气候变化对河流阶地形成的制约

气候变化对河流阶地形成的制约

河流系统的行为和过程的外部因素和内因是显而易见的。较长时间尺度的古气候研究已经表明,第四纪是一个气候呈周期性波动的时期,在高山区表现为垂直气候-植被带的上下迁移,而植被带的变化又可通过河流径流量和沉积物通量的变化反映出来。同时,第四纪还是一个构造活动频繁且较为强烈的时期,多级河流阶地正是这些构造活动的一种表现形式。因而,河流阶地及其相关沉积物通量常被看作是古环境和活动构造研究的一种重要途径。然而,无论是用河流阶地来反映古气候变化,还是用于构造抬升研究,都涉及到一个至关重要的问题,即河流阶地及其沉积物的形成过程和驱动机制问题。目前有关河流阶地成因的理论解释和概念模型有多种,甚至对于同样的阶地,不同研究者提出的成因解释也存在差异,这主要是由于大多数河流地貌的形成过程并非受单一因素控制,而是同时受多种驱动机制制约。本文回顾了当前国内外有关不同时间和空间尺度下河流阶地的形成过程及其驱动机制,以及河谷的下切速率和山地抬升速率等问题的研究成果,并就这些问题作进一步的探讨。1河流阶地的成因河流阶地是指过去某个时段的活动河床由于外因或(和)内因的变化而引起河流下切,致使原来的活动河床被废弃而形成的河流地貌。根据河流阶地的形成过程和驱动机制,可以将其分为三种类型,即加积型阶地(fillterrace)、加积-切割型阶地(fill-cutterrace)和宽谷型阶地(strathterrace)或基座阶地。这三种类型的阶地都是在特定的环境下产生的,都有其独特的驱动机制和形成过程。概括起来,河流阶地的成因可分为内因和外因,内因主要是河流系统内部的动力条件变化,外因包括气候变化、构造活动和基准面的变化。Bull及Leopold和Bull将驱动河流地貌发育的内因和外因归结为一个概念,即河流临界能阀值。临界能阀值的变化可引起河谷加积模式和侵蚀模式的相互转化。它可以表示为水流能与抵抗能的比率,即:f=水流能抵抗能f=水流能抵抗能水流能如果增加则能够引起侵蚀的多个变量组成,抵抗能如果增加就能引起河流加积的变量组成。当f<1,即抵抗能超过水流能时,就会出现推移质的加积,悬移质则被水流带走,因而,典型的河流阶地沉积物通常由推移质组成;当f>1,河谷则发生下切;当f=1时,河谷处于平衡状态,既不发生加积,也不发生下切。不论是构造、气候,还是基准面等其他因素的变化,都能引起河流临界能阀值发生改变,比如气候变化可通过增加(减少)河流径流量和沉积物通量来改变水流能和抵抗能,构造抬升和基准面变可以改变河流梯度的方式实现对水流能和抵抗能的影响。2低气候变化冰期开始时的冰期对河流形态发育的影响2.1河流阶地发生机制1909年,Penck和Brückner在有关阿尔卑斯山冰期研究中,开创性地将阿尔卑斯山前陆平原的阶地形成时间与阿尔卑斯四次冰期联系起来,他认为山前阶地的沉积物是古冰川作用及其相关的冰水沉积的直接产物,堆积于冰期,而促使河流阶地形成的下切过程则发生在间冰期。有关“冰期堆积,间冰期下切”的河流阶地发育模式可概括为:冰期时,植被覆盖度减小,冻融活动加强,进入河流的泥沙量大大增加并超过河流搬运能力,从而引起河流发生加积;间冰期时,山地植被恢复,河流沉积物通量减小,而降水量及冰川融水则呈增加的趋势,流水搬运能力逐渐超过被搬运物质的抵抗能力,最终引起河谷发生下切。该河流地貌发育模式都强调了河流地貌发育过程与冰期-间冰期气候旋回的一致性,呈周期性变化。2.2冰期-间冰期eMaddy根据英国泰晤士河中更新世河流阶地地质记录,提出了一个气候变化控制河流阶地形成的概念模型(图1)。