兰州庄浪河阶地差分GPS测量与构造变形分析①

刘兴旺，袁道阳

（1．中国地震局兰州地震研究所，甘肃 兰州 730000；2．中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地，甘肃 兰州 730000；3．兰州地球物理国家野外科学观测研究站，甘肃 兰州 730000）

0 引言

庄浪河发育于祁连山地区，其上游称为金强河，进入兰州市永登县境内称为庄浪河，在兰州市河口地区汇入黄河，为黄河的一级支流，全长约160km（图1）。沿庄浪河两岸发育Ⅰ～Ⅳ级河流阶地。由于地处构造活动强烈的青藏块体东北部边缘，紧邻庄浪河断裂，其构造活动引起了阶地的变形［1］。庄浪河断裂是本区的一条重要断裂，历史上曾发生过1440年永登6 1/4级地震和苦水5 1/2级地震［2］。1995年7月22日庄浪河西侧又发生了永登5．8级地震［3－4］。由于庄浪河断裂地表出露不清楚，所获得的断裂新活动性证据不充分，认识上也不统一，是长期以来想解决而又没很好解决的重要断裂。

阶地是记录构造变形的良好地貌证据，利用阶地变形研究新构造运动也是一种重要的手段［5－7］。袁道阳等［1］曾用气压计研究本区阶地变形，根据阶地变形特征，认为该区的庄浪河断裂为一逆断裂－褶皱带，属断裂扩展褶皱模式。然而气压计易受到环境的影响，误差较大，存在较大的不确定性。本文在详细划分阶地的基础上，利用差分GPS实测庄浪河不同级别阶地面和砾石层高度，做阶地纵、横剖面图，进而探讨庄浪河断裂的新活动性及其构造变形特征，获得该区构造活动的地貌学证据，以期对庄浪河阶地发育和断裂变形特征给出更明确的认识。

图1 庄浪河地区DEM图像Fig．1 DEM image of the Zhuanglang river region．

1 兰州庄浪河阶地发育分布特征及年代序列

沿庄浪河两岸共发育了四级阶地，其中东岸阶地连续性好，发育较全，西岸零星发育。以张家磨为界，以北地区以堆积阶地为主，沉积了厚层的风成黄土，以南地区均为基座阶地，河谷狭窄。

Ⅰ级阶地连续性好，发育普遍，以堆积阶地为主，局部地方为基座阶地，基座为白垩系砖红色砂砾岩。阶地面总体走向NNW，西岸狭窄，东岸宽阔。堆积阶地上部为薄层土状堆积物，下部为砂砾石层，砾石磨圆度中等，分选性一般。阶地面拔河高度5～15m。在本次的研究中，我们选择阶地发育典型的沙沟附近（36°23′13．2″，103°23′41．4″）对I级阶地采集了光释光年代样品。剖面如图2所示，顶部0．7m为富含植物根系的灰黑土层，中间为黄土层，在距离地表2．8m的I级阶地砾石层上部，上覆黄土层的底部，采了光释光样品，年龄为（4．9±0．5）ka B．P．。

图2 庄浪河Ⅰ级阶地样品采集剖面（镜像E）Fig．2 Sample collection section at T1of Zhuanglang river．

图3 庄浪河Ⅱ级阶地样品采集剖面（镜像E）Fig．3 Sample collection section at T2of Zhuanglang river．

Ⅱ级阶地在张家磨以南为基座阶地，阶地面发育不完整，经后期的侵蚀，地貌上表现为不连续的小山包，顺河谷两岸山前呈细条状零星分布。阶地面拔河50～60m，砾石层拔河30～40m。基座为白垩系砖红色砂砾岩，上覆2～3m厚的冲积砾石层，之上为2m左右的浅桔红色层状水成黄土，上覆5～10m厚的风成黄土。张家磨以北为堆积阶地，阶地面拔河20～30m，上部为厚层风成黄土，未见基底出露。在沙沟附近（36°23′20．8″，103°24′03．3″）我们对Ⅱ级阶地也采集了年代样品，剖面如图3所示。顶部0．5m为含植物的根系的灰黑土层，中间为黄土层，样品点距地表8m，阶地砾石层之上，年龄为（52．6±4．7）ka B．P．。

