Morphology of gravels from the Yangluo Formation in the Southern Piedment of Dabie Mountains
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摘要:
阳逻组砾石层分布于大别山南麓长江北岸地区，是长江中游地区一个重要的第四纪地层单位。其成因主要有两种观点：一种观点认为阳逻组砾石层为古长江冲积物，后期经过构造抬升而在长江北岸形成阶地；另一种观点认为其为大别山南麓河流冲积扇。砾石层中的砾石形貌记录了砾石的演化历史，对砾石进行形貌学研究可以用来进行古环境重建。文章选取武汉地区黄陂区横店镇、新洲区阳逻镇附近的25个砾石剖面中的2693颗砾石的外形参数进行测量。其中横店14个剖面中1377颗砾石、阳逻11个剖面中1316颗砾石。Zingg分类显示砾石以扁长形为主，砾石层在Sneed-Folk三角图中的主要分布于过渡相和河流相，砾石层中存在的大量片岩。这些特征均指示阳逻组砾石层是的物源区为大别山地区，它是大别山南麓河流形成的冲洪积扇堆积物。
Abstract:As one of the most important Quaternary strata in the middle reach of Yangtze River, the gravel layers within the Yangluo Formation are distributed in the north bank of the Yangtze River at the southern foot of Dabie Mountains. There are two views on the origin of the gravel layers. One view holds that the gravel layers of Yangluo Formation are alluvial sediments of the Ancient Yangtze River, which formed terraces on the north bank of the Yangtze River after later tectonic uplifting. Another view is that they are the alluvial fans at the southern foot of Dabie Mountains. As gravel's morphology records its evolution, the study of its morphology can be used to reconstruct palaeoenvironment. In our project, 25 gravel layer profiles were chosen to select total 2693 gravels for measurement of morphological parameter, including 1377 gravels from 14 profiles in Hengdian Town and 1316 gravels from 11 profiles in Yangluo Town. Zingg classification shows that most gravel is mainly oblong shape, and it is mainly distributed in the transitional and fluvial facies in the Sneed Folk triangle. There is a large amount of schist in the gravel layer. The morphological characteristics of the gravel layer of Yangluo Formation indicate that it is of alluvial-diluvial fan deposits formed by rivers at the southern foot of Dabie Mountains.
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Keywords:
- Yangtze River /
- Yangluo Formation /
- gravel layer /
- provenance /
- morphometric parameter /
- geological survey engineering /
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1. 引言
