三峡及邻区第四纪沉积与地貌特征对古气候的指示

2018-07-17黄恒旭王金元朱宏博康东雅

成都理工大学学报（自然科学版） 2018年4期

黄恒旭,向　芳,王金元,朱宏博,杜　雯,康东雅

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.贵州煤田地质局，贵州六盘水 553000)

第四纪以来长江三峡地区在全球气候变化的影响下，受大地构造影响，气候变化频繁而复杂，分析其变化规律和影响因素对研究现今气候具有重要的参考价值和指导意义，也是现今研究的热点和重点课题。长江三峡指重庆奉节白帝城到湖北宜昌南津关一带，为瞿塘峡、巫峡和西陵峡的统称，是第四纪古气候研究的热点地区。多年来，李四光[1]、景才瑞[2]、魏宝华等[3]、唐贵智等[4]都对三峡及鄂西地区做过大量工作，并得出三峡及其邻区存在冰期的结论。而黄万波等[5]、张玉芬等[6-7]结合巫山早更新世的“巫山猿人”及其动物群和晚更新世的黄土特征，认为三峡地区早更新世为暖湿气候，到晚更新世气候转为干冷。

由此可见，前人对三峡地区古气候的研究结果存在较大争议，研究程度有待进一步提高。本文以进一步分析三峡及其邻区第四纪古气候特征为目的，通过实地考察，对三峡、宜昌地区的夷平面、阶地沉积特征进行详细研究，在与前人研究结果进行对比的基础上，结合已有的ESR年龄数据，在全球第四纪古气候和青藏高原隆升的大背景下，探寻三峡及其邻区第四纪古气候特征及其可能的影响因素。

1　概述

图1　研究区地理位置图Fig.1　Location of the Three Gorges and the Yichang region

研究区位于重庆长江沿线、长江三峡及江汉盆地一带(图1)。刘兴诗[8]、田陵君[9]经过实测研究认为三峡地区在海拔高度1.3～2.0 km存在零星分布的鄂西期夷平面，海拔高度1.0～1.2 km存在山原期周家垴亚期夷平面，海拔高度800～900 m存在山原期王家坪亚期夷平面，海拔高度500～600 m存在云梦期夷平面，其上分布有不连续的砾石层。长江干流两岸存在至多5级阶地，其中在万州、巫山、奉节、宜昌等地保存完整[9,11]。由于三峡地区地势抬升，以风化剥蚀为主，除河流阶地的堆积物外，第四纪沉积物较少。宜昌地区第四纪沉积物较为丰富，地层由下至上云池组(Q1y)、善溪窑组(Q2s)、宜都组(Q3y)和平原组(Q4p)皆有出露。

三峡及其邻区属亚热带湿热气候，冬暖夏热，受季风、地形因素影响，气候垂直分带明显，降雨时空分布不均。年平均温度16～18℃，夏季气温较高，海拔高度<400 m的地区夏季酷热难耐。年降水量1～1.4 m，其中春夏秋占年降水量的90%以上。

2　主要剖面和地貌特征

本次研究观测了重庆万州、奉节、巫山和湖北宜昌的阶地、夷平面及其沉积物的分布、成分和颜色组成等特征，在此基础上，讨论三峡和三峡以东第四纪以来古气候的变化过程。

2.1　万州阶地剖面

万州地区可见有5级阶地(图2)，基座为侏罗系沙溪庙组(J2s)，主要为岩屑石英砂岩，岩层产状水平。长江南岸的第Ⅴ级阶地为侵蚀阶地，海拔高度为319 m左右，可见基岩侵蚀形成陡崖和孤峰地貌(图3)，陡崖和孤峰间为低洼的古河谷，谷底宽约20 m，较平坦。第Ⅳ级阶地也为侵蚀阶地，海拔高度为264 m左右，见宽约15 m古河道，古河道展布方向与现今长江流向一致，基岩侵蚀形成的孤丘构成阶地的阶坎。第Ⅲ级阶地海拔高度为210 m左右，为基座阶地，堆积物为厚17 m左右的棕黄色砾石层，夹有砂质透镜体。第Ⅱ级阶地为堆积阶地，海拔高度为160 m，阶坎上部为厚15 m左右的黄土堆积(图4)，见姜状钙质结核、腹足化石，黄土下部为钙质胶结砂沉积，夹有少量钙质硅化层。第Ⅰ级阶地剖面未见，前人资料[9]提及主要为堆积阶地，阶地面海拔高度140～150 m，相对高度40～50 m，主要为棕黄色黏土质砂沉积。

