河流阶地的形成_演变及环境效应

河流阶地的形成_演变及环境效应 第 卷 第 期地 理 科 学 进 展25 3 Vol.25, No.3 年 月 May, 2006 2006 5 PROGRESS IN GEOGRAPHY 河流阶地的形成演变及环境效应、 112 魏全伟 谭利华 王随继 , , 北京师范大学地理学与遥感科学学院北京 ( 1. , 100875; 中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室北京2. , , , 100101) 摘 要河流阶地是河流地貌演变的历史产物它了河流演变过程中的有关环境变化信息 : , , 是剖析河流历史演变的关键地貌体本文从河流阶地的地貌特征形成原因环境响应和有关测 。、、 年技术等方面比较全面地论述了河流阶地的发育演变及其意义并对相关问题进行了初步讨 , , 、 对河流阶地的研究可以反演研究区地质构 , 论认为河流阶地是河流系统和环境综合作用的产物。 是揭示研究区环境信息的重要地貌单元, 。造古河流动态及气候等信息、 关 键 词河流阶地成因环境响应构造作用气候变化 : ; ; ; ; 中图分类号: P931.1 河流阶地是河流地貌系统的有机组成部分 其自身的发展演变不同程度地记录了流域, 环境的演变过程成为所属流域环境演变的主要信息载体之一同时河流阶地又往往是区 , 。, 内人类居所农田道路工矿建设的主要分布场所因此对河流阶地的形成发展演化的 、、、。, 、、研究成为研究者关注的重要方面例如自 年以来有多届国际地理学会就设有阶地研 , , 1928 , 究委员会来专门讨论这个问题鉴于河流阶地的重要性国内外研究者对河流阶地的研究起 。, 步早成果丰硕在阶地地貌的形成原理年代学以及阶地地貌对构造运动气候环境之间 , , 、、、[1~12]的响应等方面取得了显著进展本文期望从河流阶地的地貌特征形成原因环境响应和 。、、有关测年技术等方面比较全面地论述河流阶地的发育演变及其意义并对相关问题进行 , 、, 初步讨论以明确河流阶地的研究现状和其对环境信息的反演意义, 。 河流阶地的地貌特征及成因1 河流阶地的定义1.1 河流阶地是与河流侵蚀和堆积作用相关的沿河流或废弃河流分布的阶梯状地形它包 、。[3]含阶地面阶地斜坡阶地前缘阶地坡麓和阶地后缘等地形单元阶地面微斜是老河谷 、、、。, 的谷底阶地斜坡是阶地边缘的坡地上述两个单元构成阶地的主要形态要素反映了阶地 ; 。, 在发育过程中的两个主要时期强侧蚀期和强下切侵蚀期: 。 河流阶地的分类1.2 河流阶地的分类随研究和应用的目的而异存在诸多分类其中为大家所公认的是, , 收稿日期修订日期: 2005- 12; : 2006- 03. 基金项目国家重点基础研究发展计划计划资助编号: ( 973 ) ( : 2003CB415101) 。 作者简介魏全伟从事地貌学方面的研究男河南郑州人硕士: ( 1980- ) , , , , 。 根据阶地的结构阶地的形态特征分类等一些主要的分类方案简述如下 、。: 根据阶地结构和形态特征分类1.2.1 [3,5,11]综合已有的研究成果侵 根据河流阶地的结构和形态特征可以归纳为以下几类, : 1)蚀阶地由于河流的侵蚀作用形成其特点是阶地面上很少看到河相沉积物堆积阶地这 : , 。2): 种阶地在河谷的中下游最为常见其形成过程比较复杂大致分为河流的冲刷时期冲积物 。, 、形成时期河流下蚀时期三个时期基座阶地主要是由于河流强烈下切所形成的河流前 、。3): , 期形成宽谷之后河流深切入基岩就形成了以上部是河流沉积物下部是基岩为标志的基 , , 、 座阶地。 根据阶地成因分类1.2.2 [3,5]河流阶地按照其形成原因不同大致分为如下几类构造阶地由于基准面下降或 , : 1): 者由于地质构造作用如断层掀斜运动等导致局部陆地上升而形成的阶地其标志是在河 ( 、) , 流系统中出现裂点和溯源侵蚀等现象气候阶地气候变化引起河流水文要素在性质上发 。2): 生变化影响河流泥沙的运移状况进而造成河流冲淤的变化在河谷中形成河流阶地河 , , , 。3)曲阶地由河流的侧向侵蚀导致河道侧向摆动所形成的阶地当然还必须辅有适量的下蚀 : , , 作用其特征是两岸的河流阶地不对称高度不相等几何形态不规则分布不连续甚至缺 。, , , , 失。 在研究工作中要排除一些假阶地如构造台地冲积锥滑坡阶地泥流阶地等, “”, 、、、。 河流阶地的成因1.3 河流阶地形成的影响因素1.3.1 河流阶地是河床演变长期效应的表现方式之一它的形成和演变主要受到下述因素的 , 影响构造运动往往造成河道比降的变化影响河流系统中侵蚀搬运和堆积过程气: ?: , 、; ? 