Ⅲ级阶地在张家磨以南为基座阶地，阶地面拔河70～100m，基座拔河45～55m，基座之上2～3 m为冲积砾石层，砾石磨圆度一般，分选性较好，之上为厚层风成黄土。张家磨以北为堆积阶地，阶地面拔河40～60m，阶地面宽阔平坦，后期侵蚀成丘陵状。剖面中显示厚层风成黄土，未见基座出露。考虑到III级阶地的年代可能大于100ka，光释光测年误差较大，因此Ⅲ级阶地的年代主要由区域河流阶地年代对比获得。

Ⅵ级阶地由于后期侵蚀切割，阶地面残缺不全，只有零星分布，以堆积阶地为主，上部为厚层风成黄土，底部为冲积砂砾石层。由于其分布的不完整和不连续，因此在本次的研究中未做工作。

对黄河及其与庄浪河紧邻的一级支流湟水河的年代序列，前人曾做过大量的研究［8－16］。最新的研究结果表明，黄河T1～T3年代分别为10ka、50ka和130ka［8］，湟水河 T1～T3的年代分别为10ka、50～70ka和120～150ka［12－16］。由二者年代序列与庄浪河年代对比，庄浪河T1阶地年代为（4．9±0．5）ka B．P．，考虑到庄浪河作为黄河的支流，发育晚于黄河，因此该年代值较为可信。庄浪河T2阶地年龄（52．6±4．7）ka B．P．，该年龄值与黄河及湟水对比，基本与二者相当。虽然在本次的研究中，没有采集庄浪河T3的年代样品，但与黄河及湟水河对比可知，庄浪河T3的年代应该介于120～150ka之间。

2 庄浪河阶地差分GPS测量及构造变形分析

本次研究选择了庄浪河东岸发育连续且完整的Ⅰ～Ⅲ级阶地进行了构造变形的定量研究。野外测量采用瑞士莱卡1200系列差分GPS仪，共实测了300多个阶地面高度值（图1），做出了河流阶地纵剖面图；同时利用DEM数据的地表高度，结合前人研究资料，做出河流阶地横剖面图。

2．1 庄浪河阶地纵剖面变形特征

图4是根据实测的庄浪河东岸Ⅰ～Ⅲ级阶地纵剖面图。其中张家磨以北为沉降区，属堆积阶地；张家磨以南为隆起区，属基座阶地。阶地变形最常见的有两种类型，即穿过构造抬升区引起的拱曲和横切活动断裂引起的断错［17］。从庄浪河阶地纵剖面图可以看出，张家磨以南阶地明显隆起，发生了同步褶皱变形，变形主要以拱曲为主而不是直接断错，形成较宽的构造变形带，宽约1～2km，说明其构造活动以褶皱隆起为主，没有直接断错特征。变形部位核部比较平坦，南翼缓倾，北翼陡倾．其几何形态与断裂扩展褶皱模型的图像十分类似［5，18］。其中Ⅲ级阶地面抬升幅度为28m左右，Ⅱ级阶地面抬升幅度为19m左右，Ⅰ级阶地抬升幅度仅5m，显示该逆断裂－褶皱带自晚新生代形成以来到晚更新世甚至全新世仍在活动。可见，庄浪河断裂带晚第四纪以来仍是以断裂扩展机制变形的，本区发生的多次中强地震可能也与此有关［1］。根据相应的年代资料，则可得出T3的变形速率为0．19～0．23mm／a，T2的变形速率为0．36mm／a，T1的变形速率为1 mm／a。

所得阶地变形速率的可靠性如何呢？本次研究中所用差分GPS精度较高，误差为厘米级，因此仪器误差可以不计；根据所测阶地年代及与区域河流的对比，庄浪河阶地的年代可信度也较高，误差也不会很大。若速率存在误差，很有可能来源于阶地本身的测量，如不同地段黄土沉积厚度的不同、测量点位于阶地前缘还是后缘等。但该速率与黄河阶地变形速率相当［19］，与GPS观测的断层滑动速率也高度吻合［20］，因此我们认为该速率还是较为可靠的。由阶地变形速率的值可以看出，阶地变形速率在晚第四纪有逐渐增快的趋势，表明庄浪河断裂活动晚更新世至全新世活动有所增强。

