湘江衡陽段河漫灘沉積物粒度特征及其環境意義

熊平生，劉 亮，張楚楚，郝麗婷

(衡陽師范學院地理與旅游學院，湖南衡陽 421002)

0 引言

河漫灘沉積物是洪水時期形成的河流沉積，是河流地貌重要地質體.河漫灘沉積與環境作為一個跨學科的研究熱點，在全球變化的相關領域受到極大關注[1].國內有關河漫灘沉積物的研究主要集中在如下幾個方面：河漫灘沉積與洪水事件[2-3]、河漫灘沉積物與物源分析[4-5]、河漫灘沉積與流域環境污染[6-7]、古洪水沉積與氣候變化[8].隨著科學技術手段的進步，多學科交叉研究河漫灘的重要性越來越凸顯.但是目前依然還存在一些問題：如河漫灘沉積洪水識別的代用指標存在分歧，需要進一步探索.此外，國內關于河漫灘沉積物的研究分布不平衡，目前主要集中在長江干流、黃河及其支流，我國南方一些重要河流河漫灘研究較為薄弱，尤其是河漫灘沉積與氣候變化關系的研究鮮有報道.湘江衡陽段多級河漫灘沉積物是研究湘江洪水演變的非常理想的材料，其保存蘊含著豐富的沉積時期的環境信息.基于AMS14C高精測年基礎上，通過對湘江衡陽段河漫灘剖面高密度采樣和粒度測定，有助于揭示其沉積時期的氣候變化，對重建了衡陽地區中全新世以來的氣候環境演化有重要意義.

1 研究區概況

圖1 剖面位置及研究區地質圖Fig.1 Location of profile and geological map of research region

衡陽市區位于湖南省中南部，湘江從西南向東北斜穿城區，蒸水和耒水在城北匯入湘江.區域內地質概況類似于新華夏系構造，白堊系與第三系紅色層略有斜度，第四系地層有明顯出露.吉祥剖面(JX)位于湘江和耒水交匯附近，地理坐標為112.644°E，26.915°N，海拔高度為26 m，研究區地質圖如圖1所示.研究區以第三系地層分布較廣，為陸相碎屑沉積巖，侏羅系、白堊系和二疊系和泥盆系的地層局部地區有出露.第四系地層分布在湘江及其支流蒸水、耒水河流兩岸，為洪積、沖積相沉積物.

2 研究剖面和方法

圖2 吉祥河漫灘剖 面地層及其年代分布Fig.2 Stratigraphy and ages of Jixiang floodplain sediments profile

2.1 研究剖面

采樣剖面位于湘江和耒水交匯附近，距離耒水大橋大約1km處的左岸的一級階地上，該剖面具有明顯的二元結構，剖面厚約183 cm.以2 cm為間隔距離，從上往下依次對該剖面進行較高密度采樣，共采集樣品91個.野外取回的樣品首先是自然晾干，然后剔除細根、塑料等雜物，在瑪瑙缽研磨過2 mm土篩.吉祥剖面(圖2)自上而下可以劃分為:A層(0～33 cm)：灰黑色砂質粘土，含有較多樹根狀有機質物質；B層(34～64 cm)：灰黑色粉沙質粘土與灰黑色砂質粘土，含少量樹根；C層(65～122 cm)：黑色略帶黃色粘土.D層(123～158 cm)：灰黑色夾黃色粉砂土，含少量粗根.E層(159～182 cm)：灰黑色夾黃色粘土，具有較好的水平層理結構.剖面底部:河床相礫石層，礫石磨圓度較高，主要有砂巖、石英巖和灰巖等，多數礫石直徑約為3～7 cm，粗大的礫石直徑可達20～50 cm.

2.2 研究方法

2.2.1 AMS14C測年 在吉祥剖面距離地表182 cm處取樣約10 g，用自封袋裝好帶回實驗室自然晾干，測年樣品命名為JX-C.樣品在美國Beta實驗室完成AMS14C測年，測年結果為(6 390±30) aBP，河漫灘剖面其余年代數據是根據內插方法得到.

