长江中下游床沙组成垂直变化成因分析

长江中下游床沙组成垂直变化成因分析 朱鉴远 国家电力公司成都勘测设计 研究院 摘要 摘要 通过晚更新世气候冷暖变化 分析长江河床演变 采用古地貌复原法 论证长江中下游 床沙组成垂直变化成因 认为东中国海的海退和海侵 是形成长江中下游卵砾石潜伏于沙层之 下 覆盖于基岩之上的原因 长江上游卵砾石推移质洲头 现在已运动到宜昌下游约 110km 的 江口一带 三峡工程投产后 因坝下游清水冲刷 卵砾石仍将向下游运动一段距离 关键词 关键词 海退海侵 长江 床沙成因 作者简介 朱鉴远 1942 男 江苏苏州人 教授级高级工程师 国家电力公司成都勘测设计 研究院泥沙室主任 四川大学高速水力学国家重点实验室兼职教授 前言 据大量地质勘探资料揭示 长江上游干支流河床中存在深厚的覆盖层 例 如 金沙江下段一般厚 20 30m 中段的虎跳峡达 60 200m 四川盆地的嘉陵 江为 10 20m 金沙江覆盖层的物质组成 上部为现代漂卵石层 中部为块碎 石层 下部为含卵砾石的沙层或含沙的卵砾石层 嘉陵江都为现代卵砾石层 宜昌至下游 110km 的 江口为卵砾石夹沙河床 河床中可见卵砾石洲滩分 布 江口 藕池口卵砾石 层面以大于现代河床的坡 度 向下游倾斜 沙层厚 10 20m 其下为卵砾石层 在天然情况下局部冲刷坑 下游出现卵砾石的壳状堆 积体 这些壳状堆积体的 卵砾石 主要不是现代江 口以上输移下来的 而是 沙层底部卵石冲出 下荆 江卵砾石埋藏很深 武汉 南京覆盖层厚度一般在 30 40m 覆盖层的物质组 成 上部为粘性土层 中 部为沙层 下部为卵砾石 层 图 1 表 1 为裕溪口和 黄石市上游约 20km 的戴家 洲地质剖面 钻孔未穿透 图图 1 1 长江裕溪口长江裕溪口 曹姑洲曹姑洲 四褐山河床地质剖面图四褐山河床地质剖面图 Geologic profile of riverbed in the reach of the Yuxikou Caoguzhou delta Sijie hill 因此 江口一带以上 为卵砾石夹沙河床 其下 游卵砾石由表层消失 出 现在河槽底部 江口附近 成为上游和中下游卵砾石 垂直分布变化的转折点 表 1 戴家洲深孔剖面 Profile of the deep drilled hole at Daijiazhou delta 深度深度 m m 组成物质组成物质中数粒径中数粒径 mm mm 最大粒径最大粒径 mm mm 大于大于 0 5mm0 5mm 粒径含粒径含 量量 0 1 3深褐色细粉砂 1 3 4 9 棕黄色淤泥质粉壤 土 小于 0 1小于 0 1 0 4 9 18 0细砂0 075 0 140 17 0 34 0 18 0 30 6 中细砂偶夹粗砂和 砾石 0 18 0 320 5 10 01 5 11 8 30 6 30 75卵砾石 1871 9 注 据参考文献 3 资料整理 长江上游和中下游床沙均系全新统沉积物 粒径垂直变化 上游为 上层 粗下层细 表层卵砾石可以运动 中下游为 上层细下层粗 卵砾石覆盖 于基岩石之上 被压在沙层下面不能运动 这一现象引起泥沙工程师的关注 追究其成因不但对研究长江中下游河床 演变 还对研究三峡水库下泄清水冲刷河床和中下游堤防工程具有重大意义 1 玉木冰期的海退 第四纪自然界的最大特点是具有轮回性变化的现象 即冰期与间冰期 海 退与海侵 地壳抬升与下降 剥蚀与堆积等交替出现 冰期盛行时 地球上冰 流和冰川覆盖体积约 7700 万 km3 约为现存冰川 2625 万 km3的 3 倍 地球大量 水体以固体形式贮存 势必引起全球性的海面下降 赵松龄等研究认为 30 