滹沱河古河道剖面粒度參數(shù)特征及沉積環(huán)境

趙紅梅，劉林敬，趙　華，畢志偉,王利康，宋　磊，王成敏, 楊勁松

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京　100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊　050061)

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滹沱河古河道剖面粒度參數(shù)特征及沉積環(huán)境

趙紅梅1,2，劉林敬2，趙華2，畢志偉2,王利康2，宋磊2，王成敏2, 楊勁松2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊050061)

滹沱河平原段從20世紀(jì)70年代中期開始，河道常年干涸斷流，兩岸土地沙化，河流生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。開展滹沱河淺埋古河道研究，對于研究區(qū)水文生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。在高密度取樣和詳細(xì)測年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用沉積物粒度頻率分布曲線和概率累積曲線分析方法，結(jié)合剖面巖性特征，對滹沱河古河道剖面(GCA)進(jìn)行沉積相分析，討論了研究區(qū)3萬年以來的沉積環(huán)境變化過程。結(jié)果表明：GCA剖面地層由兩個沉積階段組成，以1 060 cm為界；下段為29.4～26.9 ka B.P.(1 240～1 060 cm)期間，研究區(qū)以淺湖沼相沉積環(huán)境為主，后期轉(zhuǎn)變?yōu)楹勇┫喑练e環(huán)境，水動力條件弱；上段為26.9 ka B.P.至今(1 060～0 cm)，發(fā)育了河床-心灘相沉積組合，共同構(gòu)成一個較完整的辮狀河道沉積序列，水動力條件強(qiáng)且變化大。

古河道；粒度；沉積環(huán)境；滹沱河

0　引　言

沉積物的粒度分布特征可以反映沉積介質(zhì)的流體力學(xué)性質(zhì)和能量，是判別沉積環(huán)境及水動力條件的一個重要物理標(biāo)志[1]。它在河流相沉積作用規(guī)律研究及沉積環(huán)境的恢復(fù)重建中擔(dān)當(dāng)著十分重要的角色。受水動力條件變化的影響，河流相沉積物的粒度分布特征非常復(fù)雜。前人已經(jīng)在河流相沉積、尤其是不同河流亞相沉積以及河流洪水沉積物粒度特征等方面做了大量的工作，并取得了許多重要成果[2-9]，為古河道沉積相和沉積環(huán)境的研究提供了重要參考。

滹沱河平原段流經(jīng)河北省石家莊市，對該區(qū)的水資源及水文生態(tài)環(huán)境意義重大。然而從20世紀(jì)70年代中期開始，由于上游水庫蓄水和氣候干旱的影響，滹沱河平原段河道常年干涸斷流，兩岸土地沙化，濕地消失，河流生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞。古河道帶是大氣降水、地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化、聯(lián)合調(diào)蓄(包括南水北調(diào)工程、地下水回灌等)的理想庫容[10]，也是以恢復(fù)地表徑流為核心的河流濕地重建[11]的理想地段。開展滹沱河淺埋古河道沉積地層與沉積環(huán)境研究，可為恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)、重建濕地生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，對于研究區(qū)水文生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。前人在滹沱河平原段沉積相方面做過很多工作[12-16]，主要集中在對滹沱河河道現(xiàn)代沉積物的礦物成分、比重、粒度特征、沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等方面的研究。對于古河道地層及沉積相的研究[17-18]，則以野外露頭剖面的測量為重點，采集的環(huán)境和測年樣品有限，研究分辨率不高，缺乏系統(tǒng)的年代框架，從而影響了對河流沉積環(huán)境的判別以及沉積環(huán)境演化的推斷等?；诖?，本文對藁城市西四公村南滹沱河大橋下砂場所揭露的一個深10余米的河道剖面，開展了粒度參數(shù)特征及沉積環(huán)境的研究工作。

1　材料與方法

1.1剖面概述

研究剖面(GCA)位于河北省藁城市西四公村南滹沱河大橋下，地理坐標(biāo)：N 38°04′1.8″；E 114°48′1.2″；H 47.4 m(圖1)。該剖面處于滹沱河現(xiàn)代河道南側(cè)，由于滹沱河常年斷流，現(xiàn)代河道多處成為了采砂場。作者對揭露的剖面總厚度12.4 m進(jìn)行了剖面詳細(xì)測量，采集粒度樣品124個，取樣間隔為10 cm，光釋光測年樣品10個。

圖1　GCA剖面地理位置Fig.1　Location of GCA section

1.2巖性特征

根據(jù)沉積物的顏色、巖性、構(gòu)造等特征，將剖面劃分為17層，其中11/12層間以及17層底部均發(fā)育河流沖刷面，地層不連續(xù)，存在沉積間斷。剖面巖性、層底深度、層厚等詳細(xì)描述見表1。

