晚第四紀構造與氣候控制下的金沙江支流巴楚河階地序列*

劉妮娜 田開飛 劉 博 溫 凱

（1.長安大學西部礦產資源與地質工程教育部重點實驗室 西安 710054；2.長安大學地質工程與測繪學院 西安 710054；3.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 合肥 230000）

構造作用和氣候變化是階地形成的直接原因。在構造隆升區，隆升為河流下切提供驅動力，為階地發育提供空間；此外，氣候變化控制河流階地堆積— 下切過程的轉換（Chambers， 1848；Tylor，1869）。河流階地的形成過程分析可以反映研究區域構造隆升、氣候變化的歷史（Pan et al.，2013；胡春生，2014；Zheng，2015；賈麗云等，2017；田晴映等，2017）。另外，記錄晚第四紀高原隆升變形過程最為直接的地質證據是層狀地貌面（夷平面、剝蝕面、河流階地），其中以河流階地面最為典型，它是地殼階段性抬升的結果，其形成能夠比較準確地記錄地面的抬升歷史（Burbank et al.，1996）。

巴楚河隸屬于金沙江流域，地處青藏高原東南緣，兩岸階地發育。前人對金沙江流域其他河段的研究發現金沙江現代河谷形成的主要動力是“昆侖—黃河運動”，金沙江現代河谷—水系的演化受青藏高原階段性隆升的控制（Cunha et al.，2008；楊達源等，2008；蘇懷等，2013；董銘等，2018；劉芬良，2018；劉芬良等，2020）。對巴楚河階地的形成過程的分析為研究第四紀以來青藏高原的隆升及其向周邊的擴展提供了天然場所，對該地區金沙江水系形成過程的研究也具有重要補充作用。

目前對全新世以來青藏高原的隆升變形過程的研究大多集中在青藏高原周緣的活動造山帶內，而對于高原內部的隆升過程和隆升速率的研究涉及較少，尤其是全新世以來的高原隆升情況。因此本文選擇高原內部的金沙江支流巴楚河作為研究對象，主要通過河流兩側的地貌的形成演化過程反映高原的隆升和變形過程。對巴楚河河流階地的分析研究與對比，一方面可以明確巴塘地區地貌演化、氣候變化以及構造運動之間的相互聯系，另一方面可以補充青藏高原隆升過程的研究。

1 研究區概況

四川省巴塘地區位于川藏兩省的交匯地帶，地處素有中國“地質百慕大”之稱的松潘—甘孜造山帶西南緣與三江造山帶東部的金沙江縫合帶。在構造上，晚古生代至中生代早期顯示出復雜的轉換會聚運動（潘桂棠等，1997；王立全等，1999），發育多條大型深部斷裂控制著該地區的構造活動，近似南北展布（陳炳蔚等，1982；尹功明等，2022）（圖1）。圖1 中淺黃色區域為圖2 的研究范圍。

圖1 青藏高原東南緣構造分布（據鄧起東等，2002）Fig.1 Structure distribution on the southeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau（after Deng et al.，2002）

圖2 研究區概況Fig.2 Overview of the study area

研究區位于四川省甘孜州巴塘縣，地處青藏高原的東南緣（圖2）。在自然地理位置上，巴塘縣位于金沙江水系的河谷地帶。由于橫斷山脈的影響，研究區呈現出東高西低，北高南低的趨勢。該地區降雨量變化較大，呈現出北多南少的特點，年降雨量一般為200～650 mm。區內氣溫在13.8 ℃～16.0 ℃范圍內，以大陸性季風氣候為主，海拔自北向南依次降低。研究區主要斷裂為巴塘斷裂，呈NNE 向展布，為右旋走滑的全新世活動斷裂。區內普遍出露古生代、中生代以及新生代的多組地層。新生代以后，該區進入到一個相對穩定統一的發展階段。第三紀地層廣泛分布于大型分支流域地區，以山間河谷盆地沉積為主，而第四紀的地層巖性則以沖積、洪積的礫石、粉砂、粘土等為主。在研究區將巴楚河河流階地劃分為北、中、南3部分研究，選擇北段孔打伙村處階地（L1剖面）、中段扎金頂處階地（L2 剖面）、南段茶雪村處階地（L3 剖面）為代表，對巴楚河巴塘段河流階地進行詳細勘查研究（圖2）。

