黄河中上游典型峡谷第四纪河流下切过程与地貌演化研究

论文摘要

构造变形和气候波动对于地球表面的塑造作用有着非常重要的意义。河流作为连接物源区与沉积区之间的纽带,对于构造变形与气候波动的响应十分敏感。黄河发源于青藏高原东北缘的巴彦喀拉山脉北麓并向北东方向切穿整个高原东北缘,并记录了丰富的地质-地貌信息。对于黄河中上游地质地貌过程的精确厘定对理解青藏高原东北缘的隆升与扩展的动力学与运动学历史具有重大意义。虽然各国地质地貌学家对黄河研究展开已经有了百年的历史,然而目前对于黄河的诸多研究依旧存在一些争论与不确定性。这些问题主要集中在关于黄河古河道发育和现代黄河的形成时间、黄河在各个河段最早出现的年代、以及黄河流域内部精细地质-地貌过程等。本研究对于黄河中上游典型峡谷区（如积石峡、米家峡以及青铜峡）开展了详细的河流下切历史以及区域剥蚀速率研究,详细厘定了:1)积石山东西两侧横向河流千年尺度的侵蚀速率;并根据对区域地貌以及气候环境的综合分析,得出积石山两侧的构造活动控制了东侧较高的侵蚀速率的结论;2)青藏高原东北缘米家山及其南侧老龙湾盆地的黄河下切速率以及下切历史,在假设老龙湾盆地下切速率等于区域背景下切速率的基础上,得到了米家山相对于青藏高原东北缘的抬升速率为1.21mm/a;3)青铜峡地区存在8级黄河阶地,其晚第四纪以来的黄河下切速率稳定在200m/Ma并在约65ka以来加速下切,黄河在青铜峡地区初次出现的时间是0.6Ma,此时黄河是以河套盆地为界的两个具有完全不同演化历史的河段。详细的研究工作如下:南北向展布的积石山位于青藏高原东北缘中央位置,同时也是高原主体与陇中盆地的地貌界限。黄河切过积石山北侧形成积石峡。积石山东西两侧分别是临夏盆地与循化盆地,两个盆地内部的年均降雨量分别是～700mm/a以及～260mm/a。同时积石山东西两侧山麓地带也分布着两条山前逆冲断裂,这两条断裂将积石山向东西两侧分别推覆到两侧盆地的第四纪沉积层之上。由于这些原因,积石山及其两侧的临夏、循化盆地就是鉴别构造和气候对于地表过程控制作用的良好实验区。在本研究中,我们在积石山两侧的横向河流中选取了 14条河流并在河流的出山口处采集河沙样品,并以此来限定这些河流的千年尺度的侵蚀速率。另外,我们也对盆地两侧的气候条件（如年均降雨量以及植被分布）进行了详细的调查（包括野外考察以及遥感影像判读）。之后,我们对积石山两侧的采样河流也进行了河流纵剖面的分析。本研究的主要目的是探索该地区地表过程的主要控制因素。结果显示积石山东侧河流的侵蚀速率几乎是西侧河流的两倍（东侧河流的平均侵蚀速率是0.85mm/a而西侧是0.42mm/a）。此外,东侧的河流陡峭系数、增强植被指数（EVI）、以及降雨数据均高于西侧;而两侧河流的凹度指数却是相差不大。在综合分析区域地貌和气候特征的基础之上,我们认为是两侧逆冲断裂的差异活动性导致了山体两侧河流的河流陡峭指数差异巨大,而陡峭指数也控制了两侧不同的侵蚀速率。米家山是海原断裂上的一个构造结,黄河由其东侧切过形成米家峡,并在黄河的西岸留下多级黄河阶地。老龙湾盆地位于米家山的南侧,是一个第三纪的拉分盆地,其形成与演化完全受控于海原断裂,黄河切穿了老龙湾盆地并在其中留下若干阶地。在本研究中,我们实地调查了位于青藏高原东北缘的米家峡以及老龙湾盆地内部的黄河阶地,并在阶地上采集了宇宙成因核素暴露样品用以确定这两处阶地的废弃年龄。本研究的目的在于确定黄河在米家峡与老龙湾盆地内部的下切速率以及构造活动对于河流下切的控制作用。我们在米家山和老龙湾盆地内各选取两级阶地序列,并在米家山（T11和T14）采集了宇宙成因核素的剖面样品,在老龙湾盆地内部的S2和S3上采集了宇宙成因核素表面样品,同时利用现代黄河河沙样品校正了继承浓度。我们利用蒙特卡罗模拟方法限定米家山地区的阶地废弃年龄,老龙湾盆地阶地年龄利用CosmoCalc 3.0进行限定。结果显示,米家山地区的T11和T14的废弃年龄分别是68-9.4 +11.2ka 和174.7-38.4 +52ka而老龙湾盆地的S2和S3分别是45.0±1.8ka和123.9±2.7ka。结合野外实测的阶地的拔河高度,我们限定了米家山以及老龙湾盆地内部的黄河下切速率。结果显示,米家山地区晚第四纪以来的平均下切速率是～1.94 mm/a,而老龙湾盆地的下切速率（～0.73mm/a）明显低于米家山。米家山地区的黄河下切速率甚至是老龙湾盆地的两倍。由于米家山与老龙湾盆地位于同一个气候区,所以气候波动对于这两处的黄河下切与阶地形成的作用一致。如果我们认为米家山地区的黄河下切速率受控于气候波动以及青藏高原东北缘的整体隆升,那么这两处下切速率的差值可以被认为是米家山的相对于老龙湾盆地的隆升速率。由此我们认为海原断裂对于黄河在米家山地区的下切影响重大,而且大型走滑断裂对于区域地貌演化以及地形生长有着重大意义。青铜峡位于青藏高原东北缘的最边缘地区,其东北一侧为鄂尔多斯块体西南一侧为青藏高原东北缘主体。黄河切过牛首山并在其右岸留下多级黄河阶地。前人研究指出阶地是记录地质历史时期的气候变化与构造演化的良好载体。在本研究中,我们调查了牛首山西侧的黄河阶地并识别出了 8级阶地。我们根据阶地由下向上的排布将之命名为T1-T8,其中T1是堆积阶地,T2、T3、T6以及T8为基座阶地,其它阶地为剥蚀阶地。