黃河中游響應(yīng)氣候變化和地表相對(duì)抬升發(fā)育階地研究

潘保田，胡振波

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000）

0 引言

河流階地作為一類重要的層狀地貌面被普遍視為地貌演化的直接證據(jù)［1］，另外氣候變化也能夠很好地記錄在其沉積物中［2-4］，因此它被廣泛地應(yīng)用于探討河流系統(tǒng)如何響應(yīng)地表抬升和氣候變化的機(jī)制研究中，受到國(guó)內(nèi)外地貌學(xué)家的廣泛重視［5-10］。它的形成本質(zhì)是河流堆積/側(cè)蝕與下切行為轉(zhuǎn)換的結(jié)果［11］，其中的驅(qū)動(dòng)因素可分為河流系統(tǒng)外部和內(nèi)部因素兩類。其中，控制河流堆積/側(cè)蝕與下切行為轉(zhuǎn)換的外部因素主要有氣候變化、地面升降和侵蝕基準(zhǔn)面變化［12］，而內(nèi)部因素主要涉及河流系統(tǒng)復(fù)雜響應(yīng)、河道比降以及粗糙度變化等［13-14］。近年來(lái)數(shù)值模擬進(jìn)一步揭示河流系統(tǒng)響應(yīng)這些因素變化的結(jié)果很可能會(huì)最終打破河道泥沙與搬運(yùn)動(dòng)力之間的競(jìng)爭(zhēng)平衡關(guān)系［15］，導(dǎo)致河流堆積/側(cè)蝕與下切行為的轉(zhuǎn)換［3，16］。有關(guān)河流階地形成機(jī)制的研究雖然取得一定進(jìn)展，但仍然比較薄弱［17］。先前的工作把階地序列與氣候記錄對(duì)比，主要探討河流堆積/側(cè)蝕與下切分別發(fā)生在冰期還是間冰期氣候［17］。相比之下，近年來(lái)的研究卻普遍認(rèn)為河流下切可能主要發(fā)生在氣候轉(zhuǎn)冷或轉(zhuǎn)暖的短暫過(guò)渡階段［2，18-21］。盡管氣候變化控制河流堆積/側(cè)蝕與下切行為轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)似乎越來(lái)越趨于共識(shí)［2］，但其本身可能還不足以決定階地的形成與否［22-23］。已有研究指示，地表抬升控制的河流下蝕量對(duì)階地形成和后期保存有重要影響［18，24］。諸多來(lái)自構(gòu)造活躍的山區(qū)地貌證據(jù)也揭示，河流階地的形成和保存受氣候變化和地面抬升的共同控制［22，25-26］。然而要通過(guò)階地發(fā)育揭示河流系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化和地表抬升的差異就要明確它們?cè)陔A地形成中的具體作用［16］。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是構(gòu)建階地序列相對(duì)精確的年代框架。

黃河作為世界巨型河流之一，穿過(guò)我國(guó)北方諸多盆地、山脈和斷裂系統(tǒng)，其流域范圍還跨越不同氣候區(qū)，是探索地表抬升和氣候變化驅(qū)動(dòng)河流階地發(fā)育機(jī)制的理想?yún)^(qū)域［22］。更重要的是，沿黃河分布的大多數(shù)階地面都直接被黃土覆蓋，為準(zhǔn)確限定其形成年代創(chuàng)造了極佳條件［25，27-28］。這些優(yōu)勢(shì)為最終區(qū)分地表抬升和氣候變化在黃河階地發(fā)育過(guò)程中的作用奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)研究對(duì)理解河流階地發(fā)育機(jī)制有重要意義，其核心工作是要從多河段對(duì)比的角度分析黃河響應(yīng)地表抬升和氣候變化發(fā)育階地的過(guò)程。然而綜合目前已有的研究進(jìn)展，這方面的工作依然薄弱，仍需加強(qiáng)。

