阿尔金断裂带西段莫勒切河河口阶地的构造及气候意义

郑荣章 徐锡伟 马文涛 李建平

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)中国地震局地质研究所，国家地震活动断层研究中心，北京 100029

阿尔金断裂带西段莫勒切河河口阶地的构造及气候意义

郑荣章1)徐锡伟2)马文涛2)李建平1)

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)中国地震局地质研究所，国家地震活动断层研究中心，北京 100029

通过对阿尔金断裂带西段莫勒切河河口附近卫星影像解译、野外调查测量及地貌面样品年龄测定，利用宽谷阶地、堆积阶地获取构造隆升速率、构造变形方式及加积速率，并结合区域气候资料探讨该区阶地发育对气候变化的响应。莫勒切河出山口发育4级阶地(T4，T3，T2，T1)，其中T4、T3为宽谷阶地，T2为堆积阶地，T1为堆积-切割阶地。T3，T2，T1阶地形成年龄为分别为 (18.98±1.42)ka BP、(13.08 ±1.01)kaBP、(5.72 ±0.43)ka BP，3 级阶地分别形成于冰盛期末期、新仙女木时期以及 5ka BP左右的变冷变干气候环境。T3揭示自 (18.98±1.42)ka BP至今莫勒切河出山口的平均抬升速率为(6.66 ±0.50)mm/a。T3、T2阶地的存在揭示 (18.98 ±1.42)ka BP 至 (13.08 ±1.01)kaBP 之间，研究区及其邻近地区存在一轮快速的构造抬升和快速加积事件，抬升速率＞20mm/a，加积速率＞10mm/a。构造抬升形式为从南向北的跨阿尔金断裂带的掀斜式抬升，是高原向北扩展的一种运动形式。T2阶地的堆积应该是此次快速构造抬升和15ka BP至12ka BP之间冰消气候共同作用的产物。

阿尔金断裂带西段 宽谷阶地 堆积阶地 构造抬升 抬升速率 加积速率 高原扩展

0 引言

河流阶地是河流发育过程中内部构造运动与外部气候环境作用下的产物，蕴涵了丰富的构造、气候信息(Ouchi，1985;Bull et al.，1987;Bull，1991;Brigland et al.，2008a，b)。Bull(1991)将阶地划分为3种类型，即宽谷阶地(strath terrace)(埋藏宽谷阶地以及埋藏宽谷)、堆积阶地(fill terrace)以及堆积-切割阶地(fill-cut terrace)。其中宽谷阶地包括主要宽谷阶地和次要宽谷阶地。主要宽谷阶地是构造成因阶地，蕴涵了流域内构造抬升的历史信息，堆积阶地则是气候成因阶地，而次要宽谷阶地、堆积-切割阶地则是复杂响应阶地(Ouchi，1985;Bull et al.，1987;Bull，1991;Merritts et al.，1994，)。Bridgland(2000，2007，2008b)则进一步认为，第四纪阶地只形成于经历了构造抬升的地区，阶地序列的形成反映了渐次的地表抬升，而堆叠序列则反映了地表的下降，同时，阶地的形成也是对气候波动的响应，气候因素只是阶地形成的间接和触发因素，而非直接因素。因此，河流阶地继冰芯、湖泊沉积后，被广泛地用于恢复流域内构造及气候演化历史(杨景春等，1998;潘保田等，2000;Maddy et al.，2000;Hsieh et al.，2001;王岸等，2003;郑荣章，2005;孙继敏等，2007;Demir T et al.，2008，2009;Westaway et al.，2004，2006，2007;Seyrek et al.，2008;Cunha et al.，2008)。

沿阿尔金断裂带(ATF)发育众多与断裂带近于垂直的河流，以往对断裂带河流阶地的研究集中于断裂的水平运动学方面，即通过阶地的水平位错及年龄测定获取断裂的左旋滑动速率(Armijo et al.，1986;陈国星等，1987;国家地震局“阿尔金活动断裂带”课题组，1992;Avouac et al.，1993;徐锡伟等，2003;王峰等，2003，2004a，2004b;Mériaux et al.，2004，2005)，利用阶地研究构造隆升的例子不多。青藏高原北缘与其北部相邻盆地的高差在5,000～1,000m，阿尔金断裂带为一条具有逆走滑性质的构造带，作为青藏高原北缘边界分隔不同构造单元和地貌单元的分界构造，对青藏高原北缘的隆升无疑具有重要的控制意义。因此，对其构造隆升进行研究，有助于了解青藏高原现今隆升形式及机制，完善青藏高原北缘的运动学研究。

