金沙江虎跳峽段末次冰盛期以來滑坡堵江—潰壩洪水事件研究

童康益，王 萍

（1. 上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072；2. 中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

長江上游金沙江，自發(fā)源地流經(jīng)青藏高原的東南緣河道發(fā)生近120°大拐彎，美譽(yù)“長江第一灣”，下游約50km穿過海拔5396m與5596m的哈巴雪山與玉龍雪山，形成世界上最壯觀的大峽谷——虎跳峽（圖1）。“長江第一灣”和虎跳峽的獨(dú)特地貌包含著青藏高原階段性隆升、云貴高原形成演化及水系變遷等重要信息，一直是地學(xué)界研究熱點(diǎn)[1-6]。在以往的研究中，重點(diǎn)圍繞獨(dú)特地貌的成因、年代及其對(duì)長江河谷演化的指示意義等展開了大量工作[7-15]。但關(guān)于長江第一灣和虎跳峽獨(dú)特地貌對(duì)構(gòu)造活動(dòng)與氣候變化的指示意義的研究成果仍然存在很大分歧[16-26]，其中有關(guān)河谷演化中沉積記錄及其年代的缺少，是長江歷史演化問題復(fù)雜性的瓶頸之一。2019年我們對(duì)金沙江其宗村—大具盆地段階地沉積進(jìn)行了沉積學(xué)分析和年代學(xué)樣品測試，獲得的階地的OSL年齡，為河谷演化提供了一定程度的時(shí)間約束，其成果將有助于河流地貌過程的重建以及對(duì)構(gòu)造活動(dòng)與氣候變化指示意義的探討。

盡管前人對(duì)金沙江虎跳峽段河谷沉積開展了相應(yīng)工作，卻多局限在對(duì)該段河谷單一沉積相的識(shí)別及對(duì)應(yīng)年齡上，缺乏各沉積相之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。本文運(yùn)用“堰塞湖—堰塞壩—潰壩堆積”三位一體的沉積體系思路[27-28]，對(duì)金沙江虎跳峽段河谷區(qū)出露的階地地層的觀測成果、典型剖面OSL測試成果及堰塞—潰壩事件進(jìn)行分析研究。

圖1 金沙江虎跳峽段區(qū)域位置和采樣位置圖Fig.1 The study regional and sampling position of Hutiaoxia section of Jinshajiang river

1 河谷地貌特征

金沙江其宗—大具河段河谷地貌和沉積的分段性特征明顯，其宗—兩家人段河谷較寬，坡降平緩，邊灘、心灘發(fā)育，來自支溝的沖積扇堆積于河谷兩岸，其宗至石鼓鎮(zhèn)的兩岸可見多級(jí)河流階地，湖相沉積少見；湖相地層主要出露于石鼓鎮(zhèn)—龍?bào)脆l(xiāng)河段。在龍?bào)脆l(xiāng)—兩家人河段發(fā)育大量的混雜堆積體，虎跳峽峽谷段為典型的峽谷地貌，地勢險(xiǎn)峻，較少發(fā)育堆積體，局部地段沉積崩滑塌物質(zhì)。出峽口的大具盆地，發(fā)育大量沖洪積物，為典型潰壩洪水堆積層，形成不同拔河高度的多級(jí)階地。

1.1 河流階地和湖相沉積

（1）河流階地

T0拔河高度5～8m，為河流正在下切形成的高漫灘階地。發(fā)育厚度不等，受河谷開闊程度影響，比如在其宗村、雞公石地勢狹窄，發(fā)育厚度分別約3m、2m，而在石鼓鎮(zhèn)（圖2）發(fā)育厚度可達(dá)5m。成分主要由褐色中細(xì)砂組成，主要分布于河谷相對(duì)寬闊的倉覺村（圖3）、雞公石、石鼓鎮(zhèn)、金江鎮(zhèn)、楊家村等地。

圖2 金沙江石鼓鎮(zhèn)河流階地T0露頭及剖面圖（a. 石鼓鎮(zhèn)三級(jí)階地鳥瞰圖;b. 石鼓鎮(zhèn)T0露頭及采樣位置）Fig.2 Outcrop and proflie of river terrace T0 in Shigu town, Jinshajiang river

T1拔河10～20m，厚約5～8m，河流階地普遍具有較好的二元結(jié)構(gòu)，底部礫石層厚度2～4m，礫石磨圓較好，分選性自上游往下游有變好的趨勢；頂部主要為薄層狀黃褐色砂層。分布于寬谷的倉覺村、其宗村（圖3）、雞公石、金江鎮(zhèn)、八叉灣、石鼓鎮(zhèn)、拉馬洛上村、新仁村、楊家村等地。

