張端淼, 龐 威, 徐 勇

(1.宜昌市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,湖北 宜昌 443000; 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心,湖北 宜昌 443005)

長(zhǎng)江西陵峽出口處的宜昌南津關(guān),在地理學(xué)上以此為界,將南津關(guān)以西劃為長(zhǎng)江上游,南津關(guān)以東劃為長(zhǎng)江中游[1]。宜昌市位于湖北省西部,長(zhǎng)江上游與中游分界處,地理位置屬鄂西黃陵山地與江漢平原的過(guò)渡地帶[注]曹偉軒、彭偉、賈建紅等,湖北宜昌市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報(bào)告，長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,2016。。宜昌市城區(qū)處于長(zhǎng)江西陵峽出口地帶,包括西陵區(qū)、伍家區(qū)、猇亭區(qū)、點(diǎn)軍區(qū)及高新區(qū)(含生物產(chǎn)業(yè)園、白洋鎮(zhèn)等),面積約1 000 km2,長(zhǎng)江自西北向東南呈反“S”流經(jīng)宜昌市城區(qū)。宜昌市城區(qū)地勢(shì)西高東低,形成自西向東由山地、丘陵向平原過(guò)渡的地貌形態(tài),最高點(diǎn)為點(diǎn)軍區(qū)土城西北部的白云山,海拔高1 189 m;最低點(diǎn)為長(zhǎng)江一級(jí)階地,海拔高約40 m(見(jiàn)圖1)。

長(zhǎng)江河道變遷是個(gè)難度很大的研究課題,通過(guò)調(diào)查宜昌市城區(qū)第四系各層巖性、分布、類(lèi)別及物理力學(xué)特征,分析階地發(fā)育分布與長(zhǎng)江河道變遷過(guò)程,基本查明了宜昌市城區(qū)第四系分布與長(zhǎng)江河道變遷的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 第四系土體分布和工程地質(zhì)特征

1.1 第四系土體分布特征

圖1 宜昌市城區(qū)地形高程分布略圖Fig.1 Sketch map of topographic elevation distribution in Yichang City

堆積物具有二元結(jié)構(gòu),下部為礫卵(礫)石層夾砂土、粉質(zhì)粘土,局部夾膠結(jié)礫石層;上部為灰褐色、棕黃色砂土、粉質(zhì)粘土。分布于長(zhǎng)江及其主要支流河谷的一級(jí)階地、漫灘、河床、較大型溝谷中,具體分布于長(zhǎng)江河床、西壩、胭脂壩,左岸沿江呈條帶狀分布,右岸主要分布在艾家鎮(zhèn)臨江平緩地帶;支流則主要分布于卷橋河、臨江溪、何家沖、善溪大沖等支流的鄰近兩側(cè)。

堆積物具有二元結(jié)構(gòu),上部為棕黃色粘土,含鐵錳質(zhì)薄膜和結(jié)核,具垂直節(jié)理;下部為砂卵(礫)石層。分布于長(zhǎng)江及其主要支流河谷的二、三級(jí)階地上,具體分布于西壩、長(zhǎng)江左岸肖家崗、宜昌火車(chē)站、金家臺(tái)—北山坡—市七中等地,以及白洋和善溪沖一帶。

堆積物一般不具二元結(jié)構(gòu),巖性為網(wǎng)紋粘土、粉質(zhì)粘土或網(wǎng)紋粘土、粉質(zhì)粘土夾多量卵(礫)石;局部具有二元結(jié)構(gòu),即下部為砂卵(礫)石,上部為網(wǎng)紋粘土。分布于長(zhǎng)江河谷的四級(jí)階地及相當(dāng)于四級(jí)階地高程的山頂及山坡上,具體分布于長(zhǎng)江左岸鎮(zhèn)鏡山、窯灣、原東山寺、氣象臺(tái)、猇亭、白洋、顧家店一帶。

