藏東南帕龍藏布流域索通平臺第四紀堆積體成因

鄒任洲, 張佳佳, 劉健康, 王軍朝, 李 勇*, 黃 亮, 田 海

(1. 成都理工大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 四川 成都 610059;2. 中國地質調查局 探礦工藝研究所, 四川 成都 611734)

0 前言

一直以來,青藏高原都是當前國際地質學界頗具爭論的焦點地區[1-3],位于中低緯地區的青藏高原對其周圍的環境響應明顯[4-5],在全球氣候變化中扮演重要角色,有著全球氣候變化的驅動機和放大器之稱[6].

青藏高原東南緣的藏東南地區是我國地形地貌的第一梯度帶[7],發育高山峽谷地貌,受到西南季風和印度洋濕暖氣流的雙重作用,使得這里常年降雨量大,巨大的海洋性冰川發育[8-9],獨特的地質、地貌和氣候條件導致了藏東南地區頻繁發生崩塌、滑坡、泥石流和雪崩等地質災害[10],這些地質災害主要與藏東南帕龍藏布沿岸第四紀松散堆積有關,這些堆積體主要包括冰磧物、泥石流堆積物、河流沖積物和崩坡積物等.

前人對藏東南地區第四紀堆積物做了大量的研究,文獻[11-14]發現在藏東南地區出現多次冰川活動,在現代冰川前緣和帕龍藏布流域沿岸保留有古冰川遺跡,并將該區域的冰磧分為倒二冰磧、末次冰磧、新冰磧和小冰磧;曾慶利等[15]在松宗鎮地區發現第四紀的湖相和河流階地沉積層,其中湖相沉積層厚度達到80 m以上;蔣忠信[16]統計了川藏線318國道然烏至魯朗路段68條泥石流溝和泥石流溝形成的泥石流堆積扇,但是對于帕龍藏布沿岸一些孤立且成因不是很明顯的第四紀堆積并沒有做出較為詳細的研究.本文主要通過無人機航拍、高精度遙感影像、鉆孔巖心、物探手段和野外實測對帕龍藏布流域索通村索通平臺第四紀堆積體成因進行詳細的研究.

1 區域地質概況

研究區跨岡底斯陸塊、雅魯藏布江結合帶和喜馬拉雅陸塊東部南迦巴瓦構造結,處于三大山脈即念青唐古拉山脈、喜馬拉雅山脈和橫斷山脈交匯復合部,為各種構造極其復雜的造山帶.大地構造分區見圖1.

藏東南地區是指念青唐古拉山東端以南、橫斷山以西、雅魯藏布江中游以東、南迦巴瓦峰以北的地區,中心區域位于雅魯藏布江大拐彎頂點[18],這里構造活動強烈,河流深度下切,形成高峰深谷的高山峽谷地貌,索通平臺地理位置位于波密縣古鄉索通村,處于雅魯藏布江第一大支流帕龍藏布右岸.圖2為利用無人機航拍和高精度遙感影像手段得到的索通平臺全貌,平臺長約1 800 m,最寬處約860 m,平臺到帕龍藏布的高度約85 m,整體形態為東窄西寬的梯形.

圖 1 藏東南大地構造單元分區[17]

圖 2 索通平臺全貌

2 階地發育特征

帕藏布源于阿扎貢拉冰川,源頭海拔高達4 900 m左右,海拔最低在中下游通麥附近為1 800 m,海拔落差超過3 000 m,在該流域的中下游發育大量的多級河流階地.索通平臺位于帕龍藏布中下游,共發育五級階地(圖3).

索通村第一級階地(T1)位于G318南側,帕龍藏布右岸,階地地勢平坦,寬約30 m,為帕龍藏布深切河谷形成的堆積階地.階地底部堆積物為第四紀冰川形成的冰磧物,在冰磧物上部為河流相卵石和砂沉積,下粗上細具二元結構.上部為河漫灘沉積沖積層,沉積物為粉細砂.一級階地階地面海拔2 330 m,帕龍藏布水面海拔3 220 m,高出現在河水面10 m.

索通村第二級階地(T2)位于G318北側,二級階地和一級階地交界處有明顯的陡坎,陡坎高約35 m,階地面海拔2 365 m.該階地是典型的堆積階地,下部由于公路開挖形成高14 m的露頭,物質成分塊碎石,塊石最大粒徑2 m,碎石粒徑多見10～20 cm,膠結好,磨圓差,呈棱角狀至次棱角狀,無分選,根據物質組成和結構,為第四紀冰川形成的冰磧物.

