晚第四纪构造与气候控制下的金沙江支流巴楚河阶地序列*

刘妮娜 田开飞 刘 博 温 凯

（1.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室 西安 710054；
2.长安大学地质工程与测绘学院 西安 710054；
3.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 合肥 230000）

构造作用和气候变化是阶地形成的直接原因。在构造隆升区，隆升为河流下切提供驱动力，为阶地发育提供空间；
此外，气候变化控制河流阶地堆积— 下切过程的转换（Chambers， 1848；
Tylor，1869）。河流阶地的形成过程分析可以反映研究区域构造隆升、气候变化的历史（Pan et al.，2013；
胡春生，2014；
Zheng，2015；
贾丽云等，2017；
田晴映等，2017）。另外，记录晚第四纪高原隆升变形过程最为直接的地质证据是层状地貌面（夷平面、剥蚀面、河流阶地），其中以河流阶地面最为典型，它是地壳阶段性抬升的结果，其形成能够比较准确地记录地面的抬升历史（Burbank et al.，1996）。

巴楚河隶属于金沙江流域，地处青藏高原东南缘，两岸阶地发育。前人对金沙江流域其他河段的研究发现金沙江现代河谷形成的主要动力是“昆仑—黄河运动”，金沙江现代河谷—水系的演化受青藏高原阶段性隆升的控制（Cunha et al.，2008；
杨达源等，2008；
苏怀等，2013；
董铭等，2018；
刘芬良，2018；
刘芬良等，2020）。对巴楚河阶地的形成过程的分析为研究第四纪以来青藏高原的隆升及其向周边的扩展提供了天然场所，对该地区金沙江水系形成过程的研究也具有重要补充作用。

目前对全新世以来青藏高原的隆升变形过程的研究大多集中在青藏高原周缘的活动造山带内，而对于高原内部的隆升过程和隆升速率的研究涉及较少，尤其是全新世以来的高原隆升情况。因此本文选择高原内部的金沙江支流巴楚河作为研究对象，主要通过河流两侧的地貌的形成演化过程反映高原的隆升和变形过程。对巴楚河河流阶地的分析研究与对比，一方面可以明确巴塘地区地貌演化、气候变化以及构造运动之间的相互联系，另一方面可以补充青藏高原隆升过程的研究。

四川省巴塘地区位于川藏两省的交汇地带，地处素有中国“地质百慕大”之称的松潘—甘孜造山带西南缘与三江造山带东部的金沙江缝合带。在构造上，晚古生代至中生代早期显示出复杂的转换会聚运动（潘桂棠等，1997；
王立全等，1999），发育多条大型深部断裂控制着该地区的构造活动，近似南北展布（陈炳蔚等，1982；
尹功明等，2022）（图1）。图1 中浅黄色区域为图2 的研究范围。

图1 青藏高原东南缘构造分布（据邓起东等，2002）Fig.1 Structure distribution on the southeastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau（after Deng et al.，2002）

图2 研究区概况Fig.2 Overview of the study area

研究区位于四川省甘孜州巴塘县，地处青藏高原的东南缘（图2）。在自然地理位置上，巴塘县位于金沙江水系的河谷地带。由于横断山脉的影响，研究区呈现出东高西低，北高南低的趋势。该地区降雨量变化较大，呈现出北多南少的特点，年降雨量一般为200～650 mm。区内气温在13.8 ℃～16.0 ℃范围内，以大陆性季风气候为主，海拔自北向南依次降低。研究区主要断裂为巴塘断裂，呈NNE 向展布，为右旋走滑的全新世活动断裂。区内普遍出露古生代、中生代以及新生代的多组地层。新生代以后，该区进入到一个相对稳定统一的发展阶段。第三纪地层广泛分布于大型分支流域地区，以山间河谷盆地沉积为主，而第四纪的地层岩性则以冲积、洪积的砾石、粉砂、粘土等为主。在研究区将巴楚河河流阶地划分为北、中、南3部分研究，选择北段孔打伙村处阶地（L1剖面）、中段扎金顶处阶地（L2 剖面）、南段茶雪村处阶地（L3 剖面）为代表，对巴楚河巴塘段河流阶地进行详细勘查研究（图2）。

