鄂西恩施笔架山第四系高角度砾石层地质特征及其成因探讨

杜小锋,宗 维,李 朋,吴 龙

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

鄂西恩施笔架山第四系高角度砾石层地质特征及其成因探讨

杜小锋,宗 维,李 朋,吴 龙

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

恩施笔架山高海拔第四系砾石层可见多个沉积旋回。通过对砾石层地理位置、沉积学特征、层序特征等研究,认为该砾石层为洪积成因,属洪积扇相扇根亚相,并发育支撑砾石。通过研究砾石沉积旋回对比该区域第四系以来的升降运动,探讨高角度砾石层的成因与第四系以来的掀斜运动的关系。

洪积扇;支撑砾石;掀斜运动;恩施

笔者于2016 年恩施地区1∶5万区域地质调查工作中,在1 000 m以上的高海拔山区发现了一套河流洪积相砾石层。区内主要出露早古生界沉积地层,第四系欠发育。本次发现的砾石层位于恩施笔架山缓坡上,出露面积较小。前人在鄂西地区发现了多处高海拔砾石层,各砾石层均为层状地貌面上急流快速堆积的残留坡积体,出露面积较小,且层理构造不发育[1-2]。王令占等虽对建始、巴东、利川等地的高海拔砾石层与长江、清江古河道的演化关系及其长江贯通方面做了大量工作[1-4],但对砾石层的成因方面未作深入探讨。本文述及之剖面砾石层层序特征清楚,砾石层间界面产状较陡,拟通过砾石层的沉积学特征和层序特征的研究来探讨其物质来源及高角度砾石层的成因。

1 剖面描述

区内大地构造位置为上扬子陆块扬子碳酸盐台地构造区,主要出露寒武纪—三叠纪地层,构造形迹以北东向褶皱及断裂为主。本剖面位于湖北省恩施市白果乡笔架山,位置见图1,地理坐标x:109°22′51″,y:30°17′52″。海拔高程1 125 m,山顶最高处1 500 m,平均坡角37°,砾石层位于山坳缓坡处。

1.1 露头特征

砾石层出露宽度约20 m,厚10 m,出露长30 m,下部受剥蚀作用及公路建设破坏,其出露特征不详。砾石层各层物质组成均以砾石为主,仅第4、第7层为含砾砂粘土层(图2)。砾石总体砾径较粗,多为2～8 cm;砾石多呈棱角状,基本无磨圆;砾石成分较单一,基本为白云岩组成。各层间界线明显,依据对砾石组合特征及砾径变化特征,由下至上划分为9层。

图1 砾石层分布位置(据王令占等改编)Fig.1 Gravel layer distribution position

上覆地层:残坡积物,成分主要为砾石、粘土及植被根茎。砾石无分选、磨圆,堆积较松散,厚约15 cm。

第10层:灰—灰黄色砾石层,砾石砾径多为5～7 cm,最大者10 cm,小者0.5 cm,砾径向上变细;砾石呈棱角状,无磨圆;成分主要为白云岩、灰岩;砾石固结较差,为颗粒支撑,基质仅见细砾石。

图3 剖面沉积旋回柱状图Fig.3 Profile sedimentary rotation column diagram

第9层:灰色巨砾石层,砾石砾径12 cm左右,最大者20 cm,小者4 cm,由下向上砾石砾径变细;砾石呈棱角状,基本无磨圆,形状各异;成分主要为白云岩、灰岩;砾石固结较差,为颗粒支撑,基本未见基质。砾石层顶部见砾径1 cm左右的砾石顺层分布。

第8层:灰色粗砾石层、含砂粘土砾石层。由下向上砾径变细,下部为粗砾石层,砾径多为8 cm,最大者12 cm,砾石呈棱角状,基本无磨圆;成分主要为白云岩、灰岩;颗粒支撑,无基质充填,砾石分选性也较差。上部为含砂粘土砾石层,呈透镜体状,砾石为2 cm左右,占80%,基质为细砾石及砂、粘土,成分主要为白云岩、灰岩。

