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(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地，甘肅 蘭州 730000；3．蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

莊浪河發(fā)育于祁連山地區(qū)，其上游稱為金強(qiáng)河，進(jìn)入蘭州市永登縣境內(nèi)稱為莊浪河，在蘭州市河口地區(qū)匯入黃河，為黃河的一級(jí)支流，全長約160km（圖1）。沿莊浪河兩岸發(fā)育Ⅰ～Ⅳ級(jí)河流階地。由于地處構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏塊體東北部邊緣，緊鄰莊浪河斷裂，其構(gòu)造活動(dòng)引起了階地的變形［1］。莊浪河斷裂是本區(qū)的一條重要斷裂，歷史上曾發(fā)生過1440年永登6 1/4級(jí)地震和苦水5 1/2級(jí)地震［2］。1995年7月22日莊浪河西側(cè)又發(fā)生了永登5．8級(jí)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(dòng)性證據(jù)不充分，認(rèn)識(shí)上也不統(tǒng)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(gòu)造變形的良好地貌證據(jù)，利用階地變形研究新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也是一種重要的手段［5－7］。袁道陽等［1］曾用氣壓計(jì)研究本區(qū)階地變形，根據(jù)階地變形特征，認(rèn)為該區(qū)的莊浪河斷裂為一逆斷裂－褶皺帶，屬斷裂擴(kuò)展褶皺模式。然而氣壓計(jì)易受到環(huán)境的影響，誤差較大，存在較大的不確定性。本文在詳細(xì)劃分階地的基礎(chǔ)上，利用差分GPS實(shí)測莊浪河不同級(jí)別階地面和礫石層高度，做階地縱、橫剖面圖，進(jìn)而探討莊浪河斷裂的新活動(dòng)性及其構(gòu)造變形特征，獲得該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的地貌學(xué)證據(jù)，以期對莊浪河階地發(fā)育和斷裂變形特征給出更明確的認(rèn)識(shí)。

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

1 蘭州莊浪河階地發(fā)育分布特征及年代序列

沿莊浪河兩岸共發(fā)育了四級(jí)階地，其中東岸階地連續(xù)性好，發(fā)育較全，西岸零星發(fā)育。以張家磨為界，以北地區(qū)以堆積階地為主，沉積了厚層的風(fēng)成黃土，以南地區(qū)均為基座階地，河谷狹窄。

Ⅰ級(jí)階地連續(xù)性好，發(fā)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(fā)育典型的沙溝附近（36°23′13．2″，103°23′41．4″）對I級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)階地樣品采集剖面（鏡像E）Fig．3 Sample collection section at T2of Zhuanglang river．

Ⅱ級(jí)階地在張家磨以南為基座階地，階地面發(fā)育不完整，經(jīng)后期的侵蝕，地貌上表現(xiàn)為不連續(xù)的小山包，順河谷兩岸山前呈細(xì)條狀零星分布。階地面拔河50～60m，礫石層拔河30～40m?；鶠榘讏紫荡u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(fēng)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(fēng)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(jí)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(diǎn)距地表8m，階地礫石層之上，年齡為（52．6±4．7）ka B．P．。

Ⅲ級(jí)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(fēng)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?duì)?。剖面中顯示厚層風(fēng)成黃土，未見基座出露。考慮到III級(jí)階地的年代可能大于100ka，光釋光測年誤差較大，因此Ⅲ級(jí)階地的年代主要由區(qū)域河流階地年代對比獲得。

Ⅵ級(jí)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(fēng)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(xù)，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(jí)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(jié)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(fā)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(dāng)。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(yīng)該介于120～150ka之間。

