黄土地层学的分类及其在黄河流域规划中的应用

黄土地层学的分类及其在黄河流域规划中的应用

青藏高原以北的毛乌苏和腾格里沙漠连接着中国西部的牛儿。它位于秦岭的北面，东距吕梁山。面积约27.56万公里，占中国黄土分布面积的43.72%。黄土高原总的地势是西北高而东南低,黄河流经黄土高原,并在其上发育了众多的支流。黄河干流与一级、二级支流一起构成了黄土高原水系总框架(图1)。其中最重要的有黄河干流,一级支流渭河、无定河、清水河,二级支流泾河、洛河等。第四纪以来,受青藏高原隆起的影响,黄土高原不断间歇性抬升,使得流经黄土高原的黄河及其支流不断下切,形成多级河谷阶地,并接受黄土沉积,成为黄土覆盖阶地。阶地沿河两岸展布,阶面平坦宽阔。近年来,我们对黄河、渭河、泾河、洛河、灞河、无定河、祖历河等30余条河流的阶地特征及其上的黄土-古土壤序列进行了大量调查研究,并对阶地上的黄土地层进行了详细的古地磁测量,这有助于了解青藏高原隆升特征及黄土高原水系与河谷地貌发育过程,同时为黄土高原地区的工农业建设、环境规划,以及社会经济可持续发展提供基础资料。1黄土-古土壤条件主要介绍黄河及其一、二级支流典型地段河流阶地上的黄土-古土壤序列。1.1兰州段黄河黄河是流经黄土高原的一条主干流。沿河两岸阶地发育,其中在兰州东盆地的阶地可明显分为6级(图2),全系黄土覆盖阶地。(1)黄土-古土壤序列以九州台剖面最为典型。阶面海拔2070m。阶地基座为前寒武系皋兰群变质岩与古新近系红色砂质黏土,基座之上为2~3m厚的砾石层与20m厚的冲积黄土状土,构成阶地二元结构。黄土状土之上为厚约319m的黄土-古土壤序列,由全新世、晚更新世、中更新世和早更新世黄土4部分构成。全新世黄土厚2m,由黑垆土(S0)和上部淡黄色黄土(L0)构成。晚更新世黄土厚约40m,包括S1及其上的L1,黄土呈淡黄色,颗粒较粗,疏松,富大孔隙,滴稀盐酸起泡强烈,含石膏小结核。中更新世黄土厚约150m,包括L2顶面至B/M界线之间的地层,黄土呈淡黄色,较疏松,大孔隙较多,含石膏小结核,见有直径为2.0~0.5mm的黑色斑点。早更新世黄土厚约118m,黄土略显肉红色,胶结硬,含片状及花瓣状石膏结核,直径为0.1~0.3mm的黑色斑点发育,最底部出现古土壤S21。(2)沉积型土壤条件以墩洼剖面为代表。阶面海拔1940m。基座上为厚约5m的砾石层与15m的层状黄土状土,其上为厚约200m的黄土-古土壤序列,由L1—S14构成。(3)数据处理以黄河北岸五一山剖面为代表。阶面海拔1760m。阶地二元结构为5m厚的砾石层与厚约10m的层状黄土状土,其上覆盖厚约100m的风成黄土,由L1—S5组成。(4)加标回收以白塔山地区最为发育,阶面海拔1620~1640m。基座上5m厚的砾石层与10m厚的冲积黄土状土构成阶地二元结构,其上堆积的黄土厚约40m,由L1和S1构成,S1往往由两层构成。(5)海拔2.2在白塔公园东南及西固城一带均有二级阶地发育,以石峡口地区发育为好,阶面海拔1560~1570m。基座上厚约5m的砾石层与8~10m厚的冲积黄土状土构成阶地二元结构,其上为20m厚的无层理黄土,属晚更新世晚期黄土,呈淡灰黄色,疏松,富大孔隙,顶面发育了一层黑垆土(S0)。(6)mme5m兰州地区大部分都座落在一级阶地上。阶面海拔1520~1535m。阶地砾石层顶面高出河面5~10m,上覆2.0~3.0m厚的冲积黄土状土,顶部为厚2.5~3.0m的黑垆土(S0)、全新世黄土(L0)与现代耕作层(MS)。