安徽池州地区下蜀组沉积环境及成因探讨

郭炳跃,王 毅,张 斌,张 璟,苏晶文,杨 洋

(1.江苏省地质勘查技术院,南京 210049;2.中国地质调查局南京地质调查中心,南京 210016)

下蜀组是长江中下游地区重要的第四纪岩石地层单元之一。20世纪30年代以来,众多学者对下蜀组的成因、沉积序列等做了大量研究,并取得了丰富的研究成果[1-4]。关于下蜀组的成因,学者们从沉积构造、粒度、矿物学特征、古气候环境等方面出发，形成了风成说[2-3,5-6]、水成说[7]和多成因说[8-10]等观点。成因争论的根源，可能是不同学者在下蜀组研究中选取了不同的区域和层位[2]，却忽视了岩相古地理环境对下蜀组形成的影响。在沿江地区,岩相古地理环境对下蜀组的形成具有重要影响[9]。因此,在分析古气候特征的基础上,结合下蜀组形成的古地理环境,分析其形成过程,对正确认识下蜀组的成因具有一定的必要性。

本文根据安徽池州地区第四纪地质特征,利用古地磁、黏土矿物测试及粒度分析等手段,分析了下蜀组沉积序列、岩性特征和古气候条件，结合下蜀组形成时的古地理位置和气候变迁等，对下蜀组沉积环境进行探讨，这对进一步认识下蜀组的成因具有重要参考。

1 地质背景

研究区位于长江中下游沿江丘陵平原,地处安徽省池州市西南部,北侧有长江,南东侧发育山地和丘陵,长江支流秋浦河自南西向北东流经该区。研究区浅表地层主要发育全新世芜湖组及中晚更新世下蜀组。芜湖组分布于长江及秋浦河沿岸河谷平原,形成平原地貌,地势平坦;下蜀组分布于研究区中西部,形成波状-浅丘状平原地貌,地势稍有起伏,高差一般为10～20 m(图1)。

研究区第四纪地层复杂,自下而上,河谷平原与波状-浅丘状平原分别发育2套地层系统(表1)。河谷平原以河流相为主,自下而上分别为青弋江组、大桥镇组和芜湖组;波状-浅丘状平原地层成因复杂,自下而上分别为戚家叽组、下蜀组及近现代堆积物。下蜀组岩性以棕黄色黏土质粉砂为主,含铁锰结核,岩石结构紧密。与下蜀组同期的大桥镇组主要分布于河谷地区,岩性为灰色粉细砂和黏土,大桥镇组上部被全新世芜湖组覆盖。

图1 研究区地质简图[11]Fig. 1 Geological sketch map of the study area[11]

表1 研究区第四纪地层表[12]

Table1Quaternarystratigraphyofthestudyarea[12]

时代河谷平原波状-浅丘状平原 岩石地层岩性岩石地层岩性 全新世芜湖组含砾中粗砂、粉细砂、黏土等近现代堆积物含砾黏土等 更新世大桥镇组灰色黏土、粉细砂等下蜀组棕黄色黏土质粉砂,含铁锰结核 青弋江组砂砾石、粉细砂、黏土等戚家叽组棕红色含粉砂黏土,含黏土砾石

2 下蜀组岩性特征

池州地区下蜀组厚0～25 m,以第四系钻孔ZK09为例(图2),下蜀组岩性特征如下。

① 耕植土,主要成分为黏土质粉砂,见植物根系,厚0.73 m。

中晚更新世下蜀组,厚23.64 m。

② 棕色黏土质粉砂,富铁锰质结核,核径0.3～1 cm,厚0.49 m。

③ 棕色黏土质粉砂,含铁锰质斑点,潮湿,厚2.48 m。

④ 灰黄色黏土质粉砂,富铁锰质结核,核径为0.2～0.5 cm,厚2.62 m。

⑤ 浅灰棕色黏土质粉砂,见铁锰质斑点和少量灰白色条带,厚1.44 m。

⑥ 棕黄色-棕色黏土质粉砂夹粉砂,铁锰质浸染强烈,厚1.84 m。

⑦ 浅灰黄色黏土质粉砂,见铁锰结核,发育灰白色条带,厚1.65 m。

⑧ 灰黄色黏土质粉砂,见少量铁锰结核,核径0.3～0.7 cm,厚2.07 m。

⑨ 棕色黏土质粉砂夹粉细砂,砂层见水平层理,厚1.95 m。

⑩ 浅黄棕色黏土质粉砂,见少量灰白色条纹,厚1.73 m。

┈┈┈┈平行不整合┈┈┈┈

早中更新世青弋江组,厚8.73 m。

～～～～角度不整合～～～～

古近纪双塔寺组,厚度>2.2 m。

图2 钻孔ZK09下蜀组岩性柱状图Fig. 2 Lithologic column of the Xiashu Formation strata from Drill ZK09

