基于遙感的潮白河中游沖積平原宏觀沉積特征

張競， 紀(jì)冬麗， 白耀楠， 苗晉杰， 郭旭， 杜東， 裴艷東

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170； 2.天津城建大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300384)

0 引言

潮白河是流經(jīng)北京的第二大河流[1]，貫穿北京市、天津市和河北省3省市，自古以來滋養(yǎng)著華北平原大片地區(qū)[2]。近年來，隨著京津冀一體化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，潮白河中游沖積平原在承接北京非首都功能疏解的任務(wù)中發(fā)揮著越來越重要的作用，這對該地區(qū)自然資源和生態(tài)環(huán)境等基礎(chǔ)條件的認(rèn)識提出了更高的要求。其淺層沉積物是土壤、植被、水文、環(huán)境和地質(zhì)等要素的載體，是在宏觀布局和規(guī)劃中應(yīng)當(dāng)率先搞清的問題。因此，對潮白河中游地區(qū)淺層沉積特征的研究具有重要的社會(huì)意義、經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)境意義。

目前對潮白河流域沉積特征的研究較少[3-5]。尤聯(lián)元[1]利用氣溫和降水資料，探討了潮白河流域第四紀(jì)地表侵蝕活動(dòng)狀況； 劉智榮等[6]詳細(xì)測量了河北省三河縣齊心莊一帶的第四紀(jì)剖面，結(jié)合光釋光測年和粒度分析推斷當(dāng)?shù)赝砀率赖貙有纬捎诤恿魃硥魏头簽E平原沉積； 郭嶺等[3]和郭峰等[7]通過對通州白廟地區(qū)深挖探槽、探坑、野外剖面的解剖，認(rèn)為潮白河現(xiàn)代沉積體發(fā)育河床、堤岸和河漫3種亞相，河床滯留沉積、邊灘、天然堤、決口扇和河漫灘5種微相。目前從點(diǎn)上入手的研究較多，而關(guān)于區(qū)域沉積規(guī)律的研究十分薄弱。

遙感影像視域廣、宏觀性強(qiáng)，且具有一定的透視作用，在第四紀(jì)淺層沉積物研究中可以提供有意義的信息[8-17]。因后期擾動(dòng)程度的差異，不同地區(qū)沉積物的遙感可解譯性差別很大，例如水體清澈的河底[8]、潮灘[13]、入?？谔幍乃路至骱拥繹14]以及人煙稀少的荒漠和山區(qū)[17]等地區(qū)，沉積物擾動(dòng)小、可解譯性強(qiáng)，這些地區(qū)已有大量研究，有些已涉及定量遙感[13]。但在潮白河中游沖積平原，沉積物在人類活動(dòng)的強(qiáng)烈擾動(dòng)下可解譯性較差，如何捕捉這些地區(qū)沉積物在遙感影像上的殘留信息尚待進(jìn)一步研究。

本文以潮白河中游為研究區(qū)，將遙感技術(shù)與野外調(diào)查相結(jié)合，分析研究區(qū)砂性土和黏性土在遙感影像上的反射光譜特征，以此來解譯研究區(qū)淺層沉積體的分布格局，通過鉆探取芯從巖性上驗(yàn)證遙感解譯結(jié)果，并綜合面上和垂向規(guī)律討論研究區(qū)的宏觀沉積特征。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于潮白河中游沖積平原，范圍在E116°44′～117°0′，N39°49′～40°0′之間，主要包括河北省廊坊市的燕郊鎮(zhèn)和大廠回族自治縣。地貌上位于潮白河沖洪積扇前緣及扇間洼地，地面坡降一般為1/2 000～1/10 000。區(qū)內(nèi)發(fā)育夏墊斷裂和燕郊—高廟斷裂2條NNE向斷裂及南口—孫河斷裂1條NW向斷裂。以夏墊斷裂為界，東南為大廠凹陷，第四紀(jì)沉積厚度一般在400 m以上，最厚處超過650 m； 西北受大興隆起影響，第四紀(jì)沉積厚度一般在100～300 m，局部超過400 m[6,18]。區(qū)內(nèi)50 m以淺地層為陸相河流相沉積[19]，主要發(fā)育河床、堤岸和河漫等亞相[3,7]，巨厚的松散沉積物為河流的縱橫遷徙提供了有利的地質(zhì)條件。與永定河、滹沱河等周邊河流相比，潮白河上游物源顆粒較細(xì)，鉆孔資料表明區(qū)內(nèi)沉積物以黏土和粉砂質(zhì)黏土為主，河道組成物以中砂、細(xì)砂為主[20]。研究區(qū)東北發(fā)育潮白河次一級支流鮑丘河，西南小部分地區(qū)位于溫榆河影響帶(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置和地質(zhì)概況(斷裂及第四紀(jì)厚度據(jù)文獻(xiàn)[6])Fig.1 Location and geological conditions of study area