长江作为中国第一、世界第三的大型河流，其形成和演化研究一直是国内外地学界的研究热点。近年来，学者多采用下游沉积物的不同特征来反演水系演化过程（王张华等，2008；李庭等，2010；袁胜元等，2012；江华军等，2013；Zheng et al., 2013；缪卫东等，2016；）。采用这一研究方法时，首先需要查明沉积物的物源区是否为上游水系演化的产物。在长江中下游地区沿江两岸的狭长地带，广泛分布着一套砾石层。这套砾石层在宜昌、阳逻、九江、安庆、铜陵和南京雨花台均有大面积出露。前人对其在武汉北部的横店—阳逻一带分布的阳逻组砾石层进行了大量研究，其成因和物源一直备受争论(梅惠等, 2011；Zheng et al., 2013; 姜月华等，2017)。主要存在两种不同的观点：一种观点认为阳逻组砾石层为古长江的河流阶地(陈华慧, 1987；梅惠等，2009；梅惠等, 2011)。另一种观点认为阳逻砾石层为大别山南麓河流的冲洪积物(谢广林等, 1993)。前人对砾石层的研究方法也比较单一，研究区域局限于武汉市新洲区阳逻镇附近(黄宁生, 1993；梅惠等, 2011)。阳逻组砾石层是长江中游重要的第四系地层，对该套砾石层进行详细研究，有助于了解该地区的沉积环境和地貌变迁历史。
2. 地质概况
研究区位于江汉平原东缘，北部和东部为大别山变质岩系折返带，南部靠近长江（图 1）。此外研究区内东北部为新洲凹陷，其东侧为桐柏—大别基底杂岩带、英山—红安超高压变质岩系折返带、木兰山—四望高压变质岩系折返带等岩体构成的大别山山区。研究区分布有襄樊—广济断裂（襄广断裂）、团风—麻城断裂（团麻断裂）等断裂，这两条断裂在新生代均有一定的构造活动(雷东宁等, 2011)。
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图 1 武汉及邻区区域构造分区图Ⅰ—秦岭—大别造山带；Ⅱ—扬子板块；Ⅰ—1—桐柏—大别基底杂岩带；Ⅰ—2—英山—红安超高压变质岩系；Ⅰ—3—木兰山—四望高压变质岩系；Ⅰ—4—麻城—新洲凹陷；Ⅰ—5—随南陆缘裂谷；Ⅱ—1—江汉断陷盆地；Ⅱ—2—武汉台地褶冲带；Ⅱ—3—梁子湖凹陷；Ⅱ—4—大冶台地褶冲带；Ⅱ—5—嘉鱼台地褶皱带Figure 1. Tectonic map of Wuhan and adjacent regionⅠ-Qinling-Dabie Mountain orogenic belt; Ⅱ- Yangtze Craton; Ⅰ-1- Tongbai-Dabie basement complex belt; Ⅰ-2 Yingshan-Hong'an ultra high pressure metamorphic series; Ⅰ-3- Mulan-Siwang high pressure metamorphic series; Ⅰ-4- Macheng-Xinzhou depression; Ⅰ-5- Suinan continental margin rift; Ⅱ- 1- Jianghan fault basin; Ⅱ- 2- Wuhan platform thrust belt; Ⅱ- 3- Liangzihu depression; Ⅱ- 4- Daye platform thrust belt; Ⅱ- 5 Jiayu platform fold belt武汉市的阳逻组砾石层自西向东广泛分布在长江北岸地区的岗地顶部，常见其覆盖在新近系公安寨组紫红色砂岩之上(邓健如等, 1991)。砾石层顶部可见中更新统王家店组网纹红土及上覆的土壤层。研究区内除自西向东流淌的长江、汉江之外，还分布有南北向的滠水河、倒水河、举水河及其支流，此外还分布着后湖、武湖和涨渡湖等大型湖泊。
3. 研究地点及研究方法
砾石外形记录了古水流的动力学特征，对砾石外形参数进行研究可以获得砾石的源区、搬运及沉积环境等信息。砾石的形貌学研究是对砾石层沉积环境重建的一个非常有价值的工具，已经有不少学者采用这种方法来反演古环境特征(Wentworth, 1922；Krumbein, 1940; Krumbein, 1941; Krumbein, 1942; Plumley, 1948;Carroll, 1951; Sneed and Folk, 1958；Bradley, 1970; Bradley et al., 1972; Goede, 1975; Mills, 1979；Barrett, 1980; Koster et al., 1980)。本研究选取武汉地区黄陂区横店镇、新洲区阳逻镇附近的25个砾石层剖面，共计2693颗砾石进行了砾石组构分析（图 2，表 1）。其中横店14个剖面统计了1377颗砾石、阳逻11个剖面1316颗砾石。
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图 2 横店（a）和阳逻（b）采样点位置图Figure 2. The sampling location of gravels in Hengdian (a) and Yangluo. (b)表 1 本研究中的剖面分布位置及不同剖面砾石统计个数（HD代表横店，YL代表阳逻）Table 1. The location of gravel layer profiles and the total number of gravels (HD for Hengdian, YL for Yangluo)