黃河中游深切鄂爾多斯地塊和太行山南麓的崤山，溝通了河套盆地、汾渭盆地和華北平原，形成了峽谷與盆地相間的地貌格局。其中沿晉陜峽谷和汾渭盆地，黃河發(fā)育了比較連續(xù)且保存較完整的河流階地序列，其上還普遍堆積厚層黃土，為研究階地形成機(jī)制創(chuàng)造了條件。因此本文的主要工作將從上游峽谷與下游盆地對(duì)比的角度探討黃河響應(yīng)地表抬升和氣候變化發(fā)育階地的過(guò)程。著名地理學(xué)家、地貌學(xué)家李吉均院士在長(zhǎng)江、黃河等水系形成演化與河流階地發(fā)育方面開(kāi)展了大量研究工作，例如長(zhǎng)江三峽貫通時(shí)代［29］、黃河上游形成時(shí)代和演化過(guò)程［30］、黃河階地發(fā)育與地文期［31］等等，提出了一系列創(chuàng)新性的認(rèn)識(shí)，極大地推動(dòng)了學(xué)科的發(fā)展。2021年7月21日是先生仙逝一周年祭日，謹(jǐn)以此文緬懷先生高尚的人格風(fēng)范和卓越的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。

1 區(qū)域概況

黃河作為世界上巨型河流之一，起源于青藏高原東北部，向東流經(jīng)鄂爾多斯與黃土高原后經(jīng)華北平原注入渤海，河道總長(zhǎng)達(dá)到5 464 km（圖1）。它的中游自內(nèi)蒙古托克托徑直向南沿呂梁山西麓切開(kāi)鄂爾多斯地塊，形成了長(zhǎng)達(dá)700 km、深度超過(guò)200 m的晉陜峽谷（圖2）。進(jìn)一步向南，黃河在禹門(mén)口出峽谷后進(jìn)入汾渭盆地，經(jīng)潼關(guān)轉(zhuǎn)向東流并切開(kāi)太行山南麓的崤山，形成三門(mén)峽峽谷后進(jìn)入地勢(shì)相對(duì)平坦的華北平原。由于貫通了不同構(gòu)造背景的地貌單元，整個(gè)黃河中游河谷形態(tài)也因此表現(xiàn)為深切峽谷與寬闊谷地相間的特征。

圖2 黃河中游托克托至潼關(guān)間的河道縱剖面圖Fig.2 The longitudinal channel profile of themiddle reachesof Yellow River between Tuoketuo and Tongguan

鄂爾多斯塊體為穩(wěn)定的克拉通，中生代表現(xiàn)為巨大的盆地，堆積了較厚的陸源碎屑沉積［32］。進(jìn)入新生代，隨著太平洋板塊、印度板塊與歐亞板塊持續(xù)匯聚［33］，在青藏高原與鄂爾多斯地塊間形成了一系列大型弧形逆沖和走滑斷裂［34］。它們將印度與歐亞板塊間的地殼縮短進(jìn)一步向東傳遞，導(dǎo)致鄂爾多斯地塊周緣拉張，形成了中衛(wèi)-中寧盆地、寧夏盆地、河套盆地和汾渭地塹（盆地）［35］。尤其在喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的驅(qū)使下，原鄂爾多斯盆地也在早中新世開(kāi)始抬升并接受侵蝕夷平作用［32］，形成了占據(jù)黃河中游主體的唐縣期夷平面［32，36］。總體而言，相對(duì)穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊與周圍的地勢(shì)高差自晚新生代以來(lái)逐漸加大，形成了現(xiàn)今被系列拉張盆地圍限的地貌格局（圖1）。

圖1 鄂爾多斯地塊及周緣盆地區(qū)域概況圖Fig.1 Regional setting across the Ordos Block and surrounding basins

南部的汾渭地塹在海原、六盤(pán)山和秦嶺斷裂的控制下被拉張成巨大的新月形沉降盆地，周圍被諸多正斷層和走滑斷層限定，面積達(dá)2萬(wàn)多平方公里［35］。持續(xù)的拉張使盆地內(nèi)部沉降速度出現(xiàn)差異，發(fā)育系列正斷層［37］，導(dǎo)致峨眉臺(tái)地和中條山相對(duì)抬升。另外，汾渭盆地堆積了巨厚的新生代沉積，地層總體水平分布，指示有規(guī)律的持續(xù)沉降作用［34］。在第四紀(jì)期間地震和裂縫依然沿盆地內(nèi)部和周緣斷層頻發(fā)，形成的斷層崖連綿延續(xù)幾百公里，說(shuō)明擴(kuò)展和沉降作用至今仍然十分活躍［32］。

