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科研快讯 河流在由冷向暖过渡期下切还是由暖向冷过渡期下切?

发布日期: 2021-08-20 阅读次数:
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于洋,王先彦

 

河流是地球陆地物源区侵蚀产物向沉积区搬运的主要通道,控制着物质与能量从陆地向海洋的传输过程(Tofelde et al.,2019)(图1)。于此同时,河流系统中的侵蚀-搬运-堆积过程又在气候-构造交互作用中起着重要的媒介作用,是联系地球外部和内部相互作用与反馈的重要纽带。因此,探讨河流系统对不同外部驱动力和内动力的响应过程,认识它们对河流沉积和地貌过程的差异性影响,是河流地貌研究中最具挑战性的科学问题。目前关于河流沉积/侵蚀过程与气候变化的具体联系还存在分歧。例如,传统观点认为气候变化的幅度和持续时间超过一定的阈值后,才能引起河流地貌系统的响应; 但近期研究表明持续时间较短的灾变性气候事件、河谷堰塞及溃决洪水等极端过程也能导致显著的河流地貌变化。

图1 河流系统沉积物路径示意图(修改自Tofelde et al., 2019)

一、河流阶地研究的进展及争论

阶地是研究河流沉积、侵蚀过程及其响应构造活动与气候变化的理想地貌形态。有研究认为构造活动通过改变河道的坡度和能量,从而导致河流堆积或下切并形成阶地,而流域构造抬升过快或沉降则不能形成阶地(Veldkamp and Dijke, 2000;Burbank and Andson, 2011)。也有研究认为气候是河流阶地形成的主要原因,气候变化(冰期-间冰期旋回)改变河流的水沙平衡,导致河流下切并形成阶地(Vandenberghe, 1995; Pan et al., 2003; Bridgland and Westaway, 2008; Wang et al., 2015)。Wang et al. ( 2015)等学者提出河流在暖-冷过渡期,沉积物对河床的磨蚀作用导致河流急剧下切形成阶地,这与传统认为的河流在间冰期或者冰期-间冰期过渡期径流量增加引起河流下切形成阶地的模式不同。强烈构造隆升使河流地貌过程对气候变化响应更敏感,千年尺度的季风气候变化也可以对河流地貌系统的动态平衡产生扰动并形成阶地(e.g. Wang et al., 2015)。但是,这一结论是否具有普适性?河流对于外界扰动响应的内在机制是什么?为了验证这一结论,并进一步探讨河流响应外界扰动的内在机制,我们选择长江源区青藏高原通天河流域开展了相关研究工作。

二、通天河流域背景和研究方法

通天河流域位于青藏高原东部,构造活动强烈,分布有甘孜-玉树等断裂带和一些次级断裂(图2,3)。通天河峡谷位于构造抬升区,河流深切,阶地多狭小细长,而洛须盆地为一断陷盆地,盆地沉降为沉积物提供堆积空间,阶地宽阔平坦。流域内河流深切、山高谷深,坡地处于稳定向非稳定状态转变的临界状态(图2,3),降雨自南向北降低,在盆地-峡谷过渡区域形成局部的地形雨(图4),是研究气候、构造和地表过程相互耦合作用的理想区域。

图2 青藏高原三江源地区断层、地震和水系分布

图3 (A)通天河流域断层和水系分布;(B)峡谷地区河谷和阶地地貌景观;(C)沉降盆地河谷和阶地地貌景观

图4 (A)通天河河谷降雨分布;(B)通天河河谷地形条带剖面(350 km* 1 km (长*宽))

本文通过数字高程模型(DEM)和谷歌遥感影像对通天河流域构造抬升区(通天河峡谷段)和构造沉降区(洛须盆地)河谷中平坦面进行识别,然后通过野外考察确认并测量阶地拔河(高出河漫滩)高度、完成阶地填图、分析阶地沉积特征,以及对阶地砾石层内部砂透镜体和顶部砂层采集光释光年代样品,以获得砾石层的堆积和河流下切的年龄。 

三、通天河流域阶地分布以及年龄特征

通天河河谷在前期堆积超过60 m厚的碎屑物质,随后河流下切形成七级阶地,分别为T1 (拔河2-6 m), T2 (拔河12-16 m),T3 (拔河18 m), T4 (拔河22-35 m), T5 (拔河38 m), T6 (拔河42-46 m), T7 (拔河55-62 m) ,部分阶地拔河高度大于62 m。不同构造背景下(沉降盆地和抬升峡谷)同一级河流阶地拔河高度相同(图5),表明差异性构造活动未对阶地的形成产生影响。但是,构造抬升区域的河流阶地不连续且狭长(图6),而沉降盆地内部的阶地普遍宽阔平坦(图7),表明不同构造背景下的地形差异决定了阶地的形态和空间分布特征。

5 沿河谷河流阶地野外调查点 (A),各级阶地沿河谷分布及海拔高度(B)和拔河高度 (C)

图6 通天河峡谷区(构造相对抬升区)河流阶地的分布与河流沉积

 

图7 洛须盆地(构造沉降区)河流阶地的分布与河流沉积 

所有阶地的底部为一套河流砾石层,中部为砂层,顶部为粉砂层或坡积物层(图8)。构造抬升区通天河峡谷中河流为深切曲流,陡峭的地形导致坡地过程发育且极端灾害频发,河流沉积物中混有泥石流、滑坡或崩积物等沉积,其顶部一般为坡积物覆盖;河流的侧向侵蚀导致一些阶地后缘的基岩局部出露(图11B)。而构造沉积区洛须盆地为一断陷盆地,盆地的持续下降为沉积物提供了空间,砾石层底未出露(图11A),顶部覆盖砂层粉砂层。洛须盆地与通天河峡谷河谷底部砾石层内部的砂透镜体年代分别为23.6 ka和20.5 ka (图8 B,C),而其他阶地沉积均形成于19 ka之后。这表明末次冰期河流堆积超过60 m砾石层,而冰消期(19 ka)之后,温度回升导致的冰川融水和季风降雨导致河流从早期堆积物顶部开始下切,形成一系列的上叠阶地(cut-in-fill terrace)(图6,8)。

