貴州烏當(dāng)盆地階地漫灘沉積特征及其古環(huán)境意義

摘要：階地是水系變遷保留下來(lái)的階梯狀地貌，對(duì)區(qū)域河流系統(tǒng)和地貌演化具有重要指示意義。利用激光粒度分析法和掃描電鏡（SEM）觀測(cè)，研究了貴州烏當(dāng)盆地階地漫灘相沉積物的沉積特征。激光粒度分析顯示：烏當(dāng)盆地階地漫灘沉積物分選性差，平均粒度隨階地由老到新增大，具有由動(dòng)力較弱的河湖相沉積向典型河流相沉積的演化過(guò)程；SEM觀測(cè)顯示：階地中碎屑形貌特征相似，石英磨圓差，沉積物具有山區(qū)河流近源沉積特征。結(jié)合光釋光（OSL）測(cè)年結(jié)果，推測(cè)烏當(dāng)盆地階地的發(fā)育主要受構(gòu)造抬升控制，盆地在多級(jí)階地的夷平作用下，由水流分散的山間洼地逐步演化為河流發(fā)育成熟的山間盆地。

關(guān)鍵詞：烏當(dāng)盆地；河流階地；激光粒度分析；SEM分析；沉積環(huán)境

基金項(xiàng)目：貴州省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合支撐[2019]2852號(hào)）；貴州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910657112）；貴州大學(xué)“SRT計(jì)劃”項(xiàng)目（[2019]462號(hào)）。

階地是河流地貌的重要組成部分，其發(fā)育和演化記錄了區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候變化及水系演變等諸多歷史信息，是研究流域古環(huán)境和地貌演化的理想載體[1]。河流階地沉積物一般具有二元結(jié)構(gòu)，下部礫石層代表了河流演化初期強(qiáng)烈的水流沖刷作用，通過(guò)礫組統(tǒng)計(jì)可反推古河流流速、流向、并流、襲奪等演化信息[2]。上部漫灘相沉積物是河流較穩(wěn)定階段的產(chǎn)物，其成分、結(jié)構(gòu)、形貌等特征對(duì)河流沉積物物源、水動(dòng)力及區(qū)域古氣候等具有指示意義[3，4]。因此，階地沉積特征研究是重建區(qū)域古環(huán)境和地貌演化過(guò)程的重要手段。

河流階地是貴州高原最重要的層狀地貌之一，但由于區(qū)域氣候溫暖多雨，地表風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈，沉積物保存較差，導(dǎo)致以往的報(bào)道多以空間分布、發(fā)育規(guī)模、級(jí)序組合等宏觀、定性描述為主，對(duì)階地沉積特征和時(shí)代的定量研究則鮮見(jiàn)報(bào)道[5、6]。黔中烏當(dāng)盆地中工程建設(shè)新揭露的四級(jí)河流階地級(jí)次清晰，沉積物保存較好，對(duì)區(qū)域山地地貌及古環(huán)境演化具有指示意義。此前，林樹(shù)基等通過(guò)階地礫石形態(tài)特征分析，認(rèn)為貴州河流階地的形成與多期冰期活動(dòng)有關(guān)，并依此劃分了平壩冰期、龍?zhí)翜媳凇⒒菟凇⒊嗤帘诘榷鄠€(gè)冰期[7]。近來(lái)，蔣璽等通過(guò)烏當(dāng)盆地階地沉積物的礫組統(tǒng)計(jì)、粒度分析、光釋光（OSL）測(cè)年等，重構(gòu)了盆地的演化過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)MIS5間冰期的暖濕氣候?qū)ε璧匦纬删哂嘘P(guān)鍵的沉積夷平作用[8]。本文在前期工作基礎(chǔ)上，利用沉積物激光粒度分析和掃描電鏡（SEM）觀測(cè)，定量研究烏當(dāng)盆地階地漫灘相沉積物粒度分布和碎屑形貌特征，以此綜合探討階地沉積的古環(huán)境和古氣候及盆地演化。

1.地質(zhì)背景及實(shí)驗(yàn)方法

1.1烏當(dāng)盆地及階地概況

烏當(dāng)盆地位于苗嶺山脈北側(cè)，為一小型喀斯特山間盆地。區(qū)域水系屬烏江支流清水河上游南明河流域。盆地底部平坦，最低海拔約996m，相對(duì)高差約350m，T1和T2階地在盆地中形成清晰的兩級(jí)平臺(tái)（圖1a）。烏當(dāng)盆地所處區(qū)域是貴州省最重要的地學(xué)野外教學(xué)實(shí)踐基地，近東西向的多組斷裂形成自南向北的逆沖推覆構(gòu)造，出露地層從寒武系到第四系，巖石類型以碳酸鹽巖、碎屑巖、泥質(zhì)巖為主（圖1b）。

