引用本文
刘庚寅, 赵伟, 魏方辉, 罗来, 赵睿成, 梁恩云. 湖南常德南斗姆湖地区早更新世砾石层砾组分析与沉积特征研究[J].中国地质调查, 2019,6(2): 68-75.
LIU Gengyin, ZHAO Wei, WEI Fanghui, LUO Lai, ZHAO Ruicheng, LIANG Enyun. Study on gravel analysis and sedimentary characteristics of the Early Pleistocene gravel layers in Doumuhu district of southern Changde[J].Geological Survey of China, 2019,6(2): 68-75.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2019.02.08
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湖南常德南斗姆湖地区早更新世砾石层砾组分析与沉积特征研究
刘庚寅, 赵伟, 魏方辉, 罗来, 赵睿成, 梁恩云
湖南省地质调查院,长沙 410116
通信作者简介: 赵伟(1987—),男,硕士,工程师,主要从事第四纪地质调查与研究。Email: 331003077@qq.com。

第一作者简介: 刘庚寅(1987—),男,硕士,工程师,主要从事区域地质调查工作。Email: liugengyin321@163.com。

收稿日期: 2018-08-06
基金资助: 中国地质调查局“湖南1:5万常德市、牛鼻滩、斗姆湖、汉寿幅区域地质调查(编号: DD20160029-16)”项目资助
摘要

为了查明洞庭盆地西缘早更新世砾石层沉积特征及沉积环境,在1:5万地质调查基础上,对常德南斗姆湖地区几处第四系砾石层剖面进行了较系统的测量与统计。结果表明: 砾石成分主要来源于寒武纪或前寒武纪地层。砾石分选系数 Sa 为1.16 ~1.64,部分测点 Sa>1.40,反映砾石形成时水动力很强,部分砾石层为快速堆积。砾石扁度 F为2.06~2.32,大于2.0,砾石以扁平状为主。砾石普遍弱—中等风化,部分砾石强风化,反映砾石在沉积搬运过程中存在风化暴露。砾向分析显示古水流主要来源于SWW—NW向,表明砾石层形成时期古地貌与现有地貌有较大差异。剖面对比得出,区内砾石层是在冲洪积扇基础上发育的以辫状河相为主的沉积体。对研究区砾石层沉积相及古地貌的新认识,为区内金刚石原生矿床的找矿工作提供支撑。

关键词: 第四系; 砾组分析; 冲洪积扇; 洞庭盆地
中图分类号:P534.631;P578.16 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2019)02-0068-08
Study on gravel analysis and sedimentary characteristics of the Early Pleistocene gravel layers in Doumuhu district of southern Changde
LIU Gengyin, ZHAO Wei, WEI Fanghui, LUO Lai, ZHAO Ruicheng, LIANG Enyun
Hunan Institute of Geological Survey, Changsha 410011, China
Abstract

In order to determine the sedimentary characteristics and depositional environment of the Early Pleistocene gravel layers at the western edge of Dongting Basin, the authors systematically measured and counted several Quaternary gravel profiles in Doumuhu area of South Changde, based on the 1:50 000 geological survey. The results show that the gravels mainly come from the Cambrian or Precambrian strata. The gravel sorting coefficient Sa ranges from 1.16 to 1.64, with some measuring points of Sa>1.40, which indicates that the gravel layers are deposited with strong hydrodynamic force condition and some of gravel layers are rapid accumulation deposits. Most gravel is flat, with the gravel flatness F from 2.06 to 2.32, which is more than 2.0. The weathering degree of the gravel is low to moderate, with strong weathering degree in some gravel, which means that the weathering exposure exists during the gravel movement. The preferred orientation of gravels shows that the paleocurrents mainly come in the direction of SWW-NW, which indicates that the paleoceanography of the gravel deposition is much different from the modern topography. Through comprehensive comparison of the sections, the authors could conclude that the gravel layers are mainly braided fluvial sediments from alluvial-diluvial fans. The results can provide some new ideas about the sedimentary facies and paleoceanography of the layer gravel, and also support the exploration of the primary diamond deposits in this area.

