河流地貌年齡與地貌速度關(guān)系的再探討

河流地貌年齡與地貌速度關(guān)系的再探討

地殼上升速度、地形年齡、巖石后退速度和侵蝕速度是地質(zhì)學(xué)上尚未解決的問題。筆者不知天高地厚,竟對這些難題進(jìn)行了研究。1990年,筆者主持丹霞地貌研究這一項目,即安排課題組成員劉尚仁、黃瑞紅到粵北坪石,在武江階地的沖積層中采熱釋光測年樣品及分析出它的年齡,再由筆者算出它的相對高度、地殼上升速度及金雞嶺丹霞地貌年齡。隨后又多次到粵北丹霞山、湘西南通道縣萬佛山、桂東南容縣都嶠山、閩北武夷山、湘南永興、閩西泰寧、粵北南雄、浙東新昌、浙中縉云、浙西龍游及湖北黃崗、黔北習(xí)水土城、四川合江、重慶江津、四川屏山、樂山、安縣、滇西北劍川、石鼓、湘西北沅陵、贛東廣昌、贛南贛州等地共采了48個熱釋光測年樣品,并分析其年齡及測量采樣點相對高度,進(jìn)一步計算了當(dāng)?shù)氐は嫉孛驳哪挲g。最近還測算了浙東新昌縣千丈坑及粵北丹霞山的巖壁后退速度及侵蝕速度,使這一研究又前進(jìn)一步。近年來得知,宇宙成因核素為測定地貌年齡,土壤、風(fēng)化殼年齡等方面提供了一種有廣闊前景的新技術(shù)。本文的研究方法較上述新方法簡易,頗有異途同歸之感!茲將14年來的研究資料作一整理,草成此文,以供有關(guān)方面的參考、應(yīng)用,拋磚引玉,敬希有關(guān)專家、學(xué)者指正。1地殼上升速度丹霞地貌區(qū)地殼上升速度可用下式測算:Dv升=ht.(1)Dv升=ht.(1)式中,Dv升為地殼上升速度(m/10ka);h為階地采樣點至當(dāng)?shù)睾恿髌剿谒娴南鄬Ω叨?垂直高差,m);t為階地沖積層河漫灘相底部(相當(dāng)于古河流平水期水面)的樣品年齡(10ka)。如在貴州習(xí)水縣土城鎮(zhèn)赤水河第二級階地的河漫灘相粉砂層底部(相當(dāng)于古赤水河平水期水面)采樣,其相對高度應(yīng)是采樣點到今日赤水河平水期水面的高度,經(jīng)測高,其相對高度為33m,樣品的熱釋光年齡為28.06×10ka,代入(1)式計算,其地殼上升速度為1.18m/10ka。在這一部位采樣,其年齡大體相當(dāng)于該級河流階地沖積層年齡的平均值,標(biāo)志最為明顯(在河床相砂卵石層與河漫灘相粘土粉砂層的分界處稍上方的河漫灘相粘土粉砂層底部),相對高度的測量也最為簡易、準(zhǔn)確,有利于準(zhǔn)確計算地殼上升速度,在野外采樣時應(yīng)盡可能這樣做。1990年以來,筆者在粵、湘、桂、閩、浙、鄂、黔、川、渝、滇、贛等11個省區(qū)共采了48個樣品,并用上述方法測算其地殼上升速度,發(fā)現(xiàn)中國東南部的浙、閩、贛、粵、湘、桂諸省區(qū)(即陳國達(dá)所說的東南地洼區(qū))在第四紀(jì)后期的地殼上升速度平均為0.88m/10ka左右。在川南黔北地區(qū)云貴高原北緣的江津、合江、赤水、習(xí)水的地殼上升速度稍大些,平均值可達(dá)1.30m/10ka。四川盆地西部的樂山、安縣的地殼上升速度降為1.19~0.91m/10ka,地殼上升速度最大的是金沙江峽谷區(qū)(代表青藏高原東南緣)達(dá)3.52~4.18m/10ka。蘭州大學(xué)潘保田向筆者提供了甘肅蘭州地區(qū)、古浪縣沙溝河、青海共和龍羊峽及瑪曲等地河流階地的相對高度及其沉積層的年齡資料,經(jīng)筆者換算成地殼上升速度,蘭州地區(qū)為4.26m/10ka,古浪縣沙溝河(代表祁連山東南段北麓地區(qū))為2.91m/10ka。