宜昌—武汉长江沿岸典型砾石层对比分析

王鹤源，王泽堃，谷思莹，杨烁暄，赵梓垚，陈 旭

中国地质大学（武汉） 地理与信息工程学院，武汉 430078

长江中下游沿岸地区广泛分布着一套河流相砂砾石层，在宜昌、武汉、九江、安庆、铜陵和南京等地均有大面积出露（王节涛等，2021），该套砾石层对研究长江上游地区新构造运动（Xiang et al.，2020）、古气候变化和长江形成演化（Kang et al.，2021；林旭等，2023；魏传义等，2020）等方面均具有重要意义。自20 世纪80 年代以来，国内学者对宜昌、枝江一带砾石层和武汉阳逻砾石层的年代学和物源问题先后开展了相关研究。年代学研究结果表明，宜昌地区砾石层下伏第三系牌楼口组，上部覆盖中更新统善溪窑组网纹红土（陈立德，2019），电子自旋共振测年结果显示砾石层形成于1.12~0.73 Ma（Xiang et al., 2018；Xiang et al.，2020；Wei et al., 2020；魏传义等，2020）。武汉阳逻砾石层上部覆盖中更新统王家店组网纹红土和下蜀土，下部为白垩系红花套组紫红色砂岩和泥岩，电子自旋共振测年结果显示年代范围为1.3~0.75 Ma（林旭等，2023）。从测年结果来看，武汉和宜昌砾石层形成时间相近，均堆积于早—中更新世。

从物源来看，宜昌猇亭、枝江一带出露的砾石层以砂岩、花岗岩和硅质岩为主，其范围处于江汉平原西缘、三峡出口地带，一般认为是古长江冲积物：砾石来源于上游的三峡地区，细颗粒物质来源于长江的远源搬运（张玉芬等，2014；Wang et al.，2014；陈立德等，2015；Xiang et al.，2018；Xiang et al.，2020；Kang et al.，2021；林旭等，2021）。相比而言，武汉阳逻地区砾石层岩性组成相对单一，以石英岩为主，其物源问题目前仍存在较大争论。部分学者根据砾石岩性特征推测阳逻砾石层为发源于大别山南坡的古河流冲积物（黄宁生等，1993；王节涛等，2021）；同时，也有观点认为其可能是多物源型：例如，梅惠等（2011）从岩性和砾石优势倾向指示的古水流方向判断，阳逻地区的砾石一部分来自长江上游方向，一部分来自大别山方向；林旭等（2023）对阳逻砾石层中粉砂的碎屑锆石U-Pb 年龄进行分析，结果表明砾石层中的粉砂可能来源于长江。可见，进一步分析长江中游砾石层的物源问题，不仅有助于准确划分与对比长江中游地区第四系地层，而且对于厘清古长江水系演化具有重要意义。目前针对长江中游砾石层的研究多围绕单一地区开展，尤其阳逻砾石层研究近年取得丰硕成果（黄宁生等，1993；梅惠等，2009；梅惠等，2011；王节涛等，2021），但长江中游不同区域之间砾石层直接对比分析较少（张玉芬等，2014；林旭等，2023）。

为此，本文选取长江中游宜昌和武汉两地典型砾石层为研究对象，结合砾石层中砾石的岩性和砾态特征，和砾石层中粉砂的元素组成，对宜昌和武汉地区砾石层进行综合分析，从宏观砾石统计和微观元素地球化学方法相结合的视角对比两地砾石层异同，以期为厘清长江中游沿岸砾石层物源问题提供新的证据。

1 研究方法

1.1 区域概况

本文研究的砾石层位于长江中游沿岸湖北省的宜昌和武汉两地（图1），宜昌地区砾石层剖面主要分布在猇亭区云池镇和枝江市白洋镇，上游为三峡地区，岩性较为复杂，主要有花岗岩、硅质岩、砂岩和碳酸盐岩等。武汉地区砾石层剖面位于长江北岸的新洲区阳逻镇和黄陂区横店镇，地处江汉平原东缘，北部为大别山地区，广泛存在变质岩（孔令耀等，2022），石英含量极高。

图1 研究区地质图及采样点分布（改绘自马丽芳, 2002）Fig. 1 Geological map showing the locations of the study area and the sampling sites