Keyword: Quaternary; gravel analysis; alluvial-proluvial fan; Dongting Basin
0 引言

砾石层是对形成环境反应最为灵敏的一类沉积体。对砾石层砾组分析, 能有效地恢复第四系沉积物形成时期的地质环境背景[1, 2, 3, 4]。砾石层统计分析主要包括砾度分析、砾态分析、砾向分析和砾性分析等。通过这些分析, 可追溯砾石物质来源、搬运距离、古水流及砾石堆积特征等。对洞庭盆地第四系沉积物研究由来已久, 不同地质工作者对洞庭盆地的沉积与构造演化进行了探索[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]。而以往研究主要偏向于对盆地内部沉积物的研究, 对于盆地边缘第四纪砾石层等沉积物的研究相对较少。关于洞庭盆地边缘沉积物形成原因, 前人研究的主要观点集中在河流阶地、冲积扇或扇三角洲等不同认识上[12, 13]。早期的区域地质调查工作者将这些盆地边缘沉积物归为河流阶地产物, 按不同标高, 划分为一至五级阶地。然而, 在实际地质工作中却发现, 盆地边缘地区的阶地发育不齐全, 也不完整, 这给区内地层对比与划分带来了一定的困难。近年来, 陈立德等[12]认为“ 阶地理论” 不能很好地解释这些砾石层沉积特征, 通过对宜昌地区砾石进行研究, 提出了洞庭— 江汉盆地边缘的砾石层是在冲积扇的基础上进一步发育起来的。同样, 向芳等[14, 15]在研究长江三峡贯通时, 认为江汉盆地西缘的云池组、善溪瑶组(早— 中更新世地层)不属于河流阶地产物, 而是冲积扇-扇三角洲-内陆湖泊相沉积的产物。

本文主要针对洞庭盆地西缘斗姆湖地区早更新世砾石层开展工作。在1:5万地质调查的基础上, 通过剖面测量、砾组统计与分析, 结合层位综合对比, 初步查明砾石层沉积特征及其沉积时期的古环境、古地貌特征, 为洞庭盆地边缘第四系砾石层研究提供新的认识和补充。

1 区域地质背景

研究区位于洞庭盆地西南缘, 东侧为安乡凹陷(洞庭盆地次级凹陷), 北侧为太阳山隆起、临澧凹陷, 西侧和南侧分别为武陵隆起、雪峰隆起。四水之一的沅江经2次大拐弯由SW向转为近EW向流入洞庭盆地(图1)。

图1 常德南斗姆湖地区第四系地质简图
1.基岩; 2.下更新统常德组; 3.中更新统白沙井组; 4.中更新统马王堆组; 5.上更新统白水江组; 6.全新统; 7.单线河/双线河; 8.湖泊水域; 9.剖面位置及编号Fig.1 Quaternary geological sketch of Doumuhu area, South Changde

研究区南西高北东低。其中南西部主要以丘陵地貌为主, 靠近沅江东侧出露白垩纪— 古近纪红层。基岩之上为第四系早更新世常德组(Qp1cd)砾石层, 呈面状展布, 厚度从几米至二十几米变化, 砾石层中夹少量砂质、粉砂质黏土透镜体, 部分砾石层上部为网纹黏土披覆。中部为丘岗地貌, 主要为马王堆组(Qp2mw)网纹黏土覆盖; 局部可见白沙井组砾石层(Qp2b)出露, 该组砾石层主要为一套河流埋藏阶地沉积产物。北东部逐渐过渡为波状平原, 浅表为全新统河漫滩沉积物覆盖。在工作区的南西部、中部的现代河流两侧, 出露晚更新世白水江组(Qp3bs), 该组厚度不大(2~3 m), 下部为砾石层, 上部为粉砂质黏土, 具典型的河流二元相结构。

