三峽及鄰區第四紀沉積與地貌特征對古氣候的指示

黃恒旭,向　芳,王金元,朱宏博,杜　雯,康東雅

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；2.貴州煤田地質局，貴州 六盤水 553000)

第四紀以來長江三峽地區在全球氣候變化的影響下，受大地構造影響，氣候變化頻繁而復雜，分析其變化規律和影響因素對研究現今氣候具有重要的參考價值和指導意義，也是現今研究的熱點和重點課題。長江三峽指重慶奉節白帝城到湖北宜昌南津關一帶，為瞿塘峽、巫峽和西陵峽的統稱，是第四紀古氣候研究的熱點地區。多年來，李四光[1]、景才瑞[2]、魏寶華等[3]、唐貴智等[4]都對三峽及鄂西地區做過大量工作，并得出三峽及其鄰區存在冰期的結論。而黃萬波等[5]、張玉芬等[6-7]結合巫山早更新世的“巫山猿人”及其動物群和晚更新世的黃土特征，認為三峽地區早更新世為暖濕氣候，到晚更新世氣候轉為干冷。

由此可見，前人對三峽地區古氣候的研究結果存在較大爭議，研究程度有待進一步提高。本文以進一步分析三峽及其鄰區第四紀古氣候特征為目的，通過實地考察，對三峽、宜昌地區的夷平面、階地沉積特征進行詳細研究，在與前人研究結果進行對比的基礎上，結合已有的ESR年齡數據，在全球第四紀古氣候和青藏高原隆升的大背景下，探尋三峽及其鄰區第四紀古氣候特征及其可能的影響因素。

1　概 述

圖1　研究區地理位置圖Fig.1　Location of the Three Gorges and the Yichang region

研究區位于重慶長江沿線、長江三峽及江漢盆地一帶(圖1)。劉興詩[8]、田陵君[9]經過實測研究認為三峽地區在海拔高度1.3～2.0 km存在零星分布的鄂西期夷平面，海拔高度1.0～1.2 km存在山原期周家垴亞期夷平面，海拔高度800～900 m存在山原期王家坪亞期夷平面，海拔高度500～600 m存在云夢期夷平面，其上分布有不連續的礫石層。長江干流兩岸存在至多5級階地，其中在萬州、巫山、奉節、宜昌等地保存完整[9,11]。由于三峽地區地勢抬升，以風化剝蝕為主，除河流階地的堆積物外，第四紀沉積物較少。宜昌地區第四紀沉積物較為豐富，地層由下至上云池組(Q1y)、善溪窯組(Q2s)、宜都組(Q3y)和平原組(Q4p)皆有出露。

三峽及其鄰區屬亞熱帶濕熱氣候，冬暖夏熱，受季風、地形因素影響，氣候垂直分帶明顯，降雨時空分布不均。年平均溫度16～18℃，夏季氣溫較高，海拔高度<400 m的地區夏季酷熱難耐。年降水量1～1.4 m，其中春夏秋占年降水量的90%以上。

2　主要剖面和地貌特征

本次研究觀測了重慶萬州、奉節、巫山和湖北宜昌的階地、夷平面及其沉積物的分布、成分和顏色組成等特征，在此基礎上，討論三峽和三峽以東第四紀以來古氣候的變化過程。

2.1　萬州階地剖面

萬州地區可見有5級階地(圖2)，基座為侏羅系沙溪廟組(J2s)，主要為巖屑石英砂巖，巖層產狀水平。長江南岸的第Ⅴ級階地為侵蝕階地，海拔高度為319 m左右，可見基巖侵蝕形成陡崖和孤峰地貌(圖3)，陡崖和孤峰間為低洼的古河谷，谷底寬約20 m，較平坦。第Ⅳ級階地也為侵蝕階地，海拔高度為264 m左右，見寬約15 m古河道，古河道展布方向與現今長江流向一致，基巖侵蝕形成的孤丘構成階地的階坎。第Ⅲ級階地海拔高度為210 m左右，為基座階地，堆積物為厚17 m左右的棕黃色礫石層，夾有砂質透鏡體。第Ⅱ級階地為堆積階地，海拔高度為160 m，階坎上部為厚15 m左右的黃土堆積(圖4)，見姜狀鈣質結核、腹足化石，黃土下部為鈣質膠結砂沉積，夾有少量鈣質硅化層。第Ⅰ級階地剖面未見，前人資料[9]提及主要為堆積階地，階地面海拔高度140～150 m，相對高度40～50 m，主要為棕黃色黏土質砂沉積。