1.2 野外调查与实验分析

2021 年7 月在上述四个地点选取11 个典型剖面开展野外调查工作（表1）。在每个砾石层剖面选取三个顶底界面受构造运动影响较小，未被人工改造破坏的区域，大小约为1 m×1 m；去除表层土后，每个区域内均匀选取50 颗砾石，判断其优势倾向面，并用罗盘对砾石的倾向、倾角进行测量，测量过程中需要排除松动的砾石。随后取出砾石辨识岩性，并测量砾石基本形态：最长轴（a 轴）、次长轴(b 轴)和最短轴（c 轴）。最后在11 个剖面的砂质透镜体中采集粉砂样品。同时，为比较砾石层粉砂和现代长江河漫滩粉砂的异同，在武汉汉口江滩和宜昌关洲采集现代长江河漫滩粉砂样本。每个采样点采集3 份平行样品，共计39 份粉砂样品带回实验室开展元素地球化学分析。

表1 采样点信息Table 1 Detailed information of the sampling sites

云池砾石层剖面位于一废弃矿坑北侧，可分为两层（图2a）。下层约7 m 厚，底部为灰白色砾石层，砾径（0.5~2 cm），出露约2 m 厚，未见底，中间夹一层约0.5 m 灰白色粉砂透镜体；向上依次为：棕黄色砾石层，约2 m 厚，砾径约5~15 cm，分选较差；灰黄色砂质透镜体，约1.5 m 厚，常见蜂窝状虫孔；顶部为灰黄色砾石层，约1.5 m 厚。上层为约6 m 厚棕黄色砾石层，底部有约0.5 m 厚粉砂透镜体，中部砾径较大（3~12 cm），胶结程度高，约3 m 厚；顶部砾径变小（3~8 cm），胶结程度低，约1 m 厚。

图2 云池(a)、枝江(b)、横店(c)和阳逻(d)地区砾石层剖面图（图2b黄色虚线代表网纹红土与砾石层界线）Fig. 2 Field photos of gravel layers in Yunchi (a), Zhijiang (b), Hengdian (c), Yangluo (d) regions (Yellow dashed line in Figure 2b represents the boundary between reticulate red clay and the gravel layer)

枝江地区砾石层为巨厚层，大致可见上下两层，颜色均为红褐色（图2b）：下层为砾石层，厚度约10 m，砾石砾径最大可达20 cm，岩性多样，磨圆好，分选较差，在砾石层局部发育有20~50 cm 厚灰黄粉砂透镜体，水平延续5 m 左右，向两端逐渐变薄尖灭；砾石层上部有约3 m 的第四纪网纹红土，上部有灌丛植被覆盖。

横店地区砾石层剖面呈淡红色—红褐色，多为砾石层与含砂较多的河漫滩相粉砂层相间（图2c），厚度1~3 m 不等，剖面03、剖面05 的粉砂层有明显的网纹化；砾石成分以石英岩为主，大部分砾石砾径小于5 cm，磨圆较好，分选较差。

阳逻地区砾石多为石英岩，含少量燧石岩，剖面可分为上下两层（图2d），下层厚度约有3 m，呈浅综红色，中间夹有灰黄色砂质透镜体，砾石长轴约5~10 cm,分选较差；上层厚约3 m，颜色呈棕红色，与下伏砾石层相比，砂含量增多，铁锰胶结发育，砾径相对偏粗，分选和磨圆较差。

采集的粉砂样品经室内自然风干，并用10 目的网筛过筛后，采用尼通XL3T950 元素分析仪进行X 射线荧光光谱分析（X-ray fluorescence analysis,XRF）。测试分析Si、Fe、Al、K、Ca 和Ti 等11种元素，每个样品重复测试三次，取平均值，测试结果测试误差控制在10%以内。元素扫描在中国地质大学（武汉）流域关键带演化湖北省重点实验室完成。

1.3 数据处理

根据对砾石层中的砾石进行测量和统计所得的数据，可以得出外营力形态与砾组特征的相关性和规律性，进而阐述其成分、性质、搬运及沉积特征，以恢复砾石层的沉积环境（张杰等，2015）。为揭示四个研究点总体砾态特征，本文开展球度、扁平度和等球体直径等指标的统计分析，揭示砾石的形态表面特征（曹伯勋，1995）。

球度，是指砾石接近球体的程度，可对单一砾石定量计算其磨圆度：

扁平度，是指砾石趋向于扁平的程度：

等球体直径 ：表示砾径大小

计算结果采取K 个独立样本的非参数检验，对比分析四组砾石球度、扁平度和等球体直径等参数的差异性。检验显著性水平若小于0.05，则认为两组数据之间差异显著。

粉砂元素组成数据采用log（x+1）转换后，运用Canoco4.5 软件（ter Braak et al.，2002）进行主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），揭示所有粉砂样品中元素组成的主要变化特征。

