湘江衡阳段河漫滩沉积物粒度特征及其环境意义

熊平生，刘 亮，张楚楚，郝丽婷

(衡阳师范学院地理与旅游学院，湖南衡阳 421002)

0 引言

河漫滩沉积物是洪水时期形成的河流沉积，是河流地貌重要地质体.河漫滩沉积与环境作为一个跨学科的研究热点，在全球变化的相关领域受到极大关注[1].国内有关河漫滩沉积物的研究主要集中在如下几个方面：河漫滩沉积与洪水事件[2-3]、河漫滩沉积物与物源分析[4-5]、河漫滩沉积与流域环境污染[6-7]、古洪水沉积与气候变化[8].随着科学技术手段的进步，多学科交叉研究河漫滩的重要性越来越凸显.但是目前依然还存在一些问题：如河漫滩沉积洪水识别的代用指标存在分歧，需要进一步探索.此外，国内关于河漫滩沉积物的研究分布不平衡，目前主要集中在长江干流、黄河及其支流，我国南方一些重要河流河漫滩研究较为薄弱，尤其是河漫滩沉积与气候变化关系的研究鲜有报道.湘江衡阳段多级河漫滩沉积物是研究湘江洪水演变的非常理想的材料，其保存蕴含着丰富的沉积时期的环境信息.基于AMS14C高精测年基础上，通过对湘江衡阳段河漫滩剖面高密度采样和粒度测定，有助于揭示其沉积时期的气候变化，对重建了衡阳地区中全新世以来的气候环境演化有重要意义.

1 研究区概况

图1 剖面位置及研究区地质图Fig.1 Location of profile and geological map of research region

衡阳市区位于湖南省中南部，湘江从西南向东北斜穿城区，蒸水和耒水在城北汇入湘江.区域内地质概况类似于新华夏系构造，白垩系与第三系红色层略有斜度，第四系地层有明显出露.吉祥剖面(JX)位于湘江和耒水交汇附近，地理坐标为112.644°E，26.915°N，海拔高度为26 m，研究区地质图如图1所示.研究区以第三系地层分布较广，为陆相碎屑沉积岩，侏罗系、白垩系和二叠系和泥盆系的地层局部地区有出露.第四系地层分布在湘江及其支流蒸水、耒水河流两岸，为洪积、冲积相沉积物.

2 研究剖面和方法

图2 吉祥河漫滩剖 面地层及其年代分布Fig.2 Stratigraphy and ages of Jixiang floodplain sediments profile

2.1 研究剖面

采样剖面位于湘江和耒水交汇附近，距离耒水大桥大约1km处的左岸的一级阶地上，该剖面具有明显的二元结构，剖面厚约183 cm.以2 cm为间隔距离，从上往下依次对该剖面进行较高密度采样，共采集样品91个.野外取回的样品首先是自然晾干，然后剔除细根、塑料等杂物，在玛瑙钵研磨过2 mm土筛.吉祥剖面(图2)自上而下可以划分为:A层(0～33 cm)：灰黑色砂质粘土，含有较多树根状有机质物质；B层(34～64 cm)：灰黑色粉沙质粘土与灰黑色砂质粘土，含少量树根；C层(65～122 cm)：黑色略带黄色粘土.D层(123～158 cm)：灰黑色夹黄色粉砂土，含少量粗根.E层(159～182 cm)：灰黑色夹黄色粘土，具有较好的水平层理结构.剖面底部:河床相砾石层，砾石磨圆度较高，主要有砂岩、石英岩和灰岩等，多数砾石直径约为3～7 cm，粗大的砾石直径可达20～50 cm.

2.2 研究方法

2.2.1 AMS14C测年 在吉祥剖面距离地表182 cm处取样约10 g，用自封袋装好带回实验室自然晾干，测年样品命名为JX-C.样品在美国Beta实验室完成AMS14C测年，测年结果为(6 390±30) aBP，河漫滩剖面其余年代数据是根据内插方法得到.

2.2.2 粒度测试 从预先处理好的样品中称取土样约0.1 g，将样品倒入20 ml烧杯中，加入蒸馏水充分搅拌分散，静止24 h，然后加入浓度为1%的六偏磷酸钠溶液，再次静止24 h，使得沉积物颗粒充分分散，利用马尔文Masterizer-3000型激光粒度仪进行粒度测试，测试范围0.01～3 500 μm，样品自动重复测试三次取平均值，测试结果误差低于1%.本研Ø值的换算公式：Ø=-log2D，其他的参数换算根据Fork公式[9].粒度测试工作皆在本单位第四纪实验室完成.

3 结果与分析

3.1 JX剖面粒度分布特征

根据衡阳湘江河漫滩沉积物粒度分布(表1和图3)可知.砂粒(>63 μm)平均含量为53.05%，占据首位，分布范围为0～96.31%；粉砂粒(4～63 μm)平均含量为43.69%，分布范围为0～100%；粗粉砂(10～50 μm)为0～96.31%，平均含量为27.11.69%；粘粒(<4 μm)平均为3.26%，分布范围为0～4.55%.湘江河漫滩吉祥剖面砂粒和粉砂粒组分含量均较高，在各层次间有明显波动变化，且变化趋势相反.粘粒含量较低，整个剖面无明显的层理变化，河漫滩粒度组合特征显示，具有明显的流水冲积相特征.