黃河中游從北向南縱貫鄂爾多斯地塊和汾渭盆地，形成了深切的晉陜峽谷和寬闊的汾渭段河谷。根據(jù)野外調(diào)查，黃河沿程發(fā)育多級(jí)河流階地。它們?cè)诤庸葍砂斗菍?duì)稱分布。在晉陜峽谷中部的吳堡和汾渭盆地的南趙地區(qū)，黃河階地序列較完整，其上還堆積連續(xù)的黃土（圖3）。因此，它們能典型地代表穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊和沉降的汾渭盆地兩類不同構(gòu)造背景下的階地發(fā)育過(guò)程，為進(jìn)一步從上下河段對(duì)比分析的角度出發(fā)探討黃河中游響應(yīng)地表相對(duì)抬升和氣候變化發(fā)育階地的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

2 黃河中游階地序列與年代

2.1 晉陜峽谷中部吳堡黃河階地序列與年代

現(xiàn)今鄂爾多斯地塊主體以及黃河中游分水嶺被唐縣期夷平面占據(jù)，海拔高度在1 500 m左右［38］。它橫切下伏不同時(shí)代的基巖和構(gòu)造變形的地層，形成地勢(shì)高差較小的平緩地貌面，并總體上呈現(xiàn)出由西北向東南略微傾斜的趨勢(shì)。另外，唐縣期夷平面還限定了晉陜峽谷的谷肩，其上普遍接受了較連續(xù)的紅黏土和黃土堆積。其中在吳堡地區(qū)，該級(jí)夷平面上覆16 m厚的紅黏土和140 m厚的黃土。這些風(fēng)成沉積物的古地磁定年顯示，唐縣期夷平面形成于370萬(wàn)年左右［27］。在它之下，黃河深切峽谷形成了7級(jí)河流階地序列，除最低的兩級(jí)階地T2和T1為堆積階地外，其余均為基座階地［圖3（A）］。相比于晉陜峽谷其他地點(diǎn)，該區(qū)的7級(jí)黃河階地面均覆蓋較厚且連續(xù)的黃土。野外根據(jù)黃土標(biāo)志地層古土壤S5以及地層橫向?qū)Ρ仍敿?xì)劃分了堆積在每級(jí)階地面上的黃土-古土壤地層，同時(shí)采用差分GPS系統(tǒng)測(cè)量了階地礫石層、河漫灘和上覆黃土的厚度，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。注：黃河在吳堡形成的階地序列橫斷面圖(a)。在該區(qū)唐縣期夷平面限定了晉陜峽谷的谷肩，之下分布7級(jí)黃河階地，除T2和T1為堆積階地外其余均為基座階地。每級(jí)階地面上覆厚層黃土，其底部都為一層古土壤直接覆蓋在下伏階地的沙礫石層上。對(duì)唐縣期夷平面和黃河階地上覆紅黏土與黃土地層劃分和測(cè)年結(jié)果參見(jiàn)文獻(xiàn)[25,35]；黃河在南趙發(fā)育的階地序列橫斷面圖(b)。黃河在該區(qū)深切峨眉臺(tái)地，形成6級(jí)堆積階地，其中T6～T4為堆疊的階地序列（階地越年輕拔河越高）而T4～T1為正常的階梯狀階地序列。每級(jí)階地上覆不同厚度的黃土，其黃土-古土壤地層劃分和測(cè)年結(jié)果參見(jiàn)文獻(xiàn)[39]。橫斷面圖3(a)與3(b)在黃河中游的位置參見(jiàn)圖1和圖2

表1 吳堡黃河階地特征Table 1 Characteristics of the Yellow River terraces in the Wubao area

圖3 黃河階地序列及上覆黃土橫斷面圖Fig.3 Schematic cross section of the Yellow River terraces and covering loess deposits