2.1 巴楚河河流阶地特征分析

首先通过详细野外勘查、高精度无人机测绘（大疆精灵4RTK）等手段，对研究区进行大面积地形测绘、区域追踪和划分，查明巴楚河巴塘段阶地分布情况，并对河流阶地的空间分布，阶地拔河高度，阶地剖面的沉积特征进行详细描述。各级阶地的拔河高度的确定通过ArcGIS 软件对无人机测绘所得DEM 数据进行处理。以巴塘段巴楚河起点与终点之间连线作为投影线，对已经确定阶地序列的河流阶地选取适当的线段，将选取的线段投影到投影线上，进行筛选，留下一个代表此处阶地的高程点。整理所选择的阶地高程点，绘制出巴楚河巴塘段各阶地拔河高度的纵剖面图。

2.2 年代测序方法

根据研究区河流阶地上沉积物的风化程度、胶结物的胶结等特征，推测T1～T4 阶地主要形成于晚更新世（Qp3）以来。因此选择宇宙成因核素测年、光释光测年（OSL）等年代学方法。各剖面取样位置如图6～图8 所示。

T1～T3 堆积阶地，采用OSL 测年方法。样品采集自剖面顶部自上而下进行。采样时，刨去剖面最外层可能曝光或扰动的土体，使新鲜面出露。用锤子将带有刀口的钢管一端锤入土层，取到足够样品后，旋转拔出钢管，迅速用黑色塑料袋封住，确认不会泄漏后，用锡纸将整个钢管包裹住，为所取样品编号。共取得OSL 年代样品5 件，其中，T1、T2 阶地所取样品均为2 件，T3 阶地所取样品为1件。典型取样位置剖面与样品照片如图3a、图3b 所示。

图3 OSL 和10Be 采样位置与样品Fig.3 OSL and 10Be sampling position and sample

在T4 基座阶地，采用宇宙成因核素测年。宇宙成因核素测年与14C 等传统测年方法相比，能够直接测出地表岩石的年代，而且所测结果更接近地质体的形成年代。取样时，采集对象选择暴露在地表含石英矿物的大砾石（尽量未经滚动或开裂），通过采集大砾石表层含石英成分的岩石样品（直径大于2 cm）用于地面暴露测年，所取岩石样品总重量应大于1 kg，使结果更贴近实际。取样点位于巴楚河最高级阶地扎金顶上，取样位置与样品照片如图3c、图3d 所示。随后在实验室内将采集的10Be 样品进行粉碎、过筛，选取粒径大小在0.25～0.5 mm 之间的岩石颗粒，再对样品中的石英进行挑选、溶解和制靶，在中国科学院地球环境研究所的加速质谱仪（AMS）中进行测定。

3.1 巴楚河河流阶地空间展布

巴楚河巴塘段共发育有4 级阶地，为T1～T4阶地，在河谷东岸部分地区基岩出露（图4）。其中，P1 为基岩出露地区。R1 为巴楚河流域，R2为其支流。巴楚河第一级阶地（T1）和第二级阶地（T2）从巴塘南段延伸到北段广泛发育，第三级阶地（T3）在巴塘县零星发育，第四级阶地（T4）仅在巴塘县扎金顶处发育。T1～T3 阶地为堆积阶地，由沉积物特征分析，阶地形成时代为晚第四纪。T4 阶地为基座阶地，基岩出露，岩性为大理岩，风化程度高，上覆河流相沉积。

图4 巴楚河巴塘段各级阶地空间分布Fig.4 Spatial distribution of terraces in Batang section of Bachu River

河流阶地的拔河高度是确定阶地下切速率的重要参数，巴楚河巴塘段的各级河流阶地拔河高度略有差异。通过研究方法绘制出巴楚河巴塘段各阶段拔河高度的剖面图（图5）。由图可知，巴塘巴楚河海拔在2 470～2 550 m 范围内，T1、T2、T3 阶地高差不大，阶地平均拔河高度分别为8.5 m、20 m、35 m，T4 阶地仅在扎金顶所见，阶地平均拔河高度约为120 m。

图5 巴楚河巴塘段各阶地拔河高度纵剖面Fig.5 Elevation longitudinal profile of each terrace in Batang Bachu River

3.2 巴楚河河流阶地沉积特征

在巴楚河巴塘段内，河流阶地发育。为详细探究河流阶地的沉积发育特征，对所选择的3 处野外勘查点进行详细研究（图2b），这3 处共同组成了巴楚河巴塘段河谷地貌区。以下内容为3 处勘查点的河流阶地序列和沉积特征。