堆積物多為三層或多層結(jié)構(gòu),上部為灰白色粘土,具蟲(chóng)孔構(gòu)造;中部為棕黃,褐黃色粘土夾卵(礫)石或卵(礫)石夾粘土;下部為砂(卵)礫石層。分布于長(zhǎng)江河谷的五級(jí)階地以及相當(dāng)于五級(jí)階地高程的剝夷面上,具體分布于長(zhǎng)江左岸葫蘆包、大梁子崗、猇亭張家灣和雞子山一帶。

1.2 第四系土體類(lèi)別和物理力學(xué)特征

1.2.1 土體類(lèi)別特征

宜昌市城區(qū)第四系沖積類(lèi)型土體分布廣泛,展布于長(zhǎng)江及其支流河谷各級(jí)階地上。其中河谷階地土體以沖積成因類(lèi)型為主,由人工填土、粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥、粘土夾礫石、砂土、砂土夾礫石、礫石夾粘土、砂礫石、膠結(jié)礫石等構(gòu)成。按其構(gòu)成土體的土層數(shù)目可劃分為雙層型、三層型及多層型(四層及其以上)等3種類(lèi)型,土體結(jié)構(gòu)組合形式復(fù)雜。溝谷土體以沖—洪積成因類(lèi)型為主,其土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要為雙層型和三層型;各溝谷內(nèi)土體組合形式不一,即使是同一條溝,其組合形式也不完全一致。

1.2.2 土體物理力學(xué)性質(zhì)

宜昌市城區(qū)第四系土體粒度成分的變化具有以下特征:粘土以粉粒為主,次為粘粒,其中砂礫含量隨時(shí)代漸老而漸高,粉粒和粘粒含量均隨時(shí)代變老而漸低。粉質(zhì)粘土含較多砂粒(一般都在30%以上),粒度隨時(shí)代變化的規(guī)律性很強(qiáng),其中砂粒及粘粒含量均隨時(shí)代變老而漸低,粉粒含量則正好相反。

2 長(zhǎng)江河道變遷分析

2.1 長(zhǎng)江宜昌段階地發(fā)育分布情況

根據(jù)宜昌市城區(qū)第四系沖積物分布特征分析,長(zhǎng)江宜昌段總體發(fā)育有五級(jí)階地,其中長(zhǎng)江一、二級(jí)階地發(fā)育較完整,三、四、五級(jí)階地不甚發(fā)育,多被地表水系切割呈支離破碎。分析認(rèn)為,大致以現(xiàn)宜昌市城區(qū)的東山大道為界,以南為長(zhǎng)江一、二級(jí)階地堆積區(qū),地勢(shì)寬闊平緩,地形稍有起伏,一、二級(jí)階地臺(tái)面高程分別為50～60 m、65～72 m,目前城區(qū)沿江已形成一條狹長(zhǎng)的城市建設(shè)區(qū);東山大道以北為殘缺不全的長(zhǎng)江三、四、五級(jí)階地及渾圓形低矮丘陵地形,地面高程一般80～130 m,以葫蘆包最高,山頂?shù)孛娓叱虨?56.60 m,殘缺不全的三、四、五級(jí)階地臺(tái)面高程分別為80～90 m、100～120 m、140～150 m。宜昌市城區(qū)長(zhǎng)江階地(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表一、二、三、四、五級(jí)階地)的發(fā)育分布情況典型剖面見(jiàn)圖3。

表1 宜昌市城區(qū)長(zhǎng)江階地土體承載力和壓縮模量建議參考值表Table 1 Suggested reference table of bearing capacity and compressive modulus of Yangtze River terrace soil in Yichang City

圖3 宜昌市城區(qū)長(zhǎng)江階地展布特征典型剖面示意圖Fig.3 Typical profile characteristic of Changjiang River terrace distribution in Yichang City1.白堊系五龍組巖體;2.粘性土;3.砂礫石;4.粉—細(xì)砂;5.勘探鉆孔及編號(hào);6.長(zhǎng)江水位。

