疊溪古堰塞湖和金沙遺址和十二橋三星堆及其他

堰塞湖沉積物粒度特徵分析

——以岷江上遊疊溪古堰塞湖為例

許會1，陳劍1，崔之久2，郭佩1

1.中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100083 2.北京大學城市與環境學院，北京 100871

摘 要 對疊溪149個古堰塞湖沉積物樣品作了物質組成分析、粒度參數計算和概率累積曲線的統計，結合有關資料對比分析了不同沉積環境中沉積物的粒度特徵。結果顯示湖相沉積上遊段的沉積物主要是粉砂質砂和砂質粉砂，中遊和下遊段的沉積物較細，主要是黏土質粉砂和粉砂。受河流擾動的影響，湖相沉積上遊段沉積物的粒徑較粗，平均粒徑在4～6 φ之間，多為負偏度，峰態寬平，分選性差；中遊和下遊段的平均粒徑在6～8 φ之間，均為正偏度，峰態中等，沉積物的分選比上遊段好。堰塞湖沉積物是由三個或四個粒度次總體組成，其中上遊段沉積物含有4個次總體，中遊和下遊段含有3個次總體，受物源區的控制，上遊段中推移總體的含量遠大於中、下遊段。這些特徵均表明堰塞湖上遊段沉積物的搬運方式和沉積環境與中、下遊段明顯不同。與其他環境中的沉積物相比，堰塞湖沉積物的截點偏細，躍移組分分選性最差。

關鍵詞 疊溪；堰塞湖；粒度參數；概率累積曲線

0 引言

堰塞湖是一種重要的地貌現象，它是在一定的地質與地形條件下，由於滑坡、崩塌、泥石流、冰川、火山爆發等地質作用形成的天然堤壩橫向阻塞河谷後，造成河流上遊雍水而形成的湖泊[1-2]。這些年來，學者們除了對地震堰塞湖的形成機制、分布規律、風險評估以及應急處置措施作了詳細研究外[3-8]，還著重從沉積學的角度分析了堰塞湖的沉積模式、沉積相特徵及其所代表的環境意義。如徐則民[9]對金沙江寨子村滑坡壩堰塞湖沉積的平面沉積模式和剖面沉積模式做了詳細的分析；陳松等[10]對雪隆囊滑坡堰塞湖潰壩堆積物的粒度特徵進行了研究；鍾湖平等[11]利用古堰塞湖沉積物剖面上的紋泥層數來推算古堰塞湖的淤積保存時間；崔之久等[12]初步探討了滑坡堰塞湖潰壩後的沉積相特徵；張永雙等[13]根據孢粉分析結果劃分瀾滄江雲南德欽古水一帶第四紀堰塞湖發育階段時的古氣候環境；陳有順等[14]利用黃河源區日瑪曲流域古堰塞湖的沉積特徵、年代與孢粉分析結果來探討該古堰塞湖形成的時代和成因以及湖泊發育階段的古氣候與植被特徵。然而，目前國內關於堰塞湖沉積物的粒度及沉積相特徵方面的系統研究尚少。王小群等[15]對岷江上遊疊溪古堰塞湖的團結村剖面的粒度特徵進行了研究，但是主要集中在湖心處細粒沉積物的分析。本文從整個堰塞湖流域的沉積相角度，將堰塞湖沉積從上遊到下遊劃分三段分別進行系統採樣與分析，得出整個疊溪古堰塞湖沉積物的粒度特徵，以期為粒度分析在區分堰塞湖沉積環境的應用上奠定一定的理論基礎。

1 區域地質特徵

岷江是長江的一級支流，位於四川盆地的西部邊緣，發源於岷山南麓，地處四川與甘肅交界處，分為東西二源。東源漳臘河，西源潘州河，東西二源在松潘縣川主寺匯合之後稱為岷江。岷江由北向南流經松潘、茂縣、汶川、灌縣、樂山，在宜賓注入長江。岷江上遊是指灌縣以上河段及其支流。本文研究的主要對象—疊溪古堰塞湖分布在岷江上遊疊溪及其以上約30 km河段，在茂縣和松潘之間，上距松潘縣城約80 km，下距茂縣縣城60 km(圖1)。該古堰塞湖湖相沉積物的出露厚度從數米到近百米不等[16-18]。