Note：Thecrosssection of thefluvial terracescreated by the Yellow River at Wubao(a).The Yellow River excavatesthe Tangxian Planation Surface hereleadingtotheformation of the Jinshaan Gorge.A total of 7 fluvial terraceshasbeen generated by the Yellow River alongthisgorge，which are all strath terraces except thetwoaccumulation terracesof T2 and T1.Their treadsarecovered by thick loessdepositions whosebasal paleosolsall overliedirectly thefluvial sediments.Pedostratigraphic identification and geochronological resultsof these Red Clay and loesscovershavebeen given in the reference[25,35]；The cross section of the Yellow River terraces occurringat Nanzhao(b).The Yellow River downcutsthe Emei Platform heregeneratinga sequence of 6 aggradational terraceswhich ischaracterized by the switch from theunusual stacked sequenceof terrace T6～T4 totheterracestaircaseof T4～T1.Thebasal paleosolsof theloesscovers，accumulated on theseterracetreads，alsosuperposesdirectly theunderlyingfluvial sediments.Their pedostratigraphic identification and geochronological resultshavebeen given in thereference[39].See Fig.1 and Fig.2 for thelocationsof thetwocrosssections［Fig.3(a)，3(b)］with respect tothemiddlereachesof Yellow River

吳堡地區(qū)至少在晚上新世已開(kāi)始穩(wěn)定地堆積風(fēng)成沉積物［39］。那么黃河下切導(dǎo)致原河床或河漫灘一旦廢棄，脫離一般洪水水位的影響，其上可能即刻積累風(fēng)成沉積物。這樣每級(jí)黃河階地上覆黃土的底界年齡就大致限定了原河床或河漫灘被廢棄的時(shí)代，即階地形成年代［22，40］。已有的研究通過(guò)古地磁、黃土-古土壤地層和OSL定年，獲得了吳堡地區(qū)7級(jí)黃河階地上覆黃土的底界年齡，從而限定了下伏階地T7～T1分別形成于1.2 Ma、0.8 Ma、0.4 Ma、0.24 Ma、0.13 Ma、60 ka和10 ka［38］。

2.2 汾渭盆地南趙黃河階地序列與年代

在汾渭盆地的南趙地區(qū)，黃河切開(kāi)相對(duì)抬升的峨眉臺(tái)地形成了6級(jí)堆積階地［圖3（b）］，其河流沉積物主要由沙和粉沙互層構(gòu)成，偶爾夾雜礫石透鏡體，礫石的粒徑一般不超過(guò)3 cm。每級(jí)階地面都十分平坦，上覆不同厚度的黃土，其中最高級(jí)階地T6的階地面最為寬廣，達(dá)30 km。野外同樣根據(jù)黃土的標(biāo)志地層以及地層橫向?qū)Ρ仍敿?xì)劃分了每級(jí)階地面上覆黃土-古土壤序列，同時(shí)采用差分GPS系統(tǒng)測(cè)量了每級(jí)階地高度和上覆黃土厚度，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。測(cè)量結(jié)果顯示，該階地序列與黃河在晉陜峽谷吳堡地區(qū)形成的階梯狀階地序列有很大區(qū)別。其中階地T6～T4上覆黃土依次減薄，但階地面高度卻表現(xiàn)出相反的增高趨勢(shì)，而階地T4～T1則呈現(xiàn)出高級(jí)階地面高度依次高于低級(jí)階地面的正常階梯狀序列［41］。兩組階地在序列上截然相反的轉(zhuǎn)變可能與峨眉臺(tái)地相對(duì)汾渭盆地抬升有關(guān)。

表2 南趙黃河階地特征Table 2 Characteristics of the Yellow River terraces in the Nanzhao area

野外調(diào)查顯示，南趙地區(qū)的黃河階地面上黃土堆積較厚，而且沒(méi)有侵蝕間斷發(fā)生，這為下伏地貌面定年創(chuàng)造了極好的條件。然而黃土底界年齡是否能夠充分限定下伏階地面的形成年代主要取決于二者之間是否存在長(zhǎng)時(shí)間的間斷。根據(jù)南趙周邊的黃土剖面記錄，典型黃土堆積的歷史至少追溯至第四紀(jì)初期［39］。因此，這6級(jí)階地上覆黃土的底界年齡就大致代表了下伏階地面的形成時(shí)代。已有的研究工作通過(guò)古地磁、黃土-古土壤地層和OSL交叉測(cè)年成功獲得了每級(jí)階地面上覆黃土的底界年齡，從而限定南趙黃河階地T6～T1分別形成于1.2 Ma、0.33 Ma、0.24 Ma、0.13 Ma、60 ka和10 ka［41］。