盆地內(nèi)四級(jí)河流階地均為基座階地，基底由白堊系雜色礫巖、紫紅色泥質(zhì)粉砂巖等組成。T4階地剖面（DW-T4）頂面海拔1053m，沉積物厚約10m，分4個(gè)沉積層。下部礫石層由礫徑和排列特征分3層（DW-T4-1、DW-T4-2、DWT4-3），上部為厚約1.7m的漫灘相沉積層（DW-T4-4）（圖2a）。T3階地主要分布于盆地邊緣，海拔1030m～1035m，沉積物多剝蝕殆盡，僅在洛灣磚廠處見(jiàn)少量沉積物，以混雜的礫石和砂泥質(zhì)為主（LW-T3）（圖2b）。盆地內(nèi)T2階地可見(jiàn)多個(gè)階地剖面。本次開(kāi)展了冷庫(kù)剖面（LK-T2）和漁洞峽剖面（YDX-T2）的沉積特征研究。LK-T2階地面海拔約1016m，見(jiàn)4個(gè)沉積層。最下部為河床礫石層（LK-T2-1）（圖2c），其上為漫灘相砂泥質(zhì)層（LK-T2-2），厚度4.2m；之上為角礫狀礫石層（LK-T2-3）；最頂部砂泥質(zhì)層（LK-T2-4）受剝蝕影響殘留厚度0.3m～1.5m（圖2d）。YDX-T2剖面海拔約1018m，下部礫石層（YDX-T2-1）以棱角狀礫石為主；上部漫灘相砂泥質(zhì)層（YDX-T2-2）厚度約2.3m（圖2e）。盆地T1階地海拔約1000m。剖面（LW-T1）下部礫石層（LWT1-1）未見(jiàn)底，上部漫灘相砂泥質(zhì)層（LW-T1-2）厚度1.7m（圖2f）。烏當(dāng)盆地階地分層及礫石組合特征詳見(jiàn)蔣璽等[8]。

1.2采樣及實(shí)驗(yàn)

階地漫灘相沉積物樣品以高10cm連續(xù)采集。首先，選擇層理清晰的區(qū)域剝?nèi)ケ韺?0cm以上，以高10cm、寬約6cm、深約10cm由頂?shù)降走B續(xù)挖取新鮮樣品。然后將樣品充分混合取約50g備用作粒度分析。由于區(qū)域T3階地沉積物少且保存極不完整，未開(kāi)展采樣和分析測(cè)試工作。

粒度分析實(shí)驗(yàn)在貴州大學(xué)喀斯特地區(qū)礦產(chǎn)資源高效利用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室完成，分析設(shè)備為Beckman Coulter LS 13320型激光粒度儀，測(cè)量范圍為0.375μm～ 2000μm。由于樣品為未固結(jié)的砂泥質(zhì)沉積物，未見(jiàn)明顯的自生礦物，因此粒度分析前只對(duì)樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理[9]。具體步驟為：①稱取10g樣品烘干后過(guò)10目樣品篩，取0.5g篩后樣品；②滴加濃度10%的H2O2溶液，在恒溫電熱板上加熱至溶液不冒泡去除有機(jī)質(zhì)；③加入去離子水40ml持續(xù)煮1h～2h，冷卻后用超聲波清洗機(jī)振蕩10min；④靜置樣品24h后抽去上清液，最后攪拌樣品溶液后上機(jī)測(cè)試。

石英是各類沉積物中最穩(wěn)定的組分，其形貌和表面特征對(duì)搬運(yùn)介質(zhì)和動(dòng)力具有指示意義。因此在粒度分析基礎(chǔ)上，又對(duì)代表性樣品開(kāi)展了石英碎屑掃描電鏡（SEM）微形貌分析。研究表明：粒徑介于0.125mm～0.500mm之間的石英顆粒是不同成因沉積物中最活躍的組分，能較全面記錄搬運(yùn)和沉積信息[10]。因此，SEM樣品制備按如下步驟進(jìn)行：①取適量烘干樣品分別過(guò)30目和120目篩，取120目篩上樣品約5g；②加入濃度20%的HCl溶液浸泡8h～12h去除少量碳酸鹽礦物；③加入20%的H2O2溶液浸泡8h～12h去除有機(jī)質(zhì)；④雙目鏡下挑取干凈的石英砂備作SEM樣品。SEM觀測(cè)在貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心完成，儀器為COXEM公司EM-30 Plus型臺(tái)式掃描電子顯微鏡。

