宜昌市城區第四系分布與長江河道變遷關系分析

張端淼, 龐 威, 徐 勇

(1.宜昌市地質環境監測站,湖北 宜昌 443000; 2.中國地質調查局 武漢地質調查中心,湖北 宜昌 443005)

長江西陵峽出口處的宜昌南津關,在地理學上以此為界,將南津關以西劃為長江上游,南津關以東劃為長江中游[1]。宜昌市位于湖北省西部,長江上游與中游分界處,地理位置屬鄂西黃陵山地與江漢平原的過渡地帶[注]曹偉軒、彭偉、賈建紅等,湖北宜昌市城區地質災害詳細調查報告，長江勘測規劃設計研究有限責任公司,2016。。宜昌市城區處于長江西陵峽出口地帶,包括西陵區、伍家區、猇亭區、點軍區及高新區(含生物產業園、白洋鎮等),面積約1 000 km2,長江自西北向東南呈反“S”流經宜昌市城區。宜昌市城區地勢西高東低,形成自西向東由山地、丘陵向平原過渡的地貌形態,最高點為點軍區土城西北部的白云山,海拔高1 189 m;最低點為長江一級階地,海拔高約40 m(見圖1)。

長江河道變遷是個難度很大的研究課題,通過調查宜昌市城區第四系各層巖性、分布、類別及物理力學特征,分析階地發育分布與長江河道變遷過程,基本查明了宜昌市城區第四系分布與長江河道變遷的對應關系。

1 第四系土體分布和工程地質特征

1.1 第四系土體分布特征

圖1 宜昌市城區地形高程分布略圖Fig.1 Sketch map of topographic elevation distribution in Yichang City

堆積物具有二元結構,下部為礫卵(礫)石層夾砂土、粉質粘土,局部夾膠結礫石層;上部為灰褐色、棕黃色砂土、粉質粘土。分布于長江及其主要支流河谷的一級階地、漫灘、河床、較大型溝谷中,具體分布于長江河床、西壩、胭脂壩,左岸沿江呈條帶狀分布,右岸主要分布在艾家鎮臨江平緩地帶;支流則主要分布于卷橋河、臨江溪、何家沖、善溪大沖等支流的鄰近兩側。

堆積物具有二元結構,上部為棕黃色粘土,含鐵錳質薄膜和結核,具垂直節理;下部為砂卵(礫)石層。分布于長江及其主要支流河谷的二、三級階地上,具體分布于西壩、長江左岸肖家崗、宜昌火車站、金家臺—北山坡—市七中等地,以及白洋和善溪沖一帶。

堆積物一般不具二元結構,巖性為網紋粘土、粉質粘土或網紋粘土、粉質粘土夾多量卵(礫)石;局部具有二元結構,即下部為砂卵(礫)石,上部為網紋粘土。分布于長江河谷的四級階地及相當于四級階地高程的山頂及山坡上,具體分布于長江左岸鎮鏡山、窯灣、原東山寺、氣象臺、猇亭、白洋、顧家店一帶。

堆積物多為三層或多層結構,上部為灰白色粘土,具蟲孔構造;中部為棕黃,褐黃色粘土夾卵(礫)石或卵(礫)石夾粘土;下部為砂(卵)礫石層。分布于長江河谷的五級階地以及相當于五級階地高程的剝夷面上,具體分布于長江左岸葫蘆包、大梁子崗、猇亭張家灣和雞子山一帶。

1.2 第四系土體類別和物理力學特征

1.2.1 土體類別特征

宜昌市城區第四系沖積類型土體分布廣泛,展布于長江及其支流河谷各級階地上。其中河谷階地土體以沖積成因類型為主,由人工填土、粘土、粉質粘土、淤泥、粘土夾礫石、砂土、砂土夾礫石、礫石夾粘土、砂礫石、膠結礫石等構成。按其構成土體的土層數目可劃分為雙層型、三層型及多層型(四層及其以上)等3種類型,土體結構組合形式復雜。溝谷土體以沖—洪積成因類型為主,其土體結構類型主要為雙層型和三層型;各溝谷內土體組合形式不一,即使是同一條溝,其組合形式也不完全一致。

1.2.2 土體物理力學性質

宜昌市城區第四系土體粒度成分的變化具有以下特征:粘土以粉粒為主,次為粘粒,其中砂礫含量隨時代漸老而漸高,粉粒和粘粒含量均隨時代變老而漸低。粉質粘土含較多砂粒(一般都在30%以上),粒度隨時代變化的規律性很強,其中砂粒及粘粒含量均隨時代變老而漸低,粉粒含量則正好相反。