3 样品特征及测试方法

磁化率分析测试样品采自钻孔ZK10,采用捷克KAPPABRIDGE磁化率仪进行测试,分析测试在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室完成。钻孔ZK10位于钻孔ZK09以西约6.5 km处,下蜀组深0～20.35 m,岩性与钻孔ZK09相近,主要为棕黄色黏土质粉砂,含铁锰结核,采样深度1.25～19.90 m,采样间距0.2 m。在远离干扰磁场的情况下,对低频质量磁化率(0.47 kHz)和高频质量磁化率(4.7 kHz)分别进行测试,并求取其频率磁化率[13]。

粒度分析测试样品采自钻孔ZK09,采样深度0.8～22.1 m,共采集8件样品,编号L01—L08,采样位置见图2,岩性为棕黄色、浅棕黄色黏土质粉砂。分析测试在中国地质大学(武汉)激光粒度测试实验室完成,测试仪器为Mastersizer 3000激光粒度测试仪,粒度测试范围为0.01～2 000 μm。测试前加双氧水及盐酸,除去有机质及碳酸钙,加分散剂浸泡,超声波振荡。全部样品重复测量3次,误差<2%。

黏土矿物测试样品采自钻孔ZK09,采样深度0.8～23.1 m,共采集10件样品,编号X01—X10,采样位置见图2,岩性为棕黄色、浅棕黄色黏土质粉砂。采用X射线衍射方法,测试前用醋酸及双氧水处理,分离出样品中的黏土矿物。X射线衍射图谱用理学D/max-rA型X射线衍射仪记录,测试条件为CuKα衍射线,电压40 kV,电流40 mA,分别对样品进行自然条件(扫描角度(2θ)3°～36°,步长0.01°)、乙二醇条件(扫描角度(2θ)3°～36°,步长0.01°)及慢扫测试(扫描角度(2θ)24°～26°),基于波谱信息获取样品黏土矿物成分及含量。样品制备与测试均在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。

4 测试结果

4.1磁化率与黄土-古土壤序列

磁化率是黄土研究中反映气候波动、分辨古土壤层与黄土层的一个重要物理参数[13-17]。钻孔ZK10磁化率曲线如图3所示,下蜀组低频磁化率和高频磁化率具有相似的变化趋势,呈波峰、波谷旋回性变化,且高频磁化率同步低于低频磁化率。钻孔ZK10低频磁化率值为(5.44～178.42)×10-8m3/kg-1,以9 m为界可分为2段。上段低频磁化率平均值为107.5×10-8m3/kg-1,可分为3个波峰(S0、S1、S2)、2个波谷(L0、L1);下段低频磁化率平均值为29.3×10-8m3/kg-1,可分为3个波峰(S3、S4、S5)、4个波谷(L2、L3、L4、L5)。钻孔ZK10频率磁化率与质量磁化率具相似的变化规律,呈波峰、波谷旋回性变化,全层频率磁化率平均值为13.15%,其波峰、波谷基本与质量磁化率的波峰、波谷相对应。

图3 钻孔ZK10磁化率曲线Fig. 3 Magnetic susceptibility curves of Drill ZK10

钻孔ZK10磁化率表现的高低振荡模式(即波峰、波谷旋回性变化)与北方黄土-古土壤序列磁化率特征[13]极相似,与南京[4,18]、镇江[3]、宣城[14]等地区下蜀组的磁化率特征也相似。前人将这种波峰、波谷旋回性变化解释为古土壤层与黄土层的交替[3-4,13,15]。在黄土磁化率曲线中,谷值段对应黄土层,代表寒冷干燥时期的尘土堆积;峰值段对应古土壤层,代表相对温暖潮湿的气候条件,气候越湿润,成壤作用越强,磁化率越高[16-19]。

