大别山东麓河流阶地初步研究

2022-11-30杨源源李鹏飞郑海刚潘浩波

大地测量与地球动力学 2022年12期

杨源源李鹏飞郑海刚,2 潘浩波路硕疏鹏

1 安徽省地震局，合肥市长江西路558号，230031 2 安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽省亳州市蒙城县小涧镇，233527

河流阶地是与河流侵蚀和堆积作用有关、沿河谷分布的阶梯状地形，其形成通常受构造活动、气候变化和侵蚀基准面下降等因素控制[1]。目前，河流阶地的研究已成为分析新构造及活动构造的重要手段之一，如利用阶地发育级数反映区域新构造运动特征[2]；根据阶地面错断变形分析断裂的垂直或水平活动幅度、期次及速率[3]；利用阶地面的拱曲变形讨论地壳缩短与隆升[4]等。大别山虽然为中生代造山带，新构造期以来仍然具有一定的活动性，主要表现为多级夷平面的存在、不对称掀斜式抬升、断裂活动与断块差异升降运动、多级河谷裂点的存在及相对频繁的中强地震活动等[5]。大别山东麓被郯庐断裂带切割，发育潜山盆地，盆山交界处具有大别山周缘最显著的地形反差。由于巨大地形反差及郯庐断裂带的长期活动，大别山东麓河流极为发育，部分河流为区域性大型河流，构成长江支流，如长河、潜水、大沙河等。部分学者依据大别山东麓部分河流的平面形态讨论郯庐断裂带的右旋扭动特征[6-7]，但关于该区河流阶地的研究较少，阶地发育级数、类型、形成时代及变形情况均不明，这在一定程度上影响了郯庐断裂带新活动性和区域新构造运动特征的分析。

本文基于遥感解译、野外调查、光释光(OSL)测年与无人机地形测绘，对大别山东麓桐城-太湖段河流阶地进行分析研究，获得对该段河流阶地发育特征的初步认识，结合阶地变形特征和有关资料进一步分析郯庐断裂带大别山东麓段的新活动性，研究结果可为区域新构造运动研究和郯庐断裂带南段地震危险性评价提供基础资料。

1 区域概况

大别造山带是印支期扬子板块向华北板块俯冲形成的陆-陆碰撞造山带[8]。郯庐断裂带构成大别山与潜山盆地分界带，受晚第三纪以来区域挤压作用影响，断裂带内断陷盆地同步抬升与闭合，断裂带呈逆冲活动特征并延续至今[9]。大别造山带内主要断裂走向为近EW向、NWW向及NE向，包括土地岭-落儿岭断裂、青山-晓天断裂、梅山-龙河口断裂等，大部分断裂具有第四纪活动性[5]。公元294年以来，大别山地区共发生M≥5地震10次，其中M≥6地震2次，分别为1652-03-23霍山东北6级地震和1917-01-24霍山西南6级地震，属于中强地震活动区(图1)。大别山总体由西北向东南延伸，表现为向南凸出的山体，北坡陡而短，南坡缓而长，最高峰超过1 500 m，地貌上表现为地堑谷、断块山和断陷盆地广泛分布，具有岗峦起伏、群峰突起的特征。

2 河流阶地发育特征

2.1 大别山东麓河流概况

据前期研究，大别山东麓桐城-太湖发育有不同规模河流45条，采用Strahler分类法可划分为6个级别[7]。其中，1级河流14条，一般为顺坡发育的小冲沟，谷宽2～5 m，谷深1～2 m，无常年性流水；2级河流19条，规模稍大，谷宽10～25 m，谷深3～5 m，有常年性流水；3级河流7条，河流宽度一般为30～150 m，谷深在5 m以上，水流量大，通常具有固定名称，如挂车河(河流10)、牌楼河(河流37)、白沙河(河流39)等；4级以上河流5条，宽度为100～500 m，谷深在5 m以上，通常为区域性大型河流，构成长江(区域最高级河流，7级)重要支流，如大沙河(河流22)、潜水(河流33)、长河(河流45)等。本文结合上述分级结果和河谷宽深比情况，将大别山东麓河流简化为小型、中型、大型3类(图2)，其中1、2级河流为小型河流，谷宽通常不超过30 m，宽深比不超过5，形成时代较新；3级河流为中型河流，谷宽30～150 m，宽深比为5～30；4级以上河流为大型河流，谷宽100 m以上，宽深比不小于20，形成时代较早。除部分小型河流外，多数河流普遍表现为宽谷，显示具有壮年-老年期河流地貌特征。