T2拔河～25m，厚約5～10m，與T1類似，T2普遍也普遍發(fā)育二元結(jié)構(gòu)，上部以黃褐色、灰白色的中細(xì)砂為主；下部礫石層磨圓和分選均較好，自下而上粒徑由粗變細(xì)，礫石大小由數(shù)厘米漸變?yōu)閿?shù)毫米。分布于倉覺村、其宗村（圖4）、雞公石、金江鎮(zhèn)、新華村、石鼓鎮(zhèn)、楊家村等地，很好的覆蓋于T1階地之上。

（2）湖相沉積

長江第一灣—龍?bào)脆l(xiāng)河段，通過野外踏勘、綜合分析，我們發(fā)現(xiàn)該段河谷地貌特征為：河谷寬闊，階地以湖相沉積為主、具水平層理，沉積物以粉砂黏土質(zhì)為主夾有少量螺殼，與石鼓鎮(zhèn)上游約10km麻子溝的黃土沉積具明顯差異；根據(jù)湖相沉積發(fā)育的拔河高度，劃分I、II兩期（～15m和～25m）湖相沉積，以楊家村（26.8931°N，100.0077°E）剖面最為典型（圖5）；兩期湖相沉積發(fā)育均在龍?bào)脆l(xiāng)附近消失。

圖3 金沙江其宗村河流階地T0與T1露頭及剖面圖（a. 其宗村三級(jí)階地鳥瞰圖; b. 其宗村T1露頭及采樣位置; c. 倉覺村T0露頭及采樣位置）Fig.3 Outcrop and profile of terrace T0 and T1 of Qizongcun river in Jinshajiang river

圖4 金沙江其宗村河流階地T2露頭及剖面圖（a. 其宗村三級(jí)階地鳥瞰圖; b.其宗村T2露頭; c. 其宗村T2采樣位置）Fig.4 Outcrop T2 and profile of Qizongcun river terrace in Jinshajiang river

第I期湖相沉積出露于八叉灣—龍?bào)脆l(xiāng)長約35km的河段，拔河高度約15m。楊家村剖面發(fā)育厚度約4m，為黃褐色的粉砂黏土質(zhì)為主，并采集了該湖相層的OSL樣品SG18-44/45/46，進(jìn)行年代學(xué)研究（圖5b）。楊家村湖相層向上游，沉積粒度有增大、厚度減小趨勢，在野外踏勘過程中，最后發(fā)現(xiàn)湖相沉積在八叉灣附近，再往上游為河流相沉積特征，由此認(rèn)為第I期相湖相沉積變?yōu)槿牒侵蕖恿飨喑练e位置在八叉灣（圖13）。從河谷沉積和地貌特征來看，第I期相湖相沉積與階地T1呈相變關(guān)系。

第II期湖相沉積出露于拉馬洛上村—龍?bào)脆l(xiāng)，長約25km范圍，拔河高度約25m，厚4～8m，自發(fā)育上游向下，陸續(xù)在拉馬洛上村、新仁村、楊家村發(fā)育，至龍?bào)脆l(xiāng)湖相地層消失。沉積相特征發(fā)現(xiàn)，拉馬洛上村為第II期湖相和河流相T2漸變位置（圖13）。以龍?bào)脆l(xiāng)上游約20km楊家村附近剖面最為典型，發(fā)育厚度約4m，主要由粉砂、黏土組成（圖5a），局部有螺殼發(fā)育。并采集了該湖相層的OSL樣品SG18-47/48/49/50，及螺殼樣品C-SG18-2（圖5a）。

總體上，兩期古湖相層的厚度自龍?bào)脆l(xiāng)向上游呈現(xiàn)逐漸變薄的變化趨勢，并與上游河流相呈漸變過渡關(guān)系，反映在石鼓鎮(zhèn)—龍?bào)脆l(xiāng)段T1、T2階地實(shí)質(zhì)上為湖積階地。根據(jù)堰塞湖沉積具有厚度小、范圍不大、紋層不發(fā)育的特點(diǎn)，推測其淤堵時(shí)間有限。自龍?bào)脆l(xiāng)向下游，兩岸沒有發(fā)現(xiàn)湖相地層分布，古堰塞壩的堵江位置作者認(rèn)為在龍?bào)脆l(xiāng)一帶。

