黄河壶口逆源速率及其与韩城断裂的关系

闫小兵 李自红 赵晋泉 扈桂让 郭 瑾

1)山西省地震局，太原 030002 2)山西省地质环境监测中心，太原 030024

黄河壶口逆源速率及其与韩城断裂的关系

闫小兵1)李自红1)赵晋泉1)扈桂让1)郭 瑾2)

1)山西省地震局，太原 030002 2)山西省地质环境监测中心，太原 030024

在查阅黄河壶口位置的史料记载的基础上，对黄河壶口沿线进行了野外调查，最终确定了黄河壶口在不同时期的具体位置，据此计算黄河壶口在不同时期的逆源侵蚀速率： 夏朝至唐朝为1.66m/a，唐朝至元朝为1.01m/a，元朝至明朝为0.97m/a，明朝至民国为1.28m/a，民国至现今为0.6m/a。考虑到黄河沿线地质条件的复杂性，综合给出史料记载以来(先秦到现今)黄河壶口的逆源侵蚀的平均速率为1.51m/a。根据对韩城断裂邵家岭探槽和禹门口黄河阶地的研究，韩城断裂在晚更新世早、 中期发生过多次强烈活动，累计断距为20.1m，上述断裂活动在黄河禹门口附近形成高20余m的陡坎(裂点)，现今的黄河壶口可能是该裂点经过4～5万a的逆源侵蚀到达目前的位置。

黄河壶口 逆源侵蚀速率 韩城断裂

0 引言

壶口瀑布是由于黄河主流流至壶口时，宽约400m的河面瞬间收缩于1个槽中，其形状如 “壶口”而得名。壶口瀑布主瀑宽约40余m，深约30余m。

先秦以来，经唐、 宋、 元、 明以及民国，相关历史文献都记载了壶口瀑布的具体位置； 前人对此有过论述(屈茂稳，2002)，但不系统，且实地考察较少。笔者在查阅史料的基础上，经过细致的实地考察、 对比记载标识，最终确定了黄河壶口在各个历史时期的具体位置，并根据文献记载的时间和壶口的具体位置，推断了黄河壶口的逆源侵蚀速率。

在韩城断裂 1︰5万活动断层填图过程中，在禹门口东北8.6km处的邵家岭探槽揭示出韩城断裂在晚更新世早、 中期曾经有过剧烈活动，累计断距为20.1m。禹门口一带的黄河阶地也显示在晚更新世早、 中期曾发生20m左右的断裂错动。在上述资料的基础上，结合黄河壶口的逆源侵蚀速率，笔者认为韩城断裂在晚更新世早、 中期的多次强烈活动在黄河禹门口形成1个高20余m的陡坎(裂点)，现今的黄河壶口可能是该裂点经过4～5万a的逆源侵蚀到达目前的位置。

1 黄河壶口历史变迁与逆源侵蚀速率

1.1 先秦时期黄河壶口位置的确定

《元和郡县志》中记载 “夏时石溞，县北石慅下(村名)三里黄河中流有石厄之，盖禹凿石导水处，谓壶口也。村头有古碑，书 ‘壶口佳景，两省通衢’为小船窝也”。《宜川县志》： “小船窝，即水南渡，今之圪针滩”。以上是关于黄河壶口位置的最早记载。在当地向导的帮助下，我们在黄河陕西宜川县一侧发现黄河古渡口遗迹(图1)，位于陕西省宜川县壶口圪针滩景区下游700m处的黄河西岸，其地理坐标为： 北纬36°05′42.90″，东经110°27′48.20″(图1)。

图1 夏朝壶口遗址——圪针滩古渡口和夏朝时期的黄河壶口位置Fig. 1 Hukou ruins of the Xia Dynasty-the Gezhentan ancient ferry and the determination of position of Hukou waterfall on the Yellow River in the Xia Dynasty.