2.2 長(zhǎng)江宜昌段河道變遷分析

宜昌南津關(guān)以上,長(zhǎng)江流向?yàn)楸蔽魑鳌蠔|東,江面寬僅250～300 m,河谷狹窄,兩岸谷坡均由高幾十米以上的巖石陡崖組成。長(zhǎng)江出南津關(guān)后,流向由近東急轉(zhuǎn)向南—南南西,至宜昌市城區(qū)鎮(zhèn)川門(mén)附近似喇叭狀向南南東方向展開(kāi);河床呈微彎曲的反“S”型蜿蜒南下,河床坡度變緩。長(zhǎng)江在向左岸侵蝕和擺動(dòng)過(guò)程中,堆積形成了黃草壩、西壩、葛洲壩三個(gè)江心島嶼,使長(zhǎng)江河道在此分叉為大江、二江、三江共三股叉道,以及在葛洲壩—龍盤(pán)湖江段堆積形成諸如胭脂壩、虎牙灘等漫灘,河床呈不對(duì)稱(chēng)“U”型、谷底寬闊且較平坦。由于長(zhǎng)江不斷向右岸側(cè)蝕,致使右岸岸坡較陡且形成一系列的三角面山體(如磨基山等);而左岸則以堆積為主,形成了由五級(jí)階地組成的廣闊平坦、高差較小的河谷平原地貌。

根據(jù)宜昌市城區(qū)第四系長(zhǎng)江堆積物的發(fā)育分布情況分析認(rèn)為,該段長(zhǎng)江河道自更新世以后,受地形和地質(zhì)作用影響一直向右岸侵蝕擺動(dòng),其河勢(shì)形態(tài)及演變過(guò)程如圖4,河道變遷過(guò)程分析如下。

2.2.1 更新世長(zhǎng)江宜昌段河道變遷分析

早、中更新世時(shí)期,長(zhǎng)江宜昌城區(qū)段為一寬淺河流,江中無(wú)江心洲。河床最寬4 000 m左右,向下游河床漸窄,在楊岔路處河床寬2 000 m左右。以早更新世堆積物推測(cè),當(dāng)時(shí)長(zhǎng)江出南津關(guān)后,河床忽然開(kāi)闊,水流瞬時(shí)變緩,致使水流攜帶物質(zhì)的能量在瞬時(shí)急劇減弱,因此堆積物質(zhì)具有山麓相的特征。

早更新世末的喜山運(yùn)動(dòng),地殼上升,長(zhǎng)江下切同時(shí)向右岸擺動(dòng),于左岸形成五級(jí)階地。

中更新世時(shí)期,地殼處于相對(duì)穩(wěn)定期,長(zhǎng)江宜昌城區(qū)段以堆積、側(cè)蝕作用為主;中更新世末,地殼再次上升,長(zhǎng)江下切并繼續(xù)向右岸擺動(dòng),同時(shí)形成四級(jí)階地。

晚更新世時(shí)期,地殼處于震蕩運(yùn)動(dòng)狀態(tài),經(jīng)歷了兩次上升及間歇停頓。

晚更新世初期,四級(jí)階地已完全形成,這時(shí)長(zhǎng)江宜昌城區(qū)段仍為一寬淺河流,長(zhǎng)江河道仍以堆積、側(cè)蝕作用為主。至晚更新世中期,地殼經(jīng)歷了一次上升運(yùn)動(dòng),使得長(zhǎng)江下切且繼續(xù)向右岸擺動(dòng),于左岸形成三級(jí)階地。同時(shí),在江心形成的基巖面高程為60～70 m,以樵湖嶺為中心,北至葛洲壩、經(jīng)桃花嶺往南到市中心的江心洲基座,但該基座未露出水面,而是以暗礁的形式隱伏于江中。在此次下切期間,由于南津關(guān)地段的堅(jiān)硬巖石受構(gòu)造破壞的程度不一,從而產(chǎn)生不均勻下切現(xiàn)象;在南津關(guān)口的長(zhǎng)江河床內(nèi)形成挑流坎,并對(duì)其以后的河道變遷起到重要作用。三級(jí)階地形成后至二級(jí)階地黃色粘土堆積前,由于挑流坎的作用,改變了長(zhǎng)江河水的流態(tài),使其對(duì)江心暗礁式基座進(jìn)行侵蝕和沖刷破壞,繼而形成了四江、三江河槽雛型。

