鄂西恩施筆架山第四系高角度礫石層地質(zhì)特征及其成因探討

杜小鋒,宗 維,李 朋,吳 龍

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

鄂西恩施筆架山第四系高角度礫石層地質(zhì)特征及其成因探討

杜小鋒,宗 維,李 朋,吳 龍

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

恩施筆架山高海拔第四系礫石層可見多個沉積旋回。通過對礫石層地理位置、沉積學(xué)特征、層序特征等研究,認(rèn)為該礫石層為洪積成因,屬洪積扇相扇根亞相,并發(fā)育支撐礫石。通過研究礫石沉積旋回對比該區(qū)域第四系以來的升降運動,探討高角度礫石層的成因與第四系以來的掀斜運動的關(guān)系。

洪積扇;支撐礫石;掀斜運動;恩施

筆者于2016 年恩施地區(qū)1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作中,在1 000 m以上的高海拔山區(qū)發(fā)現(xiàn)了一套河流洪積相礫石層。區(qū)內(nèi)主要出露早古生界沉積地層,第四系欠發(fā)育。本次發(fā)現(xiàn)的礫石層位于恩施筆架山緩坡上,出露面積較小。前人在鄂西地區(qū)發(fā)現(xiàn)了多處高海拔礫石層,各礫石層均為層狀地貌面上急流快速堆積的殘留坡積體,出露面積較小,且層理構(gòu)造不發(fā)育[1-2]。王令占等雖對建始、巴東、利川等地的高海拔礫石層與長江、清江古河道的演化關(guān)系及其長江貫通方面做了大量工作[1-4],但對礫石層的成因方面未作深入探討。本文述及之剖面礫石層層序特征清楚,礫石層間界面產(chǎn)狀較陡,擬通過礫石層的沉積學(xué)特征和層序特征的研究來探討其物質(zhì)來源及高角度礫石層的成因。

1 剖面描述

區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造位置為上揚子陸塊揚子碳酸鹽臺地構(gòu)造區(qū),主要出露寒武紀(jì)—三疊紀(jì)地層,構(gòu)造形跡以北東向褶皺及斷裂為主。本剖面位于湖北省恩施市白果鄉(xiāng)筆架山,位置見圖1,地理坐標(biāo)x:109°22′51″,y:30°17′52″。海拔高程1 125 m,山頂最高處1 500 m,平均坡角37°,礫石層位于山坳緩坡處。

1.1 露頭特征

礫石層出露寬度約20 m,厚10 m,出露長30 m,下部受剝蝕作用及公路建設(shè)破壞,其出露特征不詳。礫石層各層物質(zhì)組成均以礫石為主,僅第4、第7層為含礫砂粘土層(圖2)。礫石總體礫徑較粗,多為2～8 cm;礫石多呈棱角狀,基本無磨圓;礫石成分較單一,基本為白云巖組成。各層間界線明顯,依據(jù)對礫石組合特征及礫徑變化特征,由下至上劃分為9層。

圖1 礫石層分布位置(據(jù)王令占等改編)Fig.1 Gravel layer distribution position

上覆地層:殘坡積物,成分主要為礫石、粘土及植被根莖。礫石無分選、磨圓,堆積較松散,厚約15 cm。

第10層:灰—灰黃色礫石層,礫石礫徑多為5～7 cm,最大者10 cm,小者0.5 cm,礫徑向上變細(xì);礫石呈棱角狀,無磨圓;成分主要為白云巖、灰?guī)r;礫石固結(jié)較差,為顆粒支撐,基質(zhì)僅見細(xì)礫石。

圖3 剖面沉積旋回柱狀圖Fig.3 Profile sedimentary rotation column diagram

第9層:灰色巨礫石層,礫石礫徑12 cm左右,最大者20 cm,小者4 cm,由下向上礫石礫徑變細(xì);礫石呈棱角狀,基本無磨圓,形狀各異;成分主要為白云巖、灰?guī)r;礫石固結(jié)較差,為顆粒支撐,基本未見基質(zhì)。礫石層頂部見礫徑1 cm左右的礫石順層分布。

第8層:灰色粗礫石層、含砂粘土礫石層。由下向上礫徑變細(xì),下部為粗礫石層,礫徑多為8 cm,最大者12 cm,礫石呈棱角狀,基本無磨圓;成分主要為白云巖、灰?guī)r;顆粒支撐,無基質(zhì)充填,礫石分選性也較差。上部為含砂粘土礫石層,呈透鏡體狀,礫石為2 cm左右,占80%,基質(zhì)為細(xì)礫石及砂、粘土,成分主要為白云巖、灰?guī)r。