此概念模型的理论基础是:河流的堆积与下切是通过气候变化直接或间接控制的河流沉积物通量和径流量比率变化来实现的,径流量和沉积物通量的变化又控制着河道的加积和下切。当气候变暖时(冰期-间冰期过渡期),地表植被增多,坡面侵蚀减弱,进入河流中的泥沙量减少,同时,降水量逐渐增多,这两者结合起来则可能导致河道发生下切(图1a);此时,在河流的下游河段以加积为主(图1b)。一旦完全进入气候稳定的间冰期,大气环流和大洋环流也返回到了更加稳定的状态,此时的河流系统达到平衡或准平衡状态,动力条件相对减弱,只能在原来的洪积平原上形成较薄的沉积物(图1c)。当间冰期向冰期转型时,气候逐渐变冷,同时也变得更加不稳定,这可能导致较高的洪水频率和强度,高强度的洪水可导致河流发生侵蚀(图1d)。随着寒冷程度加强,植被覆盖度减小甚至消失,它与越来越强的冻融作用相结合,使得进入河流的沉积物越来越多。这些沉积物主要由细颗粒的间冰期风化产物和冻融作用产生的粗颗粒物质组成。较高的沉积物通量与较小的河流径流量相结合可引起河流发生加积(图1e)。当气候完全进入较稳定的冰期,降水的频率和强度逐渐减弱,最终,河流系统将达到一种准平衡状态(图1f)。在Maddy的冰期-间冰期气候旋回河流阶地发育模式中,阶地都是在地质构造背景、基准面及其它驱动机制稳定的情形下,主要由气候的冰期-间冰期变化形成的。这样形成的阶地及其沉积物的特点是:间冰期堆积的阶地沉积物颗粒较细,冰期则变粗;阶地的高差较小,主要以堆积阶地的形式出现(图2情形Ⅰ)。2.3间冰期演化中的河流阶地特征Green和McGregor在英国南部被许多人认为是冷期形成的阶地沉积物中发现了属于暖期的古土壤和动物化石,这意味着暖期时也存在一定程度的堆积。目前,长尺度气候变化曲线已被建立起来,但它指示的河流阶地沉积物可能形成时间(冰期)与其实际形成时间并完全不一致,仅就第四纪而言,冰期-间冰期旋回远远超过了目前已知的河流阶地级数。看来,不能简单地从气候学的角度把河流加积、阶地沉积物颗粒变粗看作是冰期时的河流发育模式,也不能把轻易地将河道下切、河流搬运物质变细等同于间冰期河流发育特征,河流地貌发育过程应还存在其它的制约因素。事实上,自从河流演变的气候控制理论被提出的那一刻起,就有许多学者不断对其提出异议。Schumm认为河流系统内部的动力变化和反馈机制在河流地貌形成过程中具有重要影响。1979年,Leopold和Bull提出了一个河流系统发育的自动循环模型,在此模型中,他们把河流阶地的形成归因于河流比降(纵剖面)不断调整的结果,即在河流系统平衡被打破后,通过河道下切形成阶地,从而使河流系统达到新的平衡。河流系统的不平衡状况可能是由多种不同时间和空间尺度的机制造成,这些机制主要影响到河流沉积物通量和径流量,它们不仅包括前述的低频气候变化,还包括构造运动、基准面变化,以及河流系统内部的动力变化和高频气候变化。3高频气候变化在某些阶地沉积物里面,夹杂有一些复杂的沉积结构,它们并非代表了小尺度的构造运动变化,更可能是河流系统对小尺度(1～1000a)气候变化响应的结果,即河流沉积物通量短期变化引起的下切-加积沉积序列。此类小尺度或高频(米兰科维奇亚周期气候旋回)气候变化在格陵兰冰芯和北大西洋深海岩芯中都有明确的反映,但河流系统对这些较小幅度气候变化响应的精确时间是现有测年技术无法测定的,基于河流地貌发育过程的数字模拟对认识这类沉积物会有所帮助。河流系统内部的动力条件变化也可能在短期内引起小范围的河流加积和下切,它主要是通过沉积通量-径流量比率的变化来改变河流地貌的形态。