钻孔ZK10下蜀组磁化率波峰、波谷旋回性变化,表明该区下蜀组沉积序列由古土壤层与黄土层垂向交替组成。根据磁化率及岩性特征,将该区下蜀组分为6个古土壤层与5个黄土层,分别与图3中S0—S5和L0—L4相对应。在岩性上,古土壤层偏棕色且铁锰结核大部分风化为铁锰质浸染,黄土层则以浅黄色为主,铁锰结核保存较为完整。图3中9 m以下磁化率整体偏低可能与网纹层发育[14]或地下水作用[20]有关。

4.2 黏土矿物及古气候

钻孔ZK09黏土矿物含量见表2。可知,黏土矿物组合基本一致,均为伊利石、绿泥石、高岭石和蒙脱石。伊利石平均含量为80.85%,为研究区含量最高的黏土矿物;绿泥石、高岭石和蒙脱石平均含量分别为8.01%、7.12%和3.94%。除样品X04外,其余样品中伊利石含量均>75%,其中X05样品伊利石含量高达94.01%。样品X04蒙脱石含量最高(34.81%),其次为绿泥石(25.39%)和高岭石(26.99%),伊利石含量(12.82%)最少。

表2 ZK09孔黏土矿物含量

伊利石一般在淋滤作用较弱的条件下生成,指示寒冷少雨的气候，蒙脱石易形成于干湿交替的气候环境[21]。钻孔ZK09黏土矿物以伊利石为主,指示下蜀组沉积期间寒冷干燥的气候特征。样品X04的黏土矿物以蒙脱石和高岭石为主,指示短暂的温暖潮湿气候,为黄土沉积间歇期古土壤层。黏土矿物含量变化进一步佐证下蜀组沉积期间气候旋回波动,形成黄土层与古土壤层交替的沉积序列。

4.3 粒度与多营力沉积作用

除样品L05和L07外,钻孔ZK09下蜀组中值粒径及平均粒径为13.1～29.4 μm(图4)。粒组成分中粉粒级(4～63 μm)占绝大部分,含量为79.0%～88.5%,平均含量为83.4%;黏粒级(0～4 μm)含量为7.8%～11.3%,平均含量为9.5%;极细砂级(63～125 μm)含量为1.5%～8.4%,平均含量为6.1%;基本不含细砂(125～250 μm)及以上粒级组分;粒度呈正态分布,具有较好的分选性(图5(a)、(b)、(c)、(d)、(f)、(h))。

图4 钻孔ZK09中值粒径及平均粒径分布图Fig. 4 Median and mean particle sizes of Drill ZK09

图5 钻孔ZK09粒度频率分布直方图Fig. 5 Histograms showing frequency distribution of various particle sizes in the Drill ZK09

样品L05和L07的粒度分布与前述样品具有较大不同,其平均粒径分别为214 μm和158 μm,中值粒径分别为54.1 μm和29.4 μm。粒度分布具有明显的双峰特征,呈粉砂及中粗砂2个优势粒组。样品L05和L07粉砂含量分别为52.8%和56.5%,粗砂(粒径为500～2 000 μm)含量分别为19.2%和13.6%,中砂(粒径为250～500 μm)含量分别为13.1%和10.6%,细砂、极细砂、黏粒含量较低,皆<10%(图5(e)、(g))。

沉积物的粒度组成受母源特征、运输介质和沉积环境控制,粒度分析是研究沉积环境、运输过程及机制的重要手段[5,22]。黄土研究中,10～50 μm粒级称为风尘基本粒组[23]。研究表明,10～50 μm粒级颗粒在空气中最易浮动,为主要的风力悬浮搬运对象;随粒径变大,搬运系数变小,颗粒在空气中的浮动性能越来越差,>50 μm的粗粒很难悬浮在空气中被长距离搬运,只能以跳跃的形式搬运[24-25]。钻孔ZK09样品L01—L04、L06、L08的10～50 μm粒组富集,粉砂粒级含量超过80%,表现风成成因特点。

