四川漢源九襄地區(qū)堆積體沉積特征研究

丁 昊，涂國祥，趙永輝，趙石力

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院, 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610059；2.西藏自治區(qū)水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院， 西藏 拉薩 850000)

第四紀(jì)以來，根據(jù)已有研究的成果[1-2]，我國共經(jīng)歷了五次冰期，其中末次、倒數(shù)第二、三次冰期發(fā)生在更新世。在這三次冰期時代中，發(fā)育于我國西南山岳地區(qū)的冰川，經(jīng)過長時間的演化后，形成了大量的松散堆積物。這些主要集中分布于山岳溝谷地帶的堆積物具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征且規(guī)模巨大，體積可達(dá)數(shù)百萬立方米甚至數(shù)千萬立方米。這些堆積體的存在，為我國西南地區(qū)工程基礎(chǔ)建設(shè)埋下了許多安全隱患，例如對壩體及蓄水后邊坡的穩(wěn)定性造成許多不確定影響[3-4]；該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈地震，可能對堆積體整體造成不穩(wěn)定影響[5]；在降雨雨水作用下，對堆積體造成的影響，能引起滑坡，甚至泥石流等災(zāi)害現(xiàn)象[6]。這些結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜且特殊的堆積體由于種類與形成原因的不同，所引發(fā)的工程地質(zhì)問題也有較大差異；研究堆積體的沉積特征對該地區(qū)堆積體種類的劃分與工程地質(zhì)特性有較為全面地把握，并對還原古氣候變化具有重要的借鑒意義。

自20世紀(jì)中期起，國內(nèi)學(xué)者便開始對這些形成于第四紀(jì)的堆積體，展開了各個方面的研究：武安斌[7]在對走廊南山素珠鏈峰冰川的研究中指出冰川沉積物在粒度頻率曲線上表現(xiàn)為多峰式，粒度分布域廣，顆粒大小雜亂不均，圓球度極低。張振拴[8]將冰川堆積物與非冰川堆積物在粒度頻率累計(jì)曲線、粒度參數(shù)上進(jìn)行對比，并在粒度頻率曲線上將其主次峰的位置和對應(yīng)含量進(jìn)行區(qū)別與對照，探討了冰川堆積物與非冰川堆積物在粒度參數(shù)、沉積特征上的不同，初步闡明了粒度的分布與沉積環(huán)境之間的關(guān)系。涂國祥等[9-11]根據(jù)堆積體沉積特征與成因歸納出該堆積體屬冰水沉積，分析出其形成演化的過程，并對其工程穩(wěn)定性進(jìn)行了全面地評價。

但所有這些學(xué)者對上述堆積體進(jìn)行了一定程度上的探索，并取得了不錯成效。但這類形成時間早、成因及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程性質(zhì)特殊的堆積體分布極為廣泛，之前學(xué)者的研究結(jié)果具有一定地域特殊性，其它地區(qū)的堆積體借鑒價值有限。本文以漢源九襄地區(qū)堆積體為例，對這地區(qū)山岳溝谷堆積體的沉積特征、粒度參數(shù)、成因進(jìn)行分析和探討。

1 研究區(qū)域地質(zhì)背景

研究地區(qū)堆積體多分布于九襄東側(cè)河谷兩岸，總體積約4.0×107m3。本文選取木楠村、下堰溝、上堰溝以及大沙溪4條主要溝谷(見圖1)進(jìn)行研究,并對其沉積特征、顆粒組成及粒度參數(shù)等方面進(jìn)行分析和討論。

圖1漢源九襄區(qū)域圖(藍(lán)線為采樣路徑，圖釘為采樣點(diǎn))

2 九襄地區(qū)堆積體沉積特征

根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況并結(jié)合堆積體自然斷面剖面圖，得到表1。

表1 漢源九襄地區(qū)堆積體沉積特征

結(jié)合九襄地區(qū)四個堆積體的沉積特征，可以得到下列結(jié)論：

(1) 堆積體大多以粗、巨顆粒含量占優(yōu)勢。細(xì)顆粒的少量分布，通常充填于塊石之間。

(2) 堆積體中發(fā)現(xiàn)有明顯分層，并且不同層之間粒徑存在較大差異(見圖2)。

圖2堆積體中有明顯分層

(3) 堆積體的中下部大多較為密實(shí)，很少出現(xiàn)架空現(xiàn)象，是由于堆積體經(jīng)過了長時間的沉積、固結(jié)；其大多為較好泥質(zhì)膠結(jié)。

(4) 從高程上來看，處于低高程位置的塊石含量較少，礫石含量較多，磨圓較好；而隨高程升高，塊石變多，礫石變少，磨圓變差。

(5) 在堆積體中，發(fā)現(xiàn)相對靜水環(huán)境下沉積的細(xì)顆粒泥質(zhì)夾層(見圖3)和穩(wěn)定流水形成的層帶(見圖4)，因此從這個角度看，九襄地區(qū)堆積物的形成經(jīng)歷了較為復(fù)雜的氣候演化，致使冰川受氣溫上升所產(chǎn)生的融水，其水動力條件之間差異明顯。