2 结果

2.1 岩性组成

从岩性组成看，两个地区岩性差异明显（图3）。宜昌云池和枝江两组砾石层的岩性成分以石英砂岩（40%）、花岗岩（35%）和砂岩（10%）为主，还有少量石英和其他硅质岩（小于15%），砾石层中含少量玛瑙。武汉阳逻和横店的砾石则以石英岩（>98%）为主，含有少量燧石（2%），岩性组成单一。

图3 研究点砾石岩性组成柱状图（图中数字表示统计的砾石颗粒数）Fig. 3 Lithological composition of gravels in sampling sites(The number in the bar chart represents the count of gravel particles)

2.2 砾态

砾石形态统计分析能够提供过去流水动力的相关信息（图4），四个研究点砾石等球体直径的中值为3.18~3.61 cm（图4a），其中云池和枝江砾石等球体直径变幅较大，分布区间为0.37~8.84 cm，中值分别为3.18 cm 和3.38 cm；而横店和阳逻砾石等球体直径变幅较小，分布区间为1.15~7.76 cm，中值分别为3.33 cm 和3.61 cm。磨圆度可反映砾石搬运的距离远近。四个研究点砾石球度中值在0.54~0.63 之间（图4b），其中云池和枝江砾石球度相对较小，分布区间为0.28~0.88；横店和阳逻砾石球度较大，分布区间在0.37~0.91。砾石扁平度则可以反应流水动力大小。四个研究点扁平度中值在2.25~3.72 之间（图4c），其中云池和枝江砾石扁平度相对较大，分布区间为0.88~11.5；而横店和阳逻砾石扁平度较小，分布区间为0.3~4.75。非参数检验结果表明，四个研究点之间的等球体直径、磨圆度和扁平度差异性并不显著（p>0.05）。

图4 四个研究点砾石等球体直径(a)、球度(b)和扁平度(c) 箱线图（箱体上下边缘分别表示75%位数和25%位数）Fig. 4 Boxplots of gravel equal sphere diameter (a), sphericity (b), flatness (c) in the four sampling sites(The top and bottom edges of the box represent the 75th and 25th percentiles, respectively)

2.3 砾石优势倾向

河流砾石优势倾向通常与流水方向相反，因此可以提供古流水方向的相关信息，四个研究点砾石优势倾向差异明显（图5）。云池砾石层共统计605 颗砾石，优势倾向主要为西—北西—北，正东和正南的倾向相对较少（a）；枝江砾石层共统计308 颗砾石，倾向集中在南西方向上（b）；横店砾石层共统计403 颗砾石，倾向较为分散主要集中在北东、西和东南方向（c），阳逻砾石层共统计300 颗砾石，优势倾向相对集中在北和西两个方向上（d）。

图5 云池(a)、枝江(b)、横店(c)和阳逻(c)地区砾石倾向玫瑰花图Fig. 5 Rose diagram of gravel tendencies in Yunchi (a), Zhijiang (b), Hengdian (v), Yangluo (d) regions

2.4 粉砂元素含量

11 个粉砂样品元素测试结果显示，粉砂以Si、Fe、Al、K、Ca 和Ti 六种元素为主，六种元素平均含量由大到小为：Si（62.6%）>Fe（17.7%）>Al（13.2%）>K（2.2%）>Ca（2.1%）>Ti（1.9%）。其他元素的平均含量低于0.1%（图6）。

图6 四个研究区主量元素含量箱线图Fig. 6 Boxplots showing concentrations of major elements in the four study regions

四个研究点对比发现，宜昌云池和枝江相对富集Ca 和Sr，而武汉横店和阳逻则相对富集Fe 和Al（图6 和图7）。非参数检验表明，四个研究点之间Ca、Sr、Fe、Al 等元素含量差异显著。进一步主成分分析结果（图8）表明，第一和第二主成分分别解释元素组成数据方差的60.9%和22.3%，第一主成分与Ca、Sr、Fe 和Al 含量有关，第二主成分与K、Rb、Si 正相关而与Zn 成负相关。采集的39 份粉砂样品总体上沿第一轴方向排列，其中武汉地区的样品点位于第一轴负方向，而宜昌地区样品点大多位于第一轴正方向。宜昌地区砾石层粉砂样品与现代汉口江滩和官洲的粉砂样品元素组成相似，相反武汉砾石层粉砂样品与现代汉口江滩样品差异较大（图8）。