圖5 金沙江楊家村湖相階地T1與T2露頭及剖面圖Fig.5 Outcrop and profile of T1 and T2 of Yangjiacun lake terrace in Jinshajiang river

1.2 堰塞壩沉積

在野外踏勘過程中，我們發(fā)現(xiàn)位于虎跳峽入峽口一帶，以龍?bào)脆l(xiāng)最為典型，兩岸有大量混雜堆積體出露，其中東岸發(fā)育厚度約80～110m，無分選，成分以灰?guī)r為主，底部發(fā)育次棱角狀巨礫，直徑50～110cm，東岸龍?bào)脆l(xiāng)出露混雜堆積的剖面堆積物層傾向南西西，傾角～30°（圖6），代表著3期滑坡事件。

結(jié)合Google Earth影像解譯和野外調(diào)查，顯示龍?bào)脆l(xiāng)拔河～200m發(fā)育有冰磧壟，由此我們認(rèn)為堵江事件的發(fā)生與玉龍雪山的冰川滑坡有直接的聯(lián)系。

在堰塞壩沉積后緣兩家人附近，局部發(fā)育～3m湖相沉積和～0.3m暗色的疑似湖底沉積物，頂部被沖積沉積物覆蓋，底部分別出露砂礫、粗砂和中砂（圖7）。結(jié)合龍?bào)脆l(xiāng)—上虎跳峽段地貌特征，均為崩塌滑坡形成的混雜堆積物，而局部的湖相沉積，為崩塌滑坡后造成堵江在局部地段形成的凹坑，形成的湖相地層。并采集了該湖相層的OSL樣品SG18-62/60，及其下部中砂OSL樣品SG18-57。

圖6 金沙江龍?bào)脆l(xiāng)滑坡事件剖面圖Fig.6 Landslide event profile of Longpan township, Jinshajiang river

圖7 金沙江堰塞壩后緣兩家人剖面圖Fig.7 Profile of Liangjiaren at the rear edge of Jinshajiang river dam

1.3 洪水堆積

虎跳峽至大具盆地河段，約4km范圍河段的河谷兩岸均發(fā)現(xiàn)了洪水堆積物，以大具盆地發(fā)育最為典型。野外調(diào)查時(shí)，大具盆地堆積體附近并沒有發(fā)現(xiàn)大型支溝，說明了這些堆積體物質(zhì)并非來自于支溝。礫石主要為輝巖、玄武巖和板巖，與上游龍?bào)脆l(xiāng)堰塞壩組分基本相同。成分為礫石層與粗砂小礫層韻律互層的沉積構(gòu)造（圖8-b和c），其特征為：由礫石、粗砂小礫石組成的粗粒層和細(xì)粒層呈現(xiàn)“細(xì)—粗—細(xì)”互層交替發(fā)育，構(gòu)成一個(gè)“旋回”，為近水平層理，部分剖面可見交錯(cuò)層理，沉積剖面中沒有細(xì)砂層及細(xì)砂層透鏡體發(fā)育。

堆積體剖面整體表現(xiàn)為流水堆積特征，具有礫石碎屑成分大小混雜、粒徑極不均勻，顏色以灰白—灰黃色，磨圓和分選較差等特征，說明其堆積過程是快速的、雜亂無章的。這種特殊的韻律互層構(gòu)造反映了堆積物的水動(dòng)力條件特征：粗粒層的沉積水動(dòng)力較強(qiáng)，反之，細(xì)粒層的沉積水動(dòng)力較弱。

2 光釋光測年

圖8 大具盆地洪水沉積剖面圖Fig.8 Flood deposition and profile of Daju basin

實(shí)驗(yàn)室測量儀器為Ris?TL/OSL DA-20釋光測量儀，樣品制備在暗室中進(jìn)行，將樣品管內(nèi)部的未暴露的沉淀物移至容器內(nèi)，用10%鹽酸和30%過氧化氫處理，分別除去碳酸鹽和有機(jī)物。從研究樣品中提取的粗粒石英顆粒（90-125μm）用于發(fā)光測量。使用Silkospray硅油將石英顆粒粘在圓形鋼片上。在用～20Gy的β劑量照射后，通過紅外（IR）激光二極管刺激檢查石英部分的純度，沒有觀察到來自石英部分的紅外刺激發(fā)光（IRSL）信號(hào)，表明石英部分中的任何長石污染物已被成功除去（圖9）。樣品測試在中國地震局地質(zhì)研究所光釋光實(shí)驗(yàn)室、中國計(jì)量院光釋光實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 OSL測年結(jié)果