圖1 研究區地理位置示意圖[16]

Fig.1 Sketch map of geographical location

in the study area[16]

2 採樣與樣品前處理

疊溪古堰塞湖分布在岷江上遊疊溪古鎮及其以上至永和村約30 km的河段。其中古堰塞湖湖心位置位於團結村和較場部位，庫尾位於疊溪上遊的永和村，將湖首至湖尾的整個古堰塞湖沉積物劃分為上、中、下三段(圖2)，並在每一段上進行採樣分析。總共有6個採樣點(圖2)，各採樣點的詳細信息見表1，各採樣點的採樣剖面見圖3。在進行粒度分析時，本文選用了雷射粒度儀測試法，用Mastersize3000雷射衍射粒度分析儀測試樣品。本次試驗在中國科學院地質與地球物理研究所的粒度分析實驗室中完成。樣品前處理過程如下：

(1) 將燒杯洗乾淨並進行編號，然後取0.2～0.3 g的樣品放入到相應編號的燒杯中；

(2) 加入10 mL 10%的H2O2，蓋上保鮮膜，靜置12 h，除去樣品中的有機質；

(3) 然後將樣品放在加熱板上加熱，加速有機質和H2O2的反應；

圖2 岷江上遊疊溪古堰塞湖分布平面圖

Fig.2 Plane distribution map of Diexi ancient dammed lake upstream of Minjiang River表1 採樣點信息統計表

Table 1 Details of sampling points

圖3 各採樣點的採樣剖面

Fig.3 Sampling section of each sampling point

(4) 樣品加熱後，加入10 mL 10%的HCl，去除碳酸鹽；

(5) 離心，測試離心後上層清液的pH，若為酸性，則倒掉上層清液，加純淨水繼續離心，直到上層清液的pH值呈中性；

(6) 加入10 mL 0.05 mol/L的分散劑(NaPO3)6，然後將樣品置於超聲清洗器中震蕩10分鐘；

(7) 用Mastersize3000雷射衍射粒度分析儀測試樣品。

3 沉積物粒度特徵分析

3.1 沉積物物質組成

疊溪古堰塞湖沉積物的上遊段為河湖交匯相，湖相沉積層與卵礫石層交互出現，其厚度不等，有的礫石層厚度可達幾十釐米，有的只有幾釐米厚，而且礫石層的厚度越大，粒徑大的礫石也就越多。當礫石層厚度為0.1 m時，礫石粒徑多在1～2 cm之間，當礫石層厚度為0.4 m時，礫石的粒徑集中在2～3 cm之間，當礫石層厚度為1 m時，礫石的粒徑多大於4 cm。這是因為堰塞湖中的沉積物主要來源於被滑坡壩阻斷的河流，而河流中沉積物的粒度又嚴格受水動力的制約。若遇洪水期，高速運動的水流就會攜帶大粒徑的礫石和砂衝入湖相層，並且流速越高，挾帶的砂礫石也就越多，細粒的湖相沉積上堆積的砂礫石層也就越厚。後來，由於洪水的注入，湖面擴大，湖相沉積又覆蓋在砂礫層之上，如此往復，就會形成圖3中1號採樣點剖面所示的河流相沉積與湖相沉積交錯疊置的現象，這一現象是湖相沉積物上遊段與中遊和下遊段相區別的沉積特徵。另一個二者相區別的沉積特徵是上遊段的湖相沉積物主要是細砂和粉砂，這二者的含量高達90%，黏土含量不到10%；而湖相中遊和下遊段的沉積物中主要含有粉砂和黏土，二者的含量超過90%，砂含量不到10%。

