大別山東麓河流階地初步研究

2022-11-30 09:49:34楊源源李鵬飛鄭海剛潘浩波

大地測量與地球動力學 2022年12期

楊源源李鵬飛鄭海剛,2 潘浩波路碩疏鵬

1 安徽省地震局，合肥市長江西路558號，230031 2 安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站，安徽省亳州市蒙城縣小澗鎮，233527

河流階地是與河流侵蝕和堆積作用有關、沿河谷分布的階梯狀地形，其形成通常受構造活動、氣候變化和侵蝕基準面下降等因素控制[1]。目前，河流階地的研究已成為分析新構造及活動構造的重要手段之一，如利用階地發育級數反映區域新構造運動特征[2]；根據階地面錯斷變形分析斷裂的垂直或水平活動幅度、期次及速率[3]；利用階地面的拱曲變形討論地殼縮短與隆升[4]等。大別山雖然為中生代造山帶，新構造期以來仍然具有一定的活動性，主要表現為多級夷平面的存在、不對稱掀斜式抬升、斷裂活動與斷塊差異升降運動、多級河谷裂點的存在及相對頻繁的中強地震活動等[5]。大別山東麓被郯廬斷裂帶切割，發育潛山盆地，盆山交界處具有大別山周緣最顯著的地形反差。由于巨大地形反差及郯廬斷裂帶的長期活動，大別山東麓河流極為發育，部分河流為區域性大型河流，構成長江支流，如長河、潛水、大沙河等。部分學者依據大別山東麓部分河流的平面形態討論郯廬斷裂帶的右旋扭動特征[6-7]，但關于該區河流階地的研究較少，階地發育級數、類型、形成時代及變形情況均不明，這在一定程度上影響了郯廬斷裂帶新活動性和區域新構造運動特征的分析。

本文基于遙感解譯、野外調查、光釋光(OSL)測年與無人機地形測繪，對大別山東麓桐城-太湖段河流階地進行分析研究，獲得對該段河流階地發育特征的初步認識，結合階地變形特征和有關資料進一步分析郯廬斷裂帶大別山東麓段的新活動性，研究結果可為區域新構造運動研究和郯廬斷裂帶南段地震危險性評價提供基礎資料。

1 區域概況

大別造山帶是印支期揚子板塊向華北板塊俯沖形成的陸-陸碰撞造山帶[8]。郯廬斷裂帶構成大別山與潛山盆地分界帶，受晚第三紀以來區域擠壓作用影響，斷裂帶內斷陷盆地同步抬升與閉合，斷裂帶呈逆沖活動特征并延續至今[9]。大別造山帶內主要斷裂走向為近EW向、NWW向及NE向，包括土地嶺-落兒嶺斷裂、青山-曉天斷裂、梅山-龍河口斷裂等，大部分斷裂具有第四紀活動性[5]。公元294年以來，大別山地區共發生M≥5地震10次，其中M≥6地震2次，分別為1652-03-23霍山東北6級地震和1917-01-24霍山西南6級地震，屬于中強地震活動區(圖1)。大別山總體由西北向東南延伸，表現為向南凸出的山體，北坡陡而短，南坡緩而長，最高峰超過1 500 m，地貌上表現為地塹谷、斷塊山和斷陷盆地廣泛分布，具有崗巒起伏、群峰突起的特征。

2 河流階地發育特征

2.1 大別山東麓河流概況

據前期研究，大別山東麓桐城-太湖發育有不同規模河流45條，采用Strahler分類法可劃分為6個級別[7]。其中，1級河流14條，一般為順坡發育的小沖溝，谷寬2～5 m，谷深1～2 m，無常年性流水；2級河流19條，規模稍大，谷寬10～25 m，谷深3～5 m，有常年性流水；3級河流7條，河流寬度一般為30～150 m，谷深在5 m以上，水流量大，通常具有固定名稱，如掛車河(河流10)、牌樓河(河流37)、白沙河(河流39)等；4級以上河流5條，寬度為100～500 m，谷深在5 m以上，通常為區域性大型河流，構成長江(區域最高級河流，7級)重要支流，如大沙河(河流22)、潛水(河流33)、長河(河流45)等。本文結合上述分級結果和河谷寬深比情況，將大別山東麓河流簡化為小型、中型、大型3類(圖2)，其中1、2級河流為小型河流，谷寬通常不超過30 m，寬深比不超過5，形成時代較新；3級河流為中型河流，谷寬30～150 m，寬深比為5～30；4級以上河流為大型河流，谷寬100 m以上，寬深比不小于20，形成時代較早。除部分小型河流外，多數河流普遍表現為寬谷，顯示具有壯年-老年期河流地貌特征。