2.2　奉節剖面

奉節地處三峽入口，遠觀長江南岸，最高的山脊由串脊狀尖峰構成，海拔高度在1.3～1.7 km，代表鄂西期夷平面。在海拔高度700 m左右也發育有串脊狀圓丘山，丘頂圓滑，脊線較平，代表山原期夷平面。在海拔高度550 m處為較低一級的平行山脊，為云夢期夷平面。在長江北岸的泡桐樹—梅溪河一帶，海拔高度(570±6)m處為平臺狀地貌，為云夢期夷平面(圖5)。海拔高度554 m處見河流成因的礫石堆積，礫徑1～2 cm，最大可達4～5 cm，次圓-圓狀，有一定的排列方向，棕紅色砂質黏土填隙，礫石的成分有礫巖、硅灰巖、石英巖和石英砂巖等，較為復雜。

圖2　萬州長江南岸階地剖面圖Fig.2　Profile map showing the south bank of Yangtze River in Wanzhou

圖3　萬州長江第Ⅴ級階地面上的孤峰、陡崖和兩者之間的低洼古河道Fig.3　The 5th terrace of the Yangtze River in Wanzhou

圖4　萬州長江第Ⅱ級階地剖面中的黃土層Fig.4　Loess of the 2nd terrace in Wanzhou

圖5　奉節低夷平面宏觀特征Fig.5　The gross feature of low planation surface in Fengjie

奉節階地剖面見圖6，階地下部基巖多為沙溪廟組砂巖和泥巖，產狀近水平。第Ⅴ級階地海拔高度330 m，白衣庵南東處為基座階地，褐黃色亞黏土夾砂層堆積。第Ⅳ級階地海拔高度220～230 m，草堂河浣花溪一帶海拔高度為240～260 m，為基座階地，階面已被耕種破壞。第Ⅲ級階地在營盤抱一帶海拔高度為160～180 m，相對高度為85～105 m，基座階地，巖性為黃土狀黏土夾透鏡狀礫石層，含鈣質結核。第Ⅱ級階地屬基座階地，局部具有堆積階地特征(圖7)，海拔高度130～140 m，高處可達160 m左右，主要為黃色粉砂質黏土或黃土堆積，偶夾透鏡狀礫石層，礫石大小混雜，略具定向性。局部黃土夾鈣質層，最多可見有7層，每層厚15 cm，相間60～100 cm，結構致密。第Ⅰ級階地沿江分布，海拔高度120 m左右，相對高度45 m，屬堆積階地，上部為黃色粉砂質黏土，下部具有礫石層。

圖6　奉節長江南岸階地剖面圖Fig.6　Terrace section of the south bank of Yangtze River in Fengjie

圖7　奉節第Ⅱ級階地黃土沉積Fig.7　Loess of the 2nd terrace in Fengjie

2.3　巫山階地剖面

圖8　巫山上楊柳坪云夢期夷平面上發育的巖溶地貌Fig.8　Karst landform developed on the planation surface in Yangliuping,Wushan

圖9　巫山長江階地剖面Fig.9　Terrace section of the south bank of Yangtze River in Wushan

巫山地區階地發育，階地下部基巖為三疊系巴東組(T2b)，巖性為泥巖、灰巖及砂巖。巫山縣長江南岸上楊柳坪一帶海拔高度870 m處為圓丘、平臺地貌，出露二疊系灰巖，其上發育巖溶地貌，有石林、溶縫、石芽，表層發育紅土(圖8)。大白巖半山處海拔高度805 m左右，巖溶現象發育，形成石林、大型溶縫、落水洞、溶蝕圓丘等。長江北岸相應海拔高度800 m處有近水平的小型溶縫和溶洞，指示該區在海拔高度870～800 m處有構造穩定期以水平溶蝕為代表的山原期夷平面。巫山階地剖面見圖9。第Ⅴ級階地海拔高度320 m，為基座階地，棕色黏土沉積為主，干燥，固結成顆粒狀，堅硬，未見礫石。在相同高度的另一地點，在富含鈣屑的土黃色殘坡積物中見小型溶洞，并見石鐘乳或鐘乳狀鈣結殼充填其中。第Ⅳ級階地，海拔高度260 m左右，基座階地，棕褐色黏土堆積，未見礫石，下部可見有泥炭。第Ⅲ級階地，海拔高度220 m，為基座階地，黃色黏土沉積為主，含鈣質結核。第Ⅱ級階地海拔高度145 m，為堆積階地，見黃土狀堆積物，質地疏松干燥，可見鈣質結核(圖10)。第Ⅰ級階地在老縣城長江左岸，海拔高度120 m，相對海拔高度55 m左右，為堆積階地，階地露頭為黃土狀堆積物，質地緊密干燥。

