武汉泛后湖地区第四纪沉积环境与古气候研究

谢纪海，张玉芬

(1.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022； 2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)



武汉泛后湖地区第四纪沉积环境与古气候研究

谢纪海1*，张玉芬2

(1.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022； 2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

通过后湖地区布设的一些钻孔，获取了大量样品。本文采用第四纪沉积物粒度分析和地质环境研究方法，对泛后湖地区的古沉积环境进行了重建，以求得古沉积环境和古气候区域性和整体性的特征。它们可以作为基础地质资料，指导武汉市泛后湖地区的地质环境保护管理及监测工作。

沉积物；粒度分析；古沉积环境；古气候

1 引 言

第四纪地质环境研究在20世纪发展极为迅速，借助于先进的科技手段，地学工作者们找到了很多种恢复和重建古环境和古气候的替代性指标来反演第四纪地质环境，尤其是测年技术的进步，确立了近地质时期较为准确的时间表尺，从而使各地极为丰富的地质信息的整理对比及古沉积环境、古气候记录的研究确定成为可能。马雪等[1]对长江三角洲第四纪地层的粒度特征进行了分析，对长江三角洲顶部地区的古环境古气候进行了研究。王张峤等[2]对长江河口区大量第四纪钻孔作了地层描述、粒度分析等分析，探讨了新构造运动和古气候对沉积作用和环境演化的控制作用。魏子新[3]研究了长江三角洲东部第四纪沉积环境演化，韦桃源[4]也进行了这方面的研究工作。竹淑贞等[5]研究了上海地区第四纪地层与古气候。随着第四纪研究的进展，其周围区域确立了万年到千年尺度的高分辨率地层，提供了区域间可鉴别对比的典型沉积层序，加上新的技术手段、方法的运用，使得流域内相关研究成为可能，通过与周围的研究成果进行对比比较，现今能够区分出不同的古沉积环境和古气候特征。

2013年以来，武汉市泛后湖地区有多个小区、单位相继发生地面不均匀沉降，造成建筑物附属设施及市政道路不同程度开裂、下沉，管道接头脱节等，影响了居民的正常生活和工作，特别是江岸区的后湖片区群众投诉尤为明显。经调查，目前沉降量为 100 mm～400 mm，且尚未稳定，有继续发展的趋势，已呈现大面积地面沉降的征兆。本文基于武汉都市发展区城市地质调查成果，以第四纪沉积物为研究对象，选择典型钻孔进行分析研究，以求得古沉积环境和古气候区域性和整体性的特征，作为基础地质调查和基础地质资料，从而指导武汉市泛后湖地区的地质环境保护管理及监测工作。

2 钻孔剖面特征及样品采集和测试

取样钻孔位于武汉市后湖地区塔子湖，坐标为X：392514.000，Y：525473.410；标高为 19.56 m(北京坐标系，1985国家过程基准)。完钻孔深 26.6 m；目的层位为基岩，完钻层位为半风化土黄色泥质粉砂岩。依据对岩性特征的野外观察，由上至下划分为11个层位，岩性描述如下：

第1层：人工填土层，填筑为建筑垃圾与生活垃圾。在 3.6 m～4 m处见植物残骸。

第2层：黏土层，褐黄色黏土，见大量黑色斑点，最大直径为 1 cm，为铁锰质结核。

第3层：粉质黏土层，铁锰结核含量较上一层降低，粒径变小。

第4层：黏土层，灰绿-深灰绿-深灰色黏土，其中 6.06 m～6.47 m为灰绿-深灰绿色黏土，见褐色条纹；6.47 m～7.26 m为深灰色黏土，略带黄色。

第5层：黏土层，灰黑色黏土，14.24 m～15.64 m颜色稍显绿色。

第6层：黏土层，褐黑色黏土，见褐黄色铁质斑点，含量约为10%，自上而下颜色变浅，下部渐变为浅褐色。

第7层：黏土层，浅褐-褐色-褐黄色黏土，在 20.02 m～20.22 m和底部处见大量铁锰质胶结。

第8层：粉砂层，褐黄-褐红色黏土质粉砂。见铁锰结核，最大直径约为 0.5 cm，含量约为20%，局部达到约40%， 21.67 m～ 21.08 m与 22 m～22.13 m为褐红色黏土层夹细砂，粒径最大约为 0.6 cm。

