青藏高原是我国最主要的湖泊分布区之一, 各种成因的湖泊数以千计, 尤其在冈底斯— 念青唐古拉山脉以北, 当雄— 安多以西的高原内流水系区域, 累计湖泊面积约占全国湖泊总面积的1/4, 是我国湖泊分布最多的地区^[1], 且受人类干扰较少^[2]。由于湖泊对气候环境变化和构造运动等影响因素极为敏感, 基本处于原生态的青藏高原成为湖泊及有关气候环境变化和新构造运动研究的理想区域, 因而受到湖泊学、构造地质学、气象与环境等领域专家的广泛关注^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]}。受工作性质、技术方法和工作环境等诸多因素的限制, 前人的研究多集中在受区域断裂控制的大型知名湖泊^{[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}, 对处于偏远地区面积较小的湖泊以及其他成因的湖泊研究很少, 因此高原湖泊(不包括与冰川有关的冰湖, 下同)的构造成因学说长期占据着绝对统治地位。然而, 那些看似“ 微不足道” 的小型湖泊遍及高原, 且常常成群、成带分布, 为区域性湖泊的成因、演化及相关构造、环境等方面的研究提供了重要信息。

目前, 遥感技术已经进入了“ 高分时代” , 卫星影像的空间分辨率已经达到m级甚至dm级, 为中小型湖泊的精细研究在技术上提供了可能。笔者在参加“ 西北边境地区国土资源遥感综合调查” 项目过程中, 通过对高空间分辨率影像的解析, 在藏北无人区发现了大量由地层控制的层控湖泊以及部分由褶皱控制的湖泊, 其发现对于高原湖泊以及相关的古气候和古环境研究具有一定的推动作用和参考价值。

青藏高原湖泊成因类型的研究已经有相当长的历史, 早期主要有冰川挖蚀和河谷堰塞2种观点^{[1, 5]}。前者认为高原曾被大陆冰川所覆盖, 冰体挖蚀地表形成洼地, 后来积水而成湖泊; 后者认为地壳的差异运动使下游河床上升而堵塞了河谷, 或由洪积扇、山崩以及冰川泥石流等各种堆积物质堵塞河谷而成湖泊^[5]。20世纪70年代以后, 湖泊形成与断裂有关的观点逐渐占据主导地位^{[1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]}。中国科学院青藏高原综合科学考察队率先开始对高原湖泊进行了系统的野外考察和室内研究^[1], 在20世纪80年代又在可可西里地区进行了类似工作, 认为湖盆的形成与不同方向、规模和性质的断裂活动有关, 并将高原湖泊划分为纬(纵)向、经(横)向和斜向3种类型^{[1, 4, 5]}。2000年以来, 不同领域的学者利用多种方法对湖泊的成因及演变等进行了更加深入的研究^{[2, 3, 8, 9, 11, 12]}, 大多认为湖泊形成与高原隆起过程中的断陷、拉张或剪切等断裂活动有关。笔者近期利用高空间分辨率(1~2 m)的卫星遥感影像对藏西、藏北和青海西南部等地区的湖泊进行了研究, 发现除了上述断裂控制的湖泊以外, 还存在主要由地层或褶皱控制的湖泊。这些湖泊大部分位于西藏、青海和新疆交界处的可可西里无人区, 成群分布, 主要由古近系、新近系等陆相红层沉积中的某些特定岩层控制。其中, 涟湖是典型的层控湖泊, 其遥感影像如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 受五道梁组控制的涟湖遥感影像(Google Earth) Qh.冲洪积砂土、砾石; Qp3.冲洪积砂砾石层夹中细砂; ENw.五道梁组紫红色— 灰褐色细砂岩、粉砂岩、泥岩; ENy.雅西错组紫红色砂岩、粉砂岩、泥岩, 含石膏和少量灰岩Fig.1 Image of Lian Lake controlled by Wudaoliang Formation (Google Earth)

涟湖位于可可西里无人区, 周边海拔为4 800 m左右, 属于高差非常小的高原低缓丘陵地貌。湖区面积约32 km², 在高原属于中等规模的湖泊。遥感影像显示涟湖呈狭长弯曲的“ 弓形” , 长约32 km, 平均宽约1 km, 最窄处仅600 m左右。根据遥感影像解译及对已有地质资料^[15]的分析, 发现该湖盆发育在中新世五道梁组(ENw)^[15]较软的泥质岩石中, 湖堤是五道梁组中硬度较高的砂岩层, 湖盆由硬度很低的泥岩层构成。湖泊延伸方向与地层走向高度一致, 并随已经褶皱的地层同步弯转, 形成“ 褶皱湖泊” 。从图1可以明显看出, 涟湖的形态、范围、延伸方向和宽度等均受该套地层中软、硬岩层的控制。

