新洲阳逻—黄州龙王山砾石层的砾组分析

邓健如 徐瑞瑚 齐国凡 杨礼茂

一、地貌地质简介

砾石层出露在长江武汉段北岸新州县阳逻镇、龙口街黄州龙王山等地，以阳逻及其西北的界埠一带分布较广。这里由新生代地层形成一起伏不平的丘岗地带，砾石层构成Ⅳ级或Ⅲ级基座阶地，高程分别为50～60m及60～80m，与下伏白垩系—古近系东湖群呈角度不整合接触，它比较平整地覆于前者起伏不平且不规则的侵蚀面上。黄陂—新洲县城以北，出露元古宇红安群变质岩层。喜马拉雅运动乃至新近纪以来的构造作用形成的断裂、褶曲均有显示。

我们选定3个测点：No.3阳逻新光小学、No.1龙口卫生院及No.6黄州龙王环保局宿舍处。每层都做了150～200个砾石主轴长度及产状的测定。

二、砾石层剖面结构

砾石层为一种疏松未经固结的粗碎屑沉积物，成层性和分选性都较好。以No.6为例，剖面如下。

1.Q1上部砾石层

⑦砂砾石层——夹多层透镜体状砂层，有时砂与砾石呈韵律性互层状。厚＞6m……假整合接触……

N1－2（？）下部砾石层

⑥铁质层

⑤黏土层（黏土岩）——具水平细层理，厚1.2～1.3m

④砂砾石层——示夹透镜体状砂层，但数量与规模较小。厚2.4～6m

……不整合接触……

2.K—R东湖群

③铁质层

②角砾岩——角砾与胶结物均为黏土，形似透镜体或鸡窝状，厚0.8～1.91m

①紫红色粉砂岩——有时上部为具蠕虫状构造的风化残积物，往下逐渐过渡为结构构造清晰的原岩，与角砾岩界线不清或为过渡关系。产状：210°∠24°。下部砾石层仅见于界埠半边山、龙口街、龙王山3处，形似透镜体状；上部砾石层分布面积广，明显超覆于前者之上，两者之间为大致平行的冲刷接触关系

三、岩相分析

（1）砾石的物质成分：组成物的岩性上、下砾石层相同，但含量不一（表1）。表中前四种岩类的含量占90％以上，属质坚耐风化的岩屑，保存较好。变质岩类和花岗岩易于风化而呈疏松状，东湖群砾石风化后很软成黏土团块或研磨成胶结物。这种对坚硬等级砾石明显的优越性无疑与物质的来源、搬运的环境和搬运距离的远近及沉积介质等条件有关，而坚硬与疏松悬殊的岩石砾石，在搬运一定距离之后，是难以共存的。这里所出现的情况，可能是砾石中有相当部分属于“再生砾石”，一即指前期堆积的砾石层崩解破坏，被流水再次冲刷搬运又经沉积的砾石或在距母岩不远搬运距离不太长所致。从砾石外形特征也反映有前期经其他介质搬运的迹象，于界埠一带，在上部砾石层中我们首次发现大型树形完美的被子植物硅化木化石，经研究它曾经历过多次搬运。

表1 砾石成分统计表（％）

由砾石成分组合来看，碎屑物主要来自鄂北大别山南麓广泛分布的变质岩系。

（2）粒度分析：它是研究沉积物结构的主要项目之一，目的在于确定各种不同大小的砾石在岩层中分配情况，了解砾石的分选程度，推断当时水流速度变化，确定成因类型等。经统计编制了柱状分布图和累积曲线图，采用“四分位数”求出砾石粒度平均值及分选系数（图1、图2，表2）。

图1 下部砾石层粒度分布图（No.1）

图2 上部砾石层粒度分布图（No.6）

表2 砾度统计表

从图表中可以看出：上部砾石略大于下部砾石，柱状图特点是粒级数较多，图中分布范围较广，缺少含量在60％以上的突出主峰，形态为单峰或略似多峰状，不对称，众数位置偏于细粒级，SK＜1，为河流型所具有的特征。据研究分选系数越接近于1，表示分选作用越好。按菲赫特鲍尔（1954年）划分的等级：1～1.25分选很好，1.25～1.41分选好，1.41～1.74中等， 1.74～2分选差，大于2很差，大于3极差。本砾石层粒度分选系数为1.37～1.48，所以分选程度还是较好的，相比较下部砾石层的分选作用略强于上部砾石层。

近期利用粒度参数阐明沉积物的成因作用和区分沉积环境的研究进入了一个新的阶段，经前人研究，河流环境的河床相分选系数（S0）大多数大于1.2，不稳定河流大部分大于1.3，偏度（SK1）小于1很少大于1，通常为双众数，具有向上变细的层序，这和本砾石层所得数据及剖面结构是一致的。