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

本文在選擇影像時(shí)主要考慮以下3方面： ①時(shí)相上盡可能選擇早期的冬季影像，以減少人類活動(dòng)和植被覆蓋的影響，如圖2所示，2016年影像(圖2(a)，(b))中城鎮(zhèn)擴(kuò)張明顯，掩蓋了大量目標(biāo)信息，其余的裸地受人類活動(dòng)等干擾強(qiáng)烈，未見沉積物分區(qū)分帶特征，而早期影像(圖2(c))中裸地面積廣大，且較好地保留了沉積行為的痕跡； ②盡可能選擇光譜分辨率較高的數(shù)據(jù)，便于分離和提取目標(biāo)信息； ③空間分辨率不需要太高，一方面高空間分辨率數(shù)據(jù)往往時(shí)相較新，地表擾動(dòng)強(qiáng)烈，另一方面像元易于突出地物信息，對于沉積物特征的識別并無益處。綜上，本研究選擇美國Landsat衛(wèi)星1988年3月6日TM影像1景，行列號為123/32(圖2(c))。該數(shù)據(jù)空間分辨率30 m，包含3個(gè)可見光波段(B1，B2和B3)、1個(gè)近紅外波段(B4)、1個(gè)熱紅外波段(B6)和2個(gè)中紅外波段(B5和B7)，其中B7為地質(zhì)學(xué)家追加波段，對于巖性的識別很有用[21]，云量為0.63%。此外，選用1∶5萬比例尺地形圖作為輔助數(shù)據(jù)，用于遙感影像的幾何糾正和野外調(diào)查。

預(yù)處理包括幾何糾正和裁剪。在影像中均勻選擇20個(gè)控制點(diǎn)，應(yīng)用二次線性擬合方法建立變換關(guān)系進(jìn)行幾何精校正，誤差小于1個(gè)像元。利用研究區(qū)范圍矢量文件對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪得到研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)。以上預(yù)處理過程在ENVI5.1軟件中進(jìn)行。本次遙感解譯不涉及定量研究，為避免二次誤差，不進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正。

(a) 2016年Google Map影像(b) 2016年Landsat8 OLI影像(c) 1988年Landsat5 TM影像

圖2不同時(shí)相研究區(qū)遙感影像

Fig.2Multitemporalremotesensingimagesofstudyarea

2 遙感解譯

潮白河中游地區(qū)人類活動(dòng)較活躍，地表以耕植土為主，在居民區(qū)存在大量硬化地表，原狀沉積物大多淺埋于地下，很少直接暴露于地表。因此，在遙感影像上地物是強(qiáng)信息，地表以下的沉積物是弱信息，后者很容易被忽略，需選擇合適的波段組合突出目標(biāo)信息。