五道梁组所在的可可西里地区属于高原亚寒带, 气候寒冷, 多风雪。每年8级以上的大风天气超过200 d, 年平均气温都在-5 ℃以下, 气温日较差为15~19 ℃, 每年冻土时间超过280 d, 山岳冰川发育^[15]。由于昼夜温差大、风雪较多、冻融频繁, 物理风化作用强烈, 导致岩石大量裸露、崩解。五道梁组为一套内陆湖滨相红层沉积, 岩性为紫红色细粒长石石英砂岩、岩屑石英粉砂岩和泥岩。其中, 泥岩硬度低, 呈碎块和粉末状松散出露^[15], 经冻融作用、风蚀作用和水蚀作用(有可能包括冰蚀作用)等外营力的风化、剥蚀和搬运, 常形成谷地(湖盆)。而硬度较高的细粒砂岩和粉砂岩因抗风化能力强, 便形成山梁(湖堤)。大气降水、冰雪融水和地下水在泥岩形成的天然谷地(湖盆)中聚集, 形成规模大小不一的湖泊。当泥岩层厚度大、沿走向延伸稳定时, 由于软弱层的出露面积加大, 更易于外营力的风化剥蚀, 在冻融、风蚀、水蚀和冰蚀等长时间反复作用下, 便形成类似涟湖这种规模较大的湖泊, 反之则形成串珠状分布的小型甚至微型湖泊。

由图1可以看出, 在涟湖周边还有很多性质相同的小型或微型湖泊, 这些湖泊随地层中软硬岩性韵律变化形成的峰、谷成串成带发育, 在形态、规模、延伸方向和空间分布等方面具有明显的规律性, 组成了层控湖泊群。在可可西里所处的北羌塘地区, 古近系、新近系甚至白垩系都有与五道梁组类似的大量河湖相红层沉积^[15], 在类似的岩性和气候环境下, 发育了区域性分布的层控湖泊。由于受地层控制, 该类湖泊具有如下特点: ①大部分湖泊为长椭圆形或透镜状, 长短轴比较大; ②绝大部分湖泊延伸方向与地层走向一致; ③伴随软硬层的沉积韵律变化, 湖泊纵向(顺层)呈串珠状、横向(隔层)呈带状相间分布; ④湖泊规模与软弱层出露面积成正比; ⑤当地层发生褶皱时, 位于转折端部位的湖泊常呈新月状, 形成“ 褶皱湖泊” 。

自20世纪80年代以来, 国内湖泊的成因分类没有太大变化, 一般根据内动力和外动力地质作用, 划分为构造湖、火山湖、冰川湖、堰塞湖、喀斯特湖、河成湖、风成湖、海成湖、陨石撞击湖和人工湖(水库)等^{[16, 17, 18, 19, 20, 21]}。本文所述的涟湖, 是地层中的软弱岩层在外营力作用下形成的洼地积水成湖。湖盆的主要控制因素是地层, 属于层控性质。对照前人的上述湖泊分类, 涟湖不属于其中任何一种成因类型。虽然涟湖的形态有如褶皱, 但其实质上是受固定层位的控制, 即地层在湖泊形成之前已经发生褶皱, 湖盆所在的泥岩发生变形之后, 在外营力的风化剥蚀作用下, 形成“ 褶皱形” 谷地充水而成。这个推论可以由图1中在涟湖外围顺层发育、但并没有发生“ 褶皱” 的一系列小型湖泊所证实。涟湖在空间上受地层控制, 在外动力地质作用下成湖, 应该属于一种新型湖泊— — 层控湖泊。

综上所述, 层控湖泊的成因机理是: 地层中的软岩层在外营力的作用下, 沿地层走向形成湖盆; 硬岩层形成湖堤, 由大气降水、河流和地下水等补给形成湖泊。湖泊形态和分布严格受岩层走向的控制。

传统的湖泊分类认为, 构造湖有断陷湖和向斜拗陷湖^{[16, 17, 18, 19, 20, 21]}之分。断陷湖是由断层陷落形成的湖泊; 而向斜拗陷湖是由向斜拗陷或地面缓慢下降所形成的湖泊, 这类湖泊面积较大, 如里海、洞庭湖和鄱阳湖等^[20]。在青藏高原的湖泊中, 构造湖是非常重要的一类湖泊。由断层陷落形成的断陷湖是前人研究的重点, 但关于与褶皱作用有关的湖泊, 目前尚未检索到相关研究文献。笔者利用高空间分辨率影像在高原发现了一些与褶皱作用有关的湖泊, 它们是否与前人湖泊分类中的向斜拗陷湖泊定义相符, 尚待进一步探讨。