圖3堆積體中發(fā)育有泥質(zhì)夾層

3 采樣點(diǎn)堆積體粒度分析

3.1 粒度組成

通過Shepard分類[12-15]，將樣品點(diǎn)進(jìn)行分類和分析，見圖5?？芍撼练e物樣品點(diǎn)主要分布在等邊三角形左斜邊的狹長地帶，說明2 mm以下顆粒中以砂粒占優(yōu)勢。細(xì)顆粒黏土含量不超過砂、粉砂、黏土總量的8%，最低為0.89%，細(xì)顆粒粉砂含量占總含量的1%～24%。而粗顆粒砂占比均超過50%，最高可達(dá)97.6%；砂占比超過80%的樣品點(diǎn)的個數(shù)占所有樣品點(diǎn)個數(shù)的84%。

圖4 堆積體中發(fā)育有類似河流二元結(jié)構(gòu)層帶

圖5 Shepard分類圖

3.2 粒度頻率曲線

樣品測試分析儀選用malvern2000，對采樣點(diǎn)1 mm以下顆粒進(jìn)行體積百分含量分析，然后做出粒度頻率曲線圖6，需要注意的是要將毫米粒徑換算成Φ值粒徑，它的換算公式為Φ=-log2D(D為粒徑單位mm)。

根據(jù)2007年修訂的《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》[16](GB/T 50145—2007)，將峰值粒徑進(jìn)行粒組劃分，得到表2。

由粒度頻率曲線圖6可知：

(1) 木楠村樣品點(diǎn)1-3、1-5、1-6表現(xiàn)為相對舒緩平滑的單峰，表明沉積物的分組簡單，可能只表現(xiàn)為一種組分的粒度特征，或兩種不同地點(diǎn)的組分經(jīng)歷了穩(wěn)定持續(xù)的搬運(yùn)作用而充分混合，整體呈現(xiàn)均一平緩的粒度特征。

表2 不同編號峰值粒徑對應(yīng)的粒組

(2) 大沙溪樣品點(diǎn)中X300為單峰；3-3、X306、X302及X301均為雙峰，并且主次峰峰值粒徑相差較大，表明此處沉積物有一部分是經(jīng)過搬運(yùn)作用沉積在此，并在之后受到了較差的分選，使得與原有此處沉積物混合有限，保留了自身沉積特點(diǎn)。

結(jié)合數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)與峰的形態(tài)分析：在粒度區(qū)間-1.00Φ～0.66Φ內(nèi)X302主峰數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)只占總數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)的16%，而峰態(tài)平坦較寬的次峰數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)占總個數(shù)的77%；所以可能是主峰粗粒組受到搬運(yùn)作用，沉積在該處粒徑分布較為均勻的原有粒組旁，且在這過程中受到了較差分選作用，使兩粒組混合有限，缺失中部粒徑，為不連續(xù)沉積；主峰峰態(tài)表現(xiàn)為陡而窄。

(3) 上堰溝的四個樣品均為雙峰型，并且主次峰峰值粒徑相差較大。

需要指出的是，X404上堰溝主次峰在峰值和數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布上差距較明顯，在粒度區(qū)間-1Φ～0.27Φ主峰數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)占總個數(shù)的12.5%，而峰態(tài)平坦較寬的次峰數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)占總個數(shù)的77.5%，所以可能是主峰粗粒組受到搬運(yùn)作用，沉積在該處粒徑分布較為均勻的原有粒組旁，且在這過程中受到了較差分選作用，使兩粒組混合有限，主峰峰態(tài)表現(xiàn)為陡而窄。

(4) 下堰溝粒度頻率曲線在粒徑較大區(qū)域內(nèi)呈波狀起伏分布，其峰態(tài)整體較寬，說明其受到非常強(qiáng)烈復(fù)雜的外部搬運(yùn)作用，使兩個地方的沉積物失去各自粒度特點(diǎn)，互相混雜。

圖6粒度頻率曲線圖(小圓點(diǎn)為分析儀所記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn))

3.3 平均粒徑M：

平均粒徑(M)表示了沉積物粒度的平均及中心趨勢的分布狀況。本文采用由Folk等[17]提出的全面圖解計(jì)算法。各粒度參數(shù)如表3所示。

3.4 分選系數(shù)δ：

所有樣品點(diǎn)中，為分選差(δ介于1～2之間)的只有一個樣品，其余均為分選較差(δ介于2～4之間)。說明該地區(qū)堆積體總體分選較差。

3.5 峰度K(峰態(tài))分析

根據(jù)Folk & Ward的峰度分級原則，以不同溝作為分界條件：木楠村樣品點(diǎn)峰態(tài)為尖銳、中等尖銳；大沙溪樣品點(diǎn)主要以尖銳、中等尖銳占優(yōu)勢，平坦只占20%；上堰溝樣品點(diǎn)平坦為50%，尖銳與中等尖銳為50%；下堰溝樣品點(diǎn)峰態(tài)為平坦。

3.6 偏態(tài)S分析

根據(jù)全面圖解法：九襄漢源地區(qū)堆積體總體偏度位于-0.0067～0.800；除X306以外，其余點(diǎn)偏度全部大于0，呈正偏分布。S大于零意味著沉積物主要為粗顆粒，搬運(yùn)作用較強(qiáng)。

