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大型河流的水系演化全面地记录了区域地貌演化历史,水系演化集中体现了区域地质环境的改变,因此大河流域的水系演化一直是地学界关注的热点问题。在研究水系演化中,河流拓展模式又是重头戏所在,尤其是河流如何越过古分水岭袭夺并实现水系扩张成为焦点问题之一,因此分水岭地演化成为河流地貌学研究的难点问题。世界上许多大河如长江、黄河、科罗拉多河等都跨越了其古分水岭、不断袭夺才形成了现今所见的水系格局,然而在试图恢复其发育及演化过程中都面临的一个重要问题就是解释河流如何切穿分水岭实现水系贯通。长江具有广阔的流域面积和极长的流程,跨越11个纬度和32个经度,因此长江流域成为研究亚洲东部地貌演变历史的重要区域,其形成与演化过程对亚洲大陆东部地貌演化历史产生重要影响,其流域演化过程因而成为研究全球变化的一个重要载体。众多地学前辈认为三峡地区是古长江与古川江的分水岭,三峡地区的东西水系贯通、长江三峡形成则被认为是现代意义上长江形成的标志。长江三峡的贯通方式以及贯通时限是长江演化研究的重中之重,一个多世纪来,一直是众多科学家关注的焦点,但至今仍在探索之中。三峡如何起源?是什么导致了古川江毫无顾忌的掉头东流,从而塑造美丽壮观的峡谷地貌,这是一个亟待解决的河流地貌学难题。同样,与之毗邻且并行东流的清江发育过程与三峡的起源有着怎样的相似之处?世界上的大江大河发育过程又有着怎样的共同之处?本文将逐一展开谜团。
“将今论古”是地质学的根本原则,也是本研究的基础方法之一。由于地貌过程的不可逆性,往往通过研究现代地貌演化过程来推测地质时期的地貌演化过程。本研究则是通过研究清江流域的特殊袭夺模式来追寻长江三峡的起源方式,并且通过对比三大峡谷(清江大峡谷、三峡以及科罗拉多大峡谷)的形成演化来提出一个关于碳酸盐岩地区河流袭夺的新模式。通过本次研究,取得的主要认识如下:
(1)地下水在喀斯特区域河流水系演化进程中扮演着极其重要的作用,由地下河向地表水系转化而完成袭夺是前人未曾深入研究的课题。研究表明,在温暖湿润的气候条件下,以碳酸盐岩(尤以灰岩为主)区域内的河流仅靠溯源侵蚀无法快速越过分水线,转而以地下河方式实现地表水系的袭夺过程。
(2)在鄂西南清江流域,清江上游依靠岩溶作用完成水系袭夺。这是一类新的河流袭夺模式,主要表现形式为:位于古分水岭两侧的相邻盆地水系首先通过地下水贯通形成地下通道,而后伏流管道系统不断扩大,随着洞穴顶板逐渐塌陷导致地下河出露完成袭夺过程,随后的流水下切作用沿袭继承此线路,河谷继续加深、拓宽。在清江支流云龙河上游正在发生着一致的地貌过程,即清江支流云龙河以地下河模式袭夺长江支流。除上游以外,在清江中游的半峡地区(古分水岭燕子岭背斜)也残存众多这类河流袭夺模式所成的特殊峡谷地貌。
(3)通过对区域气候条件、地层岩性、地质构造、地貌以及水文条件的分析初步探讨了清江袭夺模式影响因素及适宜条件。认为清江袭夺模式需要具备如下条件:分水岭由质纯的厚层灰岩组成的背斜;强烈的裂隙作用(交叉的裂隙和节理)形成裂隙节理通道;充足的水与较好的流通条件;适宜的较湿热条件;构造稳定或间歇性上升。
(4)长江三峡地区的峡谷(瞿塘峡、巫峡、西陵峡)也是通过类似清江袭夺模式的地貌过程形成,三峡可能起源于一系列岩溶塌陷。三峡的雏形形成以后,由于古川江的汇入,使得地貌证据保留甚少,仅在三峡河谷两岸留下数面陡壁,应为坍塌前岩溶主洞穴的残存,其中以瞿塘峡最为明显。
(5)清江袭夺、三峡起源以及科罗拉多大峡谷形成均受到岩溶作用的控制,有着相似的演化过程。在这些地区之所以形成雄伟壮阔的峡谷,其原因正是河流袭夺过程中一系列的岩溶塌陷以及河流下切作用。