2.結(jié)果分析

2.1沉積物粒度特征

根據(jù)粒度分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用伍登—溫特華斯φ粒徑標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)樣品中各類沉積物的百分含量，其中>8φ為黏土質(zhì)，4φ～8φ為粉砂質(zhì)，<4φ為砂質(zhì)。并根據(jù)Folk-Ward公式計(jì)算沉積物樣品的平均粒徑、分選系數(shù)、偏度及峰度等粒度參數(shù)[11]。

結(jié)果顯示，DW-T4階地沉積物以粉砂質(zhì)為主（圖3a），平均粒徑在4.16φ～6.22φ區(qū)間，粒徑隨深度變化較小。分選系數(shù)2左右，整體分選性較差—差。偏態(tài)范圍-0.10～0.36，頻率曲線既有正偏也有負(fù)偏，峰態(tài)0.70～1.12，整體為寬峰，表明沉積水動(dòng)力很弱。根據(jù)DW-T4沉積物頻率曲線多峰、寬峰特點(diǎn)（圖3b），且3個(gè)峰值主要位于3.7φ～4.3φ、5.3φ～ 6.5φ、8.5φ～9.5φ區(qū)間，具有湖相沉積特征[12]。

LK-T2階地漫灘沉積物以砂級(jí)為主（圖3a）。粒度分選系數(shù)在2左右，整體分選性較差—差。偏態(tài)系數(shù)整體>0，頻率曲線為正偏（粗偏），峰度系數(shù)1左右。頻率曲線具有極窄峰和寬峰，表明階地沉積時(shí)水動(dòng)力變化迅速，水流由弱變強(qiáng)再變?nèi)酰恿靼l(fā)育較快。在深度370cm～530cm段，頻率曲線由鞍狀寬峰向具有主峰值的寬峰變化，反映水動(dòng)力增強(qiáng)的沉積過(guò)程（圖3b）。在深度130cm～360cm段，頻率曲線以具細(xì)粒尾部的不對(duì)稱單峰曲線為主，與典型河流沉積物頻率曲線一致[12]。

YDX-T2階地沉積物以砂質(zhì)為主（圖3a）。平均粒度范圍3.11φ～5.88φ。分選系數(shù)2左右，整體分選性較差—差。粒度偏態(tài)系數(shù)>0，頻率曲線呈正偏（粗偏），峰度系數(shù)2左右，表明水動(dòng)力整體較弱。頻率曲線隨剖面深度減小逐漸由不對(duì)稱多峰、粗細(xì)粒波峰差異分明（圖3b），向不對(duì)稱多峰、粗細(xì)粒波峰高度逐漸一致的特征變化，反映沉積過(guò)程水動(dòng)力變?nèi)酰瑢?duì)應(yīng)沉積作用減弱，對(duì)沉積物改造不充分，細(xì)粒組分不斷沉積的過(guò)程。

LW-T1階地沉積物以砂質(zhì)為主且由底到頂呈增多趨勢(shì)（圖3a），平均粒度也在2.59φ～4.22φ范圍內(nèi)由底到頂呈增大趨勢(shì)。分選系數(shù)整體在2左右，分選性整體為較差—差。偏態(tài)系數(shù)>0，峰度系數(shù)1左右。沉積物頻率曲線為正偏（粗偏），且隨沉積物粒度增大，峰度系數(shù)逐步>1，表明河流發(fā)育逐漸成熟。LW-T1沉積物頻率曲線主要呈兩種形式，自底到頂由較寬峰向較窄峰轉(zhuǎn)變。在深度150cm～220cm區(qū)間沉積物粒度較小，頻率曲線較寬，由波峰向細(xì)粒尾部過(guò)渡，表明此時(shí)水動(dòng)力相對(duì)較弱。在60cm～140cm深度區(qū)間，沉積物頻率曲線寬度較窄，細(xì)粒尾部明顯波狀起伏，水動(dòng)力較強(qiáng)，呈現(xiàn)典型的河流相沉積特征（圖3b）。

粒度分析表明：烏當(dāng)盆地階地漫灘沉積物整體分選性較差，階地從老到新平均粒徑呈逐漸變大趨勢(shì)。T4階地沉積物具有湖相沉積特征，T2階地不同剖面也顯示出沉積特征差異，但總體表現(xiàn)為由分散水流逐漸匯聚向典型河流發(fā)育的過(guò)程；T1階地沉積特征反映了河流發(fā)育的逐漸成熟。