上部為河流相沖積物,物質組成為卵石和砂,卵石磨圓一般,呈次圓狀,階地上可見大于10 m的漂粒.在二級階地后緣靠近三級階地陡坎處可見一小型隆起形成的溝道,溝道內無常年流水,并可見粒徑大于6 m的漂粒,推測為古河道在形成二級階地時河流側蝕作用砂礫石不斷在凸岸堆積形成.

索通村第三級階地(T3)位于T2北側,在二級階地后緣,可見明顯陡坎,陡坎高約20 m,階地面海拔2 385 m,地勢平坦,階面寬約36 m.該級階地是典型的堆積階地,下部為礫石層,磨圓差,呈棱角狀,為第四紀冰川形成的冰磧物.上部為河流作用沉積的沖積層,物質組成復雜,磨圓度和粒徑變化較大,可見次棱角狀的礫石和圓狀的漂卵石混雜堆積一起,有粒徑大于3 m的漂石和粒徑大于7 m的塊石,也有粒徑10～20 cm的卵石.從T3的物質組成和形態分析,可以推斷為冰磧壟被古河流改造不完全形成冰磧物和河流沖積物混亂堆積而成.

索通村第四級階地(T4)位于T3北側,階地地勢平坦,階地面寬約55 m,與三級階地形成明顯陡坎,陡坎高約10 m,坡度約15°,階地面海拔2 395 m.該級階地是典型的堆積階地,階地面和陡坎都由河流沉積物組成,沒有基巖出露.

下部物質和前三級階地一樣,為礫石層,為第四紀冰川形成的冰磧物.上部為河流沖積物和被河流改造后的冰磧物,物質為漂卵石層和塊碎石層,漂卵石磨圓好,呈圓狀,可見粒徑約3 m的漂石,卵石粒徑在10～20 cm.塊碎石磨圓較差,次棱角至次圓狀,粒徑大多在15～30 cm.和T3類似,T4也是古河流對冰磧壟改造不完全形成冰磧物和河流沖積物混亂堆積而成.

索通村第五級階地(T5)位于T4北側,階地地勢平坦,階地面上村民大面積種植小麥,階地面寬約416 m,陡坎高約10 m,階地面海拔2 405 m.北側為基巖山體形成的陡坡,巖性為片麻巖,表面覆蓋一層崩坡積物.該階地是堆積階地,下部是第四紀冰川形成的冰磧物,物質組成為塊碎石.冰磧物的上面為河流相形成的卵石和砂,卵石中夾雜塊碎石,磨圓整體較好,卵石粒徑在10～20 cm,卵石上面為細砂,具有二元結構.上部為一層腐殖耕植土,厚度約0.8 m,村民耕種的農田里可見零星的漂礫.

圖 3 索通平臺階地實測剖面

3 索通平臺鉆孔和物探分析

3.1鉆孔分析鉆孔能夠真正揭露索通平臺第四紀松散堆積物物質成分,對分析索通平臺和其階地成因具有重要意義.本次總共設計了ZK01 和ZK02兩個孔,鉆孔采用回轉鉆進,植物膠、泥漿和堵漏劑綜合護壁,巖性采取率均在80以上.

ZK01孔：位于T5靠近基巖山體處,鉆孔高程為2 420 m,終孔孔深35.40 m(見圖4(a)圖).0～0.8 m為耕植土,灰褐色,主要成分為碎石,碎石粒徑1～6 cm,強風化,磨圓差,呈棱角狀.細粒物質主要為細砂和黏土,耕植土可見少量植物根莖.8～14.40 m為塊碎石土層,黃灰色,風化嚴重,磨圓差,呈棱角狀,最大粒徑約35 cm,平均粒徑5～20 cm,巖性主要為閃長巖和片麻巖,細粒成分主要為細砂.14.40～35.40 m為塊石土層,14.40～27.40 m塊石呈黃灰色,風化嚴重,磨圓差,呈棱角狀,最大粒徑為22 cm,細粒物質為細砂,巖性主要為片麻巖和少量閃長巖.下部塊石呈灰白色,風化稍弱,磨圓差,呈棱角狀,塊石最大粒徑為1.4 m,平均粒徑5～49 cm,細粒物質為細砂,巖性為片麻巖.

