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宜昌砾石层特征研究

时间:2022-01-26 历史故事 版权反馈
【摘要】:第六节 宜昌砾石层特征研究一、宜昌砾石层的空间分布江汉平原西缘宜昌东部的宜昌-云池-董市一带的丘陵地区,广泛分布着一套巨厚的松散砾石层,我们暂称之为“宜昌砾石层”。本次研究对宜昌砾石层的空间分布进行了系统的野外调查,初步查明其空间分布于宜昌以东、松滋口以西、鸦鹊岭以南、宜都以北的范围内,平面展布呈不规则的扇形。该剖面出露砾石层似为前人研究的善溪窑组下段。
宜昌砾石层特征研究_三峡库区宜昌重

第六节 宜昌砾石层特征研究

一、宜昌砾石层的空间分布

江汉平原西缘宜昌东部的宜昌-云池-董市一带的丘陵地区,广泛分布着一套巨厚的松散砾石层,我们暂称之为“宜昌砾石层”。该砾石层是江汉平原边缘丘陵区的一套重要的第四纪沉积物,具有十分重要的地层学意义。由于该砾石层地处鄂西山地(平均海拔大于300m)与江汉平原(平均海拔小于50m)的过渡带,并正对着长江三峡的出口,因此,其对地貌变迁、环境演化及长江形成等研究也非常重要。本次研究对宜昌砾石层的空间分布进行了系统的野外调查,初步查明其空间分布于宜昌以东、松滋口以西、鸦鹊岭以南、宜都以北的范围内,平面展布呈不规则的扇形(图5-55)。并重点选择出露厚度大、最具有代表性的云池、善溪窑瓦厂和李家院的剖面,通过沉积相划分、砂质沉积的粒度分析和砾石测量等分析研究,探讨了宜昌砾石层与长江三峡贯通的关系。

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图5-55 宜昌砾石层的空间分布示意

二、宜昌砾石层的典型剖面描述

野外调查共发现出露较好砾石层剖面12处,如善溪窑瓦厂、善溪窑砖厂、云池、李家院、白洋渡、卢演冲、机场路、宜都、宜昌苗圃等。其中善溪窑瓦厂剖面、云池剖面和李家院剖面最具代表性,且三剖面具有上下关系,可以代表宜昌砾石层的沉积序列(图5-56)。现将三个代表性剖面的岩性特征概述如下。

1.善溪窑瓦厂剖面

善溪窑瓦厂剖面位于宜昌市枝江市白洋镇善溪窑村318国道旁瓦厂处(30°28′53.4″N,111°27′38.76″E)。剖面厚19.5m,出露海拔153~172.5m,下部未见底。该剖面出露砾石层与网纹红土泥砾层,共同被称为善溪窑组(湖北省地质矿产局,1990)。剖面可分为7个岩性层(图5-56),底部砂层出露不佳。剖面岩性特征自上而下描述如下。

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图5-56 宜昌砾石层剖面层序和相应的沉积相分析

(Ⅰ)红褐色网纹泥砂层。该岩性层为含砂泥土,厚约1m。泥流相。

(Ⅱ)红褐色砾石层。该岩性层最大砾径可达15cm。砾石无定向性,砾石层填隙物泥砂混合,基质支撑结构,砾石混杂堆积,无粒序变化,磨圆好,厚1.6m。泥石流相。

(Ⅲ)棕黄色砾石层。该岩性层砾径较小,3~6cm为主,最大可达14cm,砾石含量极高,达80%。砾石排列近水平,表面具铁锰胶膜,定向性明显,密集排列,颗粒支撑,具叠瓦构造,正粒序。砾石大多中等风化,其中花岗质砾石风化彻底,磨圆好,厚约4.4m。砾石坝相。

(Ⅳ)棕黄色砾石层。该岩性层下部砾石砾径主要为10~30cm,约占60%,颗粒支撑;至上部砾石砾径减小,含量减少,多为3~5cm,黄色粗砂胶结。岩性主要为石英砂岩、石英岩和火山碎屑岩,还含有少量硅质岩、花岗岩、安山岩、玄武岩、粗面岩、流纹岩、砾岩等。砾石表面具铁锰胶膜,定向性明显,具叠瓦构造,正粒序,总体风化中等,磨圆好,厚约6.2m。砾石坝相。

(Ⅴ)棕黄色砾石层。该岩性层下部砾石砾径10~30cm的占60%~70%,最大可达40cm,颗粒支撑;向上砾石砾径减小,3~5cm砾石约占60%,具有明显平行层理,顶部夹有小型黄色粗砂透镜体。砾石岩性多数为石英砂岩、石英岩和硅质岩,砾径粗,还含有少量火山碎屑岩和花岗岩。砾石表面具铁锰胶膜,定向性明显,具叠瓦构造,正粒序,弱-中等风化,花岗质砾石多数风化彻底,磨圆好,厚约3.3m。砾石坝相。