2.4　宜昌階地剖面

圖10　巫山長江第Ⅱ級階地中黃土沉積，含鈣質結核Fig.10　Loess with calcareous concretion in the 2nd terrace,Wushan

圖11　宜昌階地剖面Fig.11　Terrace section of the south bank of Yangtze River in Yichang(根據李鐘陵[12]，改繪)

如圖11，宜昌第Ⅴ級階地海拔高度155 m，屬基座階地。上部為棕紅色砂、泥層，被耕地破壞；下部礫石呈疊瓦狀排列，填隙物為棕紅色黏土，基座部分為白堊系五龍組紫紅色泥巖和灰色砂巖。第Ⅳ級階地為基座階地，剖面底部海拔高度為120 m，出露高度12～10 m，為砂質黏土填隙的礫石層，剖面總體的顏色為紅棕色。第Ⅲ級階地，屬堆積階地，海拔高度100 m左右，主要為黃褐色砂礫石層。第Ⅱ級階地為堆積階地，海拔高度為60 m左右，上部沉積主要為黃棕色黏土，下部為砂礫石層，含鈣質膠結物。第Ⅰ級階地已被破壞，由前人研究資料可知階地面海拔高度50 m左右，相對河水面高度10 m左右，為堆積階地[9]。

2.5　云池剖面

剖面位于宜昌云池李家院子，從上至下由善溪窯組(A、B層)、云池組(C、D層)組成(圖12)。

圖12　云池李家院子云池組與善溪窯組剖面素描圖Fig.12　Sketch showing Yunchi Formation and Sanxiyao Formation from the Lijiayuanzi section

A層下部為礫徑粗大、分選差的礫石層，厚2～6 m。B層為礫石層堆積，厚6 m左右，褐紅色黏土填隙物，上部礫石呈水平狀，下部礫石層具斜層理。C層為灰白色夾黃色砂層，厚8 m，半固結，質地均勻，偶見1～2 cm大小的礫石；頂面為一沖刷面，具有鐵質殼；上部砂層為平行層理，下部為斜層理。D層為約12 m厚的礫石層，呈棕黃色，見紅褐色鐵質浸染形成的夾層；整體由3～4個厚約1～3 m粗細變化的韻律構成，中上部見厚度1 m的斜層理，傾向與礫石相同，傾向西南；與下伏古近系方家河組(Ef)棕紅色泥質粉砂巖呈不整合接觸。已有的研究顯示，云池組主要為沖積扇-扇三角洲沉積，善溪窯組為沖積扇-湖泊沉積[12]。

2.6　善溪窯磚廠剖面

剖面位于枝江市善溪窯磚廠附近，海拔高度160 m，黃色細砂-粉砂沉積，有韻律層理，可見鐵質浸染層，上部見爬升沙紋層理，向上沙紋層理厚度加大并過渡為磚紅色黏土，黏土質地均勻，未見網紋紅土化，頂部為褐紅色黏土，含不規則網紋和鐵錳結核。屬善溪窯組中上部湖泊相沉積。

2.7　三峽機場剖面

剖面海拔高度192 m，厚度3～4 m，呈紅褐色，下部礫石層厚1 m，礫徑下小(5 cm)上大(10～20 cm)，填隙物為砂質黏土，見少量網紋化。上部為網紋紅土。機場附近海拔高度185 m處網紋紅土非常發育，網紋粗大，紅土分布廣泛，構成海拔高度190 m處的平坦地貌，屬善溪窯組上部湖泊相沉積。

3　古氣候意義

剖面相關年齡數據見表1，部分數據來源于向芳等[10,14]ESR年齡測定結果，部分為前人研究結論的總結[9,15-16]，還有部分為本研究對三峽地區夷平面、階地相關沉積物ESR年齡測定的結果。