钻孔ZK09样品L05、L07位于下蜀组古土壤层沉积序列中,粒度成分显示双峰特征,具有粉砂及中粗砂2个优势粒组,指示沉积过程可能存在多种营力作用。其中中砂及粗砂成分皆超过10%,应为河流沉积作用的产物;粉砂成分为52.8%～56.5%,可能为风成沉积或原黄土层经河流作用再搬运沉积产物。前人研究表明,镇江下蜀组不同层位粒度组成表现出高度均一性,>50 μm的颗粒含量仅占4.18%[6],这与研究区下蜀组粒度组成有很大区别,显示下蜀组沉积还与其所处的岩相古地理位置具有密切关系。

5 讨论

5.1 沉积环境

钻孔ZK02与钻孔ZK09的岩性关系对比如图6所示。

图6 下蜀组与大桥镇组沉积关系对比图Fig. 6 Sedimentary relationship between Xiashu Formation and Daqiaozhen Formation

钻孔ZK02位于波状平原与长江漫滩冲积平原过渡地带,孔口标高13.51 m;钻孔ZK09位于波状平原,孔口标高15.91 m。钻孔ZK02揭露下蜀组深度为0～16 m,下部为大桥镇组青灰色淤泥质黏土、粉细砂及青弋江组卵砾石层;钻孔ZK09揭露下蜀组深度为0～24.37 m,下部为青弋江组卵砾石层。标高-8.46 m～-2.49 m层段,钻孔ZK02为大桥镇组河流相青灰色淤泥质黏土,钻孔ZK09为下蜀组风成相棕黄色黏土质粉砂,两孔表现出同期异相的沉积特征。标高-2.49 m以上,两孔均为下蜀组棕黄色黏土质粉砂。钻孔ZK02与钻孔ZK09岩性对比表明,下蜀组与大桥镇组同期异相关系随时间变化而变化。

磁化率与黏土矿物分析表明,下蜀组沉积期间存在多次寒冷干燥与温暖潮湿气候交替转换。气候冷暖变化也导致了河流水动力条件的变化。在气候寒冷干燥期,降水减少,江面变窄,河流沉积范围小,寒冷干燥的气候条件为风尘堆积提供了动力,沿江岗地沉积大量黄土(图7(a))。随着气候变暖,季风减弱,风成沉积间断,形成古土壤层。此后,降雨增加,河流沉积作用加强,长江水系水面扩大,在河谷平原与波状-浅丘状平原的过渡地带,长江水系波及黄土沉积区古土壤层,沉积了中粗砂等河流相产物,形成了粒度双峰分布的特征(图7(b))。气候再一次变冷,江面再一次变窄,河流沉积范围变小,而风成沉积区域变大,风成沉积黄土覆盖在古土壤层或河漫滩之上,形成了区内下蜀组沉积序列旋回变化的特征(图7(c))。

图7 下蜀组形成环境示意图Fig. 7 Schematic diagram showing sedimentary environment of the Xiashu Formation

5.2 成因

池州地区下蜀组岩性以棕黄色粉砂为主,土质均匀,不显层理,岩石结构紧密,常见铁锰结核或铁锰质浸染。除个别层段外,粒度组分以粉砂粒级为主,表现出风成沉积的特点。黏土矿物成分及磁化率特征揭示下蜀组沉积期间总体为寒冷干燥气候,夹几次短暂的温湿气候。下蜀组形成期间整体寒冷干燥的气候条件为风尘堆积提供了动力,形成黄土层沉积;气候温暖期,季风营力减弱,风成沉积停止,古土壤层发育。风成作用应该为下蜀组沉积的主要营力。

沉积环境分析表明,下蜀组沉积期间长江河谷仍有河流活动[12],在河流与岗地过渡地带,黄土沉积间隙期,气候变暖的同时带来降雨增加,江面变宽,河流沉积覆盖于黄土层之上,形成粒度组分双峰分布的特征。河流作用应该为下蜀组沉积的次要营力,且影响程度与所处古地理位置相关。因此,下蜀组成因应是多类型的,以风成作用为主,河流作用为辅。

6 结 论

(1)下蜀组沉积期间存在多次寒冷干燥、温暖湿润的气候转换,形成黄土层与古土壤层交替的沉积序列,表现为磁化率、黏土矿物成分呈周期性变化。

(2)黄土沉积间隙期气候温暖潮湿,沿江局部长江水系河流作用参与了下蜀组的沉积。下蜀组沉积以风成作用为主,河流作用为辅,且与所处的岩相古地理位置相关。