第9层：黏土层，褐红色黏土夹铁锰质结核，底部见大量石英质砾石，次棱，分选差。

第10层：粉砂层，黄色粉砂。

第11层：基岩，半风化黄色泥质粉砂岩。

在新鲜钻孔剖面顶部4 m处开始取样，截止到 23.35 m处的基岩层，共取得粒度样品353个。粒度测试在南京师范大学地理科学学院完成，粒度分析仪器为英国产的Malvern Mastersizer 2000型激光粒度仪；年代样品测定由波兰Poznan Radiocabon Laboratory AMS14C制样实验室完成。

3 沉积物粒度分析结果及特征

根据Udden-Wentworth标准，武汉塔子湖钻孔沉积物按粒级划分为黏土(<4 μm)、粉砂(4 μm～63 μm)和砂(>63 μm)三个级别。其中，黏土含量为8.80%～57.71%，平均含量为24.69%，是本剖面沉积物的次众数粒组；粉砂含量为42.26%～85.10%，平均含量为71.55%，是本剖面沉积物粒度的主众数粒组；砂含量为0%～33.28%，平均含量为3.76%。岩性三角图显示(如图1所示)，钻孔沉积物以粉砂为主，含量达到70%左右，与湖泊相和河流相沉积物粒度组成基本一致，粉砂含量最多，具有典型水成沉积物的特点。经过计算，粒度各参数值统计如下：平均粒径值范围为3.54Φ～8.23Φ，平均值为6.55Φ；中值粒径值范围为4.03Φ～8.37Φ，平均值为6.87Φ；标准差范围为1.29～2.49，平均值为1.72；偏度值范围为-0.10～0.43，平均值为0.21，为正偏较粗颗粒沉积；峰态值范围为0.91～1.37，平均值为1.06，为中等偏窄分布；分选系数值范围为0.50～0.81，平均值为0.71，分选较好。

图1 钻孔全剖面岩性三角图

4 沉积环境分析

通过分析比较，本研究钻孔湖泊沉积物的各粒度参数可从不同侧面反映沉积环境的变化。黏土、粉砂、砂含量等参数的变化反映沉积物颗粒的粗细，细粒沉积物代表了湖水物理能量较强的水位较高阶段，其原因是高水位时同一采样点距离湖岸的距离变远，陆源颗粒必须经过长距离的搬运的才能达到采样点，而沉积物中粗颗粒物质难以长距离搬运，导致平均粒径减小；反之，粗粒沉积物则代表低水位阶段。分选系数代表沉积物的分选程度，分选系数越小分选性越好，长距离的搬运的搬运对颗粒也起到了很好的分选作用，对应湖泊高水位时期。偏态SK表示沉积物粗细分布的对称程度，可判别分布的对称性，并表示平均值与中位数的相对位置。如为正偏，则是细偏，平均值向中位数的较细方向移动，显示沉积物粒度集中在粗端部分，代表粗颗粒组分较多。峰态KG是用来衡量粒度分布曲线的尖锐或钝圆的程度，正态曲线的峰态值1.00，峰态正值说明颗粒分布集中，负值时则为宽峰态，说明颗粒分布分散。基于此，以粒度分析结果及其曲线变化特征为基础，结合14C年龄数据，并综合历史文献等相关资料，得到武汉泛后湖地区大理冰期以来湖泊沉积环境的演化过程，分段分析如下：

(1)第Ⅰ层段：深度为23.15 m～13.76 m

晚更新世晚期阶段，相当于末次冰期的晚冰阶，此时是中国自130 Ka以来气候最为严寒酷冷时期，中国东部寒冷气候带向南扩大并超过早更新世晚期。此时长江河谷南北地带，受北方寒冷气候影响较大，如15 Ka B.P.～13 Ka B.P.期间，长江河谷地带年均温比现在低约5℃。由于此时海平面下降到～150 m左右，所以这时也是长江及其干、支流深切的一个重要时期。这一层段黏土含量平均值大约为20%，黏土含量在波动中变化幅度较小，沉积量较稳定；粉砂含量平均值大约为65%，随着沉积条件的波动变化粉砂含量逐渐增加；砂含量大约为15%，随着时间的变化，于晚更新世阶段趋于稳定。上述特点表明，此时的湖泊处于低水位时期，湖泊面积处于萎缩状态，其空间分布范围有限。由于水动力较弱，湖泊沉积环境较稳定，沉积物以粉砂质黏土和粉砂沉积为主。粒度频率分布曲线(图3-b)呈现多峰态，但是6Φ峰占绝对优势，其他峰高较小；粒度概率累积曲线(图3-a)呈现以跃移组分为主，粒度参数散点图显示该层段也以较粗颗粒沉积为主，见图3-c～h。

