汉中盆地阶地特征及其对构造活动响应初步分析

2021-06-06赵超田辉韩朝辉朱一龙龚文强王锡魁

世界地质 2021年4期

赵超，田辉，韩朝辉，朱一龙，龚文强，王锡魁

1.中国地质调查局西安矿产资源调查中心，西安 710100；2.吉林大学地球科学学院，长春 130061

0 引言

汉中盆地位于陕西省南部，西起勉县武侯镇，东至洋县龙亭镇，空间上为一近东西向延伸的狭长盆地。汉江由盆地西侧勉县武侯镇注入，向东至洋县龙亭镇流出盆地，河床开阔，南北两岸发育有多级阶地。20世纪70年代以来，杨秀芬等[1]和黄培华等[2]应用地层对比法对汉江阶地进行了系统研究，认为汉江两岸发育有Ⅰ～Ⅳ级阶地；近几十年来，随着第四纪测年断代技术的迅速发展，出现了光释光法(OSL)、电子自旋共振(ESR)、古地磁和14C法等多种测年手段，前人也陆续对汉江上游各级阶地进行了断代研究。阎桂林[3]利用古地磁法对汉江Ⅳ阶地进行了断代研究，认为Ⅳ级阶地年龄约1 100 ka BP；Sun et al.[4]、庞奖励等[5--6]、薛祥熙等[7]和王明明等[8]使用光释光法对汉江Ⅰ～Ⅳ级阶地进行了研究，结果表明，汉江Ⅰ级阶地形成年龄大约为25 ka BP，Ⅱ级阶地的形成年龄大约为(67.5±4.0) ka BP，Ⅲ级阶地的形成年龄大约为(140.5±8.2) ka BP，Ⅳ级阶地的形成年龄大约为(1 344±134) ka BP；陈铁梅等[9]利用电子自旋共振(ESR)法对汉江高级阶地进行了测年研究，推断Ⅳ级阶地的形成不晚于800 ka BP。

构造活动对区域地质地貌特征及河流演化有显著的影响，因此河流阶地特征的研究可反映区域构造活动的变化特征[10--11]。汉江上游阶地形成年龄前人已做了系统研究，笔者在前人研究的基础上，重点对汉中盆地各阶地地貌特征进行野外调查，初步分析了汉中地盆地貌对构造活动的响应。

1 研究区地质背景特征

汉中盆地位于扬子地台北缘，盆地北侧以勉略大断裂为界与秦岭造山带相连接，西侧以龙门山断裂带为界与巴颜喀拉地块相交，处于稳定台地北缘邻接活动带的区域，长期受到秦岭造山带、龙门山断裂带、勉略断裂和大巴山褶皱带强烈活动的影响[8]。盆地周缘断裂主要由三条NE--NEE向近平行的断裂组成，汉中盆地北缘断裂和南缘断裂分别位于汉中盆地南北两侧，为盆地南北边界，南缘断裂和北缘断裂交汇于汉中盆地东侧，其中盆地北缘断裂为勉略大断裂的西支；青川断裂为汉中盆地的西侧控盆断裂(图1)。前人研究表明汉中盆地的形成和演化与勉略断裂的左旋走滑和青川断裂的右行走滑活动有关[12--13]。

F1.茶坝--林庵寺断裂;F2.青川断裂;F3.梁山南断裂;F4.汉中盆地南缘断裂;F5.勉略断裂;F6.商丹缝合带。图1 区域地质构造简图Fig.1 Regional geological structure map

盆地北侧岩性主要为石炭系变质岩，以片岩、千枚岩为主；南侧为花岗岩及闪长岩侵入岩体。第四系以更新统和全新统河流相冲积层和洪积层为主，其中全新统主要由汉江及其各支流一级阶地和河漫滩组成，更新统主要由汉江Ⅱ级～Ⅳ级阶地组成。

2 各阶地特征

河流阶地是河流演化的一种地貌形态，也详细记录河流范围内古气候、古水文、新构造运动及河流侵蚀基准面变化的特征[14]。Starkel[15]认为河流阶地形成的主导因素是气候条件，气候变化引起河流的水量变化，以及河流两侧及源区风化类型和碎屑特征，从而导致河流的侵蚀、搬运和沉积发生变化形成阶地，这种阶地被称为气候变化阶地。但在完全缺乏构造抬升的条件，仅在气候因素的影响下河流是无法下切形成多级阶地。尤其在构造运动活跃地区，新构造运动是河流阶地形成的主要原因。目前学者研究认为河流阶地特征与构造活动密切相关[16--18]。