2 長江河道變遷分析

2.1 長江宜昌段階地發育分布情況

根據宜昌市城區第四系沖積物分布特征分析,長江宜昌段總體發育有五級階地,其中長江一、二級階地發育較完整,三、四、五級階地不甚發育,多被地表水系切割呈支離破碎。分析認為,大致以現宜昌市城區的東山大道為界,以南為長江一、二級階地堆積區,地勢寬闊平緩,地形稍有起伏,一、二級階地臺面高程分別為50～60 m、65～72 m,目前城區沿江已形成一條狹長的城市建設區;東山大道以北為殘缺不全的長江三、四、五級階地及渾圓形低矮丘陵地形,地面高程一般80～130 m,以葫蘆包最高,山頂地面高程為156.60 m,殘缺不全的三、四、五級階地臺面高程分別為80～90 m、100～120 m、140～150 m。宜昌市城區長江階地(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表一、二、三、四、五級階地)的發育分布情況典型剖面見圖3。

表1 宜昌市城區長江階地土體承載力和壓縮模量建議參考值表Table 1 Suggested reference table of bearing capacity and compressive modulus of Yangtze River terrace soil in Yichang City

圖3 宜昌市城區長江階地展布特征典型剖面示意圖Fig.3 Typical profile characteristic of Changjiang River terrace distribution in Yichang City1.白堊系五龍組巖體;2.粘性土;3.砂礫石;4.粉—細砂;5.勘探鉆孔及編號;6.長江水位。

2.2 長江宜昌段河道變遷分析

宜昌南津關以上,長江流向為北西西—南東東,江面寬僅250～300 m,河谷狹窄,兩岸谷坡均由高幾十米以上的巖石陡崖組成。長江出南津關后,流向由近東急轉向南—南南西,至宜昌市城區鎮川門附近似喇叭狀向南南東方向展開;河床呈微彎曲的反“S”型蜿蜒南下,河床坡度變緩。長江在向左岸侵蝕和擺動過程中,堆積形成了黃草壩、西壩、葛洲壩三個江心島嶼,使長江河道在此分叉為大江、二江、三江共三股叉道,以及在葛洲壩—龍盤湖江段堆積形成諸如胭脂壩、虎牙灘等漫灘,河床呈不對稱“U”型、谷底寬闊且較平坦。由于長江不斷向右岸側蝕,致使右岸岸坡較陡且形成一系列的三角面山體(如磨基山等);而左岸則以堆積為主,形成了由五級階地組成的廣闊平坦、高差較小的河谷平原地貌。

根據宜昌市城區第四系長江堆積物的發育分布情況分析認為,該段長江河道自更新世以后,受地形和地質作用影響一直向右岸侵蝕擺動,其河勢形態及演變過程如圖4,河道變遷過程分析如下。

2.2.1 更新世長江宜昌段河道變遷分析

早、中更新世時期,長江宜昌城區段為一寬淺河流,江中無江心洲。河床最寬4 000 m左右,向下游河床漸窄,在楊岔路處河床寬2 000 m左右。以早更新世堆積物推測,當時長江出南津關后,河床忽然開闊,水流瞬時變緩,致使水流攜帶物質的能量在瞬時急劇減弱,因此堆積物質具有山麓相的特征。

早更新世末的喜山運動,地殼上升,長江下切同時向右岸擺動,于左岸形成五級階地。

中更新世時期,地殼處于相對穩定期,長江宜昌城區段以堆積、側蝕作用為主;中更新世末,地殼再次上升,長江下切并繼續向右岸擺動,同時形成四級階地。

晚更新世時期,地殼處于震蕩運動狀態,經歷了兩次上升及間歇停頓。

晚更新世初期,四級階地已完全形成,這時長江宜昌城區段仍為一寬淺河流,長江河道仍以堆積、側蝕作用為主。至晚更新世中期,地殼經歷了一次上升運動,使得長江下切且繼續向右岸擺動,于左岸形成三級階地。同時,在江心形成的基巖面高程為60～70 m,以樵湖嶺為中心,北至葛洲壩、經桃花嶺往南到市中心的江心洲基座,但該基座未露出水面,而是以暗礁的形式隱伏于江中。在此次下切期間,由于南津關地段的堅硬巖石受構造破壞的程度不一,從而產生不均勻下切現象;在南津關口的長江河床內形成挑流坎,并對其以后的河道變遷起到重要作用。三級階地形成后至二級階地黃色粘土堆積前,由于挑流坎的作用,改變了長江河水的流態,使其對江心暗礁式基座進行侵蝕和沖刷破壞,繼而形成了四江、三江河槽雛型。

圖4 宜昌市城區長江河道變遷分析圖Fig.4 Analysis chart of Changjiang River channel change in Yichang City1.現代河道岸邊線;2.全新世第二次河道變遷岸邊線;3.全新世第一次河道變遷岸邊線;4.晚更新世末河道岸邊線;5.中更新世末河道岸邊線;6.早更新世末河道岸邊線;7.早更新世初河道岸邊線;8.晚更新世時期江心暗礁式基座線;9.現代河道干流線;10.全新世時期河道第一次變遷后河道主流線;11.晚更新世末河道主流線;12.塊石帶;13.挑流坎。