1.2 唐朝时期黄河壶口位置的确定以及夏朝至唐朝期间的逆源侵蚀速率

《唐·元和郡县志》记载“唐朝元和八年(813年)，黄河在汾川县东七里，河岸顿狭，状似槽形，乡人称呼为石槽……石槽长一千步阔二十步……”，相关资料显示： 唐朝1步为1.55m，石槽阔20步，换算结果为31m(该结果与目前的黄河石槽宽度相当，证明唐朝1步为1.55m是正确的)，那么石槽长1,000步，应为1,550m。

根据史料记载，唐朝时期汾川县为今之陕西宜川县，1里为300步，约合465m，即唐朝时期宜川县县界东465m为黄河，鉴于唐朝时期宜川县县界现已无法确认，笔者沿黄河，对整个宜川县境内的黄河进行考察，在图2 中发现黄河石槽起点(即黄河顿狭处)，那么石槽起点往上1,000步(1,550m)的位置应为当时的壶口位置(图2)，即现今的陕西省宜川县黄河景区观瀑舫大酒店往下游930m的位置，其地理坐标： 北纬36°08′15.54″，东经110°26′38.10″。

图2 唐朝时期的壶口位置Fig. 2 Determination of the position of Hukou waterfall in the Tang Dynasty.

夏朝(公元前22世纪)至唐元和八年(813年)共计3,013a。野外测量，夏朝壶口位置和唐朝壶口位置2点距离为5,110m，这段时间的逆源侵蚀速率为1.66m/a。

1.3 元朝时期黄河壶口位置的确定以及唐朝至元朝期间的逆源侵蚀速率

《吉县志》记载“元初蒙古大将军木华黎率军攻克金朝隰县经略使杨贞……。 在壶口瀑布下游凿窝树桩，往返缠以铁索，上架木板，以度大军”。在黄河山西侧发现木华黎将军修建铁索桥留下的桩坑(图3a)，其地理坐标： 北纬36°08′18.90″ ，东经110°26′39.50″，以及为铁索桥祈福的龙王庙遗址(图3b，c)，其地理坐标： 北纬36°08′20.71″ ，东经110°26′48.74″，该位置可以和铁索桥位置相互印证。铁索桥桩坑和龙王庙遗址位置见图3。

对现代黄河壶口瀑布的现场考察发现，壶口以下300m范围内，惊涛骇浪十分险要，不具备修建铁索桥的基本条件。又根据《吉县志》记载，木华黎将军在修建铁索桥时，因水流湍急，死人无数，因此推测木华黎将军修建的铁索桥应该在壶口下游至少300m的地方，且刚脱离瀑布造成的危险区。因此，铁索桥向上游行进300m可以推测为元代黄河壶口的位置，其地理坐标： 北纬36°08′28.37″ ，东经110°26′39.05″(图3)。

《中国历史大事记》记载“宋宁宗十一年金兴定二年秋八月蒙古木华黎攻克河东诸州郡” 宋宁宗十一年为公元1217年，该记录表明木华黎将军是1217年修建的铁索桥。

唐朝元和八年(813年)到宋宁宗十一年(1217年)共计404a，现场野外测量，这2个时期壶口位置的距离为410m，得出这段时间的逆源侵蚀速率为1.01m/a。

图3 元代铁索桥、 龙王面遗址现场考察和元代黄河虎口位置及相关地点位置Fig. 3 Field survey on the ruins of steel cable bridge and the temple of dragon king of the Yuan Dynasty，and the determination of the position of Hukou waterfall in the Yuan Dynasty.

1.4 明朝时期黄河壶口位置的确定以及元朝至明朝期间的逆源侵蚀速率

《明史》记载“明神宗二年，惠世扬因……被迁至陕西宜川”，惠世扬被贬到陕西宜川县之后，游历黄河壶口，留下诗句“源出昆仑埏大流，……双腾虬线直冲斗…….”。根据太原师范学院历史地理与环境变迁研究所谢鸿喜教授的解释： “双腾虬线”指的是出现在惠世扬面前的2个瀑布。1个为主瀑布，1个为副瀑布。副瀑布的出现是因为，在洪水期黄河水量增大，有部分水流漫过主瀑布，从主瀑布的旁边倾泻而下，形成副瀑布景观。枯水期，黄河水量减少，黄河主流量从主瀑布流走，副瀑布为干枯状态，所以，主瀑布由于逆源侵蚀不断后退，副瀑布则永远留在原来的位置。

本次野外调查，在图4 位置发现明代副瀑布遗址，其地理坐标： 北纬36°08′40.05″，东经110°26′40.58″。此位置也正是明代惠世扬游历黄河壶口时期，黄河主瀑布和副瀑布共同所在的位置。

图4 明代黄河壶口位置(明代副瀑布位置)Fig. 4 Determination of the position of Hukou waterfall in the Ming Dynasty.