1.2靖远黄河黄河在靖远段发育1—6级阶地,均属黄土覆盖阶地(图3)。(1)晚更新世黄土该阶地上的黄土厚约505m,含33层二级单位古土壤(后详述),是目前已知世界上最厚的黄土剖面。该剖面由全新世、晚更新世、中更新世和早更新世黄土4部分构成。全新世黄土地层厚2~3m,由黑垆土(S0)及淡灰黄色黄土(L0)构成。黄土颗粒较粗,疏松,富大孔隙,黑垆土呈淡褐黑色,含较多的植物根须。晚更新世黄土厚约64m,由S1和L1构成,S1由两层淡红褐色古土壤(S1-1和S1-2)构成,L1中夹两层淡褐红色黏化层(即S0-1和S0-2)。中更新世黄土厚约219m,包括L2顶部至S8顶部之间的土层,其间含11层古土壤,分别为S2、S3、S4(由S4-1、S4-2和S4-3构成)、S5(由S5-1、S5-2和S5-3构成)、S6(由S6-1和S6-2构成)及S7,古土壤底部见有球状石膏小结核。早更新世黄土厚约220m,包括S8顶面至底部的土层,最底部出现古土壤S23(二级单位为S33)。黄土底部为厚约21m的冲积黄土状土及厚约10m的砾石层,基座为新近纪红色砂质黏土。(2)机构组成5T5黄土地层包括L1—S16(指一级单位,下同)之间的土层,厚约400m。T4黄土厚220m,由L1—S6之间的土层构成。T3黄土由S1和L1构成,厚60~65m。T2黄土厚30~35m,由晚更新世黄土、黑垆土(S0)及上部黄土(L0)构成。T1黄土由2~3m厚的黑垆土(S0)和上部黄土(L0)组成。1.3黄河流域分布渭河发源于甘肃省渭源县,流经陇西、天水,于宝鸡入陕后,贯穿关中盆地,于潼关注入黄河,是黄河的一条主要支流。渭河谷地阶地很发育,一般发育1—6级阶地(6级阶地限于天水段以上的河段),多被黄土覆盖。宝鸡段渭河共发育5级阶地。渭河南岸的宝鸡县马营镇剖面(图4)最为典型。该地段的阶地属嵌入式阶地。(1)晚更新世黄土剖面底部出露的砂砾石层厚约10m,其上为3.0m厚的冲积黄土状土,再往上为无层理黄土,厚约80m,地层自上而下简述如下:全新世黄土由S0、L0和MS构成,厚1.6~2.9m。晚更新世黄土由S1和L1构成,厚约5.3m,黄土呈灰黄色,质地均一,颗粒较细,富大孔隙,垂直节理发育,古土壤色调鲜艳,底部钙质结核呈层状分布。中更新世黄土包括L2—S8顶面之间的土层,厚约39.7m,古土壤呈鲜褐红色,其中S5是由S5-1、S5-2和S5-3构成,厚5.0m。早更新世黄土包括S8—S16之间的土层,厚约33.0m,黄土呈肉红色,属石质黄土,含两层砂质黄土(即L9和L15)。(2)s11—第4—1级阶地T4上的黄土厚约50m,由L1—S9构成。T3上的黄土由L1—S6组成,厚约39.0m。T2上的黄土由L1和S1构成,S1由S1-1和S1-2构成,黄土厚10~12m。T1冲积黄土状土之上为S0、L0和MS,厚约2.0m。1.4染色及古土壤序列泾河是渭河的主要一级支流,发源于宁夏固原,流经甘肃的平凉、泾川及陕西的长武、彬县、淳化、礼泉、泾阳等,在高陵县以南注入渭河。它主要流经黄土堆积区。彬县段泾河共发育5级阶地(图5)。T5上的风成黄土厚约86m,为典型的黄土-古土壤序列,含16层古土壤,其中S5由S5-1、S5-2和S5-3构成,厚5.0m,夹两层砂质黄土(即L9和L15)。T4上的黄土包括L1—S9,厚60.0m。T3上的黄土厚40.0m,含6层古土壤,最底部出现古土壤S6。T2上的黄土由L1和S1构成,厚12.0m。T1上的黄土包括S0、L0和MS,厚1.8~2.8m。