郭炳躍,王 毅,張 斌,張 璟,蘇晶文,楊 洋

(1.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院,南京 210049;2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,南京 210016)

下蜀組是長(zhǎng)江中下游地區(qū)重要的第四紀(jì)巖石地層單元之一。20世紀(jì)30年代以來,眾多學(xué)者對(duì)下蜀組的成因、沉積序列等做了大量研究,并取得了豐富的研究成果[1-4]。關(guān)于下蜀組的成因,學(xué)者們從沉積構(gòu)造、粒度、礦物學(xué)特征、古氣候環(huán)境等方面出發(fā)，形成了風(fēng)成說[2-3,5-6]、水成說[7]和多成因說[8-10]等觀點(diǎn)。成因爭(zhēng)論的根源，可能是不同學(xué)者在下蜀組研究中選取了不同的區(qū)域和層位[2]，卻忽視了巖相古地理環(huán)境對(duì)下蜀組形成的影響。在沿江地區(qū),巖相古地理環(huán)境對(duì)下蜀組的形成具有重要影響[9]。因此,在分析古氣候特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合下蜀組形成的古地理環(huán)境,分析其形成過程,對(duì)正確認(rèn)識(shí)下蜀組的成因具有一定的必要性。

本文根據(jù)安徽池州地區(qū)第四紀(jì)地質(zhì)特征,利用古地磁、黏土礦物測(cè)試及粒度分析等手段,分析了下蜀組沉積序列、巖性特征和古氣候條件，結(jié)合下蜀組形成時(shí)的古地理位置和氣候變遷等，對(duì)下蜀組沉積環(huán)境進(jìn)行探討，這對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)下蜀組的成因具有重要參考。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于長(zhǎng)江中下游沿江丘陵平原,地處安徽省池州市西南部,北側(cè)有長(zhǎng)江,南東側(cè)發(fā)育山地和丘陵,長(zhǎng)江支流秋浦河自南西向北東流經(jīng)該區(qū)。研究區(qū)淺表地層主要發(fā)育全新世蕪湖組及中晚更新世下蜀組。蕪湖組分布于長(zhǎng)江及秋浦河沿岸河谷平原,形成平原地貌,地勢(shì)平坦;下蜀組分布于研究區(qū)中西部,形成波狀-淺丘狀平原地貌,地勢(shì)稍有起伏,高差一般為10～20 m(圖1)。

研究區(qū)第四紀(jì)地層復(fù)雜,自下而上,河谷平原與波狀-淺丘狀平原分別發(fā)育2套地層系統(tǒng)(表1)。河谷平原以河流相為主,自下而上分別為青弋江組、大橋鎮(zhèn)組和蕪湖組;波狀-淺丘狀平原地層成因復(fù)雜,自下而上分別為戚家嘰組、下蜀組及近現(xiàn)代堆積物。下蜀組巖性以棕黃色黏土質(zhì)粉砂為主,含鐵錳結(jié)核,巖石結(jié)構(gòu)緊密。與下蜀組同期的大橋鎮(zhèn)組主要分布于河谷地區(qū),巖性為灰色粉細(xì)砂和黏土,大橋鎮(zhèn)組上部被全新世蕪湖組覆蓋。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖[11]Fig. 1 Geological sketch map of the study area[11]

表1 研究區(qū)第四紀(jì)地層表[12]

Table1Quaternarystratigraphyofthestudyarea[12]

時(shí)代河谷平原波狀-淺丘狀平原 巖石地層巖性巖石地層巖性 全新世蕪湖組含礫中粗砂、粉細(xì)砂、黏土等近現(xiàn)代堆積物含礫黏土等 更新世大橋鎮(zhèn)組灰色黏土、粉細(xì)砂等下蜀組棕黃色黏土質(zhì)粉砂,含鐵錳結(jié)核 青弋江組砂礫石、粉細(xì)砂、黏土等戚家嘰組棕紅色含粉砂黏土,含黏土礫石