2 莊浪河階地差分GPS測量及構(gòu)造變形分析

本次研究選擇了莊浪河?xùn)|岸發(fā)育連續(xù)且完整的Ⅰ～Ⅲ級(jí)階地進(jìn)行了構(gòu)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(shí)測了300多個(gè)階地面高度值（圖1），做出了河流階地縱剖面圖；同時(shí)利用DEM數(shù)據(jù)的地表高度，結(jié)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(jù)實(shí)測的莊浪河?xùn)|岸Ⅰ～Ⅲ級(jí)階地縱剖面圖。其中張家磨以北為沉降區(qū)，屬堆積階地；張家磨以南為隆起區(qū)，屬基座階地。階地變形最常見的有兩種類型，即穿過構(gòu)造抬升區(qū)引起的拱曲和橫切活動(dòng)斷裂引起的斷錯(cuò)［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(fā)生了同步褶皺變形，變形主要以拱曲為主而不是直接斷錯(cuò)，形成較寬的構(gòu)造變形帶，寬約1～2km，說明其構(gòu)造活動(dòng)以褶皺隆起為主，沒有直接斷錯(cuò)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(tài)與斷裂擴(kuò)展褶皺模型的圖像十分類似［5，18］。其中Ⅲ級(jí)階地面抬升幅度為28m左右，Ⅱ級(jí)階地面抬升幅度為19m左右，Ⅰ級(jí)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(dòng)?？梢?，莊浪河斷裂帶晚第四紀(jì)以來仍是以斷裂擴(kuò)展機(jī)制變形的，本區(qū)發(fā)生的多次中強(qiáng)地震可能也與此有關(guān)［1］。根據(jù)相應(yīng)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(jí)，因此儀器誤差可以不計(jì)；根據(jù)所測階地年代及與區(qū)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(huì)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(diǎn)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(dāng)［19］，與GPS觀測的斷層滑動(dòng)速率也高度吻合［20］，因此我們認(rèn)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(jì)有逐漸增快的趨勢，表明莊浪河斷裂活動(dòng)晚更新世至全新世活動(dòng)有所增強(qiáng)。

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(qū)地處青藏高原東北緣地區(qū)，其階地的形成與青藏高原的隆升有著密切的聯(lián)系。根據(jù)前人的研究，0．15Ma以來青藏高原起碼經(jīng)歷了三次脈動(dòng)式的上升［8］，黃河及其支流湟水河等均形成了三級(jí)階地，年代與莊浪河各階地相當(dāng)［9－10，12］。同 樣，根 據(jù) 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(gòu)造作用長期持續(xù)的地區(qū)，其活動(dòng)變形作用應(yīng)產(chǎn)生一種疊加在長期構(gòu)造效應(yīng)之上的河流響應(yīng)，其中引用最為廣泛的變形證據(jù)是河谷內(nèi)階地的撓曲或發(fā)育在斷裂或河谷兩側(cè)的同級(jí)階地高度的變化［21］。已有的研究結(jié)果表明：發(fā)生在青藏高原隆升區(qū)內(nèi)的大多數(shù)階地的形成和變形過程常與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相關(guān)［22－25］。其中利用階地資料分析構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)主要有以下幾種類型：河流發(fā)育的階地級(jí)數(shù)常與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次相對應(yīng)；階地面的變形、斷錯(cuò)與斷裂活動(dòng)相聯(lián)系；河流兩岸同級(jí)階地高差及階地類型的較大幅度變化可能與斷裂的活動(dòng)方式相聯(lián)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(shù)據(jù)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(qū)地震地質(zhì)環(huán)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(fā)育既不完整也不連續(xù)；同級(jí)階地西岸大多高于東岸。野外調(diào)查表明，西岸主要為基座階地和侵蝕階地，東岸除發(fā)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(dá)5～8m，說明東岸的堆積作用強(qiáng)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(jié)論

通過對莊浪河階地的差分GPS測量，結(jié)合DEM圖像數(shù)據(jù)，獲得黃河南北兩岸階地縱橫剖面圖，參考該區(qū)斷裂的活動(dòng)特征，綜合研究得到如下認(rèn)識(shí)：

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

（2）結(jié)合階地年代學(xué)資料，獲得III～I(xiàn)級(jí)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(jì)有逐漸增快的趨勢，表明莊浪河斷裂活動(dòng)晚更新世至全新世活動(dòng)是逐漸增強(qiáng)的。

（3）利用階地拔河高度，獲得Ⅲ～Ⅰ級(jí)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(diào)查結(jié)果，莊浪河?xùn)|西兩岸的階地抬升方式和幅度是不一致的。

［1］ 袁道陽，劉百篪，張培震，等．蘭州莊浪河斷裂帶的新構(gòu)造變形與地震活動(dòng)［J］．地震學(xué)報(bào)，2002，24（4）：441－444．

［2］ 國家地震局蘭州地震研究所，甘肅省計(jì)劃委員會(huì)．甘肅省地震危險(xiǎn)性區(qū)劃研究［M］．蘭州：蘭州大學(xué)出版社，1993：88－91．

［3］ 邢成起，榮代潞，姚同福，等．1995年7月22日永登5．8級(jí)地震發(fā)震構(gòu)造與發(fā)震機(jī)制分析［J］．西北地震學(xué)報(bào)，1996，18（3）：1－9．

［4］ 周俊喜．1995年7月22日永登5．8級(jí)地震發(fā)震構(gòu)造初步分析［J］．西北地震學(xué)報(bào)，1997，19（增刊）：139－141．

