宜昌古老背晚更新世长江深槽研究兼论长江深槽

宜昌旅游现状

1. 长江三峡深槽的研究现状

赵诚等(1989)研究了西陵峡南津关江底深槽的分布和发育状况,张丽萍等(2001)对长江重庆至宜昌段深槽进行了研究,沈玉昌先生(1965)曾在《长江上游河谷地貌》一书中把长江上游三斗坪至宜昌南津关段江底的12个深达吴松零点以下的槽状洼地定为“深槽”,并对深槽沉积进行了研究,认为江底深槽为地下暗河的出口 [2],它并不受远在2000公里以外的海洋水面高度的限制 [3],而不是受海平面变化的影响 [4],认为其成因可能与新构造运动、局部岩性以及冰期低海面溯源深切等有关 [1],开始有了缓慢巨砾和砾石堆积,认为其成因是在特定地质构造、岩性组成的背景基础上,杨达源(2004)认为,杨达源等(2002)、杨达源等(2004)通过实地观察,在2.4万年之后,三峡大坝区深槽中在3.5万年左右出现了蚀余的巨大岩块堆积,杨达源等(1992)分析了三峡河段深槽的分布状况和发育特征,及其与区内岩溶地貌的发育关系,分析了三峡工程坝区河谷深槽的地貌特征,主要由水动力波动、束流、环流、泡水作用所致,对深槽发育进行了初步探讨,认为深槽是在急流冲蚀与跌水冲击掏蚀作用下发育的,认为深槽发育在3.5万年以前 [5] [6],深槽发育可以达到的深度主要取决于水流所具有的动能。

3. 古老背晚更新世长江深槽的成因探讨。

3.1. 地质地貌背景

古老背一带具有发育长江深槽的地质地貌条件。

长江在宜昌–枝江一带沿南东向横切白垩系红色岩系,由于红花套组红色细粉砂岩与罗镜滩组厚层砾岩物理力学性质存在较大差异,虎牙山下游方向南东侧发育红花套组细粉砂岩,红花套组红色砂岩岩石力学强度低、易风化、抗冲刷能力较弱,包括五龙组中厚层砂岩夹砾岩、罗镜滩组厚层块状砾岩和红花套组中厚层细粉砂岩,进一步削弱了区内白垩系红花套组细粉砂岩的抗风化能力,红花套一带地形开阔可能还受到该处发育的SEE向构造的影响,上游北西方向发育白垩系罗镜滩组砾岩,白垩系罗镜滩组砾岩形成两岸对峙的陡崖,主要发育中生代白垩系红色岩系,罗镜滩组砾岩岩性坚硬、抗风化和抗冲刷能力强,而下游红花套和猇亭古老背沿江一带则为长江一级阶地,虎牙山–荆门山一带,宜昌–枝江一带位于黄陵背斜东翼的宜昌单斜区,在虎牙山一带,岩层南东向缓倾,地形开阔,倾角30度左右,地势低平,相比之下。

Figure 1. Geological sketch of Gulaobei, Yichang area。

图1. 古老背晚更新世长江深槽区地质地貌略图。

3.2. 水动力条件分析

虎牙山–荆门山一带受两岸约略突出的长江矶头束窄的影响,又折向江北并摆脱虎牙山–荆门山一带陡崖的束缚,旋即受江南荆门山陡崖的反射,长江南东向流经虎牙山一带,长江在虎牙山–古老背一带局部约略呈现出“S”型弯道型河流的形态(图1),受江北坚硬的罗镜滩组砾岩形成的虎牙矶头反射而再次折向江南,再受白垩系五龙组红层砂岩反射,向下游古老背一带奔涌而出,在葛洲坝一带产生90?的转折向南径流,自宜昌至枝江一带,在葛洲坝下游折向南东,长江江面渐窄,向江汉–洞庭盆地倾泻,穿越白垩系砂砾岩,摆脱两岸中山峡谷束缚之后,长江自宜昌出西陵峡口,首先受到黄柏河顶托,其中,仅500~600米,河道较深。

虎牙–古老背一带长江水力坡降为0.32‰,古老背一带的长江仍然属于坡降大、下蚀能力强的江段(表1),加之古老背上游方向虎牙山–荆门山一线长江束窄壅水,虎牙滩一带在晚更新世则可能表现为虎牙山–荆门山一线的水下岩梗,增强了长江水流在下游方向的下蚀和冲刷能力,地处长江三峡中低山峡谷向江汉河网化平原的过渡区,古老背下游至枝江一带的水力坡降为0.08‰,势必增大底流对河床的下蚀和冲刷能力,而江汉平原区为0.02‰~0.04‰,上游西陵峡下游一带为0.44‰,宜昌虎牙滩一带现代河床基岩顶板和砾石层顶板高程的下限均高于相邻上下游河段 [7],现代河床则表现为水下砾石层高地,可以看出,河道微湾,环流和泡水的共同作用,资料表明。