我们通过光释光（OSL）测年法以及宇宙成因核素剖面测年方法对于四级基座阶地进行了年代学约束,结果显示T2,T3,T6以及T8的废弃年龄分别是51.6±2.9ka,60.7-8.3+14.4ka,346.1-27.3+30 ka,以及 580-640 ka。通过测定采样阶地的拔河高程我们限定了黄河的平均下切速率。结果显示350ka以来黄河的下切速率稳定在约200m/Ma并在约60ka以来加速下切。结合区域构造活动以及气候变化特征,我们认为青铜峡阶地的形成是在牛首山快速隆升的基础之上由气候变化所驱动。另外,我们的研究成果显示黄河在青铜峡地区最早的形成年代为0.6Ma,而此时黄河应该是由河套盆地分为上下两个独立演化的河段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究现状
•     1.1.1 黄河河道变迁
•     1.1.2 黄河形成年龄
•     1.1.3 黄河流域内部地貌演化
•   1.2 论文的选题依据及预期目标
•     1.2.1 选题依据
•     1.2.2 主要研究内容与预期目标
•   1.3 研究的主要技术思路
•   1.4 完成的主要工作量
• 第二章 宇宙成因核素与OSL
•   2.1 宇宙成因核素分析
•     2.1.1 宇宙成因核素简介
•     2.1.2 宇宙成因核素的产生
•     2.1.3 宇宙成因核素分析与年龄确定
•     2.1.4 年龄分布与应用
•   2.2 光释光测年简介
•     2.2.1 OSL测年的原理
•     2.2.2 OSL应用
• 第三章 青藏高原东北缘积石山两侧千年尺度流域剥蚀速率及其构造-地貌意义
•   3.1 前言
•   3.2 区域地质背景
•   3.3 研究方法
•     3.3.1 流域尺度侵蚀速率
•     3.3.2 气候分析
•     3.3.3 地貌参数
•   3.4 研究结果
•     3.4.1 流域尺度侵蚀速率
•     3.4.2 EVI和地貌参数
•   3.5 分析结果不确定性探讨
•     3.5.1 侵蚀速率中的不确定性
•     3.5.2 EVI分析的不确定性
•   3.6 与前人数据对比
•   3.7 侵蚀速率的驱动因素
•     3.7.1 气候
•     3.7.2 河流陡峭系数
•   3.8 结论
• 第四章 宇宙成因核素暴露年龄定量揭示海原断裂构造活动加速黄河下切速率
•   4.1 前言
•   4.2 区域地质背景
•     4.2.1 米家山
•     4.2.2 老龙湾盆地
•   4.3 阶地序列
•     4.3.1 米家山阶地序列
•     4.3.2 老龙湾阶地序列
• 10Be暴露年代测定'>  4.4¹⁰Be暴露年代测定
•     4.4.1 采样策略
•     4.4.2 样品处理与测定
• 10Be暴露年代计算与结果'>    4.4.3¹⁰Be暴露年代计算与结果
•   4.5 讨论
•     4.5.1 宇宙成因核素年代的不确定性
•     4.5.2 黄河下切速率的初步估算
•     4.5.3 构造和地貌指示
•   4.6 小结
• 第五章 青铜峡地区黄河阶地的废弃年代确定以及中更新世以来的黄河演化讨论
•   5.1 前言
•   5.2 研究区
•     5.2.1 地质概况
•     5.2.2 气候特征
•   5.3 阶地特征
•   5.4 样品采集与预处理
•     5.4.1 OSL测年方法
•     5.4.2 宇宙成因核素测年方法
•   5.5 结果
•     5.5.1 OSL年龄
• 10Be暴露年龄'>    5.5.2¹⁰Be暴露年龄
•   5.6 讨论
•     5.6.1 青铜峡地区黄河下切速率
•     5.6.2 影响阶地形成的因素
•     5.6.3 黄河演化的启示
•   5.7 小结
• 第六章 主要研究结论及存在的主要问题
•   6.1 研究的主要结论
•   6.2 存在的主要问题及未来工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文
• 作者简介
• 附表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 苏琦

导师: 张培震,朱文斌

关键词: 河流下切速率,光释光测年,宇宙成因核素,积石峡,米家峡,青铜峡,黄河中上游,青藏高原东北缘

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学,地质学

单位: 南京大学

基金: 国家自然科学基金委,中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室,中国留学基金委

分类号: P931.1;P534.63

总页数: 115

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