將所採的所有湖相沉積物樣品點投到混積巖的三角分類圖中(圖4)，可觀察到湖相沉積上遊段的沉積物主要是粉砂質砂和砂質粉砂，中遊段和下遊段的沉積物主要是黏土質粉砂和粉砂，粒度明顯比上遊段細。中遊段和下遊段的沉積物類型基本相似，但仔細對比，就會發現湖相中遊段有一樣品所處的土層顆粒較粗，屬於粉砂質砂，說明該層曾受到過較大水流的擾動；此外，與湖相中遊段相比，下遊段的樣品點在三角分類圖中的分布更為集中，這說明湖相下遊段沉積物的粒徑範圍更窄，粒度分布更為集中，幾乎不受水流擾動的影響。

總體來說，從湖相沉積的上遊段到下遊段，河流水動力對湖相沉積物的影響越來越弱；湖相沉積物的粒度也越來越細，上遊段以砂和粉砂為主，到了下遊段，就以粉砂和黏土為主；湖相沉積物的粒徑範圍也越來越窄，上遊段除了細粒的湖相層，還含有砂礫層，中遊和下遊段無砂礫層，但中遊段偶爾含有較粗的粉砂質砂層，到了下遊段，只含有細粒的粉砂和黏土質粉砂層。

3.2 粒度參數

常用的粒度參數有平均粒徑、標準偏差、偏度和峰態。每一個粒度參數都以一定的數值定量地表示沉積物的粒度特徵，這對於判斷沉積物質搬運時的水動力條件很有用處，即粒度參數可作為鑑別沉積環境的依據[19]。計算每一樣品的平均粒徑、標準偏差、偏度和峰態，然後統計分析，得到圖5所示的粒度參數分布圖。

平均粒徑：代表了粒度分布的集中趨勢，可反映沉積介質的平均動力能，見圖5a。湖相沉積上遊段有90%的沉積物的平均粒徑在4～6 φ之間，而中遊和下遊段的平均粒徑多在6～8 φ之間，粒度明顯比上遊段細。中遊段中有一小部分沉積物的粒徑在3～4 φ之間，而下遊段的平均粒徑均在5～8 φ之間，並且，6～7 φ和7～8 φ這兩個粒組中的沉積物含量是下遊段多於中遊段，可見下遊段的沉積物比中遊段更細。從湖相沉積的上遊到下遊，沉積物的粒徑一直在減小，但各區段減小的幅度卻不一樣。從上遊到中遊段，粒徑減小的幅度較大，而從中遊到下遊段，粒徑的變化較為細微。

圖4 湖相沉積物的三角分類圖

a. 上遊段樣品；b. 中遊段樣品；c. 下遊段樣品

1.黏土 2.砂 3.粉砂 4.砂質黏土 5.粉砂質黏土 6.黏土質砂 7.黏土質粉砂 8.粉砂質砂 9.砂質粉砂 10.砂、粉砂質黏土 11.粉砂、砂質黏土 12.黏土、粉砂質砂 13.粉砂、黏土質砂 14.砂、黏土質粉砂 15.黏土、砂質粉砂

Fig.4 Ternary plot for classifying lacustrine sediments

a. upstream samples; b. midstream samples; c. downstream samples

1.clay; 2.sand; 3.silt; 4.sandy clay; 5.silty clay; 6.clayey sand; 7.clayey silt; 8.silty sand; 9.sandy silt; 10.silty-sand clay; 11.sandy-silt clay; 12.silty-clay sand; 13.clayey-silt sand; 14.clayey-sand silt; 15.sandy-clay silt

圖5 粒度參數分布圖

Fig.5 Distribution of grain size parameters

標準偏差：表示分選程度的參數，見圖5b。它代表顆粒大小的均勻程度，或者說是表現圍繞集中趨勢的離差。湖相沉積物上遊段的分選係數在2.2～2.9之間，分選差，中遊段絕大多數沉積物的分選係數位於1.2～1.9之間，分選較差，下遊段中所有沉積物的分選係數均在1.2～1.7之間，分選係數的範圍比中遊段更窄，並且下遊段中分選係數在1.2～1.5之間的沉積物也比中遊段多，可見下遊段的分選比中遊段好，但若按照分選等級表來劃分，下遊段的分選性也較差。總體來說，從湖相沉積的上遊到下遊，沉積物的分選越來越好。