ZK02孔：位于T4階地上,鉆孔高程為2 395 m,終孔孔深41.80 m(圖4(b)圖).0～3.78 m為碎石和砂層,磨圓較差,呈棱角狀,最大粒徑為15 cm,可見少量塊石,塊石強風化,裂隙發育,具銹染現象.在1.6～1.8 m處見圓狀卵石出現,粒徑在2～3 cm.3.78～15.20 m為塊碎石土層,風化嚴重,磨圓差,呈棱角狀,粒徑在3～15 cm,最大粒徑為31 cm,巖性主要為片麻巖.在5.45～5.65 cm和12.5～13.1 m處可見圓狀卵石出現,粒徑在6～8 cm,巖性為閃長巖.15.20～27.60 m為含碎石粉砂土層,黃灰、灰白色,細粒成分為粉砂,含黏土較多,手可將其搓成長條狀.碎石質量分數約25%,粒徑5～15 cm,最大粒徑為40 cm,巖性主要為片麻巖.27.60～41.80 cm為碎塊石土層,黃灰色,磨圓差,呈棱角狀,最大可見1.6 m粒徑塊石,碎塊石質量分數在50%以上,巖性為閃長巖和片麻巖,細粒成分為細砂.

(a) ZK01孔柱狀圖 (b) ZK02孔柱狀圖

圖4鉆孔柱狀圖

Fig.4Boreholehistogram

3.2物探分析物探高密度電法主要根據不同物質的電阻率差異為基礎,在施加電場作用下不同電阻率的物質對電流傳導的能力不同,根據測量電流在地下的分布規律,推斷出不同電阻率物質的分布情況[19].本次運用物探高密度電法測量索通平臺,主要是了解不同期次物質的結構特征和層次劃分.

在索通平臺用高密度電法測量一條剖面,剖面位于波密縣古鄉索通村(圖2),從索通平臺靠近基巖山體處橫切索通平臺直到帕龍藏布旁,長775 m,剖面前半段以林地為主,地表主要為腐殖土覆蓋,后半段主要為耕地,主要為耕植土.擬斷面圖上視電阻率大致均勻分布,垂向上規律明顯,層位清晰,能夠反映剖面垂向上的地質特征,原始和反演擬斷面圖分別見圖5和圖6.

從圖5和圖6可以看出,在剖面上0至105號點,視電阻率有兩個明顯的層位:上層為明顯的中高阻變化區,推測該區是河流沖積物和第四紀冰磧物混合堆積的反應,因為該混合堆積分選性較差,膠結疏松,孔隙較大,含水量較少,因此電阻率變化較大;該段深部為穩定的中低阻區,推測該低阻區域是單一的冰磧物的反應.在105號點以后以中低阻為主,該段主要地表為耕地,以砂、黏土為主,并且分選較好,膠結相對較密實,因此推測該段表面主要是細砂和黏土為主的耕植土,富含水后表現為低阻.中部主要為冰磧物,表現為中低阻,深部高阻為基巖反應.

圖 5 索通平臺Ⅰ-Ⅱ剖面原始視電阻率擬斷面

圖 6 索通平臺Ⅰ-Ⅱ剖面反演視電阻率擬斷面

4 討論

4.1索通平臺堆積物成份分析索通平臺兩個鉆孔巖心可以直接揭露平臺深部的物質,為確認索通平臺第四紀堆積物提供最直接有效的證據.ZK01孔位于索通平臺內側靠近基巖山體處,物質主要以塊碎石土為主,磨圓差,呈次棱角—棱角狀,細粒物質主要為細粉砂為主,見圖7(a).

從物質組成上看,只有冰磧物和崩坡積物符合,但崩坡積物很難形成索通平臺的平緩地形,即使是被后期河流改造,平臺上應能找到河流改造留下的物質.石生仁等[20]認為我國西部冰磧物粒度主要以碎石土為主,形態上磨圓差,大多呈次棱角狀.從ZK01巖心的物質成分、形態和粒度分析,可證明為冰磧物的特征.ZK02孔位于索通平臺T4上,鉆孔巖心物質主要以塊碎石土和卵石為主,但在1.6～1.8 mm、5.45～5.65 cm和12.5～13.1 m,圖7的(b)、(d)和(e)出現不同厚度的卵石層,卵石磨圓較好.如果冰磧物中出現磨圓較好的卵石,只可能為河流沉積物質,冰川堆積不能出現磨圓好的卵石[20].卵石層和碎石的交替出現可能是由于在某一構造穩定時期氣候的冷暖變化,造成河流沉積和冰川作用反復出現.在T4與T5之間的陡坎上可見明顯的河流作用形成的砂層,見圖7(c),可以推測索通冰磧平臺被帕龍藏布改造過,但并沒有完全被改造,只是在靠近帕龍藏布外側被河水改造.靠近基巖一側主要還是以冰磧物為主的平臺.索通平臺物探高密度電法測量得出的原始和反演擬斷面圖中的視電阻率也可以清晰反映出平臺大致的物質組成,在105點以后(索通平臺內側)以中低阻為主,為冰磧物阻值.在105點前視電阻率有2個明顯的層位,下層中低阻值為原始的冰磧物阻值,上層阻值變大,說明上層物質已經發生改變,為帕龍藏布對原始冰磧平臺改造,使得冰磧物和河流沉積物混合堆積在一起.野外實測索通平臺五級階地橫剖面可發現,在T2、T3、T4和T5階地面上均可見到粒徑大于2 m的漂礫.文獻[21-22]在研究冰磧物的特征時認為：粒徑巨大的漂礫組成的基巖團塊構造是由冰川底部巨大剪切力把冰川底部的基巖塊體卷入底磧中形成的.由于帕龍藏布河水的侵蝕作用,冰磧物中的細粒物質被河水帶走,留下孤立的大漂礫.鉆孔巖心、物探高密度電法和實測階地橫剖面都可證明索通平臺原始為一冰磧平臺,平臺外側后期經帕龍藏布多期次流水改造形成現在的索通平臺五級階地.

