书城自然混杂堆积与环境
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第81章 混杂堆积综合体与相关特征(1)

(第一节)混杂堆积综合体

不同混杂堆积类型可在同一的混杂堆积体中交叉出现,形成混杂堆积综合体,增加了混杂堆积分类的复杂性。在Flint(1976)的分类表中早就明确指出,在冰碛堆积中就包括“流碛”(flowtill),即冰川表面因融化而形成一股冰面泥石流。在大陆冰盖和山地冰川表面皆可形成。在冰—海沉积中也可以有成股的流碛造成的透镜体。河南汝州罗圈村所在的罗圈组剖面中就有大量此类透镜体存在。表现为呈混杂沉积性质的透镜体夹于砂岩地层中(陆松年,1984;葛道凯等,1993)。这实质上是发生在冰盖或冰川表面的泥石流沉积。在山地冰川堆积中,泥石流堆积和冰碛(如滞碛、融出碛)可出现在同一剖面图上(图3128)(Eyles,1993)。

此外,在高山区或较干旱的中山区的碎屑坡或倒石堆、岩屑锥的顶部也可因融雪水、暴雨或北极地区地下冰融化等形成小股泥石流并堆积成透镜体,其体积高、宽不过0.5—1m,长度则可达几米或几十米。火山泥石流作为火山碎屑堆积之一,广泛分布于火山区,如美国西部圣海伦斯火山(St.Ha lans)。1980年爆发时,有不同类型火山堆积,也有大规模火山泥石流堆积。此外,坡积是混杂堆积的一种,也是气下、水下环境都有的“广生种”。而当它出现在冰川表面时就是冰上融出碛的一种,且占主导地位。较大规模的崩塌(rackfall)堆积,其核心部分(中心相)是巨石的垒叠,而其外缘部分在崩塌后期则由较少碎屑顺坡(堆积核心外侧)形成坡积物(外缘相)。在此,坡积物又成了崩塌堆积的一个亚相。所以严格地说,少部分混杂堆积是单成因的,而大部分混杂堆积则是混杂综合体,即多成因混杂堆积综合体。若小比例尺填图则可用此名称填绘,而若是大比例尺工程地质图或环境地质图,则需仔细而具体地划分。且此类综合体在不同沉积环境下有不同组合形式:

(1)最常见的一种是:崩塌滑坡泥石流(气下)和崩塌或崩滑泥石流沉积综合体(水下),多发生在常态环境下的陡崖坡脚和大陆斜坡—大洋盆地过渡区,后者还与浊流有密切联系。

(2)崩塌倒石堆与冰碛泥石流综合体。常见于山地冰川区。巨大的崩塌倒石堆可直接覆盖在冰面上或冰川侧面(图131),并与冰碛紧密相邻(照片131)。而冰碛物在冰融水或雨水激发下则直接演变成不等规模(如西藏古乡)的泥石流堆积。俄罗斯远东堪察加半岛上,火山从冰帽下喷涌而出,造成冰碛与火山碎屑混合(照片132)。

(3)比较特别的是在火星和月球上有广布的面状混杂堆积物和在陡崖下出现的崩塌、滑坡堆积。也可看成是混杂堆积综合体(见第十二章)。

(4)崩塌—滑坡泥石流或滑坡泥石流综合体。在中国西北半干旱区较常见,如甘肃天水、渝中均出现过滑坡沿地下水面发生时,地下水被地面物体堵住一段时间后使之液化再发展为泥石流,原滑坡体可以被冲到2—3km距离。如甘肃天水所见下层的第三纪湖相层可以翻转到上层黄土碎块以上,有时能形成柱状,而此时并无泥水溢出。这就是泥石流体的特点。有时若地下水丰富,则在滑坡泥石流下端变成一般真正意义上的泥石流而冲毁下游的农田、村庄。

