藏东南帕龙藏布流域索通平台第四纪堆积体成因

邹任洲, 张佳佳, 刘健康, 王军朝, 李 勇*, 黄 亮, 田 海

(1. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610059;2. 中国地质调查局 探矿工艺研究所, 四川 成都 611734)

0 前言

一直以来,青藏高原都是当前国际地质学界颇具争论的焦点地区[1-3],位于中低纬地区的青藏高原对其周围的环境响应明显[4-5],在全球气候变化中扮演重要角色,有着全球气候变化的驱动机和放大器之称[6].

青藏高原东南缘的藏东南地区是我国地形地貌的第一梯度带[7],发育高山峡谷地貌,受到西南季风和印度洋湿暖气流的双重作用,使得这里常年降雨量大,巨大的海洋性冰川发育[8-9],独特的地质、地貌和气候条件导致了藏东南地区频繁发生崩塌、滑坡、泥石流和雪崩等地质灾害[10],这些地质灾害主要与藏东南帕龙藏布沿岸第四纪松散堆积有关,这些堆积体主要包括冰碛物、泥石流堆积物、河流冲积物和崩坡积物等.

前人对藏东南地区第四纪堆积物做了大量的研究,文献[11-14]发现在藏东南地区出现多次冰川活动,在现代冰川前缘和帕龙藏布流域沿岸保留有古冰川遗迹,并将该区域的冰碛分为倒二冰碛、末次冰碛、新冰碛和小冰碛;曾庆利等[15]在松宗镇地区发现第四纪的湖相和河流阶地沉积层,其中湖相沉积层厚度达到80 m以上;蒋忠信[16]统计了川藏线318国道然乌至鲁朗路段68条泥石流沟和泥石流沟形成的泥石流堆积扇,但是对于帕龙藏布沿岸一些孤立且成因不是很明显的第四纪堆积并没有做出较为详细的研究.本文主要通过无人机航拍、高精度遥感影像、钻孔岩心、物探手段和野外实测对帕龙藏布流域索通村索通平台第四纪堆积体成因进行详细的研究.

1 区域地质概况

研究区跨冈底斯陆块、雅鲁藏布江结合带和喜马拉雅陆块东部南迦巴瓦构造结,处于三大山脉即念青唐古拉山脉、喜马拉雅山脉和横断山脉交汇复合部,为各种构造极其复杂的造山带.大地构造分区见图1.

藏东南地区是指念青唐古拉山东端以南、横断山以西、雅鲁藏布江中游以东、南迦巴瓦峰以北的地区,中心区域位于雅鲁藏布江大拐弯顶点[18],这里构造活动强烈,河流深度下切,形成高峰深谷的高山峡谷地貌,索通平台地理位置位于波密县古乡索通村,处于雅鲁藏布江第一大支流帕龙藏布右岸.图2为利用无人机航拍和高精度遥感影像手段得到的索通平台全貌,平台长约1 800 m,最宽处约860 m,平台到帕龙藏布的高度约85 m,整体形态为东窄西宽的梯形.

图 1 藏东南大地构造单元分区[17]

图 2 索通平台全貌

2 阶地发育特征

帕藏布源于阿扎贡拉冰川,源头海拔高达4 900 m左右,海拔最低在中下游通麦附近为1 800 m,海拔落差超过3 000 m,在该流域的中下游发育大量的多级河流阶地.索通平台位于帕龙藏布中下游,共发育五级阶地(图3).

索通村第一级阶地(T1)位于G318南侧,帕龙藏布右岸,阶地地势平坦,宽约30 m,为帕龙藏布深切河谷形成的堆积阶地.阶地底部堆积物为第四纪冰川形成的冰碛物,在冰碛物上部为河流相卵石和砂沉积,下粗上细具二元结构.上部为河漫滩沉积冲积层,沉积物为粉细砂.一级阶地阶地面海拔2 330 m,帕龙藏布水面海拔3 220 m,高出现在河水面10 m.

索通村第二级阶地(T2)位于G318北侧,二级阶地和一级阶地交界处有明显的陡坎,陡坎高约35 m,阶地面海拔2 365 m.该阶地是典型的堆积阶地,下部由于公路开挖形成高14 m的露头,物质成分块碎石,块石最大粒径2 m,碎石粒径多见10～20 cm,胶结好,磨圆差,呈棱角状至次棱角状,无分选,根据物质组成和结构,为第四纪冰川形成的冰碛物.