3 討論

3.1 黃河中游下切速率及反映的地表相對(duì)抬升

從宏觀構(gòu)造演化來(lái)看，鄂爾多斯地塊晚新生代比較穩(wěn)定，而周緣的盆地新生代一直處于拉張沉降狀態(tài)［35，37］，導(dǎo)致二者區(qū)域構(gòu)造背景顯著不同。因此，比較穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊相對(duì)于沉降的汾渭盆地表現(xiàn)出明顯的抬升。黃河中游由北向南深切它們，不但形成了與構(gòu)造背景對(duì)應(yīng)的兩種截然不同的深切峽谷和寬闊河谷的地貌差異，而且沿谷坡形成的階地類型也表現(xiàn)出顯著的差異（圖3）。另外，以吳堡和南趙兩處黃河階地序列為代表，通過(guò)階地形成年代和拔河高度可以計(jì)算出黃河下切鄂爾多斯地塊和峨眉臺(tái)地的平均速率如圖4所示。進(jìn)一步線性回歸分析顯示，1.2 Ma以來(lái)黃河在兩地的下切速率都可以劃分成兩個(gè)時(shí)段，其回歸系數(shù)均達(dá)0.9以上。在晉陜峽谷中部的吳堡，黃河在1.2～0.4 Ma間的平均下切速率為0.08 m·ka-1，而0.4 Ma以來(lái)的平均下切速率已提升至0.24 m·ka-1。相比之下，黃河在南趙地區(qū)兩個(gè)時(shí)段的平均下切速率反差更明顯，其中1.2～0.24 Ma間的平均下切速率為-0.01 m·ka-1，而0.24 Ma以來(lái)陡然增加至0.41 m·ka-1。無(wú)論在晉陜峽谷還是汾渭盆地上述黃河平均下切速率的每個(gè)時(shí)段都超過(guò)多個(gè)冰期-間冰期旋回，因此下切速率急劇加快不可能歸因于高震級(jí)的地震事件［42］。

新生代伴隨青藏高原持續(xù)向東擠出，鄂爾多斯地塊周緣系列盆地（地塹）開(kāi)始拉張斷陷［34-35］，不但導(dǎo)致盆地邊界斷裂活動(dòng)而且內(nèi)部也不斷沉降形成諸多新的斷裂系統(tǒng)［35］。相對(duì)穩(wěn)定的鄂爾多斯地塊與周緣盆地間的地勢(shì)高差因此不斷加大。沿著鄂爾多斯地塊與汾渭盆地交界的韓城-羅云山斷裂，一系列不同期次的斷層三角面極為發(fā)育［45］。不僅如此，階地宇生核素測(cè)年顯示，0.4 Ma左右黃河在青銅峽發(fā)生了顯著下切［46］，可能與牛首山抬升以及中衛(wèi)-中寧和銀川盆地進(jìn)一步沉降有關(guān)。另外，鄂爾多斯地塊以北的河套盆地鉆孔巖心記錄也顯示，約0.4 Ma以來(lái)盆地進(jìn)一步沉降［47］。這些證據(jù)都揭示了鄂爾多斯地塊約0.4 Ma以來(lái)可能相對(duì)周緣盆地表現(xiàn)出加速抬升的趨勢(shì)。綜合目前已有的證據(jù)來(lái)看，鄂爾多斯地塊相對(duì)周緣盆地加速抬升的時(shí)間與黃河沿晉陜峽谷加速下切發(fā)生的時(shí)代可以很好地對(duì)比［25］。然而，河流下切與地表抬升之間一般來(lái)講很難表現(xiàn)出簡(jiǎn)單的線性關(guān)系［17，48］，但越來(lái)越多來(lái)自構(gòu)造活躍地區(qū)的證據(jù)顯示，時(shí)間尺度至少超過(guò)一個(gè)冰期-間冰期旋回的河流階地序列可以視為區(qū)域地表抬升的直接記錄［49］。這樣在其拔河高度和年代限定下的河流下切速率變化情況就可以評(píng)估和大致量化地表抬升速率的快慢［50-52］。黃河在吳堡和南趙表現(xiàn)出的加速下切很可能反映了鄂爾多斯地塊和峨眉臺(tái)地分別于0.4 Ma和0.24 Ma以來(lái)相對(duì)沉降的汾渭盆地加快抬升（圖4）。最新的研究認(rèn)為，諸多構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的板塊內(nèi)部地表抬升可能是響應(yīng)中更新世氣候轉(zhuǎn)型導(dǎo)致侵蝕加劇而發(fā)生下地殼均衡反彈的結(jié)果［53］。然而鄂爾多斯地塊和峨眉臺(tái)地開(kāi)始加快相對(duì)抬升的時(shí)間明顯晚于中更新世氣候轉(zhuǎn)型時(shí)段，因此更可能對(duì)應(yīng)于構(gòu)造引起的地表相對(duì)抬升而非氣候變化，這與汾渭盆地活躍的構(gòu)造背景一致［45］。總的來(lái)說(shuō)，鄂爾多斯地塊和峨眉臺(tái)地分別在0.4 Ma與0.24 Ma左右都相對(duì)汾渭盆地開(kāi)始進(jìn)一步加速構(gòu)造抬升。

