蘭州莊浪河階地差分GPS測量與構造變形分析①

劉興旺，袁道陽

（1．中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；2．中國地震局地震預測研究所蘭州科技創新基地，甘肅 蘭州 730000；3．蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

莊浪河發育于祁連山地區，其上游稱為金強河，進入蘭州市永登縣境內稱為莊浪河，在蘭州市河口地區匯入黃河，為黃河的一級支流，全長約160km（圖1）。沿莊浪河兩岸發育Ⅰ～Ⅳ級河流階地。由于地處構造活動強烈的青藏塊體東北部邊緣，緊鄰莊浪河斷裂，其構造活動引起了階地的變形［1］。莊浪河斷裂是本區的一條重要斷裂，歷史上曾發生過1440年永登6 1/4級地震和苦水5 1/2級地震［2］。1995年7月22日莊浪河西側又發生了永登5．8級地震［3－4］。由于莊浪河斷裂地表出露不清楚，所獲得的斷裂新活動性證據不充分，認識上也不統一，是長期以來想解決而又沒很好解決的重要斷裂。

階地是記錄構造變形的良好地貌證據，利用階地變形研究新構造運動也是一種重要的手段［5－7］。袁道陽等［1］曾用氣壓計研究本區階地變形，根據階地變形特征，認為該區的莊浪河斷裂為一逆斷裂－褶皺帶，屬斷裂擴展褶皺模式。然而氣壓計易受到環境的影響，誤差較大，存在較大的不確定性。本文在詳細劃分階地的基礎上，利用差分GPS實測莊浪河不同級別階地面和礫石層高度，做階地縱、橫剖面圖，進而探討莊浪河斷裂的新活動性及其構造變形特征，獲得該區構造活動的地貌學證據，以期對莊浪河階地發育和斷裂變形特征給出更明確的認識。

圖1 莊浪河地區DEM圖像Fig．1 DEM image of the Zhuanglang river region．

1 蘭州莊浪河階地發育分布特征及年代序列

沿莊浪河兩岸共發育了四級階地，其中東岸階地連續性好，發育較全，西岸零星發育。以張家磨為界，以北地區以堆積階地為主，沉積了厚層的風成黃土，以南地區均為基座階地，河谷狹窄。

Ⅰ級階地連續性好，發育普遍，以堆積階地為主，局部地方為基座階地，基座為白堊系磚紅色砂礫巖。階地面總體走向NNW，西岸狹窄，東岸寬闊。堆積階地上部為薄層土狀堆積物，下部為砂礫石層，礫石磨圓度中等，分選性一般。階地面拔河高度5～15m。在本次的研究中，我們選擇階地發育典型的沙溝附近（36°23′13．2″，103°23′41．4″）對I級階地采集了光釋光年代樣品。剖面如圖2所示，頂部0．7m為富含植物根系的灰黑土層，中間為黃土層，在距離地表2．8m的I級階地礫石層上部，上覆黃土層的底部，采了光釋光樣品，年齡為（4．9±0．5）ka B．P．。

圖2 莊浪河Ⅰ級階地樣品采集剖面（鏡像E）Fig．2 Sample collection section at T1of Zhuanglang river．

圖3 莊浪河Ⅱ級階地樣品采集剖面（鏡像E）Fig．3 Sample collection section at T2of Zhuanglang river．

Ⅱ級階地在張家磨以南為基座階地，階地面發育不完整，經后期的侵蝕，地貌上表現為不連續的小山包，順河谷兩岸山前呈細條狀零星分布。階地面拔河50～60m，礫石層拔河30～40m。基座為白堊系磚紅色砂礫巖，上覆2～3m厚的沖積礫石層，之上為2m左右的淺桔紅色層狀水成黃土，上覆5～10m厚的風成黃土。張家磨以北為堆積階地，階地面拔河20～30m，上部為厚層風成黃土，未見基底出露。在沙溝附近（36°23′20．8″，103°24′03．3″）我們對Ⅱ級階地也采集了年代樣品，剖面如圖3所示。頂部0．5m為含植物的根系的灰黑土層，中間為黃土層，樣品點距地表8m，階地礫石層之上，年齡為（52．6±4．7）ka B．P．。