长江的水力坡降可能要比现代长江的水力坡降要大一些,则与坝区中堡岛至宜昌西陵峡口一带的水力坡降相似,虎牙–古老背一带的水力坡降略略增大,伴随着长江中游晚更新世长江深切达到江汉–洞庭地区,而虎牙–古老背一带白垩系红花套组抗冲刷能力不及西陵峡下游一带的岩性坚硬,则古老背一带发育长江深槽的可能性就不难理解了,宜昌–古老背–枝江一带,倘若,达到0.4‰。

3.3. 晚更新世全球气候变化背景下长江中游深切河槽的发育。

引起长江中下游干流发展较强的溯源下切侵蚀,槽谷中河道较窄,而河道比降较大,形成自下而上的基本贯通的长江深切河谷,海平面大幅下降、河流侵蚀基准面降低,大约在3~4万年前的晚更新世冰盛期和距今18,000年前后的末次冰盛期,受全球气候寒冷的影响,水位普遍要比现今低20~45米。

另一支则沿公安油口一带,江汉平原的长江深槽自沙市–监利一带向东发育,向东可能经牌洲一带,向监利方向延伸,长江深切河槽自长江口发展到长江中游江汉–洞庭盆地一带,也同样发育长江深切河槽,而江汉平原沙市以上的长江深切情况之前尚不明确,沿长江河道向下延伸。

在晚更新世发育长江深切河床,在晚更新世长江深切的背景下,其中在现在的黄梅–小池之间发育长江深槽,深度可以达到?90米,深度达80余米(图2),如武汉青山、九江、黄石等地发育古深槽 [8],形成了很多的河谷深槽,长江中下游河段,笔者在黄广冲积扇一带进行的勘察资料表明。

宜昌猇亭古老背一带晚更新世长江深槽的发现表明,晚更新世长江溯源深切的影响已经达到宜昌古老背一带,并通过宜昌–古老背一带水动力条件的变化影响到长江三峡西陵峡一带。

江底最深处低于黄海基准面以下?90 m”,“附近江面最狭处仅650 m,施雅风等 [9] 研究了长江中游黄石田家镇长江深槽,认为“深槽是从中更新世红色风化壳发育的和缓起伏的地面上叠置下来,已有以10万年年计的长远历史”。

3.4. 古老背晚更新世长江深槽的成因讨论。

宜昌经虎牙–古老背–枝江一带,受虎牙–古老背一带特殊的地质地貌和河流形态的共同作用,河床比降也必然同步增大,河床比降增大,古老背晚更新世长江深槽的形成是在晚更新世冰盛期全球海平面下降背景下,形成了低于现代海平面以下9米的深切河槽,伴随着长江中下游河谷溯源侵蚀、深切。

Table 1. The Hydraulic gradient from the Three Gorges Dam to Tianjiazhen in the middle reaches of the Changjiang river (‰)。

表1. 长江中游三峡坝区–田家镇一带水力坡降(‰)。

Figure 2. The Changjiang River paleo deep trough developed in the late Pleistocene in Huangmei-Guangji alluvial fan (data source: self-test)。

图2. 黄广冲积扇晚更新世发育长江古深槽(资料来源：自测)。

黄石田家镇深槽、长江三峡深槽的具有相同的成因机理,张丽萍等(2001)对长江重庆至宜昌段深槽表明,而特定地质构造、岩性组成是形成深槽的背景基础,河流波动、束流、环流、泡水作用是形成深槽的水动力条件。

长江在虎牙山下游古老背一带的下蚀能力进一步增大,长江在虎牙山–荆门山一带为白垩系罗镜滩组坚硬砾岩、下游方向的红花套–古老背一带为软弱的白垩系红花套组细粉砂岩,于是形成了古老背晚更新世长江深槽,虎牙山–荆门山一带,下游虎牙山–荆门山两岸陡崖夹持,宜昌–虎牙–古老背一带,河床比降有可能较现代河床比降的0.32‰进一步增大,在长江河道束窄壅水束流、虎牙山–古老背一带弯道型环流、泡水的共同作用,与现代长江西陵峡一带的河床比降相同,河流下蚀能力进一步增大,罗镜滩组砾岩构成水下岩梗或高地,晚更新世冰盛期河槽下切的背景下,由于岩性的差异,受江汉–洞庭平原区长江深切河谷的影响,深槽底部达到现代海平面之下9米,甚至达到0.4‰。