研究区内的砾石成分主要包括石英岩、石英砂岩、硅质岩和少量片岩、片麻岩等（图 3）。由于片岩、片麻岩等变质岩砾石大多数呈强风化状态，轻敲即碎。砾石层中的片岩、片麻岩砾石所占比例较小，因此本研究中主要选择各剖面中占大多数且硬度相似的石英岩、石英砂岩和硅质岩砾石，进行不同剖面之间同类砾石的对比分析和砾石形貌学研究。
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图 3 砾石层野外照片a—横店镇梅夏塆村北100 m采石场；b—横店镇肖宋塆村剖面中砾石呈现颗粒支撑结构；c—阳逻镇阳逻电厂北1.7 km处路边基坑剖面，可见厚层湖相沉积；d—砾石层中片岩呈现强风化状态.将白色圆圈内的1元硬币作为比例尺Figure 3. Field photos of gravel layers.a- The quarry in the 100m north of Meixiawan, Hengdian; b-Grain supported structure of gravel in the Xiaosongwan profiles of, Hengdian; c-The foundation pit at the 1.7 km north of Yangluo power station; d-Completely weathered schists in the gravel layers砾石的长轴（L），中轴（I）和短轴（S）是砾石形态中3个最重要的形貌参数，是计算其他指标的基础。研究中利用Krumbein(1941)的方法，设砾石最大投影面中的最长段作为砾石长度L值，最大投影面最宽的长度为I值，S为垂直最大投影面的最大厚度值。所有砾石样品均被敲开，观察新鲜面，以便准确判断其岩性和风化程度。根据被测砾石的L、I、S这3个基本参数值，还可以计算出常用的外形参数，包括延长比（ER, Elongation ratio）、平整系数（CF, Coefficient of Flatness）、球度（MPSI, Maximum Projection Sphericity Index）、扁长度（OPI, Oblate Prolate Index）、盘状-杆状指数（DRI，Disk Rod Index）和扁平度（FI, Flatness Index）。各个参数的计算方法如表 2所示。利用软件IBM SPSS Statistics 20计算野外测量所得到的L、I、S值，并统计各个参数的范围及平均值、方差等（表 3）。
表 2 本研究中所使用的砾石形貌参数Table 2. Indices used for gravel morphology measurement
表 3 横店、阳逻两地砾石9个参数的描述性统计结果Table 3. Descriptive statistics for 9 parameters of gravels from Hendian and Yangluo
计算结果显示，横店镇砾石ER值（延长比）范围从0.19到1.0，平均值为0.7469。CF（平整系数）从0.11到0.95，平均值为0.466。MPSI（球度）值从0.25到0.98，平均值为0.6581。OPI值从-22.56到30.58，平均值为-0.6604。DRI值从0到1，平均值为0.4805。F值从1.03到8，平均值为2.0467。阳逻镇砾石ER值范围为0.28~1，平均值为0.7534。CF系数0.09~0.9，平均值为0.4187。MPSI值0.23~0.95，平均值为0.6098。OPI值-27.24~21.18，平均值为- 2.0847。DRI值从0到1，平均值为0.4279。F值从1.08到9.31，平均值为2.3104。
4. 讨论
4.1 砾石外形特征
利用MATLAB 2012b软件程序计算L、I和S的累积概率分布图，结果显示随着砾径的增大，阳逻砾石L值的累积概率曲线的斜率变化相对平缓，这表明相对于横店地区的砾石，阳逻地区的砾石L值较小（图 3a）。I值显示在累积概率 < 0.8值时，横店地区小砾径砾石较多，而阳逻地区砾径较少。在累积概率>0.8值时，则相反。S值在0.75附近也有与S值类似的现象。这表明阳逻地区砾石，既有更大的砾石，也有更为细小的砾石组分，相对于横店地区，阳逻地区砾石在不同类型中分布得更为分散。
Zingg(1935)提出利用砾石的L、I、S三个轴长的比例，也就是I/L、S/I两个参数，可以将砾石分为4种形状：球形（spheroids）、扁平形（discoids）、棍棒形（rods）和扁长形（blades）（图 4，表 4）。Zingg图解中也有基于Wadell- Krumbein球度指数（sphericity index）所添加的等球度线(Wadell, 1935；Perez, 1987；Lewis and Mcconchie, 1994; )。
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图 4 L、I、S累积概率曲线（a）和砾石Zingg图解（b）（其中的红色曲线代表Wadell球度）Figure 4. Cumulative probability curve of L, I, S (a) and Zingg shape classification of gravels (b)表 4 Zingg砾石形状分类Table 4. Zingg classification of gravel morphology