(a) ZK01次棱角—棱角狀礫石

(b) ZK02卵石層

(c) T4-T5陡坎上

(d) ZK02卵石層

(e) ZK02卵石層

4.2索通平臺五級階地成因分析河流階地的地貌和沉積物記錄了河流的發展過程對外因和內因的響應情況[23],為河流系統行為和沉積盆地造貌運動提供了野外證據[24-25].控制河流階地形成的內因主要為河流自身動力紀統的變化[26-28],氣候變化、構造運動和基準面變化為主要外因[29-31].文獻[32-33]認為：基準面變化形成的階地主要是通過裂點的不斷上移來實現,主要發生在河流的下游段,很難影響到整條河流,所以這里不予討論.對于氣候成因的階地,在階地特征方面很多學者做了研究：Starkel[34]認為氣候控制的階地其基座頂部形成的剝蝕面高差在5～15 m;文獻[35-36]認為氣候控制的階地礫石磨圓度低,分選差,多為地方性基巖巖屑;潘保田等[6]認為由氣候變化形成的河流階地的陡坎高度較小,高度一般不超過15 m,并且由于礫石層厚度大,河流的下切作用很難把下伏的沖積層下切完全進入基巖,因此在階地類型上屬于堆積階地.對于構造成因形成的階地,文獻[37]認為構造隆升活躍地區容易形成多級階地,階地的分布高度可達數百米;Maddy等[25]認為在構造活躍的地區河流階地主要受到構造影響,周期性氣候變化對階地影響較小.

索通平臺位于青藏高原東南部帕龍藏布中下游位置,這里雅魯藏布江大拐彎,也是西南季風暖濕氣流進藏的重要通道,地形的抬升,使得這里雨量充沛,是我國現代冰川的發育中心[38],氣候的復雜多變為氣候變化型階地形成提供了必要的條件.索通平臺第四級階地上的ZK02巖心在1.6～1.8 m、5.45～5.65 cm和12.5～13.1 m均出現磨圓較好的卵石,這些卵石層形成3個河流沉積的二元結構,其余的礫石均為塊碎石,磨圓較差,多為棱角狀至次棱角狀,基本上無分選,為基巖碎屑,所以從階地沉積物的沉積結構分析,階地受到復雜氣候的控制.前述五級階地的類型都是堆積階地,階地間的陡坎高度基本上小于15 m,符合氣候成因階地特征.但藏東南地區屬于構造活躍、地殼強烈隆升地區,Wang等[39]在研究構造作用對雅魯藏布大峽谷的約束作用文獻中,認為構造作用是雅魯藏布大峽谷形成的主因和第一驅動.丁林等[40]用磷灰石裂變徑跡法算出1 Ma以來東構造結地區抬升速率為5～10 mm/a.T2和T3陡坎高度超過15 m,驗證了區域強烈的構造抬升作用是河流階地形成的重要因素,而對于氣候和構造作用對階地的形成孰輕孰重還有待進一步研究.

5 結論

索通平臺第四紀堆積體最初是由第四紀冰川作用形成的冰磧平臺,后期冰磧平臺外側邊緣受帕龍藏布改造形成現今的五級階地(圖8).根據五級階地沉積物的沉積構造、階地類型和陡坎高度等特征,其成因主要是藏東南地區復雜多變的氣候變化和該區域構造活躍、地殼強烈隆升的共同作用,但對于兩者的孰輕孰重還有待進一步研究.

圖 8 索通平臺第四紀堆積體演化過程模式

致謝感謝中國地質科學院探礦工藝研究所“藏東南重要城鎮和交通干線地質災害調查”項目組提供的論文資料以及對本文的支持,感謝李勇老師對本文的指導,謹致謝意.

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