上海地區(qū)上更新統(tǒng)“暗綠色硬土層”沉積環(huán)境及其地質(zhì)成因探討

孫文良

(上海京海工程技術(shù)有限公司，上海 200137)

上海地區(qū)“暗綠色硬土層”指埋深15～40 m、結(jié)構(gòu)致密、質(zhì)地堅硬、含水量低的粉質(zhì)黏土層(工程地質(zhì)⑤4層、⑥層)，因其工程地質(zhì)性質(zhì)較為特殊，常作為標(biāo)志層[1]。近年來大量的工程地質(zhì)鉆探成果表明，“暗綠色硬土層”的埋深整體上從西南到東北逐漸加深，在南中環(huán)—東外環(huán)區(qū)域、崇明島一帶及局部零星區(qū)域缺失[2]。“暗綠色硬土層”成因主要有“水成說”[1，3-5]和“風(fēng)成說”[6]兩種觀點，目前尚未定論，普遍認為其缺失原因為后期受古河流沖刷切割所致。本文從“暗綠色硬土層”的基本特征及分布規(guī)律入手，結(jié)合最新的第四紀氣候研究成果等資料，試圖還原晚更新世上海地區(qū)所處的沉積環(huán)境，分析探討“暗綠色硬土層”的成因及缺失原因。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

上海地區(qū)大地構(gòu)造屬揚子準地臺浙西—皖南臺褶帶和揚子臺褶帶的北東延伸部分，在地質(zhì)歷史時期總體表現(xiàn)為隆升狀態(tài)，構(gòu)造變動以斷裂為主。本區(qū)橫跨中朝斷塊區(qū)、揚子斷塊區(qū)、華南褶皺系三個大地構(gòu)造單元，中朝斷塊區(qū)位于本區(qū)西北角，基底屬太古界—古元古界，成陸時間較早，沉積蓋層為北方型震旦系—新生界地層；揚子斷塊區(qū)基底為晉寧期淺變質(zhì)巖系，沉積蓋層為華南型震旦系—新生界地層；華南褶皺系基底由前震旦系建甌群、陳蔡群巨厚的淺變質(zhì)巖系組成，沉積蓋層為厚達數(shù)千米的侏羅紀、白堊紀火山碎屑沉積。

本區(qū)新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為大范圍差異性隆升與沉降、巖漿活動、地震活動及其誘發(fā)的斷裂活動。新近紀以來，構(gòu)造運動從塊斷差異性升降逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇竺娣e升降。上海地區(qū)的古土壤、古海堤、泥炭層埋深及有關(guān)資料表明，現(xiàn)代地殼運動仍表現(xiàn)為繼承性下沉。上海地區(qū)處于長江三角洲徐緩沉降區(qū)內(nèi)，地殼沉降緩慢而穩(wěn)定，年沉降速率平均為0.06～0.15 mm。

在上海地區(qū)，松江區(qū)的西北部存在剝蝕殘丘，青浦區(qū)、金山區(qū)也有少量基巖出露，主要為燕山期晚侏羅世中酸性火山熔巖，巖性以紫紅色、灰綠色、灰黑色安山巖和安山玢巖為主。除此之外，上海地區(qū)地表廣為第四系所覆蓋[7]。

2 “暗綠色硬土層”基本特征

以《巖土工程勘察規(guī)范》(DGJ08—37—2012)[8]為基礎(chǔ)，結(jié)合近年的相關(guān)研究成果，總結(jié)歸納了上海地區(qū)“暗綠色硬土層”及上下接觸地層的分布規(guī)律、孢粉組合、氣候變遷和海平面變化特征，具體如表1所示。

表1 “暗綠色硬土層”及上下接觸地層的基本特征Table 1 Basic characteristics of “dark-green stiff clay layer” and upper and lower contact strata

“暗綠色硬土層”巖性為暗綠色—草黃色粉質(zhì)黏土，含氧化鐵斑點，說明其形成于水動力條件較弱的氧化環(huán)境。其分布范圍廣泛，僅在部分古河道區(qū)域缺失，在整個長江三角洲范圍內(nèi)埋深3～40 m，總體上形成由西向東的斜坡，西部埋深較淺，東部埋深較深，尤以東部古河道附近埋深最大[12](圖1)。其下伏地層為較密實的粉性土和砂性土，上覆地層以軟弱黏性土為主，夾有粉性土。“暗綠色硬土層”中孢粉化石整體較貧乏，喜冷耐干旱的植被孢粉化石濃度明顯增加，反映當(dāng)時的氣候環(huán)境為涼冷干燥。光釋年和14C測年數(shù)據(jù)表明，“暗綠色硬土層”形成于16.23～10.10 ka BP，為末次冰期冰消期、新仙女木(YD)冰進期的產(chǎn)物，因此工程地質(zhì)⑤4層、⑥層同屬晚更新世沉積物，⑤4層并非形成于全新世。工程地質(zhì)界研究認為⑤4層埋深一般大于⑥層，且形成年代晚于⑥層。

