鄂东南咸宁北部冲洪积物的ESR年代及意义

王令占,杨 博,涂 兵

（中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心）, 武汉 430205）

第四系划分与对比是覆盖区区域地质调查、水文地质调查和工程地质调查的基本内容，也是江汉-洞庭盆地第四纪河湖演化、盆地充填过程及地质环境效应研究的重要基础[1-4]。近年来的研究表明，江汉-洞庭盆地周缘广泛发育的早更新世砾石层是古河流的冲积扇或辫状河流堆积，下游方向则发育扇三角洲或辫状河三角洲沉积[5-12]。

咸宁地区位于江汉盆地东缘，地处幕阜山西北缘低山丘陵与江汉平原过渡部位，第四系发育且分布广泛。目前对江汉盆地东缘第四系的研究主要集中在武汉市及周边[13-26]，咸宁地区第四系研究较少。湖北省地质局区域地质测量队[27]将咸宁地区第四系划分为中上更新统及全新统，并将区内“红色粘土砾石层-砖红色含砾网纹亚粘土-砖红色、棕黄色砂质亚粘土-红土（砂质粘土）”序列划为中上更新统；陈立德等[10]认为咸宁开发区一带砾石层为泥石流堆积体，并认为其形成时代为早更新世。这种分歧制约了对江汉-洞庭盆地充填演化过程的认识。

笔者等近年来在咸宁地区开展1∶5万区域地质调查工作，发现咸宁北部地区分布着大面积的冲洪积物。通过野外路线地质调查和钻孔揭露，查明了冲洪积物的分布范围及发育特征，ESR年代学测试结果显示，冲洪积物的形成时代为早更新世晚期至中更新世中期，为江汉-洞庭盆地充填演化过程研究提供了新的基础资料。

1 研究区地质地貌概况

咸宁地区位于长江中游南岸，幕阜山北麓。区内地势东南高、西北低，大致可分为构造中山区、低山丘陵区和冲积平原区三个地貌区（图1）。研究区大地构造位置处于扬子陆块褶皱带与江汉-洞庭盆地过渡带附近，本区出露中元古代-第四纪地层，第四纪地层跨鄂东地层分区、江汉盆地东缘小区和江汉盆地覆盖小区[28]。构造形迹主要为近东西向和北东向，控制了区内不同时代的地层发育、构造变形、岩浆活动和成矿作用，对近代地貌特征也有明显影响。

图1 研究区地貌及冲洪积物分布范围Fig. 1 The geomorphology and distribution of alluvial-diluvia deposits in the study area

本次工作区范围包括1∶5万渡普口幅、山坡乡幅、神山镇幅和咸宁市幅（图1），区内地层自志留系至第四系均有出露（图2）。志留系为粉砂质泥岩、粉砂岩夹砂岩；石炭系为微晶白云岩、灰质白云岩、生物屑微晶灰岩；二叠系为含燧石生物屑灰岩夹硅质岩；下三叠统为泥晶灰岩夹泥岩，中上三叠统-侏罗系为粉砂岩、泥岩夹石英砂岩、砾岩；白垩系-古近系为泥质粉砂岩、火山岩、砾岩、含砾砂岩。地貌以岗状平原为主，低平原与低山丘陵次之，整体地势较为平坦，湖泊星罗棋布。南部咸宁市区一带为低山丘陵，中北部以丘陵和平原相间的波状起伏地形为主，西北部长江两岸为冲积平原。区内属长江水系，河流有淦河、汀泗河、高桥河、金水河、余码河、横沟河，湖泊有西凉湖、斧头湖和梁子湖等。

图2 工作区地质简图Fig. 2 Simplified geological map of the study area

2 冲洪积物特征、沉积相及形成时代

2.1 冲洪积物空间分布及发育特征

通过详细的野外路线地质调查和第四纪钻孔揭露，圈定出两个冲洪积物堆积体，分别分布于咸宁市北部淦河下游和汀泗桥镇北部汀泗河下游（图1）。其中淦河下游冲洪积物堆积体（下文中称之为东部堆积体）规模较大，地表露头较好，由南向北发育，南部始于咸宁市区-高桥镇一线低山丘陵区，北部地表边界大致沿咸宁北站-横沟桥镇-双溪桥镇一线，第四纪钻孔及地表零星露头指示该堆积体实际北部边界已延伸至斧头湖畔。汀泗河下游冲洪积物堆积体（下文中称之为西部堆积体）规模相对较小，地表露头相对较差，堆积体整体呈南北向，南部起始于汀泗桥镇一带低山丘陵区，根据地表露头及第四纪钻孔揭露，堆积体边界大致沿祝家垴-章树咀-钟鸣桥一线。需要说明的是，东部与西部两个堆积体是基于野外路线调查和钻孔资料共同圈定，由于堆积体受后期沉积物覆盖、风化剥蚀及地表水系等作用改造，被分割成若干部分，地表出露已不连续，仅咸宁市区-横沟桥镇一带堆积体出露相对连续（图2）。