圖4 宜昌市城區(qū)長(zhǎng)江河道變遷分析圖Fig.4 Analysis chart of Changjiang River channel change in Yichang City1.現(xiàn)代河道岸邊線;2.全新世第二次河道變遷岸邊線;3.全新世第一次河道變遷岸邊線;4.晚更新世末河道岸邊線;5.中更新世末河道岸邊線;6.早更新世末河道岸邊線;7.早更新世初河道岸邊線;8.晚更新世時(shí)期江心暗礁式基座線;9.現(xiàn)代河道干流線;10.全新世時(shí)期河道第一次變遷后河道主流線;11.晚更新世末河道主流線;12.塊石帶;13.挑流坎。

晚更新世末(二級(jí)階地黃色粘土堆積后),地殼經(jīng)歷了第二次上升運(yùn)動(dòng),河床相對(duì)下切,致使江心暗礁式基座及其上覆的堆積物露出水面后形成二級(jí)階地。與此同時(shí),由于挑流坎對(duì)長(zhǎng)江主流的挑流作用,水流對(duì)四江、三江河槽雛型沖刷作用加強(qiáng),使得四江、三江河槽向縱深方向不斷擴(kuò)大和發(fā)展,將市中心的江心洲分為宜昌(樵湖嶺—桃花嶺)和西壩兩部分。并將長(zhǎng)江水流分為三股,其一為四江水流,由鎮(zhèn)鏡山與樵湖嶺之間,經(jīng)東湖、夷陵大道、鐵路壩至中醫(yī)院,河床寬僅150～250 m,為長(zhǎng)江原主河床;其二為三江水流,為分流河槽;其三為現(xiàn)今的大江,其匯集紫陽(yáng)溪后于西壩南端與三江水流匯合,并匯集卷橋河水流后、至宜昌市中醫(yī)院處與四江水流匯合成一股整體水流。

2.2.2 全新世長(zhǎng)江宜昌段河道變遷分析

全新世時(shí)期,長(zhǎng)江宜昌城區(qū)段主流河床有三次變遷。第一次變遷為主流河床由四江轉(zhuǎn)移到三江;第二次變遷為主流河床自三江轉(zhuǎn)移至大江同時(shí)開(kāi)劈二江河床;第三次變遷為主流河床完全轉(zhuǎn)移至大江,大江河床逐漸成熟。本時(shí)期的三次變遷過(guò)程分析如下。

第一次變遷:全新世初,地殼緩慢上升,長(zhǎng)江河道相對(duì)下切,在南津關(guān)口挑流坎的作用下,長(zhǎng)江主流對(duì)三江河床沖刷作用強(qiáng)烈,致使三江河床向縱深方向不斷擴(kuò)展,逐漸成熟為適應(yīng)主流的河床。在這期間,由于地殼上升作用,南津關(guān)口挑流坎對(duì)四江的作用減弱,黃柏河水流及長(zhǎng)江水流攜帶的物質(zhì)堆積于四江河床內(nèi)。在三江河床擴(kuò)大成熟、四江河床不斷沉積的情況下,長(zhǎng)江主流由四江轉(zhuǎn)移至三江,使三江成為主流河床,而四江河床荒廢,成為間歇性河床,即僅汛期起分流作用(與葛洲壩建壩前的二江、三江功能類(lèi)似)。長(zhǎng)江主流轉(zhuǎn)移至三江后,由于三江河床還未能完全適應(yīng)主流,致使長(zhǎng)江水流向左岸側(cè)蝕,擴(kuò)大河床以適應(yīng)主流,故在三江橋至土街頭一帶形成高10～20 m陡峻的凹岸曲線岸坡。