图2 大别山东麓河流展布Fig.2 Distribution of rivers in the eastern footof Dabie mountains

2.2 河流阶地发育特征

在遥感解译基础上，对不同规模河流阶地的发育情况进行系统调查。各中、小型河流出山后下切幅度均较小，T1阶地面大多直接与盆地平原面相连接，河谷内局部地段发育有河漫滩(T0)。选取河流34与河流32进行专题研究，其中河流34宽2 m，为最新发育的小型冲沟，东岸发育T0与T1阶地(图3)。T0阶地河拔高度1.3 m，阶地面宽15 m，未见砾石层出露；T1阶地河拔高度4.2 m，阶地面向上与盆地古近系红色砂岩构成的丘陵缓坡相连接，为基座阶地，阶地前缘陡坎下部有砾石层出露，厚度大于1 m。T1阶地底部砾石呈浑圆状-次棱角状，分选较好，砾径2～5 cm，偶见10～30 cm巨砾，砾石层夹于灰黄色粘土之中，粘土较为坚硬。在砾石层与顶部灰黄色粘土交界处采集1个光释光(OSL)样品进行测试，编号为H34-1。

图3 河流34阶地发育特征Fig.3 Terrace development characteristics of river 34

河流32宽5 m，见1级阶地发育(图4)。其中，T0阶地河拔高度为1 m，阶地面宽达3～6 m，为河漫滩阶地；T1阶地河拔高度4 m，为基座阶地，基座为前寒武系中风化棕黄色花岗片麻岩，顶部见砾石层出露，厚度约0.5 m。砾石呈次圆状-次棱角状，分选较差，砾径3～30 cm，集中于8～12 cm。砾石层顶部为砂质红棕色亚粘土，较硬，间夹薄层基岩风化沉积物。T1阶地面构成盆地平原基准面，在T1阶地砾石层与顶部砂质红棕色亚粘土交界处采集1个光释光(OSL)样品，编号H32-1。

图4 河流32阶地发育特征Fig.4 Terrace development characteristics of river 32

研究区内大型河流阶地研究工作主要在皖水(河流29)、长河(河流45)开展，由于皖水山前地段植被发育，难以开展阶地调查，故选取山内湖田村一带进行研究。皖水在该地段宽约200 m，发育2级阶地(图5(a)和5(b))，其中T1阶地河拔高度3 m，为堆积阶地，主要发育于西岸，阶地面宽20～100 m；T2阶地河拔高度6 m，也为堆积阶地，两岸阶地陡坎下部均见砾石层出露。东岸T2阶地砾石层较为粗大，中部夹粗砂层，底部夹黑色薄层砂质粘土层，厚5～10 cm，砾石砾径5～40 cm，分选一般，磨圆度好(图5(c))。西岸T2阶地砾石层分选较好，砾径3～10 cm，砾石与砂层互层，磨圆度好，砾石层顶部为河漫滩相粘土、粉质粘土和淤泥质堆积。在西岸T2阶地砾石层内细砂层中采集1个光释光(OSL)样品，编号H29-1(图5(d))。

长河在山前地带可见阶地发育，山内由于人工修建水库地形地貌改观较大，难以开展阶地研究。长河在山前地带宽240 m，发育2级阶地(图5(e)和5(f))。图5(g)为阶地横剖面，其中T1阶地为基座阶地，河拔高度3 m，阶地面宽达90 m；T2阶地也为基座阶地，河拔高度7 m，阶地面构成潜山盆地平原面。T1阶地底部可见砾石层发育，厚度大于0.5 m，砾石砾径3～5 cm，分选性及磨圆度均较好。砾石层顶部为棕黄色亚粘土堆积，在砾石层中采取1个光释光(OSL)样品，编号WH-T1(图5(h))。皖河T2阶地前缘陡坎高4 m左右，阶地底部见棕黄色花岗片麻岩发育，表明为基座阶地(图5(i))。陡坎上植被发育，为棕黄色粘土、粉质粘土覆盖，未见砾石层出露。在T2阶地棕黄色粘土层中部采集1个光释光(OSL)样品，编号WH-T2。

图5 典型大型河流阶地发育特征Fig.5 Terrace development characteristics of typical large rivers

研究表明，大别山东麓河流阶地发育较差，各中、小型河流在山前地带普遍只发育1级阶地，仅少数大型河流发育2级阶地。不同地段阶地类型和河拔高度均存在一定差异，T1阶地河拔高度普遍为2～4 m， T2阶地河拔高度通常为5～7 m，各级阶地类型以基座阶地较为常见。