在北段孔打伙村处，发育有三级河流阶地（图6），东岸阶地序列比西岸发育完整连续，每级阶地上覆盖层厚度有差异。通过实际测量，西岸T1、T2阶地拔河高度分别为6 m、22 m，东岸T1、T2、T3 阶地拔河高度分别为8 m、24 m、35 m，可以看出东岸阶地拔河高度比西岸高约2～3 m。

图6 巴塘巴楚河北段L1 剖面河流阶地Fig.6 River terrace in section L1 of northern section of Batang Bachu River

孔打伙村处各级阶地剖面的组成为现代耕植层、砂层、砂砾石层、砾石层。现代耕植层被大量植被与农作物覆盖，多为人工填土层，厚约1 m；
砂层主要由粗砂—细砂组成，主要成分为石英与长石，砂层中夹杂部分砂砾石，磨圆度较差，粒径大小为2～10 cm；
砂层厚度约为3～8 m。T2、T3 阶地有较厚粘土层，细颗粒粘土矿物夹杂大量红棕色细砂，厚约2～4 m。各级阶地下部有砂砾石层、砾石层。砂砾石块中夹杂着胶结一般的粘土与小砾石，直径约2～8 cm；
砾石层中较大砾石块夹杂小砾石与松散细砂，胶结良好，砾石磨圆度一般，分选较差，直径多为5～15 cm，部分可达30～40 cm，岩性主要为花岗岩、大理岩等。从沉积结构分析，T1～T3 阶地为河流堆积而致，为堆积阶地。

巴塘县中段扎金顶处剖面发育有三级河流阶地，南岸发育T2、T4 阶地，北岸仅发育T1 阶地，缺失T3 阶地。野外勘查发现，该区域T4 阶地保存完整，高度在110 m 以上，基岩出露，存在严重的剥蚀冲刷，导致T3 阶地因冲刷剥蚀而缺失。通过实际测量，T1、T2、T4 阶地平均拔河高度分别为8 m、24 m、120 m。阶地序列发育连续性差，地处巴塘县城附近，建筑物较多，人工改造痕迹明显，阶地横剖面图如图7 所示。野外实地勘查，T1、T2 阶地的物质组成主要由现代耕植层、砂层、砂砾石层组成。其中，砂层多为细砂，粒径比北部孔打伙村观察点略细，夹有部分砾石。T2 阶地有较厚粘土层，沉积物性质与孔打伙村相似；
T4 阶地上部堆积物为粘土、砂砾石等，下部出露基岩层，多为大理岩，风化程度较高，呈灰色、灰黑色，中粒粒状结构，厚层状构造，节理发育，较稀疏，未见底。从沉积相分析，阶地T1、T2 为堆积型阶地，为河流堆积而致。T4 阶地为基座阶地。

图7 巴塘巴楚河中段L2 剖面河流阶地Fig.7 River terrace in L2 section of the middle Batang Bachu River

巴塘县南段茶雪村处剖面发育有连续三级河流阶地，东岸发育有连续的T1、T2、T3 阶地。实际测量查明，茶雪村处发育的T1、T2、T3 阶地拔河高度分别为10 m、20 m、35 m。阶地序列发育完整，剖面点出露好，阶地横剖面图如图8 所示。各级阶地主要由现代耕植层、砂层、砂砾石层组成。现代耕植层，为人工填土；
砂层，多为细砂，主要成分为石英与长石，粒径较小，较为松散，新鲜面呈浅红色，含有少量砾石；
砂砾石层，分选和磨圆度一般，直径约3～10 cm；
砾石层，较大砾石块夹杂小砾石与松散细砂，胶结良好，磨圆度一般，分选较差，直径多为10～15 cm，部分可达30 cm，砾石成分复杂。

图8 巴塘巴楚河南段L3 剖面河流阶地Fig.8 River terrace in L3 section of southern section of Batang Bachu River

3.3 年代测序结果

两种测年方法所得结果如表1 所示，各测年样品时代晚于更新世，阶地测年样品大致可以代表该级阶地形成时代。T1 阶地形成时代约为1.7±0.1 ka，T2 阶地形成于2.3±0.21 ka，T3 阶地形成时代约为4.5±0.5 ka，T4 阶地形成时代约为62.3±2 ka之后。

表1 巴楚河巴塘段各级阶地年代和测年方法Table 1 Dating and dating methods of four terraces in Bachu River