1.5阴山丘陵阴地地区洛河是黄河的二级支流,发源于陕北白于山,流经陕西境内的吴旗、甘泉、洛川、白水等县,于大荔县以南注入渭河。沿河两岸一般发育有1—5级阶地,沿河谷断续分布,多被黄土所覆盖。洛川县秦家河段洛河共发育5级阶地,典型剖面(图6)位于洛川黄土塬的西缘,这里黄土发育,很具代表性,我国层型黄土剖面——洛川坡头黄土剖面就位于塬内的黑木沟。(1)土壤为灰灰古土壤,土壤理化性质为淡灰古土壤。据古土壤的土壤,土壤理化性质为基座上厚1.5m的砾石层和厚1.5m的冲积黄土状土组成二元结构,其上覆黄土厚78m,剖面(图6)地层层序如下:全新世黄土-古土壤(厚1.7~3.8m)MS现代耕作层。0.5~0.8mL0淡灰黄色黄土,疏松,富大孔隙。0.5~1.5mS0淡灰褐色黑垆土,富含有机质。0.7~1.5m晚更新世黄土-古土壤厚10.6mL1淡灰黄色黄土,疏松,富含大孔隙,垂直节理发育。8.6mS1红褐色古土壤,底部钙质结核呈层状分布。2.0m中更新世黄土-古土壤(厚47.0m)L2淡灰黄色黄土,疏松,多大孔隙。8.0mS2红褐色古土壤,由两层构成,其间夹0.6m厚的黄土。3.5mL3淡灰黄色黄土,含少量大孔隙,胶结较好。3.0mS3红褐色古土壤。2.0mL4淡灰黄色黄土,含少量大孔隙,胶结较好。5.0mS4红褐色古土壤。2.0mL5淡灰黄色黄土,含少量大孔隙,胶结较好。5.0mS5红褐色古土壤,由3层构成。5.0mL6淡灰黄色黄土,较密实。4.0mS6红褐色古土壤,由两层构成。2.5mL7灰黄色黄土,胶结好。2.0mS7红褐色古土壤。2.0mL8灰黄色黄土,致密。2.0m早更新世黄土-古土壤(厚14.5m)S8红褐色古土壤。1.0mL9系剖面中的第1粉砂层,呈淡灰黄色,颗粒粗,含灰色小斑点。5.0mS9红褐色古土壤。1.5mL10淡灰褐色黄土,胶结好,坚硬。2.0mS10红褐色古土壤,色较淡。1.0mL11淡灰褐色石质黄土。3.0mS11红褐色古土壤,色淡。1.0mS11以下为冲积黄土状土。(2)黄土的组成T4上的黄土由L1—S8组成,厚60m。T3上的黄土由L1—S6组成,厚45m。T2上的黄土由L1和S1构成,厚10m。T1上的地层由MS、L0和S0构成,厚2.5~3.0m。1.6黄土-古土壤序列灞河由源于秦岭的流峪、道峪和清峪合成,流出山口后经公王村西南流至蓝田城关,汇辋川河突转向西北流,在西安城东北汇浐河,入渭河,是渭河的一条主要支流。灞河中游段因受骊山掀斜式隆升活动的影响,两岸形成极不对称的河谷地貌(图7)。右岸环绕骊山东、南、西3面共发育5级阶地,左岸则强烈侧蚀迁移,岸坡陡峭,如白鹿塬边以300~370m的高差直落灞河河床,坡上滑坡灾害发育。蓝田县城附近灞河1—5级阶地连续发育(图8),全系黄土覆盖阶地。现对该阶地上的黄土-古土壤序列概述如下:T5上的黄土厚70~80m,由L1—S16之间的土层构成,含两层砂质黄土(即L9和L15)。T4上的黄土包括L1—S9,厚40~50m。T3上的黄土包括L1—S6,厚20~25m。T2上的黄土地层很发育,以蓝田县白马坡剖面(图9)最为典型。该剖面地层由MS、S0、L1和S1构成,厚10~15m,黄土呈淡肉红色,颗粒细,黏化重,夹两层灰棕色古土壤(S0-1和S0-2),古土壤(S1)呈鲜红褐色,由S1-1和S1-2构成,其下伏冲积黄土状土。T1上的地层由现代耕作层(MS)和黑垆土(S0)构成,厚1.5~2.5m。2黄土层结构的阶梯结构以六盘山为界,可以将黄土高原河谷阶地黄土地层结构分为西部阶地地层区和东部阶地地层区(图10)。