本砾石层的粒度比较均匀，大小变化幅度在20倍以内，砾石分选性较好，表明当时水流是比较稳定的。上部砾石层的沉积环境相对于下部砾石层来说，具有继承性，但水流稳定程度较前差。

下部砾石层砾径（d）小于5.8cm者达95％，据文献资料，直径为5.4cm的砾石其起动流速为1.62m／s，故推测当时水流速度约在1.7m／s左右；上部砾石层砾径小于7.6cm者达95％，而直径82cm的砾石，起动流速为2.27m／s。估计当时流速在2.1m／s左右可见后期流速大于前期。

（3）砾态分析：砾态包括砾石的球度、扁度和磨圆度，它们不仅与矿物的形态有牵连更与搬运的距离相关（图3和表3）。

图3 砾石的球度与扁度累积曲线图实线表下部砾石层No.6，虚线表上部砾石层No.3

表3 砾态统计表

两套砾石层的球度（ψ）、扁度（F）、磨圆度（P）数值相近，图形也相似。众所周知，球度最好时为1但很难达到，一般粗碎屑物的球度在0.5～1之间。当某一砾石的a轴和b轴一定时，扁度的大小主要决定于c轴的长度，而c轴的变化又与砾石被搬运的方式和距离有关。这里砾石的球度较差，扁度中等；球度分选系数为1.1～1.12，扁度分选系数为1.24～1.32；砾石磨圆度尚好，属次圆—圆状，说明大部分砾石是经过一定距离的搬运或者是经过反复几次搬运，有的可能经过长距离的搬运。

砾石表面平滑光洁，脉石英和石英岩砾石表面具较圆滑的凹面或具长条形凹槽，也见一些侵蚀的洼坑，这也是流水搬运沉积物的特点。

现场观察，砾石的形态以扁形居多，球度罕见（表4），反映大部分砾石的搬运和磨损是以跃移滑动为主，其次为沿河床滚动的方式。随着搬运距离的增加，由河道上游的龙口街到下游的黄州（相距45km），砾石的球度值略有减少，扁度稍有增加，磨圆度提高9％。

表4 砾石外形统计表（％）

四、岩组分析

岩组分析主要是通过对砾石排列方位的统计分析，了解其空间规律性。由于砾石是在均衡的状态下被流水介质所搬运，只有在搬运营力降低的情况下才会停积下来。因此砾石方位的特征既取决于流水介质的速度和运动方向，也与砾石本身的大小、形状及沉积底面的形态有关。所以对砾石层的岩组分析，目的即在于探求砾石形成时的流体动力状态和沉积时的地质条件。

砾石的长轴（a轴）和最大扁平面（ab面）是两个主要“方位要素”，前者最能反映介质运动方向的特征，后者极易反映沉积面——S面的性状。根据统计分别编制了砾石a轴和ab面方位岩组图。

在No.1下部砾石层a轴方位图［图4（a）］上具有一个最明显的密集部位，密度比率大于7.5％，表明大部分砾石长轴的排列相当规则，其平均方位指向NW275°并向NW作平均12°左右倾斜。在大多数情况下砾石长轴总是顺水流方向分布的，这就反映当时水流自北西向南东方向运动，也说明在该区范围内流向是比较稳定的，主要在NW270°～300°的区间内变动。并且大多数长轴是逆水流方向倾斜的，倾向NW倾角5°～22°。

图4 龙口街下部砾石层砾石方位岩组图

在黄州龙王山处［图5（a）］当时水流自NW向SW方向运动，稳定性较上游差，因而水流方向摆动范围较大，自N向NE70°区间变动，长轴倾向N—NE倾角5°～22°（平均12°）。龙口街和龙王山两地水流方向稳定性不一，可能是下游地段的古地形较上游地段复杂所致。

砾石a轴顺流向分布逆流向倾斜的特征，正是河床相砾石排列方位的重要标志。砾石a轴倾角的大小主要与流水速度有关，一般流速越大a轴倾角也就较大。据卡耶的研究：水流速度在0.8～1m／s时，倾角为10°～15°，流速为2m／s时倾角可达30°，流速达3～3.5m／s倾角则可增至45°。这里砾石a轴的平均倾角为12.5°，少数超过30°，可以认为当时水流速度＞1m／s可能不超过2m／s，这与粒度分析的结果是相吻合的。