野外调查表明，由南往北，东部堆积体岩性呈现出由洪积物（观察点：D6068、D6077）向冲积物（观察点：D1011）逐渐过渡的变化趋势，冲积物之上被中更新世红棕色网纹状粘土（观察点：D1012）覆盖。典型观察点岩性为：

（1）D6068点：紫红色、红棕色含砾粘土（图3a），成分以粘土为主，粘土含量大于60%，砾石成分主要为砂岩、石英、燧石，砾径以2-15 cm为主，偶见长轴大于20 cm的转石，磨圆为次棱角状－次圆状，分选较差，砾石与粘土混杂堆积，发育弱网纹构造，地表常见被流水冲刷改造形成的粗化层（图3b）。

（2）D6077点：褐红色、红棕色网纹状粘土砂砾石层（图3c），砾石含量35%、粉细砂含量15%-30%、粘土含量35%-50%，砾石成分为石英、燧石、砂岩、粉砂岩，磨圆为次圆状，分选差，砾石砾径以1-3 cm和5-7 cm两个范围为主，粒度较南侧整体变细，粘土、砂、砾呈无序杂乱堆积，局部见发育铁锰质薄膜，网纹构造发育，网纹为灰白色粘土或粉质粘土，呈条带状、树枝状或不规则状，常见灰白色网纹中包裹大小不一的砾石。

（3）D1011点：红棕色弱网纹（或均质）粘土夹砾石层（图3d），主体为红棕色弱网纹状粘土或均质粘土，网纹为灰白色粘土或粉质粘土，呈斑点状、团块状或树枝状，网纹宽度为0.5-2.0 cm，偶见含砾石，所夹砾石层以砾石为主，粉细砂次之，砾石砾径以1.0-4.0 cm为主，成分主要为石英、砂岩、燧石，磨圆为次棱角状-次圆状，砾石层延伸多不稳定，呈透镜状。

图3 咸宁地区冲洪积物野外特征Fig. 3 Field outcrops of alluvial-diluvia deposits in the Xianning area

（4）D1012点：网纹状粘土-均质粘土，具双层结构，下部为红棕色网纹状粘土，网纹为灰白色、灰黄色粘土，多呈树枝状或条带状，宽约1-2 cm，长约3-8 cm，见较多铁锰质薄膜，上部为红棕色均质粘土，偶见含少量灰黄色粘土团块。

区内施工的多个钻孔均见及该套冲洪积物，典型钻孔为ZK04、ZK08、ZK36、ZK71、ZK83。其中钻孔ZK36位于咸宁市区东部，地处淦河支流源头，为丘陵-岗状平原过渡区，孔口海拔80.0 m。该钻孔揭露第四系覆盖层厚度为17.05 m，地层自上而下初步划分为全新世走马岭组（Qhz）、中更新世王家店组（Qp2w）、早更新世阳逻组（Qp1y）和晚白垩世-古新世公安寨组（K2E1g）（图4）。其中0-1.0 m为回填土；全新世走马岭组（1.0-3.5 m），上部为灰黄色粉砂质粘土，粘土含量75%，粉砂含量20%，铁锰质结核含量约5%，结核呈黄褐色，分布不均匀，大小为0.2-0.5 cm；下部为灰-浅灰色砾石层，砾石含量约50%，大小悬殊，砾径多为1.5-3 cm，最大可达7 cm，为棱角状-次圆状，充填物为砂、粘土。中更新世王家店组（3.5-12.95 m）为红棕色含砾粘土夹粘土层，上部为红棕色含砾粘土（下混杂层A相），粘土含量70%，砾石分布不均匀，总体占比30%，二者混杂堆积，砾石成分为砂岩、石英、燧石，大小悬殊，砾径为0.4-11 cm，多数为1-2.5 cm；砾石磨圆为次圆状-次棱角状，见网纹构造发育，网纹为灰白色粘土，呈不规则团块状、树枝状；中部为红棕色粘土（表泥层B相），粘土含量90%，含少量粉砂，局部见少量砾石，砾石成分为石英、粉砂岩，磨圆为次棱角状，砾径为0.3-0.8 cm；下部为红棕色含砾粘土（上混杂层A1相），粘土含量75%-80%，砾石含量20%-25%，砾石成分为粉砂岩、石英及燧石，砾径为0.5-2.5 cm，磨圆为次圆状，分布不均匀，分选差，砾石与粘土混杂堆积。早更新世阳逻组（12.95-17.05 m），上部为红棕色粘土（表泥层B相），粘土含量约90%，粉砂含量小于10%，含少量砾石，砾径为0.3-0.6 cm，成分以石英为主，少量粉砂岩，磨圆为次棱角状；下部为红棕色含砾粘土（上混杂层A1相），粘土含量60%-65%，砾石含量25%，粉砂含量约10%，砾石成分以粉砂岩为主，次为硅质岩，砾径为0.5-1.5 cm，最大可达4 cm，磨圆为次棱角状-次圆状。下伏基岩为晚白垩世-古新世公安寨组（K2E1g）浅灰色砾岩。