2.1 野外調(diào)查和光譜分析

巖土體的反射光譜與其礦物成分、顆粒大小及粗糙度、表面濕度等因素密切相關(guān)[22]。據(jù)前人調(diào)查，本區(qū)沉積物以松散沉積物為主，主要包括砂性土(粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂和泥質(zhì)粉砂)和黏性土(黏土、粉砂質(zhì)黏土)[4-7]。前者主要成分為石英和長石等淺色礦物，后者以鐵鎂質(zhì)等深色礦物為主，成分上的差異是兩者反射光譜差異的主要原因； 其次，砂性土透水性強(qiáng)，黏性土透水性差，后者易于持水因而反射率較低； 粒度上砂性土粗于黏性土，但在沉積物天然粒級標(biāo)準(zhǔn)中兩者均屬于細(xì)顆粒[23]，光譜差異不大。

為了獲取研究區(qū)砂性土和黏性土在TM影像上的反射光譜特征，開展野外地表巖性調(diào)查。記錄巖性時(shí)充分利用已有剖面、坑塘等并適當(dāng)開展人工淺鉆，確保巖性定名準(zhǔn)確，并利用全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)進(jìn)行定位。將200個(gè)調(diào)查點(diǎn)分為砂性土和黏性土2類，在ENVI5.1軟件中加載TM影像和這些調(diào)查點(diǎn)，光譜曲線見圖3(B6為熱紅外波段，不參與光譜分析)。

圖3 野外調(diào)查砂性土和黏性土的反射光譜曲線Fig.3 Curve of the reflectance spectrum of the field sandy soil and cohesive soil

由圖3可知，砂性土和黏性土DN值變化趨勢一致，在B1和B5呈高反射率，在B2，B3，B4和B7呈相對低反射率，且2種巖性在同一波段的DN值差值均在30以內(nèi)，說明2種物質(zhì)較相似，均屬第四紀(jì)松散沉積物大類。砂性土DN值高于黏性土，各波段差值由大到小依次為B7>B5>B4>B1>B3>B2，差值越大越易于區(qū)分。但是，B5與B7及B4之間相關(guān)系數(shù)均很高(分別為0.95和0.88)，即這2組波段之間具有大量重復(fù)信息，故刪除B5，選擇B7，B4，B1波段合成假彩色影像用于沉積體解譯。

2.2 沉積體的識別

TM B7(R)，B4(G)，B1(B)合成影像經(jīng)適當(dāng)拉伸后，色調(diào)分離良好(圖2(c))。深色調(diào)占主要面積，包括紫色的黏性土裸地、深藍(lán)色斑塊狀的居民地及深藍(lán)色細(xì)條帶狀的河流，中間綠色調(diào)主要代表矩形斑塊狀的冬小麥麥田，淺色調(diào)主要由河道砂體的高反射形成，因此可利用灰度直方圖閾值分割方法提取淺色調(diào)的河道砂體。如圖4所示，3條NW—SE向的河道被識別出來，結(jié)合實(shí)際地理?xiàng)l件，河道1和河道2分屬現(xiàn)代溫榆河和潮白河，河道3位置處并無河流，推測其為1條淺埋于地表的古河道。

圖4 提取的河道砂體Fig.4 Calculated channel sand body

根據(jù)以上分析，結(jié)合陸相河流沉積規(guī)律[19]，可知研究區(qū)淺層沉積體呈現(xiàn)較清晰的分帶特征： 潮白河左、右堤之間為現(xiàn)代河床沉積體(河流自北向南流，左堤在東，右堤在西)，在影像上呈白色，巖性以砂性土為主； 堤外兩側(cè)為河漫相沉積體，根據(jù)位置、微地貌、巖性等特征又可細(xì)分為河漫灘和泛濫洼地[24]，在影像上主要呈紫色(麥田覆蓋區(qū)為綠色)，自西向東紫色逐漸加深； 燕郊鎮(zhèn)東側(cè)發(fā)育NW—SE向貫通全區(qū)的古河道沉積體，在影像上呈白色。在圖4的基礎(chǔ)上結(jié)合沉積學(xué)知識繪制沉積體解譯圖，如圖5所示，自西向東分為5個(gè)沉積體： ①右堤外河漫灘； ②現(xiàn)代河床； ③左堤外河漫灘； ④古河道； ⑤泛濫洼地。