汉中盆地内汉江河道宽阔，河流阶地发育较好，通过本次野外调查工作识别出河流两岸发育有Ⅰ～Ⅳ级阶地，其中Ⅰ、Ⅲ级阶地在河流南北两岸分布较为广泛；Ⅱ级阶地主要分布在汉江北岸，在汉江南岸主要分布于盆地中部较为平坦开阔的区域；Ⅳ级与山前洪积扇混杂堆积，大部分被覆盖而出露较少(图2)。笔者对汉中盆地内各级阶地进行了调查研究，各阶地特征具体为：

图2 汉中盆地地质地貌图Fig.2 Geological and geomorphological map of Hanzhong Basin

2.1 Ⅰ级阶地

盆地内Ⅰ级阶沿汉江南北两岸呈条带状分布，阶地高出汉江水面5～10 m，北岸阶地宽阔，一般宽2～4 km，盆地开阔区域可达6～7 km，南岸阶地相对狭窄，一般宽1～3 km，属于堆积型阶地，海拔460～470 m。堆积物下部为砾石层，上部为细砂层及含砾黏土层，整体呈上细下粗的河流二元结构(图3)。

2.2 Ⅱ级阶地

Ⅱ级阶地在盆地内沿汉江两岸分布范围较为广泛，高出汉江水面10～20 m，在汉江北岸南北展布明显宽于南岸，北岸阶地宽1～3 km，南岸阶地较窄，宽0.5～2 km，局部阶地后缘与山前洪积扇相连接，形态不完整，属于堆积型阶地，海拔470～480 m。堆积物下部为中粗砂，上部为粉细砂透镜体及亚黏土为主。与Ⅰ级阶地为陡坎接触，坎高一般2～5 m，阶面连续平坦，地表为民居和农田，农作物以种植水稻、油菜为主。

(1)洋县朱家村附近Ⅱ级阶地

在洋县东部朱家村砖厂出露有汉江Ⅱ级阶地典型垂向剖面，阶面海拔475 m，沉积层厚约4.6 m，该处为砖厂取土坑，下部为含中粗砂粉质黏土，未见底，上部为黄褐色粉质黏土层和灰绿色黏土透镜体，顶部为褐黄色亚黏土层，可分为4个沉积层，具体特征见图4。

①灰白色砂砾石层，砾径0.5～10 cm，磨圆较好；②灰白色含砾粗砂；③砂砾石透镜体；④灰黄色细砂层；⑤砂砾石层；⑥灰黄色粉质黏土层。图3 勉县张家河坎附近Ⅰ级阶地剖面Fig.3 Profile of Ⅰ terrace near Zhangjiahekan,Mian County

①棕黄色含中粗砂粉质黏土；②黄褐色粉质黏土，厚约1.3 m；③浅灰绿色黏土透镜体；④棕黄色粉质黏土，顶层为现代土壤层，植物根系发育。图4 朱家村附近Ⅱ级阶地剖面Fig.4 Profile of Ⅱ terrace near Zhujiacun

(2)闫家岭附近Ⅱ级阶地

汉江北岸闫家岭附近出露有汉江Ⅱ级阶地典型沉积物垂向剖面，阶面顶部海拔高478 m。沉积层厚约10 m，底部为棕黄色含砾粉细砂，上部为亚黏土、砂砾石和粉砂质透镜体，顶部为灰黑色现代土壤层，地层完整，界线清晰，可分为4个沉积层，地层特征具体见图5。

2.3 Ⅲ级阶地

Ⅲ级阶地在盆地内汉江北岸呈条带状分布较广，汉江南岸阶地多与洪积扇相连接，阶地后缘被洪积扇所覆盖，高出江面约30～40 m，南北展布宽度1～9 km，属于堆积阶地，海拔485～500 m。沉积物下部为砂砾石层，上部为粉细砂、粉质黏土，具有下粗上细的河流相二元结构。Ⅱ级阶地为陡坎接触，坎高一般3～10 m，Ⅲ级阶地海拔相对较高，地势略有起伏，局部被冲沟侵蚀切割，耕地引水灌溉较为不便，故Ⅲ级阶地多种植玉米、小麦等旱地作物。

①棕黄色含砾粉细砂，风化严重，顶部为砖红色古土壤层(风化残积层)；②棕黄色粉质黏土，底部含少量砾石，厚约3 m；③浅灰绿色黏土透镜体，厚约0.6 m；④棕黄色粉质黏土，顶层为现代土壤层，植物根系发育，层厚3～5 m。图5 闫家岭附近Ⅱ级阶地剖面Fig.5 Profile of Ⅱ terrace near Yanjialing

(1)张沟附近Ⅲ级阶地

张沟附近出露有汉江Ⅲ级阶地，阶面海拔502 m，张沟砖厂取土坑中可见有典型的Ⅲ级阶地沉积物垂向剖面。沉积层厚度约15 m，底部为砂砾石层，底部往上为砂砾石层和粉细砂，上部为棕黄色粉质黏土。可分为3个沉积层，具体特征如图6所示。