表3 漢源九襄地區(qū)沉積物粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

綜合偏態(tài)(S)、峰態(tài)(K)、和分選系數(shù)(δ)分析：幾乎全部樣品點(diǎn)分選較差；峰態(tài)主要介于平坦～尖銳，且不同位置堆積體表現(xiàn)出的峰態(tài)有所不同。偏度都大于零，表示流水搬力強(qiáng)，其粒徑較小的顆粒在該地分布較少。

4 討 論

為了比較九襄地區(qū)堆積體與其它不同類型的具有代表性的沉積物在粒度參數(shù)上的差異，作者選取河流[18]、黃土[19]、冰川[20]、海洋[21]、湖泊[22]、冰水這6組不同類型沉積物。其中冰水沉積物樣品為作者實(shí)地采樣勘測所得數(shù)據(jù)，但受制于客觀條件，其余類型的沉積物只能借助其他學(xué)者的相關(guān)研究成果和數(shù)據(jù)。由于不同類型沉積環(huán)境所取樣品粒度的分布存在差異，因此分析其粒度特征在一定程度上能夠區(qū)分和分析沉積類型、沉積作用、并且能夠復(fù)原古環(huán)境。

4.1 粒度和分選的差異

這幾種沉積物中,在平均粒徑、分選系數(shù)、峰度和偏度上有顯著不同。

圖7展示了不同沉積環(huán)境下M與δ的離散情況。

從圖7得知，在粒級的成分上，黃土和河流沉積物的平均粒徑分布較均勻和集中。而海洋、冰川、以及湖泊和冰水沉積物的平均粒徑在各個粒級都有分布；從圖中可以得知冰水沉積物與冰川沉積物平均粒徑分布廣；但是冰川沉積物分選系數(shù)相差很大，且分選系數(shù)與平均粒徑大小總體上呈正相關(guān)，而漢源九襄地區(qū)沉積物分選系數(shù)則在一個區(qū)間內(nèi)起伏，總體相差不大。冰磧物分選極差占62.5%。冰水堆積物分選較差占92%，分選性略好于黃土與湖泊沉積物，海洋沉積物分選性較好，而河流沉積物分選性最好。

圖7不同類型沉積物平均粒徑與分選系數(shù)的離散圖

各個沉積環(huán)境沉積物的粒度參數(shù)的平均值見表4。

表4 不同類別沉積物粒度參數(shù)的平均值

4.2 偏度S和峰度K分析

選取目標(biāo)樣品點(diǎn)的粒度參數(shù)：河流沉積物S介于0.260～0.380；海洋沉積物S介于-0.210～0.220；黃土沉積物S介于-0.490～-0.190；湖泊沉積物S介于-0.034～0.570；冰磧物S介于1.000～2.950；而漢源九襄地區(qū)沉積物S介于-0.0067～0.8000。從以上數(shù)據(jù)可以得知黃土沉積物S均為負(fù)，說明粒度主要為細(xì)粒。其中冰磧物S范圍最廣，且擁有最大S值。而冰水沉積物S和河流沉積物S總體起伏不大，且S值相近(見圖8)。

將六個沉積物的峰度K的平均值從大到小排列：冰磧物(4.37)、湖泊(1.67)、河流沉積物(1.08)、漢源九襄地區(qū)沉積物(1.01)、海洋沉積物(0.97)、黃土(0.87)。根據(jù)Folk & Ward(1957)對K的分級規(guī)定，黃土峰態(tài)相對平坦，然后為海洋沉積物，再是漢源九襄地區(qū)沉積物和湖泊沉積物，冰磧物峰度值最高，峰態(tài)最尖銳。需要指出的是：漢源九襄沉積物峰態(tài)較冰川沉積物平坦，K值相差較大，可能是由于冰川融水搬運(yùn)作用擾動了原位沉積物的粒度特征，使其峰態(tài)降低(見圖9)。

圖8 各個類型沉積物樣品編號與偏度的離散圖

圖9各個類型沉積物樣品編號與峰度的離散圖

5 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)與分析，得到以下結(jié)論：

(1) 該地堆積體主要由粗、巨顆粒占優(yōu)勢，其占比約95%，細(xì)粒占比不到5%，堆積體密實(shí)度高。根據(jù)Shepard三角沉積分類，其樣品點(diǎn)2 mm以下顆粒以粗顆粒砂占優(yōu)勢。

(2) 粒度頻率曲線多為馬鞍狀雙峰形，說明新組分經(jīng)歷搬運(yùn)作用然后沉積到該點(diǎn)，后期經(jīng)歷有限的分選作用，與原有組分混合不充分，新舊組分分別在一定程度上保留了各自的粒度特征。

(3) 漢源九襄地區(qū)沉積物為典型冰川沉積，但較冰川沉積物，漢源九襄地區(qū)沉積物由于受到了冰川融水的影響，使其分選較好，峰態(tài)較平坦。在粒度參數(shù)上與典型河流、湖泊沉積物相似。