图4 钻孔ZK36岩芯照片、地层及沉积相划分Fig. 4 Photograph, subdivision of strata and sedimentary facies of the borehole ZK36

钻孔ZK83位于东部堆积体北部边界斧头湖畔，钻孔深度43.6 m，其中中更新世王家店组（Qp2w）厚度为42.6 m，上部0-2.85 m为红棕色粘土，发育弱网纹构造；2.85-42.6 m为红棕色、褐红色（夹黄褐色）含砾粘土，粘土含量50%-70%，砾石含量30%-50%，砾石成分以硅质岩、燧石为主，见粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩，砾径以0.3-2.0 cm为主，最大可达8 cm，磨圆差，为棱角状或次棱角状，砾石与粘土混杂堆积。西部堆积体因后期改造强烈，地表露头零星，变化规律不甚清楚，典型岩性见于钻孔ZK04、ZK08、ZK71，沉积物共性特征为粘土含量高、砾石成分杂、分选差、磨圆差，砾石与粘土混杂堆积。

2.2 冲洪积物沉积相

地表调查及钻孔揭露表明，东部与西部冲洪积物堆积体均具有粘土含量较高（＞50%）、砾石成分复杂、分选差、磨圆差（次圆状、次棱角状或棱角状）的特点，且砾石与粘土排列无序，大小混杂，显示冲洪积物近源快速堆积特点，与江汉-洞庭盆地周缘津市黄牯山、长沙望麓桥、宁乡龙骨冲等地堆积物特征相似，具泥石流沉积特征。其中东部堆积体中东部由南往北沉积物粒度逐渐变细，整体上具有含巨砾、砾石的粗粒沉积（扇顶相）—砂砾石层、砂质粘土夹砾石层（过渡相）—砂质粘土、粘土（扇缘相）冲洪积扇沉积相组合特征。

根据崔之久、熊黑钢总结的泥石流沉积相模式[29-30]，一次泥石流的沉积由下向上的相序包括初期铺床过程的细粒沉积即底泥层（D相）、中期泥石流快速沉积的粗砾泥石流层即下混杂层（A相）、晚期泥石流分异的细砾泥石流层即上混杂层（A1相）、后期泥石流悬浮沉积的细粒沉积即表泥层（B相）和河流对泥石流冲刷改造的沉积即冲刷层（C相）。据此，咸宁地区东部堆积体以下混杂层（A相）和上混杂层（A1相）为主，表泥层（B相）和冲刷层（C相）也见发育（图3、图4），纵向及横向均相变较快；西部堆积体则以上混杂层（A1相）为主。

2.3 冲洪积物形成时代

已有研究对咸宁地区冲洪积物的形成时代看法不一[10,27]，但均无定量数据约束。为了确定该套冲洪积物的形成时代，便于进行区域对比，本次在三个典型钻孔中采集了4件测年样品，其中样品ZK04-ESR-1岩性为含粘土砾石层，埋深为8.25-8.42 m；样品ZK36-ESR-1岩性为含砾粘土，埋深为12.43-12.66 m；样品ZK36-ESR-2岩性为含砾粉质粘土，埋深为13.16-13.35 m，样品ZK83-ESR-1岩性为含砾粘土，埋深为40.55-40.82 m。考虑到该套冲洪积物形成时代可能较老（早于晚更新世），本次采用ESR（电子自旋共振）测年方法进行地质年代测试。

ESR测年的基本原理是利用电子自旋共振的方法直接测定样品自形成以来由于辐射损伤所产生的顺磁中心的数目。这些顺磁中心的多少与时间（年龄）、样品及环境中放射性元素含量等相关。实验室通过以下公式获得ESR年龄：A年龄(ka)=P古剂量(Gy)/D年剂量(Gy/ka)，古剂量是指在所测事件发生以来矿物所累积的ESR信号，年剂量由样品及周围环境中铀、钍和钾，以及宇宙射线、含水量等决定。该测试方法具有测年范围广、测定对象广泛的特点。本次样品ESR年代学测试由北京光释光实验室科技有限公司完成，样品辐照在北京大学钴源实验室进行，古剂量测量采用德国布鲁克公司EMX BRUKER X-Band ESR 信号测量谱仪，年剂量测定仪器型号为NexION300D等离子体质谱仪（U、Th）和Z-2000石墨炉原子吸收分析仪（K）。本次所测样品符合ESR测年要求，测量信号较好，测试结果表明冲洪积物形成时代为早更新世晚期-中更新世中期（表1），其中地表出露的冲洪积物堆积体主要形成于中更新世，早更新世冲洪积物仅见于钻孔之中。