阿尔金断裂带内的河流多发育宽谷阶地或者阶地出露基岩宽谷，同时也有堆积阶地及堆积-切割阶地发育。宽谷阶地的形成与构造隆升密切相关，其地貌面年龄代表了构造隆升的起始时间，根据宽谷面拔河高度及阶地面年龄，可得到构造隆升速率;堆积阶地则是气候成因阶地，其地貌面年龄代表了一次加积事件的结束，如已知加积起始时间，可得到加积速率。

本文通过对阿尔金断裂带西段莫勒切河河口附近卫星影像解译、野外调查测量及地貌面样品年龄测定，利用宽谷阶地、堆积阶地获取构造隆升速率、构造变形方式及加积速率，并结合区域气候资料探讨该区阶地发育对气候变化的响应。文中样品由中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室测定。

1 地质地貌特征

观测点位于阿尔金断裂带西段(图1)莫勒切河出山口处，南距阿尔金断裂约16km，除NE走向的阿尔金主断裂外，区域内还分布与主断裂近平行的NE向次级断裂，出露下石炭世地层。断裂带南部高原存在5,000～5,500m高的一级山顶面，地势相对平缓，阿尔金断裂南侧的阿克塔格山脉最高海拔超过6,000m，与北部盆地平均高差在4,000m左右，显示此区域存在显著的差异隆升。北部山前发育剥蚀面，构成Ⅲ级阶地面。

莫勒切河发源于阿尔金断裂南侧的阿克塔格山，主流向为NW向，上游及下游河流与断裂带基本垂直，中游位于阿尔金断裂形成的NE向断层谷地中，流向与断裂走向基本一致，在河流下游出山口发育一形态完整的巨型冲积扇(图1)。

莫勒切河河谷内及山前均有阶地发育，河谷内主要发育堆积阶地及堆积-切割阶地，河流出山口处共有4级阶地发育，从新到老分别为T1、T2、T3和T4，T0代表河漫滩 (图2)。其中T4仅残留于山前河流东岸，由于侵蚀作用，阶地面不完整，缺失河流相堆积，并出露下石炭世地层，为一宽谷阶地。其余3级阶地在河流出山口两岸均有分布，在中上游未见T4、T3阶地，只见T1、T2以及T0与T1间的次级阶地发育。

T3阶地分布于莫勒切河出山口以北两岸，阶地面向北倾斜，形成一个向下游倾斜的斜面，为一山前侵蚀面。阶地面侵蚀严重，阶地由两部分组成，上部河流相冲积砂砾石层，砾石成分有碳酸盐质、石英质、花岗岩质及硅质等，粒径大小不一，一般为20cm，小者约10cm，大者40～60cm，呈次棱角至次圆状，分选程度中等，层中有石膏发育，砾石间充填中粗砂;下部基岩为下石炭世地层。T3阶地为一宽谷阶地。

图1 阿尔金断裂带西段构造略图Fig.1 Sketch tectonicmap of the western segment of Alty Tagh Fault zone.

T2分布于河流两岸，在山前主要分布于河流东岸，在西岸呈狭长带状展布(图2)。阶地仅由河流相冲积砂砾石层堆积而成 (图3，4)。T2阶地砾石成分与T3类似，粒径大小不一，一般20～30cm，部分15～20cm，小者约10cm，次棱角至次圆状，分选中等，中粗砂充填。T2阶地为一堆积阶地。

T1在山前断续分布于河流两岸，在中上游峡谷分布比较连续。阶地顶部堆积一套厚约3m的砾石层覆盖层，粒径差别较大，一般约20cm，部分砾石＞50cm，可见的最大者达1.1m，小者一般5～10cm，次棱角至次圆状，分选一般，中粗砂充填。此层粒径、分选与下伏地层明显不同，粒径变大，结合T1的赋存状态，可知其是在T2的基础上流水侵蚀、切割改造的结果，是一堆积-切割阶地。