青?，斍鸀?5m/10ka,龍羊峽更達(dá)57~80m/10ka(代表青藏高原東北部)。上述可知,地殼的上升速度,在不同的大地構(gòu)造區(qū)是不相同的,其差別可以很大。2丹抗高度的計算丹霞地貌的年齡可用下式來計算:D齡=ΗDV升=Ηh/t.(2)式中,D齡為丹霞地貌的年齡(10ka);H為丹霞地貌的相對高度(m);Dv升、h、t的意義與(1)式同。據(jù)(2)式可計算出許多丹霞地貌年齡(表1)。3海相及內(nèi)坡下巖石工程序和巖石學(xué)特性丹霞地貌巖壁后退速度的計算可用下式表達(dá):Dv退=B/2Η/Dv升.(3)式中,Dv退為丹霞地貌巖壁后退速度(m/10ka);B為谷地兩側(cè)崖壁上緣之間的寬度(m);H為崖壁上緣至谷底河流平水期水面的相對高度(m);Dv升與(1)式同。如廣東丹霞山主山翔龍湖上游的大禾田谷地兩側(cè)谷坡的中、上部皆為丹崖。兩丹崖上緣相距650m,兩丹崖之間的谷底海拔為87m,兩崖頂邊緣海拔約為335m,故其相對高度為248m。已知丹霞山區(qū)地殼上升速度為0.87m/10ka(Dv升),代入(3)式計算,即可得到丹霞山主山東側(cè)的巖壁后退速度(Dv退)為1.14m/10ka。浙江新昌穿巖十九峰大圓墩下的千丈坑谷底海拔約85m,崖頂海拔約260m,故其相對高度為175m,兩崖頂之間的寬度為250m。已知新昌地區(qū)的地殼上升速度為0.86m/10ka,把以上數(shù)據(jù)代入(3)式計算,可算得新昌千丈坑大圓墩附近的巖壁后退速度為0.61m/10ka。巖壁后退速度與巖石的物質(zhì)組成、節(jié)理及其他裂隙的發(fā)育有關(guān),也與當(dāng)?shù)氐牧魉治g(主要是側(cè)蝕)、地面坡度等因素有關(guān)。所以在同一地區(qū)內(nèi)的巖壁后退速度不可能相同。而同一巖壁在不同歷史時期的后退速度也不可能一致。所以在同一地區(qū)要多作幾處測算,以便較全面了解其后退速度及探究其成因。4地殼上升速度m/10ka丹霞地貌區(qū)的侵蝕速度,可用下式計算:Dv蝕=ALΗ/Dv升=VΗ/Dv升.(4)式中,Dv蝕為丹霞地貌區(qū)侵蝕速度(m3/10ka);A為丹霞地貌形成過程中被蝕去的斷面面積(m2);L為丹霞地貌侵蝕區(qū)長度(m);V為丹霞地貌被蝕去的體積(m3);H為丹霞地貌區(qū)相對高度(m);Dv升為地殼上升速度(m/10ka)。如浙江新昌縣千丈坑下段谷底平均寬度為50m,平均高度為175m,谷頂寬度為250m,按梯形計算其斷面面積為26250m2,現(xiàn)設(shè)千丈坑下段的長度為1000m,則其體積為2625×104m3,已知該千丈坑深度為175m,地殼上升速度為0.86m/10ka,把這些數(shù)據(jù)代入(4)式,則可得到千丈坑下段1km范圍內(nèi)的侵蝕速度為12.9×104m3/10ka。根據(jù)大比例尺地形圖算得粵北丹霞山蕉沖巖谷地被蝕去的體積為2153.75×104m3,該谷地邊緣最高海拔為278.1m,谷地出口處最低海拔為125.0m,相對高度為153.1m,已知丹霞山區(qū)地殼上升速度為0.87m/10ka,把這些數(shù)據(jù)代入(4)式計算,則可得到該谷地的侵蝕速度為122388.15m3/10ka。