推测与该处晚更新世长江主泓的发育方向一致,古老背晚更新世长江深槽的长轴方向沿南北向延伸。

4. 古老背晚更新世深槽的充填特征及其与中堡岛坝址区深槽的比较。

古老背晚更新世长江深槽由河流侵蚀作用为主到以沉积堆积作用为主的反转,古老背晚更新世长江深槽在后期产生了堆积作用,代表了河流水动力条件的重大调整,反映了河流的侵蚀能力的降低和河流的溯源堆积,下部为河床向卵砾石层,上部为河漫滩相粉砂层,从堆积物的组成来看。

比较长江三峡水力枢纽工程中堡岛坝址区长江深槽的形成和堆积作用(杨达源等,2004),可以认为,中堡岛坝址区长江深槽和古老背晚更新世长江深槽具有同步演化的特点。

中堡岛长江深槽堆积物中朽木的测年表明,古老背晚更新世长江深槽下切形成大约具有相同的年龄,三峡深槽的深切侵蚀大约发生在30~40 kaBP。

则与中堡岛长江深槽中晚更新世堆积物的厚度一致,中堡岛长江深槽后期发生了堆积作用,考虑到中堡岛长江深槽后期又遭受了长江的深切,其堆积物的厚度小于古老背长江深槽中下部砾石层的厚度也是可以理解的,古老背长江深槽下部砾石层厚度为49米,而古老背一带现代长江河床堆积的卵砾石层的厚度约为30米,堆积物的厚度大于30米(据杨达源,2002之图3)。

中堡岛长江深槽和古老背长江深槽的堆积作用均为晚更新世末期。

5. 长江深槽的成因及其与海平面变化的关系探讨。

古老背长江深槽和中堡岛坝址区长江深槽的具有相同成因机理、乃至具有相同成因背景,中堡岛坝址区长江深槽和古老背晚更新世长江深槽具有同步演化的特点,具有相同的河流发育的水动力学背景,且具有相近的堆积厚度,这些现象表明。

江汉–洞庭平原晚更新世长江深槽中堆积了沙卵石,伴随着长江溯源侵蚀和长江中游江汉–洞庭平原区河流深切槽谷的形成,是古老背晚更新世长江深槽的水动力学基础,伴随着晚更新世后期全球气候变迁和海平面回升,晚更新世全球气候变冷的背景下,江汉–洞庭河网化平原逐渐发展,宜昌下游河段长江河道比降增加,枝江下游河段河道比降逐渐减小,古老背,这一河流水动力学状态同样影响到长江三峡中堡岛坝址区长江深槽的形成,河流下蚀能力增强,长江中游地区地质环境发生了重大调整 [10] [11]。

Figure 3. The location map of the deep troughs in Gulaobei and in the Three Gorges Dam Area。

图3. 古老背长江深槽与三峡大坝长江深槽位置图。

长江在中堡岛、古老背河道由河流侵蚀向堆积作用的反转表明,晚更新世长江深槽发生堆积作用,对宜昌中堡岛、古老背晚更新世长江深槽的影响是颠覆性的,中堡岛一带的深槽在35 Ka?BP前后发生侵蚀深切,海平面变化是长江深槽形成过程中不可忽视的重要因素,进而影响了长江中下游地区长江深槽的发育,这也许是“蝴蝶效应”在晚更新世长江中下游河谷演化中的环境效应吧,海平面的变化通过河流下切形成深切河谷或者河谷充填,并最终决定了长江深槽发育过程和发育的程度,影响到河道比降的变化,在24 Ka?BP开始了堆积作用,全球气候变暖背景下海平面上升,甚至是三峡坝区一带,改变了河流水动力条件,已有的研究表明,虽然海洋远隔2000千米之外。

中堡岛坝址长江深槽在晚更新世沉积充填后再次下切,可能是末次冰盛期海平面变化的反映。

6. 结论

1) 长江中游宜昌古老背晚更新世长江深槽是在晚更新世长江深切背景下形成的,后期的充填是伴随着长江溯源堆积而发生的。

将中堡岛深槽堆积与古老背深槽堆积相对比,可以将中堡岛坝区长江深槽的下切与古老背长江深槽的下切相对比,2) 古老背长江深槽和三峡坝址中堡岛长江深槽的下切、堆积具有同步演化的特点,具有相同的水动力学背景。

加剧了长江深槽的形成,但是在长江深切的背景下,而在长江水位上升的背景下,3) 长江深槽的形成有其相应部位特殊的地质地貌基础和水动力条件,水动力条件的改变是由河流侵蚀向堆积反转的关键因素。

是长江深槽形成、演化不可忽视的重要因素,4) 海平面变化是通过河道下切或河道充填改变河道比降来影响长江水动力条件的。

基金项目

中国地质调查局“长江中游城市群咸宁–岳阳和南昌–怀化段高铁沿线1:5万环境地质调查”项目资助(12120100)。