明神宗二年为1588年，从宋宁宗十一年(1217年)到明神宗二年(1588年)共计371a。野外测量，从宋宁宗十一年到明神宗二年黄河壶口位逆源侵蚀距离为360m，得出这段时间的逆源侵蚀速率为0.97m/a。

1.5 民国时期黄河壶口位置的确定以及明朝至民国期间的逆源侵蚀速率

黄河瀑布落差大，加之瀑布下深槽狭长幽深，水流湍急，给水上船只通行带来很大的不便； 过去，从壶口上游顺水下行的船只，不得不在壶口上面水流平稳处停靠，将全部货物卸下来，改用人挑、 马驮的方式沿着河岸运到下游码头； 同时，靠人力将空船拉出水面，拖着空船在河岸上滚动前进，到壶口下游水流较平缓处，将货物重新装船，继续下行。在岸上，靠人力拖船很费力，需要上百人拉纤，且需要在船下铺一些原木。减少摩擦阻力，被称为 “旱地行船”。

民国四年(1915年)。民国政府为发展黄河运输业务，把明朝副瀑布整修开始运行 “旱地行船”，最终在当地老乡的带领下，确定1915年黄河壶口的具体位置(图5)。

图5 民国时期的黄河壶口位置Fig. 5 Determination of the position of Hukou waterfall in the Republican period.

从明神宗二年(1588年)到民国四年(1915年)共计327a，野外量取这2个时期壶口位置的距离为420m，得到这段时间的逆源侵蚀速率为1.28m/a。

1.6 民国四年至现今的逆源侵蚀速率

从民国四年(1915年)到2014年共计99a，根据野外测量，这2个时期壶口位置距离为60m，得到这段时间的逆源侵蚀速率为0.6m/a。

总之，公元22世纪至现今，共经历4,214a，黄河壶口逆源侵蚀共计6,361m，考虑到黄河沿线地质条件的复杂性，综合给出史料记载以来黄河壶口的逆源侵蚀速率为1.51m/a。

2 黄河壶口逆源侵蚀成因探讨

关于河流逆源侵蚀的原因，前人研究较多(屈茂稳，2002；徐国强，2005； 张兆琪，2009)，黄河壶口逆源侵蚀主要源于其物质组成和特殊的水动力条件。据野外调查，结合中华人民共和国区域地质调查报告(大宁幅)(山西区域地质调查大队，1978)，壶口瀑布周围岩性主要是三叠系二马营组第2段青灰色、 灰绿色厚层中粒长石英砂岩和暗紫色、 黄绿色泥岩，这种软硬结合的特征组成黄河特有的地质条件。笔者调查发现，黄河水在冲入壶口之后，利用回旋之力先将较软的泥岩磨蚀，随水冲走，导致上层长石英砂岩悬空，在流水的冲刷之下，日积月累到一定程度，长石杂砂岩整块垮落，这样黄河壶口就发生逆源侵蚀了。

3 韩城断裂禹门口段活动性与黄河壶口的形成

3.1 韩城断裂禹门口段活动性调查研究

禹门口，位于河津市市区西北12km的黄河峡谷中。北魏郦道元《水经注》记载： “龙门为禹所凿，广80步，岩际镌迹尚存。”后人因为怀念大禹治水的功德，便称之为禹门，并延传后世。由于禹门是秦晋两省交通要冲的古渡口，禹门便称之为禹门口了。