候变化 主要是降水以及与之相关的植被等通过影响河流的水量和含沙量来影响河流过程: 和河流地貌侵蚀基准面下降导致河道比降的增大从而增强河流的下切侵蚀能力河; : ; ??流袭夺袭夺后的河流侵蚀加强被袭夺的河流的侵蚀减弱河曲摆动和岩性差异引起差 : , ; ?: 异性水流侵蚀现象冰川进退引起侵蚀部位以及侵蚀能力的变化此外还有河流支流汇; ?: 。, 合滑坡以及泥石流等对河流系统的影响也可以影响到河流阶地的演变、。 河流阶地的成因模式1.3.2 [5,8,13~16]国内外河流地貌工作者对于河流阶地的成因进行过深入的探讨所建立的具有代 , [8]表性的成因模式主要有构造模式气候模式构造气候旋回模式构造模式认为河流阶 、、- 。, 地的发育主要受控于构造抬升气候变化只起一定的作用阶地发育时间并不与特定的气候 , , [14,15]状态严格对应气候模式源于对第四纪以来构造相对稳定的主要受冰盖生消控制的欧 。、洲与北美地区河流阶地的研究其阶地的形成被归因于米兰科维奇天文周期控制的全球冰 , 期间冰期变化其中冰期对应于河流的侧蚀期间冰期对应于河流的下蚀期构造气候旋 - , , 。- [13,16]回模式认为河流阶地是在构造运动和气候变化共同作用下形成的导致河流下切的构, , 期57 河流阶地的形成演变及环境效应 魏全伟 等3 : 、 河流阶地的环境响应2 河流阶地与地壳形变2.1 , [5,78,17~32]国内外学者多年的研究结果表明河流阶地的形成演变常会受到地壳形变的影 : [28]响杨景春等对祁连山地区河流阶地的研究表明河流阶地常常被断层错断类型有单 。, , : ?侧型阶地仅发育于断层的上盘高单侧低连续型高阶地仅发育于断层上盘的一侧而低 : ; ?: , 阶地在断层两侧均有发育而且上下连续没有错断表明了该断层在前期活动而到了后期 , , , , 逐渐趋于稳定错断型阶地在断层两侧的发育级数可一一对比但是每级阶地均被错断; ?: , , 高阶地的错距要大于低阶地反映断层有多次活动高单侧低错断型高阶地仅发育于断 , ; ?: 层上盘低阶地在断层的两侧都有发育而且均被错断反映该断层在前期有强烈的活动而 , , , 在后期断层仍在活动同时在断层下盘一定范围内也开始抬升, 。 [7]郑文涛等对武威盆地河流阶地变形与新构造活动的关系研究表明河流阶地的变形 , 特征可以反映新构造的活动方式共和盆地的阶地发育主要与区内向南偏东掀斜抬升有关。。 从共和盆地向上的黄河干流是通过一级河流袭夺才贯通的 造成黄河的阶地级数向上游方, 向递减其中自唐乃亥到玛曲之间的黄河峡谷河段是在大约两万年前才贯通的黄河上游 。, 。的水系变迁主要是与黄河上游地区的差异性构造运动有关由此引起了黄河的水系的变 , , [22,23]动反映在黄河上游两岸的阶地上, 。 正常情况下分布在河流河谷中的各级阶地面大致和河床纵向平行但构造活动的方式 , , [8,24~26,30,32]和范围会导致阶地发生不同的变形某地区内地壳大面积均匀上升河流普遍下 。( 1) , 切侵蚀在整个流域内都将形成阶地在同一时期内如果在一地区地壳上升幅度大速 , 。( 2) , , 度快而另一地区上升幅度小速度慢那么在上升幅度大的地区阶地高度将比上升幅度小 , , , , 的地区大如果上升幅度在河口最大那么阶地向上游辐聚如果上升幅度在河源最大则阶 。, 。, 地的纵剖面向上游辐散如果同一时期内不同地段的构造运动方向不一致上升地区形 。( 3) , , 成向上游辐散式阶地下降区形成埋藏阶地如果河流某段受褶皱构造影响上升那么阶 , 。( 4) , 地在这一段呈上拱状也反映出褶皱的形态同时阶地的级数也可能增加如果活动断层 , , 。( 5) 横断河谷阶地在穿过断层时会被错断而不连续如果断层还有水平运动阶地还有水 , , 。( 6) , 平方向上的错断。 河流阶地与气候变化2.2 温度和降水等气候条件的变化可以引起植被土壤侵蚀河流水量和泥沙来源的变化、、, 从而导致河流的冲淤变化部分信息可以反映在河流阶地上气候偏暖湿时可使流域植被 , 。, 更加发育侵蚀作用趋缓被侵蚀物质的平均粒径趋小同时化学风化作用加强风化产物颗 , , ; , [15,34]粒更细其中次生粘土矿物含量更高气候偏干冷时则情况会相反河流的下切与稳定 , 。, 。 的湿热气候同期河流加积作用发生在由干向湿或者由湿向干的过渡时期气候变化通过流 , 。域降水量植被发育风化侵蚀过程等因素的调控对各种河流地貌过程和河流沉积物产生 、、、, [2,33,35]重要影响可以通过对河流阶地沉积的研究反演气候的变化间冰期 海平面变化冰期, 。