圖1 長江三角洲區(qū)域“暗綠色硬土層”分布剖面圖(據(jù)參考文獻[2]修改)Fig.1 Distribution profile of “dark-green stiff clay layer” in Yangtze River Delta

“暗綠色硬土層”因其特殊的顏色和特有的工程地質(zhì)性質(zhì)，長期以來一直是工程地質(zhì)界的研究重點，通過大量的工程地質(zhì)鉆探資料，前人總結(jié)了“暗綠色硬土層”的一些基本工程地質(zhì)特征(表2)。從表2中可以看出⑤4層和⑥層的物理力學(xué)性質(zhì)非常相似，均表現(xiàn)為天然含水量低、孔隙比小、中等壓縮性、剪切波速偏高等特征，為超固結(jié)土。

表2 “暗綠色硬土層”工程地質(zhì)特征參數(shù)Table 2 Engineering geological characteristics of “dark-green stiff clay layer”

3 晚更新世氣候變化特征

趙井東等[13]通過對比第四紀冰期與深海氧同位素階段(MIS)的關(guān)系，將晚更新世冰期劃分為五個階段，分別為末次冰期早冰階、MIS3特殊時段、末次冰期最盛期、末次冰期冰消期、YD冰進期。末次冰期早冰階對應(yīng)的年代為75～58 ka BP，氣候冷干；MIS3特殊時段對應(yīng)的年代為58～24 ka BP，為冰期內(nèi)的弱暖期，分為MIS3c、MIS3b與MIS3a三個階段[14]，其中MIS3c和MIS3a階段氣候溫暖潮濕，而MIS3b階段氣候冷濕，發(fā)生大規(guī)模冰進，其規(guī)模甚至大于末次冰期最盛期；末次冰期最盛期對應(yīng)的年代為24 ～18 ka BP，氣候涼冷干燥，海平面大幅下降；末次冰期冰消期對應(yīng)的年代為18～12.2 ka BP，全球升溫冰退，海平面升高；YD冰進事件出現(xiàn)于12.2～10.9 ka BP，氣溫急劇降溫，海平面下降。

長江三角洲地區(qū)屬于氣候變化敏感區(qū)，氣候變遷導(dǎo)致海平面升降，致使長江三角洲沉積環(huán)境發(fā)生顯著變化，在地層的顏色、巖性、古生物等方面留下印記[10]。末次間冰期氣溫升高，發(fā)生了太湖海侵，其強度較弱，僅影響了長江三角洲的東部區(qū)域。隨后進入末次冰期早冰階，氣溫驟降，彼時海平面相對于現(xiàn)今海平面下降約80 m[15]。MIS3階段氣溫升高，發(fā)生了滆湖海侵，其范圍波及整個長江三角洲區(qū)域，MIS3c階段主要為溺谷相、濱海相沉積，MIS3a階段主要為淺海相沉積，彼時現(xiàn)今上海浦東區(qū)域水深約30 m，向西漸變?yōu)闉I海相、河口相沉積。然后進入末次冰期最盛期，氣溫驟降，海平面迅速下降，海平面相對于現(xiàn)今海平面最多下降約140 m[15]。其后進入末次冰期冰消期，氣溫升高，海平面逐漸回升，直至發(fā)生YD突冷事件，海平面再次下降，長江三角洲東部區(qū)域局部出露地表。YD突冷事件后，自全新世早期開始發(fā)生鎮(zhèn)江海侵，海平面逐漸上升，至7 ka BP海平面與現(xiàn)今海平面相當(dāng)，長江三角洲除西部古地面較高區(qū)域外，其他區(qū)域均處于淺海—濱海相。

表3 晚更新世冰期劃分表(據(jù)趙井東等[13]修改)Table 3 Division table of Late Pleistocene glaciation