T0为河漫滩相沉积，由冲积砂砾石层组成。同时，在T1与T0之间还存在多级规模较小的堆积-切割阶地，文中统称为T1'，反映了河流在此时段内运转状态的多次变化。

2 利用宽谷阶地计算构造抬升速率

宽谷是指河流侧蚀河道下基岩，使河道加宽形成的面，是河流处于平衡时期的产物，平衡的存在是河流获得侵蚀基准的象征。河流宽谷分为主要宽谷和次要宽谷，主要宽谷是河流处于动态平衡时期形成的，次要宽谷是河流处于静态平衡时段内形成的。宽谷形成后，由于构造抬升使河流下切，宽谷被抬升出河面形成宽谷阶地(Bull，1991)。与主要宽谷和次要宽谷相对应，宽谷阶地分为主要宽谷阶地和次要宽谷阶地2类。次要宽谷与主要宽谷相比，其形成时间短、阶地规模小，而且有可能是构造以外的其它因素诱发形成。因此，宽谷阶地的存在，特别是主要宽谷阶地的存在则表明了构造诱发抬升的存在。

图2 莫勒切河观测点卫片及地貌解译图Fig.2 Satellite image and landform of Moleqiehe river site.

根据主要宽谷阶地的构造意义，可以利用其计算流域内的构造抬升速率。计算公式如下(郑荣章等，2004):

式(1)中:VU为相邻2级主要宽谷阶地(或具有埋藏主要宽谷的阶地)阶地面形成的时间隔内的抬升速率;Hn+1、Hn分别为相邻2级主要宽谷阶地(或具有埋藏主要宽谷的阶地)的宽谷面拔河高度;Tn+1、Tn分别为相邻2级主要宽谷阶地(或具有埋藏主要宽谷的阶地)的阶地面年龄。如果仅有一级宽谷阶地，则Hn与Tn为零，代表河床。

图3 莫勒切河观测点阶地横剖面图Fig.3 Transverse profile of terraces atMoleqiehe River site.

图4 莫勒切河观测点及附近地形剖面Fig.4 Longform profile of Moleiqehe River site and vicinity.

3 实测阶地横剖面及阶地面年龄

为得到阶地面拔河高度，使用全站仪实测了莫勒切河山口附近东岸的阶地横剖面 (图3，测量位置见图2)，同时采集了阶地年代样品。由于在T4上采集不到测年样品，所以未对T4进行测量。由图3可知，T3阶地上部河流相砂砾石层堆积厚约19m，下部基岩宽谷面拔河126.5m，T2阶地面拔河约58.4m。

在T1、T2与T3阶地砂砾石层近顶部(图3)采集了热释光样品，采样位置距阶地顶面约40～30cm，测试结果见表1。这些年龄虽然比真实的阶地面年龄略老，但可近似地代表阶地面形成时的年龄。T3阶地面年龄约为19ka BP，T2约为13ka BP，T1约为5.7ka BP。虽然阶地样品较少，但这3级阶地年龄与阿尔金断裂带各段其他地区相应的阶地年龄极为吻合，因此，我们认为样品年代是可信的(郑荣章，2005)。

4 阶地与构造、气候的关系

4.1 莫勒切河宽谷阶地与构造抬升及抬升形式

在莫勒切河河口已测量的阶地中，T3阶地是宽谷阶地，其它阶地为堆积阶地或堆积-切割阶地。因此，T3阶地是分析该区构造抬升活动的一个重要地貌标志。从T3阶地面的分布范围来看，T3阶地面的原始地貌面是一个山前侵蚀平原。现存的T3阶地面坡度较缓，也较为平整，而从google卫片可知，在中游下段山顶仍有部分T3残存。宽谷面上覆堆积物不厚，图3剖面所示为19m。Bull(1984)虽然将中低纬度沙漠地区山前侵蚀平原表面沉积盖层厚度的上限规定为15m，同时认为冲积扇的堆积物厚度与扇长相比一般是＜1/100的。而此处T3的堆积物厚度虽为19m，但其与阶地面的延伸长度相比远远＜1/100，仍可认为是一山前侵蚀平原面。因此，在形成T3阶地以前，存在一个山前侵蚀平原。T3阶地是一个主要宽谷阶地，揭示该区曾自约18.98ka BP开始经历了构造抬升运动。根据上述计算抬升速率的公式，抬升高度从T3阶地的宽谷面(基岩面)至河床 (图3)，可得自(18.98±1.42)ka BP以来莫勒切河出山口处的平均抬升速率为(6.66 ±0.5)mm/a。