偏度：可用來判別粒度分布的不對稱程度，見圖5c。湖相沉積上遊段的偏度值有正有負，但以負偏度為主，偏度範圍是-0.3～0。中遊段和下遊段均為正偏度，偏度多在0～0.2之間，但中遊段中，偏度為近對稱和正偏的沉積物含量近乎一樣多，各佔46%，而下遊段偏度為正偏的沉積物含量可達70%。可見從湖相沉積的上遊到下遊，偏度由負值逐漸轉為正值，且越到下遊，近對稱所佔的百分比下降，而正偏的百分比上升。

峰態：衡量的是分布曲線的峰凸程度，見圖5d。湖相沉積上遊段沉積物的峰態範圍是0.6～0.8，分布在很寬和寬平兩個範圍內。中遊和下遊段的峰態範圍相同，都位於0.8～1.1之間，分布在寬平和中等兩個範圍內，其中有超過90%的沉積物的峰態為中等，並且下遊段的峰態值比中遊段稍高，多在1.0～1.1之間。

根據湖相沉積物的粒度參數分析結果來看，這4個粒度參數具有一個共同點，即不論是哪個參數，都是上遊段與中遊和下遊兩段間的差別最明顯，而中遊和下遊段卻基本相似，兩者的參數範圍近乎相同，但若繼續細分，又會發現二者間存在微小的差別。反映在圖5中，即為藍色柱子與紅色和綠色柱子幾乎無交集，而紅色和綠色柱子緊密相鄰，卻又參差不齊。之所以出現這種現象，是由於堰塞湖的各區段受河流擾動的程度不同。由於堰塞湖的沉積物主要來源於被滑坡壩阻斷的河流，若河流的水動力發生變化，則堰塞湖沉積物的粒度必然隨之變化。因此，不論是洪水期還是枯水期，湖相都會受到河流相的擾動。最先受擾動，並且受擾動程度最大的區段當屬湖的上遊段。若遇洪水期，水流會挾帶礫石和粗砂衝入湖相層，隨著搬運距離的增加，水流的推力和負荷力減弱，這時，水流中所挾帶的沉積物就會由粗到細依次發生沉積。由於湖下游離河流相較遠，因此，水流所挾帶的物質有大部分會沉積在湖的上遊段，若水流動力較大，少量物質也會沉積在中遊段，而下遊段幾乎不受水流影響，沉積的仍是細粒物質。因此，湖相沉積上遊段粒度參數與中遊和下遊段相比差別較大，而中遊和下遊相比，兩者的參數變化就會很微小。

3.3 概率累積曲線

用於粒度分析的曲線有三種，分別是頻率曲線、累積曲線和概率累積曲線[20]。前兩種曲線比較簡單，但難於解釋，斜率、混合度、截點和其他參數的變化不容易觀察和比較。最後一種曲線圖對於沉積過程來說非常有意義。這一曲線有兩個突出特點：1)通常有兩個或三個直線段，代表粒度分布中的幾個次總體；2)簡單的「S」型累積曲線的尾部被放大，變成了直線，便於比較和測量。由於粒度分布實際上是一個或多個對數正態總體的混合，因此，要分析沉積物的粒度，就要詳細描述每一總體的含量，粒徑分布和分選性。

做出每一樣品的概率累積曲線，然後分別在湖相沉積上遊、中遊和下遊段的樣品中選擇含有滾動組分較多和較少、截點較粗和較細的4個樣品，將其概率累積曲線畫在同一坐標中，見圖6，以便對比分析。其中滾動組分較多的說明粗顆粒多，代表粗粒層，滾動組分較少的代表細粒層；截點較粗說明水動力強，截點較細的水動力弱，選擇具有這些特徵的四個樣品，基本上就可以代表上、中、下三段的粒徑範圍和水動力特徵。

湖相沉積物的上遊段是由四個粒度次總體組成，見圖6a。其中，推移總體含量變化較大，佔15%～30%，粒度區間為0～2 φ，分選好；躍移總體有兩個，一個的粒度區間是2～6.5 φ，含量為30%～50%，另一個的粒度區間分布在6.0 φ至10.2 φ之間，含量為27%～47%，粒度細的躍移總體比粒度粗的分選性好，但都比推移和懸移總體的分選性差，兩個躍移總體間的分界點在6.0～6.7 φ之間；懸移總體分布在10～10.7 φ的區間內，含量不到1%，僅有少數樣品超過1%，分選好。推移和躍移總體間的截點較粗，位於2 φ左右，躍移和懸移總體間的截點較細，位於10 φ附近。