第二次變遷:三江不斷完善成為長(zhǎng)江主流河床后,由于地殼上升、河床下切,南津關(guān)峽谷段形成了不穩(wěn)定的高陡岸坡。在自然(動(dòng)力)地質(zhì)作用下,高陡岸坡產(chǎn)生暴發(fā)性的大型巖崩,而巖崩塊石被湍急的長(zhǎng)江水流所攜帶,出南津關(guān)口后,由于河床忽然開(kāi)闊,長(zhǎng)江水流由湍急而變緩,水流攜帶物質(zhì)的能量大大減弱;巖崩塊石大量堆積于三江河床內(nèi),從而形成三江大塊石堆積帶,繼而將三江主流河床淤積堵死,致使長(zhǎng)江急流逐漸轉(zhuǎn)移到大江。大江河床為了適應(yīng)突如其來(lái)的主流,猛向兩岸側(cè)蝕沖刷,以擴(kuò)大河床來(lái)適應(yīng)主流,致使兩岸基巖岸坡產(chǎn)生強(qiáng)烈坍塌破壞;于是在西壩右岸(即葛洲壩建壩前的二江左岸)形成了高達(dá)15 m的弧形基巖陡壁和巨型塊石堆,同時(shí)開(kāi)劈了二江河床。

長(zhǎng)江主流轉(zhuǎn)移到大江后,地殼運(yùn)動(dòng)短時(shí)停頓,支流黃柏河水流沖卸下來(lái)的大量砂卵石沒(méi)有足夠的水流能量將固體物質(zhì)帶走,只能在河口堆積并形成沖積扇,隨后逐步擴(kuò)展并與三江大塊石堆積帶相連,將三江完全堵死,最終致其變?yōu)殚g歇性河床;這時(shí),三江兩岸的第一階地逐漸形成,使得三江河床變窄,而四江河床則徹底荒廢。至此,樵湖嶺—桃花嶺完全脫離江心洲,同時(shí)在現(xiàn)今城區(qū)東湖一帶仍保存有一些小湖泊,東湖也由此得名。

第三次變遷:大江主流河床逐漸完善,地殼又開(kāi)始緩慢上升,而河床相對(duì)下切,南津關(guān)口河床-40 m深槽開(kāi)始形成,其左側(cè)岸坡陡壁走向由南東轉(zhuǎn)向正南;水流對(duì)主流河床臨江岸坡進(jìn)行強(qiáng)烈地挑流沖刷,使其向下深切形成大江河床及串珠狀淺槽(最低標(biāo)高5 m),并致使主流河床移至現(xiàn)今大江的位置。這時(shí),二江河床也逐漸荒廢,葛洲壩第一級(jí)階地和高漫灘、黃草壩高漫灘逐漸形成。

3 結(jié)語(yǔ)

宜昌市城區(qū)處于長(zhǎng)江西陵峽出口地帶,屬鄂西黃陵山地與江漢平原的過(guò)渡地帶。宜昌市城區(qū)第四系土體分布范圍較大且較集中,主要為長(zhǎng)江階地沖積物,總體發(fā)育有五級(jí)階地。分析研究認(rèn)為,宜昌市城區(qū)第四系發(fā)育分布和物質(zhì)成分的差異性,主要與長(zhǎng)江河道變遷相關(guān)且呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。第四紀(jì)是與人類(lèi)的產(chǎn)生和發(fā)展密切相關(guān)的地質(zhì)時(shí)期,本文對(duì)后期研究長(zhǎng)江宜昌段演變歷史,以及宜昌市城區(qū)規(guī)劃、防洪工程建設(shè)[2]和城市開(kāi)發(fā)建設(shè)均有一定的指導(dǎo)意義。