2 研究对象与研究方法

本次研究以早更新世常德组砾石为对象, 选择出露良好的近期人工开挖剖面, 根据砾石岩性特征对其进行分层。在同一层划出一个50 cm× 50 cm大小的方格, 在方格内随机选取砾石进行测量。测量内容包括砾石ab面倾向、倾角, 砾石各轴(a、b、c轴)的长度, 记录各砾石成分、磨圆度、风化程度等。通过室内统计分析, 得出砾石砾度、砾态等各项参数。其中砾度参数包括砾径加权平均值 d-和砾径的中值 d-50, 以及各轴的分选系数Sa、Sb、Sc。砾态统计数据包括砾石的扁平度(F)、球度(ψ )、磨圆度(P)和风化程度等[1, 2, 3]。

3 剖面分布及岩性

本次测量主要针对图区西南部基岩之上的常德组砾石层, 主要选择砾石层出露厚度较大、成层性好且有良好的可对比性的剖面。剖面位于常德市南斗姆湖地区(图1), 以丘陵地貌为主, 标高80~130 m。本次所测量的3个砾石层剖面都位于白垩纪或古近纪基岩之上, 各剖面的岩性特征如下。

3.1 皂角冲剖面(D5023)

位于斗姆湖南西皂角冲西, 剖面出露标高110 m, 垂直高度约14 m, 由上往下剖面岩性特征如图2。

图2 皂角冲剖面(D5023)素描图
1.网纹状黏土; 2.黏土; 3.砾质黏土; 4.粉砂质黏土; 5.粉砂; 6.细砂; 7.砾石; 8.铁盘; 9.分层号; 10.测量位置及编号Fig.2 Sketch of the Zaojiaochong profile (D5023)

⑧棕红色网纹状黏土, 未见顶。

⑦灰黄色粉砂质黏土层。厚1~1.5 m。发育水平层理, 弱网纹化。

⑥灰黄色中砾石层。厚约2 m。砾石有明显的定向排列特征, 发育叠瓦状构造; 砾石间主要为粗— 中砂充填; 在砾石层顶部发育一厚2~4 cm的铁盘。测点5023-6位于该层。

⑤砖红色粗砾石层。厚约3 m。砾石间主要为粗砂、黏土充填, 黏土和粗砂在砾石间分布极不均匀。该砾石层对下部黏土层有很强的冲刷破坏作用。测点5023-5位于该层。

④灰白色、灰黄色砾质黏土。其呈透镜状, 厚0.4 m。黏土中砾石以细砾为主, 次圆— 次棱角状, 二者夹杂于一体。

③砖红色粗— 中砾石层。厚约3 m。砾石间主要为粗— 中砂充填; 砾石中发育叠瓦状构造。测点5023-3位于该层。

②灰白色与浅灰黄色、紫红色互层的细砂、粉砂和粉砂质黏土层。内部有3个正粒序基本层序, 细砂层中普遍发育波状层理、交错层理; 粉砂质黏土中发育水平纹层、条带状构造等。顶部发育一层厚约1 cm铁盘。

①灰黄色粗— 中砾石层。未见底, 砾石有一定的定向性, 局部发育叠瓦状构造, 砾石间主要为中— 粗砂充填, 为颗粒支撑结构。

3.2 李家冲剖面(D5141)

位于斗姆湖南西李家冲南, 剖面标高114 m, 垂直高度约6 m, 由上往下剖面岩性特征如图3(a)。

图3 李家冲剖面(D5141)(a)与药王溪村剖面(D3251)(b)素描图Fig.3 Sketches of the Lijiachong profile (D5141) (a) and Yaowangxi Village profile (D3251) (b)

④表层土。厚0.4 m。

③灰黄色粗— 中砾石层。剖面上厚约1.5 m。由下往上砾石层有变细趋势, 该层与下部砾石层界线清晰, 界面较平整, 中间显现有平行层理构造。

②浅灰色— 灰黄色粗砾石层。厚2.3 m。砾石具明显定向性, 发育叠瓦状构造; 砾石间主要为中— 粗砂充填; 该砾石层中部发育铁盘。测点5141-2位于该层。

①灰黄色粗— 中砾石层。厚2 m。砾石层中发育叠瓦状构造, 砾石之间充填物为砂和细砾。测点5141-1位于该层。

3.3 药王溪村剖面(D3251)

