三峡地区极短周期内剥蚀速率、下切速率及地表隆升速率对比研究

郑月蓉 李 勇

（1.成都理工大学地球科学学院，成都610059；2.四川师范大学地理与资源科学学院，成都610066）

目前对三峡地区的研究主要集中在地貌形态、阶地特征、峡谷特征和基于三峡水库而进行的地震、岩性等方面的研究。在三峡地区的成因分析中往往将内、外力作用因素分别进行研究，导致对长江三峡的形成原因、形成时间、阶地划分等都存在着较大分歧（B.Willis，1903；李四光，1924；叶良辅，1925；李春昱，1933；巴尔博，1936；李承三，1956；任美锷，1958；沈玉昌，1965；杨达源，1988，1992；吴锡浩，1989，1998；蒋复初，1998；田陵君，1996；张叶春，1999；赵诚，1996，1998，2000；唐贵智，1997；李长安，1999；李吉均，2001）；并且缺乏对三峡峡谷地貌形成的动力过程的研究。迄今为止，尚无研究者从隆升作用、剥蚀作用及其与河流下切作用的耦合过程来研究三峡的形成过程和形成机制。隆升作用与剥蚀作用的相互作用过程的研究是近年来大陆岩石动力学和地球表面过程研究中最前沿的科学问题之一［1～4］，对理解山地的形成机理提供了新的线索，具有重要的理论意义。隆升作用是三峡地区新生代构造作用的重要表现形式之一，剥蚀作用是影响三峡隆升速率的重要因素，但如何评价剥蚀作用在成山过程中的作用也成为当前地貌学界研究的焦点问题之一［1，4］。

目前研究剥蚀的途径主要有三种：一是研究土壤剥蚀［5］；二是通过研究水系14C等同位素来确定汇源区的剥蚀速率［6］；三主要是研究线性剥蚀与河流下切［3］。具体的研究方法有：（1）宇宙核素热年代学方法研究的是短周期平均值（几千年至几万年）；（2）输沙量研究的是极短周期的平均值（几十年）；（3）利用数字高程模型和河流下切速率则往往是中周期均值（几十万年）；（4）利用裂变径迹研究的是长周期均值（百万年尺度）。

定量分析地表隆升的方法主要有古生物－古气候法（利用一些对气候条件敏感的古生物化石、古冰川遗迹、古土壤、古地貌等标志来恢复地表隆升的历史及隆升高度）、古地理法（利用岩相古地理标志来确定隆升的幅度及过程）、地质压力法（通过测定特定时代形成的矿物压力估算或流体包裹体的压力，判断形成的深度，从而判断隆升历史）、热年代学法（认为岩石在隆升的过程中冷却，因此通过测定冷却温度就可以反映隆升的历史，常用磷灰石裂变径迹封闭温度法来测定地质历史时期的隆升）、多重扩散域的40Ar／39Ar年龄谱法、变质作用p－T－t轨迹法等［7～15］。

如果只从外动力地质作用（大气、水和生物在太阳能、重力能的影响下产生的动力对地球表层所进行的各种作用）分析，地表发生风化、剥蚀、搬运、堆积，地貌被削高填低，其结果应是地表起伏减小；但是实际上三峡地区地表高低起伏，山高谷深。那么该地区的形成机制是什么？本文尝试研究极短周期内隆升、剥蚀以及下切之间的定量关系，从而定量分析三峡地区极短周期内地貌形态的变化。

1 地质地貌背景

长江三峡地区西起四川奉节，东至湖北宜昌，全长近200km，由瞿塘峡、巫峡和西陵峡组成；在地势上位于中国第二阶梯到第三阶梯的过渡地带，是长江的重要组成部分。从地质结构看，三峡地区位于扬子地台区，主要经历了三次较强的构造运动，即震旦纪前的晋宁运动，侏罗纪末的燕山运动和古近纪末的喜马拉雅运动。晋宁运动期间形成了古老的结晶基底；燕山运动全面褶皱；喜马拉雅运动除盖层有轻度变形、少数断裂有微弱的继承性活动外，全区转入以整体抬升为特征的新构造运动时期，其特点是隆起的不均匀性、掀斜性和间歇性，造就了长江两岸的夷平面和阶地。

2 根据输沙量计算剥蚀速率

根据流域输沙量计算和估计汇水区短周期剥蚀速率和剥蚀量是当前较为成熟的一种方法［2，6］。三峡段流域面积为58×103km2，多年平均输沙量为5.5×106t，即3.67×106m3／a。

影响地表剥蚀的因素主要有温度、风、流水等因素，但是在季风气候区，流水的作用（主要是长江）是主要因素（同一地区岩性视为不变）。

设长江在三峡段的年平均剥蚀速率为v1，则

其中：Qin为多年平均输沙量（m3／a）；A0为三峡段的流域面积（km2）。

长江三峡段的剥蚀作用由化学剥蚀作用和机械剥蚀作用构成，而由输沙量计算的剥蚀作用只反映了机械剥蚀作用。据研究，河流的机械剥蚀速率与化学剥蚀速率之比为3∶1［6，16，17］；那么，长江在三峡段的化学剥蚀速率v2大约为0.021 mm／a。因此，长江三峡段在极短周期内的总剥蚀速率应为机械剥蚀速率（v1）和化学剥蚀速率（v2）之和，即