计算结果显示，两地砾石外形类似，砾石中扁平形比例最大，其中横店地区为46%，阳逻地区为58%（图 4，表 5）。
表 5 横店阳逻两地砾石Zingg的外形分类Table 5. Zingg shape classification of gravels in Hengdian and Yangluo
4.2 砾石层的沉积环境
前人的研究表明，砾石的形貌学参数是古环境重建中一个非常有用的指标(Sneed and Folk, 1958；Luttig, 1962；Sames, 1966；Dobkins Jr and Folk, 1970；Stratten, 1974；Barrett, 1980；Els, 1988；Illenberger, 1991；Odumodu et al., 2013；Odumodu, 2014)。前人利用MPSI、ER、CF、OPI砾石形貌学参数来推测砾石的沉积环境，其中MPSI>0.65、ER> 0.70、CF≥0.45、OPI≥-1.5表明沉积环境为河流环境，反之则为滨海（湖）相环境(Luttig, 1962; Sames, 1966; Dobkins Jr and Folk, 1970; Stratten, 1974; Els, 1988)。
前人研究中通常采用通过计算MPSI、ER、CF、OPI的平均值，并利用平均值结果进行沉积环境判断(Ocheli et al., 2018)。对横店附近砾石的计算结果显示，MPSI、CF、OPI指示其为河流相砾石，而ER值显示其为滨湖相砾石；而阳逻样品中4个参数均表明其为滨湖相砾石（图 5，表 6）。
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图 5 OPI-MPSI（a）及MPSI-CF图解（b）（蓝色圆圈为横店、绿色圆圈为阳逻）Figure 5. Diagrams of OPI-MPSI(a) and MPSI-CF relation (b), blue circle for Hengdian and the green's for Yangluo表 6 横店、阳逻地区砾石层所反映的沉积环境Table 6. The sedimentary environment deduced from gravels in Hengdian and Yangluo
砾石的沉积环境也可以采用ER、CF和DRI三个参数的三角投图进行判别，三角图采用Graham方法制作(Sneed and Folk, 1958；Dobkins Jr and Folk, 1970; Graham and Midgley, 2000)。三角图的内部可以根据砾石形状划分为10个区域，包括紧凑状（compact，c）、紧凑扁平状（compact platy，cp)，紧凑刃状（compact bladed，cb）、紧凑细长状（compact elongate，ce）、扁平状（platy，p)、刃状（bladed，b)、细长状(elongate，e)、极扁平状（very platy，vp)、极刃状（very bladed，vb)和极细长状(very elongate，ve)。这些不同的分区可以用来区分河流相、过渡相、滨海相砾石。其中c、cp、cb和ce表明其为河流相砾石。p（扁平状）、b（刃状）和e（细长状）通常认为是过渡相环境，而vp（极扁平状）、vb（极刃状）和ve（极细长状）的砾石通常认为形成于滨海（湖泊、海岸）环境。
采用ER、CF和DRI三角投图的结果表明，砾石主要集中在刃状（b）、扁平状（p）和紧凑刃状（cb）这三类，在河流和湖滨/海滩沉积环境划分区域内，该套砾石均有分布（图 6，表 7）。这表明阳逻组砾石总体上以过渡相为主，河流相为辅，而且可以发现在滨湖（海）分区内仅有少量砾石，这一结果与之前利用MPSI、ER、CF、OPI四个参数所代表的结论相悖。
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图 6 横店（a）、阳逻（b）Sneed-Folk图解及不同形态砾石分布情况（c）Figure 6. Sneed-Folk classification of gravels in Hengdian (a) and Yangluo(b), as well as distribution of different shapes of gravel (c)表 7 不同形态砾石个数和占比分布情况Table 7. The number and percentage for classification of different shapes of gravels