2.2　奉节剖面

奉节地处三峡入口，远观长江南岸，最高的山脊由串脊状尖峰构成，海拔高度在1.3～1.7 km，代表鄂西期夷平面。在海拔高度700 m左右也发育有串脊状圆丘山，丘顶圆滑，脊线较平，代表山原期夷平面。在海拔高度550 m处为较低一级的平行山脊，为云梦期夷平面。在长江北岸的泡桐树—梅溪河一带，海拔高度(570±6)m处为平台状地貌，为云梦期夷平面(图5)。海拔高度554 m处见河流成因的砾石堆积，砾径1～2 cm，最大可达4～5 cm，次圆-圆状，有一定的排列方向，棕红色砂质黏土填隙，砾石的成分有砾岩、硅灰岩、石英岩和石英砂岩等，较为复杂。

图2　万州长江南岸阶地剖面图Fig.2　Profile map showing the south bank of Yangtze River in Wanzhou

图3　万州长江第Ⅴ级阶地面上的孤峰、陡崖和两者之间的低洼古河道Fig.3　The 5th terrace of the Yangtze River in Wanzhou

图4　万州长江第Ⅱ级阶地剖面中的黄土层Fig.4　Loess of the 2nd terrace in Wanzhou

图5　奉节低夷平面宏观特征Fig.5　The gross feature of low planation surface in Fengjie

奉节阶地剖面见图6，阶地下部基岩多为沙溪庙组砂岩和泥岩，产状近水平。第Ⅴ级阶地海拔高度330 m，白衣庵南东处为基座阶地，褐黄色亚黏土夹砂层堆积。第Ⅳ级阶地海拔高度220～230 m，草堂河浣花溪一带海拔高度为240～260 m，为基座阶地，阶面已被耕种破坏。第Ⅲ级阶地在营盘抱一带海拔高度为160～180 m，相对高度为85～105 m，基座阶地，岩性为黄土状黏土夹透镜状砾石层，含钙质结核。第Ⅱ级阶地属基座阶地，局部具有堆积阶地特征(图7)，海拔高度130～140 m，高处可达160 m左右，主要为黄色粉砂质黏土或黄土堆积，偶夹透镜状砾石层，砾石大小混杂，略具定向性。局部黄土夹钙质层，最多可见有7层，每层厚15 cm，相间60～100 cm，结构致密。第Ⅰ级阶地沿江分布，海拔高度120 m左右，相对高度45 m，属堆积阶地，上部为黄色粉砂质黏土，下部具有砾石层。

图6　奉节长江南岸阶地剖面图Fig.6　Terrace section of the south bank of Yangtze River in Fengjie

图7　奉节第Ⅱ级阶地黄土沉积Fig.7　Loess of the 2nd terrace in Fengjie

2.3　巫山阶地剖面

图8　巫山上杨柳坪云梦期夷平面上发育的岩溶地貌Fig.8　Karst landform developed on the planation surface in Yangliuping,Wushan