(5)冰川坝或冰碛坝之堰塞湖溃决时,强大水流冲刷谷地可沿途造成新的崩塌、滑坡,使冰碛物和崩、滑物形成混杂综合堆积体。

(6)2008年5月12日汶川大地震造成沿岷江和各支流沿岸一系列崩滑堆积体,同时形成唐家山滑坡和唐家山堰塞湖。堰塞湖溃坝堆积类似的情况在横断山地(如金沙江上游)比比皆是。唐家山堰塞湖人工溃决时,所形成的大规模溃坝堆积也沿途形成混合崩塌、滑坡堆积物,故堰塞湖堆积也是一种混杂堆积综合体。

除以上已列出的混杂堆积的综合体外,在南太平洋的复活节岛、佐治亚岛、北美阿拉斯加、加拿大海岸山脉等高山冰川区,作为冰川作用中心的山峰时有大崩塌产生并在冰面上形成大面积覆盖,如南太平洋佐治亚岛、锡尔曼冰川被一巨大崩滑体覆盖(图132)(Gordenetal,1978)。在第四纪冰川方面最好的例子是在中国天山望峰冰期冰碛表面上腹部堆积了平均厚达2—3m绿色石英片岩坡积物。但成为冰碛以后,这些均融入冰上融出碛,故冰上融出碛也是综合的。故可以毫不夸张地说,大部分的混杂堆积都应是综合体,单一成因的混杂堆积只占一部分。

在川西泥巴山山麓,作者亲历一比较简单的混杂堆积综合体,下部为泥石流堆积,上部为坡积,剖面结构简单,一目了然(照片133)。更典型的混杂堆积综合体经常见于高山区,很多倒石堆(岩屑锥)和泥石流扇或舌均汇聚到冰碛中构成一种简单而明快的混杂堆积景象(图131)。

此外,从理论上讲,冰川作用、泥石流作用与火山作用均具有塑性流的共同特点(约翰逊,1983),此类堆积物出现类似特征是完全可以理解的,构成混杂堆积综合体也不足为怪。

现以胥勤勉和杨达源(2011)所报道的金沙江上游一混杂堆积综合体为例作具体介绍。这一实例是目前关于混杂堆积综合体研究最全面而深入的,十分难得(图133—图135)。据报道,金沙江上游攀枝花地区禄劝北80km龙街附近,金沙江由南北向转为东西向,龙川江汇入口正是南北向磨盘山绿计江断裂通过处。此处是高山峡谷及构造破碎区,在多处形成不同程度的混杂堆积综合体。大型的以金沙江谷地金坪子混杂综合体为代表,这是迄今已知对一个混杂堆积综合体的最全面、系统的研究,充分体现其复杂性和形成的规律性。此处高原面海拔2200—2500m,金沙江面800—820m,相对高差1400—1700m,坡度30°—60°。从所在位置及地貌形态上看,类似一个大的滑坡体,弧长2350m,体积为(6—7)×108m3,北侧和中部有金沙江断裂带的红山断层和梁子断层通过。用DEM、钻孔、竖井、平垌及测年等资料表明,金坪子堆积体由12个变化不定的沉积层组成。其中1—9层基部为古金沙江河流冲积物,往上轮流出现坡积物、崩塌堆积物。10—12层则为泥石流和坡积堆积物,泥石流堆积层中黏土含量达到40%,堆积时间为197—137kaBP。其间由于气候的干、湿变化,还夹有4层钙质胶结层。在阶地底部还有河床蚀余堆积。这一混杂堆积综合体极为典型,是青藏高原隆升、气候变化的直接结果(图133)。

此混杂堆积综合体涉及混杂堆积类型中的大部分类型,如滑坡、崩塌、泥石流、残—坡积、断层角砾、溶蚀、蚀余堆积等。从岩石类型看主要是碎块石夹砾石、卵石、砂、黏土及钙泥质胶结角砾岩等。据胥勤勉等(2010)报道按已知各层的厚度和年代推算其堆积速率在不同时代有明显差别,这也更显示了混杂堆积的特色。大体分为三段:

150—190kaBP,堆积速率为1.3m/ka;130—150kaBP,堆积速率为13.5m/ka;130kaBP以来,堆积速率为0.2m/ka。

不同的堆积速率反映构造运动的强度,以及湿润时段冲积物泥石流滑坡多,而干旱时段则坡积物、崩塌堆积多。

通过现场观测和钻探已知该混杂堆积综合体由下而上剖面性状展示如下(胥勤勉等,2010):

第一层,块石夹砾石、卵石、砂、黏土,坡积物和冲积物混合;第二层,角砾岩,坡积物经历较强的风化;第三层,块石夹零星卵石,坡积物和冲积物混合;第四层,角砾岩或钙泥质胶结,溶蚀蚀余物;第五层,卵、碎块石、黏土,坡积物与冲积物混合;第六层,角砾岩,溶蚀蚀余;第七层,块石和少量砾石,溶蚀蚀余物;第八层,钙泥质胶结角砾岩,坡积物;第九层,黏土、砂夹碎石、卵石,冲积物、坡积物混合;以上(197—137kaBP)为古金沙江冲积物、坡积物和崩塌堆积的混杂层序。

第十层,碎块石层,坡积物;第十一层,黏土及块碎石,泥石流堆积(年代137kaBP);第十二层,现代坡积、崩塌堆积,整个混杂综合体后缘为大块石崩塌堆积物以及坡积泥石流堆积。

经历整个中更新世即昆仑—黄河运动(崔之久,1997;崔之久等,1998)以来,金沙江已成峡谷,高原隆升已达现在高度。197—157kaBP,冷干气候利于岸坡机械风化(寒冻风化)崩塌,直径12m巨大的白云岩为崩塌产物,坡积物、角砾岩也易发育。

157—137kaBP是共和运动时段,强烈抬升,崩塌作用较强(有13m直径的白云岩块),碎石直径较后期构造稳定时要大。此时,堆积速率也高,第三、四层分别厚32和62m。

图134金坪子混杂堆积体横剖面及钻孔位置图(数字代表堆积体内部的层序)(胥勤勉等,2010)1、2、3……层序见图134。

最新的研究成果还显示了一种比较罕见的混杂堆积综合体(陈鸣,2007;游振东等,2008)。世界上已经被证实的陨石冲击坑有160个,基本上都是在使靶岩受高温冲击变质而形成杂基结构的多相变质角砾岩、撞击熔岩及抛射角砾岩,同时还在冲击坑周边形成唇边状环形山。高可达数十至数百米。在外力作用下(流水、重力、冰川、冰缘等),产生崩塌、滑坡、泥石流甚至冰川、冰缘堆积等,形成各种坑内外力充填角砾岩等所构成的混杂堆积综合体。多数经后期改造的冲击坑,其中特别古老的地表已无显现,要发现只能靠对此类内外动力共同形成的混杂堆积综合体的辨认,如地球上直径20km的冲击坑可保留6亿a,10km的可保留3亿a,1km的百万年后已面目全非(游振东等,2008)。当然,此综合体成因的最后确认,决定性的证据是找到陨石冲击变质角砾岩和石英击变面状页理等。

(第二节)混杂堆积中的“一相多属”现象

“一相多属”是指同一种堆积物如泥石流可以出现在不同的混杂堆积相中。这一现象并非混杂堆积相中特有,但其广度和频度较大,如泥石流堆积本身是混杂堆积中一个主相。它分布很广,亚相类型也多,又可以作为亚相或微相出现在多种其他混杂堆积中。例如冰积相中亚相之一的流碛(flowtill)就是冰川、冰帽或冰盖表面的冰融水使碎屑物饱水致发生的冰面泥石流,大多以团块状顺冰面流动,成为流碛团块,本质是泥石流团块。在各类坡积物的倒石堆、岩屑锥、坡积裙等表面,集中的一般流水也可在其坡面上顺流而下形成泥石流团块。在山西大同火山堆积的斜坡上,也有上述过程出现(照片134)。更有甚者,泥石流也是滑坡堆积的一个微相。前述已经提到,滑坡—泥石流是中国西北部黄土—湖相组合地层分布区常见的一种地貌和堆积过程,滑坡在地下水丰富的条件下就变成泥石流。