圖2 大別山東麓河流展布Fig.2 Distribution of rivers in the eastern footof Dabie mountains

2.2 河流階地發育特征

在遙感解譯基礎上，對不同規模河流階地的發育情況進行系統調查。各中、小型河流出山后下切幅度均較小，T1階地面大多直接與盆地平原面相連接，河谷內局部地段發育有河漫灘(T0)。選取河流34與河流32進行專題研究，其中河流34寬2 m，為最新發育的小型沖溝，東岸發育T0與T1階地(圖3)。T0階地河拔高度1.3 m，階地面寬15 m，未見礫石層出露；T1階地河拔高度4.2 m，階地面向上與盆地古近系紅色砂巖構成的丘陵緩坡相連接，為基座階地，階地前緣陡坎下部有礫石層出露，厚度大于1 m。T1階地底部礫石呈渾圓狀-次棱角狀，分選較好，礫徑2～5 cm，偶見10～30 cm巨礫，礫石層夾于灰黃色粘土之中，粘土較為堅硬。在礫石層與頂部灰黃色粘土交界處采集1個光釋光(OSL)樣品進行測試，編號為H34-1。

圖3 河流34階地發育特征Fig.3 Terrace development characteristics of river 34

河流32寬5 m，見1級階地發育(圖4)。其中，T0階地河拔高度為1 m，階地面寬達3～6 m，為河漫灘階地；T1階地河拔高度4 m，為基座階地，基座為前寒武系中風化棕黃色花崗片麻巖，頂部見礫石層出露，厚度約0.5 m。礫石呈次圓狀-次棱角狀，分選較差，礫徑3～30 cm，集中于8～12 cm。礫石層頂部為砂質紅棕色亞粘土，較硬，間夾薄層基巖風化沉積物。T1階地面構成盆地平原基準面，在T1階地礫石層與頂部砂質紅棕色亞粘土交界處采集1個光釋光(OSL)樣品，編號H32-1。

圖4 河流32階地發育特征Fig.4 Terrace development characteristics of river 32

研究區內大型河流階地研究工作主要在皖水(河流29)、長河(河流45)開展，由于皖水山前地段植被發育，難以開展階地調查，故選取山內湖田村一帶進行研究。皖水在該地段寬約200 m，發育2級階地(圖5(a)和5(b))，其中T1階地河拔高度3 m，為堆積階地，主要發育于西岸，階地面寬20～100 m；T2階地河拔高度6 m，也為堆積階地，兩岸階地陡坎下部均見礫石層出露。東岸T2階地礫石層較為粗大，中部夾粗砂層，底部夾黑色薄層砂質粘土層，厚5～10 cm，礫石礫徑5～40 cm，分選一般，磨圓度好(圖5(c))。西岸T2階地礫石層分選較好，礫徑3～10 cm，礫石與砂層互層，磨圓度好，礫石層頂部為河漫灘相粘土、粉質粘土和淤泥質堆積。在西岸T2階地礫石層內細砂層中采集1個光釋光(OSL)樣品，編號H29-1(圖5(d))。

長河在山前地帶可見階地發育，山內由于人工修建水庫地形地貌改觀較大，難以開展階地研究。長河在山前地帶寬240 m，發育2級階地(圖5(e)和5(f))。圖5(g)為階地橫剖面，其中T1階地為基座階地，河拔高度3 m，階地面寬達90 m；T2階地也為基座階地，河拔高度7 m，階地面構成潛山盆地平原面。T1階地底部可見礫石層發育，厚度大于0.5 m，礫石礫徑3～5 cm，分選性及磨圓度均較好。礫石層頂部為棕黃色亞粘土堆積，在礫石層中采取1個光釋光(OSL)樣品，編號WH-T1(圖5(h))。皖河T2階地前緣陡坎高4 m左右，階地底部見棕黃色花崗片麻巖發育，表明為基座階地(圖5(i))。陡坎上植被發育，為棕黃色粘土、粉質粘土覆蓋，未見礫石層出露。在T2階地棕黃色粘土層中部采集1個光釋光(OSL)樣品，編號WH-T2。

圖5 典型大型河流階地發育特征Fig.5 Terrace development characteristics of typical large rivers

研究表明，大別山東麓河流階地發育較差，各中、小型河流在山前地帶普遍只發育1級階地，僅少數大型河流發育2級階地。不同地段階地類型和河拔高度均存在一定差異，T1階地河拔高度普遍為2～4 m， T2階地河拔高度通常為5～7 m，各級階地類型以基座階地較為常見。