表1 咸宁地区冲洪积物ESR测年结果Table 1 ESR dating of alluvial-diluvia deposits in the Xianning area

20世纪60年代以来，以阶地分析和冰川论为基础开展的地层划分和对比研究，在江汉平原周缘及洞庭湖地区，建立了区域第四系划分与对比方案[31-34]。在洞庭湖地区，将网纹红土与下伏砾石层视为河流相二元结构，分别建立了白沙井组（中更新世）、新开铺组和洞井铺组（早更新世）；在江汉平原周缘，将第四纪网纹红土时代确定为中更新世，将下伏砾石层时代确定为早更新世；在武汉地区，建立了王家店组（中更新世）和阳逻组（早更新世）。但上述地层划分对比方案，却造成了相邻地区地层划分与对比的困难[8-10]，并使得江汉-洞庭盆地河湖演化与盆地充填演化研究受限。

越来越多的研究表明，江汉-洞庭盆地周缘广泛发育的砾石层是盆地周缘的古河流的冲洪积扇或辫状河流堆积。对这些砾石层的年代学研究表明，其多形成于早更新世中晚期[5-7,10,21,34-39]，并认为江汉-洞庭盆地周缘冲洪积扇活动时期为早更新世。本次研究表明咸宁地区冲洪积扇活动不仅限于早更新世，而是从早更新世晚期一直持续至中更新世中期，这可能暗示江汉-洞庭盆地周缘的冲洪积扇活动在早中更新世一直都有发育[40]。

3 讨论

对野外调查点和钻孔资料的系统梳理，发现在次生网纹构造非常发育的冲洪积物观察点（如D6068、D6077）或钻孔中，砾石成分多为难以风化的砂岩、石英、燧石等，偶见粉砂岩，砾石易识别；而在网纹构造不甚发育的钻孔（如ZK83）中，砾石成分以硅质岩、燧石等为主，但常见粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩砾石，呈风化残留状，并保持原岩颜色。因此，冲洪积物中泥岩砾石是否可识别与其遭受的风化程度密切相关，在风化程度较弱的冲洪积物中，泥岩砾石易识别，而在遭受强烈风化网纹构造发育的地表冲洪积物中，即使存在志留系等地层的泥岩砾石，在长时间湿热气候条件下强烈风化，经历成土、网纹化等一系列变化，颜色、结构、构造都发生了改变，原生沉积构造、砾石边界难以识别，和冲洪积物中的沉积粘土难以区分。按照各组分含量对沉积物进行定名时，砾石含量被低估，但并不影响对该套沉积物为冲洪积成因的判断。

基于已有的地表路线地质调查、第四纪钻孔等资料，圈定的两个冲洪积物堆积体范围（遭受后期改造之前）如图1所示。东部堆积体中东部由南往北沉积物粒度逐渐变细，整体上具有扇顶相—过渡相—扇缘相冲洪积扇沉积相组合特征。野外露头和钻孔资料显示冲洪积物具有泥石流沉积特征。各钻孔揭露冲洪积物的物质组成、砾石成分、分选、磨圆等特征差异指示不同钻孔所控制的并非同一个堆积体，ESR年代也表明东部和西部两个大的堆积体可能是由多个形成于不同时代（早更新世晚期-中更新世中期）、不同物源（河流上游或邻近丘岗高地）的小规模冲洪积物堆积体组成，受后期沉积物覆盖、风化剥蚀及地表水系等作用改造，完整性遭到破坏，地表出露已不连续（图2）。因冲洪积物多为混杂堆积、岩性变化快，延伸不稳定，目前的资料和工作程度，尚不能精细刻画各堆积体的结构。

4 结论

（1）咸宁地区发育的冲洪积物粘土含量高，砾石分选差、磨圆差，排列无序，混杂堆积，显示近源快速堆积特点，具泥石流沉积特征。东部堆积体的中东部整体上具有扇顶相-过渡相-扇缘相冲洪积扇沉积相组合特征。

（2）ESR测年结果显示，咸宁地区冲洪积物形成时代为(1119±111)ka～(336±51)ka，属早更新世晚期至中更新世中期，这可能指示江汉-洞庭盆地周缘冲洪积扇活动不仅限于早更新世，而是一直持续至中更新世中期。

审稿专家和编辑部给本文提出许多宝贵修改意见，在此表示诚挚感谢！