(Ⅵ)黄褐色砾石层。该岩性层砾石砾径较小,2~5cm的占80%,黄色粗砂胶结。砾石岩性主要为石英砂岩、石英岩和硅质岩。砾石表面具铁锰胶膜,无明显定向性,具水平层理,砾石基质支撑,正粒序,中等风化,磨圆好,厚约1m。河道滞留相。

(Ⅶ)黄色粗砂层,厚约2m。砾石坝相披盖层。

下伏砾石层,与云池剖面相接。

2.云池剖面

云池剖面位于宜昌市猇亭区云池318国道旁(30°28′52.32″N,111°27′30.12″E)。剖面厚约60m,出露海拔92~152m,下未见底。该剖面出露砾石层似为前人研究的善溪窑组下段。剖面表面风化,大部分为植被覆盖,可见9个岩性层,底部砾石层部分出露,有分散的坡积物。剖面自上而下描述如下。

顶部与善溪窑剖面相接。

(Ⅰ)棕黄色砾石层。该岩性层下部砾石较粗大,颗粒支撑;顶部砾石砾径以3~6cm为主,黄色粗砂胶结,砂含量逐渐增加,总体为正粒序,磨圆较好,大部分为圆-极圆,厚约8m。砾石坝相。

(Ⅱ)棕黄色砾石层。该岩性层下部砾石砾径较粗大,紧密排列,颗粒支撑;向上砾石变小减少,总体为正粒序,黄色粗砂胶结。砾石磨圆好,厚约3m。河道滞留相。

(Ⅲ)土黄色砾石层。该岩性层下部砾石砾径较粗大,颗粒支撑;向上砾石变小减少,可见砂质透镜体,变为土黄色粗砂胶结,总体呈正粒序,磨圆好,厚约7m。砾石坝相。

(Ⅳ)土黄色砾石层。该岩性层下部砾石砾径较粗大,颗粒支撑;顶部可见数个砂质透镜体,土黄色砂胶结,总体呈正粒序,磨圆好,厚约8m。砾石坝相。

(Ⅴ)灰白色-黄色砂互层,厚约4m。砾石坝相披盖层。

(Ⅵ)灰黄色砾石层。砾石层下部砾石砾径较粗大,颗粒支撑;向上砾石变小减少,可见砂质透镜体,顶部含砂质透镜体,黄色粗砂胶结,该岩性层总体呈正粒序,厚约10m。砾石坝相。

(Ⅶ)灰白色-黄色砂互层,厚约3m。砾石坝相披盖层。

(Ⅷ)灰黄色砾石层。该岩性层下部砾石层,砾径多为6~18cm,约占70%,最大可达30cm,颗粒支撑;向上可见砂质透镜体,砾石砾径减小,含量减少,黄色粗砂胶结。岩性以石英砂岩、石英岩和硅质岩为主,含少量花岗岩(风化彻底)、凝灰岩角砾岩、泥砾,偶见玛瑙、云母片麻岩和钾长云母片麻岩。砾石层总体风化中等,磨圆好,具叠瓦构造,呈正粒序,厚约10m。砾石坝相。

(Ⅸ)土黄色砾石层。该岩性层下部砾石砾径多为6~16cm,约占80%,最大可达20cm,颗粒支撑;向上可见砂质透镜体,砾石砾径减小,含量减少,黄色粗砂胶结。风化中等,磨圆好,具叠瓦构造,总体呈正粒序,厚约7m。砾石坝相。

下未见底,岩性层Ⅸ底部的延伸方向上可见铁盘呈层状分布。

3.李家院剖面

李家院剖面位于宜昌市猇亭区云池李家院(30°28′22.86″N,111°27′11.58″E)。剖面厚21m,出露海拔69~90m,下为白垩纪基岩,该剖面出露砾石层似为前人研究的云池组(湖北省地质矿产局,1990)。剖面表面部分为植被覆盖,底部有分散坡积物,可见6个岩性层。剖面自上而下描述如下。

(Ⅰ)黄色中砂层。较松软,厚约2m。砾石坝相披盖层。

(Ⅱ)土黄色砾石层。该岩性层主要为细砾层,砾石砾径以3~5cm为主,占60%~70%,底部砾径最大可达8cm,向上砾径减小,总体分选好。砾石层略显定向性,砾石含量高,颗粒支撑,磨圆好,球度高,正粒序结构,厚约5m。砾石坝相。