2 下蜀組巖性特征

池州地區(qū)下蜀組厚0～25 m,以第四系鉆孔ZK09為例(圖2),下蜀組巖性特征如下。

① 耕植土,主要成分為黏土質(zhì)粉砂,見植物根系,厚0.73 m。

中晚更新世下蜀組,厚23.64 m。

② 棕色黏土質(zhì)粉砂,富鐵錳質(zhì)結(jié)核,核徑0.3～1 cm,厚0.49 m。

③ 棕色黏土質(zhì)粉砂,含鐵錳質(zhì)斑點(diǎn),潮濕,厚2.48 m。

④ 灰黃色黏土質(zhì)粉砂,富鐵錳質(zhì)結(jié)核,核徑為0.2～0.5 cm,厚2.62 m。

⑤ 淺灰棕色黏土質(zhì)粉砂,見鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)和少量灰白色條帶,厚1.44 m。

⑥ 棕黃色-棕色黏土質(zhì)粉砂夾粉砂,鐵錳質(zhì)浸染強(qiáng)烈,厚1.84 m。

⑦ 淺灰黃色黏土質(zhì)粉砂,見鐵錳結(jié)核,發(fā)育灰白色條帶,厚1.65 m。

⑧ 灰黃色黏土質(zhì)粉砂,見少量鐵錳結(jié)核,核徑0.3～0.7 cm,厚2.07 m。

⑨ 棕色黏土質(zhì)粉砂夾粉細(xì)砂,砂層見水平層理,厚1.95 m。

⑩ 淺黃棕色黏土質(zhì)粉砂,見少量灰白色條紋,厚1.73 m。

┈┈┈┈平行不整合┈┈┈┈

早中更新世青弋江組,厚8.73 m。

～～～～角度不整合～～～～

古近紀(jì)雙塔寺組,厚度>2.2 m。

圖2 鉆孔ZK09下蜀組巖性柱狀圖Fig. 2 Lithologic column of the Xiashu Formation strata from Drill ZK09

3 樣品特征及測(cè)試方法

磁化率分析測(cè)試樣品采自鉆孔ZK10,采用捷克KAPPABRIDGE磁化率儀進(jìn)行測(cè)試,分析測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室完成。鉆孔ZK10位于鉆孔ZK09以西約6.5 km處,下蜀組深0～20.35 m,巖性與鉆孔ZK09相近,主要為棕黃色黏土質(zhì)粉砂,含鐵錳結(jié)核,采樣深度1.25～19.90 m,采樣間距0.2 m。在遠(yuǎn)離干擾磁場(chǎng)的情況下,對(duì)低頻質(zhì)量磁化率(0.47 kHz)和高頻質(zhì)量磁化率(4.7 kHz)分別進(jìn)行測(cè)試,并求取其頻率磁化率[13]。

粒度分析測(cè)試樣品采自鉆孔ZK09,采樣深度0.8～22.1 m,共采集8件樣品,編號(hào)L01—L08,采樣位置見圖2,巖性為棕黃色、淺棕黃色黏土質(zhì)粉砂。分析測(cè)試在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)激光粒度測(cè)試實(shí)驗(yàn)室完成,測(cè)試儀器為Mastersizer 3000激光粒度測(cè)試儀,粒度測(cè)試范圍為0.01～2 000 μm。測(cè)試前加雙氧水及鹽酸,除去有機(jī)質(zhì)及碳酸鈣,加分散劑浸泡,超聲波振蕩。全部樣品重復(fù)測(cè)量3次,誤差<2%。

黏土礦物測(cè)試樣品采自鉆孔ZK09,采樣深度0.8～23.1 m,共采集10件樣品,編號(hào)X01—X10,采樣位置見圖2,巖性為棕黃色、淺棕黃色黏土質(zhì)粉砂。采用X射線衍射方法,測(cè)試前用醋酸及雙氧水處理,分離出樣品中的黏土礦物。X射線衍射圖譜用理學(xué)D/max-rA型X射線衍射儀記錄,測(cè)試條件為CuKα衍射線,電壓40 kV,電流40 mA,分別對(duì)樣品進(jìn)行自然條件(掃描角度(2θ)3°～36°,步長(zhǎng)0.01°)、乙二醇條件(掃描角度(2θ)3°～36°,步長(zhǎng)0.01°)及慢掃測(cè)試(掃描角度(2θ)24°～26°),基于波譜信息獲取樣品黏土礦物成分及含量。樣品制備與測(cè)試均在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1磁化率與黃土-古土壤序列