右堤外河漫灘 現(xiàn)代河床 左堤外河漫灘 古河道 泛濫洼地圖5 淺層沉積體遙感解譯圖及鉆孔、剖面位置(W1據(jù)郭嶺等[3]和郭峰等[7]，W2據(jù)劉志榮等[6])Fig.5 Interpreted shallow sediment and the location of boreholes and profile

3 各沉積體的巖芯特征

通過沉積物巖芯驗(yàn)證沉積體遙感解譯的準(zhǔn)確性。分別在5個(gè)沉積體內(nèi)部署第四紀(jì)地層鉆探(鉆孔位置見圖5和表1)，采集沉積物巖芯。鉆探采用XY-150型鉆機(jī)，孔徑為110 mm，取芯深度為20 m，由專業(yè)地質(zhì)人員進(jìn)行現(xiàn)場編錄，繪制鉆孔柱狀圖(圖6)。鉆探和編錄過程于2016年8—9月完成。

表1 鉆孔部署表Tab.1 Deployment of the boreholes

為便于描述和分析，將柱狀圖中耕植土和填土層以下的沉積地層按砂性土和黏性土進(jìn)行大層劃分。每個(gè)沉積體具有較一致的巖性結(jié)構(gòu)： 右、左堤外河漫灘(①和③)大致可分為黏性土/砂性土/黏性土3層結(jié)構(gòu)，其中第Ⅱ?qū)由皩悠骄穸瘸^10 m； 泛濫洼地(⑤)呈黏性土單層結(jié)構(gòu)，厚度普遍超過20 m，僅在DC18孔揭穿該黏性土層； 現(xiàn)代河床(②)內(nèi)大部分地區(qū)不具備施工條件，僅施工XH16 1個(gè)鉆孔，呈砂性土/黏性土2層結(jié)構(gòu)，砂層厚度為10.5 m； 古河道(④)大致可分為砂性土/黏性土/砂黏互層3層結(jié)構(gòu)(圖6)。

(a) 沉積體①(b) 沉積體②

(c) 沉積體③(d) 沉積體④

(e) 沉積體⑤

圖6鉆孔柱狀圖

Fig.6Drillcolumnsindifferentsedimentarydeposits

4 討論

4.1 巖芯對遙感解譯的驗(yàn)證

圖6中第Ⅰ層巖性與遙感解譯結(jié)果之間對應(yīng)關(guān)系較好。首先，每個(gè)沉積體內(nèi)各鉆孔第Ⅰ層巖性基本一致，且與相鄰沉積體巖性不同： ①-Ⅰ層5個(gè)鉆孔巖性均為粉砂質(zhì)黏土，②-Ⅰ層巖性為粉砂、細(xì)砂和中砂，③-Ⅰ層4個(gè)鉆孔巖性均為粉砂質(zhì)黏土，DC27該層底部為黏土，④-Ⅰ層4個(gè)鉆孔巖性均以粉砂、細(xì)砂、中砂為主，僅在DC29孔砂層之上發(fā)育了1.8 m厚的粉砂質(zhì)黏土層，⑤-Ⅰ層4個(gè)鉆孔巖性均為粉砂質(zhì)黏土。而且，第Ⅰ層巖性與遙感解譯推測的巖性一致： 遙感解譯沉積體②和④分別為現(xiàn)代河床和古河道沉積體，在影像上呈白色、乳白色，推測巖性以砂性土為主，這與②-Ⅰ和④-Ⅰ層巖性一致； 遙感解譯沉積體①，③和⑤分別為潮白河右、左堤外河漫灘及泛濫洼地，在影像上呈紫色，推測巖性以黏性土為主，這與①-Ⅰ，③-Ⅰ及⑤-Ⅰ層巖性一致，此外，⑤-Ⅰ層粉砂質(zhì)黏土與①-Ⅰ和③-Ⅰ層相比，顆粒更細(xì)，切面更光滑，這種粒度上的變化同樣在遙感影像上有所體現(xiàn)，即自西向東影像中的紫色逐漸飽和(圖2(c))。