2.2石英碎屑表面形貌特征

根據(jù)粒度分析結(jié)果，選擇不同粒度階段的樣品進(jìn)行石英碎屑SEM形貌觀測(cè)。根據(jù)SEM圖像，首先按棱角狀、次棱角狀、次圓狀、圓狀等劃分碎屑形態(tài)；然后參照謝又予[13]、王穎等[14]對(duì)石英碎屑表面結(jié)構(gòu)特征的識(shí)別及統(tǒng)計(jì)方法，將石英碎屑形貌分為機(jī)械成因特征和化學(xué)成因特征兩類。機(jī)械成因特征包括貝殼狀斷口、平行階、V形坑（痕）、三角形坑（痕）、擦痕、裂隙、刮痕線、直形或典型凹槽劃痕、不同類型的撞擊坑等；化學(xué)成因特征包括不同形態(tài)的SiO2沉淀，溶蝕孔、溶蝕溝、溶蝕裂隙等溶蝕作用痕跡，以及較少出現(xiàn)的定向化學(xué)溶蝕V痕等。統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）表明：

DW-T4沉積物中石英碎屑以棱角狀、次棱角狀和次圓狀為主（表1）。碎屑機(jī)械成因結(jié)構(gòu)以貝殼狀斷口、V形坑、裂隙、刮痕線等為主。顆粒表面見(jiàn)大貝殼狀斷口（圖4a）、刻蝕很深的劃痕（圖4a）、新月形撞擊坑（圖4b）等，表明顆粒遭受過(guò)強(qiáng)烈的磨蝕作用。化學(xué)成因結(jié)構(gòu)可以觀察到SiO2沉淀物如SiO2花（圖4c）、SiO2球等。

LK-T2階地石英顆粒總體以棱角狀、次棱角狀和次圓狀為主。4個(gè)樣品中LK-530磨圓度最好，次圓狀+圓狀顆粒達(dá)60%；LK-400最差，棱角狀+次棱角狀顆粒達(dá)82%。顆粒表面除常見(jiàn)的V形坑（痕）、貝殼狀斷口、擦痕、平行階等機(jī)械成因形貌外，部分次圓狀—圓狀顆粒具有碟形撞擊坑（圖4d），類似于風(fēng)成沉積物。化學(xué)成因上，具有定向性的化學(xué)溶蝕V痕、鱗剝（圖4e），以及顆粒溶蝕后呈蜂窩狀等形貌，表明沉積過(guò)程為溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境[14]。

YDX-T2中石英碎屑也以棱角狀和次棱角狀為主，表明多為近源沉積。機(jī)械成因形貌中最突出的是平直排列的擦痕（圖4f）和定向排列的V形痕及三角形坑（圖4g）。化學(xué)形貌有定向生長(zhǎng)的石英晶芽（圖4g）和SiO2球等。定向生長(zhǎng)晶體表明當(dāng)時(shí)水體環(huán)境較穩(wěn)定。YDX-130磨圓度相對(duì)較好，其貝殼狀斷口、平行階、V形撞擊坑等都比樣品YDX-270少，表明其沉積水動(dòng)力相對(duì)較弱，與粒度分析結(jié)果一致。

LW-T1階地2個(gè)樣品均以棱角狀和次棱角狀為主，表明基本為近源沉積。樣品LW-140棱角狀石英占38%，且部分顆粒保持了較完整的石英柱狀晶形（圖4h）。機(jī)械形貌以V形坑（痕）、貝殼狀斷口、平行階（圖4i）為主，表明沉積時(shí)水動(dòng)力強(qiáng)，具有典型的山區(qū)河流石英碎屑形貌特征。此外，樣品LW-70可見(jiàn)刻蝕較深的擦痕、較大的貝殼狀斷口等，也表明強(qiáng)烈的水流改造作用。化學(xué)成因上可觀測(cè)到強(qiáng)烈的表面溶蝕作用，部分石英已被溶蝕成蜂窩狀。

SEM觀測(cè)表明：烏當(dāng)盆地階地漫灘沉積物總體微形貌特征基本相似，石英顆粒磨圓度差，碎屑表面普遍具有機(jī)械撞擊形成的貝殼狀斷口、平行階、V形坑（痕）、裂隙等，顯示明顯的山區(qū)河流近源沉積特征。化學(xué)成因特征上，顆粒表面多見(jiàn)SiO2沉淀，同時(shí)石英溶蝕作用也十分明顯，部分顆粒已溶蝕為蜂窩狀，表明水體化學(xué)性質(zhì)活潑，階段性沉淀和溶蝕作用顯著。