1.3地層年代框架

本剖面的地層年代框架采用光釋光測年方法建立,共計10個光釋光樣品，由中國地質(zhì)科學(xué)院第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點實驗室釋光實驗室進(jìn)行測試，測試儀器為Daybreak—2200光釋光儀，測量礦物為細(xì)顆粒石英(4～11 μm)，部分樣品測量礦物為粗顆粒石英(90～125 μm)。采用簡單多片再生法獲得等效劑量值，用飽和指數(shù)方法進(jìn)行擬合，生長曲線圖顯示再生劑量點不太分散，生長曲線沒有明顯飽和，年齡數(shù)據(jù)可信。所有測年結(jié)果如表2所示。

1.4粒度測試

粒度樣品采用激光粒度分析法，由中國地質(zhì)科學(xué)院第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點實驗室粒度實驗室進(jìn)行測試分析。采用的實驗設(shè)備為英國Malvern 公司出產(chǎn)的Mastersizer—2000型激光粒度儀，儀器測量范圍為0.02～2 000 μm，分辨率為0.01 Φ，重復(fù)測量的相對誤差<1%。

樣品按常規(guī)方法進(jìn)行預(yù)處理，處理過程如下：取樣品3～5 g，放入100 mL燒杯中，注入10 mL濃度為2∶1的H2O2溶液，加熱，去除有機(jī)質(zhì)；待溶液中不出現(xiàn)小氣泡時注入10 mL濃度為2∶1的鹽酸溶液,去除碳酸鹽，待溶液沸騰時取下；燒杯降溫后，注入50 mL左右的蒸餾水，靜置12 h，抽取上部分清液，剩余20 mL左右；之后注入10 mL(36 g/1 000 mL)的偏磷酸鈉分散劑，攪拌均勻后超聲波振蕩10分鐘左右，即可上機(jī)測試。

表1　滹沱河河道剖面巖性特征

2　結(jié)果與討論

2.1粒度參數(shù)特征

粒度參數(shù)是表征沉積物粒度分布的重要指標(biāo)，它們從不同的側(cè)面反映了沉積物粒度分布特征，從而有助于了解沉積過程的水動力條件及沉積環(huán)境的變化。根據(jù)GCA剖面粒度樣品測試數(shù)據(jù)，繪制出平均粒徑(MZ)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)、偏度(SK1)、峰度(KG)等粒度參數(shù)變化曲線以及不同粒度組分的百分含量變化曲線，包括黏土(8～12 Φ)、粉砂(4～8 Φ)、細(xì)砂(2～4 Φ)、中砂(1～2 Φ)、粗砂(-1～1 Φ)(圖2)。結(jié)合剖面地層巖性、粒度頻率分布曲線(圖3)和概率累積曲線(圖4)樣式，可將該剖面自上而下細(xì)分為6個組段。各組段粒度特征分述如下。

圖2　GCA剖面沉積物粒度參數(shù)變化曲線Fig.2　Variations of grain-size parameters of GCA section

第一組段(1 240～1 060 cm)：該組沉積物粒度較細(xì)，粒徑平均值為6.01 Φ，以粉砂(68.27%)為主，其次為黏土(17.25%)，少量細(xì)砂(5.98%)，局部層位含中砂(4.60%)和粗砂(3.90%)。分選系數(shù)在1.51～2.93之間，分選差，偏度在-0.10～0.84之間，幾乎近正態(tài)。峰度在1.78～3.26之間，峰態(tài)偏寬緩。頻率分布曲線(圖3)顯示以單峰為主。概率累積曲線(圖4)表現(xiàn)為一段或兩段式，僅含跳躍總體和懸浮總體，跳躍總體含量在5%以下，有的甚至不含跳躍總體，懸浮總體占絕對優(yōu)勢，表明總體水動力條件弱。極少數(shù)樣品為三段式，跳躍總體占40%左右，反映了沉積環(huán)境的短暫變化。

第二組段(1 060～880 cm)：該組沉積物粒度明顯變粗，粒徑平均值為1.32 Φ，以粗砂(50.42%)為主，其次為中砂(31.88%)，少量細(xì)砂(10.37%)和粉砂(7.11%)，黏土含量極少(0.43%)。分選系數(shù)在1.27～1.86之間，分選性一般。偏度1.31～2.77之間，峰度為5.26～12.49之間，峰態(tài)較高窄。頻率分布曲線顯示以雙峰為主(圖3)。概率累積曲線顯示以三段式為主(圖4)，僅含跳躍總體和懸浮總體，跳躍總體約占70%～90%，細(xì)截點粒徑在0～1 Φ，表明水動力條件很強(qiáng)。