韩城断裂是侯马凹陷和韩城凹陷的主要控制边界断裂(阎凤忠等，1987)，断裂北起河津北面的西磴口、 向西南经禹门口，斜穿韩城市入合阳境内，在义井一带与峨嵋台地南缘断裂相交。断裂总体走向N30°E，延伸总长100余km。采用目标区遥感解译方法(何宏林，2011)、 野外地质调查以及古地震探槽研究方法(冉勇康等，2014)对韩城断裂进行 1︰5万活动断裂填图。在禹门口东北8.6km处的邵家岭开挖1个探槽，该探槽位于洪积扇前缘，前缘陡坎明显，线性延伸。在探槽附近进行了陡坎地貌测量，其高差约10m(图6)。

邵家岭探槽剖面出露8层地层(图7)，该探槽共揭露韩城断裂6条分支断层，其中F1为前第四纪断裂，发育于花岗片麻岩中，断距为0.8m左右。根据样品测年结果： F2—F6皆为晚更新世断裂，其具体演化过程为： 1)在花岗片麻岩基础之上，堆积层②，之后断层F4活动，错断层②，由断层F4两侧层②的底界推算，断距为2.1m。2)紧接着，断层F3开始活动，也错断层②，由断层F3两侧层②的底界推算，断距为4.0m。3)接着层⑦、 层④开始堆积，之后，断层F2发生活动，错断层②、 层⑦和层④，由断层F2两侧层②的底界推算，断距为3.0m。4)层③开始堆积之后，断层F5发生活动，错断层③和层④，由断层F5两侧层④的顶界推算，断距为9.0m。5)层⑥开始堆积之后，断层F6发生活动，错断层⑥、 层④和层⑦，由断层F6两侧层⑥的顶界推算，断距为2.0m。上述5次断裂活动累计断距为20.1m。

图6 邵家岭探槽位置图Fig. 6 The position of Shaojialing trench.a 遥感影像图； b 实际位置图； c 探槽处地貌测量等值线图

图7 邵家岭探槽剖面图Fig. 7 The cross section of Shaojialing trench.a 照片拼图； b 剖面素描图

图8 禹门口黄河阶地位相图Fig. 8 Schematic diagram of terrace profile at Yumenkou of the Yellow River.

地层描述：

①砂质黏土夹含碎石块，碎石块粒度较小。

②砂砾石层，水平层理明显，砾径较小。

③黏土夹较大的碎石块，块径≤10cm不等，较为风化，排列无序，磨圆不好。

④灰黄色砂质黏土夹小碎石块，胶结，硬实。

⑤砾石、 中砂混杂堆积，上部砂层成层性好，砾石砾径3～10cm。

⑥粉土，含植物根系。

⑦砂质黏土，夹杂中砂粒及小的砾石块。

⑧花岗片麻岩。

3.2 韩城断裂禹门口段黄河阶地的调查研究

黄河禹门口段主要分布Ⅰ至Ⅲ级阶地及河漫滩。在韩城断裂两侧，黄河河漫滩拔河高度均为1～3m左右，未发现河漫滩明显错动的迹象。黄河Ⅰ级阶地在断裂上升盘拔黄河17～19m，下降盘拔黄河15～16m，表明在Ⅰ级阶地形成时期断裂发生过2～3m的错动。黄河Ⅱ级阶地在断裂上升盘拔河38～43m，下降盘35～38m，表明在Ⅱ级阶地形成时期断裂发生过5～6m的错动。黄河Ⅲ级阶地在断裂上升盘拔河70～74m，下降盘拔河52～54m，表明在Ⅲ级阶地形成时期断裂发生过20～22m的错动。黄河禹门口一带韩城断裂两侧阶地位相图见图8。

相关资料显示： 禹门口一带黄河河漫滩和Ⅰ级阶地形成时代为全新世，Ⅱ级阶地形成时代为晚更新世中期，Ⅲ级阶地形成时代为晚更新世早期(程绍平，1989； 申屠炳明，1990)。据此，韩城断裂在全新世时期曾经发生2～3m的断裂错动，晚更新世早、 中期累计断错量达20～23m，扣除全新世断错量，断裂在晚更新世早、 中期曾发生位错量达20m左右的断裂错动。上述结论表明： 韩城断裂在晚更新世早、 中期活动强烈，到全新世时期，活动趋于缓和。