4 “暗綠色硬土層”的沉積環(huán)境及缺失原因

自20世紀80年代以來，諸多學(xué)者對上海地區(qū)“暗綠色硬土層”的成因進行了探討，主要存在兩種不同的觀點。一種觀點為“水成說”[1,3-5]，認為⑥層早期為湖泊—濱海沼澤相沉積，后期逐漸出露地表，經(jīng)長期脫水固結(jié)而成；對于⑤4層，孫永福[1]認為局部地區(qū)的⑥層受古河道沖刷下切影響，開裂、坍塌、滑坡至古河道河床，從而形成⑤4層，即⑥層的“次生硬土層”；邱金波等[4]則認為“暗綠色硬土層”在缺失區(qū)兩側(cè)呈下切、錯位分布(圖2)，⑤4層是在古河流下切侵蝕的相對停滯階段，形成于河流內(nèi)疊階地上的泛濫湖泊、廢棄河道之類的陸相堆積。另一種觀點為“風(fēng)成說”[6]，認為“暗綠色硬土層”最初為風(fēng)成堆積而成，經(jīng)過長時間的風(fēng)化、淋濾、固結(jié)等古土壤化作用，最終形成了結(jié)構(gòu)致密的褐黃色硬質(zhì)黏性土層；后期氣溫回暖，海平面上升，富含有機質(zhì)的海相沉積物覆蓋于褐黃色黏性土之上，在可溶性有機質(zhì)強烈分解和厭氧細菌作用下，原先的褐黃色被還原為暗綠色。

圖2 上海地鐵二號線市區(qū)段地質(zhì)剖面圖(據(jù)邱金波等[5])Fig.2 Geological section in Shanghai urban area of the second underground

雖然“暗綠色硬土層”成因尚無定論，但目前工程地質(zhì)界達成了以下共識：①“暗綠色硬土層”形成于17～10 ka BP，時代屬晚更新世，彼時全球進入末次冰期，其可作為上更新統(tǒng)沉積地層的標(biāo)志層；②“暗綠色硬土層”形成于陸相還原環(huán)境，長期暴露于地表致其固結(jié)硬化；③自“暗綠色硬土層”形成之后(10 ka BP)，全球進入冰后期，氣溫回暖，海平面普遍上升，上海現(xiàn)今陸域大部分被海水淹沒，沉積了一套厚20～30 m的海相松散沉積物。

根據(jù)大量工程地質(zhì)鉆探資料繪制的上海市區(qū)“暗綠色硬土層”分布圖[8](圖3)顯示，“暗綠色硬土層”分布廣泛，層頂埋深變化較大；缺失區(qū)主要分布于南中環(huán)區(qū)域，形態(tài)呈條帶狀，寬度達3.5 km，主缺失條帶兩側(cè)有分枝缺失條帶向外延伸，符合三角洲相辮狀河及其支流的河谷平面特征。因此長期以來，工程地質(zhì)界認為“暗綠色硬土層”缺失區(qū)可代表全新世海侵前的古河谷形態(tài)。

如圖3所示位置，切出A-A′、B-B′ 2條垂直古河谷的橫剖面(圖4-圖5)，可以看出“暗綠色硬土層”的厚度整體上較穩(wěn)定，一般為3～5 m；層頂埋深差距較大，形成3個臺階，埋深分別為27 m、40 m、48 m，呈階梯狀錯斷分布。第一、二臺階分布于古河谷兩側(cè)，前者分布范圍廣泛，后者分布范圍較小；第三臺階則分布于河谷中央或一側(cè)，分布范圍有限。缺失區(qū)內(nèi)充填沉積物以粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土為主。

圖3 上海市區(qū)“暗綠色硬土層”分布圖(據(jù)參考文獻[8]修改)Fig.3 Distribution map of “dark-green stiff clay layer” in Shanghai urban area

圖5 全新世海侵前古河谷B-B′斷面(圖例同圖4)Fig.5 B-B′ section of fossil river course before the Holocene transgression

晚更新世以來，上海地區(qū)構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定，沉積環(huán)境主要受海平面變化控制[4]，而氣候變遷是影響海平面變化的主要因素。“暗綠色硬土層”的分布規(guī)律顯示其明顯受古河流控制，再結(jié)合最新的第四紀冰期研究成果和測年數(shù)據(jù)，筆者更傾向于“水成說”成因。“暗綠色硬土層”的形成過程可概括如下：

(1) 約35～24 ka BP，全球進入MIS3晚期，氣候溫暖潮濕，海平面上升。彼時上海地區(qū)長期處于濱海相、河口三角洲相，在水動力條件較強的環(huán)境下沉積了粒度稍粗的粉砂、粉土，即⑦層。