3.討論

烏當(dāng)盆地地處貴州高原長(zhǎng)江水系和珠江水系分水嶺殘留的古老剝夷面上，林樹(shù)基根據(jù)盆地內(nèi)第四紀(jì)沉積物的水平層理等沉積特征，認(rèn)為其為湖相沉積[15]。同時(shí)結(jié)合階地礫石的形貌特征，認(rèn)為多級(jí)階地的形成與冰期氣候有關(guān)[7]。但本次粒度分析和SEM觀測(cè)顯示，烏當(dāng)盆地階地整體上以河流相沉積為主。雖然DW-T4剖面漫灘沉積物以粉砂、黏土等細(xì)粒沉積物為主，粒度曲線也顯示了寬峰、多峰的湖相沉積特征，但根據(jù)蔣璽等對(duì)DW-T4礫石層的礫組統(tǒng)計(jì)，階地礫石層呈定向、疊瓦狀排列，具有明顯的河流相沉積特征[8]。因此，推測(cè)T4階地沉積階段，烏當(dāng)盆地由于夷平程度低尚未形成穩(wěn)定河道，水流進(jìn)入盆地后迅速分散動(dòng)力降低，因而緩慢沉積了類似湖相的細(xì)粒沉積層。對(duì)于階地沉積是否與冰期氣候有關(guān)，我們認(rèn)為尚需進(jìn)一步做階地年代學(xué)的驗(yàn)證。因?yàn)殡m然T4階地石英碎屑具有深刻蝕、邊緣干凈的擦痕，以及大貝殼狀斷口等冰水沉積物表面特征[13，14]，但其也可能是山區(qū)河流沉積物強(qiáng)烈的磨蝕作用所致。

T2階地漫灘沉積物以砂質(zhì)為主，粒度頻率曲線由河湖相多峰、寬峰向典型的河流相不對(duì)稱單峰特征轉(zhuǎn)變，說(shuō)明河流發(fā)育快，對(duì)地形改造作用強(qiáng)烈。根據(jù)OSL測(cè)年，T2階地沉積時(shí)代從177.4ka持續(xù)到87.6ka[8]，表明其沉積過(guò)程明顯受溫暖濕潤(rùn)的末次間冰期（MIS5，125ka～75ka）氣候影響。T1階地沉積物平均粒度最大，成分以砂質(zhì)為主，粒度頻率曲線以不對(duì)稱單峰為主，表明此時(shí)河流已發(fā)育成熟；OSL測(cè)年顯示沉積時(shí)代約25ka[8]，處于氣候寒冷的MIS2（28ka～11ka）早期。因而，從上述T1和T2階地的沉積時(shí)代看，烏當(dāng)盆地階地與冰期氣候并無(wú)必然的成因聯(lián)系，階地發(fā)育更多受構(gòu)造抬升控制。

4.結(jié)論

通過(guò)激光粒度分析和SEM觀測(cè)，研究了黔中烏當(dāng)盆地多級(jí)階地漫灘相沉積物的沉積特征。粒度分析顯示，階地漫灘相沉積物隨階地由老到新平均粒度逐漸變大，沉積特征由動(dòng)力較弱的河湖相沉積到典型的河流相沉積演化。SEM觀測(cè)表明各級(jí)階地沉積物總體微形貌基本相似，石英碎屑磨圓差，山區(qū)河流的貝殼狀斷口、V形坑（痕）等顆粒機(jī)械特征顯著。石英表面化學(xué)特征明顯，既有豐富的SiO2沉淀，又有大量的表面溶蝕作用，表明階地沉積時(shí)水體具有較強(qiáng)的化學(xué)活性。OSL測(cè)年顯示，T2階地多沉積于溫暖濕潤(rùn)的MIS5間冰期，T1階地形成則處于氣候寒冷的MIS2末次冰盛期。由此推測(cè)階地的發(fā)育應(yīng)主要受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，與冰期氣候無(wú)必然聯(lián)系。階地沉積特征指示了烏當(dāng)盆地在構(gòu)造抬升作用下，由T4階段水流分散的山間洼地，經(jīng)T3階段強(qiáng)烈的沖刷剝蝕，到T2階段穩(wěn)定河流發(fā)育，沉積夷平形成盆地地貌，再到T1階段河流發(fā)育成熟，盆地最終定型的演化過(guò)程。

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