研究區主要剖面所見夷平面和階地沉積特征、重要地貌特征歸納如表2。

眾所周知，地形地貌和沉積物特征及其顏色能直接反映沉積時的氣候特征。當氣候溫暖而多雨，河水流量增加，對河谷侵蝕作用增強，形成孤峰、古河床地貌；同時化學風化強烈，大量雨水對灰巖地層溶蝕，形成石林、溶洞、落水洞等地貌；而礦物中可溶性鹽基被淋濾帶走，發生Fe3+和Al3+的相對富集，并以氫氧化物形式保留下來，之后在干燥條件下脫水成無水的Fe2O3和Al2O3，形成紅土。氣候寒冷干燥時，在上層滯水帶易形成鈣質結核；同時因物理風化為主，化學風化不強烈，沉積物顏色多為灰色或灰黃色。

表1　相關沉積物的地質年齡Table 1　Date of geological ages of the related sediments

(部分數據來自向芳[10,14])

從以上剖面描述及表2總結的沉積特征和地貌特征可知，萬州地區的第Ⅴ、第Ⅳ、第Ⅲ級階地的階坎高度分別為55 m、54 m、50 m，之間并沒有太大差距，說明0.73～0.09 Ma B.P.萬州地區地殼3次抬升速度比較均勻。但階地的類型和堆積物情況卻不盡相同：第Ⅴ、第Ⅳ級階地為侵蝕階地，形成古河道和孤丘地貌；第Ⅲ級階地為基座階地，堆積棕黃色礫石。由此可知，第Ⅴ、第Ⅳ級階地對應的0.73～0.3 Ma B.P.期間，萬州地區水動力很強，以下蝕作用為主，碎屑物質不能堆積下來，而主要的表現為對河谷的侵蝕，形成了古河道、孤峰和孤丘。0.11～0.09 Ma B.P.，萬州地區水動力減弱，并開始有較大顆粒的碎屑物堆積，故而形成基座階地。表明氣候在0.11 Ma B.P.之前已向干冷轉變，導致水動力的減弱。第Ⅱ級階地為堆積階地，有黃土夾鈣質膠結砂，含鈣質結核；第Ⅰ級階地為堆積階地，出現棕黃色黏土質砂。表明氣候在0.09 Ma B.P.以后一直保持干冷狀態。

奉節泡桐樹-梅溪河地區在0.749 Ma B.P.的云夢期夷平面上見圓丘-平梁-緩坡地貌，礫石間填隙物為棕紅色砂質黏土，代表暖濕環境。第Ⅴ、第Ⅳ級階地均為基座階地，沉積物主要為褐黃色亞黏土夾砂層；第Ⅲ、第Ⅱ和第Ⅰ級階地由基座階地轉變為堆積階地，主要形成含鈣質結核、鈣質層的黃土狀黏土和黃土沉積。表明奉節地區在早期同樣為暖濕氣候，從第Ⅲ級階地開始，氣候出現干冷特征。

巫山楊柳坪早更新世形成的山原期夷平面上可見灰巖溶蝕現象，形成石林、溶縫、落水洞、溶蝕丘等，溶蝕剖面上有棕紅色坡積物，代表暖濕環境。第Ⅴ級基座階地上，可見棕色黏土堆積，同高度見鈣質碎屑坡積物中的巖溶現象；第Ⅳ級基座階地棕褐色黏土堆積，含泥炭；第Ⅲ級基座階地為含鈣質結核的黃色黏土堆積；第Ⅱ級堆積階地中出現含鈣質結核的黃土堆積；第Ⅰ級階地為黃土沉積而成的堆積階地。巫山地區0.73～0.7 Ma B.P.發育有巖溶現象，與第Ⅳ級階地等高坡積物中的石鐘乳ESR年齡測定結果為0.44 Ma，第Ⅳ級階地形成階段的氣候同樣為溫暖潮濕。第Ⅲ級階地(0.11～0.09 Ma B.P.)黃土沉積的出現，以及其中鈣質結核ESR年齡測定結果為0.11 Ma，均表明0.11 Ma B.P.開始，巫山地區氣候轉為干冷。

宜昌地區的云池組下部為棕黃色礫石層含紅褐色鐵質層，上部為灰白色夾黃色砂層，頂部為鐵質殼，整體屬沖積扇相沉積。善溪窯組下部為紅褐色黏土填隙的礫石層，代表沖積扇相沉積；上部過渡為磚紅色黏土，屬湖泊相沉積；頂部可見代表濕熱氣候產物的網紋紅土。表明1.26～0.75 Ma B.P.期間，宜昌地區主要為溫暖潮濕的氣候環境。