綜上，遙感對淺層巖性的識別效果較好，砂性土和黏性土色調(diào)差異明顯，顏色飽和度的變化能夠反映同種巖性粒度的變化。

4.2 沉積的繼承性

電磁波對巖土體的穿透能力有限，遙感影像難以記錄深層巖性。但是，沉積行為具有繼承性，后期沉積受早期沉積的控制[25-26]。反過來，表層沉積體的差異會(huì)一定程度向深部傳遞。

研究區(qū)20 m以淺沉積體繼承性明顯。在遠(yuǎn)離潮白河的地區(qū)以及潮白河擺動(dòng)(或擴(kuò)張、收縮)的中心地區(qū)表現(xiàn)為巖性和沉積相的一致，例如沉積體⑤泛濫洼地4個(gè)鉆孔20 m深度內(nèi)均以褐灰色粉砂質(zhì)黏土為主，沉積相推測主要是河漫灘、河漫湖沼，沉積體②現(xiàn)代河床XH16孔16 m以淺均為砂層，沉積相推測主要是河床/邊灘； 在潮白河擺動(dòng)的兩翼地帶巖性巖相變化較大，但在變化規(guī)律上仍表現(xiàn)出一致性，例如沉積體①和③大部分區(qū)域從地表向下均經(jīng)歷了黏性土—砂性土—黏性土的變化，推測經(jīng)歷了河漫—河床—河漫的相變，氣候暖濕時(shí)2沉積體同時(shí)向河床/邊灘演變，顆粒由細(xì)變粗，如DC01，DC25，DC27等多個(gè)孔均在第Ⅱ?qū)右姷[石，是當(dāng)時(shí)河床底部滯留沉積的證據(jù)，氣候干冷時(shí)又同時(shí)向河漫相變化，顆粒由粗變細(xì)，這說明沉積格局是穩(wěn)定的，新地層只是老地層在不同氣候條件下的繼承性活動(dòng)(圖7)。

總之，20 m以淺河床及其兩側(cè)河漫灘、泛濫洼地繼承性發(fā)育，各沉積體隨著河流的擺動(dòng)此消彼長。

圖7 潮白河中游W-E向淺層沉積相圖Fig.7 Shallow sedimentary facies of W-E direction in the middle reaches of Chaobai River

4.3 潮白河中游的宏觀沉積特征

研究區(qū)20 m以淺地層由河流沖積形成，潮白河的侵蝕、搬運(yùn)和沉積作用塑造了區(qū)內(nèi)的沉積格局。受基底西高東低和永定河沖洪積扇的影響，潮白河流向由西南向轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南向，河道向西凸，向東凹(圖5)，河型為曲流河[3,7]。在20 m深度內(nèi)，潮白河大致經(jīng)歷先擴(kuò)張后萎縮的過程，根據(jù)沉積體①—④鉆孔可推測出潮白河發(fā)育的大致范圍(圖7)。古潮白河發(fā)育規(guī)模較現(xiàn)代潮白河更大，水動(dòng)力更強(qiáng)，決口改道頻繁，白廟村附近的剖面記錄了一套完整的決口扇沉積(圖8(b)—(c)[3])。隨著氣候向干冷轉(zhuǎn)變，河流逐漸收縮并延續(xù)至今。在人類不斷的固堤、疏浚河道等活動(dòng)干擾下，現(xiàn)代潮白河決口改道減弱，河型趨于簡化。據(jù)最新遙感影像分析，田各莊以北河段曲率約為1.3，屬順直河型； 田各莊以南曲率約為1.6，屬曲流河型。田各莊西南側(cè)保留了明顯的曲流河相中的邊灘亞相發(fā)育痕跡(圖8(a))。