图4 兰州庄浪河阶地纵剖面图Fig．4 Longitudinal profiles of Zhuanglang river terraces in Lanzhou．

利用阶地拔河高度，可以得出阶地下切速率分别为T30．47～0．83mm／a，T20．87～1．25mm／a，T11～3mm／a。庄浪河地区地处青藏高原东北缘地区，其阶地的形成与青藏高原的隆升有着密切的联系。根据前人的研究，0．15Ma以来青藏高原起码经历了三次脉动式的上升［8］，黄河及其支流湟水河等均形成了三级阶地，年代与庄浪河各阶地相当［9－10，12］。同 样，根 据 河 流 的 下 切 速 率 可 以 看 出，0．15Ma以来青藏高原的隆升明显有后期加速的趋势。

2．2 庄浪河阶地横剖面变形特征

在构造作用长期持续的地区，其活动变形作用应产生一种叠加在长期构造效应之上的河流响应，其中引用最为广泛的变形证据是河谷内阶地的挠曲或发育在断裂或河谷两侧的同级阶地高度的变化［21］。已有的研究结果表明：发生在青藏高原隆升区内的大多数阶地的形成和变形过程常与新构造运动相关［22－25］。其中利用阶地资料分析构造运动的认识主要有以下几种类型：河流发育的阶地级数常与构造运动期次相对应；阶地面的变形、断错与断裂活动相联系；河流两岸同级阶地高差及阶地类型的较大幅度变化可能与断裂的活动方式相联系。

图5 龙泉寺阶地横剖面图Fig．5 Vertical profiles of terraces at Longquansi．

图6 马家坪阶地横剖面图Fig．6 Vertical profiles of terraces at Majiaping．

在本次研究中，庄浪河阶地横剖面的获得主要是通过DEM图形数据及前人研究资料获得①甘肃省地震局，中国地震局兰州地震研究所．兰州地区地震地质环境研究．2001．。庄浪河河谷较为狭窄，最宽的地方约10km，最窄不足1km。从横剖面图5、6可以看出西岸阶地与东岸阶地相比，发育既不完整也不连续；同级阶地西岸大多高于东岸。野外调查表明，西岸主要为基座阶地和侵蚀阶地，东岸除发育基座阶地外还有堆积阶地。另外，阶地砾石层厚度差异较大，西岸一般均小于2 m，东岸砾石层厚度可达5～8m，说明东岸的堆积作用强于西岸。这些资料反映了庄浪河两岸阶地的抬升方式和幅度是不一致的。

3 结论

通过对庄浪河阶地的差分GPS测量，结合DEM图像数据，获得黄河南北两岸阶地纵横剖面图，参考该区断裂的活动特征，综合研究得到如下认识：

（1）庄浪河阶地的变形地区之中在张家磨至土槽湾地区，变形范围约1～2km，变形方式表现为断裂扩展褶皱模式。Ⅲ级阶地面抬升幅度为28m左右，Ⅱ级阶地面抬升幅度为19m左右，而Ⅰ级阶地抬升幅度为5m左右。

（2）结合阶地年代学资料，获得III～I级阶地的变形速率分别为0．19～0．23、0．36、1mm／a，阶地变形速率在晚第四纪有逐渐增快的趋势，表明庄浪河断裂活动晚更新世至全新世活动是逐渐增强的。

（3）利用阶地拔河高度，获得Ⅲ～Ⅰ级阶地下切速率分别为0．47～0．83mm／a，0．87～1．25 mm／a，1～3mm／a，表明青藏高原在晚更新世以来的隆升有加速的趋势。

（4）综合阶地横剖面特征和野外调查结果，庄浪河东西两岸的阶地抬升方式和幅度是不一致的。

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