图2 钻孔全剖面粒度组成与粒度参数变化曲线图

表1为钻孔第Ⅰ阶段粒度参数统计值，由表1可见，该层段沉积物中值粒径最大值为7.93Φ，最小值为3.54Φ，平均值为6.67Φ；平均粒径最大值8.02Φ，最小值为4.04Φ，平均值为7.03Φ，属于细粉砂级组分；标准差最大值为2.37，最小值为1.29，平均值为1.76；分选系数最大值为0.81，最小值为0.49，平均值为0.71，分选中等；偏度最大值为0.43，最小值为-0.05，平均值为0.23，为正偏(细偏)粗颗粒沉积；峰态最大值为0.82，最小值为0.91，平均值为1.04，中等峰态。分析结果表明：该阶段气候总体偏干，降水较少，温度较低，物理风化达到较成熟阶段，此时发育较少的片流，流量较小，流速较慢，只能将细颗粒物质携带至湖泊沉积。所以，此阶段湖泊沉积以粉砂沉积为主，黏土含量次之，砂含量最少，表明此时以浅湖相沉积为主。

钻孔第Ⅰ阶段粒度参数值 表1

值得注意的是，钻孔剖面第Ⅰ层段可分为两个亚段：第一个亚段(下段)深度为 23.15 m～20.13 m，为晚更新世大理冰期的早期阶段，沉积物主要由褐红色黏土及褐红色—褐黄色黏土质粉砂组成，以粉砂为主，但黏土含量与砂含量较多；第二个亚段(上段)深度为 20.13 m～13.76 m，为晚更新世相全新世的过渡阶段，此时粉砂含量剧增，黏土含量和砂含量较上段明显减少且变化幅度较小。其中，下段黏土的含量在20%～30%之间，上段黏土含量在0%～5%之间，黏土含量减少；上段粉砂含量在60%～70%之间，下段粉砂含量为70%～80%，粉砂含量为主要粒组组分；下段砂的含量在5%以下，上段砂含量在1%左右，且变化幅度较小。下段平均粒径和中值粒径均在6Φ～7Φ之间，上段平均粒径和中值粒径在5Φ～6Φ之间。上段粒径明显粗于下段粒径，表明在晚更新世向全新世的过渡时期，此时气候转暖，降水增加，片流增多，湖泊水位上升，湖泊面积增大，水动力加强，使得前一阶段不易搬运的粗颗粒物质开始在水流的带动下向湖泊方向移动。上段偏度在0～0.2之间，粒径相对较粗，下段偏度在0.2～0.4；下段峰态约为1.0，上段峰态为1.15左右，上段峰态明显窄于下段，表明粒度含量较集中，水动力较为平稳，沉积动力和沉积环境较为稳定，如图2所示。

(2)第Ⅱ层段：深度为 13.76 m～10.50 m

此层段为全新世灰黑色粉砂—黏土，对应于全新世早期阶段。各粒度参数出现较明显转折，主要表现在<4 μm的黏土含量迅速上升而4 μm～64 μm的粉砂含量大幅度下降，磁化率也出现一次明显的而峰谷交替变化，粒度频率分布曲线(图4-b)呈现多峰态，但是6Φ峰占绝对优势，其他峰高较小；粒度概率累积曲线(图4-a)呈现以跃移组分为主，粒度参数散点图(图4-c-h)显示该层段也以较粗颗粒沉积为主。早全新世早期阶段，气候由晚更新时晚期(末次冰期)的干冷相向温湿气候转换，降水增多，湖面经历了一次较快速的扩张。该层段沉积物黏土的含量达到在30%～40%之间，最高可达50%，达到全剖面最高，但趋势是波动减少；粉砂含量在50%左右，在波动中逐渐增多，明此时湖泊进入生成期，故沉积物颗粒相对较细；砂含量几乎为零且曲线平滑整体平稳，是该剖面中最为平直阶段，反映水动力条件很弱；表2和图4-c～h显示中值粒径最大值为8.23Φ，最小值为5.65Φ，平均值为7.11Φ；平均粒径最大值8.37Φ，最小值为6.01Φ，平均值为7.34Φ，属于细粉砂级组分，但曲线在波动中逐渐向粒径偏粗变化；标准差最大值为1.91，最小值为1.35，平均值为1.57；分选系数最大值为0.79，最小值为0.66，平均值为0.75，分选较好，说明此时沉积物来源比较稳定。偏度最大值为0.28，最小值为-0.05，平均值为0.16，为正偏粗颗粒；峰态最大值为1.39，最小值为0.93，平均值为1.05，中等峰态。以上综合分析说明该时期环境趋于比前一阶段更为湿润，湖泊水域面积扩大。