产生这种差异的原因，主要是由于前人利用MPSI、ER、CF和OPI参数进行沉积环境判别时，用的是这四个参数的平均值来进行判断。这对那些典型的河流相，或者滨海（湖）相砾石进行沉积环境判别时，其结果是准确的。但是对于混杂堆积分选较差的冲洪积物却容易产生偏差。而采用Sneed Folk三角投图时，由于其将沉积环境进行了更为详细地划分，在对砾石的沉积环境判断时增加了过渡相这一类别，可以对河流相、过渡相和滨湖（海）相的砾石进行更为合理的划分。因此在本研究中采用Sneed Folk图解的结果作为沉积环境判断的依据，阳逻组砾石层以过渡相为主的分布特征表明其可能为近源堆积的冲洪积物。
4.3 砾石层的成因
野外可见黄陂区横店镇附近砾石层剖面中的砂层分选较差，夹杂了大量的细小砾石。砾石以次棱状为主，偶见次圆状的砾石，砾石的定向性较差。岩性组合较为简单，以石英岩、石英砂岩为主。新洲区阳逻镇附近砾石层自北向南砾径逐渐减小，砾石层的定向性逐渐清晰。砾石层的分选程度也逐渐增强。剖面上可见砂层自北向南逐渐增厚，砂层在剖面上所占比例逐渐增大。
对横店、阳逻两地砾石（其中横店测量380颗砾石，阳逻测量280颗）最大投影面的倾向所制作的玫瑰花图（图 7）显示各个方向的砾石均有一定比例。其中横店附近砾石层的倾向以N、NE、SW为主，指示着这些砾石可能来自现今滠水河、澴水方向，同时府河可能对该套砾石层有一定影响。阳逻附近的砾石层以N、NW、SE向为主，表明该地砾石主要来自滠水河、倒水河方向，同时SW流向的长江可能对阳逻组的砾石有一定的影响。而SE方向的砾石与现今地表河流水系流向相反。由此可见，古水流方向较为混乱，砾石沉积时受到了多条河流来自不同方向的影响。
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图 7 砾石倾向玫瑰花图a—黄陂区横店镇砾石层；b—新洲区阳逻镇砾石层Figure 7. Rose diagram of gravel inclinationsa- Huangpi gravel layer in Hengdian, ; b-Yangluo gravel layer in Xinzhou district砾石成分中夹杂有大量片岩、硅质岩等变质岩砾石。砾石层中的片岩常见直径大于30 cm的砾石，且砾石磨圆较差，以次棱为主。砾石整体风化程度较强，以中风化至强风化为主。同时砾石层中出土了大量硅化木化石。这些化石有些体型较大，部分树干化石超过3 m(陈秀娟等, 1992; 徐瑞瑚, 1992)。这些均指示着砾石并未经历远距离搬运，为附近山体遭受风化后，经流水搬运至该地。大别山地区广泛分布有大量变质岩，其中滠水河、倒水河流经的红安群即含有大量片岩，因此笔者推测红安群为片岩源区。
5. 结论
（1）砾石的L、I、S三轴长的累积概率图显示相对于横店地区，阳逻地区砾石在不同类型中分布得更为分散。Zingg砾石分类显示砾石整体上以扁长形为主。
（2）利用MPSI、ER、CF、OPI四个砾石形态学参数所反映的沉积环境与野外实际情况有较大的偏差，而采用ER、CF和DRI三个参数进行Sneed-Folk图解所得到的结果与实际情况更为相符。根据砾石Sneed-Folk图解投点较混乱，以及砾石倾向玫瑰花图上水流方向较分散等，显示该套砾石沉积分选较差，具有过渡相和河流相成因特点，少量砾石属于滨湖相。砾石层中的片岩、玄武岩砾石表明该套砾石层的源区应为大别山地区，是大别山南麓河流所形成的古冲积扇。
致谢: 感谢两位匿名审稿专家及编辑部老师给予的宝贵建议和修改意见! -
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图 1 武汉及邻区区域构造分区图
Ⅰ—秦岭—大别造山带；Ⅱ—扬子板块；Ⅰ—1—桐柏—大别基底杂岩带；Ⅰ—2—英山—红安超高压变质岩系；Ⅰ—3—木兰山—四望高压变质岩系；Ⅰ—4—麻城—新洲凹陷；Ⅰ—5—随南陆缘裂谷；Ⅱ—1—江汉断陷盆地；Ⅱ—2—武汉台地褶冲带；Ⅱ—3—梁子湖凹陷；Ⅱ—4—大冶台地褶冲带；Ⅱ—5—嘉鱼台地褶皱带
Figure 1. Tectonic map of Wuhan and adjacent region
Ⅰ-Qinling-Dabie Mountain orogenic belt; Ⅱ- Yangtze Craton; Ⅰ-1- Tongbai-Dabie basement complex belt; Ⅰ-2 Yingshan-Hong'an ultra high pressure metamorphic series; Ⅰ-3- Mulan-Siwang high pressure metamorphic series; Ⅰ-4- Macheng-Xinzhou depression; Ⅰ-5- Suinan continental margin rift; Ⅱ- 1- Jianghan fault basin; Ⅱ- 2- Wuhan platform thrust belt; Ⅱ- 3- Liangzihu depression; Ⅱ- 4- Daye platform thrust belt; Ⅱ- 5 Jiayu platform fold belt
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图 2 横店（a）和阳逻（b）采样点位置图