、- 演替等都是全球气候变化的证据海平面相对上升的时候河流中下游河谷发生溯源堆积。, ; 在海面相对下降期间发生溯源侵蚀可以形成阶地冰期基准面降低河流下蚀能力增强阶, 。, , 地容易形成。 河流阶地的测年方法及应用3 河流阶地形成年代的确定对反演地质时期的环境信息有着重要意义河流阶地的年代 , [3]测定是关键技术阶地顶面如果是一个堆积面则其形成年代就是河流阶地的年代多年 。, , [36~43]来许多学者对河流阶地的年代测定方法进行了多方面的研究并取得了显著进展, 。 河流阶地的测年法主要有两大类相对年龄判断和绝对年龄测定相对年龄主要是指 : 。1) 在时间序列上的早晚关系主要的测定方法有古生物法孢粉分析法考古学方法土壤分 , : 、、、[41][16]析法地貌风化圈厚度推算法等这些方法主要是确定阶地的形成顺 气候构造旋回法、、。 序其意义也仅限于此绝对年龄测定是指通过一定的手段以获取阶地的比较精确的形成 , 。2) 14年代绝对年龄的测年方法主要有 同位素测年法古地磁极性倒转法电子自旋共振裂。C 、、、 [41][42][43][40][39]变径迹砾石钙膜断代氩法断代等等铀系法树木年轮法热释光光释光钾、、、、, , - , 。 14最常用的方法是 同位素方法断代范围可达数千万年树木年轮法测年范围较为狭窄C , 。, [43]一般是千年尺度的但是测年精度和分辨率都较高碳酸钙断代和铀系法断代虽然在河流 , 。[9]阶地年代学中展示了很高的应用但是相对其他断代方法来说样品采集要求技术高采 , , , 集难度较大现阶段相对较为准确的是热释光法断代其原理是利用绝缘结晶体的热 。( TL) , 释光现象进行断代测定的年代范围可达数十万年在 年以内的样品断代上可以达到 , 。2000 , [40]百年精度但是其缺点很明显因为不是所有的样品在其形成时期都能达到约 小时的 。, 30 完全曝光所以在测年的准确性上有待校正光释光断代技术由于所需样品要求在形 , 。( OSL) 成时期相对较短的曝光时间约 小时断代精度高样品采集简单在第四纪沉积物的年 ( 1 ) 、、, 代学测定方面得到广泛应用。 精确的河流阶地测年可以提供河流阶地形成的年代据此可以判断研究区河流的侵蚀 , 为主的阶段侵蚀速率加积为主的阶段加积速率进而可以反演山地或高原的抬升速率、, 、, , 为研究区的构造及地貌演化提供佐证另外也可以根据测年资料来判断研究区气候干湿冷 。, 暖变化的阶段性特征以揭示研究区植被状况显然对测年的精度考虑是必要的尽管物理 , 。, 。方法断代精度较高但受测年时段和采样误差的影响所得结果有时相差较大导致对许多 , , , 地质事件的解释出现偏差因此必须校正所测定的结果这就要求多种测年方法的相互验证 , 。[39]对于河流阶地来说其下切主要发生在暖期的后半期所以气候变暖时期的海底沉积物 。, , 氧同位素的变化趋势可以反映河流阶地的发育过程该方法是在假定河流阶地所在地区最 。 高一级阶地形成过程中以稳定的速率抬升的基本前提下确定河流阶地形成时间的上限然, , 后在反映气候变化的深海钻孔氧同位素变化曲线选取对应的时段 并按照阶地级序和拔河, 高度与氧同位素反映气候变暖的峰值年代进行线性拟合 选取相关系数最高的年代为阶地, [16]下切的年代获得不同阶地的形成时代与阶地拔河高度的统计关系 , 。 上述的方法对于较窄的阶地和阶地保存完整的阶地的年代确定使用绝对年龄的测定方 期59 河流阶地的形成演变及环境效应 魏全伟 等3 : 、 上游河段各个均夷时期的基准面它们的年龄与相应的阶地年龄具有一致性 , 。 总结4 河流阶地系统是一个关于能量和物质流复杂的自然综合体不仅仅关系到河流的水文 , 情况而且响应整个流域内的地质气候等环境的变化以及可能影响到河流堆积和侵蚀的全 , 、 球性的大区域环境演变因此不能孤立地来看河流阶地的研究应该把河流阶地作为河流 。, , 地貌的一个子系统去研究作为一个有机的整体去研究把影响河流阶地的各个因子进行综 , , 合考虑在河流阶地的区域研究上应注重利用先进的精确遥感定位技术来全面的了解流域 。 阶地的整体形态从整体入手来剖析局部细节, 。 在河流阶地沉积研究方面注重对河流阶地的成因综合研究其中构造和气候的影响最 , , 大但是其他因素在一定程度上对河流阶地的形成和后期的演变有着重要作用河流阶地只, 。 有在水沙条件和其他各有关因子的共同促进之下才能形成 并且在后期的流域地貌剥蚀过, 程中得以保留下来对河流阶地的研究在重点剖析阶地形成与新构造运动以及气候之间的 。, 相关性的同时需要在河流阶地的动力模拟试验和定量化研究上有所拓展国外的一些研究 , , 工作已经作过有益的尝试。 