第7層:灰色含礫粘土砂層。成分以細(xì)粒砂、粘土為主,約占60%,礫石占40%。礫石礫徑多為5 cm,最大者12 cm,小者1 cm;礫石呈棱角狀,基本無磨圓,形狀各異,棱角較多;成分主要為白云巖、灰?guī)r;礫石固結(jié)較差,基質(zhì)為細(xì)礫石及砂粘土。礫石分選性也較差。

第6層:灰—灰黃色粗礫石層,礫石礫徑多為5 cm左右;礫石呈棱角狀,基本無磨圓,形狀各異,棱角較多;成分主要為白云巖、灰?guī)r;礫石固結(jié)較差,為顆粒支撐,基本未見基質(zhì),零星基質(zhì)為細(xì)礫石及粘土。礫石層具一定分選性,下部礫石礫徑相對較小,為3 cm左右,呈透鏡狀;上部礫石礫徑較大,為5 cm左右,延伸較遠(yuǎn)。

第5層:灰色粗—巨礫石層,礫石礫徑多為8 cm左右,最大者20 cm;礫石呈棱角狀,基本無磨圓,形狀各異,棱角較多;成分主要為白云巖、灰?guī)r;礫石固結(jié)較差,為顆粒支撐,顆粒間基本無基質(zhì)充填。礫石層具一定分選性,顯示礫石礫徑由下向上、由粗變細(xì)的特征,向上礫石層礫徑明顯變細(xì),礫徑多為3 cm左右。

第4層:灰—灰黃色含粘土砂礫石層,礫石礫徑多為1～15 cm,2 cm左右居多;與上覆第5層界面產(chǎn)狀為85°∠31°。礫石呈棱角狀,基本無磨圓,形狀各異,棱角較多;成分主要為白云巖、灰?guī)r;礫石固結(jié)相對較好,為顆粒支撐,顆粒間充填粘土、細(xì)礫石等。礫石層具一定分選性,顯示礫石礫徑由下向上、由粗變細(xì)的特征。

第3層:灰色粗礫石層,礫石礫徑8 cm左右最多,最大者20 cm,小者2 cm;礫石呈棱角狀,形狀各異,棱角較多;成分主要為白云巖、灰?guī)r;礫石固結(jié)較差,為顆粒支撐,顆粒間無充填物。礫石層具一定分選性。

第2層:灰色巨礫石層,礫石礫徑多為15～50 cm,最大者1 m,小者2 cm,20 cm左右最多;礫石呈棱角狀,礫石固結(jié)較差,為顆粒支撐,顆粒間基本無基質(zhì);成分主要為白云巖、灰?guī)r。厚30 cm。

下伏地層:寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)婁山關(guān)組(∈3O1l),深灰色厚層—塊狀微晶白云巖。

1.2 層序特征

一般而言,礫石層礫徑越大,則代表其水動力越強(qiáng)。根據(jù)礫石礫徑大小,將測區(qū)內(nèi)礫石層劃分為4個沉積旋回,建立了旋回柱狀圖(圖3)。旋回1為第2-4層,下部礫石礫徑10 cm,向上過渡為平均礫徑2 cm,具明顯下粗上細(xì)的二元結(jié)構(gòu)特征,且第4層砂粘土與礫石混雜堆積,顯示水流動力急劇減弱的特點。

圖2 筆架山礫石層特征Fig.2 The characteristics of the Bijiashan gravel layerA.洪積扇底部漂礫;B.第3層支撐礫石;C.3-4層正粒序特征;D.4-5層間的層序界面;E.第7層含粘土砂礫石層特征;F.剖面總體面貌。

旋回2為第5-7層,礫石礫徑8 cm向上到2 cm;旋回3為第8層呈透鏡狀展布,下部為支撐礫石,基本無基質(zhì),上部為含礫砂粘土層;旋回4為9-10層,下部礫徑12 cm,上部5 cm,變化明顯。各旋回由下向上礫石礫徑變小,反映了每個旋回水動力逐漸減小的特征。

礫石層礫石均具磨圓極差、礫石成分單一的特征,反映了物質(zhì)來源較近;礫石層具有一定的分選性,層中未見基質(zhì),反映其沉積過程有一定持續(xù)時間,推測為山間洪沖積沉積特征。

1.3 礫石粒度特征

1.3.1 樣品采集與礫徑測量

本次對礫石層粒度分析,采用人工直接測量法。按照礫石層層位方向,由下向上垂直層理方向取樣,每層采用50 cm×50 cm的網(wǎng)格取樣,對網(wǎng)格內(nèi)礫石中軸長度進(jìn)行統(tǒng)計。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

通過測量礫石層9組樣品,該礫石層礫石多集中在3～12 cm,占比多在70%以上;僅6號樣品以砂、粘土等細(xì)粒物為主,礫石含量為42%。根據(jù)?？撕臀值鹿?表1)計算各粒度參數(shù),結(jié)果見表2,礫石層總體平均粒徑為-4.26(19 mm)。其平均粒徑可以看出1-3號樣品平均粒徑逐漸下降;4-6號樣品平均粒徑從-5.7下降到-1.62,指示水流速度逐漸下降。