2 研究方法

2.1 巴楚河河流階地特征分析

首先通過詳細野外勘查、高精度無人機測繪（大疆精靈4RTK）等手段，對研究區進行大面積地形測繪、區域追蹤和劃分，查明巴楚河巴塘段階地分布情況，并對河流階地的空間分布，階地拔河高度，階地剖面的沉積特征進行詳細描述。各級階地的拔河高度的確定通過ArcGIS 軟件對無人機測繪所得DEM 數據進行處理。以巴塘段巴楚河起點與終點之間連線作為投影線，對已經確定階地序列的河流階地選取適當的線段，將選取的線段投影到投影線上，進行篩選，留下一個代表此處階地的高程點。整理所選擇的階地高程點，繪制出巴楚河巴塘段各階地拔河高度的縱剖面圖。

2.2 年代測序方法

根據研究區河流階地上沉積物的風化程度、膠結物的膠結等特征，推測T1～T4 階地主要形成于晚更新世（Qp3）以來。因此選擇宇宙成因核素測年、光釋光測年（OSL）等年代學方法。各剖面取樣位置如圖6～圖8 所示。

T1～T3 堆積階地，采用OSL 測年方法。樣品采集自剖面頂部自上而下進行。采樣時，刨去剖面最外層可能曝光或擾動的土體，使新鮮面出露。用錘子將帶有刀口的鋼管一端錘入土層，取到足夠樣品后，旋轉拔出鋼管，迅速用黑色塑料袋封住，確認不會泄漏后，用錫紙將整個鋼管包裹住，為所取樣品編號。共取得OSL 年代樣品5 件，其中，T1、T2 階地所取樣品均為2 件，T3 階地所取樣品為1件。典型取樣位置剖面與樣品照片如圖3a、圖3b 所示。

圖3 OSL 和10Be 采樣位置與樣品Fig.3 OSL and 10Be sampling position and sample

在T4 基座階地，采用宇宙成因核素測年。宇宙成因核素測年與14C 等傳統測年方法相比，能夠直接測出地表巖石的年代，而且所測結果更接近地質體的形成年代。取樣時，采集對象選擇暴露在地表含石英礦物的大礫石（盡量未經滾動或開裂），通過采集大礫石表層含石英成分的巖石樣品（直徑大于2 cm）用于地面暴露測年，所取巖石樣品總重量應大于1 kg，使結果更貼近實際。取樣點位于巴楚河最高級階地扎金頂上，取樣位置與樣品照片如圖3c、圖3d 所示。隨后在實驗室內將采集的10Be 樣品進行粉碎、過篩，選取粒徑大小在0.25～0.5 mm 之間的巖石顆粒，再對樣品中的石英進行挑選、溶解和制靶，在中國科學院地球環境研究所的加速質譜儀（AMS）中進行測定。

3 研究結果

3.1 巴楚河河流階地空間展布

巴楚河巴塘段共發育有4 級階地，為T1～T4階地，在河谷東岸部分地區基巖出露（圖4）。其中，P1 為基巖出露地區。R1 為巴楚河流域，R2為其支流。巴楚河第一級階地（T1）和第二級階地（T2）從巴塘南段延伸到北段廣泛發育，第三級階地（T3）在巴塘縣零星發育，第四級階地（T4）僅在巴塘縣扎金頂處發育。T1～T3 階地為堆積階地，由沉積物特征分析，階地形成時代為晚第四紀。T4 階地為基座階地，基巖出露，巖性為大理巖，風化程度高，上覆河流相沉積。

圖4 巴楚河巴塘段各級階地空間分布Fig.4 Spatial distribution of terraces in Batang section of Bachu River

河流階地的拔河高度是確定階地下切速率的重要參數，巴楚河巴塘段的各級河流階地拔河高度略有差異。通過研究方法繪制出巴楚河巴塘段各階段拔河高度的剖面圖（圖5）。由圖可知，巴塘巴楚河海拔在2 470～2 550 m 范圍內，T1、T2、T3 階地高差不大，階地平均拔河高度分別為8.5 m、20 m、35 m，T4 階地僅在扎金頂所見，階地平均拔河高度約為120 m。

圖5 巴楚河巴塘段各階地拔河高度縱剖面Fig.5 Elevation longitudinal profile of each terrace in Batang Bachu River

3.2 巴楚河河流階地沉積特征

在巴楚河巴塘段內，河流階地發育。為詳細探究河流階地的沉積發育特征，對所選擇的3 處野外勘查點進行詳細研究（圖2b），這3 處共同組成了巴楚河巴塘段河谷地貌區。以下內容為3 處勘查點的河流階地序列和沉積特征。