图9　巫山长江阶地剖面Fig.9　Terrace section of the south bank of Yangtze River in Wushan

巫山地区阶地发育，阶地下部基岩为三叠系巴东组(T2b)，岩性为泥岩、灰岩及砂岩。巫山县长江南岸上杨柳坪一带海拔高度870 m处为圆丘、平台地貌，出露二叠系灰岩，其上发育岩溶地貌，有石林、溶缝、石芽，表层发育红土(图8)。大白岩半山处海拔高度805 m左右，岩溶现象发育，形成石林、大型溶缝、落水洞、溶蚀圆丘等。长江北岸相应海拔高度800 m处有近水平的小型溶缝和溶洞，指示该区在海拔高度870～800 m处有构造稳定期以水平溶蚀为代表的山原期夷平面。巫山阶地剖面见图9。第Ⅴ级阶地海拔高度320 m，为基座阶地，棕色黏土沉积为主，干燥，固结成颗粒状，坚硬，未见砾石。在相同高度的另一地点，在富含钙屑的土黄色残坡积物中见小型溶洞，并见石钟乳或钟乳状钙结壳充填其中。第Ⅳ级阶地，海拔高度260 m左右，基座阶地，棕褐色黏土堆积，未见砾石，下部可见有泥炭。第Ⅲ级阶地，海拔高度220 m，为基座阶地，黄色黏土沉积为主，含钙质结核。第Ⅱ级阶地海拔高度145 m，为堆积阶地，见黄土状堆积物，质地疏松干燥，可见钙质结核(图10)。第Ⅰ级阶地在老县城长江左岸，海拔高度120 m，相对海拔高度55 m左右，为堆积阶地，阶地露头为黄土状堆积物，质地紧密干燥。

2.4　宜昌阶地剖面

图10　巫山长江第Ⅱ级阶地中黄土沉积，含钙质结核Fig.10　Loess with calcareous concretion in the 2nd terrace,Wushan

图11　宜昌阶地剖面Fig.11　Terrace section of the south bank of Yangtze River in Yichang(根据李钟陵[12]，改绘)

如图11，宜昌第Ⅴ级阶地海拔高度155 m，属基座阶地。上部为棕红色砂、泥层，被耕地破坏；下部砾石呈叠瓦状排列，填隙物为棕红色黏土，基座部分为白垩系五龙组紫红色泥岩和灰色砂岩。第Ⅳ级阶地为基座阶地，剖面底部海拔高度为120 m，出露高度12～10 m，为砂质黏土填隙的砾石层，剖面总体的颜色为红棕色。第Ⅲ级阶地，属堆积阶地，海拔高度100 m左右，主要为黄褐色砂砾石层。第Ⅱ级阶地为堆积阶地，海拔高度为60 m左右，上部沉积主要为黄棕色黏土，下部为砂砾石层，含钙质胶结物。第Ⅰ级阶地已被破坏，由前人研究资料可知阶地面海拔高度50 m左右，相对河水面高度10 m左右，为堆积阶地[9]。

2.5　云池剖面

剖面位于宜昌云池李家院子，从上至下由善溪窑组(A、B层)、云池组(C、D层)组成(图12)。

图12　云池李家院子云池组与善溪窑组剖面素描图Fig.12　Sketch showing Yunchi Formation and Sanxiyao Formation from the Lijiayuanzi section

A层下部为砾径粗大、分选差的砾石层，厚2～6 m。B层为砾石层堆积，厚6 m左右，褐红色黏土填隙物，上部砾石呈水平状，下部砾石层具斜层理。C层为灰白色夹黄色砂层，厚8 m，半固结，质地均匀，偶见1～2 cm大小的砾石；顶面为一冲刷面，具有铁质壳；上部砂层为平行层理，下部为斜层理。D层为约12 m厚的砾石层，呈棕黄色，见红褐色铁质浸染形成的夹层；整体由3～4个厚约1～3 m粗细变化的韵律构成，中上部见厚度1 m的斜层理，倾向与砾石相同，倾向西南；与下伏古近系方家河组(Ef)棕红色泥质粉砂岩呈不整合接触。已有的研究显示，云池组主要为冲积扇-扇三角洲沉积，善溪窑组为冲积扇-湖泊沉积[12]。

2.6　善溪窑砖厂剖面

剖面位于枝江市善溪窑砖厂附近，海拔高度160 m，黄色细砂-粉砂沉积，有韵律层理，可见铁质浸染层，上部见爬升沙纹层理，向上沙纹层理厚度加大并过渡为砖红色黏土，黏土质地均匀，未见网纹红土化，顶部为褐红色黏土，含不规则网纹和铁锰结核。属善溪窑组中上部湖泊相沉积。

2.7　三峡机场剖面

剖面海拔高度192 m，厚度3～4 m，呈红褐色，下部砾石层厚1 m，砾径下小(5 cm)上大(10～20 cm)，填隙物为砂质黏土，见少量网纹化。上部为网纹红土。机场附近海拔高度185 m处网纹红土非常发育，网纹粗大，红土分布广泛，构成海拔高度190 m处的平坦地貌，属善溪窑组上部湖泊相沉积。