表1 粒度參數(shù)公式Table 1 Grain size parameter formula

樣品1、2、4、5、8、9平均粒徑φ<-4(>16 mm),且分選系數(shù)為1～2之間,顯示其分選性為中等,而對應(yīng)層位野外露頭顯示,各層均為顆粒支撐,極少粘土、砂等基質(zhì)沉積。

表2 礫石組成及其粒度參數(shù)Table 2 Gravel composition and its particle size parameters

樣品3、6、7中平均粒徑φ為-1～-4(2～16 mm),其粒度相對較小;分選系數(shù)為2～4之間,分選較差;偏度絕對值均>10,存在2個不對稱粒度峰值,分選較差。結(jié)合野外露頭識別,樣品3對應(yīng)第4層為灰—灰黃色含砂、粘土粗礫石層,其砂、粘土等細(xì)粒物明顯增多。其頻率累計曲線特征顯示,沉積物具兩個明顯的峰值,見圖4。

圖4 第4、7層沉積物粒度頻率曲線Fig.4 The fourth,seventh layer sediment particle size frequency curve

2 成因探討

2.1 物質(zhì)來源

圖5 礫石成分餅狀圖Fig.5 Gravel composition pie chart

通過對礫石形態(tài)、粒度統(tǒng)計等分析,顯示礫石搬運距離較短的近源特征。對礫石層中礫石成分進(jìn)行統(tǒng)計分析,礫石以白云巖、灰?guī)r為主,含少量石英(圖5),顯微照片顯示其主體為微—細(xì)晶白云巖(圖6),礫石成分與周邊婁山關(guān)組地層巖性一致。說明礫石主要來源于山上剝蝕巖石,由洪水泥流快速搬運堆積而成。

圖6 礫石顯微特征Fig.6 Gravel microscopic characteristicsA.微晶白云巖;B.中—細(xì)晶白云巖。

2.2 沉積過程及沉積環(huán)境

洪積扇是由厚的辮狀河流和河道沉積的水?dāng)y沉積物或厚的泥流沉積物組成。其沉積坡度較陡,一般3°～10°[5]。將沖積扇相進(jìn)一步劃分為扇根、扇中、扇緣三個亞相。支撐礫石是在沖積扇的扇根細(xì)密溝槽中沉積的礫石層,被后期洪水沖走細(xì)粒物質(zhì)而剩下的礫石骨架。根據(jù)礫石層間界面產(chǎn)狀特征、沉積組分特征、礫石大小、形態(tài)、產(chǎn)狀,將本礫石層劃分為洪積扇相扇根亞相。

當(dāng)洪水較大時,洪積扇扇根中僅沉積礫石及少量砂質(zhì),固結(jié)松散,空隙大,形成大量流水通道,此種情況下,后期水流經(jīng)過,極易帶走先期沉積砂質(zhì),僅余礫石;當(dāng)洪水較小時,礫石、砂質(zhì)、粘土均沉積于洪積扇扇根,這些沉積物形成基質(zhì)支撐,雖然空隙較大,但大量泥質(zhì)、粉砂質(zhì)的存在,不足以形成流水通道,下次洪水來臨時細(xì)粒物質(zhì)不會順空隙流出,仍為粘土、砂礫石堆積。沉積過程見圖7。

3 討論

3.1 礫石屬性

剖面上沉積物以礫石為主,礫石具有礫徑較大、磨圓差、分選差、定向性差的特點。礫石組合有兩種類型,剖面第2-3、5-6、9-10層中礫石層屬顆粒支撐,基本無基質(zhì)(圖2-B)。其余礫石層中礫石、砂、粘土混雜堆積(圖2-E)。各礫石層中均無明顯的沉積構(gòu)造,但各層間因礫石礫徑及碎屑物組成不同,界線較明顯。

根據(jù)前人對洪積礫石的研究及總結(jié)的礫石特點對比本剖面,本剖面礫石為較典型的洪積成因礫石。但前人對類似第2-3、5-6、9-10層特征的礫石卻描述較少,該礫石礫徑多為30～60 mm左右,礫石層單層厚度0.5～0.9 m,各層之間界線較為明顯,顯示多次水流變化的結(jié)果。根據(jù)張紀(jì)易(1985)總結(jié)的支撐礫巖與篩濾沉積的特征,支撐礫石與本礫石層較為吻合,為扇體頂部細(xì)密溝槽中先期沉積的洪積物中的泥沙,被后續(xù)洪水帶走剩下的礫石骨架。