圖4 黃河中游下切速率與黃土高原氣候記錄對(duì)比圖Fig.4 Correlation between theincision rate of the Yellow River and the climate record over the Chinese Loess Plateau

3.2 黃河中游響應(yīng)地表相對(duì)抬升和氣候變化發(fā)育階地的過(guò)程

理論而言，河流階地的形成既可以歸因于河流系統(tǒng)自身動(dòng)力演化也可以與氣候、構(gòu)造、侵蝕基準(zhǔn)面等外部因素變化相聯(lián)系［10，12］。其中，河流系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程的調(diào)整自始至終都在發(fā)揮作用，可能驅(qū)動(dòng)河道比降、粗糙度等內(nèi)部要素發(fā)生漸變或突變并打破其臨界值從而改變河流行為，發(fā)生堆積/側(cè)蝕與下切間的轉(zhuǎn)換［11］，最終在地貌上表現(xiàn)為階地的形成［2］。然而這些河流系統(tǒng)內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程調(diào)整僅僅發(fā)生在局部河段，影響范圍有限［54-58］，形成的階地在時(shí)間上不超過(guò)千年尺度而在空間上也不大于百米規(guī)模［59］。相比之下，本文關(guān)注的黃河中游階地在時(shí)空尺度上均超過(guò)上述范圍1～2個(gè)數(shù)量級(jí)（圖3）。諸多概念模型研究認(rèn)為，時(shí)間尺度至少大于一個(gè)冰期-間冰期旋回的階地發(fā)育是河流系統(tǒng)響應(yīng)地表抬升、冰期-間冰期氣候旋回、侵蝕基準(zhǔn)面調(diào)整等外部因素變化的結(jié)果［18］。晉陜峽谷和汾渭盆地距黃河入海口至少1千多公里（圖1），作為黃河終極侵蝕基準(zhǔn)面的海平面變化很難影響到如此遙遠(yuǎn)的內(nèi)陸河段［48］。因此，地表抬升和冰期-間冰期氣候旋回可能是導(dǎo)致晉陜峽谷和汾渭盆地黃河階地發(fā)育的潛在因素。