(2)白河村附近Ⅲ级阶地

汉江南岸白河村附近Ⅲ级阶地发育较完整，出露有典型的沉积物垂向剖面，阶面海拔500 m。沉积层厚度约3 m，底部为砂砾石层，上部为粉质黏土，地层界线清晰，可分为2个沉积层(图7)。

①浅灰白色砂砾石层，未见底；②粉细砂层，厚约1 m；③棕黄色粉质黏土，厚约10 m。图6 张沟附近Ⅲ级阶地剖面Fig.6 Profile of Ⅲ terrace near Zhanggou

①灰黄色砂砾石层，由下往上粒度逐渐变细，层厚约2 m(未见底)；②棕黄色粉质黏土层，顶部为现代土壤，植物根系发育，层厚1～2 m。图7 白河村附近Ⅲ级阶地剖面Fig.7 Profile of Ⅲ terrace near Baihecun

2.4 Ⅳ级阶地

汉江Ⅳ级阶地主要分布在汉江北岸盆地边缘的基岩山区附近，阶地宽约1～3 km，汉江南岸零星分布，阶地基本都与山前洪积扇相接，后缘多被洪积扇覆盖，海拔510～530 m，为基座阶地。沉积物底部为砂砾石层，覆盖于基岩之上，上部为粉细砂，顶部为粉质黏土土层。Ⅳ级阶地阶面较为起伏，受冲沟切割侵蚀严重。

(1)吴家山村附近 Ⅳ 级阶地

在洋县吴家山村附近出露有汉江Ⅳ级阶地，该点位于汉江北岸，汉中盆地东缘边界附近，为基座阶地，周边地势起伏，冲沟切割侵蚀严重，沉积物覆盖于闪长岩体之上。具有明显的河流相堆积二元结构，岩性从底部到顶部由粗到细依次为砂砾石层、中粗砂、粉细砂和粉质黏土，具体特征为：①层为灰白色砂砾石层，局部砾石较为集中，砾径1～5 cm，分选较好，次圆--圆状磨圆，层厚约4 m，下伏为灰白色花岗岩；②层为灰黄--灰绿色粉砂，具有水平层理，厚约0.6～1 m；③层为棕黄色粉质黏土层,厚约1.5～2 m，顶部为现代土壤层，厚约45 cm(图8)。

①灰白色砂砾石层；②灰黄--灰绿色粉砂；③棕黄色粉质黏土层。图8 吴家山村附近Ⅳ级阶地剖面Fig.8 Profile of Ⅳ terrace near Wujiashan

(2)何家村附近 Ⅳ 级阶地

何家村附近发育汉江Ⅳ级阶地，位于汉江北岸，洋县县城东侧，阶地中发育有巨厚层河流相沉积物，层厚可达12 m。沉积物底部为砾石层，中部为粉细砂层，上部为黏土、粉质黏土层，地层完整界线清晰，可分为5个沉积层，具体特征为：①层为灰白色砾石层，砾石成分复杂，以灰白色石英片岩和灰白色二长花岗岩为主，砾石风化强烈，砾径0.5～25 cm，分选较好，形态为次圆形，少量圆形，有定向排列，层厚约5 m；②层为褐黄色粉质黏土层，具有垂直节理，层厚约1.5 m；③层为灰褐色砂砾石层，具有灰绿色条带和团块，层厚约0.6 m；④层为土黄色粉细砂，层厚约1 m；⑤层为灰黄色粉质黏土层，层厚约2 m，顶部为现代土壤层，有机质含量略高，植物根系发育，厚15～30 cm(图9)。局部可见有洪积层覆盖于阶面之上，如图10所示，①层为汉江Ⅳ级阶地顶部棕黄色粉质黏土层，未见底；②层为洪积层，覆盖于Ⅳ级阶阶面之上，主要为灰白色砾石，以石英片岩、花岗岩为主，砾径0.5～35 cm，分选差，棱角--次棱角磨圆，层厚1～1.5 m。

①灰白色砂砾石层；②褐黄色粉质黏土层；③灰褐色砂砾石层；④土黄色粉细砂层；⑤灰黄色粉质黏土层。图9 何家村附近Ⅳ级阶地剖面Fig.9 Profile of Ⅳ terrace near Hejiacun

①棕黄色粉质黏土；②洪积层，主要为灰白色砾石。图10 何家村附近洪积层和Ⅳ级阶地剖面Fig.10 Profile of Ⅳ terrace and diluvium near Hejiacun