(2) 約24～18 ka BP，全球進入末次冰期最盛期，氣溫比現(xiàn)代低6～9℃，海平面大幅度下降，河流規(guī)模縮小。但由于海平面降低，河流水動力條件加強，導(dǎo)致河床發(fā)生強烈的溯源侵蝕。彼時現(xiàn)今上海陸域區(qū)域以河谷侵蝕為主，古河流平面形態(tài)如圖3網(wǎng)格區(qū)域所示，古河谷剖面如圖4、圖5中紅色古河谷線所示。

(3) 約18～12.2 ka BP，全球進入末次冰期冰消期，氣候逐漸回暖，海平面上升。彼時上海地區(qū)處于廣泛的洪泛平原區(qū)，枯水季節(jié)和洪水季節(jié)交替出現(xiàn)，現(xiàn)今上海陸域區(qū)域以沉積環(huán)境為主，枯水位時多級階地均出露地表，河漫灘經(jīng)歷多次反復(fù)沉積，形成了厚度約3～7 m的黏性土層，即⑥層。

(4) 約12.2～10.9 ka BP，發(fā)生YD突冷事件，氣溫急劇降低12℃，海平面驟降，河流規(guī)模縮小，但水動力條件強勁。彼時現(xiàn)今上海陸域區(qū)域以侵蝕環(huán)境為主，河谷進一步加深，古河谷剖面如圖4、圖5中藍色古河谷線所示。早期仍殘留在河流內(nèi)疊階地上的泛濫湖泊、牛軛湖處于沉積環(huán)境，在湖底形成了厚2～5 m的黏性土層，即⑤4層。后期部分⑤4層與⑥層均出露地表經(jīng)歷固結(jié)硬化過程，形成“暗綠色硬土層”。

(5) 約10.9～10.8 ka BP，又急劇升溫4.5℃[16]，末次冰期結(jié)束轉(zhuǎn)入全新世，全球進入冰后期，海平面持續(xù)上升，上海地區(qū)大部分被海水淹沒。

末次冰期冰消期，古河流河漫灘相堆積了具備形成硬土層條件的黏性土層(⑥層)，而河床相主要堆積了粒度稍粗的粉性土(⑦層)，此時河床區(qū)域未沉積黏性土層(⑥層)。YD冰進期，河流規(guī)模縮小并發(fā)生河切，原河床區(qū)域部分出露地表，形成牛軛湖、殘留湖泊。彼時牛軛湖、殘留湖泊湖底堆積了軟黏性土，一部分牛軛湖、殘留湖泊后期出露干涸，軟黏性土出露地表固結(jié)硬化形成⑤4層；另一部分牛軛湖、殘留湖泊直到全新世海侵時期也未能出露地表，湖底軟黏性土未能經(jīng)歷固結(jié)硬化過程，工程地質(zhì)界將其劃入⑤3層底部(圖6)。由此來看，“暗綠色硬土層”的缺失并非成形的硬土層遭受古河流沖刷侵蝕切割導(dǎo)致的，而是YD冰進之前未能沉積形成黏性土層，或者是YD冰進期間沉積形成的黏性土層未出露地表經(jīng)歷硬化固結(jié)過程。

圖6 “暗綠色硬土層”零星缺失斷面Fig.6 Sporadic missing section of “dark-green stiff clay layer”

5 結(jié)論

(1) 上海地區(qū)“暗綠色硬土層”由工程地質(zhì)⑤4層、⑥層組成，形成于晚更新世末期的末次冰期冰消期和YD冰進期，平面分布受古河道控制，頂板埋深3～40 m，總體上形成由西向東的斜坡，與古地形吻合度較高。

(2) 末次冰期冰消期，上海地區(qū)處于洪泛平原區(qū)，古河流河漫灘階地上反復(fù)沉積形成黏性土層(⑥層)；YD冰進期，上海地區(qū)處于侵蝕環(huán)境，古河流出露形成的殘留泛濫湖泊、牛軛湖中沉積形成黏性土層(⑤4層)；后期⑥層與部分⑤4層出露地表，經(jīng)歷固結(jié)硬化過程，最終形成“暗綠色硬土層”。

(3) “暗綠色硬土層”的缺失并非成形的硬土層遭受古河流沖刷改造導(dǎo)致的，而是YD冰進之前未能沉積形成黏性土層，或者是YD冰進期間沉積形成的黏性土層未出露地表經(jīng)歷硬化固結(jié)過程。