Ⅲ級階地在張家磨以南為基座階地，階地面拔河70～100m，基座拔河45～55m，基座之上2～3 m為沖積礫石層，礫石磨圓度一般，分選性較好，之上為厚層風成黃土。張家磨以北為堆積階地，階地面拔河40～60m，階地面寬闊平坦，后期侵蝕成丘陵狀。剖面中顯示厚層風成黃土，未見基座出露。考慮到III級階地的年代可能大于100ka，光釋光測年誤差較大，因此Ⅲ級階地的年代主要由區域河流階地年代對比獲得。

Ⅵ級階地由于后期侵蝕切割，階地面殘缺不全，只有零星分布，以堆積階地為主，上部為厚層風成黃土，底部為沖積砂礫石層。由于其分布的不完整和不連續，因此在本次的研究中未做工作。

對黃河及其與莊浪河緊鄰的一級支流湟水河的年代序列，前人曾做過大量的研究［8－16］。最新的研究結果表明，黃河T1～T3年代分別為10ka、50ka和130ka［8］，湟水河 T1～T3的年代分別為10ka、50～70ka和120～150ka［12－16］。由二者年代序列與莊浪河年代對比，莊浪河T1階地年代為（4．9±0．5）ka B．P．，考慮到莊浪河作為黃河的支流，發育晚于黃河，因此該年代值較為可信。莊浪河T2階地年齡（52．6±4．7）ka B．P．，該年齡值與黃河及湟水對比，基本與二者相當。雖然在本次的研究中，沒有采集莊浪河T3的年代樣品，但與黃河及湟水河對比可知，莊浪河T3的年代應該介于120～150ka之間。

2 莊浪河階地差分GPS測量及構造變形分析

本次研究選擇了莊浪河東岸發育連續且完整的Ⅰ～Ⅲ級階地進行了構造變形的定量研究。野外測量采用瑞士萊卡1200系列差分GPS儀，共實測了300多個階地面高度值（圖1），做出了河流階地縱剖面圖；同時利用DEM數據的地表高度，結合前人研究資料，做出河流階地橫剖面圖。

2．1 莊浪河階地縱剖面變形特征

圖4是根據實測的莊浪河東岸Ⅰ～Ⅲ級階地縱剖面圖。其中張家磨以北為沉降區，屬堆積階地；張家磨以南為隆起區，屬基座階地。階地變形最常見的有兩種類型，即穿過構造抬升區引起的拱曲和橫切活動斷裂引起的斷錯［17］。從莊浪河階地縱剖面圖可以看出，張家磨以南階地明顯隆起，發生了同步褶皺變形，變形主要以拱曲為主而不是直接斷錯，形成較寬的構造變形帶，寬約1～2km，說明其構造活動以褶皺隆起為主，沒有直接斷錯特征。變形部位核部比較平坦，南翼緩傾，北翼陡傾．其幾何形態與斷裂擴展褶皺模型的圖像十分類似［5，18］。其中Ⅲ級階地面抬升幅度為28m左右，Ⅱ級階地面抬升幅度為19m左右，Ⅰ級階地抬升幅度僅5m，顯示該逆斷裂－褶皺帶自晚新生代形成以來到晚更新世甚至全新世仍在活動。可見，莊浪河斷裂帶晚第四紀以來仍是以斷裂擴展機制變形的，本區發生的多次中強地震可能也與此有關［1］。根據相應的年代資料，則可得出T3的變形速率為0．19～0．23mm／a，T2的變形速率為0．36mm／a，T1的變形速率為1 mm／a。

所得階地變形速率的可靠性如何呢？本次研究中所用差分GPS精度較高，誤差為厘米級，因此儀器誤差可以不計；根據所測階地年代及與區域河流的對比，莊浪河階地的年代可信度也較高，誤差也不會很大。若速率存在誤差，很有可能來源于階地本身的測量，如不同地段黃土沉積厚度的不同、測量點位于階地前緣還是后緣等。但該速率與黃河階地變形速率相當［19］，與GPS觀測的斷層滑動速率也高度吻合［20］，因此我們認為該速率還是較為可靠的。由階地變形速率的值可以看出，階地變形速率在晚第四紀有逐漸增快的趨勢，表明莊浪河斷裂活動晚更新世至全新世活動有所增強。