宜昌地區長江兩岸的第Ⅴ級階地為基座階地，有紅棕色砂質黏土填隙的礫石層；第Ⅳ級階地為堆積階地，出現紅棕色砂礫石層；第Ⅲ級階地為堆積階地，有黃褐色砂礫石層；第Ⅱ級階地為堆積階地，上部是黃棕色黏土，下部為含鈣質膠結物的砂、礫石層。階地沉積特征表明，第Ⅲ級階地出現以前(0.11 Ma B.P.)，宜昌地區為暖濕氣候，之后轉變為干冷氣候，與峽區古氣候變化趨勢一致。

表2　三峽和宜昌地區夷平面、階地的沉積及地貌特征Table 2　Characteristics of the terraces and sediments in the Three Gorges and its adjacent areas

4　討 論

謝明[17]認為三峽地區在第四紀總體抬升不大，僅400～530 m，未達到湯懋蒼等[18]提出的1.5～2 km大氣抬升凝結高度；同時，相對穩定的宜昌地區在第四紀雖然比同期的三峽地區氣候稍暖濕，但和三峽地區具有整體一致的氣候變化，因此三峽地區在第四紀沉積記錄的變化主要是氣候變化的結果，而與構造活動關系不大。

黃萬波等[5]在重慶巫山縣的研究認為：“巫山猿人”及其動物群生存時間為2.48～1.8 Ma B.P.的早更新世，動物特征為亞熱帶動物群，植被為常綠-落葉闊葉混交林，說明三峽地區早更新世氣候屬溫濕的亞熱帶氣候。本文的研究發現，在早更新世山原期夷平面發育期，巖溶地貌發育，紅土堆積常見，為暖濕氣候特征，與黃萬波等人的研究結果相同。張玉芬等[6-7]通過分析巫山黃土粒度特征和氧化物的化學特征，認為黃土主要為風成成因，沉積于晚更新世早期，古氣候特征總體為干燥寒冷。而本文的研究發現，包括巫山在內的三峽一線及宜昌地區，在第Ⅳ級階地和第Ⅲ級階地出現了氣候從暖濕向干冷的轉化，轉化的時間為0.11 Ma B.P.左右，與張玉芬等人的研究結果可以對應。但本文的研究結果不支持李四光、景才瑞、魏寶華、唐貴智等人提出的三峽地區存在有第四紀冰川的觀點。

根據施雅風等[19]和李吉均[20]的觀點，1.1 Ma B.P.開始的昆侖-黃河運動，將青藏高原抬升至3～3.5 km，限制了西南季風的影響，氣候變干；但被高原分割而成的南北兩支西風與長江中下游地區匯合，維持著地區的暖濕，促使長江中下游地區發育網紋紅土。0.15 Ma B.P.發生的共和運動進一步將高原抬升到4 km，基本阻擋了西南季風對喜馬拉雅山以北地區的影響，氣候進一步干冷。而三峽地區巫山第Ⅲ級階地上黃土及巫山和奉節第Ⅲ級階地上的鈣質結核的出現，指示峽區的氣候在0.11 Ma B.P.前后發生了明顯的轉變，這與李吉均認為共和運動對長江流域氣候產生影響的觀點吻合，因此本文認為，造成三峽及宜昌地區在晚更新世早期(0.11 Ma B.P.)氣候由暖濕向干冷轉化的可能原因是青藏高原隆升階段中的共和運動。

5　結 論

a.三峽地區和宜昌地區在第四紀具有相似的氣候變化過程，表現為早更新世以來為溫暖潮濕環境，在0.11 Ma B.P.左右發生氣候變化，之后直至全新世為干燥寒冷環境。宜昌地區相對于三峽地區，同期氣候稍暖濕。

b.三峽地區在早更新世的山原期夷平面到長江第Ⅳ級階地中沒有找到冰川運動記錄，同時沉積物的氣候特征也顯示主要為暖濕氣候，這表明早更新世到0.3 Ma B.P.以來，三峽地區不具備發育冰川的條件。

c.沉積記錄顯示，三峽及宜昌地區于0.11 Ma B.P.左右發生了明顯的氣候變化，該時限與共和運動發生的時間具有一致性，推測為共和運動導致青藏高原抬升，阻隔西南季風的結果。