响。当冰期来临时, 冰川会不断沿着山谷向山麓扩张, 形成山麓冰川后甚至可能越过一些高地, 可将不同水系之间的分水岭切开而导致水系贯通；当间冰期来临时, 气候快速转暖, 冰川迅速消融, 大量冰川融水短时间内涌入冰水湖中, 可能导致湖水外溢并与下游的水系贯通。在有大规模冰川进退的地区, 这两种情况均可导致水系自上而下贯通。在今后对黄河源水系的贯通方式的研究中, 这一点应引起重视。
4 结论本文通过对黄河源地区河谷地貌的野外考察, 并基于SRTM1-DEM数据, 分析了黄河源地区的河谷地貌特征, 并与典型的流水成因河谷及冰蚀谷进行了对比。结果显示, 黄河源地区的河谷规模巨大, 并呈现出谷底平坦开阔、河床窄小、阶地不明显、谷坡陡立、河谷横剖面左右对称的“U”型谷特征, 与典型流水成因河谷显著不同, 而与冰蚀谷相似。另一方面, 黄河源地区巨大的河谷规模与极为年轻的河流阶地之间存在明显的悖论, 不能用单纯的流水侵蚀作用解释。前人的研究揭示出黄河源地区在中更新世以来经历了多期冰川活动[37~39, 53~56], 因此, 该区的河谷很可能主要是由冰蚀作用塑造而成。由于冰蚀作用的存在, 早期的河流阶地可能已被侵蚀。这意味着, 当前基于黄河源地区现存河流阶地年代的研究很可能低估了黄河源水系的发育历史。这也警示着, 对于有冰川发育的地区, 在论证水系演化历史时, 需谨慎运用河流阶地这一证据。同时, 黄河源地区多次的冰川进退也可能导致黄河源水系自上而下贯通, 而并非溯源侵蚀形成。
致谢: 赵嘉旸、王朝阳同学在ArcGIS软件使用方面给予了很多帮助, 课题组戴高文、李莉婷、陈瑞生、高慧、孟晓庆、田少华、潘卿、李欣霞同学在野外工作和论文撰写过程中给予支持, 在此一并深表感谢。特别感谢审稿专家和编辑老师提出的宝贵修改意见和建议。
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2 State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, Hubei)
Abstract
The Yellow River is the second longest river in China. Its formation and evolution history are of great significance for understanding the macro-geomorphological pattern of China, the tectonic activity history of the Tibetan Plateau and Chinese Loess Plateau, and the sedimentary environment evolution of the North China Plain, Bohai Sea, and Yellow Sea continental shelf. Most studies concentrate on the evolution history of middle and lower reaches of the Yellow River, its uppermost reaches, however, lack investigation.Based on field investigation and SRTM1-DEM data, we analyzed the geomorphic features of the cross sections of the Yellow River valley in the source area, and compared them with typical glacial valleys in this area and the Yellow River valley near Lanzhou City, respectively. We found the valleys in the Yellow River source area exhibit a U-shaped character, and the bottom of the valley is rather broad, with few terraces, but the stream bed is very narrow. These features are significantly different from the Yellow River valley near Lanzhou, but similar to the glacial valley in the Yellow River source area. Furthermore, the scale of the valley in the source area is even greater than that at Lanzhou, albeit the age of terrace in the source area (latest Pleistocene)is much younger than that at Lanzhou (Early Pleistocene). This apparent contradiction can be reconciled by considering these valleys are glacial valleys. This hypothesis is supported by previous glacial studies, which demonstrate that there were massive glacial activities during the glacial periods since Middle Pleistocene.The periodical glacial activities have several important implications for understanding the formation and evolution of the upstream of the Yellow River. First, the glacial erosion may have played an important role in shaping the valley in the source area of the Yellow River. During the glacial periods, strong glacial erosion would carve a U-shaped valley; while in interglacial periods, river would occupy the bottom of the valley, and develop some river terraces. Second, glacial activities would erode the terraces formed in previous interglacial, and this will lead to underestimate the evolution history of the Yellow River. Therefore, it needs to reevaluate the latest Pleistocene age of the headwater system of the Yellow River reported by previous studies based on terraces dating. This suggests that it should be cautious when use the river terrace age as the indicator of the fluvial evolution history, especially in the areas with strong glacial activities. Third, the repeated extension and retreat of glacial in the Yellow River source area may have led to integration of the uppermost reaches by glacial erosion or spillover of melting water, other than headward erosion.