Figure 2. The sampling location of gravels in Hengdian (a) and Yangluo. (b)
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图 3 砾石层野外照片
a—横店镇梅夏塆村北100 m采石场；b—横店镇肖宋塆村剖面中砾石呈现颗粒支撑结构；c—阳逻镇阳逻电厂北1.7 km处路边基坑剖面，可见厚层湖相沉积；d—砾石层中片岩呈现强风化状态.将白色圆圈内的1元硬币作为比例尺
Figure 3. Field photos of gravel layers.
a- The quarry in the 100m north of Meixiawan, Hengdian; b-Grain supported structure of gravel in the Xiaosongwan profiles of, Hengdian; c-The foundation pit at the 1.7 km north of Yangluo power station; d-Completely weathered schists in the gravel layers
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图 4 L、I、S累积概率曲线（a）和砾石Zingg图解（b）（其中的红色曲线代表Wadell球度）
Figure 4. Cumulative probability curve of L, I, S (a) and Zingg shape classification of gravels (b)
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图 5 OPI-MPSI（a）及MPSI-CF图解（b）（蓝色圆圈为横店、绿色圆圈为阳逻）
Figure 5. Diagrams of OPI-MPSI(a) and MPSI-CF relation (b), blue circle for Hengdian and the green's for Yangluo
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图 6 横店（a）、阳逻（b）Sneed-Folk图解及不同形态砾石分布情况（c）
Figure 6. Sneed-Folk classification of gravels in Hengdian (a) and Yangluo(b), as well as distribution of different shapes of gravel (c)
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图 7 砾石倾向玫瑰花图
a—黄陂区横店镇砾石层；b—新洲区阳逻镇砾石层
Figure 7. Rose diagram of gravel inclinations
a- Huangpi gravel layer in Hengdian, ; b-Yangluo gravel layer in Xinzhou district
表 1 本研究中的剖面分布位置及不同剖面砾石统计个数（HD代表横店，YL代表阳逻）
Table 1 The location of gravel layer profiles and the total number of gravels (HD for Hengdian, YL for Yangluo)
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表 3 横店、阳逻两地砾石9个参数的描述性统计结果
Table 3 Descriptive statistics for 9 parameters of gravels from Hendian and Yangluo
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表 5 横店阳逻两地砾石Zingg的外形分类
Table 5 Zingg shape classification of gravels in Hengdian and Yangluo
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表 6 横店、阳逻地区砾石层所反映的沉积环境
Table 6 The sedimentary environment deduced from gravels in Hengdian and Yangluo
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表 7 不同形态砾石个数和占比分布情况
Table 7 The number and percentage for classification of different shapes of gravels
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