在河流阶地的年代学研究上尽管已经有比较完善的可供选择的多种测年方法但是更 , , 精确的年代测定方法和技术还有待提高其中提高测年的灵敏度和精确度减少测样的实验 , 、室用量提高测算速度等问题是显而易见的在野外剖面建立上使用激光精确测量工具以 、。, 替代传统的工具也是必须的。 在新的思想技术应用于河流阶地研究的同时定性化描述性研究的观念也需要转变、, , 物理模拟研究和定量化模式研究是河流阶地研究的新趋势。 参考文献 [1] Bull W B. Thresh shold of critical power in streams, Geological Society of America Bulletin, 1979, 90(5): 453~464. [2] Brakenridge G R. Late Quaternary Floodplain Sedimentation along the Pommede Terre River, Southern Missouri, Quater- nary Research, 1981, 15(1): 62~76. 沈玉昌龚国元河流地貌学概论北京科学出版社[3] , . , ?, 1986: 56~71, 85~153. [4] Fuller I C, etc. River Response to High Frequency Climate Oscillations in Southern Europe Over the Past 2000K.y, Geol- ogy, 1998, 26(3): 275~278. 杨景春李有利地貌学原理北京北京大学出版社[5] , . . :, 2001: 1~230. [6] Chatters J C, Hoober K A. Response of the Columbia River Fluvial System to Holocene Climate change, Quaternary Re- search, 1992, 37:42~59. 郑文涛杨景春段锋军威武盆地晚更新世河流阶地变形与新构造运动地质地震[7] , , . . , 2000, 22(3): 318~328. 史兴民杨景春河流地貌对构造运动的响应水土保持研究[8] , . . , 2003, 10(3): 48~51. 胡小猛傅建利李有利汾河流域地貌发育对构造运动和气候变化的响应地理学报[9] , , . . , 2002, 57(3): 317~324. 李有利谭利华段烽军杨景春甘肃酒泉盆地河流地貌与新构造运动干旱区地理[10] , , , . . , 2000, 23(4): 304~309. 陆中臣贾绍凤黄克新元宝印流域地貌系统大连大连出版社[11] , , , . . :, 1991, 77~107, 166~272, 313~336, 351~356. 冯 起李振山陈广庭国外干旱区河流地貌研究综述地理研究[12] , , . . , 1997, 16(2): 89~95. [13] Chappell J. A revised sea level record for the last 300 000 years from Papua Guinea, Search, 1983, 14(3~4): 99~101. [14] Brakenridge G R. Wide Spread Episodes of Stream Erosion during the Holocene and their Climatic Cause, Nature, 1980, (283): 655~656. 周厚云高全洲朱照宇郭国章气候环境变化的河流响应中山大学学报自然科学版[15] , , , . . ( ) , 2001, 40(6): 81~85. 刘小凤刘百篪应用构造气候旋回年代方法确定河流阶地形成年代的初步研究西北地震学报 [16] , . “- ”. , 2003, 23(4): 395~403. 