在方位图上还可以看到一些次密极部构成的环带，表明有一部分砾石的a轴在运移过程中绕c轴转动的现象。图4（a）中于第3象限可见两个次极密部：一与水流方向近直交，一与水流方向斜交，交角在50°左右；图5（a）于第4象限亦见两个次密部，情况与前者相似。这反映有少部分砾石a轴的分布是与水流方向直交或者是斜交的。观察的结果，这些砾石多为长条形或长椭圆体，它们可能最有利于绕其垂直于流向的长轴而发生滚动运移的缘故，或者是由于古河床面起伏不平以及其他水体的干扰，致使砾石排列方位有所不同。因此，砾石的沉积组构特征是：既具“纵向”方位（a轴平行流向），又有“横向”方位（a轴垂直于流向）和“斜向”方位（a轴与流向斜交）的复合现象，但以“纵向”为主，“横向”次之，“斜向”居更次地位。

图5 龙王山下部砾石层砾石方位岩组图

在图4（b）和图5（b）所表示的砾石扁平面方位，都明显的具有一个靠圆心或包含图心在内的极密部。图4（b）极密部靠近图心而偏向W—NW，表明大多数砾石的扁平面是向W—NW方向逆水流而倾斜的倾角5°～20°，这与a轴的方位是相对应的。图5（a）极密部通过图心而略显偏NE，亦表示大多数砾石扁平面向N—NE方向逆水流倾斜倾角0°～18°。

通过图心的极密部，说明有一部分砾石的扁平面呈水平状态，它们是与那些“横向”方位砾石的a轴及绕c轴旋转的a轴方位相适应的。因而砾石沉积组构的另一特征是：扁平面以逆水流方向倾斜为主，呈水平状态为辅，砾石在定向排列上具有叠置的形式。

将上部砾石层砾石方位岩组图（图6）与下部砾石方位岩组图加以分析对比，不难看出它们总的特点是类似的。在No.3处a轴方位为NW295°～330°，No.1处则为NW285°和310°～326°，均倾向NW倾角分别为10°～25°和5°～20°，下游No.6处a轴方位为NE20°及W260°～270°，前者与下部砾石层a轴的“纵向”方位相接近，后者可能属砾石的“横向”方位增多所致，倾向NE和W倾角5°～20°。上部砾石层砾石也存在“纵向”方位、“横向”方位和“斜向”方位的复合现象；a轴倾角平均为15°～20°。较下部砾石a轴倾角大，显然是由于流水速度较前期增大的结果，考虑到a轴倾角超过30°的数量较多，估计当时流速在2m／s以上。扁平面方位各点都只有一个靠近图心的极密部和a轴方位一样，河道上游的阳逻镇、龙口街处是向NW逆水流倾斜角5°～20°，下游龙王山则向N逆水流作20°倾斜的。

从所有岩组图上可以看出，砾石轴倾向与扁平面倾向很接近，也反映砾石被搬运的方式具有跃移的性质。

图6 上部砾石层砾石方位岩组图

河流形成的单向斜层理同样可以说明流水的方向和速度，其倾斜方向即表示流水方向，倾角大小则与流速成正比。透镜体状砂层中具单向斜层理，形态呈收敛状倾斜度上陡下缓，上部砾石层中斜层理产状，No.1处为SE110°～119°∠10°～20°，No.6处为SE170°∠17°，与上面分析不谋而合。

五、结束语

（1）阳逻—龙王山出露的两套砾石层为长江古河道粗碎屑沉积物。砾石的球度较差（0.61～0.65），扁度中等（1.83～2.23），磨圆度尚好（60％～74％），粒度分选系数1.37～1.48，就各种成分的砾石共生组合和形态特征分析，存在相当部分的“再生砾石”，碎屑物主要源于大别山南麓变质岩系，少数出自附近或来自上游地区。砾石具明显规律性方位，其排列以“纵向”方位为主，伴随有“横向”和“斜向”方位的复合现象。a轴和扁平面以逆水流方向倾斜为主近水平状态为辅，形成“叠瓦状”构造。单向韵律性斜层理的发育及组构特征，乃其重要成因标志，易于和其他介质搬运沉积的砾石层相区别。

（2）砾石层形成时，长江古河道水流运动方向：上游自北西向南东，下游自北东向南西方向流动，流向分别在NW270°～330°和NE0°～60°区间内变动，水流速度前期小于2m／s，后期则大于2m／s。

（3）根据砾石层剖面结构、接触关系，其应属旋回多阶构造；上、下砾石层虽有明显的相似性和继承性，但也有一定差异，在色调上，下部为灰黄浅绿黄色，上部为黄红棕红色，标志它们的沉积环境不尽相同。由此推测前期气候由暖转冷，后期为由寒变为炎热多雨，早期地壳运动较平稳下降幅度小，后期下降幅度大并伴有振荡现象。其地质时代的划分：上部为第四纪早更新世似可肯定，下部暂定为新近纪中－上新世。

（4）本砾石层可与南京“雨花台”砾石层相对比。