(Ⅲ)褐黄色砾石层。该岩性层砾石以细砾为主,2~5cm细砾约占80%,分选好,该层底部砾石最大砾径可达15cm。总体略显定向性,砾石含量高,颗粒支撑。砾石大部磨圆好,球度高,少数磨圆较差,球度低,该岩性层整体呈正粒序,厚约4.5m。砾石坝相。

(Ⅳ)土黄色砾石层。该岩性层顶部发育厚约0.5m的黄色砂层,砾石层以中细砾为主,定向性不明显。砾石含量约为60%,填隙物为粗砂,基质支撑结构,磨圆好,该岩性层总体具有向上变细层序,正粒序,厚约5m。砾石坝相。

(Ⅴ)灰白色砂层。该岩性层内部可见不清晰的复杂层理,层理间有铁锈色纹理,厚约5m。河道砂坝相。

(Ⅵ)灰白色砾石层。该岩性层砾石砾径以2~8cm为主,约占60%,大于8cm的砾石占10%~20%,小于2cm的砾石占20%~30%。砾石岩性主要以石英砂岩、石英岩为主,占60%~70%,个别石英砂岩风化严重。此外硅质岩占10%~15%;火山碎屑岩、凝灰岩占5%~10%;花岗岩占5%~10%,风化彻底。还有泥砾和脉石英等,偶见玛瑙和燧石。该岩性层砾石具叠瓦构造,定向性明显,砾石含量高,颗粒支撑,填隙物为灰白色粗砂,整个砾石层风化较强,砾石磨圆度高,略具正粒序结构,厚约1.5m。分流河道底部沉积相。

下未见底,在岩性层Ⅴ延伸方向上可见下伏白垩纪基岩。

三、宜昌砾石层的沉积环境

(一)沉积相划分与沉积环境分析

通过岩性、沉积结构、沉积构造等综合分析,对善溪窑瓦厂剖面、云池剖面和李家院剖面的沉积相进行了划分(图5-56),并基于沉积相特点进行了沉积环境分析。现分述如下。

1.善溪窑瓦厂剖面

该剖面显示的主要特点是以砾石沉积为主,局部发育铁锰胶膜,且砾径较粗大,除第一岩性层外,每个岩性层近水平成层,由下至上都是以粗砾-细砾-砂结束,具有正粒序结构,反映水动力条件间歇性(季节性)的强弱变化,堆积后常暴露受氧化。这套砾石层符合冲积扇扇中和砾质辫状河的沉积特征,可以识别出泥流相、泥石流相、河道滞留相、砾石坝相和砾石坝相披盖层。泥流是泥石流的一个变种,其沉积物较细,主要由砂和泥混合而组成,一般不含4mm以上粒径的颗粒。泥石流相的砾石层内部黏土、砂、砾石混杂,基质支撑结构,内部不显成层性,砾石无叠瓦状构造,近端泥石流大颗粒近于水平定向,远端泥石流大颗粒多近垂直定向,多在扇根发育。河道滞留相的砾石层厚度较小,或呈透镜体状发育,具有向上变细层序,具叠瓦状构造,顶部有时有交错层砂层发育。砾石坝相的砾石层一般厚度较大,为长形块状,呈平行流向展布,底部较平,内部显示不清晰的水平层理,具叠瓦状组构,顶部常发育洪水期高速水流形成砂质披盖层,可发育低角度交错层理,有时可出现薄层泥质披盖层。岩性层Ⅰ、Ⅱ出现泥石流相沉积,岩性层Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的砾石坝相沉积完全不同,岩性层Ⅵ为河道滞留沉积相。

善溪窑瓦厂剖面中下部砾石水平成层,每个岩性层顶部无砂层或只少量出现砂质透镜体,为典型的砾石坝相,说明当时的河流比降高,水流能量大,常见于砾质辫状河和冲积扇扇中。剖面顶部发育泥砾和含砂网纹红土,前者判定为泥石流相沉积,其为冲积扇扇根亚相特征微相;后者在剖面中可见其与下伏泥石流相沉积呈侵蚀冲刷接触,且其岩性为泥质含砂,判定为泥流相,也为冲积扇特征微相。由于冲积扇扇中往往发育辫状河道,与常发育在山区河流中上游的砾质辫状河难以区分。剖面砾石表面大多具铁锰胶膜,显示氧化环境特征,有别于常年流水的砾质辫状河。考虑到研究区砾石层的展布范围,推断该剖面显示的砾石层主要为冲积扇的扇中部位沉积。剖面自下而上出现扇中-扇根亚相,具有进积型冲积扇特征。