王军迟振卿肖序常张招崇克里雅河阶地的形成与西昆仑山隆升宁夏工程技术[17] 永王 , , , . . , 2004, 3(3): 207~209. , [18] Burnett A W, Schumm S A. Alluvial - river Response to Neotectonic Deformation in Louisiana and Mississippi, Science, 1983, (222): 49~50. [19] Hsieh, Meng- long, Knuepfer, P L K. Middle- late Holocene River in the Erhjen River Basin, Southwestern Taiwan- Impli- cations of River to Climate Change and Active Tectonic Uplift, Geomorphology, 2001, 38(3~4): 337~372. [20] Antoine, P. Lautridou, J. P. Laurent, M. Long- term Fluvial Archives in NW France: Response of Seine and Somme River to Tectonic Movements, Climatic Variation and Sea- level Changes, Geomorphology, 2000, 33(3~4): 183~207. [21] Maddy, D. Bridgland, D. R. Green, C. P. Crustal Uplift in Southern England: Evidence from the River Terrace Records, Geomorphology, 2000, 33(3~4): 167~181. 李吉均方小敏马海洲朱俊杰潘保田陈怀录晚新生代黄河上游地貌演化与青藏高原隆起中国科学辑[22] , , , , , . . ( D ) , 1996, 26(4): 316~322. 杨达源吴胜光王云飞黄河上游的阶地与水系变迁地理科学[23] , , . . , 1996, 16(2): 137~143. 王 岸王国灿向树元东昆仑山东段北坡河流阶地发育及其与构造隆升的关系地球科学中国地质大学学报[24] , , . . - , 2003, 28(6): 675~679. 史兴民峰天山北麓玛纳斯河河流阶地变形与新构造运动[25] , . . 杨景春李有利南 北京大学学报 自然科学版 , , ( ) , 2004, 40(6): 971~978. 陈 杰卢演俦丁国瑜祁连山西段酒西盆地区阶地构造变形的研究西北地震学报[26] , , . . , 1998, 20(1): 28~36. [27] Youli Li, Jingchun Yang, Zhengkai Xia etal. Tectonic geomorphology in the Shanxi Graben System, Northern China, Geo- morphology, 1998, 23: 77~89. 杨景春谭利华李有利段烽军祁连山北麓河流阶地和新构造演化第四纪地质[28] , , , . . , 1998, (3): 229~237. 李长安殷鸿福于庆文黄长生昆仑山东段的构造隆升水系响应与环境变化 地球科学中国地质大学学报 [29] , , , . . , - , 1998, 23(5): 456~460. 曾永年马海洲李 珍李玲琴西宁地区湟水阶地的形成与发育研究地理科学[30] , , , . . , 1995, 15(3): 253~258. 杨景春韩慕康刘光勋汾河南段河流阶地与新构造运动国家地震局地壳应力研究所编地壳构造与地壳应力文 [31] , , . , , 集一北京地震出版社( ) . ?, 1987, 30~41. 新疆地袁庆东郭召杰张志诚吴朝东张 锐方世虎王美娜天山北麓塔西河河流阶地的变形特征及成因探讨[32] , , , , , , . . 质, 2004, 22(1): 13~16. 李有利杨景春河西走廊平原区全新世河流阶地对气候变化的响应地理科学[33] , . . , 1997, 17(3): 248~252. 郑本兴马秋华贡嘎山地区全新世的冰川变化气候变化与河谷阶地发育地理学报[34] , . , . , 1994, 49(6): 500~508. 尹国康河流地貌系统的信息反馈南京大学学报[35] . . , 1994, 30(2): 344~352. 陈铁梅第四纪测年的进展与问题第四纪研究[36] . . , 1995, (2): 182~191. 孙红艳李志祥田明中第四纪测年研究新进展地质力学学报[37] , , . . , 2003, 9(4): 371~378. [38] Aitken, M. J. Optical Dating, Quaternary Science Review, 1992, (11): 127~131. [39] Huntrley, D. J. Godfrey- Smith, D. I. Thewalt, M. L. W. Optical Dating of Sediments, Nature, 1985, (313): 105~107. [40] Zimmerman, D. W. Thermoluminescence from fine grains from ancient, Archaeometry, 1967,10: 26~28. 