万年来中国东部沿海发生过 5 次大的海侵和海退 晚 更新世发生过 2 次大的海退 第一次在 5 万年前的玉木 w rm 冰期早期 当时 海平面低于现代 70 100m 第二次在 1 5 万年前的玉木冰期最盛期 是 30 万 年中最大的一次海退 国外研究一般认为 1 5 万年前 全球海平面下降 130m 左右 杨怀仁研究认 为 主玉木冰期东海海面高程为 150 160m 金庆明根据微体古生物 孢粉组 合和 C14年龄测定 认为距今 1 5 万年左右 东海海面低于现代 150 160m 王 靖泰等根据海滨砂堤 贝壳堤 C14 测年等资料 认为据今 14780 700 年前的 东海平面为 155m 海岸线向东后退 600km 并绘制了 中国东部晚更新世以来 温度变化和海面升降曲线 图 2 任美锷研究认为在距今 1 5 万年前 东海 海平面位置在水深 150 160m 靠近大陆架转折处 并作了晚更新世东中国海海 岸线图 图 3 图图 2 2 中国东部晚更新世以来温度变化和海面升降曲线中国东部晚更新世以来温度变化和海面升降曲线 据王靖泰 汪品先据王靖泰 汪品先 Variation of sea level and temperature in East China sea after Late Pleistocene referring to Jingtai Wang Pingxian Wang 图图 3 3 晚更新世东中国海海岸线图晚更新世东中国海海岸线图 据任据任 美锷美锷 Coast of East China in Late Pleistocene referring to Mei e Ren 水下长江古河道有两条 一条在北纬 30 30 东经 127 50 处入海槽 另一条在北纬 28 00 东经 126 50 入海槽 河口位置比现在长江口偏南 海岸向东直线延伸约 600km 李从先等研究认为 水下长江三角洲平原向东倾 斜的自然坡度为 0 18 0 31 古河谷宽达 30 余 km 古平原在海相沉积物 之下 为粘土 亚粘土 黄褐色砂砾层等构成的陆相沉积物 在冲绳海槽内侧 有古长江搬运来的泥沙沉积物 水下三角洲体积巨大 可见当时长江输移的泥 沙是丰富的 水下三角洲叠置 可见侵蚀基准面在相对下降 曾一度出露海面 受到剥蚀 又据勘测资料 现长江三角洲地下存在两级古长江阶地 在我国钓 鱼岛附近的海底曾采集到纳玛象牙齿化石 各位学者的研究成果 均证实了距今 10 万年内发生过两次大的海退 东海 海平面曾两度大幅度下降 2 长江中下游河床古地貌复原 长江中下游河谷两岸存在两级阶地 形成年代分别为晚更新世中期和后期 同海退时间吻合 根据上述研究成果和河床演变规律 对长江中下游进行河谷 古地貌复原 距今 10 7 万年的晚更新世早期 年平均气温高于现代 2 5 降水充 沛 植被良好 河流含沙量低但输沙量大 海平面高于现代 5 7m 长江口在 扬州 镇江附近 潮汐可达九江 长江江面宽阔 形成了广阔的河漫滩 alQ31 距今 7 4 万年 进入早玉木冰期 年平均气温低于现代约 5 降水量减 少 呈半干燥气候 植被差 径流量减少 河床缩窄 海平面下降 70 100m 因侵蚀基准面下降河流下切河床 原河漫滩 alQ31 远高于水面 长江口向东延 伸数百公里形成较大的水下三角洲 距今 4 2 5 万年 进入玉木间冰期 气温回升 河川径流量增大 海平面 上升 高程虽低于现代但相差不多 长江径流量没有早玉木冰期前丰沛 河宽 不如早玉木冰期前广阔 因地形抬升早玉木冰期前的河漫滩 alQ31 已上升为阶 地 此时长江又形成了新的河漫滩 alQ32 新河漫滩的规模较小 距今 2 5 