2.2.2 粒度測試 從預先處理好的樣品中稱取土樣約0.1 g，將樣品倒入20 ml燒杯中，加入蒸餾水充分攪拌分散，靜止24 h，然后加入濃度為1%的六偏磷酸鈉溶液，再次靜止24 h，使得沉積物顆粒充分分散，利用馬爾文Masterizer-3000型激光粒度儀進行粒度測試，測試范圍0.01～3 500 μm，樣品自動重復測試三次取平均值，測試結果誤差低于1%.本研?值的換算公式：?=-log2D，其他的參數換算根據Fork公式[9].粒度測試工作皆在本單位第四紀實驗室完成.

3 結果與分析

3.1 JX剖面粒度分布特征

根據衡陽湘江河漫灘沉積物粒度分布(表1和圖3)可知.砂粒(>63 μm)平均含量為53.05%，占據首位，分布范圍為0～96.31%；粉砂粒(4～63 μm)平均含量為43.69%，分布范圍為0～100%；粗粉砂(10～50 μm)為0～96.31%，平均含量為27.11.69%；粘粒(<4 μm)平均為3.26%，分布范圍為0～4.55%.湘江河漫灘吉祥剖面砂粒和粉砂粒組分含量均較高，在各層次間有明顯波動變化，且變化趨勢相反.粘粒含量較低，整個剖面無明顯的層理變化，河漫灘粒度組合特征顯示，具有明顯的流水沖積相特征.

表1 吉祥剖面部分樣品粒度特征值Tab.1 Grain-size characteristic values of some samples in Jixiang profile

3.2 JX剖面粒度參數變化特征

圖3 吉祥剖面粒度分布曲線圖Fig.3 Distribution curves graph of grain-size in Jixiang profile

粒度參數分析可以用來判別沉積動力條件和沉積環境.如平均粒徑用來指示搬運介質的平均動能；分選系數表示顆粒大小的均勻程度，其值越小表示沉積物顆粒分選越好.偏度被用來反映粒度分布的不對稱程度；峰態用于衡量粒度頻率曲線尖銳程度[10].

由圖4可以知道，吉祥(JX)剖面平均粒徑值(Mz)分布范圍為-0.94～8.58 Φ，總平均值為3.74 Φ，說明河漫灘沉積物搬運介質平均動能較大.分選系數值分布范圍為-2.74～-0.16，總平均值為-1.55，說明河漫灘沉積物在流水搬運作用下，細顆粒物質被帶向河流下游地區，河漫灘沉積物的粒級范圍較窄，以粉砂粒和砂粒為主，粒度集中趨勢較好.偏度值分布范圍為-0.82～0.88，總平均值為-0.10.負偏為主，反映河漫灘沉積物以粗粒組分為主；峰態值分布范圍為0.32～2.13，總平均值為0.88，表明整個剖面峰態較寬.各層粒度參數特征值分布如下：

圖4 吉祥剖面粒度參數散點圖Fig.4 Scatter plots of grain-size parameters in Jixiang section

第E層MZ值分布范圍為4.48～5.01 Φ，平均值為4.71 Φ，指示強沉積動力環境.分選系數為-1.62～-1.45，平均值-2.13，表明沉積物優勢粒級組分明顯，屬于分選極好的等級.偏度值范圍為-0.20～0.22，偏度均值為-0.20.峰態值分布范圍為0.66～1.96，平均值為1.07，寬峰、中等峰態態居多，說明沉積物的砂粒、粉砂粒級含量較高.

第D層MZ值分布范圍為0.28～4.84 Φ，平均值為2.59 Φ，指示強動力沉積環境.分選系數為-2.74～-1.34，平均值-1.53，表明沉積物優勢粒級組分明顯，屬于分選極好的等級.偏度值范圍為-0.16～-0.11,偏度均值為-0.17，為負偏態.峰態值分布范圍為0.94～1.04，平均值為0.83，寬峰態居多.