图4a表示了横穿阿尔金断裂带的地形剖面，从剖面可以看出，研究区及其附近的地形，存在一个从南向北的台阶状下降的趋势，反映了高原北缘从南向北的掀斜式抬升方式。图4b表示的是河流出山口附近阶地的纵剖面，T3纵剖面形态也揭示了其曾经历了向NW掀斜抬升的构造运动。图4c表示了在河流中游的阶地横剖面，揭示此处无类似河口处T3阶地的存在，只有T2、T1以及T1与T0间的次级阶地发育。实际上在河流中游上段及上游地区均未见T3阶地，而中游下段仍残留部分T3阶地面，这说明河流中上游的抬升比河口下游地区剧烈，后期侵蚀改造速率更大，阶地被剥蚀，出露基岩。

4.2 阶地形成对区域气候变化的响应

据青藏高原冰川资料(姚檀栋等，1997)，古里雅冰芯揭示青藏高原末次冰盛期在32ka BP至16ka BP之间。15ka BP以后进入冰消阶段，温度波状回升。在12ka BP间，出现新仙女木寒冷事件，以后突然升温，结束了末次冰期。新仙女木寒冷事件结束后，进入全新世，温度急剧上升。7ka BP左右是全新世最暖阶段，温度作剧烈的波动上升，5ka BP左右后，高原环境恶化，温度下降，降水减少、湖泊萎缩，出现了称为新冰期的冰川前进与冻土扩大现象，4ka BP至3ka BP还相对暖和，自此以后的全新世晚期，气候呈现波动的变冷、变干趋势直至现代。对比可知，3级阶地地貌均形成于气候相对寒冷、干燥的时期。T3阶地形成于冰盛期末期，而T2阶地也基本上在新仙女木期间开始下切形成，但加积层可能是15ka BP以后冰消阶段的产物，T1也是在5ka BP左右的变冷变干气候环境下河流下切形成的产物。T1与T0间的次级阶地可能也反映了全新世晚期气候的波动变化。气候对河流阶地形成的影响是通过控制汇水盆地植被、沉积物产量、河流流量的大小及搬运床载的能力等来实现(Leopold et al.，1979;Bull，1991;Bridgland et al.，1995)。15ka BP至12ka BP之间的冰消阶段，河流水量增大，无疑增加了河流在上游的侵蚀和搬运能力，当河流携带大量的床载到中下游峡谷时，河流运转状态发生变化，开始卸载，形成了较厚的加积层 (图5)。

5 讨论与结论

从上面的论述可知，T3阶地为宽谷阶地，它的形成揭示了一次构造抬升事件的存在。形成T3阶地的此次构造抬升诱发的河流下切至少到达了现在的河床深度 (图2，3，5)，即现在T3基岩侵蚀深度是在T2堆积以前的某个时间(18.98ka BP与13.08ka BP之间)就已经完成。这一时期的莫勒切河山口的构造抬升量达到了126.5m，即便以T2阶地面年龄作为侵蚀停止的时间计算，T3阶地所揭示的构造抬升速率也达到21mm/a，是一个很大的数值。实际上，此次构造抬升的速率应该还大于此值，因为组成T2阶地主体的加积层的堆积也需要一定的时间。同样，T2堆积阶地的形成也揭示了一次快速加积事件的存在。在研究点揭露出的加积层厚度为58.4m，也在18.98ka BP至13.08ka BP时段内形成，则可以得到一个约为10mm/a的加积速率，实际的速率也应该远比此值要大。如果假定以冰消阶段起始时间15ka BP作为加积开始的起点，则研究区形成 T3的构造抬升速率在18.98ka至15ka BP时间段内可达31mm/a，而15ka BP至13.08ka BP期间形成T2阶地主体的加积层的加积速率亦可达30mm/a。此外，从野外调查和卫片解译可知，此加积层在河流中游也广泛分布，而类似山前T3的阶地地貌在河流的中上游并不存在，这应该是由于从南向北的掀斜式抬升(图5)，南部山区的抬升速率大于山前地带，侵蚀改造更强烈所致。由于研究点位于阿尔金断裂带北盘，说明此次抬升跨过了断裂带，断裂带在逆走滑的过程中，不仅其南盘逆冲抬升，同时北盘也经历抬升活动。这种跨断层的从南向北的掀斜式抬升，是高原向北扩展的一种形式。