湖相沉積的中遊段均由3個粒度次總體構成(圖6b)。在概率圖上，以躍移總體為主要成分，含量為88%～97%，只有極個別的幾個樣品低於70%，粒度區間分布在3.3～10.5 φ之間，分布區間較寬，是三個次總體中最寬的，因此直線的斜率最小，均小於50°(42°～50°)，分選中等；推移總體含量次之，佔3%～12%，與躍移總體在4～5 φ之間相接，有些樣品中推移總體的含量極多，可達30%，如圖6b中的124號樣品，而有些樣品中推移總體的含量不到1%，如圖6b中的117號樣品，推移總體粒度區間為2.7～5.3 φ,比躍移總體窄很多，因此它的直線斜度要相應大很多，最小的斜度為65°，最大可達80°；懸移總體含量少，只有1%～3%，且相當穩定，不會像推移總體那樣大幅度變化，並且其分選性也最好，粒度分布區間最窄，只介於10.0～10.9 φ之間。由於懸移總體粒度較細，因此曲線的細截點也比其他沉積環境的細截點細，僅在10.3～10.7 φ之間。

湖相沉積下遊段的粒度累積曲線也是由3個線段組成的，見圖6c。中間線段斜率最小，小於50°(42°～50°)，與懸移總體的截點在10～10.8 φ之間，含量多為85%～98%，粒度區間分布在3.6～10.8 φ之間，只有極個別的樣品中，躍移總體的含量低於70%；推移總體的粒徑區間是2.6～5.3 φ，含量一般為3%～11%，極個別樣品中，含量高達30%，如圖6c中的74號樣品，推移總體的斜率多在62°～78°之間，分選比躍移總體好，與躍移總體的截點在3.6～5.4 φ之間，其中多數(86.8%)在4～5.4 φ之間；懸移總體的含量最為穩定，在1%～4%之間，分選也最好，斜率為71°～82°，粒度較小，粒徑區間為10～11.1 φ。

圖6 湖相沉積物的概率累積曲線

a.上遊段樣品；b. 中遊段樣品；c. 下遊段樣品

Fig.6 Log-probability curves of lacustrine sediments

a.upstream samples; b. midstream samples; c. downstream samples

對比堰塞湖沉積上、中、下三段中各次總體的含量、分選性和粒徑分布區間，可發現上遊段有三處明顯不同於中遊和下遊段。

(1) 次總體的數量。湖相沉積上遊段由四個次總體組成，其中躍移總體有兩個，而中遊和下遊段中的沉積物都是由三個次總體組成，這是上遊段區別於中、下遊段的最明顯標誌。含有雙跳躍組分的沉積環境並不多，目前常見的有海灘前濱和叉道河床。海灘前濱砂中發育兩個躍移總體，是與前濱區的衝刷和回流作用有關[21]。叉道河床砂中出現雙跳躍組分，是由於採樣點屬於潮汐型河口，主流線附近漲落潮流往復作用比較明顯[22]。可見這兩個沉積環境中雙跳躍組分的出現均與水流的雙向流動有關。湖相沉積上遊段中雙跳躍組分的出現可能與水流的雙向流動有關，也可能是不同粒度分布相混合的結果。上遊段河流來水流入湖中時，流速減慢，會造成回流現象，此外，上遊段屬於河湖交匯相，湖相和河流相中的不同粒度分布會相互混合，都會使得沉積物中出現雙跳躍組分。