表1 吉祥剖面部分样品粒度特征值Tab.1 Grain-size characteristic values of some samples in Jixiang profile

3.2 JX剖面粒度参数变化特征

图3 吉祥剖面粒度分布曲线图Fig.3 Distribution curves graph of grain-size in Jixiang profile

粒度参数分析可以用来判别沉积动力条件和沉积环境.如平均粒径用来指示搬运介质的平均动能；分选系数表示颗粒大小的均匀程度，其值越小表示沉积物颗粒分选越好.偏度被用来反映粒度分布的不对称程度；峰态用于衡量粒度频率曲线尖锐程度[10].

由图4可以知道，吉祥(JX)剖面平均粒径值(Mz)分布范围为-0.94～8.58 Φ，总平均值为3.74 Φ，说明河漫滩沉积物搬运介质平均动能较大.分选系数值分布范围为-2.74～-0.16，总平均值为-1.55，说明河漫滩沉积物在流水搬运作用下，细颗粒物质被带向河流下游地区，河漫滩沉积物的粒级范围较窄，以粉砂粒和砂粒为主，粒度集中趋势较好.偏度值分布范围为-0.82～0.88，总平均值为-0.10.负偏为主，反映河漫滩沉积物以粗粒组分为主；峰态值分布范围为0.32～2.13，总平均值为0.88，表明整个剖面峰态较宽.各层粒度参数特征值分布如下：

图4 吉祥剖面粒度参数散点图Fig.4 Scatter plots of grain-size parameters in Jixiang section

第E层MZ值分布范围为4.48～5.01 Φ，平均值为4.71 Φ，指示强沉积动力环境.分选系数为-1.62～-1.45，平均值-2.13，表明沉积物优势粒级组分明显，属于分选极好的等级.偏度值范围为-0.20～0.22，偏度均值为-0.20.峰态值分布范围为0.66～1.96，平均值为1.07，宽峰、中等峰态态居多，说明沉积物的砂粒、粉砂粒级含量较高.

第D层MZ值分布范围为0.28～4.84 Φ，平均值为2.59 Φ，指示强动力沉积环境.分选系数为-2.74～-1.34，平均值-1.53，表明沉积物优势粒级组分明显，属于分选极好的等级.偏度值范围为-0.16～-0.11,偏度均值为-0.17，为负偏态.峰态值分布范围为0.94～1.04，平均值为0.83，宽峰态居多.

第C层MZ值分布范围为3.15～8.58 Φ，平均粒径值为2.59 Φ，沉积动力绝大多数样品Mz值为5～6 Φ，说明沉积物以粉砂粒级组分为主，沉积动力较强.分选系数为-2.11～-0.19，平均值为-1.72，属于分选极好的范畴.偏度值为-0.39～0.88，平均值为0.006.90%的样品偏度值为-0.1～0.1，粒度曲线为近似对称分布.峰态值分布范围为0.32～2.13，平均值为0.85，为宽峰态型.

第B层MZ值为-0.94～2.79 Φ，平均值为0.73 Φ，反映沉积物粒度组分以砂粒为主，为极强动力沉积环境.分选系数值-1.97～-0.16，平均值为-0.72，属于分选极好范畴.偏度值分布范围为-0.82～0.69，平均值为-0.12，样品一半为负偏，一半为正偏.峰态值为0.46～0.99，平均值为0.73，样品属于正偏或极正偏.反映粒度频率曲线尖锐，沙粒、粉砂粒级组分含量高.

第A层MZ值为2.12～7.77 Φ，平均粒径值4.34 Φ，反映了沉积动力较强，沙粒级组分含量较高.分选系数分布范围为-2.04～-0.20，平均值为-1.42，属于分选极好范围.偏度值为-0.53～0.16，平均值为-0.09，样品中63%为负偏，27%为正偏.峰态值分布范围为0.49～1.02，平均值为0.82.样品属于正偏或极正偏范畴，反映了沙粒、粉砂粒级组分含量较高.

4 讨论

4.1 降水量对湘江河漫滩沉积物的影响

河漫滩沉积物组分的主要影响因素有降水、地貌和地质构造等，其中降水是直接影响河流动力变化的关键因素，河流水动力作用最终影响着沉积物的粒度组合之上，研究表明[11]，沉积物粗粒组分增大，暗示河流搬运动力增强.对于同一河段来说，河漫滩沉积物上洪水深度和洪水取决于降水量的多少，降水越大、持续时间越长，河水流量越大，反之，越小[12].因此，可以根据河漫滩沉积物颗粒变化确定降水量的多少.研究表明[13-14]，当气候变暖湿的时候，降水量增多，河流搬运动能增大，河漫滩沉积物以粗粒组分为主；反之，气候变冷变干时，降水量减少，河流搬运动力减弱，沉积物以细颗粒组分为主.经过野外实地考察发现，湘江衡阳段吉祥剖面为洪水沉积物.湘江流域属于中亚热带季风湿润气候，为大气降水补给型河流，河流洪水大小及其搬运动能的强弱取决于大气降水量的多少，降水量大、持续时间长常常引起高频率、高强度的洪水发生；降水量少、持续时间短则不易发生洪水灾害.正常年份降水发生在4-6月份，当夏季降水遇上台风暴雨时，可能诱发特大洪水，特大洪水一般带来更多的粗颗粒沉积物.