第三組段(880～470 cm)：該組段沉積物粒度較粗且變化范圍大，平均粒徑為1.86 Φ，以粗砂(44.76%)為主，中砂(23.30%)次之，少量細(xì)砂(16.25%)和粉砂(13.98%)，極少量黏土(1.66%)。標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.54～2.81之間，分選差，偏度在0.57～2.20之間，峰度在2.04～8.23之間。頻率分布曲線顯示多數(shù)為雙峰和多峰，偶有單峰(圖3)。概率累積曲線多為兩段式，僅含有跳躍總體和懸浮總體(圖4)，跳躍總體占40%～70%，細(xì)截點在0～1 Φ之間，水動力條件強(qiáng)，但與第二組段相比稍有下降，且變化大。770 cm處粒度參數(shù)特征較為特殊，該樣品整體粒度明顯變細(xì)。以粉砂為主(圖2)，含量比其下部突然增加，達(dá)到50.08%，細(xì)砂、中砂、粗砂含量較低，黏土含量有所增高。從頻率分布曲線來看，顯示為三峰，且三峰高度相當(dāng)(圖3)，表明存在多種沉積物來源。概率累積曲線表現(xiàn)為兩段式(圖4)，僅含跳躍總體和懸浮總體，懸浮總體占絕對優(yōu)勢，表明水動力條件弱，指示了沉積環(huán)境的短暫變化。

圖3　GCA 剖面部分樣品頻率分布曲線Fig.3　Frequency distribution curves of samples from GCA section

圖4　GCA剖面部分樣品概率累積曲線Fig.4　Probability cumulative curves of samples from GCA section

第四組段(470～350 cm)：該組段沉積物粒度比第二、第三組段細(xì)，粗砂含量明顯降低。平均粒徑為2.65 Φ，以細(xì)砂(44.33%)為主，中砂(30.26%)次之，少量粉砂(16.55%)和粗砂(8.24%)，極少量黏土(0.62%)。標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.29～1.59之間，分選性一般，偏度在0.82～1.52之間，峰度在3.98～6.01之間，峰態(tài)較窄，頻率分布曲線顯示多數(shù)為雙峰和多峰，偶有單峰(圖3)。概率累積曲線為兩段或三段式(圖4)，僅包含跳躍總體和懸浮總體，以跳躍總體為主，含量在50%～90%之間，細(xì)截點在0～3 Φ之間。表明沉積物來源復(fù)雜，水動力條件比上段減弱，但變化較大。

第五組段(350～20 cm)：該組段沉積物粒度與上段相差不大，平均粒徑為2.82 Φ，但細(xì)砂含量增加(64.25%)，中砂(21.33%)和粉砂(11.78)含量降低，黏土含量(0.53%)極少，僅局部層位含粗砂(2.12%)。標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.94～1.74之間，分選一般，偏度在0.63～1.87之間，正偏態(tài)，峰度在4.79～8.51之間，峰態(tài)較窄，頻率分布曲線顯示均為單峰(圖3)，僅210 cm處樣品顯示出雙峰。概率累積曲線為兩段或三段式(圖4)，僅含有跳躍總體和懸浮總體，以跳躍總體為主，含量為80%～90%，懸浮總體僅占10%～20%，細(xì)截點在1～3 Φ之間。表明水動力條件比上段又有所減弱，整體沉積環(huán)境穩(wěn)定，物源單一。

第六組段(20 cm～)：該組段處于整個剖面頂端，為人工耕植土。顆粒較細(xì)，粒徑均值為4.48 Φ，以粉砂(39.04%)和細(xì)砂(34.24%)為主，其次是中砂(14.84%)和黏土(10.02%)，極少量粗砂(1.86%)。由于受到人類活動的影響，故不討論其沉積環(huán)境。

從以上6個組段的各粒度參數(shù)特征來看，GCA剖面實際上可以分為3個大的層段。下段(第一組段)在整個剖面中粒度最細(xì)，粉砂和黏土含量最高(圖2)，頻率分布曲線以單峰為主，近正態(tài)分布(圖3)，概率累積曲線僅含跳躍總體和懸浮總體，懸浮總體占絕對優(yōu)勢(圖4)，顯示物源單一，水動力條件弱。中段(第二、三組段)剖面粒度最粗，粗砂含量最高(圖2)，頻率分布曲線以雙峰和多峰為主(圖3)，概率累積曲線多為兩段式，僅含跳躍總體和懸浮總體，以跳躍總體為主(圖4)，水動力條件強(qiáng)且變化大，沉積物來源復(fù)雜。上段(第四、五組段)剖面粒度比中段細(xì)，細(xì)砂含量最高(圖2)，但頻率分布曲線有所不同，第四組段以雙峰為主，而第五組段以單峰為主(圖3)，概率累積曲線差別不大，均為兩段或三段式(圖4)，整體水動力條件比中段地層有所減弱，沉積環(huán)境也趨于穩(wěn)定。