本次发现的褶皱湖泊, 主要是发育在褶皱核部或两翼的中小型湖泊, 这些湖泊可能是在褶皱作用过程中, 在核部形成的向斜洼地, 或是褶皱转折端、翼部的地层由于变形“ 虚脱” 形成的洼地充水而成。但也不排除部分湖泊与涟湖一样, 是在褶皱形成以后由于核部或翼部软弱层的风化剥蚀而成的“ 褶皱形” 层控湖泊。本区的褶皱湖泊大多与中小型褶皱有关, 不同于前人湖泊分类中由于区域性褶皱拗陷, 使地层下沉形成的大型“ 向斜拗陷湖” 。除错达日玛湖以外, 其他的湖泊面积都非常小, 与经典湖泊分类中的向斜拗陷湖差别很大。

错达日玛作为本区褶皱湖泊的典型代表, 位于青海玉树藏族自治州治多县(N35° 16'~N35° 22', E91° 47'~E91° 58')的可可西里新近纪陆相拗陷盆地内, 湖盆形态为椭圆状。遥感影像显示湖岸较陡并与山系坡面连为一体, 湖成阶地不发育(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 受褶皱控制的错达日玛湖遥感影像(Google Earth)Fig.2 Image of Cuodarima Lake controlled by fold (Google Earth)

该湖北、西、南三面环山, 形成马蹄形盆地, 湖的东面为错达日玛河开阔谷地。湖面水位(海拔)为4 775 m, 湖长为14.1 km, 最大宽度为11.3 km, 平均宽度为6.38 km, 面积为89.9 km^2[22]; 该湖由2部分组成, 北部为主湖, 呈椭圆形, 南部为次湖。湖水主要依赖从东面入湖的错达日玛河补给, 还有多条小河呈向心状从北、西、南三面的环湖山脉汇入^[22]。

据2006年出版的青藏高原及邻区地质图说明书(1:1 500 000)^[23]的介绍, 错达日玛湖盆北、西、南三面的群山由中新统(N₁)的砂砾岩构成。根据其西侧1:250 000可可西里湖幅区调资料中所建立的区域地层遥感解译标志推测, 错达日玛湖盆周边的地层很可能为五道梁组(中新统)的红色碎屑岩。在高空间分辨率Google Earth影像上, 湖盆周边地层的纹理非常清晰(图3), 在很多部位可以看到比较清楚的地层三角面(图3(b)、(c)), 区域地层的走向和倾向一览无余。据图2显示湖盆周边地层走向与环湖山脉的延伸方向基本一致, 地层均倾向湖盆, 即按照北、西、南3个方位的顺序, 周边地层的倾向, 由向南倾逐渐转向东, 最后转向北。也就是说, 环湖山脉由一个轴向为EW向的向斜构成, 湖盆位于向斜的核部, 是一个向斜湖泊。根据图2中位于湖北侧和南侧的2个子区影像(图3(b)和(c)), 地层三角面形成的微地貌分析, 湖北侧地层倾角比南侧大, 所以推断该向斜的轴面向南倾。

图3

Fig.3

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	图3 受褶皱控制的错达日玛湖局部遥感影像(Google Earth)Fig.3 Images(local) of Cuodarima Lake controlled by fold (Google Earth)

胡东生^[22]在1994年根据国家可可西里地区综合科学考察队1989— 1990年间的科考资料, 以及对美国陆地卫星TM影像的解译, 推测错达日玛是由于陨石冲击形成的陨坑湖。笔者对高空间分辨率影像解译后, 认为该湖应该是一个比较典型的褶皱湖泊, 理由如下:

(1)前人认为湖盆周边山系岩石组成是白垩系的红色砂岩岩系建造, 地层呈单斜状, 岩层倾向南南西^[22]。但图3清晰的地层纹理和三角面显示, 地层是随山脉的延伸方向发生同步弯转的, 在湖北向南倾、湖西转而向东倾, 在湖南向北倾, 是一个完美的向斜构造。组成山脉的地层也不是白垩系, 而是新近纪早期地层^[23]。该研究采用20世纪90年代TM影像空间分辨率是30 m, 规模较小的地层三角面和地层层理在影像上识别困难, 不能直接判断地层产状, 笔者推测其使用的产状是借用了局部地段的野外观测资料。在20世纪90年代, 可可西里等无人区还是区域地质调查的空白区, 受野外工作时间、尺度、技术手段和交通条件(山脉陡峭, 海拔大于5 000 m)等各种因素的限制, 研究人员难以对地质现象进行全面、客观、深入的调查, 所以野外资料的代表性和全面性都有一定程度的局限。目前, 高空间分辨率影像已经达到m级甚至dm级, 可以大视角全面、准确地观察地质体的宏观特征和微地貌特点, 在地层和构造的识别及宏观研究方面比地面调查更具优势。