位于斗姆湖西药王溪村北, 出露标高115 m, 垂直高约4 m, 由上往下剖面岩性特征如图3(b)。

③表层土。厚0.3 m。

②砖红色细— 中砾石层。厚约1.5 m。砾石间主要为砂质和黏土充填, 为杂基支撑结构; 砾石层局部发育砂质透镜体, 透镜体厚5~15 cm, 延伸长30~80 cm, 其上部常被后期砾石冲刷破坏。

①砖红色粗砾石层。厚约2.5 m。粗砾石间主要为粗砂、中砂、黏土、细砾等充填, 为杂基支撑结构; 砾石有良好定向性, 普遍倾向NW。砾石中部发育厚2~3 cm的铁盘, 其斜切砾石层。测点3251-1位于该层。

4 基岩地层与砾组分析
4.1 基岩地层

研究区内主要出露白垩纪或古近纪地层, 岩性以紫红色泥岩、粉砂质泥岩、长石石英砂岩、砂质砾岩等为主。外围主要出露寒武纪及前寒武纪地层。其中寒武纪地层主要为灰岩、白云岩、碳质硅质岩等; 震旦纪地层主要为碳质硅质岩等; 南华纪地层主要为浅变质长石石英砂岩、砾质砂岩等; 青白口纪板溪群主要为粉砂质板岩、石英砂岩、长石石英砂岩等; 青白口纪冷家溪群主要为浅灰绿色粉砂质板岩等。

4.2 砾组分析

4.2.1 砾石成分

据砾石成分统计数据(表1), 6个测点的砾石成分主要以硅质岩为主, 脉石英、石英砂岩次之, 部分测点见碳质硅质岩、粉砂质板岩、黏砾、硅化石英砂岩、粉砂岩、碎裂岩等。虽砾石成分主要为抗风化较强的岩石(硅质岩、脉石英)组成, 根据该区域上基岩出露特征初步判断砾石母岩主要来源于寒武纪地层及前寒武纪地层。

表1 斗姆湖地区第四纪砾石层砾石岩性特征 Tab.1 Gravel lithologic features of Quaternary gravels in Doumuhu area

4.2.2 砾石砾度

统计结果显示, 砾石a轴的加权平均砾径 d-a为48.9~92.7 mm, 表明研究区砾石层以中— 粗砾石层为主, 同一剖面砾石粗细差异明显。砾石a轴直方图(图4)显示, 剖面D5023的③、⑥层及剖面D5141的①层砾石相对较为集中, 而其余测点砾石相对较分散, 且各测点峰值偏左, 表明砾径较大的砾石数量偏少, 且分布较散。

图4 斗姆湖地区第四系砾石层砾径a轴直方图Fig.4 Histogram of a-axon size-frequency distribution of Quaternary gravels in Doumuhu area

砾石分选系数Sa为1.16~1.64, 部分测点(5023-5、5141-2、3251-1)分选系数在1.40以上, 大于朱大岗等[1]和马永法等[2]所测河流相沉积的砾石层, 反映这部分砾石层分选性差, 为快速堆积。综合分析可知, 砾石沉积过程中水动力是较强的, 且不同时期水动力有明显的强弱变化。

4.2.3 砾石砾态

表2显示: 砾石扁度F为2.06~2.32, 大于2.0, 即砾石以呈扁平状为主; 而砾石球度ψ 为0.64~0.68, 与朱大岗等[1]所测的河流相湖滨相砾石较为接近; F/ψ 值为3.05~3.46, 变化很小, 反映各砾石层砾态差异较小。

表2 常德南斗姆湖地区第四纪砾石层的砾态特征 Tab.2 Gravel shape features of Quaternary gravels in Doumuhu area

砾石磨圆度P值为66.67%~82.35%, 表明砾石以圆— 次圆状为主, 部分为次棱角状。在统计过程中, 笔者发现部分砾石层中砾石有明显的破损现象, 以测点5023-5、5141-2、3251-1砾石破损现象较为常见, 反映砾石在快速堆积时, 因砾石之间较强的撞击发生破损。