(a) 邊灘(b) 楔狀體決口扇(c) 決口時(shí)的沖刷面和高角度貝殼

圖8典型沉積相遙感影像和野外照片

Fig.8Remotesensingimageandfieldphotosoftypicalsedimentaryfacies

潮白河的河型對研究區(qū)沉積格局有重要的控制作用。首先，河型決定堤岸相的差別發(fā)育，河流攜帶泥沙中的粗顆粒易在凸岸沉積形成邊灘，細(xì)顆粒易在凹岸處堆積形成天然堤，宏觀上向西凸出的河型會(huì)使西岸天然堤的發(fā)育好于東岸； 其次，堤岸又決定河漫相的差別發(fā)育，西岸天然堤發(fā)育更好，相應(yīng)的河漫相沉積發(fā)育的門檻也就高于東岸，規(guī)模較小的洪水可能漫過東岸形成河漫灘，而在西岸則不能形成。因此，西岸河漫灘發(fā)育規(guī)模較小，東岸天然堤外則廣泛發(fā)育了巨厚河漫灘沉積，構(gòu)成研究區(qū)內(nèi)的主要沉積體。該河漫灘自西向東地勢逐漸變低，水動(dòng)力條件變?nèi)酰练e物顆粒變細(xì)，最東部形成泛濫洼地，間歇性被水淹沒，造成遙感影像色調(diào)自西向東不斷加深。

燕郊鎮(zhèn)東側(cè)的古河道是本次遙感解譯的重要發(fā)現(xiàn)，發(fā)育深度在8 m以淺，結(jié)合上游遙感影像，推測該古河道為上游決口形成的決口大溜，快速堆積后在地貌上呈河道微高地(圖7)。河道消亡后，在長期風(fēng)蝕作用下，河道砂體厚度變得不均勻，形態(tài)表現(xiàn)為斷續(xù)的沙包或沙帶(圖4)，因此，在古河道的不同位置由于地勢高低不平，后期接受河漫沉積時(shí)易形成不連續(xù)沉積，例如DC29孔可能位于古河道邊緣或受風(fēng)力侵蝕嚴(yán)重的局部低洼地帶，后期接受了較薄的河漫沉積，而DC02，DC12和DC16孔地勢相對較高，后期并未接受河漫沉積(圖6)。在形成該古河道的上游決口事件發(fā)生之前，沉積體③—⑤是一個(gè)整體，均為左堤外河漫灘。

5 結(jié)論

本文利用遙感技術(shù)，根據(jù)砂性土和黏性土在遙感影像上的反射光譜特征解譯了潮白河中游沖積平原淺層沉積體系，通過第四紀(jì)地層取芯驗(yàn)證了遙感解譯結(jié)果，并對宏觀沉積特征進(jìn)行了綜合分析。

1)早期中低空間分辨率Landsat TM影像數(shù)據(jù)在識別地表巖性時(shí)效果較好，在B7(R)，B4(G)，B1(B)波段組合下砂性土與黏性土色調(diào)差異明顯，顏色飽和度可以反映同種巖性粒度上的變化。利用鉆孔淺層巖芯驗(yàn)證遙感解譯結(jié)果，兩者基本一致。

2)研究區(qū)表層自西向東可分為5個(gè)沉積體： 右堤外河漫灘、現(xiàn)代河床、左堤外河漫灘、古河道和泛濫洼地。其中，古河道發(fā)育深度淺，以透鏡體形式存在； 河床及其兩側(cè)河漫灘、河漫洼地在20 m以淺繼承性發(fā)育，各沉積體隨河流的擺動(dòng)此消彼長。

近年來，自然資源部中國地質(zhì)調(diào)查局大力推進(jìn)京津冀平原區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，但在遙感解譯中早期影像未得到足夠重視。京津冀地區(qū)第四系沉積物受人類擾動(dòng)強(qiáng)烈，應(yīng)選擇保留沉積行為痕跡較好的早期數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。