磁化率是黃土研究中反映氣候波動(dòng)、分辨古土壤層與黃土層的一個(gè)重要物理參數(shù)[13-17]。鉆孔ZK10磁化率曲線如圖3所示,下蜀組低頻磁化率和高頻磁化率具有相似的變化趨勢(shì),呈波峰、波谷旋回性變化,且高頻磁化率同步低于低頻磁化率。鉆孔ZK10低頻磁化率值為(5.44～178.42)×10-8m3/kg-1,以9 m為界可分為2段。上段低頻磁化率平均值為107.5×10-8m3/kg-1,可分為3個(gè)波峰(S0、S1、S2)、2個(gè)波谷(L0、L1);下段低頻磁化率平均值為29.3×10-8m3/kg-1,可分為3個(gè)波峰(S3、S4、S5)、4個(gè)波谷(L2、L3、L4、L5)。鉆孔ZK10頻率磁化率與質(zhì)量磁化率具相似的變化規(guī)律,呈波峰、波谷旋回性變化,全層頻率磁化率平均值為13.15%,其波峰、波谷基本與質(zhì)量磁化率的波峰、波谷相對(duì)應(yīng)。

圖3 鉆孔ZK10磁化率曲線Fig. 3 Magnetic susceptibility curves of Drill ZK10

鉆孔ZK10磁化率表現(xiàn)的高低振蕩模式(即波峰、波谷旋回性變化)與北方黃土-古土壤序列磁化率特征[13]極相似,與南京[4,18]、鎮(zhèn)江[3]、宣城[14]等地區(qū)下蜀組的磁化率特征也相似。前人將這種波峰、波谷旋回性變化解釋為古土壤層與黃土層的交替[3-4,13,15]。在黃土磁化率曲線中,谷值段對(duì)應(yīng)黃土層,代表寒冷干燥時(shí)期的塵土堆積;峰值段對(duì)應(yīng)古土壤層,代表相對(duì)溫暖潮濕的氣候條件,氣候越濕潤(rùn),成壤作用越強(qiáng),磁化率越高[16-19]。

鉆孔ZK10下蜀組磁化率波峰、波谷旋回性變化,表明該區(qū)下蜀組沉積序列由古土壤層與黃土層垂向交替組成。根據(jù)磁化率及巖性特征,將該區(qū)下蜀組分為6個(gè)古土壤層與5個(gè)黃土層,分別與圖3中S0—S5和L0—L4相對(duì)應(yīng)。在巖性上,古土壤層偏棕色且鐵錳結(jié)核大部分風(fēng)化為鐵錳質(zhì)浸染,黃土層則以淺黃色為主,鐵錳結(jié)核保存較為完整。圖3中9 m以下磁化率整體偏低可能與網(wǎng)紋層發(fā)育[14]或地下水作用[20]有關(guān)。

4.2 黏土礦物及古氣候

鉆孔ZK09黏土礦物含量見表2?？芍?黏土礦物組合基本一致,均為伊利石、綠泥石、高嶺石和蒙脫石。伊利石平均含量為80.85%,為研究區(qū)含量最高的黏土礦物;綠泥石、高嶺石和蒙脫石平均含量分別為8.01%、7.12%和3.94%。除樣品X04外,其余樣品中伊利石含量均>75%,其中X05樣品伊利石含量高達(dá)94.01%。樣品X04蒙脫石含量最高(34.81%),其次為綠泥石(25.39%)和高嶺石(26.99%),伊利石含量(12.82%)最少。

表2 ZK09孔黏土礦物含量

伊利石一般在淋濾作用較弱的條件下生成,指示寒冷少雨的氣候，蒙脫石易形成于干濕交替的氣候環(huán)境[21]。鉆孔ZK09黏土礦物以伊利石為主,指示下蜀組沉積期間寒冷干燥的氣候特征。樣品X04的黏土礦物以蒙脫石和高嶺石為主,指示短暫的溫暖潮濕氣候,為黃土沉積間歇期古土壤層。黏土礦物含量變化進(jìn)一步佐證下蜀組沉積期間氣候旋回波動(dòng),形成黃土層與古土壤層交替的沉積序列。