砾石风化强度统计显示, 各剖面上砾石普遍有弱— 中等风化(1~2级), 部分砾石为强风化。强风化的砾石一般呈灰黄色, 普遍黏土化, 松散易碎, 表明在沉积搬运过程中砾石存在明显的暴露风化时期。

4.2.4 砾石砾向

对砾石ab面倾向、倾角进行统计, 统计结果显示砾石倾向主要集中在SWW— NW向, 部分测点砾石倾向集中于NNE向(图5)。砾石倾角主要集中在5° ~35° 之间, 部分测点(5023-5、5141-2、3251-1)中一定比例(10%以上)砾石倾角> 45° , 结合剖面上砾石层中发育的叠瓦状构造, 推断砾石受长期水流搬运与改造, 部分砾石层是在短时间内快速堆积形成。根据砾石ab面倾向特征, 推断砾石层形成时古水流主要来源于SWW— NW方向, 而在部分砾石层中存在的NNE向, 暗示在砾石层沉积过程中受多个物源区的影响。

图5 斗姆湖地区第四纪砾石层砾向玫瑰花图Fig.5 Gravel direction rose diagrams of Quaternary gravels in Doumuhu area

5 沉积特征及沉积环境、古地貌分析
5.1 沉积特征及沉积环境分析

如前所述, 研究区砾石层主要以中— 粗砾为主, 细砾石层、砂层、黏土层相对较少, 砾石层内部的冲刷破坏现象十分普遍, 表明在沉积过程中水动力是很强的; 而剖面上砾石层砾度及砾态等差异, 反映了不同时期不同的水动力作用的结果。从沉积特征上分析(图6), 剖面D5023第②层砂质、粉砂质透镜体, 成分纯, 发育波状层理、水平纹层, 且有一定厚度, 属河流三角洲相沉积。而剖面D5023第③层与剖面D5141第①层能很好地对比, 二者砾石分选性系数Sa分别为1.16、1.34, 分选性相对较好, 结合砾石宏观特征, 判断其为辫状河相沉积。剖面D5023第④层砾质黏土层, 该层中黏土成分很纯, 砾石多杂糅于黏土中, 推测黏土早期为河流间湾相沉积, 后期因河流水动力变强, 被上部砾石层冲刷改造。剖面D5023第⑤层与剖面D5141第②层、剖面D3251第①层砾石层有很好的对比性, 砾石统计结果显示, 砾石层主要以粗砾为主( d-为46.1~59.0), 砾石分选性差(Sa为1.48~1.64), 大小混杂堆积(图4), 砾石层颜色以灰黄色、砖红色为主, 砾石间充填物成分很杂, 主要为砖红色黏土、砂质、粉砂、细砾等, 反映其为河流沉积中间歇性大洪水快速堆积; 剖面D5023第⑥层与剖面D5141的第③层、剖面D3251的第②层, 有很好的对比性, 为辫状河相沉积。剖面D5023第⑦层粉砂质黏土层为湖相沉积。

图6 剖面岩性对比及沉积相分析图
1.网纹状黏土; 2.黏土; 3.砾质黏土; 4.粉砂质黏土; 5.粉砂; 6.细砂; 7.砂质透镜体; 8.砾石; 9.铁盘; 10.分层号Fig.6 Profiles lithologic comparison and sedimentary facies analysis

从沉积特征和沉积相分析可知, 区内砾石层主要以水动力很强的辫状河相沉积为主, 间夹冲洪积物质。受后期抬升剥蚀作用影响, 区内的砾石层不是特别连续, 但整体还是呈面状展布, 由西往东砾石层有颗粒变细且砂质含量变高的趋势。综合分析认为, 研究区这一套砾石层是在冲洪积扇基础上发育的以辫状河相为主的沉积体。