3　古气候意义

剖面相关年龄数据见表1，部分数据来源于向芳等[10,14]ESR年龄测定结果，部分为前人研究结论的总结[9,15-16]，还有部分为本研究对三峡地区夷平面、阶地相关沉积物ESR年龄测定的结果。

研究区主要剖面所见夷平面和阶地沉积特征、重要地貌特征归纳如表2。

众所周知，地形地貌和沉积物特征及其颜色能直接反映沉积时的气候特征。当气候温暖而多雨，河水流量增加，对河谷侵蚀作用增强，形成孤峰、古河床地貌；同时化学风化强烈，大量雨水对灰岩地层溶蚀，形成石林、溶洞、落水洞等地貌；而矿物中可溶性盐基被淋滤带走，发生Fe3+和Al3+的相对富集，并以氢氧化物形式保留下来，之后在干燥条件下脱水成无水的Fe2O3和Al2O3，形成红土。气候寒冷干燥时，在上层滞水带易形成钙质结核；同时因物理风化为主，化学风化不强烈，沉积物颜色多为灰色或灰黄色。

表1　相关沉积物的地质年龄Table 1　Date of geological ages of the related sediments

(部分数据来自向芳[10,14])

从以上剖面描述及表2总结的沉积特征和地貌特征可知，万州地区的第Ⅴ、第Ⅳ、第Ⅲ级阶地的阶坎高度分别为55 m、54 m、50 m，之间并没有太大差距，说明0.73～0.09 Ma B.P.万州地区地壳3次抬升速度比较均匀。但阶地的类型和堆积物情况却不尽相同：第Ⅴ、第Ⅳ级阶地为侵蚀阶地，形成古河道和孤丘地貌；第Ⅲ级阶地为基座阶地，堆积棕黄色砾石。由此可知，第Ⅴ、第Ⅳ级阶地对应的0.73～0.3 Ma B.P.期间，万州地区水动力很强，以下蚀作用为主，碎屑物质不能堆积下来，而主要的表现为对河谷的侵蚀，形成了古河道、孤峰和孤丘。0.11～0.09 Ma B.P.，万州地区水动力减弱，并开始有较大颗粒的碎屑物堆积，故而形成基座阶地。表明气候在0.11 Ma B.P.之前已向干冷转变，导致水动力的减弱。第Ⅱ级阶地为堆积阶地，有黄土夹钙质胶结砂，含钙质结核；第Ⅰ级阶地为堆积阶地，出现棕黄色黏土质砂。表明气候在0.09 Ma B.P.以后一直保持干冷状态。

奉节泡桐树-梅溪河地区在0.749 Ma B.P.的云梦期夷平面上见圆丘-平梁-缓坡地貌，砾石间填隙物为棕红色砂质黏土，代表暖湿环境。第Ⅴ、第Ⅳ级阶地均为基座阶地，沉积物主要为褐黄色亚黏土夹砂层；第Ⅲ、第Ⅱ和第Ⅰ级阶地由基座阶地转变为堆积阶地，主要形成含钙质结核、钙质层的黄土状黏土和黄土沉积。表明奉节地区在早期同样为暖湿气候，从第Ⅲ级阶地开始，气候出现干冷特征。

巫山杨柳坪早更新世形成的山原期夷平面上可见灰岩溶蚀现象，形成石林、溶缝、落水洞、溶蚀丘等，溶蚀剖面上有棕红色坡积物，代表暖湿环境。第Ⅴ级基座阶地上，可见棕色黏土堆积，同高度见钙质碎屑坡积物中的岩溶现象；第Ⅳ级基座阶地棕褐色黏土堆积，含泥炭；第Ⅲ级基座阶地为含钙质结核的黄色黏土堆积；第Ⅱ级堆积阶地中出现含钙质结核的黄土堆积；第Ⅰ级阶地为黄土沉积而成的堆积阶地。巫山地区0.73～0.7 Ma B.P.发育有岩溶现象，与第Ⅳ级阶地等高坡积物中的石钟乳ESR年龄测定结果为0.44 Ma，第Ⅳ级阶地形成阶段的气候同样为温暖潮湿。第Ⅲ级阶地(0.11～0.09 Ma B.P.)黄土沉积的出现，以及其中钙质结核ESR年龄测定结果为0.11 Ma，均表明0.11 Ma B.P.开始，巫山地区气候转为干冷。