3.4 河流下切速率

河流下切速率是理解区域构造、气候演化过程及其相互关系的一个重要指标。为了获得河流下切速率，采用第四纪测年方法来重新构建河道的下切历史（苏怀等，2013）。构造抬升对局部河道梯度的影响会导致河流水动力条件的变化，而河流行为的改变受制于河流的水动力条件。因此，可以用河流剖面作为测定地表隆升的基准，并通过测定局部基座面与现在基岩河道之间的高度差来获得河流下切速率。得出巴楚河T1～T4 阶地下切速率分别为5.00±0.85 m/ka、8.70±1 m/ka、7.78±0.7 m/ka、1.93±0.6 m/ka。

为探究河流阶地在研究区下切速率的变化，将阶地拔河高度与阶地形成年代所绘制而成的散点图进行线性拟合（图9），确定系数R2为0.94，拟合效果较好。由图可知，巴楚河T1、T2、T3 级阶地拔河高度与阶地年代关系近似为一条直线，从4.7 ka 到1.7 ka 的平均下切速率为V2= 7.05 m/ka，而从62.3 ka到4.5 ka的平均下切速率为V1=1.47 m/ka。

图9 巴楚河阶地拔河高度与形成年代线性关系Fig.9 Linear relationship between tug-of-war height and formation age in Bachu River terrace

4.1 巴楚河河流阶地成因分析

河流阶地的形成受控于不同时空尺度上构造抬升、 气候、 基准面变化（Schumm， 1993；
Vandenberghe，1995；
Maddy，1997）或河流系统内在动力的变化（Schumm，1973）。在轨道尺度（地貌尺度）上，构造运动和气候变化共同作用驱动阶地的形成已经逐渐成为学界的共识，即区域的构造隆升为河流的下切提供了垂直空间，气候变化则通过流域降水、植被覆盖度等变化影响河流的径流和泥沙量，从而控制河流的侵蚀与堆积过程（Gao et al.，2017；
巨大立等，2023）。巴塘断裂带北段沿巴楚河展布，在巴塘扎金顶以南则顺着金沙江河谷向南延伸远离巴楚河流域，在南段与巴楚河呈平行排列。野外勘查发现，在孔打伙村以北，巴楚河东岸比西岸阶地发育连续性好，东岸阶地拔河高度较西岸高约2～3 m。前人研究了巴塘断裂北支的陡坎高度、垂直滑动速率和周围洪积扇测年（梁朋，2015；
黄伟亮等，2022；
杨志华等，2022）。将其与巴楚河北段两岸阶地高差和阶地年代对比，可知巴楚河北段河流阶地发育受到巴塘断裂活动控制作用明显。在扎金顶和茶雪村处勘查点调查河流两岸阶地拔高和发育情况，表明巴塘断裂对河流阶地的控制作用减小。

对比来自鹤庆盆地印度季风指数和全球的气候变化资料（Nilsson，1983；
Lisiecki et al.，2005；
An et al.，2011）（图10），结合前人（易朝路等，2005）在2005 年总结的冰期划分表（表2），与巴楚河河流阶地形成时代进行对比。对比可知，巴楚河T1 阶地发育时期大致对应新冰期Ⅲ阶段之后，T2 阶地发育时期与新冰期Ⅱ阶段大致对应，T3 阶地发育在末次冰期Ⅳ与新冰期Ⅰ之间的间冰期，T1、T2、T3 级阶地发育时期均对应于深海氧同位素（MIS）的1 阶段。T4 阶地发育时期对应于MIS 的4 阶段。

表2 全球冰期划分与深海氧同位素表Table 2 Global glaciation and deep sea oxygen isotope table

图10 巴楚河河流阶地形成发育时代与区域和全球气候对比深海氧同位素曲线据Lisiecki et al.，2005；
ISM index（印度季风指数）曲线据An et al.，2011Fig.10 Comparison of river terrace formation times with regional and global climate in Bachu River