赵举兴等[16]对研究区北黄土山、洑河山砾石层进行研究, 认为洞庭盆地边缘的砾石层为多期次的冲积扇作用的结果; 且通过ESR测年, 得出这一套砾石层形成时代为早更新世(0.727~2.41 Ma)。通过与安乡凹陷区内早更新世地层进行比较, 发现研究区砾石层与盆地内部的汨罗组有很好的可对比性。柏道远等[9]对安乡凹陷及西缘构造-沉积特征进行研究, 认为早更新世时期洞庭盆地为一断陷盆地, 凹陷的边界为正断层控制。受这一时期构造活动影响, 在盆地内部沉积了厚度相对较大, 发育以粗砂层、砂砾层和黏土质砂层为主的汨罗组; 而正断层边界外侧, 受抬升作用影响, 沉积了盆地边缘这套以中— 粗砾石层为主的冲洪积扇体。

5.2 物质来源及古地貌特征分析

砾性分析表明, 研究区砾石层主要来源于寒武纪及前寒武纪地层。而从区域上看, 研究区周边及外围主要为白垩纪和古近纪红层(砂岩、泥岩为主), 虽部分红层中有砾岩, 砾石成分包含有硅质岩、脉石英、石英砂岩等, 但显然还不足以为区内第四系砾石层提供足够的物源。结合砾石的砾态(圆— 次圆状)分析等, 区内砾石层显然经历了一定距离的搬运; 而砾石层中存在的黏土砾、强风化的粉砂质板岩砾, 可能与砾石沉积前经历多次暴露与搬运有关。

根据砾向分析可知, 区内古水流主要来源于SWW— NW方向, 且可能受多个物源供给的影响, 表明在早更新世时期, 研究区SWW— NW等方向地势相对要高, 形成多条指向盆地边缘的水系, 这些水系中碎屑成分在经过一定距离搬运后, 进入洞庭盆地边缘, 因地势急剧变化, 形成了一定规模的冲洪积扇体。

从上述分析可知, 在砾石层形成时期, 研究区内古地貌特征与现阶段地貌有较大差异。而这一结果也可为区内金刚石原生矿产寻找提供一定思路。在研究区丁家港及外围北西侧的桃源县一带, 有较好金刚石砂矿。为寻找原生金刚石矿, 湖南省地质矿产勘查开发局403队在这一地区及外围做了大量的找矿工作。若按阶地理论划分, 研究区内的金刚石砂矿属于近SN向的河流阶地上的沉积产物, 因此寻找原生金刚石矿显然要往南边较远的地方寻找, 但一直以来这一地区外围的原生金刚石找矿没有取得大的突破[17, 18]。近年来董斌等[17]对金刚石砂矿中铬铁矿、火山微球粒的研究显示区内金刚石砂矿物质来源具有近源的特征。笔者以为是否可以转变思路, 按照“ 冲积扇的思路” , 加强对研究区SWW— NW向外围原生金刚石矿的寻找。

6 结论

(1)砾石统计结果显示, 研究区内第四系砾石层主要来源于寒武纪及前寒武纪地层。砾石磨圆度P为66.67%~82.35%, 主要以圆— 次圆状为主, 部分为次棱角状。砾石普遍具弱— 中等风化, 且部分砾石强风化, 反映砾石在沉积搬运过程中存在风化暴露期。砾石扁度F为2.06~2.32, 大于2.0, 以扁平状为主, 其与河流及湖滨相砾石特征相似。

(2)砾石分选系数Sa为1.16~1.64, 部分测点Sa> 1.40, 反映砾石形成时水动力很强, 部分砾石层为快速堆积; 砾石层沉积特征反映出区内砾石层是在冲洪积扇基础上发育的以辫状河相为主的沉积体。

(3)砾向分析可知, 区内古水流主要集中于SWW— NW方向, 表明在其沉积时期研究区SWW— NW方向地势陡峭, 形成多条指向盆地边缘的水系, 这些水系中碎屑成分在经过一定距离搬运后, 进入盆地边缘, 因地势急剧变化, 在盆地边缘形成一定规模的冲洪积扇体; 对于这一时期古地貌的认识, 也可以为区内金刚石原生矿床的寻找提供一定思路。

The authors have declared that no competing interests exist.

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