［5］ 楊曉平，鄧起東，張培震，等．利用階地變形資料研究北天山吐魯谷逆斷裂－背斜帶晚更新世以來的褶皺變形特征［A］∥《活動(dòng)斷裂研究》編委會(huì)編．活動(dòng)斷裂研究2［G］．北京：地震出版社，1994，44－62．

［6］ 程紹平，鄧起東，閔偉，等．黃河晉陜河流階地和鄂爾多斯高原第四紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)［J］．第四紀(jì)研究，1998，8（3）：238－248．

［7］ 王峰，徐錫偉，鄭榮章．用階地測量方法探討阿爾金中段全新世滑動(dòng)速率［J］．地震地質(zhì)，2004，26（1）：61－70．

［8］ 潘保田，李吉均，朱俊杰，等．蘭州地區(qū)黃河階地發(fā)育與地貌演化［A］∥中國第四紀(jì)冰川與環(huán)境研究中心、中國第四紀(jì)研究委員會(huì)編．中國西部第四紀(jì)冰川與環(huán)境［G］．北京：科學(xué)出版社，1991，271－277．

［9］ 潘保田，蘇懷，胡春生，等．蘭州地區(qū)1．0Ma黃河階地的發(fā)現(xiàn)和0．8Ma階地形成時(shí)代的重新厘定［J］．自然科學(xué)進(jìn)展，2006，16（11）：1411－1418．

［10］ 潘保田，蘇懷，劉小豐，等．蘭州東盆地最近1．2Ma的黃河階地序列與形成原因［J］．第四紀(jì)研究，2007，27（2）：172－180．

［11］ 朱俊杰，曹繼秀，鐘巍，等．蘭州地區(qū)黃河最高級(jí)階地與最老黃土沉積的發(fā)現(xiàn)及其古地磁年代學(xué)的研究［A］∥青藏高原形成演化、環(huán)境變遷與生態(tài)系統(tǒng)研究［G］．北京：科學(xué)出版社，1994，77－90．

［12］ 曾永年，馬海州，李珍，等．西寧地區(qū)湟水階地的形成與發(fā)育研究［J］．地理科學(xué)，1995，15（3）：253－258．

［13］ 侯元才，許偉林，俞建，等．青藏高原東北緣112Ma B．P．以來各階段古氣候演變［J］．青海地質(zhì)，2001，（增刊）：10－16．

［14］ 張智勇，于慶文，張克信，等．黃河上游第四紀(jì)河流地貌演化——兼論青藏高原1∶25萬新生代地質(zhì)填圖地貌演化調(diào)查［J］．地球科學(xué)，2003，28（6）：621－626．

［15］ 鹿化煜，安芷生，王曉勇，等．最近14Ma青藏高原東北緣階段性隆升的地貌證據(jù)［J］．中國科學(xué)（D輯），2004，34（9）：855－864．

［16］ 何生胤．西寧盆地湟水河流階地與高原演化特征分析［J］．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2007，5（3）：81－85．

［17］ C R艾倫，等著，四川省地震局譯．活動(dòng)構(gòu)造學(xué)［M］．四川：科學(xué)技術(shù)出版社，1989．

［18］ Suppe J，Medwedeff D．A．Geometry and kinematics of faultpropagation folding［J］．Ecologue Geol．Helv．，1990，83（3）：409－454．

［19］ 劉興旺，袁道陽，葛偉鵬．蘭州黃河階地高精度差分GPS測量與構(gòu)造變形分析［J］．西北地震學(xué)報(bào)，2007，29（4）：341－346．

［20］ 周德敏，甘衛(wèi)軍，任金衛(wèi)，等．基于GPS觀測資料反演莊浪河斷裂帶、馬銜山北緣斷裂帶的滑動(dòng)速率［J］．地震地質(zhì)，2005，27（4）：706－714．

［21］ 侯康明，袁道陽，李紹業(yè)．武威—天祝—莊浪河NNW向斷裂分段及變形特征［J］．地殼形變與地震，1999，19（3）：55－63．

［22］ 楊景春，譚利華，李有利，等．祁連山北麓河流階地與新構(gòu)造造演化［J］．第四紀(jì)研究，1998，3：229－237．

［23］ 陳杰，盧演儔，丁國瑜．祁連山西段及酒西盆地區(qū)第四紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的價(jià)段劃分［J］．第四紀(jì)研究，1996，3：263－271．

［24］ 李有利，楊景春．河西走廊平原區(qū)全新世河流階地對氣候變化的響應(yīng)［J］．地理科學(xué)，1997，（13）3：248－252．

［25］ 李吉均，方小敏，馬海州，等．晚新生代黃河上游地貌演化與青藏高原隆起［J］．中國科學(xué)（D輯），1996，（26）4：316－322．