(2)作为陨石冲击主要证据的“ 沿环形山系主脊向外围之间出现3层环形构造网络” , 经采用高空间分辨率影像查证: 外围的“ 环形断层” 实际是发育在湖盆南北两侧的几条平行断层, 二者在湖盆东西两端只是距离有些接近, 形态类似于藕节状, 但并没有连接、圈闭形成环形构造, 而是分别继续向EW方向平行延伸; 所谓的内侧“ 环形劈理带” , 高空间分辨率影像显示绝大部分是因为地层褶皱而发生弧形弯转的层理(不排除有少量的顺层劈理带)。这些层理在影像上所形成的丝带状纹理, 空间分辨率比较低的TM数据难以分辨出是层理还是劈理构造, 但在高空间分辨率影像上可以根据地层三角面比较容易地进行识别, 所以“ 环形构造网络” 之说仍需要进一步探讨。

(3)作为陨石冲击另一个证据的“ 辐射状岩石破裂带” , 高空间分辨率影像上显示大部分是水蚀作用形成的短小沟壑, 由于向斜形成的山脉环绕湖泊分布, 面向湖泊的地表径流侵蚀作用所形成的沟壑自然是辐射状的。综上所述, 错达日玛湖应该是褶皱作用形成的湖泊。

图4

Fig.4

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	图4 地层与褶皱控制的湖泊区域分布(Google Earth)Fig.4 Distributing of lakes controlled by strata and fold (Google Earth)

目前发现受地层和褶皱控制的湖泊主要位于青海与西藏交界处的可可西里地区, 在空间上呈近EW向带状分布(图4), 南北宽约200 km, 东西长超过400 km, 地理位置位于E88° ~92° , N34° 20'~35° 40'之间。该区域属于青藏高原湖泊密集区, 拥有多格错仁、乌兰乌拉湖、西金乌兰湖、错达日玛和可可西里湖等著名湖泊。其中, 面积大于1 km²的湖泊有上百个, 小水洼地(面积小于1 km²的微湖泊)不计其数^[23]。

根据遥感影像解译和前人资料的参考分析, 发现由地层和褶皱控制的湖泊具有以下特点:

(1)湖泊受红层的控制。根据影像和现有地质资料^{[15, 23]}的分析, 绝大部分湖泊受古近系和新近系红层的控制, 虽然个别湖泊位于侏罗系和白垩系, 但根据遥感影像的色调标志判断也属于红色岩系, 其岩性与古近系和新近系红层类似^{[15, 23]}, 考虑到可可西里地区环境极为恶劣, 地质工作程度不高, 对地层时代的认识经常有变更, 所以侏罗系和白垩系的时代也可能具有不确定性。如: 在前人文献中认为错达日玛周边地层为白垩系^[22], 但新版的青藏高原及邻区地质图^[23]则变更为新近系; 在青藏高原及邻区地质图上, 长湖周边地层是中上侏罗统^[23], 但吴珍汉等^[25]通过孢粉分析和区域地层对比证明是晚中新统。

(2)湖泊规模总体不大。受地层中易风化剥蚀形成积水洼地的软弱层出露宽度的限制, 除涟湖和雪景湖等少数湖泊以外, 大部分层控湖泊为面积在数平方千米的小型湖泊和小于1 km²的微型湖泊(图5、表1)。由于褶皱核部地层处于应力集中释放部位, 地层更容易产生破碎、虚脱等变形, 利于外营力的风化剥蚀, 比单纯靠软弱层的剥蚀作用形成的空间大, 所以受褶皱控制的湖泊一般要大于层控湖泊。

图5

Fig.5

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	图5 古近系中的层控微型湖泊影像(Google Earth)Fig.5 Image of minitype lakes controlled by strata in Palaeogene(Google Earth)