第C層MZ值分布范圍為3.15～8.58 Φ，平均粒徑值為2.59 Φ，沉積動力絕大多數樣品Mz值為5～6 Φ，說明沉積物以粉砂粒級組分為主，沉積動力較強.分選系數為-2.11～-0.19，平均值為-1.72，屬于分選極好的范疇.偏度值為-0.39～0.88，平均值為0.006.90%的樣品偏度值為-0.1～0.1，粒度曲線為近似對稱分布.峰態值分布范圍為0.32～2.13，平均值為0.85，為寬峰態型.

第B層MZ值為-0.94～2.79 Φ，平均值為0.73 Φ，反映沉積物粒度組分以砂粒為主，為極強動力沉積環境.分選系數值-1.97～-0.16，平均值為-0.72，屬于分選極好范疇.偏度值分布范圍為-0.82～0.69，平均值為-0.12，樣品一半為負偏，一半為正偏.峰態值為0.46～0.99，平均值為0.73，樣品屬于正偏或極正偏.反映粒度頻率曲線尖銳，沙粒、粉砂粒級組分含量高.

第A層MZ值為2.12～7.77 Φ，平均粒徑值4.34 Φ，反映了沉積動力較強，沙粒級組分含量較高.分選系數分布范圍為-2.04～-0.20，平均值為-1.42，屬于分選極好范圍.偏度值為-0.53～0.16，平均值為-0.09，樣品中63%為負偏，27%為正偏.峰態值分布范圍為0.49～1.02，平均值為0.82.樣品屬于正偏或極正偏范疇，反映了沙粒、粉砂粒級組分含量較高.

4 討論

4.1 降水量對湘江河漫灘沉積物的影響

河漫灘沉積物組分的主要影響因素有降水、地貌和地質構造等，其中降水是直接影響河流動力變化的關鍵因素，河流水動力作用最終影響著沉積物的粒度組合之上，研究表明[11]，沉積物粗粒組分增大，暗示河流搬運動力增強.對于同一河段來說，河漫灘沉積物上洪水深度和洪水取決于降水量的多少，降水越大、持續時間越長，河水流量越大，反之，越小[12].因此，可以根據河漫灘沉積物顆粒變化確定降水量的多少.研究表明[13-14]，當氣候變暖濕的時候，降水量增多，河流搬運動能增大，河漫灘沉積物以粗粒組分為主；反之，氣候變冷變干時，降水量減少，河流搬運動力減弱，沉積物以細顆粒組分為主.經過野外實地考察發現，湘江衡陽段吉祥剖面為洪水沉積物.湘江流域屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，為大氣降水補給型河流，河流洪水大小及其搬運動能的強弱取決于大氣降水量的多少，降水量大、持續時間長常常引起高頻率、高強度的洪水發生；降水量少、持續時間短則不易發生洪水災害.正常年份降水發生在4-6月份，當夏季降水遇上臺風暴雨時，可能誘發特大洪水，特大洪水一般帶來更多的粗顆粒沉積物.