2.2沉積亞相與沉積環(huán)境討論

由測年數(shù)據(jù)(表2)得知，本剖面沉積了距今約29.4 ka以來的地層。根據(jù)地層巖性及粒度參數(shù)特征，結(jié)合區(qū)域氣候變化，討論該剖面的沉積亞相及沉積環(huán)境演化歷史。劃分了如下4個沉積階段。

第一階段(1 240～1 060 cm，29.3～26.9 ka B.P.插值年齡，下同)：根據(jù)巖性特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)造(表1)以及粒度參數(shù)特征，該段地層屬于河漫灘相沉積。1 164 cm以下地層為“灰綠色、偶見蝸牛殼和黑色淤泥質(zhì)”，表明該段地層沉積時曾經(jīng)歷水下還原環(huán)境，為淺湖洼地相沉積。從沉積年齡來看，該沉積階段屬于末次冰期間冰階，即MIS 3a階段(40～22 ka B.P.)，是一個相對暖濕的階段[19-20]。內(nèi)蒙古岱海地區(qū)這一時期的古降水量較現(xiàn)今高126～144 mm/a[21]。華北平原這一時期氣候溫和，孢粉組合以闊葉樹種的樺、櫟、榆為主，并有亞熱帶的楓香、漆等出現(xiàn)，植被景觀為以闊葉樹種為主的針闊葉混交林-草原景觀[22]。研究區(qū)這一時期，由于氣候溫和濕潤，降水量大，發(fā)育淺湖沼，后期以河漫灘相沉積為主。

第二階段(1 060～880 cm，26.9～17.5 ka B.P.)：該段地層巖性以粗砂、含礫粗砂為主，為河床亞相沉積。說明此時研究區(qū)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐院恿鞒练e為主的地理環(huán)境。根據(jù)沉積年齡，這一階段華北平原氣候冷干，稱為墳莊冷期，沉積物孢粉組合以含大量的旱生草本植物花粉或孢粉貧乏為特征[23]。前人亦曾在對距石家莊市東南約30 km的欒城古河道剖面的研究[24]中，發(fā)現(xiàn)這一時期的地層中出現(xiàn)披毛犀、納瑪象等表征寒冷氣候條件的動物群。研究區(qū)降水量減少，原有淺湖洼面積縮小直至消失，研究區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橐院恿鞒练e為主的古地理環(huán)境。地層880 cm處發(fā)育明顯河流沖刷面，表明此階段后期存在河流沖刷侵蝕作用。

第三階段(880～470 cm，17.5～5.1 ka B.P.)：該段地層巖性主要為粗砂含砂礫和泥礫，860 cm處發(fā)現(xiàn)牛(Bos)的上頰齒化石，底部存在明顯的沖刷面，推測為全新統(tǒng)的底界，年齡數(shù)據(jù)也證實了這一點。且根據(jù)年齡數(shù)據(jù)推算，該處存在約6 ka(17.5～11.4 ka B.P.)的沉積間斷[25]，表明第二階段后期的侵蝕作用一直延續(xù)到晚更新世末期。全新世之后，降水逐漸增多[26]，河道重新在此處發(fā)育，河床也趨于穩(wěn)定。剖面所發(fā)現(xiàn)的牛(Bos)的上頰齒化石，存在于距今約11 ka，與欒城剖面[24]所發(fā)現(xiàn)的上化石層(牛、水牛化石)相對應(yīng)，表明此時氣候條件發(fā)生了很大變化，較末次盛冰期溫和適宜，河岸邊上開始有牛類等哺乳動物生活。之后一直到距今約5.1 ka，河流補(bǔ)給充分，水動力條件強(qiáng)勁，河水的搬運能力進(jìn)一步增強(qiáng)，隨之沉積了以粗砂和含礫粗砂為主的河床相沉積，在距今約9.7 ka(770 cm)，地層的粒度特征發(fā)生了較大變化，該處粒度忽然變細(xì)，頻率分布曲線顯示為高度相當(dāng)?shù)娜?，表明存在多種沉積物來源。概率累積曲線顯示懸浮總體含量非常高，與上下段地層均不相同，反映了河漫灘相沉積環(huán)境，可能指示了一次短暫的河流改道事件。