4.2 河漫滩沉积粒度特征记录的气候变化

根据湘江河漫滩吉祥剖面粒度组合分布特征，把湘江河漫滩沉积时期的气候变化划分为5个主要阶段：阶段E(159～182 cm)，流水沉积动力相对较弱，粉砂粒含量最高，平均值为63.64%，粉砂曲线递减的变化趋势.其次是砂粒组分平均含量为36.35%，其中粗粉砂平均含量为41.85%，砂砾组分和粗粉砂组分曲线呈递增的趋势，与粉砂组分曲线变化趋势相反；粘粒含量极少.粒度特征表明沉积物沉积时期的气候干旱.阶段D(123～158 cm)，流水沉积动力较强，砂粒含量最高，平均值为65.94%，砂粒曲线呈先增后减的变化趋势.其次是粉砂粒组分平均含量为33.81%，其中粗粉砂平均含量为22.61%，粉砂粒和粗粉砂曲线呈先减后增的趋势，与砂粒组分变化趋势相反.表明沉积时期的降水丰富，气候湿润.阶段C层(65～122 cm)，粉砂粒平均含量最高为61.13%，其中粗粉砂平均含量占35.10%，粉砂和粗粉砂曲线变化同步，呈递增的变化趋势.其次是砂砾平均含量为30.56%，砂粒曲线略呈递减的趋势.粘粒组分含量上升，平均值为8.31%.Mz值增大，流水沉积动力比D阶段减弱，表明该沉积时期为降水减少，偏干旱.此外，在122、74 cm附近，砂粒组分含量皆为0，出现了极端干旱气候事件，在中国、欧洲和非洲陆地的沉积环境中也有记录[15-16].阶段B(34～64 cm) ，砂砾组分平均含量最大为97.48%，砂粒曲线变化平稳.粉砂粒组分含量很少平均值为2.52%，粉砂曲线和砂粒曲线波动趋势相反，粘粒组分平均含量为0.Mz值为0.73 Φ，流水沉积动力极强，沉积物颗粒偏粗，砂粒占据绝对优势.推测该沉积物沉积时期气候非常湿润.阶段A(0～33 cm)，粉砂粒含量最高，平均值为49.44%，粉砂曲线波动显著，呈递减的趋势，粗粉砂平均含量为31.42%，粗粉砂曲线与粉砂曲线波动变化明显.砂粒平均含量较大为47.38%，砂粒曲线出现“两谷三峰”的特点.暗示了沉积时期气候为湿润时期.综上，吉祥河漫滩剖面沉积时期先后经历了5个阶段的气候变化：干旱期、湿润期、干旱期、强湿润期和湿润期.在江陵剖面沉积物[17]、鄱阳湖沉积物[18]、南漪湖沉积[19]、珠江口西南部[20]也这样干旱、湿润交替变化的相似记录.

5 结论

根据衡阳市湘江河漫滩吉祥剖面91个样品的粒度组合特征和粒度参数分析，并结合高精度AMS14C测年结果，初步得出以下结论:

(1)吉祥河漫滩剖面粒度组成以砂粒(均值为53.05%)和粉砂粒(均值为43.69%)为主.粘粒含量较少，平均值为3.26%.湘江衡阳段沉积物6 390年来河漫滩沉积分层明显，对干旱、湿润变化记载清晰，能够很好的指示降水量变化情况.沉积物粗细组分变化指示了沉积时期水动力强弱的变化，粗粒组分比重大的时候，暗示了沉积时期水动力强；粗粒组分含量低时，暗示沉积时期水动力作用小.

(2)吉祥(JX)剖面粒度参数显示：平均粒径值(Mz)平均值为3.74Φ，说明河漫滩沉积物搬运介质平均动能较大；分选系数值平均值为-1.55，说明河漫滩沉积物在流水搬运作用下，细颗粒物质被带向河流下游地区，以粉砂粒和砂粒为主，粒度分选性极好.偏度平均值为-0.10.负偏为主，反映河漫滩沉积物以粗粒组分为主；峰态平均值为0.88，表明整个剖面峰态较宽.

(3)根据湘江河漫滩吉祥剖面的粒度记录显示，衡阳地区6 390aBP以来的降水总体上上呈递增的趋势.具体划分5个阶段：阶段E(159～182 cm)为气候干旱期；阶段D(123～158 cm)为气候湿润期；阶段C层(65～122 cm)为干旱期；阶段B(34～64 cm)为强湿润期，是衡阳地区中全新世以来最为降水最充沛的时期；阶段A(0～33 cm)为气候湿润期.此外，在吉祥沉积剖面122、74 cm处出现沙粒组分含量皆为0，显示6 390年以来衡阳出现过两次极端干旱事件.