3 阶地形成时代

前人曾对汉江上游河流阶地进行过年代学研究，但由于测试方法手段的不同，对于汉江上游河流阶地的形成时代仍存在分歧。黄培华等[2]和杨秀芬等[1]根据地层标志和汉江阶地发育特征和规律，推断汉江Ⅰ级阶地形成于全新世，Ⅱ级阶地形成于全新世—晚更新世，Ⅲ级阶地形成于晚更新世，Ⅳ级阶地形成于中更新世—早更新世。陈铁梅等[9]对郧县人遗址处的动物化石进行了电子自旋共振(ESR)法测年，推断Ⅳ级阶地的形成不晚于800 ka BP。阎桂林等[3]利用古地磁法对郧县弥陀寺Ⅳ级阶地的堆积物进行了测年研究，认为Ⅳ级阶地年龄约1 100 ka BP。Sun et al.[4]对汉中盆地Ⅰ级阶地和Ⅱ级阶地上覆黄土进行了热转移光释光法(TT--OSL)测年，研究认为Ⅰ级阶地的形成不晚于150 ka BP，Ⅱ级阶地的形成不晚于170 ka BP。王明明等[8]对汉中盆地中发育的汉江阶地进行了光释光测年研究，结果表明，Ⅱ级阶地的形成年龄大约为(67.5±4.0) ka BP，Ⅲ级阶地的形成年龄大约为(140.5±8.2) ka BP，Ⅳ级阶地的形成年龄大约为(1 344±134) ka BP。庞奖励等[5--6]和胡庆等[19]用光释光法(OSL)对郧县发育的汉江阶地进行了测年研究，推断汉江Ⅰ级阶地形成年龄大约为25 ka BP，汉江Ⅲ级阶地形成年龄大约为110 ka BP(表1)。

表1 汉江各阶地形成年代(ka BP)Table 1 Formation age of each terrace in Hanjiang River(ka BP)

综上，前人对汉江阶地的形成年龄分歧较大，但分析以上各类地质地貌和年代学研究资料，可达成基本共识：汉江Ⅰ级阶地形成于全新世—晚更新世后期(年代约25 ka BP)，Ⅱ级阶地形成于晚更新世(年代约67 ka BP)，Ⅲ级阶地形成于晚更新世早期—中更新世(年代约125 ka BP)，Ⅳ级阶地形成于中更新世—早更新世(年代约1 222 ka BP)(表2)。

表2 汉江各阶地特征简表Table 2 Characteristics of each terrace in Hanjiang River

4 汉中盆地地貌对构造活动响应初步分析

汉江河流阶地的形成与秦岭造山带的隆升有关[7,20]，研究区汉江形成了4级阶地，说明秦岭在更新世以来至少经历了4次抬升活动，各时期山体隆升幅度不同。Ⅳ级阶地和Ⅲ级阶地阶面分布较窄，受冲沟切割侵蚀较为严重，且阶地间高差相对较大，表明中--晚更新世秦岭隆升幅度较大。Ⅰ级阶地和Ⅱ级阶地阶面相对较为宽阔平整，二者阶面高差较小，野外地貌调查并无特别明显的界线陡坎，表明晚更新世以来秦岭的山体隆升幅度较小。

根据各阶地的形成年代和各级阶地面之间的高度差可以估算出河流的抬升速率。Ⅳ、Ⅲ级阶地阶面高差约30 m，推算Ⅳ、Ⅲ级阶地之间抬升速率约0.027 mm/a；Ⅲ、Ⅱ级阶地阶面高差约15 m，推算Ⅲ、Ⅱ级阶地之间抬升速率约0.259 mm/a；Ⅱ、Ⅰ级阶地阶面高差约5 m，推算Ⅱ、Ⅰ级阶地之间抬升速率约0.119 mm/a；Ⅰ级阶地高出河床约10 m，可以推算晚更新世后期以来的抬升速率约0.400 mm/a。图11为汉中盆地更新世以来的抬升速率折线图，由图可见，更新世以来汉中盆地的抬升是波动式的，抬升速率的总趋势是越来越大。这与秦岭在更新世以来抬升速率的趋势几乎一致[7]，但秦岭的抬升速率明显高于研究区。说明汉中盆地的抬升与秦岭的隆升关系密切，但可能由于汉中盆地位于秦岭南部，并非隆升的核心区域，同时盆地南侧的大巴山对抬升的束缚作用导致抬升速率较小。

图11 汉中盆地更新世以来抬升速率Fig.11 Uplift rates of Hanzhong Basin since Pleistocene

汉中盆地北部山区海拔为900～1 300 m，V字形沟谷普遍发育，洪积扇主要分布在盆地北缘区域，洪积扇和河流Ⅲ、Ⅳ级阶地被冲沟侵蚀破坏，盆地南部丘陵区海拔650～800 m，地势缓和，山顶圆滑，冲沟发育较少。汉江阶地南北两岸差异较大，北岸阶地发育宽阔完整，南岸阶地分布狭窄且残缺不全。以上特征显示汉中盆地内地貌面具有向南倾斜的特征，从而造成汉江不断向南迁移，随着河流的演化最终展现出现今的地貌特征。