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 地层和褶皱控制的主要湖泊 Tab.1 Main lakes controlled by strata and folds 名称 面积/km2 形态特征 成因 影像特征 葫芦湖 29.1 葫芦状, 延伸方向与褶皱轴向近于一致 受古近系红层及褶皱控制 豌豆湖 17.9 近EW向延伸的长椭圆形, 西端边界伴随软硬层形成的沟坎呈火焰状 受古近系红层控制 乌兰乌拉北湖 6.0 EW向不规则状, 两端边界随软硬层形成的沟坎呈火焰状 受上白垩统红层控制 察日错湖 10.0 蝴蝶状 古近系EW向褶皱核部外缘虚脱部位控制 玛章错钦北湖 5.7 NEE向透镜状, 顺层延伸 受褶皱南翼的古近系红层控制 长湖 45.0 EW向不规则状, 边界伴随褶皱地层的走向延伸 受中新统红层及褶皱控制 涟湖 32.0 EW向弓形, 顺层延伸 受中新统红层控制 错达日玛湖 89.9 EW向椭圆形 中新统红层形成的向斜控制 双莲湖 28.0 不规则花朵状, 边界参差不齐 受新近系红层控制 雪景湖 55.0 EW向不规则状, 边界参差不齐 受新近系红层控制

表1 地层和褶皱控制的主要湖泊 Tab.1 Main lakes controlled by strata and folds

(3)湖泊形态特殊。由于层控湖泊位于软弱层形成的剥蚀谷地中的低洼地带, 受地层厚度、走向和倾向的影响, 湖盆狭长, 湖泊大多顺层呈透镜状、长椭圆状、蝌蚪状和不规则状, 湖泊长短轴比较大, 如涟湖的长短轴比更是达到了惊人的比例(32:1)。

(4)湖泊成群、成带分布。本文所述的湖泊大部分受新近纪和古近纪陆相红层的控制。陆相地层的显著特点是相变大, 加之青藏高原在这个时期处于快速隆升阶段, 新构造运动强烈, 因此更加剧了地层沉积环境的频繁动荡变化, 导致软硬岩层呈韵律性反复出现, 经后期的风化剥蚀和褶皱变形, 便形成了大小湖泊顺层成带、成群和串珠状密集分布的特点(图1和图5)。

研究区属于青海西南部与藏北的河湖内流区, 气候干燥, 受地层和褶皱控制的湖泊多形成于封闭、平缓的山谷及坳陷盆地内, 靠小流域内有限的大气降水、冰雪融水和地下水补给, 所以湖泊面积比较小, 气候作用大于构造作用。由表1可以看出, 除了乌兰乌拉北湖分布于所谓的上白垩统(K₂)红层以外, 其他湖泊均分布于古近系和新近系红层盆地之中。由于这些湖泊是在红层形成以后, 在外营力的持续剥蚀和搬运作用下逐渐形成的洼地充水而成, 其形成年龄应晚于地层的形成时间。例如, 位于区域层控湖盆带北部的涟湖, 分布于中新统五道梁组泥质岩石中, 湖盆边界严格受周边硬度较高且已经发生褶皱变形的砂岩控制, 所以涟湖应该形成于五道梁组发生变形以后, 即晚于中新世。同样, 位于层控湖盆带南部的长湖, 发育在已经褶皱变形的中新世晚期红层中, 褶皱形变时间为中新世末期— 上新世初期^[25], 影像显示局部的湖泊沉积物覆盖了褶皱地层, 推断长湖形成的时间不早于上新世初。

根据表1和大量未列入该表的微型湖泊影像及其所在地层时代的综合分析, 大部分湖泊应该是在中新世以后发育起来的, 这个推论基本与青藏高原现代盆— 山构造地貌格局在中新世开始发育^{[26, 27]}的时间相符。部分学者认为^{[28, 29]}, 青藏高原在更新世曾经出现古大湖, 影像也显示部分层控湖泊没有湖泊萎缩过程中形成的湖成阶地, 所以不排除其成湖时代相当新的可能性。

(1)可可西里地区主要受古近系和新近系等红层控制的湖泊是前人未曾论述的新型湖泊。由于受软硬岩层的沉积韵律控制, 在形态、数量、规模和空间分布等方面具有明显的规律性。

(2)以错达日玛湖为代表的褶皱湖泊在青藏高原的发现属于首次。

(3)受地层中软弱层出露宽度的限制, 层控湖泊在规模上以小型和微型湖泊为主; 与构造运动有关的沉积环境频繁的动荡变化, 是层控湖泊成群、成带分布的根源。

(4)由于褶皱核部处于应力集中释放部位, 且地层厚度加大, 所以, 受褶皱控制的湖泊一般要大于同一层位的层控湖泊。

(5)可可西里地区大部分层控湖泊的形成时代晚于中新世。