5采樣點高度與高度的關(guān)系本方法是以河流階地年代學(xué)從定性到定量來研究地殼上升速度、地貌年齡、巖壁后退速度及侵蝕速度的一種方法,是地貌學(xué)一項較重要的研究課題。這里所說的河流階地,是指有基巖基座,基座上有古河流沖積層二元結(jié)構(gòu)(下層為河床相砂卵石層,上層為河漫灘相粘土粉砂層)的確說明地殼上升、河流下切的階地,而不是冰期、間冰期形成的內(nèi)疊或上疊堆積階地。這種方法可以較快找到采樣地點,較快采到階地沖積層中相當(dāng)于古河流平水期水面的樣品及分析出它的年齡,而且分析費(fèi)用較低。在采樣的同時就可以測到采樣點相對高度(最好用水準(zhǔn)儀或黃進(jìn)制造的丹霞牌測高儀。該儀器的測高誤差為±0.03~0.5m),所以能較快算出地殼上升速度、地貌年齡。如有必要,還可以算出巖壁后退速度及侵蝕速度。這種方法還可以應(yīng)用到非丹霞地貌區(qū),也可以測到河流階地的變形。這些都是這種方法的優(yōu)點。但這種方法也存在較重大的缺點,主要是常常采不到與要測算地貌年齡的地貌相同高度的樣品,如我們所采的48個樣品中除了10個樣品的采樣高度與所要測算年齡的地貌高度相同或較為接近以外,其他都是根據(jù)高度較低的階地樣品年齡來推算較高地貌的年齡,使人感到依據(jù)不充分或很不充分。雖然丹霞地貌都是在地殼上升條件下形成的,但在采樣點所測到的地殼上升速度比其先前的地殼上升速度有可能接近,也有可能快些或慢些。所以根據(jù)現(xiàn)在采樣點所求得的地殼上升速度來推算較高或高得多的地貌年齡,確是存在著較大問題,但總算還是有一定的依據(jù)。在不少情況下,有一點真實的依據(jù)也是十分寶貴的,而且其地殼上升運(yùn)動的方向是相同的,只是其上升速度有可能快些或慢些,甚至有可能是近似的,比那些沒有依據(jù)的瞎猜或說不知道要好得多。這是目前的現(xiàn)實情況,不得不繼續(xù)這樣做。所以必須盡可能采到較高的樣品,采準(zhǔn)、采好每一個樣品,并盡量測準(zhǔn)其相對高度。但河流階地在高溫多雨、植被茂盛的地區(qū),其高度越高,則保存越差,以致完全失去它的沖積層。在干旱地區(qū)情況則要好得多。1990年8月,筆者在甘肅祁連山區(qū)的肅南縣城目睹梨園河有六級以上的河流階地,最高一級階地的相對高度已達(dá)500m左右,而其階地基座及其上的沖積物仍很清晰。但河流階地總是隨相對高度的增加而逐漸模糊不清,給這種方法帶來困難。宇宙成因核素對于確定曝露、埋藏和沉積年齡,估計風(fēng)化-侵蝕速率,探討各種地表過程等都有極大優(yōu)勢,也已于上世紀(jì)90年代在我國作了介紹。但這種方法也存在不少問題。一是由于技術(shù)的限制(主要是加速器質(zhì)譜技術(shù)—AMS)及費(fèi)用昂貴,至今在我國只有極少數(shù)學(xué)者應(yīng)用;二是準(zhǔn)確確定宇宙成因核素生成速率是一件很困難的事,它的生成受到宇宙射線通量的控制,而宇宙射線通量又受到地球磁場強(qiáng)度的控制,地球磁場在地質(zhì)歷史時期又是變化的,因而不能視一個地點宇宙成因核素生成速率為常量,因而成為具體應(yīng)用中誤差來源的一個主要部分;三是地面的傾向、傾角與地面接受宇宙射線的多寡有密切關(guān)系,需要進(jìn)行校正才能獲得準(zhǔn)確的核素生成率;四是所采樣品在暴露接受宇宙射線之前是否會有早期的核素,所采樣品在暴露之后是否又有沉積物的覆蓋,都會影響到樣品的核素含量和分析結(jié)果。此外,用長