万年 进入玉木主冰期 1 5 万年前海平面下降到 150 160m 比早玉木冰期低得多 长江口向东直线延伸约 600km 到达今大陆架边缘直达 海槽 长江 黄河和其它河流三角洲相合 形成巨大的凸出体 黄海和东海大 陆架出露成陆 形成了辽阔坦荡的海滨平原 在距今 2 5 1 5 万年的 1 万年时间内 长江侵蚀基准面不断下降 河流产 生溯源冲刷 水流下切河床 冲刷过程中把覆盖于基岩之上的晚更新统沉积物 荡涤干净 并使早玉木冰期形成的水下三角洲也遭受侵蚀 玉木间冰期形成的 河漫滩 alQ32 又远高于水面 玉木冰期以后直到现在为关后期属全新世 气温 回升 植被变好 径流增大 海水位回升 约 6000 年前恢复到现海平面 因河 口水位抬高 比降变缓 泥沙回淤 在河床中形成了全新统沉积物 因地形抬升 10 7 万年前晚更新世早期形成的河漫滩 alQ31 演变为今 日二级阶地 4 2 5 万年前玉木间冰期形成的河漫滩 alQ32 演变为今日的一 级阶地 形成该河漫滩 alQ32 时的流量小于现代 河漫滩规模不大 故目前长 江中下游一级阶地分布较为分散零星 且多数紧贴二级阶地临长江一侧 二级 阶地是在中更新世沉积物上发展的 故现在的二级阶地下部常由中更新世的棕 红色砾石层和网纹红土组成 上部为晚更新世的棕黄色亚粘土和沙卵砾 一旦 临江便成矶头 镇江以东两次海退形成的阶地 均被后期沉积物覆盖被埋于地 下 3 现代长江中下游床沙的形成 上节恢复了晚更新世长江中下游古河床地貌 值得探讨的问题 海平面 下降期间 长江溯源侵蚀的终点在何处 现代长江中下游的床沙形成同海退 海侵关系如何 影响水流对床面剪力作用的诸水 力因素中 最活跃的是比降 当河口 水位下降 势必引起河流纵比降加大 水流对床面剪力加大 垂直 溯源侵 蚀和沿程冲刷作用加强 河槽沿程淤 积同冲刷相比 以冲刷为主 犹如降 低坝前水位水库发生溯源 沿程冲刷 根据铁道部大桥工程局钻探和有 关地貌资料 详见表 2 可以大致把 现代长江基岩面 覆盖层厚度 一级 阶地高程连贯起来 详见图 4 基岩 面大致代表 1 5 万年前长江坡度 武 汉 大通 1966 年 7 月 19 日高水水面 线纵比降为 0 024 武汉 南京一级 阶地平均坡度为 0 026 两者较接 近 故一级阶地平均坡度大致可代表 2 5 万年前玉木间冰期长江坡度 此 外 图 4 的图形是一个典型的三角洲 淤积纵剖面 图图 4 4 长江中下游河谷地貌纵剖面示意图长江中下游河谷地貌纵剖面示意图 Profile sketch of physiognomy of middle and lower reaches of the Yangtze River 表 2 宜昌 南京基岩顶板高程 覆盖层厚度 Thickness of overburden and altitude of foundation rock from Yichang to Nanjing 地名地名宜昌宜昌武汉武汉武穴武穴九江九江安庆安庆裕溪口裕溪口南京南京 基岩顶板 平均高程 m 25 15 30 35 45 51 56 64 覆盖层平 均厚度 m 523 53537404141 一级阶地 平均高程 m 60403237302422 采用基岩顶板坡度同一级阶地坡度的比值 判断海退时溯源冲刷的可能范 围 河段划分为宜昌 武汉 武汉 裕溪口 裕溪口 南京三段 经计算基岩顶板 平均坡度同一级阶地平均坡度之比 三河段比值分别为 2 2 3 和 4 5 根据水 库溯源冲刷前后比降相差 2 倍即可发生强烈冲刷判断 在海退的 1 万年期间 长江溯源侵蚀的长度已越过宜昌 最终范围应在宜昌上游某一区段 上述坡降 