但它对河流的影响一般仅限于一条河流的某个河段,影响的时间尺度较小(10～1000a),所形成地形的规模也相对较小(10～1000m)。河流内部动力变化所形成的小尺度地貌形态只能在那些保存较完整、较年轻的地貌形态序列中才能辨认出来,对于那些形成时间较长,形态较破碎的小尺度地貌则很难识别。4海平面升降控制下切侵蚀侵蚀基准面的变化可由受气候变化制约的海平面升降引起,海平面通常被称为终极基准面。局部的构造抬升或沉降也可引起基准面发生变化,这种类型的基准面称为地方性基准面,它对河流地貌发育的影响范围相对较小。冰期时,海平面的下降可以引起河流的下切侵蚀,它首先发生在河流的下游或河口段,然后通过裂点的后退逐渐向上游溯源侵蚀,但与此同时,上游地区可能会由于河流径流量减小、沉积物通量增加而发生堆积。暖期时,海平面相对升高,河流的河口段或下游通常会发生堆积,而中上游河段则可能由于径流量增大、沉积物通量较小而发生下切侵蚀。Zeuner很早就观察到河流地貌演变的这一特点,他表示,近海的下游河段,阶地形成过程主要受海平面波动控制,而在远离海洋影响的内陆腹地,气候变化则起了决定性作用。由局部的构造抬升或沉降引起的基准面变化对河流的影响类似于海平面升降对河流产生的效应,但也存在一定差异,比如,不需要气候变化的参与,仅仅是基准面本身的变化就可以同时引起相对抬升的河段发生下切,相对沉降带发生堆积。一般来说,海平面升降对河流造成的影响不会深入到内陆很远,河谷下切的深度非常有限,一般不足以形成阶地,只能侵蚀部分前期形成的沉积物,即使形成阶地,其范围一般仅限于大陆架地带或河流的下游。由基准面下降引起的下切通常是通过裂点向上游后退的形式实现的,由此形成的宽谷面和相应的沉积物的年代都呈愈向上游愈年轻的趋势。5不同级气候类型的阶地发生和发展单一气候变化对河流地貌发育的制约主要是通过改变径流量与沉积物通量的比率来影响河流的堆积与下切,上述Maddy等人提出的河流地貌发育的气候驱动模式可以对它作出解释。然而,这一模式无法解释由多级阶地记录的河流逐步(或间歇性)下切过程。对青藏高原及其周边地区许多河流阶地的研究表明,它们可能是受到构造运动影响而形成的。Maddy的研究也表明英国南部河谷第四纪期间的逐步下切是河流系统对长时间的地表抬升响应的结果。实际上,河流系统对地表构造抬升响应是一种很普遍的现象,尤其是对于处在板块边缘、构造活动强烈的地区和区域构造活动较多的地区。由于抬升速率和抬升形式(比如持续抬升和间歇性抬升)的不同,受气候控制的河流加积和下切的表现形式也存在差异(图2)。对于相对稳定的地区(图2Ⅰ),近似平行的河流沉积物和介于其间的下切过程代表了冰期和间冰期气候旋回,次一级的气候波动(冰阶-间冰阶)则表现为较小规模的河床加积和下切;在垂直构造运动较强烈的区域内(图2Ⅲ),河谷一般较狭窄,形成的阶地以宽谷型阶地为主,且级数较多,阶地基面之间的垂直高差较大,这反映了河谷较高的下切速率;小尺度的气候变化表现为一系列有少量沉积物覆盖或裸露的侵蚀型阶地;对于介于Ⅰ和Ⅲ之间的情形Ⅱ,阶地以加积型为主,宽谷面上覆的阶地沉积物较厚,其中可能夹杂着代表冷期的冰缘堆积物或坡积物,阶地之间的高差较情形Ⅲ要小,次级气候波动可形成规模较小的加积-切割型阶地和加积型阶地。上述几种类型的阶地成因只是简单的概念模式,实际的河流阶地形态复杂得多,比如,对于持续抬升且抬升速率非常高的地区,河谷可能主要表现为下切形式,气候的周期性变化对它的影响难以体现出来,这也可能是大部分地区实际阶地级数远远少于气候的冰期-间冰期旋回的一个原因。单一的间歇性构造抬升,即使没有气候变化等其他因素的作用,也能形成阶地。