2.云池剖面

该剖面显示的主要特点是以砾石沉积为主,砾径相对善溪窑瓦厂剖面较小,砂层、砂质透镜体多有发育,剖面岩性层粗细变化频繁,近水平成层,都为正粒序结构,反映水动力条件间歇性(季节性)的强弱变化。这套砾石层符合冲积扇扇中和砾质辫状河的沉积特征,可以识别出河道滞留沉积相、砾石坝相和砾石坝相披盖层。岩性层Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ为砾石坝相(含披盖层)沉积,岩性层Ⅱ为河道滞留相沉积。

云池剖面各岩性层近水平成层,几乎每个岩性层顶部都有砂层或砂质透镜体,为典型的砾石坝相披盖层,常见于砾质辫状河和冲积扇扇中。由于云池剖面与善溪窑瓦厂剖面在海拔高度上相衔接(图5-56),平面距离约为170m(图5-55),两剖面间无侵蚀面或风化壳,故可推断两者以善溪窑瓦厂剖面底部砂层衔接,该砂层为云池岩性层Ⅰ顶部被剥蚀后缺失的砂层,两剖面砾石层为连续堆积。结合善溪窑瓦厂剖面,推断该剖面砾石层也为扇中部位沉积。相对于善溪窑瓦厂剖面,云池剖面砾石层的砾径较小,砂体发育较多,表明其冲积水流能量相对较小。联系善溪窑剖面,两剖面的这一整套砾石层自下而上水动力有逐渐增强的趋势。

3.李家院剖面

该剖面以砾石沉积为主,砾径相比善溪窑瓦厂和云池剖面较小,岩性层多具有正粒序结构,砂砾多近水平成层;同时,剖面下部厚层粗砂和砾石沉积发育,结合其层位,反映了砂质辫状河―砾质辫状河的水动力间歇性(季节性)的强弱变化。故而,这套砾石层符合砾质、砂质辫状河的特征,可以识别出砾质辫状河的砾石坝相、砾石坝相披盖层和砂质辫状河的河道砂坝相、分流河道底部沉积相。河道砂坝是指分隔河道的或突起于河底的大型砂体,内部构造复杂,由许多冲刷面分隔开的各种类型的层系相互交错叠置组成,每个层系都是某种大型底形迁移的产物。分流河道底部沉积相是指河道底部始终处于水下环境形成的河床相沉积,发育有底部滞留砾石层,呈叠瓦状排列,与下伏沉积为清晰的冲刷接触。除岩性层Ⅴ、Ⅵ为河道砂坝相沉积和分流河道底部沉积相外,岩性层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为砾石坝相(含披盖层)沉积。

李家院剖面各岩性层多近水平成层,中上部岩性层为砾石坝相沉积,常见于砾质辫状河和冲积扇扇中。底部岩性层Ⅳ为河道砂坝相沉积,岩性层Ⅴ为分流河道底部相沉积,常见于砂质辫状河和冲积扇扇端。结合各岩性层沉积相特征,推断该剖面砾石层自下而上为冲积扇扇端―扇中亚相沉积。李家院剖面与善溪窑瓦厂、云池剖面相距小于1.2km,相对于堆积了巨厚砾石层的大型冲积扇来说,该距离导致的坡降可忽略,视3个剖面在垂向上相接。该剖面岩性层Ⅰ顶部被侵蚀,但根据高程判断,其与云池剖面底部铁盘相接。这说明李家院剖面砾石层形成后曾有长时间的沉积间断,然后重新开始扇体堆积。

根据3个剖面砾石层的沉积相分析,可以判断李家院剖面砾石层为早期冲积扇堆积,水动力较小,剖面由下至上发育扇端至扇中亚相,并发育砾石坝相、河道砂坝相和分流河道底部相三种微相。善溪窑瓦厂―云池剖面砾石层为后期冲积扇堆积,种种特征显示其水动力远远强于李家院剖面砾石层形成时期。剖面由下至上发育冲积扇扇中至扇根亚相,并发育片流相、碎屑流(泥石流)相、砾石坝相、河道滞留相四种微相。综上所述,各剖面出露的砾石层,具有典型冲积扇沉积环境特征。同时,该砾石层的空间分布也具有冲积扇特征。