圖7 沉積過程示意圖Fig.7 Sedimentary process diagram1.基底;2.支撐礫石;3.砂礫石混合堆積。

3.2 礫石層間界面產(chǎn)狀與新構(gòu)造運動的關(guān)系

本礫石層內(nèi)未見明顯沉積構(gòu)造,屬塊狀層理,但各層間界線明顯,測得其界面產(chǎn)狀為85°∠31°。前人對洪積扇的特點研究顯示,其沉積角度多在3°～10°,也就是說在不受后期構(gòu)造改造的情況下,其沉積層理傾角一般<10°[6]。本剖面上礫石層間界面傾角達(dá)到31°,遠(yuǎn)高于洪積扇合理的沉積坡度,由此可推斷礫石層沉積后,明顯受到由西向東的掀斜運動改造。

高名修等認(rèn)為發(fā)生于第四系以來的喜馬拉雅造山運動,鑄就了青藏高原的快速隆升,與鄂西山區(qū)及其東部平原一道形成現(xiàn)今的高原—山脈—盆地三位一體的構(gòu)造地貌組合定式[7-8]。王令占對鄂西利川、建始、巴東等地區(qū)礫石層進(jìn)行了ESR定年,并對層狀堆積物海拔及年齡進(jìn)行了對比統(tǒng)計,測得礫石層年齡均在早—中更新世(274—789 Ka)[4]。青藏高原的末次快速隆升在三峽地區(qū)表現(xiàn)為大面積整體抬升[9],并伴有自南西向北東的掀斜運動[10]。故筆者認(rèn)為,受青藏高原隆升作用影響,區(qū)內(nèi)地層發(fā)生了較強(qiáng)的掀斜運動,導(dǎo)致形成了產(chǎn)狀較陡的礫石層。

[1] 王令占,牛志軍,趙小明,等.鄂西建始中更新世高海拔礫石層的發(fā)現(xiàn)及意義[J].人民長江,2010,41(1):58-60.

[2] 王令占,牛志軍,趙小明,等.清江流域?qū)訝畹孛裁娑逊e物特征及地貌演化研究[J].人民長江,2010,41(8):18-20.

[3] 王令占,涂兵,田洋,等.鄂西利川清江源地區(qū)高海拔礫石層的發(fā)現(xiàn)與分析[J].人民長江,2011,42(11):1-4.

[4] 王令占,涂兵,田洋,等.鄂西清江中上游高海拔礫石層ESR定年及地質(zhì)意義[J].地球?qū)W報,2012,33(3):316-322.

[5] 張紀(jì)易.粗碎屑洪積扇的某些沉積特征和微相劃分[J].沉積學(xué)報,1985,3(3):75-83.

[6] 朱筱敏.沉積巖石學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.

[7] 高名修.晚新生代地殼構(gòu)造運動研究[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報,2008,14(4):295-319.

[8] 葛肖虹,王敏沛,劉俊來.重新厘定“四川運動”與青藏高原初始隆升的時代、背景:黃陵背斜構(gòu)造形成的啟示[J].地學(xué)前緣,2010,17(4):206-217.

[9] 楊達(dá)源,李徐生,柯賢坤,等.長江三峽壩區(qū)河谷深槽的地貌特征及其成因 [J].地理學(xué)報,2002,57(5):547-552.

[10] 閻桂林.研究鄂西南清江流域的新構(gòu)造運動——利用第四紀(jì)沉積物的磁化率各向異性特征[J].地球物理學(xué)報,1994,37(s2):324-333.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

Discussion on Geological Characteristics and Its Causes of Bijiashan QuaternaryHigh Angle Gravel Layer in Enshi,West Hubei

DU Xiaofeng,ZONG Wei,LI Peng,WU Long

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Enshi Bijiashan high altitude quaternary gravel layer shows multiple deposition cycles.Based on the study of the geographical location,sedimentology characteristics and sequence characteristics of the gravel layer,it is considered that the gravel layer is the cause of the proluvial,which belongs to the diluvial fan root subfacies and develops the characteristic support gravel.The relationship between the formation of the high-angle gravel layer and the uplift motion in the Quaternary system is discussed by comparing the gravel deposition cycle to the lift movement of the area since the Quaternary.

diluvial fan; support gravel; tilted movement; Enshi

P534.63

A

1671-1211(2017)05-0531-05

2017-04-06;改回日期2017-04-26

中國地質(zhì)調(diào)查局項目(12120114066101)資助;中國地質(zhì)調(diào)查局揚子工程湘西—鄂西成礦帶神農(nóng)架—花垣地區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查二級項目(No.DD20160029)。

杜小鋒(1985-),男,工程師,地質(zhì)學(xué)專業(yè),從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作。E-mail:274843944@qq.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1748.026.html數(shù)字出版日期2017-08-24 17:48

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.004