整個(gè)黃河中游流域內(nèi)的河流階地面普遍被不同厚度的黃土覆蓋，其黃土-古土壤序列明確的氣候意義對(duì)揭示下伏河流階地的形成原因有重要的指示意義［27，38］。野外黃土地層劃分結(jié)合磁性地層分析和測(cè)年結(jié)果顯示，吳堡和南趙黃河階地表現(xiàn)出的顯著統(tǒng)一特征是河流相沉積物上都直接發(fā)育一層古土壤（圖3）。粒度分析揭示這層古土壤起源于黃土的成壤作用而非河漫灘沉積物［22，60］，指示下伏階地面是由黃河在冰期向間冰期過(guò)渡或間冰期時(shí)下切形成。河流侵蝕過(guò)程的研究結(jié)果顯示，氣候在冰期與間冰期的過(guò)渡階段所表現(xiàn)出的頻繁且顯著的波動(dòng)可能驅(qū)動(dòng)河流系統(tǒng)形成高頻洪水，因此相比于冰期或間冰期，氣候轉(zhuǎn)換階段更利于河流下切而發(fā)育階地［61］。另外，野外調(diào)查也發(fā)現(xiàn)黃河中游每級(jí)階地面上覆古土壤層在厚度上可以與黃土高原典型剖面的相應(yīng)古土壤層對(duì)比，未出現(xiàn)發(fā)育間斷的現(xiàn)象。因此，這里更傾向于認(rèn)為黃河中游階地可能形成于冰期向間冰期的過(guò)渡階段。該結(jié)果與上游蘭州盆地、支流洮河、大通河，以及西北歐和中亞地區(qū)的河流階地研究結(jié)論一致［22，62-66］。總結(jié)過(guò)去十多年相關(guān)研究，大部分的觀點(diǎn)也是越來(lái)越傾向于將冰期-間冰期氣候旋回視為河流階地形成的重要驅(qū)動(dòng)因素之一［2，21］。黃河中游地處我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)與內(nèi)陸干旱區(qū)交界，流域植被、溫度、徑流等因素能夠?qū)Ρ谂c間冰期間的氣候轉(zhuǎn)變做出敏感的響應(yīng)而引發(fā)水文過(guò)程顯著調(diào)整［37］，導(dǎo)致河道泥沙與搬運(yùn)能力間失衡，使黃河表現(xiàn)出堆積或側(cè)蝕向下切的轉(zhuǎn)變，最終形成階地［11］。

來(lái)自黃土高原的孢粉以及深海氧同位素記錄顯示，氣候在1.2～0.4 Ma間雖然發(fā)生多次冰期向間冰期的轉(zhuǎn)換［43］，但晉陜峽谷段黃河僅在極為干旱的冰期，向間冰期轉(zhuǎn)換階段發(fā)育了3級(jí)階地，尤其是下游汾渭盆地段黃河也只形成了一級(jí)十分寬廣的最高級(jí)階地（圖4）。不可否認(rèn)，受后期保存條件和侵蝕的影響，河流階地年齡越老其記錄越不完整。因此，這里對(duì)上述黃河在部分冰期向間冰期過(guò)渡階段缺失階地記錄的定義就包括階地未形成和形成后未保存兩種情況。本文認(rèn)為，在1.2～0.4 Ma間黃河階地級(jí)數(shù)相比于冰期-間冰期氣候旋回?cái)?shù)缺失的原因可能與該時(shí)段鄂爾多斯地塊相對(duì)汾渭盆地抬升緩慢以及峨眉臺(tái)地依然沉降有關(guān)。當(dāng)然，反復(fù)的地表抬升和沉降也可能導(dǎo)致河流堆積/側(cè)蝕與下切頻繁轉(zhuǎn)換以至相互抵消，無(wú)法在地貌上表現(xiàn)出明顯的階梯狀階地形態(tài)［22］。然而，鄂爾多斯地塊與周緣盆地晚新生代的構(gòu)造特征并不支持地表反復(fù)升降，而且目前也沒(méi)有任何相關(guān)記錄。黃河下切速率顯示，峨眉臺(tái)地在1.2～0.24 Ma間持續(xù)沉降而鄂爾多斯地塊在1.2～0.4 Ma間相對(duì)汾渭盆地的抬升也可能確實(shí)比較緩慢（圖4）。這說(shuō)明氣候由冰期向間冰期轉(zhuǎn)換僅能驅(qū)動(dòng)黃河中游從堆積或側(cè)蝕行為轉(zhuǎn)向下切，即控制了階地的形成時(shí)代，但其本身并不是階地發(fā)育的唯一驅(qū)動(dòng)因素。地表抬升對(duì)黃河中游階梯狀階地發(fā)育也可能有重要影響。