钻孔第Ⅱ阶段粒度参数值 表2

图4 钻孔第Ⅱ层段粒度曲线与粒度参数图

(3)第Ⅲ层段：深度为10.50 m～6.06 m

该层段为灰黑色粉砂，含少量黏土，其中粉砂含量接近80%，为全剖面粉砂含量最大层位，黏土含量急剧减少，不到10%，砂含量在3%左右波动变化且波动变化较为频繁，说明此时湖泊面积进一步扩大且水位较稳定；表3和图5显示中值粒径最大值为7.17Φ，最小值为4.91Φ，平均值为6.11Φ；平均粒径最大值7.41Φ，最小值为5.27Φ，平均值为6.43Φ，属于细粉砂级组分；表明颗粒较粗，以粉砂为主，这也与该层段颗粒的偏度很好的相对应，峰态曲线为1.1左右，表明其颗粒物分布集中，而这从近80%的粉砂含量也可以看出，分选较好。表3还显示该层标准差最大值为2.50，最小值为1.39，平均值为1.65；分选系数最大值为0.77，最小值为0.57，平均值为0.71，分选较好；偏度最大值为0.29，最小值为-0.09，平均值为0.22，正偏粗颗粒；峰态最大值为1.28，最小值为0.96，平均值为1.11，窄峰态，表明物质来源较为单一，粒度频率分布曲线(图5-b)呈现多峰态，但是6Φ峰占绝对优势，其他峰高较小；粒度概率累积曲线(图5-a)呈现以跃移组分为主，粒度参数散点图(图5-c～h)显示该层段也以较粗颗粒沉积为主。经过盛冰期后短暂的晚冰期和全新世早期的波动式温度回升，长江中游地区的气候在全新世中期迅速进入全新世气候最宜期。此时武汉地区降水丰沛，雨量较大，地面径流较为发育，随着各入湖河流来水量的变化和地面继续沉降，湖泊广泛沉积细颗粒物质，表现为湖沼相黏土和淤泥沉积，洪泛相沉积及漫滩相得粉细砂堆积。

钻孔第Ⅲ阶段粒度参数值 表3

图5 钻孔第Ⅲ层段粒度曲线与粒度参数图

(4)第Ⅳ层段：深度为6.06 m～4 m

该层段为褐黄色黏土，其中粉砂平均含量接近65%，黏土的平均含量为10%，砂的平均含量为25%。表4数据显示该层位沉积物的平均粒径为6Φ左右，中值粒径约为5Φ，表明颗粒较粗，整体层段以粉砂为主，这也与该层段颗粒的偏度很好的相对应，峰态曲线为1.1左右，表明其颗粒物分布集中，而这从近65%的粉砂。含量也可以看出，分选系数为0.63，分选较好，偏度为正偏，为细偏，表明相对而言颗粒较粗；粒度频率分布曲线(图6-b)呈现多峰态，但是6Φ峰占绝对优势，其他峰高较小；粒度概率累积曲线(图6-a)呈现以跃移组分为主，粒度参数散点图显示该层段也以较粗颗粒沉积为主(图6-c～h)。各粒度参数变化如表4所示：中值粒径最大值为6.70Φ，最小值为4.71Φ，平均值为5.59Φ；平均粒径最大值6.90Φ，最小值为5.11Φ，平均值为5.91Φ，属于细粉砂级组分；标准差最大值为2.30，最小值为1.69，平均值为1.92；分选系数最大值为0.70，最小值为0.57，平均值为0.64粉砂级组分；偏度最大值为0.28，最小值为0.06，平均值为0.18，正偏较粗颗粒沉积；峰态最大值为1.18，最小值为0.93，平均值为1.04，中等峰态。至全新世晚期，气温降低且变化幅度较大，河湖环境较全新世中期由有所不同，其沉积物表现为粉砂质黏土及黏土质粉砂类占主体，泛滥相和天然堤相分布广。此时湖泊面积减小，具有相对短的湖水滞留时间，而且出水口具有足够的流速，值得细颗粒的黏土物质在沉淀之前就会被水流带走，而在湖泊中沉淀较多的粗颗粒物质。同时湖泊面积的减少，意味着湖泊水位的降低，在浅水区，由于地形开阔以侵蚀作用和搬运作用为主，物质一般较粗，此时粒度较粗，表明湖水位较低。该层位所有的粒度参数曲线和粒度组成曲线(详见图2)具有较频繁的波动频率，表明此时的湖泊面积在不断变化且变化较频繁。