晚更新世末(二級階地黃色粘土堆積后),地殼經歷了第二次上升運動,河床相對下切,致使江心暗礁式基座及其上覆的堆積物露出水面后形成二級階地。與此同時,由于挑流坎對長江主流的挑流作用,水流對四江、三江河槽雛型沖刷作用加強,使得四江、三江河槽向縱深方向不斷擴大和發展,將市中心的江心洲分為宜昌(樵湖嶺—桃花嶺)和西壩兩部分。并將長江水流分為三股,其一為四江水流,由鎮鏡山與樵湖嶺之間,經東湖、夷陵大道、鐵路壩至中醫院,河床寬僅150～250 m,為長江原主河床;其二為三江水流,為分流河槽;其三為現今的大江,其匯集紫陽溪后于西壩南端與三江水流匯合,并匯集卷橋河水流后、至宜昌市中醫院處與四江水流匯合成一股整體水流。

2.2.2 全新世長江宜昌段河道變遷分析

全新世時期,長江宜昌城區段主流河床有三次變遷。第一次變遷為主流河床由四江轉移到三江;第二次變遷為主流河床自三江轉移至大江同時開劈二江河床;第三次變遷為主流河床完全轉移至大江,大江河床逐漸成熟。本時期的三次變遷過程分析如下。

第一次變遷:全新世初,地殼緩慢上升,長江河道相對下切,在南津關口挑流坎的作用下,長江主流對三江河床沖刷作用強烈,致使三江河床向縱深方向不斷擴展,逐漸成熟為適應主流的河床。在這期間,由于地殼上升作用,南津關口挑流坎對四江的作用減弱,黃柏河水流及長江水流攜帶的物質堆積于四江河床內。在三江河床擴大成熟、四江河床不斷沉積的情況下,長江主流由四江轉移至三江,使三江成為主流河床,而四江河床荒廢,成為間歇性河床,即僅汛期起分流作用(與葛洲壩建壩前的二江、三江功能類似)。長江主流轉移至三江后,由于三江河床還未能完全適應主流,致使長江水流向左岸側蝕,擴大河床以適應主流,故在三江橋至土街頭一帶形成高10～20 m陡峻的凹岸曲線岸坡。

第二次變遷:三江不斷完善成為長江主流河床后,由于地殼上升、河床下切,南津關峽谷段形成了不穩定的高陡岸坡。在自然(動力)地質作用下,高陡岸坡產生暴發性的大型巖崩,而巖崩塊石被湍急的長江水流所攜帶,出南津關口后,由于河床忽然開闊,長江水流由湍急而變緩,水流攜帶物質的能量大大減弱;巖崩塊石大量堆積于三江河床內,從而形成三江大塊石堆積帶,繼而將三江主流河床淤積堵死,致使長江急流逐漸轉移到大江。大江河床為了適應突如其來的主流,猛向兩岸側蝕沖刷,以擴大河床來適應主流,致使兩岸基巖岸坡產生強烈坍塌破壞;于是在西壩右岸(即葛洲壩建壩前的二江左岸)形成了高達15 m的弧形基巖陡壁和巨型塊石堆,同時開劈了二江河床。

長江主流轉移到大江后,地殼運動短時停頓,支流黃柏河水流沖卸下來的大量砂卵石沒有足夠的水流能量將固體物質帶走,只能在河口堆積并形成沖積扇,隨后逐步擴展并與三江大塊石堆積帶相連,將三江完全堵死,最終致其變為間歇性河床;這時,三江兩岸的第一階地逐漸形成,使得三江河床變窄,而四江河床則徹底荒廢。至此,樵湖嶺—桃花嶺完全脫離江心洲,同時在現今城區東湖一帶仍保存有一些小湖泊,東湖也由此得名。

第三次變遷:大江主流河床逐漸完善,地殼又開始緩慢上升,而河床相對下切,南津關口河床-40 m深槽開始形成,其左側岸坡陡壁走向由南東轉向正南;水流對主流河床臨江岸坡進行強烈地挑流沖刷,使其向下深切形成大江河床及串珠狀淺槽(最低標高5 m),并致使主流河床移至現今大江的位置。這時,二江河床也逐漸荒廢,葛洲壩第一級階地和高漫灘、黃草壩高漫灘逐漸形成。

3 結語

宜昌市城區處于長江西陵峽出口地帶,屬鄂西黃陵山地與江漢平原的過渡地帶。宜昌市城區第四系土體分布范圍較大且較集中,主要為長江階地沖積物,總體發育有五級階地。分析研究認為,宜昌市城區第四系發育分布和物質成分的差異性,主要與長江河道變遷相關且呈對應關系。第四紀是與人類的產生和發展密切相關的地質時期,本文對后期研究長江宜昌段演變歷史,以及宜昌市城區規劃、防洪工程建設[2]和城市開發建設均有一定的指導意義。