2.3 河流阶地时代

构建河流阶地年代格架是开展以河流阶地为记录的构造抬升、气候变化和地貌演化的前提和基础。获得阶地形成的绝对年代，是目前河流阶地研究的重点和难点。研究区河流阶地的研究基础较弱，河流阶地发育较差，以往未有该区河流阶地形成时代的相关研究。本文通过光释光(OSL)测年方法，在典型河流阶地沉积物中采集样品进行测试，初步了解大别山东麓地区河流阶地的形成时代。在T1阶地沉积物中采集OSL样品3个，编号分别为H34-1、H32-1、WH-T1，其中H34-1、H32-1代表研究区内小型河流T1阶地样品，WH-T1代表大型河流T1阶地样品；在皖水、长河大型河流T2阶地沉积物中采集OSL样品2个，编号分别为H29-1、WH-T2。所有样品均由山东省地震局年代学实验室完成测试，各样品测试结果见表1。

表1 大别山东麓河流阶地年代测试结果

从各级河流阶地测试结果来看，T1阶地获得3个年代数据，分别为3.8±0.6 ka BP、11.8±0.8 ka BP、24.8±2.5 ka BP，其中3.8±0.6 ka BP测试结果较为年轻，且采样点顶部为田埂，存在人为改造的可能，该结果可信度低。分析认为，T1阶地年龄范围在24.8±2.5 ka BP～11.8±0.6 ka BP较为合理，即晚更新世晚期至全新世早期；T2阶地获得2个年龄样品，分别为57.5±1.5 ka BP、54.6±3.3 ka BP，均为晚更新世中期。上述河流阶地沉积物OSL测年结果表明，大别山东麓河流T1阶地形成时代为晚更新世晚期至全新世早期(约25 ka BP～12 ka BP)，T2阶地形成时代为晚更新世中期(约55ka BP)。

3 河流阶地与断裂活动

郯庐断裂带大别山东麓段晚第四纪活动性分析一直是研究的难点，主要原因在于断裂带沿线总体处于剥蚀隆升区，露头剖面顶部普遍缺失第四系沉积物，并且人为改造与植被覆盖较为严重，不利于开展活动性鉴定工作。考虑到河流阶地作为最新的沉积-地貌单元，对断层新活动的响应较敏感，有必要从阶地变形角度对该段最新活动特征开展进一步研究。

本文在河流阶地调查与定年基础上，结合区域地质资料，选取线性地貌特征清楚、断层位置相对明确的大沙河出山口一带开展阶地无人机航拍工作，构建河流阶地跨断层的高精度数字高程模型(DEM)，并提取各级阶地跨断层的地形剖面线，以分析其垂直变形特征。阶地航拍采用大疆精灵4 RTK无人机，通过连接网络差分信号可获得实时cm级定位精度，将航拍照片在PhotoScan软件中处理获得航拍区域的数字高程模型，最后在ArcGIS软件中提取跨断层的各级河流阶地地形剖面。

图6(a)为航拍获取的大沙河附近正射影像，分辨率为0.03 m；图6(b)为相应的DEM，分辨率为0.25 m；图6(c)为在正射影像图基础上，基于区域地质资料和野外调查认识给出的地质地貌解译。基于野外调查、遥感影像和DEM综合解译发现，大沙河山前一带发育有2级阶地，即T1、T2，其中T1阶地分布在河流西南岸，发育较差，并受后期人为改造与河漫滩(T0)连为一体，影像上较难识别。图6(d)为河流西南岸阶地照片，宏观上显示T2阶地面在断层两侧相对连续，T1阶地因修筑防洪堤坝导致形态不完整，断层两侧难以对比。图6(e)为跨河流的A-B地形剖面，从图中可以看出存在T1阶地，河拔高度约3 m；T2阶地发育较好，在山内部分(即断层以西)主要发育在河流西南岸，出山后与山前盆地面相连，河拔高度约7 m。图6(f)和6(g)为经T2阶地并跨断层的2条地质地貌剖面。图6(f)显示在C-D剖面上，T2阶地在断层两侧海拔高度较为一致，均在42 m左右，即阶地面在断层两侧无明显垂直落差。图6(g)显示在E-F剖面上，T2阶地在断层两侧海拔高度不一致，断层西侧为42 m左右，东侧为39 m左右，存在约3 m落差。遥感解译和实地考察表明，该落差为人为改造所致，即断层东侧的T2阶地因修筑防洪堤坝被人为开挖取土，导致地表高度发生下降而形成连片水塘。上述情况表明，大沙河山前地带T2阶地面在断层两侧无明显垂直落差，反映断层自T2阶地形成以来未发生明显垂直运动。另外，本文也对发育T2阶地的长河、皖河山前一带进行了详细遥感解译与实地调查，发现各河流T2阶地面在跨断层附近均平坦、连续，表明未发生过变形。