比值 以裕溪口 南京最大 达 4 5 倍 宜昌 武汉最小 为 2 倍 这与水库降 低坝前水位后 溯源冲刷强度随距坝距离的增加而逐渐减小的规律一致 长江 口外水下三角洲坡度为 0 18 0 31 裕溪口 南京基岩坡度为 0 13 武 汉 裕溪口为 0 06 上述三坡度是下游大于上游 也符合水库降低水位溯源 冲刷 比降随长度增加而减小的规律 文献 6 中谈到 距今 11000 6000 年 当时黄河下游 河床 比降 0 44 比现代河床比降 0 21 大一倍以上 这一比降倍数同长江接 近 笔者认为 黄河河槽在玉木主冰期 同样也曾发生过溯源侵蚀 通过上述分析 2 5 1 5 万年前 的主玉木冰期海平面下降过程中 长江 中下游产生过强烈的溯源侵蚀 包括卵 砾石的晚更新统沉积物曾被冲刷一空 成为东海水下长江三角洲的固体物质来 源一部分 致使长江基岩裸露甚被下切 距今 1 5 万年后 气候转暖 河川 径流增大 海平面又开始回升 据赵希 涛等研究 图 5 距今约 6200 年前海 平面到达现在水平 6200 5000 年前 又高于现海平面 2 4m 为全新世最大 海侵 长江口在扬州一带 此后在现海 平面上下波动 图图 5 5 中国沿海全新世海平面变化曲线中国沿海全新世海平面变化曲线 Variation of sea level along the coast of China during Holocene epoch 约 1 万年海平面上升过程中 长江比降逐渐变缓 泥沙随之在长江河床中 淤积 这又同水库进行降低水位冲刷后 库水位抬升 泥沙在主槽发生淤积相 类似 卵砾石推移质在回水末端沉积 随着海平面的逐渐上升 回水末端也逐 渐上移 卵砾石推移质淤积起点不断向上游后退 直至全新世海侵结束 卵砾 石淤积洲头后退到距河口最远点 在这一过程中 卵砾石淤积物始终覆盖于基 岩之上并留下了断续后退的轨迹 悬移质输沙量远远大于推移质 其淤积洲头 远在推移质下游 从而始终覆盖在卵砾石沉积物之上 终于形成长江中下游床 沙垂直分布呈上部为砂下部为卵砾石的规律 随着全新世海侵结束 海平面比较稳定 长江比降较缓同现代接近 上游 卵砾石推移质淤积洲头又不断向下游发展 在某一时段终于越过宜昌并向下游 运动 当前已运动到宜昌下游约 110km 的江口一带 其下卵砾石仍被悬沙覆盖 于是形成了卵砾石在江口以下消失的现象 卵砾石推移质淤积洲头向下游运动 时 何时到达宜昌 由下列资料判断当在全新世中期 在宜昌一带由于局部地 形的抬升 晚更新世后期长江主流位于今已消失的四江 宜昌市东湖 大公桥一 线 此后长江主流南移先后为三江 二江 直至今日的大江 葛洲坝施工时 在三江 二江中挖出数万斤古树 大者长 20m 直径约 0 8m 小者长不足 1m 古木覆盖于基岩之上 卵砾石又覆盖于古木之上孙仲明 长江葛洲坝河段汊道 的形成与演变历史 葛洲坝枢纽工程泥沙问题研究成果汇编 1984 9 经 C14 测定古木年龄为 6570 110 年 该时长江主流在三江 并且处于全新世海侵之 前 估计应在海侵结束之后的某一时段 卵砾石淤积洲头才覆盖古木越过宜昌 若上游无水库拦截 卵砾石推移质洲头还要缓慢地向下游延伸 三峡大坝 将拦截上游卵砾石推移质来源 但因坝下游长河道清水冲刷 原河床中的卵砾 石 仍将向下游运动一段距离方停止 上荆江中的部分悬沙淤积物被冲刷 由 其覆盖的卵砾石也将出露 待三峡水库淤积平衡泥沙大量出库后 河槽又要回 淤 部分已出露的卵砾石又将被悬沙淤积物覆盖 4 结论 本文通过晚更新世以来的海侵海退 对长江中下游河床冲淤变化影响分析 获得以下结论 1 在据今 2 5 1 5 万年以前的玉木主冰期 由于海平面逐