第7层:灰色含砾粘土砂层。成分以细粒砂、粘土为主,约占60%,砾石占40%。砾石砾径多为5 cm,最大者12 cm,小者1 cm;砾石呈棱角状,基本无磨圆,形状各异,棱角较多;成分主要为白云岩、灰岩;砾石固结较差,基质为细砾石及砂粘土。砾石分选性也较差。

第6层:灰—灰黄色粗砾石层,砾石砾径多为5 cm左右;砾石呈棱角状,基本无磨圆,形状各异,棱角较多;成分主要为白云岩、灰岩;砾石固结较差,为颗粒支撑,基本未见基质,零星基质为细砾石及粘土。砾石层具一定分选性,下部砾石砾径相对较小,为3 cm左右,呈透镜状;上部砾石砾径较大,为5 cm左右,延伸较远。

第5层:灰色粗—巨砾石层,砾石砾径多为8 cm左右,最大者20 cm;砾石呈棱角状,基本无磨圆,形状各异,棱角较多;成分主要为白云岩、灰岩;砾石固结较差,为颗粒支撑,颗粒间基本无基质充填。砾石层具一定分选性,显示砾石砾径由下向上、由粗变细的特征,向上砾石层砾径明显变细,砾径多为3 cm左右。

第4层:灰—灰黄色含粘土砂砾石层,砾石砾径多为1～15 cm,2 cm左右居多;与上覆第5层界面产状为85°∠31°。砾石呈棱角状,基本无磨圆,形状各异,棱角较多;成分主要为白云岩、灰岩;砾石固结相对较好,为颗粒支撑,颗粒间充填粘土、细砾石等。砾石层具一定分选性,显示砾石砾径由下向上、由粗变细的特征。

第3层:灰色粗砾石层,砾石砾径8 cm左右最多,最大者20 cm,小者2 cm;砾石呈棱角状,形状各异,棱角较多;成分主要为白云岩、灰岩;砾石固结较差,为颗粒支撑,颗粒间无充填物。砾石层具一定分选性。

第2层:灰色巨砾石层,砾石砾径多为15～50 cm,最大者1 m,小者2 cm,20 cm左右最多;砾石呈棱角状,砾石固结较差,为颗粒支撑,颗粒间基本无基质;成分主要为白云岩、灰岩。厚30 cm。

下伏地层:寒武纪—奥陶纪娄山关组(∈3O1l),深灰色厚层—块状微晶白云岩。

1.2 层序特征

一般而言,砾石层砾径越大,则代表其水动力越强。根据砾石砾径大小,将测区内砾石层划分为4个沉积旋回,建立了旋回柱状图(图3)。旋回1为第2-4层,下部砾石砾径10 cm,向上过渡为平均砾径2 cm,具明显下粗上细的二元结构特征,且第4层砂粘土与砾石混杂堆积,显示水流动力急剧减弱的特点。

图2 笔架山砾石层特征Fig.2 The characteristics of the Bijiashan gravel layerA.洪积扇底部漂砾;B.第3层支撑砾石;C.3-4层正粒序特征;D.4-5层间的层序界面;E.第7层含粘土砂砾石层特征;F.剖面总体面貌。

旋回2为第5-7层,砾石砾径8 cm向上到2 cm;旋回3为第8层呈透镜状展布,下部为支撑砾石,基本无基质,上部为含砾砂粘土层;旋回4为9-10层,下部砾径12 cm,上部5 cm,变化明显。各旋回由下向上砾石砾径变小,反映了每个旋回水动力逐渐减小的特征。

砾石层砾石均具磨圆极差、砾石成分单一的特征,反映了物质来源较近;砾石层具有一定的分选性,层中未见基质,反映其沉积过程有一定持续时间,推测为山间洪冲积沉积特征。

1.3 砾石粒度特征

1.3.1 样品采集与砾径测量

本次对砾石层粒度分析,采用人工直接测量法。按照砾石层层位方向,由下向上垂直层理方向取样,每层采用50 cm×50 cm的网格取样,对网格内砾石中轴长度进行统计。

1.3.2 数据处理与分析

通过测量砾石层9组样品,该砾石层砾石多集中在3～12 cm,占比多在70%以上;仅6号样品以砂、粘土等细粒物为主,砾石含量为42%。根据福克和沃德公式(表1)计算各粒度参数,结果见表2,砾石层总体平均粒径为-4.26(19 mm)。其平均粒径可以看出1-3号样品平均粒径逐渐下降;4-6号样品平均粒径从-5.7下降到-1.62,指示水流速度逐渐下降。

