黃河如何孕育成長
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河流作為一個最基本的地貌元素,其發育歷史記錄了高原的形成和演化過程,因而備受重視,多個研究團隊都在做河流地貌的尤其是河流階地的研究,其中潘保田教授及其團隊研究黃河歷時最久,成果尤豐。
河流階地研究,既可以算是縱向的剖面,又因跨了地域而具有了水平意義,在高原隆升方面比較說明問題;又因理解一條大河的演化時空,大眾無須具備更多專業知識,且在理解的同時感覺親切,所以特別將黃河研究拿來一說。不過,有關河流演化史的訪問,還是讓我學到兩個實為常識的新知:一個是“逢河必斷”——大江大河總是沿著地殼薄弱處,主要是斷裂帶發育而成;一個是“溯源侵蝕”——江河源頭總是分段式向高處躍動式延伸。這多少有些費解,似與“高水低流”相悖。為此潘教授向我這個文科人士釋義,又說又畫,以黃河壺口瀑布“裂點”為例,說明隨著地勢抬升,“裂點”出現,先前各不相關的水系就此貫通,當初黃河正是從這兒完成了一步登高,而這也正是海拔越高的河段加盟越晚的原因所在。
2012年西藏采訪歸途中,特意路過蘭州大學。第一個想見的人是潘保田教授,最想了解的是他多年從事黃河研究的新進展。蘭州作為地理學意義上的中—上游分界處,黃河穿城而過,蘭大地理學專業由此占盡優勢先機。二十幾年前當潘保田還在讀碩時,就跟從導師李吉均院士注目于這條偉大河流,博士學位論文也以此為題:《青藏高原隆升與黃河發育問題》。十幾年前初次采訪,黃河的孕育誕生圖景就已被他粗線條勾勒出來,上游直至源頭的河段尤為明晰:于170萬年前向上通過蘭州,現代水系格局初成;120萬年前還在祁連山,以湟水和大通河為源;繼續上行,收納循化—化隆盆地,約在15萬年前切開龍羊峽,兼并共和水系;僅僅在不到兩萬年前,方才切穿若爾蓋古湖,直指現代黃河源——鄂陵湖和扎陵湖。
全程追蹤研究,再借助現有地質和環境資料,潘教授繪制了一幅黃河水系格局演化示意圖,直觀呈現黃河通過襲奪和串聯各內流水系的形成史4階段——
370萬~170萬年前內流水系階段,沿現今黃河流域呈串珠狀分布的,依次有若爾蓋—共和—化隆—東山—河套—三門等等古湖水系,它們各自為政,互不統屬;
170萬~120萬年前水系孕育階段,甘肅、寧夏段黃河出現,其歸宿可能為河套古湖;
120萬~10萬年前水系形成階段,已然串通三門古湖、河套古湖和化隆古湖,東流入海;
10萬年前至今是水系發展定型階段,源頭向青藏高原內部延伸,共和古湖和若爾蓋古湖加盟,最終定格為現今水系格局。
——曠日持久,空間廣闊,從躁動于大地母腹,到誕生成長,黃河的故事是一個伴隨著人類演化、中國地勢成形的宏大敘事,其間不乏對于沿途看來無序的、各不相關的古湖水系的襲奪、串聯、兼并、重組之類動態情節,關鍵詞是溯源侵蝕。驅動力何在?青藏高原隆升。所以說,黃河研究可謂系統工程,涉及構造運動及其效應,涉及古氣候環境變化影響;另一方面,又超越了學術研究,將萬里貫通中國的時空序列一路看過,如同史詩,豪邁激越。
圖景既已呈現,研究還在進行,做什么?一個講座,一次訪談,潘教授主講的都是“黃河中游形成演化過程研究”。這么說來,近年間他的研究團隊工作重點在黃河中游,在晉陜峽谷——北起托克托,南至禹門口,在這條宏大深切峽谷里,黃河沿呂梁山西麓自北向南縱貫鄂爾多斯高原和黃土高原,連接河套盆地與汾渭盆地。對于這一河段的形成,中國地學界關注了近百年,也爭論了近百年,存在諸多尚未解決的科學問題。潘教授年復一年的野外工作,是在多級河流階地、河湖相沉積開掘巨厚的垂直剖面,并對各邊界進行水平追蹤,由點連線,復原各時段演化序列;再經由古地磁等現代測年技術和黃土層坐標參照,得出絕對年代。
蘭州階地,晉陜峽谷,汾渭盆地,三門峽,就這樣一路追蹤,到本書成稿時,胡振波博士提供來兩篇新發表于《第四紀科學評論》(QuaternaryScienceReviews)的論文提要和圖示,可以作為《黃河水系格局演化示意圖》的分解細化呈現——
170萬年前黃河源上行通過蘭州的結論是前輩學者得出的。蘭州地區最古老、最高一級階地的遺跡,分布在距現代黃河10余公里的薛家灣;次高一級在九州臺,階地形成年齡分別為160萬年和150萬年。潘保田團隊所做的,是接力接續,在蘭州東盆地相繼發掘出距今124萬年到1萬年的7級新老階地。其中發育于105萬年和96萬年前的兩級階地屬于新發現。