4.2 河漫灘沉積粒度特征記錄的氣候變化

根據湘江河漫灘吉祥剖面粒度組合分布特征，把湘江河漫灘沉積時期的氣候變化劃分為5個主要階段：階段E(159～182 cm)，流水沉積動力相對較弱，粉砂粒含量最高，平均值為63.64%，粉砂曲線遞減的變化趨勢.其次是砂粒組分平均含量為36.35%，其中粗粉砂平均含量為41.85%，砂礫組分和粗粉砂組分曲線呈遞增的趨勢，與粉砂組分曲線變化趨勢相反；粘粒含量極少.粒度特征表明沉積物沉積時期的氣候干旱.階段D(123～158 cm)，流水沉積動力較強，砂粒含量最高，平均值為65.94%，砂粒曲線呈先增后減的變化趨勢.其次是粉砂粒組分平均含量為33.81%，其中粗粉砂平均含量為22.61%，粉砂粒和粗粉砂曲線呈先減后增的趨勢，與砂粒組分變化趨勢相反.表明沉積時期的降水豐富，氣候濕潤.階段C層(65～122 cm)，粉砂粒平均含量最高為61.13%，其中粗粉砂平均含量占35.10%，粉砂和粗粉砂曲線變化同步，呈遞增的變化趨勢.其次是砂礫平均含量為30.56%，砂粒曲線略呈遞減的趨勢.粘粒組分含量上升，平均值為8.31%.Mz值增大，流水沉積動力比D階段減弱，表明該沉積時期為降水減少，偏干旱.此外，在122、74 cm附近，砂粒組分含量皆為0，出現了極端干旱氣候事件，在中國、歐洲和非洲陸地的沉積環境中也有記錄[15-16].階段B(34～64 cm) ，砂礫組分平均含量最大為97.48%，砂粒曲線變化平穩.粉砂粒組分含量很少平均值為2.52%，粉砂曲線和砂粒曲線波動趨勢相反，粘粒組分平均含量為0.Mz值為0.73 Φ，流水沉積動力極強，沉積物顆粒偏粗，砂粒占據絕對優勢.推測該沉積物沉積時期氣候非常濕潤.階段A(0～33 cm)，粉砂粒含量最高，平均值為49.44%，粉砂曲線波動顯著，呈遞減的趨勢，粗粉砂平均含量為31.42%，粗粉砂曲線與粉砂曲線波動變化明顯.砂粒平均含量較大為47.38%，砂粒曲線出現“兩谷三峰”的特點.暗示了沉積時期氣候為濕潤時期.綜上，吉祥河漫灘剖面沉積時期先后經歷了5個階段的氣候變化：干旱期、濕潤期、干旱期、強濕潤期和濕潤期.在江陵剖面沉積物[17]、鄱陽湖沉積物[18]、南漪湖沉積[19]、珠江口西南部[20]也這樣干旱、濕潤交替變化的相似記錄.

5 結論

根據衡陽市湘江河漫灘吉祥剖面91個樣品的粒度組合特征和粒度參數分析，并結合高精度AMS14C測年結果，初步得出以下結論:

(1)吉祥河漫灘剖面粒度組成以砂粒(均值為53.05%)和粉砂粒(均值為43.69%)為主.粘粒含量較少，平均值為3.26%.湘江衡陽段沉積物6 390年來河漫灘沉積分層明顯，對干旱、濕潤變化記載清晰，能夠很好的指示降水量變化情況.沉積物粗細組分變化指示了沉積時期水動力強弱的變化，粗粒組分比重大的時候，暗示了沉積時期水動力強；粗粒組分含量低時，暗示沉積時期水動力作用小.

(2)吉祥(JX)剖面粒度參數顯示：平均粒徑值(Mz)平均值為3.74Φ，說明河漫灘沉積物搬運介質平均動能較大；分選系數值平均值為-1.55，說明河漫灘沉積物在流水搬運作用下，細顆粒物質被帶向河流下游地區，以粉砂粒和砂粒為主，粒度分選性極好.偏度平均值為-0.10.負偏為主，反映河漫灘沉積物以粗粒組分為主；峰態平均值為0.88，表明整個剖面峰態較寬.

(3)根據湘江河漫灘吉祥剖面的粒度記錄顯示，衡陽地區6 390aBP以來的降水總體上上呈遞增的趨勢.具體劃分5個階段：階段E(159～182 cm)為氣候干旱期；階段D(123～158 cm)為氣候濕潤期；階段C層(65～122 cm)為干旱期；階段B(34～64 cm)為強濕潤期，是衡陽地區中全新世以來最為降水最充沛的時期；階段A(0～33 cm)為氣候濕潤期.此外，在吉祥沉積剖面122、74 cm處出現沙粒組分含量皆為0，顯示6 390年以來衡陽出現過兩次極端干旱事件.