河流系统的沉积对于构造运动和气候变化的响应十分敏感。在多期隆升区，构造抬升引起河流下切能力增强，形成构造成因的多级阶地。同样，当气候变化，降雨增加，河流的径流量增大，使得河流水动力增强，河流下切；
当气候再次变化，降雨减少，河流的径流量减小，河流水动力减弱，河流沉积物堆积，形成阶地。从气候指数对比可知（图10a），巴楚河T1、T2 级阶地形成于冰期—间冰期过渡阶段，形成时代的气候为由冷转暖的时期，该时期降雨量增大，阶地下切受气候因素影响较大。巴楚河T3 级阶地发育时期为4.5 ka，属于全新世中期，这一时期全球曾经发生了一起重要的气候变化事件——全新世大暖期（Nilsson，1983）。该时期区域气候处于温湿环境中，降雨增多，故推测该时期巴楚河河流径流量增大，气候适宜，植被发育较好，泥沙供应量低，导致河流发生下切，T3 阶地形成发育。这也与祁连山部分河流全新世阶地成因相对应（胡小飞等，2013；
田晴映等，2017）。巴楚河T4 阶地形成时期为末次冰期（图10b），该时期地域气候变化不明显，T4 阶地堆积时期和下切形成阶地时受气候因素制约较小。所以T4 阶地河流下切速率缓慢，进入全新世后，在气候变化的影响下，河流下切速率显著增大。因此，对于巴楚河河流阶地，T1、T2、T3 与气候变化关系显著，T4 阶地受气候影响不明显。同时，巴楚河两岸的不对称分布，存在多级较大高差阶地的发育等情况。故认为巴楚河阶地的形成发育受到构造运动和气候变化的共同制约作用。其中，T1、T2、T3 阶地形成的主导因素为气候变化，T4 阶地形成的主导因素为构造抬升。

4.2 巴楚河河流阶地对青藏高原隆升的响应

欧亚板块和印度板块碰撞导致的青藏高原隆升是地质历史上的重大事件，这对新生代以来全球气候变化、亚洲环境变化及许多地质过程都有着重大影响（潘裕生，1999）。自第四纪以来，在青藏高原剧烈抬升的大构造背景下，中国大陆地区地貌强烈变化，不同规模的河流阶地同期发育。

目前，对于全新世以来青藏高原的隆升历史与阶段的争论依然十分激烈。肖序常等（1998）在大量研究成果的基础上，对青藏高原自新生代以来的隆升速率演化阶段进行了划分（图11）。本文将此划分与巴楚河阶地形成时代和阶地下切速率进行对比。

图11 青藏高原隆升速率与巴楚河下切速率对比Fig.11 Comparison of the uplifting rate of the Qinghai-Tibet Plateau and the downcut rate of the Bachu River

由图可知，青藏高原自上新世晚期开始进入了快速隆升时期，在全新世达到顶峰。根据前文计算得巴楚河河流各级阶地的下切速率代替巴塘地区地表隆升速率，可以发现与图中青藏高原各阶段隆升速率耦合。特别是对于T4 阶地，该阶地发育主要受构造抬升控制，与青藏高原同时期东段的隆升速率吻合度较高。对比结果表明，巴楚河对青藏高原隆升具有良好的指示作用。因此，可以判断青藏高原的隆升速率自更新世以来存在一个由慢到快再到慢的过程，大约在全新世中期时隆升速率达到顶峰。这一结论为青藏高原全新世中期气候和地质构造的变化提供了一定的研究依据。

通过对四川省巴塘县内巴楚河两岸河流阶地进行野外实地考察、无人机测绘、样品采集和室内测年分析，总结巴楚河河流阶地序列和发育特征，得到巴楚河河流各级阶地序列、沉积特征和形成时代，构建该阶地的年代框架，并分析巴楚河阶地成因，同时探讨其与青藏高原隆升的响应关系，所得结论如下：

（1）由野外地质调查与实测高分辨率DEM 资料解译，查明了巴塘巴楚河共发育有四级河流阶地。其中，T1、T2、T3 阶地为堆积阶地，T4 阶地为基座阶地。

（2）巴塘巴楚河T1、T2、T3 河流阶地属于全新世阶地，形成时代分别为1.7±0.1 ka、2.3±0.2 ka、4.5±0.5 ka；
T4 级阶地属于晚更新世阶地，形成年代为62.3±2 ka 之后。

（3）巴楚河阶地的形成发育是构造运动与气候变化共同作用的结果，构造抬升为阶地的形成提供了垂直空间，气候变化驱动阶地的形成。其中，影响T1、T2、T3 阶地形成的主要因素为气候变化，T4 阶地形成的主导因素为构造运动。

（4）青藏高原的隆升速率自更新世以来存在一个由慢到快再到慢的过程，全新世的隆升速率明显加快，大约在全新世中期时隆升速率达到顶峰。这一结论为青藏高原全新世中期气候和地质构造的变化提供了一定的研究依据。

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