4.3 粒度與多營(yíng)力沉積作用

除樣品L05和L07外,鉆孔ZK09下蜀組中值粒徑及平均粒徑為13.1～29.4 μm(圖4)。粒組成分中粉粒級(jí)(4～63 μm)占絕大部分,含量為79.0%～88.5%,平均含量為83.4%;黏粒級(jí)(0～4 μm)含量為7.8%～11.3%,平均含量為9.5%;極細(xì)砂級(jí)(63～125 μm)含量為1.5%～8.4%,平均含量為6.1%;基本不含細(xì)砂(125～250 μm)及以上粒級(jí)組分;粒度呈正態(tài)分布,具有較好的分選性(圖5(a)、(b)、(c)、(d)、(f)、(h))。

圖4 鉆孔ZK09中值粒徑及平均粒徑分布圖Fig. 4 Median and mean particle sizes of Drill ZK09

圖5 鉆孔ZK09粒度頻率分布直方圖Fig. 5 Histograms showing frequency distribution of various particle sizes in the Drill ZK09

樣品L05和L07的粒度分布與前述樣品具有較大不同,其平均粒徑分別為214 μm和158 μm,中值粒徑分別為54.1 μm和29.4 μm。粒度分布具有明顯的雙峰特征,呈粉砂及中粗砂2個(gè)優(yōu)勢(shì)粒組。樣品L05和L07粉砂含量分別為52.8%和56.5%,粗砂(粒徑為500～2 000 μm)含量分別為19.2%和13.6%,中砂(粒徑為250～500 μm)含量分別為13.1%和10.6%,細(xì)砂、極細(xì)砂、黏粒含量較低,皆<10%(圖5(e)、(g))。

沉積物的粒度組成受母源特征、運(yùn)輸介質(zhì)和沉積環(huán)境控制,粒度分析是研究沉積環(huán)境、運(yùn)輸過程及機(jī)制的重要手段[5,22]。黃土研究中,10～50 μm粒級(jí)稱為風(fēng)塵基本粒組[23]。研究表明,10～50 μm粒級(jí)顆粒在空氣中最易浮動(dòng),為主要的風(fēng)力懸浮搬運(yùn)對(duì)象;隨粒徑變大,搬運(yùn)系數(shù)變小,顆粒在空氣中的浮動(dòng)性能越來越差,>50 μm的粗粒很難懸浮在空氣中被長(zhǎng)距離搬運(yùn),只能以跳躍的形式搬運(yùn)[24-25]。鉆孔ZK09樣品L01—L04、L06、L08的10～50 μm粒組富集,粉砂粒級(jí)含量超過80%,表現(xiàn)風(fēng)成成因特點(diǎn)。

鉆孔ZK09樣品L05、L07位于下蜀組古土壤層沉積序列中,粒度成分顯示雙峰特征,具有粉砂及中粗砂2個(gè)優(yōu)勢(shì)粒組,指示沉積過程可能存在多種營(yíng)力作用。其中中砂及粗砂成分皆超過10%,應(yīng)為河流沉積作用的產(chǎn)物;粉砂成分為52.8%～56.5%,可能為風(fēng)成沉積或原黃土層經(jīng)河流作用再搬運(yùn)沉積產(chǎn)物。前人研究表明,鎮(zhèn)江下蜀組不同層位粒度組成表現(xiàn)出高度均一性,>50 μm的顆粒含量?jī)H占4.18%[6],這與研究區(qū)下蜀組粒度組成有很大區(qū)別,顯示下蜀組沉積還與其所處的巖相古地理位置具有密切關(guān)系。

5 討論

5.1 沉積環(huán)境

鉆孔ZK02與鉆孔ZK09的巖性關(guān)系對(duì)比如圖6所示。

圖6 下蜀組與大橋鎮(zhèn)組沉積關(guān)系對(duì)比圖Fig. 6 Sedimentary relationship between Xiashu Formation and Daqiaozhen Formation