2.1黄土地层结构由上述可知,黄河在六盘山以西一般发育有1—6级阶地,阶地及其上覆的黄土地层结构特征见表1。T6黄土地层结构T6上的黄土厚度很大。兰州黄土厚310m,由21层黄土及夹于其间的21层古土壤构成。靖远黄土厚505m,含23层古土壤,二级单位为33层古土壤(其中S1包括S1-1和S1-2;S4包括S4-1、S4-2和S4-3;S5包括S5-1、S5-2和S5-3;S6包括S6-1和S6-2;S11包括S11-1和S11-2;S12包括S12-1和S12-2;S15包括S15-1和S15-2;S16包括S16-1和S116-2),是迄今所发现的世界上最厚的黄土剖面。地学工作者对九州台剖面磁性地层进行了大量研究,结果表明,九州台黄土开始堆积的时间不早于1.40MaBP。我们曾对靖远黄土剖面古地磁进行过多次测量,结果表明,B/M界线位于L8中部,年龄为0.73MaBP;贾拉米洛正极性亚时(J)位于L10—L13位置,年龄为0.97~0.90MaBP。该剖面的极性界线与地层划分完全可以与兰州九州台剖面以及六盘山以东的平凉、西峰、洛川、蓝田和陕县等黄土剖面对比。根据黄土磁化率时间标尺计算,靖远曹岘黄土剖面底界年龄约为1.45MaBP,即靖远段黄河6级阶地上的黄土开始堆积年代不早于1.45MaBP。由上述推断,黄河中游6级阶地形成年代应早于1.45MaBP。T5黄土地层结构T5上的黄土厚200~400m,包括14—16层古土壤。B/M界线位于L8中部,贾拉米洛正极性亚时位于L10—L13位置。黄土磁化率时间标尺计算结果表明,剖面底界年龄为1.20~1.23MaBP,即T5黄土开始堆积年代不早于1.23MaBP。T4黄土地层结构T4上的黄土厚100~220m,含5—6层古土壤。根据磁性地层研究结果,剖面底部年龄为0.62~0.60MaBP,即T5黄土堆积始于0.60MaBP。T3黄土地层结构其上的黄土是由L1和S1构成,厚40~65m。阶地上的S1热释光年龄为(116500±14700)a,可以推断T3上的黄土堆积始于0.12MaBP。T2黄土地层结构T2冲积黄土状土之上的无层理黄土厚20~35m,属晚更新世晚期黄土。据内插法计算,黄土开始堆积年代约为0.03MaBP。T1黄土地层结构其上黄土是由MS、L0和S0构成,厚1.5~3.5m。黑垆土热释光年龄为8800a,由此推断,T1形成时代不晚于0.01MaBP。2.2土壤条件及古土壤类型渭河是黄河的最大支流。渭河水系在六盘山以东黄土高原区占有很大的流域面积(图1)。前已述及,渭河及其一级支流一般发育有1—5级阶地,多系黄土覆盖阶地。各级阶地及其上的黄土地层结构特征见表2。T5黄土地层结构T5上的黄土厚度一般为70~90m,一般含有16层古土壤,最少为11层古土壤。我们对上述的渭河、泾河、洛河及灞河上的T5的黄土-古土壤序列进行了古地磁测量,所得结果彼此吻合。B/M界线位于L8中部,贾拉米洛正极性亚时处于L11—L13的位置。磁性地层学研究结果表明,黄土剖面底部出现古土壤S16的年龄为1.23MaBP,出现S15的年龄为1.20MaBP,出现S11的年龄为1.00MaBP。由上述可知,T5上的黄土开始堆积时间为1.23~1.00MaBP。T4黄土地层结构T4黄土厚50~70m,一般含有9层古土壤(洛川T4含8层古土壤)。磁性地层学研究结果表明,剖面最底部出现古土壤S9的年龄为0.82MaBP,出现S8的年龄为0.80MaBP。可以推断,4级阶地上的黄土堆积始于0.82~0.80MaBP。T3黄土地层结构T3黄土厚2