3 利用阶地计算下切速率

对三峡地区阶地的成因及划分、年代测定，学者们有不尽相同的认识。根据刘兴诗［18］（1983）、杨达源［19］（1990）、谢明［20］、陈宝冲［21］（1996）、田陵君［22］（1996）、李吉均［23］（2001）等人对三峡的研究资料，作者分别对宜昌、巫山、奉节三地的数据进行了分析，认为三峡地区的下切速率大约为0.006～8.62mm／a。因为本次研究仅限于极短周期长江三峡流域的研究，因此，本文只对三峡地区一级阶地的资料进行分析，根据刘兴诗利用化石及14C测年方法测定巫山一级阶地的大致估计值，计算出一级阶地下切速率为0.013～5.83 mm／a；根据杨达源利用14C测年、热释光及古地磁方法推算三峡宜昌一级阶地的时间计算宜昌一级阶地的下切速率为4.875mm／a；而利用谢明14C测年数据计计算巫山的一级阶地下切速率为8.62mm／a；利用陈宝冲14C测年数据可以算出奉节一级阶地的下切速率为8.2mm／a，巫山一级阶地下切速率为6mm／a，宜昌一级阶地下切速率为3.125mm／a；利用田陵君数据计算出宜昌一级阶地下切速率为5.25mm／a，奉节一级阶地下切速率为4.71mm／a，巫山一级阶地下切速率为4.80mm／a（表1）。对以上数据分析处理，可以推导出三峡地区一级阶地的下切速率大约为3.025mm／a；国内部分河流（金沙江、岷江、黄河）的下切速率在0.59～5.079mm／a之间［24～27］。

表1 三峡一级阶地下切速率统计The incision rates in first terrace of the Three Gorges of the Yangtze River

我们分别做了宜昌、奉节、巫山阶地年龄与高程图（图1），均显示阶地年龄与高程基本上呈线性关系。

4 地表隆升速率

地表隆升、地壳隆升不是同一个概念，地壳的隆升高度需要减去地表剥蚀厚度才等于地表隆升。三峡地区的隆升多是从历史角度上进行大致的演化推断，至于隆升了多少，谢明利用不同的测年方法，以夷平面和阶地为重要标志，算出长江三峡地区自新构造运动以来的上升速率为0.21～0.73mm／a［20］。

周忠友等［28］采用李志昌等（2002）大老岭超单元石英二长花岗岩的年龄 （786±54）Ma作为隆升开始年龄，将马大铨等（1991）七里峡岩墙群全岩Rb－Sr年龄（750±54）Ma作为黄陵花岗岩的隆升结束，计算出黄陵花岗岩的平均隆升速率为0.45mm／a，并分析指出该隆升速率应为黄陵地区的最小隆升速率。该速率应为黄陵地区地质历史上的平均隆升速率。李愿军（1991）［29］根据现代地壳变形测量和GPS测量结果，发现黄陵穹隆现今地表仍以整体隆升为主，相对于周边地区其地表隆升速率最大可达5～10mm／a。因为本文研究对象是极短周期，因此我们采用后者的数据，取其平均值7.5mm／a作为三峡地区极短周期的地表隆升速率。

5 三峡地区极短周期下切速率与黄陵穹隆地表隆升速率之间的定量关系

河流阶地的形成主要应与构造抬升、侵蚀基准面和气候变化相关，三峡地区的局部侵蚀基准面是两湖平原，两湖平原控制了三峡地区的下切速率，且与三峡位于同一气候带，因此，可以将侵蚀基准面和气候变化对三峡阶地的影响约束为一系数，则三峡的河流下切速率与隆升速率之间应存在线性关系，可用以下算式来表达

其中：vr为河流下切速率；vs为表面隆升速率；K为侵蚀基准面和气候变化对阶地形成的控制作用进行约束的系数。

本文vr＝3.025mm／a，vs＝7.5mm／a，则K≈0.4，即三峡地区短周期河流下切速率与表面隆升速率的系数为0.4。表明三峡地区的下切速率与隆升速率之间的关系为：vr＝0.4vs，其地质涵义为三峡地区的下切速率小于隆升速率。

6 结论

图1 三峡地区阶地年龄与高程图The terrace age and elevation map of the Three Gorges area

三峡地区在地质历史时期形成比较稳定的扬子地台以后，主要经受了后期的抬升及剥蚀、下切作用，剥蚀作用分为面状剥蚀和线性剥蚀，而河流下切作用是线状剥蚀作用中的主要形式。三峡地区的表面隆升速率大于剥蚀速率，大约是剥蚀速率的89倍；下切速率大于剥蚀速率，大约是剥蚀速率的36倍；表面隆升速率同样大于下切速率，大约是下切速率的2.5倍。三峡地区隆升大于剥蚀，也大于下切速率，说明三峡地区地表仍然在不断地升高；而地表剥蚀速率小于下切速率，下切速率越来越快，说明地表将被进一步切割加深。因此，三峡地貌在地壳构造抬升的过程中，在较缓慢的面状剥蚀和较快的河流线状侵蚀的作用下，地貌出现高低起伏、山高谷深的形态，并有进一步加剧的趋势。

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