一级阶地的下切过程有时可能需要多个冰期-间冰期旋回才能完成,比如Gerlach等人在研究喀尔巴阡山河流阶地时认为,要切割厚度达20m的砾石层不是一个间冰期能完成的,可能需要两个甚至多个间冰期的河流作用。与此相对照,一级阶地的沉积物也可能由多个冰期-间冰期堆积完成。此外,由于构造抬升的方式和发生部位不同,所形成的阶地也表现出不同的特征。若抬升发生在河流的上游河段,上游地区形成的阶地高差最大,并逐渐向下游尖灭。欧洲的莱茵河是一个较典型的例子,其下游为一沉降盆地,呈加积形态,中游河段基本上处于平衡状态,既没有阶地形成,也没有加积发生,而位于德国境内的莱茵河上游地区保留了形态十分完整的阶地,且逐渐向中游尖灭。若构造抬升发生在中游河段,比如阿尔卑斯山地区,河谷上游和下游均发生下切侵蚀,高差最大的阶地保留在中游抬升区,且同时向上游和下游地区尖灭。6河谷下切速率在河流阶地研究中,人们通常运用阶地面之间或阶地面与现代河床之间的相对高差以及阶地的形成年代来计算河谷的下切速率,并用此下切速率来代表或衡量山地的抬升速率。事实上,河道的下切与山地的构造抬升之间并非是简单的“抬升多少,下切多少”关系,在运用河谷的下切速率来衡量山地的抬升情况时,有诸多问题需要考虑。1对河谷形成机制的影响河流下切并非总是能够与地表构造抬升的节奏保持一致,因为河道通常要等待合适的气候条件才能发生下切,因而河流下切可能滞后于构造抬升。比如,冰期时,进入河道的搬运物质增加和河流径流量搬运能力减小而产生的抵抗能可能超过由构造抬升引起的河流梯度增加而产生的驱动能,最终导致河谷发生堆积。只有等到冰期-间冰期过渡时段或间冰期,当河流径流量增加,进入河谷的搬运物质减少,驱动能超过抵抗能时,构造抬升的效应才能释放出来,并引起河谷发生下切。在这种情形下,如果简单地用下切速率来衡量抬升速率的话,可能会低估抬升速率。2河道下切速率Maddy认为,虽然河道的下切和邻近区域的构造抬升之间没有一种简单的相关关系,如果在每一次下切过程中(比如每个间冰期的后期),河道能够恢复到同样的比降,这样就可以建立一种与前期剖面类似的准平衡剖面,同时,如果河间地的剥蚀速率可以忽略不计的话,则河道的下切速率可以用来衡量地表的抬升速率。这里之所以要求河间地的剥蚀速率忽略不计,是因为:如果河间地剥蚀速率很大,位于河间地之下的地壳则会通过均衡抬升来补偿地表的剥蚀量,相应地,河谷本身也会被抬升。如果忽略均衡抬升对河谷下切的影响,这显然会高估实际的构造抬升速率。3对于下切速率的计算宽谷面的形成过程是阶地形成过程中一个很重要的环节,许多运用阶地的相对高度及其形成时间来计算河谷下切速率的研究都忽略了宽谷面的形成过程,这样会导致计算得到的平均下切速率要小于河谷的实际下切速率。据Hancock和Anderson的数字模拟结果,宽谷面的形成可能需要数千年的时间,若忽略宽谷面形成所需的时间,计算得到的下切速率较实际最大下切速率要小1.5～7倍。此外,阶地沉积物的堆积过程也是一个不容忽视的因素,尤其是在阶地沉积物较厚的情形下,如果用来的计算下切速率的年代是从沉积物上部获得的话,也会在一定程度上低估河谷的下切速率。此外,许多有关河谷下切速率的研究都发现,全新世河谷的下切速率较更新世中、早期有加速的趋势,这是不是全新世期间构造抬升加强的表现呢?事实上,目前的气候正处于间冰期(或冰期-间冰期过渡期),这一趋势基本上从末次冰消期延续到现在,在此期间,植被得到恢复,沉积物通量减小,河流径流量增加,河谷基本上处于下切状态。因而,根据全新世河流阶地计算得到的下切速率必然大于河流的长期下切速率,用此下切速率来衡量山地抬升速率,势必会得