地表抬升能夠增加河道比降從而提升河流的下切速率［9］。然而峨嵋臺(tái)地在1.2～0.24 Ma間可能持續(xù)沉降，使黃河在南趙的下切速率為負(fù)值表現(xiàn)出顯著的加積特征。期間黃河在冰期向間冰期轉(zhuǎn)換階段依然下切，但制造的河谷空間可能不足以容納后期的堆積量，所以不但無(wú)法形成階梯狀階地序列而且還可能顯著高過(guò)前期遺棄的階地面。在此情況下，階地面上覆黃土越厚對(duì)下伏地貌面免受后期河河流積物覆蓋的保護(hù)作用就可能越強(qiáng)，使黃河在1.2 Ma、0.33 Ma和0.24 Ma左右形成的階地面有機(jī)會(huì)保存，構(gòu)成了三級(jí)堆疊式的階地序列（階地越老拔河越低）。從目前已有的黃土高原孢粉記錄來(lái)看，這三個(gè)黃河下切時(shí)間前的冰期氣候確實(shí)比較干旱［9］。相比之下，鄂爾多斯地塊在1.2～0.4 Ma間相對(duì)汾渭盆地確實(shí)表現(xiàn)出地表抬升但明顯慢于0.4 Ma以來(lái)，導(dǎo)致黃河在該時(shí)段內(nèi)的每次冰期向間冰期轉(zhuǎn)換過(guò)程中無(wú)法顯著下切。在此情況下，黃河只能沿晉陜峽谷先充分堆積或側(cè)蝕以拓寬河谷，然后再以有限下切量形成階地。最終，黃河只能對(duì)極為干旱的冰期，向間冰期轉(zhuǎn)換作出響應(yīng)［9］，在吳堡形成了1.2 Ma、0.78 Ma和0.4 Ma左右的三級(jí)階梯狀階地。0.4 Ma以來(lái)鄂爾多斯地塊相對(duì)汾渭盆地開(kāi)始加速抬升，驅(qū)動(dòng)黃河在每一次冰期向間冰期轉(zhuǎn)換階段都顯著下切，在吳堡幾乎形成了與氣候旋回同步的階梯狀階地序列。進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，斷層活動(dòng)記錄與黃河下切速率都顯示峨嵋臺(tái)地自0.24 Ma以來(lái)相對(duì)汾渭盆地以更快的速度加速抬升［35，45］（圖4），驅(qū)使黃河敏感響應(yīng)每一次冰期向間冰期轉(zhuǎn)換而顯著下切，在南趙形成了與氣候旋回?cái)?shù)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的階梯狀階地序列。

4 結(jié)論

黃河中游1.2 Ma以來(lái)間歇性下切侵蝕相對(duì)汾渭盆地抬升的鄂爾多斯地塊和峨眉臺(tái)地分別形成了7級(jí)階梯狀階地和6級(jí)堆積階地序列。黃土-古土壤地層分析結(jié)合年代學(xué)研究揭示這些階地面都直接上覆一層古土壤，指示它們形成于氣候由冰期向間冰期的過(guò)渡階段。然而1.2 Ma以來(lái)的冰期-間冰期氣候旋回?cái)?shù)遠(yuǎn)多于黃河中游的階地級(jí)數(shù)，說(shuō)明氣候僅能通過(guò)改變河流堆積-側(cè)蝕與下切行為的轉(zhuǎn)換來(lái)控制階地的形成時(shí)間，但其本身并不是河流階地形成的唯一決定因素。在峨眉臺(tái)地沉降的背景下，黃河在南趙無(wú)法形成階梯狀階地，取而代之的是堆疊的階地序列。在鄂爾多斯地塊相對(duì)汾渭盆地抬升不足夠快速的情況下，黃河沿晉陜峽谷僅能對(duì)極為干旱的冰期向間冰期轉(zhuǎn)換作出響應(yīng)形成階梯狀階地。隨著鄂爾多斯地塊和峨眉臺(tái)地相對(duì)汾渭盆地相繼進(jìn)一步加速抬升，黃河在吳堡和南趙的階地序列開(kāi)始與氣候旋回表現(xiàn)出時(shí)間上的同步特征。上述對(duì)比分析揭示，快速地表抬升也是階梯狀階地發(fā)育不可或缺的驅(qū)動(dòng)因素，它能驅(qū)使河流在冰期向間冰期過(guò)渡階段顯著下切，拉大相鄰階地面垂直距離從而利于后期保存。因此，本文從上下游河段對(duì)比的視角分析河流階地的形成過(guò)程，認(rèn)為黃河中游發(fā)育的階地是河流響應(yīng)氣候變化和地表相對(duì)抬升共同影響的結(jié)果。

謹(jǐn)以此文，紀(jì)念李吉均院士！