因此，推断该研究区及其南部山区在18.98ka BP与13.08ka BP间，存在一轮快速抬升及加积事件。这一过程可用图6表示。在(18.98±1.4)ka BP前由于河流的侧蚀夷平作用，形成山前侵蚀平原(图6a);由于从南向北的快速掀斜式构造抬升，改变了河流坡降，使得河流快速侵蚀下切，形成T3阶地，侵蚀到达了至少是现在河床的深度(图6b)，并形成深切河谷;由于快速抬升使得流域内上游可以侵蚀的物量加大，同时15ka BP后进入冰消阶段，水动力条件增强，从上游携带的物质更多，从而在中下游河谷区堆积了较厚的加积层，因此，构成T2阶地主体的加积层是快速抬升和冰消共同作用的产物;图6c示意约在(13.08±1.01)ka BP开始，由于气候环境的变化，河流侵蚀下切加积层，形成了T2堆积阶地，之后由于气候波动，形成了一些次级的堆积-切割阶地 (图6d)。

图5 莫勒切河河谷及阶地形态(镜向SE)Fig.5 Shape of the valley and terraces of Moleqiehe River(view to SE).

图6 莫勒切河山口阶地地貌发育过程Fig.6 Landform evolution of terraces at the outlet of Moleqiehe River.

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TECTONIC AND CLIMATIC SIGNIFICATION OF TERRACES AT THE OUTLET OF MOLEQIEHE RIVER，THEWESTERN SEGMENT OF ALTYN TAGH FAULT ZONE

ZHENG Rong-zhang1)XU Xi-wei2)MAWen-tao2)LIJian-ping1)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)National Center for Active Fault Studies，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

Based on the interpretation of satellite image，field investigation and geomorphic survey and sample dating of surface，the strath terrace and fill terrace at the outlet of Moleqiehe River on the western segment of Altyn Tagh Fault zone(ATF)are used to study the tectonic uplift rate，upliftmodel and aggradation rate，and cooperated with data of the regional climate，the response to climate evolution of development of terrace are discussed.

The previous studies of the terraces related with the Altyn Tagh Fault zone aremainly focused on the horizontal offset in order to obtain sinistral-slip rate，but few studies involve the uplift using terraces.As a structural zone with strike-thrust characteristic，the ATF is a boundary structure of the northern fringe of Qinghai-Tibet Plateau，and its thrusting and upliftingmovement is of significance for controlling the upliftof the northern fringe of the Plateau.Therefore，the study of upliftof the ATFwill be helpful for understanding the upliftmodel and mechanism and promoting the kinematic study of the northern fringe of the Plateau.

The formation of strath terrace is closely related with tectogenetic movement，the landform age of the terrace represents the starting time of uplift.Based on the height and strath and landform age，the uplift rate can be calculated.The fill terrace is formed by climate forcing，the surface age represents the end time of one aggradation event.If the starting time of aggradation is obtained，the aggration rate can be calculated.

There are four stream terraces at the outlet of Moleqiehe River(T4，T3，T2，and T1).T4and T3are strath terraces，T2is fill terrace，and T1are fill-cut terraces.The landform ages of T3，T2，and T1are 18.98 ±1.42ka BP，13.08 ±1.01ka BP，and 5.72 ±0.43ka BP，respectively.The existence of T3reveals the uplift rate of6.66 ±0.50mm/a since 18.98 ±1.42ka BP.The existence of T3and T2reveals the time of fast uplift movement and aggradation events between 18.98 ± 1.42ka BP to 13.08 ±1.01ka BP，the uplift rate is bigger than 20mm/a and the aggradation rate bigger than 10mm/a.The model of tectonic uplift shows tilted uplift from south toward north across the ATF，and thismodel is one of the types of the Qinghai-Tibet Plateau extending toward north.The aggradations，that constructed the T2，are the result of the coactions of fast uplift and deglaciation climate between 15ka BP to 12ka BP.

the western segment of Altyn Tagh Fault zone，strath terrace，fill terrace，tectonic uplift，uplift rate，aggradation rate，plateau extending

P315.2

A

0253-4967(2011)02-0323-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.006

2011-03-30收稿，2011-04-23改回。

国家自然科学基金(40972145)资助。

郑荣章，男，1970年生，1991年毕业于中国地质大学(武汉)矿床地质专业，2005年在中国地震局地质研究所获得博士学位，副研究员，现主要从事新年代学、活动构造研究，电话:010-62009092，E-mail:zhengrongzhang@tom.com。