蘭州黃河階地研究成果,突出表現在完成了一個理論建樹——構造抬升和氣候變化共同控制的中國河流階地發育模式。這里有一個背景需要交代:西方科學家很早以前就認為氣候變化是河流階地形成的主要驅動力,尤其在地質相對穩定、地面抬升緩慢的西北歐地區,氣候變化在階地形成過程中所起的主導作用已被廣泛認可。其原理是,第四紀環境變化中強烈的周期性冰期—間冰期氣候旋回,通過改變河流系統的泥沙和徑流等水動力條件,對河流堆積與下切交替形成階地的過程產生深刻影響。
歷來的教科書都是這么說的,但是在對黃河演化時空的全程追蹤中,潘教授發現這一理論并不完全適用于中國河流。2005年在《自然科學進展》發表論文《從三門峽黃河階地的年代看黃河何時東流入?!分?,他對于河流階地成因機制還有些拿不準,“究竟是構造活動還是氣候變化在起主導作用,或者兩者平分秋色,我們目前的研究資料還無法對此做出滿意的回答”。隨著研究的深入、資料的增多,尤其將蘭州盆地多級階地形成時間與隆升事件和氣候變化一一對照之后,語氣肯定了,結論出來了:“并非每次冰期—間冰期的氣候交替都能引起黃河下切形成階地。氣候變化只是階地形成的必要條件之一,不是充分條件。對比黃河下切速率和階地年代序列發現,地面上升仍然是影響黃河下切的重要因素。只有在地面上升速率達到一定程度的時候,氣候變化才能導致黃河堆積與下切交替形成階地;而在地面上升緩慢時期,即使發生了大幅度的氣候變化,黃河也沒有階地記錄?!?/p>
接下來的晉陜峽谷研究中,錯綜復雜的黃河發育史被理出頭緒:湖相沉積,至晚始于830萬年前,止于370萬年前。這期間,周邊多條小型河流匯入古湖,大致呈東西流向,差不多與現代黃河走勢垂直?,F在的河道底下,發現一較大古河道,至少在距今490萬~120萬年前這一時段,以與現代黃河相反的流向,由南至北,河套古湖是其終點。然而,就在距今120萬年前后,就在這個極其重要的時間節點,隨著地勢的抬升,晉陜峽谷河水倒流,由北而南;最晚在86萬年前,三門峽門戶洞開,直下渤?!S河主脈干流豁然貫通。
“黃河中游形成演化可以很好地反映青藏高原向東擠壓遠程效應和東亞地貌格局發展歷史。其中晉陜峽谷段黃河尤具較高研究價值,其形成過程一直是地學界有待解決的謎團。經多年野外觀測、地形分析和年代學研究,系統對比了峽谷沿岸層狀地貌面序列,發現階地序列級數向上游增加并與河道比降加大有較高一致性,揭示了裂點向上游遷移和追逐的地貌發育過程。結合前人研究成果和區域構造營力分析,認為青藏高原向東擠壓驅動汾渭地塹拉張和沉降,穩定的鄂爾多斯地塊相對快速隆升。這種差異構造導致地塊與地塹邊緣地勢高差加大,誘發巨大的河流裂點,壺口瀑布就是保存至今并仍然活躍的黃河裂點。整個晉陜峽谷段黃河正是沿著這種宏觀構造控制下的地貌框架,以裂點遷移和追逐的地貌過程逐步演化成現今水系格局。通過上述分析我們似乎找到了為什么構造與水系發育在時間上不一致性的答案,即它們的年代差異很可能是水系調整所需的時間?!?/p>
“新生代期間,汾渭盆地在持續的擴展構造作用下,被拉張沉降形成地塹?,F代黃河經禹門口和三門峽貫通盆地,最后切開崤山,在三門峽和小浪底間形成宏大、深切的三門峽峽谷。我們把該峽谷段黃河稱為豫西段黃河。根據現代宏觀水系格局,東南—西北走向的崤山分割黃河中上游與下游水系,是黃河東流入海的最后地貌‘屏障’,因此重建豫西段黃河的形成過程對揭示整個黃河發育歷史和東亞地貌格局的演化歷史都具有重要研究價值。河流階地是被遺棄的古河床,是水系形成演化最直接的證據。豫西段黃河沿峽谷下切,形成五級河流階地,空間展布于夷平面下。通過這些地貌面上覆風成沉積物的磁性地層年齡,限定夷平面、階地T5-T1分別形成于3.63Ma、1.24Ma、0.86Ma、0.62Ma、129ka和12ka。
“根據地貌面年代框架,論文構建了豫西段黃河形成演化的概念模型。隨著汾渭盆地周緣山脈隆升和內部抬升,沉降范圍收縮,導致夷平面在3.63Ma開始解體。與此同時,起源于崤山東麓的河流開始向西侵蝕,襲奪西麓的汾渭盆地河湖水系系統。豫西段黃河最高級河流階地和夷平面的年代限定崤山在3.63Ma-1.24Ma被西進河流切開,形成三門峽峽谷。至此,黃河中上游水系經峽谷東流入海,導致全流域貫通。內陸侵蝕物質終可以被搬運至海盆。約1.0Ma前,渤海灣大陸架的沉積速率急劇增加,可能就是對三門峽峽谷貫通、黃河全流域定型的響應,而非指示內陸侵蝕速率的加劇?!?/p>