上部为河流相冲积物,物质组成为卵石和砂,卵石磨圆一般,呈次圆状,阶地上可见大于10 m的漂粒.在二级阶地后缘靠近三级阶地陡坎处可见一小型隆起形成的沟道,沟道内无常年流水,并可见粒径大于6 m的漂粒,推测为古河道在形成二级阶地时河流侧蚀作用砂砾石不断在凸岸堆积形成.

索通村第三级阶地(T3)位于T2北侧,在二级阶地后缘,可见明显陡坎,陡坎高约20 m,阶地面海拔2 385 m,地势平坦,阶面宽约36 m.该级阶地是典型的堆积阶地,下部为砾石层,磨圆差,呈棱角状,为第四纪冰川形成的冰碛物.上部为河流作用沉积的冲积层,物质组成复杂,磨圆度和粒径变化较大,可见次棱角状的砾石和圆状的漂卵石混杂堆积一起,有粒径大于3 m的漂石和粒径大于7 m的块石,也有粒径10～20 cm的卵石.从T3的物质组成和形态分析,可以推断为冰碛垄被古河流改造不完全形成冰碛物和河流冲积物混乱堆积而成.

索通村第四级阶地(T4)位于T3北侧,阶地地势平坦,阶地面宽约55 m,与三级阶地形成明显陡坎,陡坎高约10 m,坡度约15°,阶地面海拔2 395 m.该级阶地是典型的堆积阶地,阶地面和陡坎都由河流沉积物组成,没有基岩出露.

下部物质和前三级阶地一样,为砾石层,为第四纪冰川形成的冰碛物.上部为河流冲积物和被河流改造后的冰碛物,物质为漂卵石层和块碎石层,漂卵石磨圆好,呈圆状,可见粒径约3 m的漂石,卵石粒径在10～20 cm.块碎石磨圆较差,次棱角至次圆状,粒径大多在15～30 cm.和T3类似,T4也是古河流对冰碛垄改造不完全形成冰碛物和河流冲积物混乱堆积而成.

索通村第五级阶地(T5)位于T4北侧,阶地地势平坦,阶地面上村民大面积种植小麦,阶地面宽约416 m,陡坎高约10 m,阶地面海拔2 405 m.北侧为基岩山体形成的陡坡,岩性为片麻岩,表面覆盖一层崩坡积物.该阶地是堆积阶地,下部是第四纪冰川形成的冰碛物,物质组成为块碎石.冰碛物的上面为河流相形成的卵石和砂,卵石中夹杂块碎石,磨圆整体较好,卵石粒径在10～20 cm,卵石上面为细砂,具有二元结构.上部为一层腐殖耕植土,厚度约0.8 m,村民耕种的农田里可见零星的漂砾.

图 3 索通平台阶地实测剖面

3 索通平台钻孔和物探分析

3.1钻孔分析钻孔能够真正揭露索通平台第四纪松散堆积物物质成分,对分析索通平台和其阶地成因具有重要意义.本次总共设计了ZK01 和ZK02两个孔,钻孔采用回转钻进,植物胶、泥浆和堵漏剂综合护壁,岩性采取率均在80以上.

ZK01孔：位于T5靠近基岩山体处,钻孔高程为2 420 m,终孔孔深35.40 m(见图4(a)图).0～0.8 m为耕植土,灰褐色,主要成分为碎石,碎石粒径1～6 cm,强风化,磨圆差,呈棱角状.细粒物质主要为细砂和黏土,耕植土可见少量植物根茎.8～14.40 m为块碎石土层,黄灰色,风化严重,磨圆差,呈棱角状,最大粒径约35 cm,平均粒径5～20 cm,岩性主要为闪长岩和片麻岩,细粒成分主要为细砂.14.40～35.40 m为块石土层,14.40～27.40 m块石呈黄灰色,风化严重,磨圆差,呈棱角状,最大粒径为22 cm,细粒物质为细砂,岩性主要为片麻岩和少量闪长岩.下部块石呈灰白色,风化稍弱,磨圆差,呈棱角状,块石最大粒径为1.4 m,平均粒径5～49 cm,细粒物质为细砂,岩性为片麻岩.