图7 粉砂样品主要元素含量图谱Fig. 7 Diagram showing concentrations of major elements in silt samples

图8 砾石层粉砂元素组成主成分分析双轴图Fig. 8 Biplot of principal component analysis based on elemental composition of silt samples in gravel layers

3 讨论

3.1 砾石沉积学特征

从砾石形态来看，一般而言，从河流上游至下游，随着搬运距离增加，砾石的平均粒径会逐渐减小，平均磨圆度会逐渐增加（曹伯勋，1995）。砾石形态统计分析结果显示，武汉地区砾石层砾石等球体直径和扁平度稍小于宜昌砾石层砾石，而球度大于宜昌砾石层，看似符合河流砾石随搬运距离增加、粒径变小而磨圆度增加的一般规律（曹伯勋，1995）。然而，非参数检验结果表明，四组砾石组间等球体直径、球度和扁平度的差异并不显著。而且，武汉地区砾石层中砾石长轴大小（均值33~36 mm）反而稍大于宜昌地区砾石层砾石（均值为29~34 mm）。而现代长江输送泥沙的过程中，河流上游粒径大于0.5 mm 的泥沙很难被搬运到中下游（王兆印等，2007）；同时监测数据表明，近40 年来长江中下游悬沙虽然呈现明显粗化的趋势（张雨宁等，2022），但河床表层沉积物的粒径除三峡大坝下游100 km 范围内稍大外，中值粒径均不超过1 mm（Yang et al.，2014）。考虑到长江出宜昌后从上游山区流入江汉平原，坡降变缓，水动能相对减弱，挟沙能力锐减，因而长江很难有搬运粗大砾石到达武汉地区的水动力条件。此外，王节涛等（2021）结合前人在阳逻地区砾石层中发现的超过3 m 以上的大型硅化木化石证据，推测这些砾石并未经历远距离搬运。

从砾石优势倾向看，宜昌地区的砾石最大扁平面倾向与长江流向大致相反：现代长江在云池段自北西流向南东，云池砾石层砾石倾向为正北和北西（图5b）；枝江砾石层砾石优势倾向主要为南西（图5a），与长江在该处形成U 字型转弯自南西向北东方向流动相反。相比而言，武汉地区砾石层中的砾石优势倾向与现代长江流向并不相符：武汉阳逻地区测量到的砾石扁平面（ab 面）以北—北西方向为主（图5d），现代长江在阳逻段总体呈自西向东的流向。而源自大别山地区的倒水和滠水水流向大致为自北向南，因而北向排列的砾石更可能来自由北向南流动的古河物源输入。需要注意的是，武汉横店地区砾石倾向较为分散（图5c），一方面此处砾石较小，不利于产状测量，可能增加测量误差；此外，当出露的砾石层剖面走向与砾石优势倾向垂直或斜交时，难以准确测量砾石倾向，这也可能增加结果误差。前人的调查中发现阳逻砾石层中砾石的优势倾向也不尽相同：例如，邓健如等（1987）发现阳逻砾石层中砾石倾向为北西—北东；梅惠等（2011）在阳逻电厂和半边山剖面测得砾石倾向集中在北西和南西；王节涛等（2021）测得横店附近砾石层的倾向以北—北西—南西为主，而阳逻地区砾石层以北—北东向为主。这可能是由于河流从北部山地进入平原区后河道摆动、河流流向不定，导致砾石倾向较为分散。

砾石岩性是反映物源的直接证据之一，武汉地区砾石层中砾石以石英岩为主（90%以上），含有少量燧石；而宜昌地区砾石以石英砂岩和花岗岩为主，石英岩所占比重低于10%（图3）。若两地砾石层同源，武汉砾石层应该具有与宜昌砾石层相似的岩性组成，二者之间显著的岩性差异可能与局地物源输入相关。宜昌地区以石英砂岩和花岗岩为主的砾石层主要由三峡地区出露的黄陵岩体提供物源（Wang et al., 2014），此外宜昌地区砾石层中发现有少量的碳酸盐岩，这可能与三峡地区广泛出露的碳酸盐岩地层有关，由于碳酸盐岩易磨蚀，且抗化学风化能力弱，因而在砾石层保留较少（彭松柏等，2014）。而武汉地区大量的石英岩可能来自北部大别山岩浆岩侵入体中的石英脉和伟晶岩脉,成分相对较为单一（黄宁生等，1993）。可见，基于两地砾石形态和岩性的对比分析，两地砾石不具有同源性特征。