鉆孔ZK02位于波狀平原與長(zhǎng)江漫灘沖積平原過渡地帶,孔口標(biāo)高13.51 m;鉆孔ZK09位于波狀平原,孔口標(biāo)高15.91 m。鉆孔ZK02揭露下蜀組深度為0～16 m,下部為大橋鎮(zhèn)組青灰色淤泥質(zhì)黏土、粉細(xì)砂及青弋江組卵礫石層;鉆孔ZK09揭露下蜀組深度為0～24.37 m,下部為青弋江組卵礫石層。標(biāo)高-8.46 m～-2.49 m層段,鉆孔ZK02為大橋鎮(zhèn)組河流相青灰色淤泥質(zhì)黏土,鉆孔ZK09為下蜀組風(fēng)成相棕黃色黏土質(zhì)粉砂,兩孔表現(xiàn)出同期異相的沉積特征。標(biāo)高-2.49 m以上,兩孔均為下蜀組棕黃色黏土質(zhì)粉砂。鉆孔ZK02與鉆孔ZK09巖性對(duì)比表明,下蜀組與大橋鎮(zhèn)組同期異相關(guān)系隨時(shí)間變化而變化。

磁化率與黏土礦物分析表明,下蜀組沉積期間存在多次寒冷干燥與溫暖潮濕氣候交替轉(zhuǎn)換。氣候冷暖變化也導(dǎo)致了河流水動(dòng)力條件的變化。在氣候寒冷干燥期,降水減少,江面變窄,河流沉積范圍小,寒冷干燥的氣候條件為風(fēng)塵堆積提供了動(dòng)力,沿江崗地沉積大量黃土(圖7(a))。隨著氣候變暖,季風(fēng)減弱,風(fēng)成沉積間斷,形成古土壤層。此后,降雨增加,河流沉積作用加強(qiáng),長(zhǎng)江水系水面擴(kuò)大,在河谷平原與波狀-淺丘狀平原的過渡地帶,長(zhǎng)江水系波及黃土沉積區(qū)古土壤層,沉積了中粗砂等河流相產(chǎn)物,形成了粒度雙峰分布的特征(圖7(b))。氣候再一次變冷,江面再一次變窄,河流沉積范圍變小,而風(fēng)成沉積區(qū)域變大,風(fēng)成沉積黃土覆蓋在古土壤層或河漫灘之上,形成了區(qū)內(nèi)下蜀組沉積序列旋回變化的特征(圖7(c))。

圖7 下蜀組形成環(huán)境示意圖Fig. 7 Schematic diagram showing sedimentary environment of the Xiashu Formation

5.2 成因

池州地區(qū)下蜀組巖性以棕黃色粉砂為主,土質(zhì)均勻,不顯層理,巖石結(jié)構(gòu)緊密,常見鐵錳結(jié)核或鐵錳質(zhì)浸染。除個(gè)別層段外,粒度組分以粉砂粒級(jí)為主,表現(xiàn)出風(fēng)成沉積的特點(diǎn)。黏土礦物成分及磁化率特征揭示下蜀組沉積期間總體為寒冷干燥氣候,夾幾次短暫的溫濕氣候。下蜀組形成期間整體寒冷干燥的氣候條件為風(fēng)塵堆積提供了動(dòng)力,形成黃土層沉積;氣候溫暖期,季風(fēng)營(yíng)力減弱,風(fēng)成沉積停止,古土壤層發(fā)育。風(fēng)成作用應(yīng)該為下蜀組沉積的主要營(yíng)力。

沉積環(huán)境分析表明,下蜀組沉積期間長(zhǎng)江河谷仍有河流活動(dòng)[12],在河流與崗地過渡地帶,黃土沉積間隙期,氣候變暖的同時(shí)帶來降雨增加,江面變寬,河流沉積覆蓋于黃土層之上,形成粒度組分雙峰分布的特征。河流作用應(yīng)該為下蜀組沉積的次要營(yíng)力,且影響程度與所處古地理位置相關(guān)。因此,下蜀組成因應(yīng)是多類型的,以風(fēng)成作用為主,河流作用為輔。

6 結(jié) 論

(1)下蜀組沉積期間存在多次寒冷干燥、溫暖濕潤(rùn)的氣候轉(zhuǎn)換,形成黃土層與古土壤層交替的沉積序列,表現(xiàn)為磁化率、黏土礦物成分呈周期性變化。

(2)黃土沉積間隙期氣候溫暖潮濕,沿江局部長(zhǎng)江水系河流作用參與了下蜀組的沉積。下蜀組沉積以風(fēng)成作用為主,河流作用為輔,且與所處的巖相古地理位置相關(guān)。