在北段孔打伙村處，發育有三級河流階地（圖6），東岸階地序列比西岸發育完整連續，每級階地上覆蓋層厚度有差異。通過實際測量，西岸T1、T2階地拔河高度分別為6 m、22 m，東岸T1、T2、T3 階地拔河高度分別為8 m、24 m、35 m，可以看出東岸階地拔河高度比西岸高約2～3 m。

圖6 巴塘巴楚河北段L1 剖面河流階地Fig.6 River terrace in section L1 of northern section of Batang Bachu River

孔打伙村處各級階地剖面的組成為現代耕植層、砂層、砂礫石層、礫石層?，F代耕植層被大量植被與農作物覆蓋，多為人工填土層，厚約1 m；砂層主要由粗砂—細砂組成，主要成分為石英與長石，砂層中夾雜部分砂礫石，磨圓度較差，粒徑大小為2～10 cm；砂層厚度約為3～8 m。T2、T3 階地有較厚粘土層，細顆粒粘土礦物夾雜大量紅棕色細砂，厚約2～4 m。各級階地下部有砂礫石層、礫石層。砂礫石塊中夾雜著膠結一般的粘土與小礫石，直徑約2～8 cm；礫石層中較大礫石塊夾雜小礫石與松散細砂，膠結良好，礫石磨圓度一般，分選較差，直徑多為5～15 cm，部分可達30～40 cm，巖性主要為花崗巖、大理巖等。從沉積結構分析，T1～T3 階地為河流堆積而致，為堆積階地。

巴塘縣中段扎金頂處剖面發育有三級河流階地，南岸發育T2、T4 階地，北岸僅發育T1 階地，缺失T3 階地。野外勘查發現，該區域T4 階地保存完整，高度在110 m 以上，基巖出露，存在嚴重的剝蝕沖刷，導致T3 階地因沖刷剝蝕而缺失。通過實際測量，T1、T2、T4 階地平均拔河高度分別為8 m、24 m、120 m。階地序列發育連續性差，地處巴塘縣城附近，建筑物較多，人工改造痕跡明顯，階地橫剖面圖如圖7 所示。野外實地勘查，T1、T2 階地的物質組成主要由現代耕植層、砂層、砂礫石層組成。其中，砂層多為細砂，粒徑比北部孔打伙村觀察點略細，夾有部分礫石。T2 階地有較厚粘土層，沉積物性質與孔打伙村相似；T4 階地上部堆積物為粘土、砂礫石等，下部出露基巖層，多為大理巖，風化程度較高，呈灰色、灰黑色，中粒粒狀結構，厚層狀構造，節理發育，較稀疏，未見底。從沉積相分析，階地T1、T2 為堆積型階地，為河流堆積而致。T4 階地為基座階地。

圖7 巴塘巴楚河中段L2 剖面河流階地Fig.7 River terrace in L2 section of the middle Batang Bachu River

巴塘縣南段茶雪村處剖面發育有連續三級河流階地，東岸發育有連續的T1、T2、T3 階地。實際測量查明，茶雪村處發育的T1、T2、T3 階地拔河高度分別為10 m、20 m、35 m。階地序列發育完整，剖面點出露好，階地橫剖面圖如圖8 所示。各級階地主要由現代耕植層、砂層、砂礫石層組成?，F代耕植層，為人工填土；砂層，多為細砂，主要成分為石英與長石，粒徑較小，較為松散，新鮮面呈淺紅色，含有少量礫石；砂礫石層，分選和磨圓度一般，直徑約3～10 cm；礫石層，較大礫石塊夾雜小礫石與松散細砂，膠結良好，磨圓度一般，分選較差，直徑多為10～15 cm，部分可達30 cm，礫石成分復雜。

圖8 巴塘巴楚河南段L3 剖面河流階地Fig.8 River terrace in L3 section of southern section of Batang Bachu River

3.3 年代測序結果

兩種測年方法所得結果如表1 所示，各測年樣品時代晚于更新世，階地測年樣品大致可以代表該級階地形成時代。T1 階地形成時代約為1.7±0.1 ka，T2 階地形成于2.3±0.21 ka，T3 階地形成時代約為4.5±0.5 ka，T4 階地形成時代約為62.3±2 ka之后。

表1 巴楚河巴塘段各級階地年代和測年方法Table 1 Dating and dating methods of four terraces in Bachu River