4 韩城断裂活动与黄河壶口形成关系的讨论

(1)韩城断裂邵家岭探槽剖面显示： 在晚更新世早、 中期，断裂存在明显错断地表的运动，累计断错量为20.1m。黄河禹门口阶地位相也证实： 断裂在晚更新世早、 中期曾发生位错量达20m左右的断裂错动。如果考虑禹门口以北鄂尔多斯高原的整体抬升，那么在晚更新世早、 中期，韩城断裂活动和鄂尔多斯高原区域整体隆升共同作用造成的断层两侧断距应为20余m，该高度和现今黄河壶口位置陡坎高度基本相当。

(2)根据史料和野外调查确定，黄河壶口综合逆源侵蚀速率为1.51m/a。假设黄河壶口逆源侵蚀速率恒定不变，黄河壶口从韩城断裂禹门口逆源侵蚀到目前的位置(两地距离为65km)需要经历4～5万a(晚更新世早、 中期)。

(3)在以上论述的基础上，笔者认为： 韩城断裂在晚更新世早、 中期的多次强烈活动在黄河禹门口附近形成1个20余m的陡坎(裂点)，现今的黄河壶口可能是该裂点经过4～5万a的逆源侵蚀到达目前的位置。

5 结论

(1)通过查阅史料和野外调查，确定黄河壶口的逆源侵蚀速率： 夏朝至唐朝为1.66m/a，唐朝至元朝为1.01m/a，元朝至明朝为0.97m/a，明朝至民国为1.28m/a，民国至现今为0.6m/a。从公元22世纪的夏朝至今的平均速率为1.51m/a。

(2)现今的黄河壶口可能是韩城断裂在晚更新世早、 中期的多次强烈活动累计形成的1个高20余m的陡坎(裂点)经过4～5万a的逆源侵蚀到达目前的位置。

程绍平，邓起东. 1998. 黄河晋陕峡谷河流阶地和鄂尔多斯高原第四纪构造运动 [J].第四纪研究，(3)： 238—248.

CHENG Shao-ping，DENG Qi-dong. 1998. Yellow River and Quaternary tectonic movement of the Ordos Plateau [J]. Quaternary Sciences，(3): 238—248(in Chinese).

何宏林. 2011. 活动断层填图中的航片解译问题 [J].地震地质，33(4)： 938—951.

HE Hong-lin. 2011. Some problems of aerial photo interpretation in active fault mapping [J]. Seismology and Geology，33(4)： 938—951(in Chinese).

屈茂稳，庞桂珍，郭威，等. 2002. 黄河壶口瀑布成因及与晋陕峡谷的关系 [J]. 西安工程学院学报，24(3): 47—52.

QU Mao-wen，PANG Gui-zhen，GUO Wei，etal. 2002. On the genetic analysis of Hukou(Pot Hole)fall in the Yellow River and its relation with Jinshan gorge [J]. Journal of Xi-an Engineering University，24(3)： 47—52(in Chinese).

冉勇康，李彦宝，杜鹏. 等. 2014. 中国大陆古地震研究的关键技术与案例解析(3)： 正断层破裂特征、 环境影响与古地震识别 [J]. 地震地质，36(2)： 287—300.

RAN Yong-kang, LI Yan-bao, DU Peng,etal. 2014. Key techniques and several cases analysis in paleoseismic studies in mainland China(3): Rupture characteristics，environment impact and paleoseismic indicators on normal faults [J]. Seismology and geology，36(2)： 287—300(in Chinese).

山西区域地质调查大队. 1978. 中华人民共和国区域地质调查报告(大宁幅)[M]. 武汉： 中国地质大学出版社.

Shanxi Regional Geological Survey Brigade. 1978. Reports on the Regional Geological Survey of People’s Republic of China(Daning)[M]. China University of Geosciences Press, Wuhan.

申屠炳明, 徐煜坚, 汪一鹏，等. 1990. 韩城断裂的活动特征及断裂带古地震遗迹的初步研究 [J]. 华北地震科学，8(1)： 1—10.

SHENTU Bing-ming，XU Yu-jian，WANG Yi-peng，etal. 1990. Preliminary study of the characteristics of the activity of Hancheng Fault and earthquake vestiges near the fault [J]. North China Earthquake Sciences，8(1)： 1—10(in Chinese).

