鄂西清江河流演化研究進展

金維群, 肖尚斌, 常 宏, 趙信文, 魏寶華

(1. 中國地質調查局 宜昌地質調查中心, 湖北 宜昌 443003; 2. 三峽大學 湖北省水電工程施工與管理重點實驗室, 湖北 宜昌 443002; 3. 中國科學院 地球環境研究所, 陜西 西安 710075)

鄂西清江河流演化研究進展

Research progress on the evolution of Qingjiang River in western Hubei Province

金維群1, 肖尚斌2,3, 常 宏1, 趙信文1, 魏寶華2

(1. 中國地質調查局 宜昌地質調查中心, 湖北 宜昌 443003; 2. 三峽大學 湖北省水電工程施工與管理重點實驗室, 湖北 宜昌 443002; 3. 中國科學院 地球環境研究所, 陜西 西安 710075)

河谷地貌和河流階地的觀測是新構造研究的重要方面, 通過野外河流階地的調查和年代測試, 探討階地的發育特征、河谷下切歷史, 可以為研究地殼運動及分析區域穩定性提供認識。清江屬中等規模河流, 自成體系, 氣候控制因素相對單一, 通過解剖流域第四紀環境變化及其對河流演化的控制與影響,可以為認識更復雜的大河流演化提供基礎。作者在對有關清江流域地貌及其河流演化的研究進行較系統綜述的基礎上, 指出了存在的問題和今后研究的方向。

1 清江概況

清江為湖北境內長江一級支流, 發源于齊岳山,經利川、恩施、鶴峰、宣恩、來鳳、建始、巴東、五峰、長陽等縣市, 在宜都匯入長江, 全長 423 km,總落差1 430 m。清江幾乎與長江平行, 流域位于湖北西南部, 流域面積17 000 km2。清江地處長江中游暴雨區, 多年平均雨量 1 400 mm, 年徑流總量135億 m3, 單位面積產水量相當于長江三峽以上河段的2倍。清江支流眾多, 左岸各級支流有49條, 右岸有 56條, 河長一般較短, 所有支流均流向清江干流, 無分河道。一級支流有 25條, 流域面積在 500 km2以上的支流有忠建河、馬水河、野三河、龍王河、招徠河、丹水、漁洋河, 共7條。

清江流域及其周緣地區, 大地構造歸屬于揚子準地臺的二級單元八面山臺褶帶, 該臺褶帶展布于鄂西南、湘西北地域, 北部與鄂西-鄂中褶皺斷塊區相鄰, 西部與四川臺坳盆地毗連, 而清江流域的河口地段展布在江漢盆地邊緣[1]。

清江流域處于中國第二級階梯向第三級階梯過渡地帶, 屬云貴高原區的東北端中低山區, 地勢自西向東傾斜, 山勢逐步降低。西部山嶺高程 1 000～2 000 m, 東部由1 000 m降至河口的數十米。流域內除上游利川、恩施、建始三個盆地及河口附近有少數丘陵平原外, 其余均為高山, 山區占80%以上, 構成“八山半水分半田”的格局, 且“分半田”以山坡田為主。流域山勢陡峻, 河谷深切, 河道狹窄、灘多, 比降大。震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、三疊系、二疊系、白堊系、下第三系及第四系地層均有出露。全流域無火成巖出露; 石灰巖出露廣泛, 沿岸有70%的地區屬喀斯特地貌, 且大多為侵蝕構造, 溶洞十分發育, 石芽、石洞、伏流、盲谷、溶蝕洼地遍布。

清江上游段從河源至恩施城, 長約 153 km, 屬高山河谷型, 總落差1 070 m, 占干流總落差的75%,平均比降6.5‰, 集水面積約3 700 km2。中游段從恩施城至長陽縣資丘鎮, 長約160 km, 總落差約280 m,平均比降為1.8‰; 河道絕大部分流經深山峽谷, 兩岸陡坡達 60°～80°, 屬山地河流型, 河床一般為巖石, 覆蓋層多為卵石, 枯水期河寬一般為 10～60 m,水深一般為1.5 m左右, 集水面積約9 800 km2。下游段從資丘鎮至宜都市入長江口, 長約 110 km, 屬半山地河流型, 總落差約80 m, 河床平均比降0.73‰。

2 研究現狀

20世紀80年代以來, 隨著高壩洲、隔河巖、水布埡水電站在清江上的建設, 清江流域及其鄰區地殼穩定性等關鍵地質問題得到了持續的研究, 特別是對于斷層、斷裂系統、構造應力場的研究系統而深入[1～5]。這些研究表明, 清江流域第四紀以來的構造變形弱、斷裂活動不強; 大區域主要表現為間歇性整體上升, 形成多期夷平面和多級河流階地及多層層狀巖溶地貌; 抬升幅度不同塊體之間存在一定差異導致了鄂西隆起和江漢坳陷懸殊的西高東低地勢。