2.3 河流階地時代

構建河流階地年代格架是開展以河流階地為記錄的構造抬升、氣候變化和地貌演化的前提和基礎。獲得階地形成的絕對年代，是目前河流階地研究的重點和難點。研究區河流階地的研究基礎較弱，河流階地發育較差，以往未有該區河流階地形成時代的相關研究。本文通過光釋光(OSL)測年方法，在典型河流階地沉積物中采集樣品進行測試，初步了解大別山東麓地區河流階地的形成時代。在T1階地沉積物中采集OSL樣品3個，編號分別為H34-1、H32-1、WH-T1，其中H34-1、H32-1代表研究區內小型河流T1階地樣品，WH-T1代表大型河流T1階地樣品；在皖水、長河大型河流T2階地沉積物中采集OSL樣品2個，編號分別為H29-1、WH-T2。所有樣品均由山東省地震局年代學實驗室完成測試，各樣品測試結果見表1。

表1 大別山東麓河流階地年代測試結果

從各級河流階地測試結果來看，T1階地獲得3個年代數據，分別為3.8±0.6 ka BP、11.8±0.8 ka BP、24.8±2.5 ka BP，其中3.8±0.6 ka BP測試結果較為年輕，且采樣點頂部為田埂，存在人為改造的可能，該結果可信度低。分析認為，T1階地年齡范圍在24.8±2.5 ka BP～11.8±0.6 ka BP較為合理，即晚更新世晚期至全新世早期；T2階地獲得2個年齡樣品，分別為57.5±1.5 ka BP、54.6±3.3 ka BP，均為晚更新世中期。上述河流階地沉積物OSL測年結果表明，大別山東麓河流T1階地形成時代為晚更新世晚期至全新世早期(約25 ka BP～12 ka BP)，T2階地形成時代為晚更新世中期(約55ka BP)。

3 河流階地與斷裂活動

郯廬斷裂帶大別山東麓段晚第四紀活動性分析一直是研究的難點，主要原因在于斷裂帶沿線總體處于剝蝕隆升區，露頭剖面頂部普遍缺失第四系沉積物，并且人為改造與植被覆蓋較為嚴重，不利于開展活動性鑒定工作。考慮到河流階地作為最新的沉積-地貌單元，對斷層新活動的響應較敏感，有必要從階地變形角度對該段最新活動特征開展進一步研究。

本文在河流階地調查與定年基礎上，結合區域地質資料，選取線性地貌特征清楚、斷層位置相對明確的大沙河出山口一帶開展階地無人機航拍工作，構建河流階地跨斷層的高精度數字高程模型(DEM)，并提取各級階地跨斷層的地形剖面線，以分析其垂直變形特征。階地航拍采用大疆精靈4 RTK無人機，通過連接網絡差分信號可獲得實時cm級定位精度，將航拍照片在PhotoScan軟件中處理獲得航拍區域的數字高程模型，最后在ArcGIS軟件中提取跨斷層的各級河流階地地形剖面。

圖6(a)為航拍獲取的大沙河附近正射影像，分辨率為0.03 m；圖6(b)為相應的DEM，分辨率為0.25 m；圖6(c)為在正射影像圖基礎上，基于區域地質資料和野外調查認識給出的地質地貌解譯。基于野外調查、遙感影像和DEM綜合解譯發現，大沙河山前一帶發育有2級階地，即T1、T2，其中T1階地分布在河流西南岸，發育較差，并受后期人為改造與河漫灘(T0)連為一體，影像上較難識別。圖6(d)為河流西南岸階地照片，宏觀上顯示T2階地面在斷層兩側相對連續，T1階地因修筑防洪堤壩導致形態不完整，斷層兩側難以對比。圖6(e)為跨河流的A-B地形剖面，從圖中可以看出存在T1階地，河拔高度約3 m；T2階地發育較好，在山內部分(即斷層以西)主要發育在河流西南岸，出山后與山前盆地面相連，河拔高度約7 m。圖6(f)和6(g)為經T2階地并跨斷層的2條地質地貌剖面。圖6(f)顯示在C-D剖面上，T2階地在斷層兩側海拔高度較為一致，均在42 m左右，即階地面在斷層兩側無明顯垂直落差。圖6(g)顯示在E-F剖面上，T2階地在斷層兩側海拔高度不一致，斷層西側為42 m左右，東側為39 m左右，存在約3 m落差。遙感解譯和實地考察表明，該落差為人為改造所致，即斷層東側的T2階地因修筑防洪堤壩被人為開挖取土，導致地表高度發生下降而形成連片水塘。上述情況表明，大沙河山前地帶T2階地面在斷層兩側無明顯垂直落差，反映斷層自T2階地形成以來未發生明顯垂直運動。另外，本文也對發育T2階地的長河、皖河山前一帶進行了詳細遙感解譯與實地調查，發現各河流T2階地面在跨斷層附近均平坦、連續，表明未發生過變形。