三門峽是黃河中、下游的交匯部,地處鄂爾多斯斷塊、太行斷塊、秦嶺斷塊接合部。前人已對三門古湖的消亡、地層劃分和“三門運動”進行過深入研究,但是對于何時東流入海分歧頗大,從一兩百萬年前到幾十萬年前直到萬年前,各有依據,說什么的都有。潘保田團隊所做的,是對這一地區黃河4級階地探察研究,還原了黃河三門峽段演化過程,并在峽谷入口處找到了入海之初的直接證據:86萬年前已經通過三門峽,打開時間可能還要早一些,100多萬年前。
構造抬升和氣候變化共同作用,合理解釋了中國河流階地發育機制。中國的江河與眾不同,主要由地勢地貌決定的是沿著中國大地的階梯奔流而下的。正像古今詩中所寫歌中所唱:“黃河之水天上來”“大河向東流”“長江滾滾東流去”。
訪談是在蘭州涼爽的夏日夜晚進行的。潘教授不時地在紙面上勾勾畫畫,向我這個文科人士耐心講解黃河形成各階段,“溯源侵蝕”之原理,講黃河源年輕到不足兩萬年。那一晚在座的還有一位老友,研究湖泊沉積的專家李世杰,他率隊去西藏鉆取湖泊巖芯,正好路過此地。李世杰研究員曾于20年前在若爾蓋草原打下深鉆,從長達300米的沉積物中讀出200多萬年以來的古環境信息。聽潘教授講到河源,插話說,青海久治縣以上的河段尚無階地,可見形成年代之晚;若爾蓋古湖的確是在1.6萬年前消失的。
距今110萬—60萬年間青藏高原強烈隆升的“昆侖—黃河運動”,引發了中國水系大調整的“春秋戰國”時代,大自然導演著澎湃的“大河之舞”,黃河主脈干流貫通,其他河流也沒閑著,各自兼并統一,幾與黃河同步。高原西北緣克里雅河、高原東北緣石羊河、東昆侖東段北坡多條河流均在這期間奠定了現代水系格局;長江相繼襲奪貫通了三峽、金沙江云南永善—四川宜賓河段、虎跳峽、祿勸烏東德峽谷—金坪子河段,形成了真正的金沙江—長江水系。
當15萬年前“共和運動”強烈構造抬升開始,長江、黃河源區的支流水系溯源侵蝕加劇,一兩萬年前直達現今源點……
——需要說明的是,以上關于長江形成的觀點與描述,可能僅限于一家之言,原因在于長江演化過程的復雜性,在于長江研究領域的多種聲音。
長江貫通三峽之日,一般被視為長江東流水系形成的重要標志之一;此前可能南下經古紅河注入南海的金沙江及其若干支流,從此改道,東向注入東海。這個“從此”之“此”,究竟發生在何時,是中新世之前的漸新世最后一幕,還是更早,抑或是晚近到更新世200萬年前后,正是當前有關長江“新老之辯”的焦點所在。這一爭論由來已久,李吉均院士亦參與其中。20世紀末,通過對三峽階地沉積物進行熱釋光/光釋光和ESR測年結果,以最老階地年齡約為200萬年為據,李先生指出此為三峽初始下切時間點,連帶上述黃河及高原周邊諸大河流現代水系的形成,一并納入青藏高原隆升過程概念模型,正好印證了也充實了始于360萬年前整體、強烈隆升的“青藏運動”所引發的環境效應,包括給出了像黃河、長江這樣巨型水系演化進程的時空節點。
然而參與了長江,無異于置身一個被稱之為“世紀謎題”的論辯場。盡管他所代表的長江東流水系形成于早更新世的觀點在國內頗具影響力,但是鑒于長江研究的難度之高,單憑道聽途說即可歸納為四“太”印象——流程太長,研究者太多,涉及科學問題太深并且爭論太久,迄未取得共識,不存在唯一權威發言,紛紜眾說皆為“假說”,以至于任何結論皆會被人質疑,那是免不了的。不惟長江,連帶本節轉述的黃河研究,連帶三次隆升、兩次夷平的時間點和古高度,總之李吉均團隊有關青藏高原隆升的概念模型等等一應主流觀點,正在被重新檢視,最終歸結到“青藏高原隆升的過程及其地貌效應”的焦點議題中。本屬純科學問題,但事關家國鄉土滄桑前史,又屬感情問題——當我們有機會一窺“金字塔”里的討論場景,近距離接觸到長江黃河的演化圖景,還有什么可說的,不妨體會一下此刻心情,是否有所觸動。
因為每當說起長江與黃河,我們想到的不僅僅是河流的模樣;而它們經過的地方,也不僅僅是一連串的地理名詞。
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