2.1 山地夷平面

鄂西山地夷平面可劃分為3期5級夷平面, 大致以五峰-云臺荒-巴東為軸線, 各級夷平面向東西兩側逐漸傾斜, 從而構成了區域上以鄂西隆起區為中心, 向東江漢坳陷區、向西成都斷陷區逐級層狀下降地貌[2,5], 并造成在區域上較高的地區出現比較老的地貌、在較低的河谷地區形成相對較新的地貌類型。

2.2 階地

河流階地是過去某個時期的河床被廢棄后形成的河流地貌, 它以地貌和沉積物兩種方式記錄了河流系統對過去環境變化的響應情況[6]。長期以來, 河流階地在第四紀地貌與環境研究中占有重要地位;根據各級階地基座相對于現代河床的高差及其相應的下切時間, 還可以判斷河谷的下切速率[6,7]。階地面曾經是過去的河床, 代表了河道由堆積向下切過程的轉變, 可根據它來恢復過去的古河道或反演河道演變過程; 階地面的形成則可代表古河床側向侵蝕的過程[8]。階地沉積物的厚薄和顆粒粗細等特征在一定程度上反映了古氣候變化[9], 而包含在沉積物中的器具、古生物化石等則記錄了人類及其他古生物的活動情況, 這也間接地反映了氣候變化[10]。

河流階地的形成過程可大致概括為側向侵蝕形成階地基座、階地沉積物的堆積及形成階地的下切過程三方面[11]。研究表明, 階地基座是河谷在較長時間內處于平衡或準平衡狀態時形成的, 即當河谷的徑流量和泥沙含量均較大, 且徑流搬運能力與由泥沙產生的抵抗能力相當時, 河谷主要表現為側向侵蝕, 形成寬谷面[11]。由于第四紀氣候變化主要表現為冰期-間冰期旋回, 而氣候的這種周期性變化又通過氣候-植被帶的上下(或南北)遷移影響到河流沉積物通量和徑流量的變化[12]。因而, 不少研究者將河流階地的形成與第四紀氣候變化聯系起來[13]。而作為層狀地貌面的一種, 河流階地也被看作是地質構造運動的一個直接證據, 例如, 它曾被廣泛應用于青藏高原抬升研究[14]。此外, 也有大量研究者認為河流階地的形成是海平面升降變化的結果[15]。關于河流階地的形成時間, 也有多種看法。Penck 等[16]于 1909年在有關阿爾卑斯山冰期研究中, 開創性地將阿爾卑斯山前陸平原的階地形成時間與阿爾卑斯四次冰期聯系起來, 認為山前階地的沉積物是古冰川作用及其相關的冰水沉積的直接產物, 堆積于冰期, 而促使河流階地形成的下切過程則發生在間冰期。Pan等[7]的研究表明, 形成祁連山沙溝河階地的下切行為發生在冰期-間冰期轉型期。Bridgland[10]對英國泰晤士河流階地的研究后則表示, 階地沉積物的堆積過程主要發生在冰期, 河流的下切過程既可出現在冰期間冰期轉型期, 也可發生在間冰期-冰期過渡期。看來, 不能簡單地認為河流階地的形成遵循于哪一種模式, 其實際形成過程可能要復雜得多, 應將不同地區, 甚至不同河段的河流地貌發育過程區別對待[6]。

盡管階地在河流地貌研究中具有舉足輕重的地位, 但是在清江流域的研究卻十分薄弱, 特別是在中游未見與階地相關的研究報道。初步的研究認為[1,2,5], 清江上游一般發育 4級階地, 且主要是基座階地, 堆積物具二元結構, 以冰川堆積物為主。根據冰期對比分析其中形成時代為中更新世早期至晚更新世晚期, 其中第Ⅳ級階地為侵蝕階地, 大致相當于云夢群夷平面。清江下游一般發育 5～7級基座階地。根據階地上堆積物時代對比, 下游比上游多2～3級高基座階地, 即多級中更新世以前形成的階地。綜上所述, 鄂西山區從更新世到全新世出現過多次間歇式的上隆過程[2]。

2.3 巖溶地貌

王增銀等在分析鄂西清江流域地質背景的基礎上, 根據構造運動發展史和古水文網的發育演變,對區內溶洞發育的區域特征及形成條件進行了初步分析[17], 著重對巖溶地貌及演化過程進行了研究,劃分了巖溶發育期[17,18]。認為清江流域成層狀巖溶地貌的發育與夷平面的形成相輔相成, 都是鄂西山地區上部地殼隆起抬升過程中的產物, 自上而下也可大致分為5層, 其發育高程基本上可與5級夷平面發育高程相當或略低于同級夷平面高程。