李保俊杨景春李有利根据砾石风化圈厚度估算地貌年龄地理研究[41] , , . . , 1996, 15(1): 11~21. 彭子成第四纪测年的新技术第四纪研究热电离质谱铀系法的发展近况[42] . —. , 1997, (3): 258~264. — 邵雪梅树轮年代学的若干进展第四纪研究[43] . . , 1997, (3): 265~271. 期61 河流阶地的形成演变及环境效应 魏全伟 等3 : 、 For mation and Evolution of River Ter r ace and Envir onment Responses 112WEI Quanwei, TAN Lihua, WANG Suiji (1. School of Geography, Beijing Normal University, Beijing 100875; 2. Key laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101) Abstr act: As one of the consequences of historical fluvial evolution, river terrace has recorded some information about environmental changes during river processes. It is the significant geo- morphologic complex for analyzing river' s historical evolution. This work gives a review on the origin, geomorphologic characteristics, causes of formation, environment responses and the date- measure technology of river terraces as well as its significance in reconstruction of environment during terrace formation. It shows that river terraces are the integrative consequence of the river system and related environment influences. Researchers should consider the entire river system and its environment syntheses to study river terraces. The geological tectonic and climate char- acteristics and ancient river dynamics may be revealed according to research of river terraces. River terraces are the crucial geomorphologic elements used to reveal the environmental infor- mation in study areas. With the development of the meterage instruments, the date - measure technology will be more accurate and sensitive. The dynamic simulation and the quantitative analysis for the formation and evolution of river terraces need more exploration. Key wor ds: river terrace; causes of formation; environment responses; tectonic processes; climate change