3.4 河流下切速率

河流下切速率是理解區域構造、氣候演化過程及其相互關系的一個重要指標。為了獲得河流下切速率，采用第四紀測年方法來重新構建河道的下切歷史（蘇懷等，2013）。構造抬升對局部河道梯度的影響會導致河流水動力條件的變化，而河流行為的改變受制于河流的水動力條件。因此，可以用河流剖面作為測定地表隆升的基準，并通過測定局部基座面與現在基巖河道之間的高度差來獲得河流下切速率。得出巴楚河T1～T4 階地下切速率分別為5.00±0.85 m/ka、8.70±1 m/ka、7.78±0.7 m/ka、1.93±0.6 m/ka。

為探究河流階地在研究區下切速率的變化，將階地拔河高度與階地形成年代所繪制而成的散點圖進行線性擬合（圖9），確定系數R2為0.94，擬合效果較好。由圖可知，巴楚河T1、T2、T3 級階地拔河高度與階地年代關系近似為一條直線，從4.7 ka 到1.7 ka 的平均下切速率為V2= 7.05 m/ka，而從62.3 ka到4.5 ka的平均下切速率為V1=1.47 m/ka。

圖9 巴楚河階地拔河高度與形成年代線性關系Fig.9 Linear relationship between tug-of-war height and formation age in Bachu River terrace

4 討 論

4.1 巴楚河河流階地成因分析

河流階地的形成受控于不同時空尺度上構造抬升、 氣候、 基準面變化（Schumm， 1993；Vandenberghe，1995；Maddy，1997）或河流系統內在動力的變化（Schumm，1973）。在軌道尺度（地貌尺度）上，構造運動和氣候變化共同作用驅動階地的形成已經逐漸成為學界的共識，即區域的構造隆升為河流的下切提供了垂直空間，氣候變化則通過流域降水、植被覆蓋度等變化影響河流的徑流和泥沙量，從而控制河流的侵蝕與堆積過程（Gao et al.，2017；巨大立等，2023）。巴塘斷裂帶北段沿巴楚河展布，在巴塘扎金頂以南則順著金沙江河谷向南延伸遠離巴楚河流域，在南段與巴楚河呈平行排列。野外勘查發現，在孔打伙村以北，巴楚河東岸比西岸階地發育連續性好，東岸階地拔河高度較西岸高約2～3 m。前人研究了巴塘斷裂北支的陡坎高度、垂直滑動速率和周圍洪積扇測年（梁朋，2015；黃偉亮等，2022；楊志華等，2022）。將其與巴楚河北段兩岸階地高差和階地年代對比，可知巴楚河北段河流階地發育受到巴塘斷裂活動控制作用明顯。在扎金頂和茶雪村處勘查點調查河流兩岸階地拔高和發育情況，表明巴塘斷裂對河流階地的控制作用減小。

對比來自鶴慶盆地印度季風指數和全球的氣候變化資料（Nilsson，1983；Lisiecki et al.，2005；An et al.，2011）（圖10），結合前人（易朝路等，2005）在2005 年總結的冰期劃分表（表2），與巴楚河河流階地形成時代進行對比。對比可知，巴楚河T1 階地發育時期大致對應新冰期Ⅲ階段之后，T2 階地發育時期與新冰期Ⅱ階段大致對應，T3 階地發育在末次冰期Ⅳ與新冰期Ⅰ之間的間冰期，T1、T2、T3 級階地發育時期均對應于深海氧同位素（MIS）的1 階段。T4 階地發育時期對應于MIS 的4 階段。

表2 全球冰期劃分與深海氧同位素表Table 2 Global glaciation and deep sea oxygen isotope table

圖10 巴楚河河流階地形成發育時代與區域和全球氣候對比深海氧同位素曲線據Lisiecki et al.，2005；ISM index（印度季風指數）曲線據An et al.，2011Fig.10 Comparison of river terrace formation times with regional and global climate in Bachu River