图8 河谷不同位置横断面的阶地分布和年代(横断面的位置见图3A)

四、研究区极端事件的发生年代

越来越多的证据表明,山体滑坡是山区沉积物的主要来源,山体滑坡阻塞河流,改变河流上下游的坡度,影响河流的堆积/下切过程,从而控制了山区万年尺度下的地貌演化过程和相应的地貌景观(Korup et al., 2010; Egholm et al., 2013)。野外考察期间发现构造抬升区(通天河峡谷段)的河流沉积中夹杂着与泥石流、滑坡等相关的极端事件沉积层(图9和10),且发生在气候转型期(20 ka),表明深切峡谷的地形特征和气候变化共同促进了极端事件的发生,导致了河谷短暂的堰塞和上、下游河道频繁的阻断与再次连通。这些极端事件与河流过程共同主导了该地区的地貌演化。

图9 河流沉积、泥石流沉积和崩积物交互沉积及其年代

图10 (A)泥石流与滑坡混合沉积;(B))泥石流和河流混合沉积;(C)和(D)为河流沉积物

五、结论与启示

进一步总结对比高原东北部的湟水河(e.g. Wang et al., 2015)和长江源区(通天河)河流演化过程发现,流域地貌系统的类型(沉积物供应限制系统、搬运限制系统)(Roads, 2020)可能控制了高寒区轨道尺度河流侵蚀对气候变化响应模式的差异:沉积物供应限制系统(如高原东北部),河流在间冰期向冰期的气候转换期,泥沙磨蚀河床,河流发生急剧下切并形成阶地;而搬运限制系统(高原中部),河流在冰期向间冰期的气候转换期,河流流量和搬运能力增加,河流侵蚀下切而形成阶地。通天河流域高海拔、高起伏和频发的极端坡地过程等导致流域大量泥沙的供应,形成搬运限制系统,抑制了流域内差异性构造活动对河流阶地发育的影响;但差异性的构造活动导致了相对抬升的峡谷区和相对沉陷的盆地区河流阶地分布空间尺度和地貌形态的差异(图11)。

此外,该地区河流沉积中普遍夹杂着泥石流、崩积物等多期极端事件沉积层(图9,10),表明末次冰盛期-冰消期气候波动导致的极端降雨或者地震活动等,导致该地区滑坡或泥石流频繁堵江,对河流沉积、深切峡谷等地貌的发育和形成过程有重要影响。

图11 长江源通天河流域构造相对沉陷区(A)相对抬升区(B)末次冰盛期以来河流沉积-侵蚀和河流阶地发育过程

 

 本文第一作者系南京大学地理与海洋科学学院博士生,第二作者系南京大学地理与海洋科学学院教授。相关问题交流可通过邮箱dg1827039@smail.nju.edu.cn与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。

 

主要参考文献

[1]  Bridgland, D.R., Westaway, R., 2008. Preservation patterns of Late Cenozoic fluvial deposits and their implications: results from IGCP 449. Quaternary International, 189(1): 5-38.

[2]  Burbank, D.W., Anderson, R.S., 2011. Tectonic geomorphology. John Wiley & Sons.

[3]  Egholm, D.L., Knudsen, M.F., and Sandiford, M., 2013. Lifespan of mountain ranges scaled by feedbacks between landsliding and erosion by rivers. Nature, 498(7455): 475-478.

[4]  Korup, O., Densmore, A.L., and Schlunegger, F., 2010. The role of landslides in mountain range evolution. Geomorphology, 120(1-2): 77-90.

[5]  Pan, B.T., Burbank D., Wang, Y.X., Wu, G.J., Li, J.J., Guan, Q.Y., 2003. A 900 k.y. record of strath terrace formation during glacialinterglacial transitions in northwest China. Geogogy 31(11), 956-960.

[6]  Rhoads, B., 2020, River Dynamics: Geomorphology to Support Management: Cambridge, UK, Cambridge University Press.

[7]  Tofelde, S., Savi, S., Wickert, A.D., et al., 2019. Alluvial channel response to environmental perturbations: fill-terrace formation and sediment-signal disruption[J]. Earth Surface Dynamics, 7(2): 609-631.

[8]  Vandenberghe, J., 1995. Timescales, climate and river development. Quaternary Science Reviews, 14(6): 631-638.

[9]  Veldkamp, A., Van, Dijke.J.J., 2000. Simulating internal and external controls on fluvial terrace stratigraphy: a qualitative comparison with the Maas record. Geomorphology, 2000, 33(3-4): 225-236.

[10] Wang, X.Y., Vandenberghe, J., Yi, S.W., Van Balen, R., Lu, H.Y., 2015. Climate-dependent fluvial architecture and processes on a suborbital timescale in areas of rapid tectonic uplift: An example from the NE Tibetan Plateau. Global and Planetary Change 133, 318-329.

[11] Yu, Y., Wang, X., Yi, S., et al., 2021. Late Quaternary aggradation and incision in the headwaters of the Yangtze River, eastern Tibetan Plateau, China. GSA Bulletin, https://doi.org/10.1130/B35983.1.

 


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