表1 粒度参数公式Table 1 Grain size parameter formula

样品1、2、4、5、8、9平均粒径φ<-4(>16 mm),且分选系数为1～2之间,显示其分选性为中等,而对应层位野外露头显示,各层均为颗粒支撑,极少粘土、砂等基质沉积。

表2 砾石组成及其粒度参数Table 2 Gravel composition and its particle size parameters

样品3、6、7中平均粒径φ为-1～-4(2～16 mm),其粒度相对较小;分选系数为2～4之间,分选较差;偏度绝对值均>10,存在2个不对称粒度峰值,分选较差。结合野外露头识别,样品3对应第4层为灰—灰黄色含砂、粘土粗砾石层,其砂、粘土等细粒物明显增多。其频率累计曲线特征显示,沉积物具两个明显的峰值,见图4。

图4 第4、7层沉积物粒度频率曲线Fig.4 The fourth,seventh layer sediment particle size frequency curve

2 成因探讨

2.1 物质来源

图5 砾石成分饼状图Fig.5 Gravel composition pie chart

通过对砾石形态、粒度统计等分析,显示砾石搬运距离较短的近源特征。对砾石层中砾石成分进行统计分析,砾石以白云岩、灰岩为主,含少量石英(图5),显微照片显示其主体为微—细晶白云岩(图6),砾石成分与周边娄山关组地层岩性一致。说明砾石主要来源于山上剥蚀岩石,由洪水泥流快速搬运堆积而成。

图6 砾石显微特征Fig.6 Gravel microscopic characteristicsA.微晶白云岩;B.中—细晶白云岩。

2.2 沉积过程及沉积环境

洪积扇是由厚的辫状河流和河道沉积的水携沉积物或厚的泥流沉积物组成。其沉积坡度较陡,一般3°～10°[5]。将冲积扇相进一步划分为扇根、扇中、扇缘三个亚相。支撑砾石是在冲积扇的扇根细密沟槽中沉积的砾石层,被后期洪水冲走细粒物质而剩下的砾石骨架。根据砾石层间界面产状特征、沉积组分特征、砾石大小、形态、产状,将本砾石层划分为洪积扇相扇根亚相。

当洪水较大时,洪积扇扇根中仅沉积砾石及少量砂质,固结松散,空隙大,形成大量流水通道,此种情况下,后期水流经过,极易带走先期沉积砂质,仅余砾石;当洪水较小时,砾石、砂质、粘土均沉积于洪积扇扇根,这些沉积物形成基质支撑,虽然空隙较大,但大量泥质、粉砂质的存在,不足以形成流水通道,下次洪水来临时细粒物质不会顺空隙流出,仍为粘土、砂砾石堆积。沉积过程见图7。

3 讨论

3.1 砾石属性

剖面上沉积物以砾石为主,砾石具有砾径较大、磨圆差、分选差、定向性差的特点。砾石组合有两种类型,剖面第2-3、5-6、9-10层中砾石层属颗粒支撑,基本无基质(图2-B)。其余砾石层中砾石、砂、粘土混杂堆积(图2-E)。各砾石层中均无明显的沉积构造,但各层间因砾石砾径及碎屑物组成不同,界线较明显。

根据前人对洪积砾石的研究及总结的砾石特点对比本剖面,本剖面砾石为较典型的洪积成因砾石。但前人对类似第2-3、5-6、9-10层特征的砾石却描述较少,该砾石砾径多为30～60 mm左右,砾石层单层厚度0.5～0.9 m,各层之间界线较为明显,显示多次水流变化的结果。根据张纪易(1985)总结的支撑砾岩与筛滤沉积的特征,支撑砾石与本砾石层较为吻合,为扇体顶部细密沟槽中先期沉积的洪积物中的泥沙,被后续洪水带走剩下的砾石骨架。