(2) 推移總體的含量。湖相沉積上遊段中推移組分的含量多在18%～30%之間，最少也可達15%，而中遊和下遊段的沉積物中，推移組分多在3%～12%之間，雖有個別樣品的推移組分含量可達30%，但都遠遠不及上遊段的多。可見從湖相沉積的上遊段到下遊段，推移組分逐漸減少。這是因為推移組分主要受物源區控制，湖相沉積的上遊段距物源最近，而下遊段距物源最遠，即使水動力增大，但隨著搬運距離的增加，水動力會逐漸減弱，因此從湖相沉積的上遊段到下遊段，推移組分的含量會逐漸減少。

(3) 截點的大小。截點的大小可以反映搬運介質的擾動強度，強度高的在較粗粒度上發生截斷。湖相沉積上遊段的粗截點落在2 φ附近，而中遊和下遊段的粗截點多在4～5 φ之間，最大不超過3.3 φ。明顯上遊段受到的擾動更強，水動力更大。這是因為湖相沉積上遊段緊臨河流相，不論是洪水期還是枯水期，湖相都會受到河流相中水動力的影響，而最先受影響的是湖相的上遊段，隨著搬運距離的增加，水動力會越來越弱，水流對湖相的擾動也越來越弱，因此湖相沉積中遊和下遊段的粗截點比上遊段小。

除了不同點外，湖相沉積的上遊段與中遊和下遊段也有相似之處。1)躍移總體為主要成分，推移總體含量次之，懸移總體的含量最少；2)各段中，懸移總體的粒度區間相近，都在10～11 φ之間，並且含量也近乎相等，佔1%～4%；3)懸移組分和滾動組分的分選性都比躍移組分好；4)上、中、下三段的細截點範圍相近，都在10～10.8 φ之間。

4 堰塞湖沉積物的粒度特徵與其他沉積環境對比

堰塞湖沉積物與冰川、河流、海灘、風成沙丘、淺海、湖泊等沉積物明顯不同(表2，3)。與這些環境中的沉積物相比，堰塞湖的沉積物有其特有的粒度特徵。首先，堰塞湖的沉積物中，躍移組分的分選性比另兩個組分的差，而在其他沉積環境中，躍移組分的分選性一般都是三個組分中最好的；其次，與其他沉積環境中的截點相比，堰塞湖沉積物的細截點更細，但粗截點的大小與其他沉積環境中的粗截點相接近；最後是次總體的個數，堰塞湖沉積物是由三個或四個次總體組成，其中，上遊段的沉積物由四個次總體組成，中遊和下遊段由三個次總體組成，其他沉積環境中，除了海灘和湖泊沉積環境中含有四個次總體外，其他沉積環境基本上含有三個或少於三個的次總體。

相比於其他沉積環境來說，堰塞湖與湖泊沉積環境更為接近，兩者的沉積物都是以粉砂和黏土為主，分選較差或差，都含有雙跳躍組分。除此之外，兩者的沉積物粒度特點也有許多不同之處。1)湖泊沉積物的偏度變化範圍較寬，從極負偏到極正偏等5個偏度等級都有，其中又以正偏—極正偏樣品居多；堰塞湖沉積物偏度在-0.3～0.3，偏度變化範圍較小，僅有少數沉積物屬於極正偏。2)湖泊沉積物的峰態在中等至非常窄的範圍內，而堰塞湖沉積物的峰態寬至中等。一般窄峰態的曲線，其中部較尾部分選性好。所以，湖泊沉積物的躍移總體分選性比另兩個次總體好，而堰塞湖沉積物的躍移總體分選性是三個次總體中最差的。3)湖泊中懸移總體含量較多，而推移總體所佔比例較少；堰塞湖卻正好相反，推移總體含量多，而懸移總體含量較少，但二者都是以躍移總體為主。4)湖泊沉積物的截點較堰塞湖沉積物粗，尤其是細截點。湖泊沉積物的細截點在5 φ左右，而堰塞湖沉積物的細截點在10.0～10.8 φ之間。

表2 不同沉積環境中砂質沉積物的粒度參數特徵

Table 2 Characteristics of grain size parameters of sandy sediment in different sedimentary environments

註：*數據引自陳建強等[23]，**數據引自參考文獻[24-45]。

表3 不同沉積環境中砂質沉積物的粒度概率分布特徵

Table 3 Probabilities of sandy sediment grain sizes in different sedimentary environments