ZK02孔：位于T4阶地上,钻孔高程为2 395 m,终孔孔深41.80 m(图4(b)图).0～3.78 m为碎石和砂层,磨圆较差,呈棱角状,最大粒径为15 cm,可见少量块石,块石强风化,裂隙发育,具锈染现象.在1.6～1.8 m处见圆状卵石出现,粒径在2～3 cm.3.78～15.20 m为块碎石土层,风化严重,磨圆差,呈棱角状,粒径在3～15 cm,最大粒径为31 cm,岩性主要为片麻岩.在5.45～5.65 cm和12.5～13.1 m处可见圆状卵石出现,粒径在6～8 cm,岩性为闪长岩.15.20～27.60 m为含碎石粉砂土层,黄灰、灰白色,细粒成分为粉砂,含黏土较多,手可将其搓成长条状.碎石质量分数约25%,粒径5～15 cm,最大粒径为40 cm,岩性主要为片麻岩.27.60～41.80 cm为碎块石土层,黄灰色,磨圆差,呈棱角状,最大可见1.6 m粒径块石,碎块石质量分数在50%以上,岩性为闪长岩和片麻岩,细粒成分为细砂.

(a) ZK01孔柱状图 (b) ZK02孔柱状图

图4钻孔柱状图

Fig.4Boreholehistogram

3.2物探分析物探高密度电法主要根据不同物质的电阻率差异为基础,在施加电场作用下不同电阻率的物质对电流传导的能力不同,根据测量电流在地下的分布规律,推断出不同电阻率物质的分布情况[19].本次运用物探高密度电法测量索通平台,主要是了解不同期次物质的结构特征和层次划分.

在索通平台用高密度电法测量一条剖面,剖面位于波密县古乡索通村(图2),从索通平台靠近基岩山体处横切索通平台直到帕龙藏布旁,长775 m,剖面前半段以林地为主,地表主要为腐殖土覆盖,后半段主要为耕地,主要为耕植土.拟断面图上视电阻率大致均匀分布,垂向上规律明显,层位清晰,能够反映剖面垂向上的地质特征,原始和反演拟断面图分别见图5和图6.

从图5和图6可以看出,在剖面上0至105号点,视电阻率有两个明显的层位:上层为明显的中高阻变化区,推测该区是河流冲积物和第四纪冰碛物混合堆积的反应,因为该混合堆积分选性较差,胶结疏松,孔隙较大,含水量较少,因此电阻率变化较大;该段深部为稳定的中低阻区,推测该低阻区域是单一的冰碛物的反应.在105号点以后以中低阻为主,该段主要地表为耕地,以砂、黏土为主,并且分选较好,胶结相对较密实,因此推测该段表面主要是细砂和黏土为主的耕植土,富含水后表现为低阻.中部主要为冰碛物,表现为中低阻,深部高阻为基岩反应.

图 5 索通平台Ⅰ-Ⅱ剖面原始视电阻率拟断面

图 6 索通平台Ⅰ-Ⅱ剖面反演视电阻率拟断面

4 讨论

4.1索通平台堆积物成份分析索通平台两个钻孔岩心可以直接揭露平台深部的物质,为确认索通平台第四纪堆积物提供最直接有效的证据.ZK01孔位于索通平台内侧靠近基岩山体处,物质主要以块碎石土为主,磨圆差,呈次棱角—棱角状,细粒物质主要为细粉砂为主,见图7(a).

从物质组成上看,只有冰碛物和崩坡积物符合,但崩坡积物很难形成索通平台的平缓地形,即使是被后期河流改造,平台上应能找到河流改造留下的物质.石生仁等[20]认为我国西部冰碛物粒度主要以碎石土为主,形态上磨圆差,大多呈次棱角状.从ZK01岩心的物质成分、形态和粒度分析,可证明为冰碛物的特征.ZK02孔位于索通平台T4上,钻孔岩心物质主要以块碎石土和卵石为主,但在1.6～1.8 mm、5.45～5.65 cm和12.5～13.1 m,图7的(b)、(d)和(e)出现不同厚度的卵石层,卵石磨圆较好.如果冰碛物中出现磨圆较好的卵石,只可能为河流沉积物质,冰川堆积不能出现磨圆好的卵石[20].卵石层和碎石的交替出现可能是由于在某一构造稳定时期气候的冷暖变化,造成河流沉积和冰川作用反复出现.在T4与T5之间的陡坎上可见明显的河流作用形成的砂层,见图7(c),可以推测索通冰碛平台被帕龙藏布改造过,但并没有完全被改造,只是在靠近帕龙藏布外侧被河水改造.靠近基岩一侧主要还是以冰碛物为主的平台.索通平台物探高密度电法测量得出的原始和反演拟断面图中的视电阻率也可以清晰反映出平台大致的物质组成,在105点以后(索通平台内侧)以中低阻为主,为冰碛物阻值.在105点前视电阻率有2个明显的层位,下层中低阻值为原始的冰碛物阻值,上层阻值变大,说明上层物质已经发生改变,为帕龙藏布对原始冰碛平台改造,使得冰碛物和河流沉积物混合堆积在一起.野外实测索通平台五级阶地横剖面可发现,在T2、T3、T4和T5阶地面上均可见到粒径大于2 m的漂砾.文献[21-22]在研究冰碛物的特征时认为：粒径巨大的漂砾组成的基岩团块构造是由冰川底部巨大剪切力把冰川底部的基岩块体卷入底碛中形成的.由于帕龙藏布河水的侵蚀作用,冰碛物中的细粒物质被河水带走,留下孤立的大漂砾.钻孔岩心、物探高密度电法和实测阶地横剖面都可证明索通平台原始为一冰碛平台,平台外侧后期经帕龙藏布多期次流水改造形成现在的索通平台五级阶地.