宜昌地区的云池组下部为棕黄色砾石层含红褐色铁质层，上部为灰白色夹黄色砂层，顶部为铁质壳，整体属冲积扇相沉积。善溪窑组下部为红褐色黏土填隙的砾石层，代表冲积扇相沉积；上部过渡为砖红色黏土，属湖泊相沉积；顶部可见代表湿热气候产物的网纹红土。表明1.26～0.75 Ma B.P.期间，宜昌地区主要为温暖潮湿的气候环境。

宜昌地区长江两岸的第Ⅴ级阶地为基座阶地，有红棕色砂质黏土填隙的砾石层；第Ⅳ级阶地为堆积阶地，出现红棕色砂砾石层；第Ⅲ级阶地为堆积阶地，有黄褐色砂砾石层；第Ⅱ级阶地为堆积阶地，上部是黄棕色黏土，下部为含钙质胶结物的砂、砾石层。阶地沉积特征表明，第Ⅲ级阶地出现以前(0.11 Ma B.P.)，宜昌地区为暖湿气候，之后转变为干冷气候，与峡区古气候变化趋势一致。

表2　三峡和宜昌地区夷平面、阶地的沉积及地貌特征Table 2　Characteristics of the terraces and sediments in the Three Gorges and its adjacent areas

4　讨论

谢明[17]认为三峡地区在第四纪总体抬升不大，仅400～530 m，未达到汤懋苍等[18]提出的1.5～2 km大气抬升凝结高度；同时，相对稳定的宜昌地区在第四纪虽然比同期的三峡地区气候稍暖湿，但和三峡地区具有整体一致的气候变化，因此三峡地区在第四纪沉积记录的变化主要是气候变化的结果，而与构造活动关系不大。

黄万波等[5]在重庆巫山县的研究认为：“巫山猿人”及其动物群生存时间为2.48～1.8 Ma B.P.的早更新世，动物特征为亚热带动物群，植被为常绿-落叶阔叶混交林，说明三峡地区早更新世气候属温湿的亚热带气候。本文的研究发现，在早更新世山原期夷平面发育期，岩溶地貌发育，红土堆积常见，为暖湿气候特征，与黄万波等人的研究结果相同。张玉芬等[6-7]通过分析巫山黄土粒度特征和氧化物的化学特征，认为黄土主要为风成成因，沉积于晚更新世早期，古气候特征总体为干燥寒冷。而本文的研究发现，包括巫山在内的三峡一线及宜昌地区，在第Ⅳ级阶地和第Ⅲ级阶地出现了气候从暖湿向干冷的转化，转化的时间为0.11 Ma B.P.左右，与张玉芬等人的研究结果可以对应。但本文的研究结果不支持李四光、景才瑞、魏宝华、唐贵智等人提出的三峡地区存在有第四纪冰川的观点。

根据施雅风等[19]和李吉均[20]的观点，1.1 Ma B.P.开始的昆仑-黄河运动，将青藏高原抬升至3～3.5 km，限制了西南季风的影响，气候变干；但被高原分割而成的南北两支西风与长江中下游地区汇合，维持着地区的暖湿，促使长江中下游地区发育网纹红土。0.15 Ma B.P.发生的共和运动进一步将高原抬升到4 km，基本阻挡了西南季风对喜马拉雅山以北地区的影响，气候进一步干冷。而三峡地区巫山第Ⅲ级阶地上黄土及巫山和奉节第Ⅲ级阶地上的钙质结核的出现，指示峡区的气候在0.11 Ma B.P.前后发生了明显的转变，这与李吉均认为共和运动对长江流域气候产生影响的观点吻合，因此本文认为，造成三峡及宜昌地区在晚更新世早期(0.11 Ma B.P.)气候由暖湿向干冷转化的可能原因是青藏高原隆升阶段中的共和运动。