图6 钻孔第Ⅳ层段粒度曲线与粒度参数图 钻孔第Ⅳ阶段粒度参数值 表4

5 结 论

综合以上分析结果，可以得出以下结论：

从周边其他钻孔的地层对比来看，该钻孔具有代表性，该钻孔粒度记录的沉积环境变化信息能较好地反映武汉泛后湖地区的环境演变。末次冰期以来，本区气候环境总体上经历了干冷阶段-偏干向湿润发展阶段-偏干阶段-湿润阶段-偏干阶段的变化过程。武汉泛后湖地区的环境演变一方面受到全球变化的影响，尤其是东亚季风演化对本区的影响；另一方面，由于泛后湖地区独特的地理位置以及流域地形特征等，尤其是处于古云梦泽的边缘地带，地形起伏较江汉平原腹地较大，以上因素综合使得武汉泛后湖地区的华宁演变有着自身的特点和复杂性。泛后湖地区沉积环境阶段可总结为以下阶段：

(1)晚更新世末次冰期干冷阶段(26 000 a B.P.～15 080 a B.P.)，此时气候环境以干冷为主，降雨较少，地面径流不发育，但物理风化较强，使得入湖碎屑沉积物颗粒较粗，以细粉砂为主；加上此时湖泊面积萎缩，为低水位时期，湖泊沉积以静水沉积为主，故此阶段沉积物以粗粉砂和黏土为主。

(2)晚更新世向全新世的过渡阶段(15 080 a B.P.～11 000 a B.P.)，此时气候波动较为频繁，使得与降水有关的地面径流水量不稳定，时大时小，时有时无，以致入湖的沉积物颗粒变化极为频繁，形成波动较为频繁的沉积环境；此时由于湖泊面积进一步萎缩，采样点离湖滨较近，水动力较强，沉积物粉砂为主。

(3)早全新世阶段(11 000 a B.P.～7 667 a B.P.)，受全球全新世大暖期的影响，此时武汉地区气候突然变暖，水量增加，湖泊水位上升，面积增大，加上上一阶段物理风化形成的细粒沉积物，此时沉积物以黏土沉积为主，粉砂骤减。

(4)全新世中期阶段(7 667 a B.P.～3 100 a B.P.)，此时武汉泛后湖地区进入气候的最宜期，降水丰富，湖泊面积进一步扩大，但是由于受降水量和地面径流的影响，湖泊面积和湖泊水位变化较为频繁但幅度较小；降水丰沛使得入湖水动力较强，但由于湖泊面积较大，沉积环境总体上较为稳定，以粉砂沉积为主。

(5)晚全新世阶段(3 100 aB.P.至今)。晚全新世阶段，武汉泛后湖地区的气候波动较为频繁，湖泊面积和湖泊水位波动较大，沉积环境随之波动较为频繁，湖泊面积此时受人为活动影响较为显著。在自然因素和人为因素的双重制约下，湖泊沉积环境较为不稳定，此时受洪泛影响，沉积物以粗细频繁变化为特征。

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Reconstruction of Quaternary Palaeo-sedimentary Environment and Paleo-climate in Extensive Houhu Region in Wuhan

Xie Jihai1，Zhang Yufen2

(1.Wuhan Geomatics Institute，Wuhan 430022，China；2.China University of Geosciences(Wuhan)，Wuhan 430074，China)

A lot of samples are obtained from the boreholes in Houhu area. This paper reconstructs Quaternary palaeo-sedimentary environment and paleo-climate with particle size analysis and Quaternary geological environment method to explore their characteristics The research is helpful to guide environmental protection and monitoring work in extensive Houhu zone of Wuhan as fundamental data.

deposit；particle size analysis；palaeo-sedimentary environment；paleo-climate

1672-8262(2016)05-155-08

P66

A

2016—06—30

谢纪海(1976—)，男，高级工程师，从事城市地质调查、地质灾害防治、地质环境监测等城市地质工作。

研究项目：本文受武汉市政府城市地质调查专项资金计划项目资助。