本文通過年代學(xué)OSL實(shí)驗(yàn)共獲得20個(gè)樣品年齡，詳見表1、圖10。其中其宗村、石鼓鎮(zhèn)，指示河流相T0階地年齡的為0.48ka、0.42ka；指示河流相T1階地年齡的為1.10～7.94ka；指示河流相T2階地年齡的為10.53～16.07ka。楊家村兩期湖相沉積樣品測年結(jié)果，指示T1湖相階地（第I期堰塞湖）年齡為1.53ka；指示湖相T2階地（第II期堰塞湖）年齡的為11.50～14.01ka。兩家人局部湖相層樣品，指示龍?bào)脆l(xiāng)堰塞壩體形成年齡為18.49～21.25ka。大具盆地樣品測年結(jié)果指示了第II期堰塞湖潰壩后的堆積年齡為5.65～6.46ka。

圖9 樣品SG18-60粗顆粒石英預(yù)熱坪和劑量恢復(fù)預(yù)熱坪實(shí)驗(yàn)結(jié)果空心菱形代表每個(gè)單片的值，實(shí)心方塊代表平均值Fig.9 Plots of equivalent dose, recycling ratio and recuperation versus preheat temperature for coarse-grained quartz of sample SG18-60

3.2 古堰塞湖及堰塞壩的恢復(fù)

野外根據(jù)GPS獲得的湖相層出露范圍坐標(biāo)及海拔，利用ArcGIS10.2軟件提取30mDEM數(shù)據(jù)等高線，結(jié)合Google Earth影像，模擬恢復(fù)金沙江虎跳峽段I、II兩期古堰塞湖的發(fā)育范圍；同理，確認(rèn)造成金沙江堵江的壩體邊界，獲取龍?bào)脆l(xiāng)堰塞壩體等高線。古堰塞湖及龍?bào)脆l(xiāng)堰塞壩體位置、壩體大致形狀的恢復(fù)如同圖11所示。

4 討論

4.1 河流、湖相階地與潰壩洪水沉積的關(guān)系

4.1.1 空間上的關(guān)系

通過野外考察，我們識(shí)別出了3級(jí)河流階地（T0、T1、T2），兩期古堰塞湖（I、II）以及兩期古堰塞湖對(duì)應(yīng)的潰壩洪水沉積（①、②）（圖12）所示。

（1）3級(jí)河流階地拔河高度分別為～5m、～10m和～25m，最近的兩期古堰塞湖，拔河高度分別為～15m和～25m，第I期古堰塞湖沉積發(fā)育在八叉灣—龍?bào)脆l(xiāng)之間，在第I期古堰塞湖末端八叉灣附近，上游為河流相階地T1，推測在八叉灣為第I期古堰塞湖沉積與金沙江T1階地呈現(xiàn)相變的位置，由于地貌改造嚴(yán)重，未發(fā)現(xiàn)很好的野外相變照片；第II期湖相沉積范圍為拉馬洛上村—龍?bào)脆l(xiāng)河段，發(fā)育的拔河高度與T2河流階地基本保持一致，推測在石鼓鎮(zhèn)向下游的拉馬洛上村河流相向湖相發(fā)生沉積相的過度。

表1 虎跳峽段OSL樣品定年結(jié)果Table 1 Dating results of OSL samples in Hutiaoxia section

圖10 OSL測年結(jié)果及樣品采集剖面圖Fig.10 OSL dating results and sample acquisition profiles

圖11 金沙江2期堰塞湖發(fā)育范圍及堰塞壩位置Fig.11 Development scope and location of dam in Jinshajiang river phase 2 dam lake

（2）根據(jù)“堰塞湖—堰塞壩—潰壩堆積”三位一體的沉積組合思路，我們在堰塞壩下游尋找兩期古堰塞湖對(duì)應(yīng)的潰壩洪水沉積，發(fā)現(xiàn)在大具盆地發(fā)育多臺(tái)地、大范圍的洪水沉積。根據(jù)大具盆地多級(jí)階地地貌特征，不由猜測大具盆地T1、T2階地，為兩期龍?bào)脆l(xiāng)堰塞壩潰決后，形成的洪水堆積。