2.4 河流演化

通過對鄂西清江地區構造運動發展演化研究,王增銀等[19]認為清江是在中更新世時期由江漢盆地水系襲奪恩施盆地水系形成的, 兩個盆地古水系的分水嶺在火燒坪、燕子巖一帶。清江中游河段是清江形成前后變化最大的河段。清江未形成前, 漁峽口以西屬恩施盆地水系, 水自東向西流入恩施盆地;其東屬江漢盆地水系, 水自西向東流, 清江形成后河水自西向東流入江漢盆地。由于該段河谷兩岸地勢較高, 大部分在1 300 m以上, 所以河流沿襲原有河谷發育, 河床一直以下切侵蝕為主, 河谷深窄, 兩岸陡峭, 多為“V”型峽谷。從鹽池河以下河床平均坡降為 0.125%、鹽池河以上平均坡降為 0.25%, 河床調整還沒有結束, 仍存在下切侵蝕作用[19]。清江形成后, 該段河流的支流也發生相應的變化, 大多數支流在原有河谷基礎上繼續發育河床以下切侵蝕為主,形成深切的峽谷, 河床平均坡降多在1%以上。有的支流因受清江干流流向改變的影響, 河流發生改道。如招徠河在清江形成前屬于恩施盆地水系, 原河谷沿虎洞、半邊坑、轉馬池、趙家囤匯入干流。清江形成后, 受河流改向東流的影響, 使得原河流在虎洞附近發生 90°轉彎, 橫切半峽背斜軸部, 改在招徠河村附近排入清江, 原河谷形成巖溶槽谷[20]。

3 分析及展望

已有關于清江流域的研究, 主要是以地殼穩定性為中心進行的, 而對清江流域第四紀環境與河流演化的研究總體上是零碎的、不系統的, 以下幾方面有待于進一步研究。

其一, 已有研究偏重于強調地殼整體性的抬升對河流演化、夷平面、階地、巖溶作用的影響和控制, 而對流域第四紀環境與氣候變遷及其影響的研究少有涉及。僅有的報道為黃俊華等人[21]對清江和尚洞石筍碳、氧同位素記錄的19.0～6.9 ka BP古氣候與古環境征的初步分析。今后的研究應加強用多種手段和方法對流域第四紀環境開展深入分析, 包括土壤鈣結巖C和O穩定同位素和土壤有機質C穩定同位素分析、階地堆積物粘土分析、孢粉分析等等。只有在深入解剖流域第四紀環境基礎上, 才能探討環境變遷與河流演化的關系。

其二, 作為河流地貌最重要組成部分之一的河流階地, 已有的報道僅停留在上游發育4級階地、下游發育 5～7級階地這種籠統的模糊描述上, 既不具體更缺乏年齡數據。在中游, 則未見與階地相關的研究報道。

傳統的河流階地研究基本上都以階地上的河流堆積物為主要對象, 而通常忽略對侵蝕階地或階地基座的研究。最近的研究表明, 利用鈣質膠結的地下水鈣結巖, 討論地殼抬升與穩定的發展階段、再造當時的地形發展過程[22,23], 并可以利用它來討論地下水位的變化歷史等[24,25]。因為地下水鈣結巖中的碳酸鹽沉淀于地下水位附近[26]、緊鄰低地下水位之處[27]; 且僅形成于地下水位距地表小于5 m的環境,接近于地下水體, 特別是在淡水和咸水混合的地下水出流帶[28,29]。因此, 無論是作為階地基座的地下水鈣結巖, 還是位于古河道內的其他鈣結巖, 均可指示膠結時的河水深度, 其年齡則可以通過ESR、U系測年等方法獲取。

因此, 需要以大量野外調查為基礎, 應用自然地理學和沉積學的手段, 對不同類型的階地采用不同的方法進行研究。對階地上的河流堆積物, 進行詳細的沉積學分析, 包括粒度分析、垂向層序、空間分布特征等。對與河流階地發育關系密切的巖溶地貌要進一步深入研究, 以揭示二者的內在聯系; 對其他河流地貌單元也要進行細致的調查和分析, 包括古河道形態特征、河床沉積等等。

其三, 根據王增銀等[19]的研究, 位于清江中游的火燒坪、燕子巖一帶為古清江東西段的分水嶺。該認識是基于構造演化、地形特點等分析得出的, 而沒有階地等直接證據, 更沒有年代數據的支持。

此外, 已有關于長江三峽段河流階地發育與演化的研究相對較多[30,31], 黃陵背斜被認為是古長江東、西段的分水嶺[32], 這與清江也有類似之處[19]。由于清江流域與長江三峽宜昌段屬于同一個大地構造單元、在第四紀也具有一致的地殼活動歷史, 并且氣候背景一致, 因此需要加強兩地的對比以推動研究工作的深入。

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Q55

A

1000-3096(2010)03-0088-04

2008-11-04;

2009-12-28

中國地質調查局地質大調查項目(1212010814008); 中國博士后特別資助基金項目(200801440); 中國博士后基金項目(20070421132); 湖北省青年杰出人才基金項目(2008CDB382)

金維群(1964-) , 男, 湖北嘉魚人, 教授級高級工程師, 主要從事地質災害與環境地質相關研究工作, E-mail：jweiqun@126.com

(本文編輯： 劉珊珊)