(二)粒度组成与沉积环境

样品取自善溪窑瓦厂、云池和李家院剖面,为保证粒度数据能准确反映水动力条件,只在砂层和砂质透镜体中选取6个样品进行粒度分析(表5-29)。

6个样品的粒度分布呈双众数,概率累积曲线都为三段式。其中,YC-1、YC-3、YC-5和LJY-0以牵引总体为主,占57%~88%;悬浮总体次之,占10%~29%;跳跃总体最少,斜率小。粒度参数显示分选较差至很差,正偏态,峰态中等至很窄。这4个样品的粒度特征反映水流为底负载,具有较大的推动力和较高的扰动能量,具有辫状河沉积物的粒度分布特征。

LJY-3也以牵引总体为主,占51%;跳跃总体次之,占34%,斜率小;悬浮总体最少。粒度参数与上述4个样品相近。该样品的粒度特征反映了水流为底负载,具有较大的水动力,具有辫状河特征。

SXY-1以悬浮总体为主,占52%;牵引总体次之,占30%;跳跃总体最少。粒度参数显示与其他样品有一定区别,分选相对最差,曲线略负偏,峰态宽,显示了冲积扇浊流沉积物的粒度特征。

表5-29 砂层粒度分布

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在6个样品的C-M图中,SXY-1号样品落入泥流沉积区,其余都落入PQ段,显示冲积扇沉积物的粒度像特征。

冲积扇扇中亚相往往发育云池、李家院粒度数据显示的辫状河沉积物,样品的粒度像数据也符合冲积扇沉积环境特征,则3个剖面砂体的微观特征与前文的宏观沉积相分析有较好的对应。

(三)砾石特征与沉积环境

根据善溪窑瓦厂和云池剖面的实测数据,对砾石的砾向、岩性和砾态特征进行如下分析。

(1)砾向。因善溪窑瓦厂和云池为连续沉积,垂向相接,由两剖面的砾石ab面倾向可较准确地推断该处古水流的变化。如表5-30所示,两剖面各测点的砾石倾向数据显示,形成该地区砾石层的古水流流向不定,在40°~225°不断迁移。结合剖面描述和沉积相分析可知,所测量砾石都为砾石坝相沉积。砾石坝在辫状河中随着河道侧向迁移,可产生多角度的砾石倾向,由此可知,河型应为辫状河,符合前文所述冲积扇扇中沉积特征。

表5-30 砾石倾向

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(2)岩性和砾态特征。砾石统计资料显示,3个剖面的砾石岩性变化无明显区别,都以石英砂岩、石英岩、硅质岩为主,含量在60%以上;其他多为火成岩类,花岗岩都完全风化;含少量泥砾、脉石英等,偶见玛瑙、燧石。自李家院向上至善溪窑瓦厂,砾石砾径逐渐增大,磨圆过渡为次圆,分选变差,砾石总体风化程度减弱。3个剖面的岩性和砾态特征显示该地区砾石层的物源相近,底部李家院剖面砾石层形成时间较早,风化较强;云池-善溪窑剖面后堆积砾石层由下至上砾径增大,反映了水动力的逐渐增强,符合前文所述冲积扇的沉积环境特征。

(四)宜昌砾石层的沉积环境

综合以上宜昌砾石层的岩性、沉积结构和构造、沉积相、砂层粒度分布和砾石测量等沉积学特征,我们认为宜昌砾石层应为一大型的古河流冲积扇,这与其空间扇形分布的地貌特征是一致的。目前地表出露部分可能为冲积扇的扇端(根)部分,其扇中和扇缘部分隐伏于枝江以东的江汉平原之下。

四、宜昌冲积扇与长江三峡贯通讨论

1.冲积扇与长江三峡贯通

如此规模巨大的冲积扇,显然应具有强大的水动力条件。从冲积扇的地貌分布来看,应为长江三峡贯通后的产物。

2.关于长江三峡贯通的时代

关于宜昌砾石层的年龄,前人曾做过较多的研究。湖北地质矿产局(1990)经区域地层划分对比,认为云池组(包括李家院砾石层和云池砾石层)的形成时代为早更新世;陈华慧等(1987)用热释光法得到的云池组(剖面)靠近下部的年龄为1.11MaB.P.,善溪窑剖面年龄为0.48MaB.P.;杨达源等(1992)对云池公路边的砾石层之上的棕黄色砂、网纹状红土层进行了系统古地磁采样测量,认为形成于布容期(0.73Ma)以内;向芳等(2005)根据ESR测年认为,卢演冲剖面的年龄为1.15MaB.P.和0.82MaB.P.,李家院剖面为1.08MaB.P.,善溪窑剖面为0.87MaB.P.;经我们野外剖面对比,卢演冲砾石层与云池砾石层属同一层位,综合前人的地层划分和测年数据,宜昌砾石层的形成年龄大约为1.2~0.7MaB.P.,即此时长江已贯通三峡。

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