徐国强，刘树根，李国蓉，等. 2005. 向源潜流侵蚀岩溶作用及其成因机理: 以塔河油田早海西风化壳岩溶洞穴层为例 [J]. 中国岩溶，24(1): 81—86.

XU Guo-qiang，LIU Shu-gen，LI Guo-rong，etal. 2005. The mechanism of retrogressive erosion and karstification: A case study of cave formation in early Hersinian weathered crust in Tahe oilfield [J]. Carsologica Sinica，24(1): 81—86(in Chinese).

阎风忠，贺勇，安卫平，等. 1987. 韩城-侯马断陷区主要活动断裂的调查 [J].山西地震，3： 9—13.

YAN Feng-zhong，HE Yong，AN Wei-ping，etal. 1987. The investigation on main active faults in the Hancheng-Houma faulted depression [J]. Earthquake Research in Shanxi，3： 9—13(in Chinese).

张兆琪. 2009. 黄河壶口瀑布地质遗迹成因 [J]. 华北国土资源，(2)： 15—17.

ZHANG Zhao-qi. 2009. Genesis of geological vestige of Hukou Waterfall [J]. Huabei Land and Resources，(2)： 15—17(in Chinese).

THE RETROGRESSIVE EROSION RATE AT HUKOU WATERFALL，YELLOW RIVER AND THE RELATION TO THE HANCHENG FAULT

YAN Xiao-bing1)LI Zi-hong1)ZHAO Jin￣quan1)HU Gui-rang1)GUO Jin2)

1)EarthquakeAdministrationofShanxiProvince，Taiyuan030002，China2)ShanxiCenterofGeo-environmentMonitoring，Taiyuan030024，China

On the basis of consulting historical records about the positions of Hukou waterfall at different times，we conduct a field geological survey along the Yellow River and ultimately determine the specific locations of the Hukou waterfall in the different periods. Based on this，the retrogressive erosion rates in different periods are calculated as about 1.66m/year during the Xia Dynasty to the Tang Dynasty period，about 1.01m/year in the Tang Dynasty to the Yuan Dynasty，about 0.97m/year in the Yuan Dynasty to the Ming Dynasty，about 1.28m/year in the Ming Dynasty to the Republican period，and 0.6m/year from the Republican period to the present. Considering the complex geological conditions along the Yellow River，the average retrogressive erosion rate of Hukou waterfall on the Yellow River is obtained to be 1.51m/year since the historical records(early Qin Dynasty to the present). Lithology surrounding the Hukou waterfall includes mainly the Triassic gray，gray-green thick-layered mid-grained feldspar sandstone and dark purple，yellow-green mudstone，this hardness and softness combination feature is the unique geological condition of the Yellow River. After abrasing the softer shale driven by water cyclotron at this position，water washes off the debris，causing the overlying feldspar sandstone suspended for a long period. Feldspar greywacke block collapses under accumulative water erosion in long years，and then retrogressive erosion occurs in Hukou waterfall. In the process of 1︰50 000 active fault mapping of Hancheng Fault，we excavated a trench at Shaojialing，and the trench profile shows that: in the early and middle period of late Pleistocene，there are obvious surface ruptures produced by the fault. Cumulative offset near the trench is more than 20 meters in height difference. Yellow River terraces survey at Yumenkou also confirms that a fault slip of about 20 meters occurred during the early and middle period of the late Pleistocene. Assuming the retrogressive erosion rate is constant，the author thinks the Hancheng Fault was activated at early and middle age of the Late Pleistocene，forming a 20～30m high scarp(knick point)，and today’s position of Hukou waterfall may be the position of this knick point after the retrogressive erosion of about 40 to 50ka.

Hukou，retrogressive erosion rate，Hancheng Fault

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.04.009

2015-01-07收稿，2016-10-14改回。

中国地震局地震行业科研专项(200908001)与中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1416)共同资助。

P315.2

A

0253-4967(2016)04-0911-11

闫小兵，男，1978年生，2008年于中国地震局地质研究所获构造地质学硕士学位，高级工程师，主要从事活动构造和地震活动断层研究，E-mail: 42953033@qq.com。