圖4 蘭州莊浪河階地縱剖面圖Fig．4 Longitudinal profiles of Zhuanglang river terraces in Lanzhou．

利用階地拔河高度，可以得出階地下切速率分別為T30．47～0．83mm／a，T20．87～1．25mm／a，T11～3mm／a。莊浪河地區地處青藏高原東北緣地區，其階地的形成與青藏高原的隆升有著密切的聯系。根據前人的研究，0．15Ma以來青藏高原起碼經歷了三次脈動式的上升［8］，黃河及其支流湟水河等均形成了三級階地，年代與莊浪河各階地相當［9－10，12］。同 樣，根 據 河 流 的 下 切 速 率 可 以 看 出，0．15Ma以來青藏高原的隆升明顯有后期加速的趨勢。

2．2 莊浪河階地橫剖面變形特征

在構造作用長期持續的地區，其活動變形作用應產生一種疊加在長期構造效應之上的河流響應，其中引用最為廣泛的變形證據是河谷內階地的撓曲或發育在斷裂或河谷兩側的同級階地高度的變化［21］。已有的研究結果表明：發生在青藏高原隆升區內的大多數階地的形成和變形過程常與新構造運動相關［22－25］。其中利用階地資料分析構造運動的認識主要有以下幾種類型：河流發育的階地級數常與構造運動期次相對應；階地面的變形、斷錯與斷裂活動相聯系；河流兩岸同級階地高差及階地類型的較大幅度變化可能與斷裂的活動方式相聯系。

圖5 龍泉寺階地橫剖面圖Fig．5 Vertical profiles of terraces at Longquansi．

圖6 馬家坪階地橫剖面圖Fig．6 Vertical profiles of terraces at Majiaping．

在本次研究中，莊浪河階地橫剖面的獲得主要是通過DEM圖形數據及前人研究資料獲得①甘肅省地震局，中國地震局蘭州地震研究所．蘭州地區地震地質環境研究．2001．。莊浪河河谷較為狹窄，最寬的地方約10km，最窄不足1km。從橫剖面圖5、6可以看出西岸階地與東岸階地相比，發育既不完整也不連續；同級階地西岸大多高于東岸。野外調查表明，西岸主要為基座階地和侵蝕階地，東岸除發育基座階地外還有堆積階地。另外，階地礫石層厚度差異較大，西岸一般均小于2 m，東岸礫石層厚度可達5～8m，說明東岸的堆積作用強于西岸。這些資料反映了莊浪河兩岸階地的抬升方式和幅度是不一致的。

3 結論

通過對莊浪河階地的差分GPS測量，結合DEM圖像數據，獲得黃河南北兩岸階地縱橫剖面圖，參考該區斷裂的活動特征，綜合研究得到如下認識：

（1）莊浪河階地的變形地區之中在張家磨至土槽灣地區，變形范圍約1～2km，變形方式表現為斷裂擴展褶皺模式。Ⅲ級階地面抬升幅度為28m左右，Ⅱ級階地面抬升幅度為19m左右，而Ⅰ級階地抬升幅度為5m左右。

（2）結合階地年代學資料，獲得III～I級階地的變形速率分別為0．19～0．23、0．36、1mm／a，階地變形速率在晚第四紀有逐漸增快的趨勢，表明莊浪河斷裂活動晚更新世至全新世活動是逐漸增強的。

（3）利用階地拔河高度，獲得Ⅲ～Ⅰ級階地下切速率分別為0．47～0．83mm／a，0．87～1．25 mm／a，1～3mm／a，表明青藏高原在晚更新世以來的隆升有加速的趨勢。

（4）綜合階地橫剖面特征和野外調查結果，莊浪河東西兩岸的階地抬升方式和幅度是不一致的。

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