第四階段(470～20 cm，5.1 ka B.P.～)：該段地層巖性以細(xì)砂為主，小型交錯層理和水平層理發(fā)育，粒度總體比第三階段細(xì)，且向上變細(xì)的沉積韻律明顯，為心灘相沉積。以350 cm(約距今3.5 ka)為界，分為上下兩階段。下段頻率分布曲線多為雙峰和多峰，表明沉積物來源復(fù)雜。上段頻率分布曲線顯示均為單峰，表明沉積物來源單一，水動力條件更弱，沉積環(huán)境趨于穩(wěn)定。

3　結(jié)　語

本文通過對滹沱河河道GCA剖面進(jìn)行巖性特征、粒度參數(shù)、沉積相的綜合分析，結(jié)合沉積物年齡數(shù)據(jù)，討論了滹沱河中游地區(qū)近3萬年以來的沉積環(huán)境變化過程，取得如下主要認(rèn)識。

(1)GCA剖面地層由兩種沉積相構(gòu)成，其以1 060 cm為界：下部為湖沼-河漫灘相沉積，其特點是粉砂含量非常高，黏土次之，頻率分布曲線以單峰為主，近正態(tài)分布，概率累積曲線僅含跳躍總體和懸浮總體，懸浮總體占絕對優(yōu)勢，水動力條件弱；上部為河道相沉積(包括河床和心灘相)，沉積物砂含量普遍大于90%，呈向上變細(xì)的沉積韻律，頻率分布曲線以雙峰和多峰為主，少量單峰。概率累積曲線僅含跳躍總體和懸浮總體，以跳躍總體為主，水動力條件強(qiáng)且變化大，沉積物來源復(fù)雜。

(2)重建了研究區(qū)近3萬年來的沉積演化歷史：29.4～26.9 ka B.P.期間，研究區(qū)為淺湖沼相沉積環(huán)境，氣候溫和，降水量大，可與MIS 3a階段相對比，后期轉(zhuǎn)變?yōu)楹勇┫喑练e環(huán)境。26.9～17.5 ka B.P.，研究區(qū)以河流沉積環(huán)境為主，后期河流沖刷侵蝕作用強(qiáng)烈。到了17.5～11.4 ka B.P.，GCA剖面開始了長達(dá)約6 ka的沉積間斷。11.4 ka B.P.之后，氣候條件逐步轉(zhuǎn)暖，降水增多，河床也趨于穩(wěn)定，河道重新在此處發(fā)育，隨之沉積了11.4～5.1 ka B.P.期間的河床相沉積以及5.1 ka B.P.以來的心灘相沉積，共同構(gòu)成一個較完整的河道沉積序列。

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Grain Size Character and Sedimentary Environment of Hutuo River Paleochannel Section

ZHAO Hongmei1,2，LIU Linjing2，ZHAO Hua2， BI Zhiwei2, WANG Likang2，SONG Lei2,WANG Chengmin2，YANG Jinsong2

(1.SchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,Shijiazhuang,Hebei050061,China)

Hutuo River has dried up and cut off perennially because of climate drought since the mid-1970s. The river ecosystem has suffered severe damage. It is the basis of river ecosystem recovery and wetland ecological environment reconstruction to study the shallowly buried paleochannel of Hutuo River. In this paper, the sedimentary facies of Hutuo River paleochannel are studied using the methods of grain size analysis. And the sedimentary environmental change process of the study area since 30 ka.B.P.is discussed on the basis of high density sampling and detailed data. The results show that the paleochannel section is composed of two sedimentary segments with the boundary of 1,060 cm. The lower segment is deposited from 29.4 to 26.9 ka.B.P.. Limnetic facies sediments are developed in the study area. The upper segment is deposited from 26.9 ka.B.P. to the present. Fluvial facies sediments are developed in this stage, including two kinds of fluvial subfacies. The grain size characters are changed between the two segments correspondingly.

paleochannel; grain size; sedimentary environment; Hutuo River

2015-04-25；改回日期：2016-02-12；責(zé)任編輯：戚開靜。

國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費課題(201211079-01)；國家自然科學(xué)基金項目(41302191)。

趙紅梅，女，助理研究員，博士研究生，1981年出生，第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)專業(yè)，主要從事第四紀(jì)地層與沉積環(huán)境演變研究。Email:zhmay81@126.com。

劉林敬，男，助理研究員，博士研究生，1982年出生，第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)專業(yè)，主要從事第四紀(jì)環(huán)境演變研究。

Email:liulj206@126.com。

P66；X141

A

1000-8527(2016)02-0485-08