(a) ZK01次棱角—棱角状砾石

(b) ZK02卵石层

(c) T4-T5陡坎上

(d) ZK02卵石层

(e) ZK02卵石层

4.2索通平台五级阶地成因分析河流阶地的地貌和沉积物记录了河流的发展过程对外因和内因的响应情况[23],为河流系统行为和沉积盆地造貌运动提供了野外证据[24-25].控制河流阶地形成的内因主要为河流自身动力纪统的变化[26-28],气候变化、构造运动和基准面变化为主要外因[29-31].文献[32-33]认为：基准面变化形成的阶地主要是通过裂点的不断上移来实现,主要发生在河流的下游段,很难影响到整条河流,所以这里不予讨论.对于气候成因的阶地,在阶地特征方面很多学者做了研究：Starkel[34]认为气候控制的阶地其基座顶部形成的剥蚀面高差在5～15 m;文献[35-36]认为气候控制的阶地砾石磨圆度低,分选差,多为地方性基岩岩屑;潘保田等[6]认为由气候变化形成的河流阶地的陡坎高度较小,高度一般不超过15 m,并且由于砾石层厚度大,河流的下切作用很难把下伏的冲积层下切完全进入基岩,因此在阶地类型上属于堆积阶地.对于构造成因形成的阶地,文献[37]认为构造隆升活跃地区容易形成多级阶地,阶地的分布高度可达数百米;Maddy等[25]认为在构造活跃的地区河流阶地主要受到构造影响,周期性气候变化对阶地影响较小.

索通平台位于青藏高原东南部帕龙藏布中下游位置,这里雅鲁藏布江大拐弯,也是西南季风暖湿气流进藏的重要通道,地形的抬升,使得这里雨量充沛,是我国现代冰川的发育中心[38],气候的复杂多变为气候变化型阶地形成提供了必要的条件.索通平台第四级阶地上的ZK02岩心在1.6～1.8 m、5.45～5.65 cm和12.5～13.1 m均出现磨圆较好的卵石,这些卵石层形成3个河流沉积的二元结构,其余的砾石均为块碎石,磨圆较差,多为棱角状至次棱角状,基本上无分选,为基岩碎屑,所以从阶地沉积物的沉积结构分析,阶地受到复杂气候的控制.前述五级阶地的类型都是堆积阶地,阶地间的陡坎高度基本上小于15 m,符合气候成因阶地特征.但藏东南地区属于构造活跃、地壳强烈隆升地区,Wang等[39]在研究构造作用对雅鲁藏布大峡谷的约束作用文献中,认为构造作用是雅鲁藏布大峡谷形成的主因和第一驱动.丁林等[40]用磷灰石裂变径迹法算出1 Ma以来东构造结地区抬升速率为5～10 mm/a.T2和T3陡坎高度超过15 m,验证了区域强烈的构造抬升作用是河流阶地形成的重要因素,而对于气候和构造作用对阶地的形成孰轻孰重还有待进一步研究.

5 结论

索通平台第四纪堆积体最初是由第四纪冰川作用形成的冰碛平台,后期冰碛平台外侧边缘受帕龙藏布改造形成现今的五级阶地(图8).根据五级阶地沉积物的沉积构造、阶地类型和陡坎高度等特征,其成因主要是藏东南地区复杂多变的气候变化和该区域构造活跃、地壳强烈隆升的共同作用,但对于两者的孰轻孰重还有待进一步研究.

图 8 索通平台第四纪堆积体演化过程模式

致谢感谢中国地质科学院探矿工艺研究所“藏东南重要城镇和交通干线地质灾害调查”项目组提供的论文资料以及对本文的支持,感谢李勇老师对本文的指导,谨致谢意.

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