4.1.2 時(shí)間上的關(guān)系

通過OSL測年結(jié)果時(shí)間上分析如下：

（1）3級(jí)河流相階地（T0、T1、T2）對(duì)應(yīng)的形成年齡分別約為：0.45ka、1.10～7.94ka和10.53～16.07ka。湖相T1階地（第I期堰塞湖）年齡為1.53ka；湖相T2階地（第II期堰塞湖）年齡的為11.50～14.01ka。古堰塞湖Ⅰ形成年齡與河流相T1階地頂部年齡相當(dāng)，指示了虎跳峽段第I期堰塞湖形成年齡約1.53ka。古堰塞湖Ⅱ形成年齡與河流相T2階地形成年齡相當(dāng)。

（2）兩家人地區(qū)局部湖相層樣品測年結(jié)果，指示了龍?bào)脆l(xiāng)堰塞壩體在18.49～21.25ka期間已經(jīng)存在。

圖12 “堰塞湖—堰塞壩—洪水堆積”三位一體剖面和階地相位圖Fig.12 Trinity profile and terrace phase map of weir lake-weir dam-flood accumulation

（3）前人對(duì)大具盆地洪水堆積階地T3、T4、T5階地的年代學(xué)測年結(jié)果（分別對(duì)應(yīng)～9ka、～18ka、～27ka），表明大具盆地洪水堆積階地T1、T2階地形成年齡小于9ka，與本文OSL測得大具盆地T2階地樣品年齡為5.65～6.46ka吻合。

4.2 堰塞湖發(fā)育與氣候的關(guān)系

關(guān)于堰塞湖與氣候的關(guān)系，大量研究表明，青藏高原在30ka或25ka之后進(jìn)入冰期，于18ka進(jìn)入冰盛期，全新世氣候變暖。西藏的大部分地區(qū)在早全新世（8～9ka BP）和晚冰期各發(fā)生1期明顯的冰川前進(jìn)事件，青藏高原東南部的念青唐古拉山、卡惹拉山等地在末次盛冰期和末次冰期早期也有過多次冰進(jìn)事件發(fā)生，堰塞湖東側(cè)為海拔5596m玉龍雪山，野外在龍?bào)脆l(xiāng)堰塞壩體考察中，拔河～50m處有發(fā)現(xiàn)冰磧物。上述資料表明，玉龍雪山冰川的前進(jìn)是可以堵塞金沙江河道形成堰塞湖的。本文給出11.50～14.01ka的古堰塞湖Ⅱ的沉積年齡，與全新世早期的低溫事件和末次盛冰期的年齡相近，表明可能在低溫時(shí)期玉龍冰川下移堵江是形成虎跳峽段Ⅱ兩期古堰塞湖的主要原因。

5 結(jié)論

研究表明，金沙江虎跳峽段河谷地貌和沉積富有特色。自末次冰盛期以來，其上游河段發(fā)育2期古堰塞湖，距今約18.49～21.25ka。龍?bào)脆l(xiāng)堰塞壩體形成之后，先后有兩次（11.50～14.01ka、1.53ka）在龍?bào)脆l(xiāng)發(fā)生大型滑坡事件造成金沙江堵江形成古堰塞湖，其中較早一期堰塞壩體在距今約5.65～6.46ka發(fā)生潰壩，并在下游大具盆地形成T2階地；較近一期堰塞壩體潰決事件，發(fā)生在距今約1.53ka。

據(jù)“堰塞湖、堰塞壩和潰壩堆積”構(gòu)成的三位一體的沉積體系及對(duì)應(yīng)的年代學(xué)數(shù)據(jù)，指示了末次冰盛期以來虎跳峽地區(qū)至少發(fā)生了2次滑坡堵江—堰塞—潰壩洪水事件。表明受青藏高原構(gòu)造—?dú)夂蜃饔糜绊懀邶報(bào)脆l(xiāng)處發(fā)生的2期大型冰川滑坡堰塞堵江事件，造成金沙江短暫時(shí)間的斷流，形成2期古堰塞湖。其中，古堰塞湖Ⅱ延伸至近50km外的拉馬洛上村，堰塞壩潰決后，在虎跳峽出峽口大具盆地形成T2階地洪水堆積；古堰塞湖Ⅰ延伸至“長江第一灣”，在壩體潰決后，在大具盆又形成了T1階地的洪水堆積。本文通過分析對(duì)金沙江虎跳峽段河流階地與古堰塞湖之間的聯(lián)系，以及古堰塞湖—堰塞壩—潰壩洪水堆積之間的聯(lián)系，有助于對(duì)金沙江虎跳峽段的河谷地貌演化的恢復(fù)提供一定的基礎(chǔ)資料，為青藏高原東南緣構(gòu)造活動(dòng)與氣候變化研究具有一定指示意義。