3.2 砾石层粉砂元素组成差异

长江河床表层沉积物的元素调查结果显示，悬沙组分中SiO2、Al2O3、CaO 的含量最多，微量元素以Ti、Mn、Ba、Cu、Pb、Zn、Cr、V 和Ni 为主（魏特等，1986）；从上游至下游，长江悬浮物中CaO、MgO 含量逐渐降低，SiO2含量逐步升高（丁悌平等，2013）。假定宜昌和武汉砾石层粉砂层物源均来自长江，则两地元素组成应该与长江表层沉积物元素组成相似。本文砾石层粉砂元素分析结果显示，粉砂质透镜体元素组成以Si、Fe、Al、K、Ca 和Ti为主（图6），宜昌和武汉砾石层元素组成差异明显（图8）。由于Sr 通常富集在灰岩等含钙矿物中（Xu et al., 2010），而宜昌砾石层中相对富集Ca 和Sr，这可能与三峡地区大量碳酸盐岩碎屑输入有关。尽管碳酸盐岩粗颗粒碎屑经物理和化学风化后明显减少，但风化残留的细颗粒粉砂物质依然保留在砾石层中，这可能是导致Ca 和Sr 含量相对较高的主要原因。现代汉口江滩的粉砂样品同样富集Ca 和Sr，因而推测三峡地区碳酸盐岩碎屑同样为现代汉口江滩沉积物的潜在物源。而且区域物源对比分析发现，受青藏高原隆升和亚洲夏季风增强的影响，长江水动力搬运能力增强（Ding et al.，2022；林旭等，2023），长江上游干支流碎屑物质成为宜昌砾石层的重要物源（张玉芬等，2014；Wei et al.，2020；魏传义2020）。

武汉地区砾石层富含Fe 和Al，二者同是湿热条件下较强风化作用的产物（曹伯勋，1995），考虑宜昌和武汉地区处于相似的纬度带（北纬30°30′附近），第四纪以来气候背景相似，两地风化作用强度理应相近（He et al.，2015）。因而，两地粉砂元素组成的差异表明武汉砾石层可能接受了局地风化较强的物源输入；粉砂磁性特征分析也表明，宜昌砾石层磁性特征与长江现代沉积物的特征接近,而武汉阳逻砾石层的磁性特征与江汉平原周边河流冲积物相近（张玉芬等，2014）。换而言之，宜昌砾石层接受长江上游地区风化较弱的碎屑物质，而武汉砾石层以风化较强的近源碎屑物质输入为主。然而，近期的碎屑锆石 U-Pb 年龄物源示踪研究发现，阳逻砾石层中碎屑锆石主要来自长江供给（林旭等，2023）。这表明武汉地区砾石层物源的复杂性，由于本研究仅对2 mm 以下的粉砂样品整体分析，未进一步过筛细分不同粒径组分进行元素分析，因此尚无法准确判识长江上游远源粘土细颗粒物质对砾石层的贡献，这需要在下一步研究中深入分析。

4 结论

通过对宜昌和武汉地区典型砾石层中宏观砾石的沉积学特征与微观粉砂元素组成两方面的对比分析，结果表明：（1）宜昌地区砾石层中砾石的岩性、砾石形态及优势倾向等沉积学特征与长江物源输入相一致，而武汉地区砾石可能接受北方大别山地区的物源供给；（2）宜昌和武汉两地砾石层中的粉砂元素主要为Si、Fe、Al、K、Ca 和Ti 等，宜昌地区粉砂相对富集Ca 和Sr，武汉地区则相对富集Al 和Fe。

本文仅分析长江宜昌和武汉段沿岸砾石层，未来可进一步扩大研究区，增加与九江、南京等地区的砾石层对比分析。同时本研究仅统一测定2 mm以下粉砂元素组成，未来需要筛选出不同粒径粉砂样品，进一步对比分析不同粒径的粉砂元素组成差异，揭示砾石层潜在物源，进而为探讨古长江演化提供新线索。

致谢：郭汝军、彭佳、况志伟等在野外调查和室内测试分析过程中提供协助，李毅超在本文撰写过程中提供宝贵意见，谨致谢忱！