河流系統的沉積對于構造運動和氣候變化的響應十分敏感。在多期隆升區，構造抬升引起河流下切能力增強，形成構造成因的多級階地。同樣，當氣候變化，降雨增加，河流的徑流量增大，使得河流水動力增強，河流下切；當氣候再次變化，降雨減少，河流的徑流量減小，河流水動力減弱，河流沉積物堆積，形成階地。從氣候指數對比可知（圖10a），巴楚河T1、T2 級階地形成于冰期—間冰期過渡階段，形成時代的氣候為由冷轉暖的時期，該時期降雨量增大，階地下切受氣候因素影響較大。巴楚河T3 級階地發育時期為4.5 ka，屬于全新世中期，這一時期全球曾經發生了一起重要的氣候變化事件——全新世大暖期（Nilsson，1983）。該時期區域氣候處于溫濕環境中，降雨增多，故推測該時期巴楚河河流徑流量增大，氣候適宜，植被發育較好，泥沙供應量低，導致河流發生下切，T3 階地形成發育。這也與祁連山部分河流全新世階地成因相對應（胡小飛等，2013；田晴映等，2017）。巴楚河T4 階地形成時期為末次冰期（圖10b），該時期地域氣候變化不明顯，T4 階地堆積時期和下切形成階地時受氣候因素制約較小。所以T4 階地河流下切速率緩慢，進入全新世后，在氣候變化的影響下，河流下切速率顯著增大。因此，對于巴楚河河流階地，T1、T2、T3 與氣候變化關系顯著，T4 階地受氣候影響不明顯。同時，巴楚河兩岸的不對稱分布，存在多級較大高差階地的發育等情況。故認為巴楚河階地的形成發育受到構造運動和氣候變化的共同制約作用。其中，T1、T2、T3 階地形成的主導因素為氣候變化，T4 階地形成的主導因素為構造抬升。

4.2 巴楚河河流階地對青藏高原隆升的響應

歐亞板塊和印度板塊碰撞導致的青藏高原隆升是地質歷史上的重大事件，這對新生代以來全球氣候變化、亞洲環境變化及許多地質過程都有著重大影響（潘裕生，1999）。自第四紀以來，在青藏高原劇烈抬升的大構造背景下，中國大陸地區地貌強烈變化，不同規模的河流階地同期發育。

目前，對于全新世以來青藏高原的隆升歷史與階段的爭論依然十分激烈。肖序常等（1998）在大量研究成果的基礎上，對青藏高原自新生代以來的隆升速率演化階段進行了劃分（圖11）。本文將此劃分與巴楚河階地形成時代和階地下切速率進行對比。

圖11 青藏高原隆升速率與巴楚河下切速率對比Fig.11 Comparison of the uplifting rate of the Qinghai-Tibet Plateau and the downcut rate of the Bachu River

由圖可知，青藏高原自上新世晚期開始進入了快速隆升時期，在全新世達到頂峰。根據前文計算得巴楚河河流各級階地的下切速率代替巴塘地區地表隆升速率，可以發現與圖中青藏高原各階段隆升速率耦合。特別是對于T4 階地，該階地發育主要受構造抬升控制，與青藏高原同時期東段的隆升速率吻合度較高。對比結果表明，巴楚河對青藏高原隆升具有良好的指示作用。因此，可以判斷青藏高原的隆升速率自更新世以來存在一個由慢到快再到慢的過程，大約在全新世中期時隆升速率達到頂峰。這一結論為青藏高原全新世中期氣候和地質構造的變化提供了一定的研究依據。

5 結 論

通過對四川省巴塘縣內巴楚河兩岸河流階地進行野外實地考察、無人機測繪、樣品采集和室內測年分析，總結巴楚河河流階地序列和發育特征，得到巴楚河河流各級階地序列、沉積特征和形成時代，構建該階地的年代框架，并分析巴楚河階地成因，同時探討其與青藏高原隆升的響應關系，所得結論如下：

（1）由野外地質調查與實測高分辨率DEM 資料解譯，查明了巴塘巴楚河共發育有四級河流階地。其中，T1、T2、T3 階地為堆積階地，T4 階地為基座階地。

（2）巴塘巴楚河T1、T2、T3 河流階地屬于全新世階地，形成時代分別為1.7±0.1 ka、2.3±0.2 ka、4.5±0.5 ka；T4 級階地屬于晚更新世階地，形成年代為62.3±2 ka 之后。

（3）巴楚河階地的形成發育是構造運動與氣候變化共同作用的結果，構造抬升為階地的形成提供了垂直空間，氣候變化驅動階地的形成。其中，影響T1、T2、T3 階地形成的主要因素為氣候變化，T4 階地形成的主導因素為構造運動。

（4）青藏高原的隆升速率自更新世以來存在一個由慢到快再到慢的過程，全新世的隆升速率明顯加快，大約在全新世中期時隆升速率達到頂峰。這一結論為青藏高原全新世中期氣候和地質構造的變化提供了一定的研究依據。