图7 沉积过程示意图Fig.7 Sedimentary process diagram1.基底;2.支撑砾石;3.砂砾石混合堆积。

3.2 砾石层间界面产状与新构造运动的关系

本砾石层内未见明显沉积构造,属块状层理,但各层间界线明显,测得其界面产状为85°∠31°。前人对洪积扇的特点研究显示,其沉积角度多在3°～10°,也就是说在不受后期构造改造的情况下,其沉积层理倾角一般<10°[6]。本剖面上砾石层间界面倾角达到31°,远高于洪积扇合理的沉积坡度,由此可推断砾石层沉积后,明显受到由西向东的掀斜运动改造。

高名修等认为发生于第四系以来的喜马拉雅造山运动,铸就了青藏高原的快速隆升,与鄂西山区及其东部平原一道形成现今的高原—山脉—盆地三位一体的构造地貌组合定式[7-8]。王令占对鄂西利川、建始、巴东等地区砾石层进行了ESR定年,并对层状堆积物海拔及年龄进行了对比统计,测得砾石层年龄均在早—中更新世(274—789 Ka)[4]。青藏高原的末次快速隆升在三峡地区表现为大面积整体抬升[9],并伴有自南西向北东的掀斜运动[10]。故笔者认为,受青藏高原隆升作用影响,区内地层发生了较强的掀斜运动,导致形成了产状较陡的砾石层。

[1] 王令占,牛志军,赵小明,等.鄂西建始中更新世高海拔砾石层的发现及意义[J].人民长江,2010,41(1):58-60.

[2] 王令占,牛志军,赵小明,等.清江流域层状地貌面堆积物特征及地貌演化研究[J].人民长江,2010,41(8):18-20.

[3] 王令占,涂兵,田洋,等.鄂西利川清江源地区高海拔砾石层的发现与分析[J].人民长江,2011,42(11):1-4.

[4] 王令占,涂兵,田洋,等.鄂西清江中上游高海拔砾石层ESR定年及地质意义[J].地球学报,2012,33(3):316-322.

[5] 张纪易.粗碎屑洪积扇的某些沉积特征和微相划分[J].沉积学报,1985,3(3):75-83.

[6] 朱筱敏.沉积岩石学[M].北京:石油工业出版社,2007.

[7] 高名修.晚新生代地壳构造运动研究[J].地质力学学报,2008,14(4):295-319.

[8] 葛肖虹,王敏沛,刘俊来.重新厘定“四川运动”与青藏高原初始隆升的时代、背景:黄陵背斜构造形成的启示[J].地学前缘,2010,17(4):206-217.

[9] 杨达源,李徐生,柯贤坤,等.长江三峡坝区河谷深槽的地貌特征及其成因 [J].地理学报,2002,57(5):547-552.

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(责任编辑：于继红)

Discussion on Geological Characteristics and Its Causes of Bijiashan QuaternaryHigh Angle Gravel Layer in Enshi,West Hubei

DU Xiaofeng,ZONG Wei,LI Peng,WU Long

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Enshi Bijiashan high altitude quaternary gravel layer shows multiple deposition cycles.Based on the study of the geographical location,sedimentology characteristics and sequence characteristics of the gravel layer,it is considered that the gravel layer is the cause of the proluvial,which belongs to the diluvial fan root subfacies and develops the characteristic support gravel.The relationship between the formation of the high-angle gravel layer and the uplift motion in the Quaternary system is discussed by comparing the gravel deposition cycle to the lift movement of the area since the Quaternary.

diluvial fan; support gravel; tilted movement; Enshi

P534.63

A

1671-1211(2017)05-0531-05

2017-04-06;改回日期2017-04-26

中国地质调查局项目(12120114066101)资助;中国地质调查局扬子工程湘西—鄂西成矿带神农架—花垣地区地质矿产调查二级项目(No.DD20160029)。

杜小锋(1985-),男,工程师,地质学专业,从事区域地质调查工作。E-mail:274843944@qq.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.026.html数字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.004