在甘肃天水、渝中常见滑坡块体亚相以下部位碎屑亚相演变成泥石流堆积,有时一个长不到几百米的滑坡可以导致下游出现1—2km长的泥石流堆积体。以渝中一滑坡泥石流为例,此种堆积大多以碎块状顺沟谷下泻,下部第三纪湖相层可以保留相对完整的小型块体,有时直立呈柱状,愈往下游,翻转混合加剧,到泥石流末端已分不清黄土层和湖相层而彼此均以碎块互相混合。严格地说,此种堆积特征已不易区别为泥石流堆积亚相,它们基本上无“层”,不像常态泥石流堆积的“有层无理”的混杂层、冲刷层和表泥层等,勉强可以归纳为混杂层,一种微相。不言而喻,泥石流堆积也是火山堆积中的一个常见而重要的微相。土耳其中部面积巨大的卡帕多契亚高原的主体就是火山灰和其他火山碎屑组成的火山泥石流堆积(lahar)。1985年美国华盛顿州圣海伦斯火山爆发时,火山泥石流堆积一直延伸到山下的温哥华市区(小温哥华)。山西大同火山群的火山碎屑坡上也有小型泥石流团块(照片134),可见,泥石流堆积亚相是一个广布的堆积类型。

同样,水下泥石流也会出现在不同的海相沉积中。在非混杂沉积中以及其他星球(月球、火星)上,泥石流堆积已知是有的,也会有“一相多属”类似情况。

与此类似,坡积物也在其他堆积类型中频频现身,如冰川沉积中最广泛的冰上融出碛,具有很发育的斜层构造,这就是起伏不平的冰面斜坡上碎屑物顺坡顺水(冰面斜坡融水)堆积在坡脚的产物。一句话,冰上融出碛除去沿冰川剪切面由冰下爬升上冰面的一部分堆积外,大部分都是“冰面坡积”(照片32)。此外,崩塌、塌陷等重力堆积中,坡积也总是扮演微相角色。如崩塌堆积的边缘微相,就是崩塌过程后期较细粒物质顺中心微相锥体外延堆积下来的坡积物。水下大陆斜坡坡脚部分倒石堆也常见坡积物,在此也扮演着重要角色(图116,图128)。

在北极海区、南极大陆周边有冰山造成的大面积冰海沉积物,它们既作为冰川堆积微相之一,已因有了初步的水体分选而作为海相沉积中的一个亚类。当然在冰水湖泊或大型的冰水河流中也有同样情况。虽有冰湖沉积、冰水沉积之名称,但均已非真正的冰碛堆积——直接从冰体中因融化而泄出的碎屑堆积(图3127,图3128)。

“一相多属”,除上述特征外,还有一些类似情况,冰面融区或冰下河流也有堆积,如蛇形丘、冰砾阜。虽作为冰水堆积类型,但实际上其沉积特点也符合部分流水和湖泊沉积特点。同样冰川纹泥是典型的湖相沉积,但有时也归入冰水沉积加以描述和强调。

混杂堆积“一相多属”现象说明其堆积环境受局部地质地貌背景控制严重,复杂多变。这在大范围的有序沉积中是不可能出现的。但此种“一相多属”现象在混杂堆积的成因判别问题上却带来问题,如在中国东部有人把泥石流堆积认为是冰川堆积,因为冰碛中确实有泥石流微相(流碛)。但同时必须认识到,此泥石流微相是很少的,是次要的,而且多附生在冰上融出碛中的,如果有它,则其他冰碛亚相也一定存在。如果关于中国东部有无第四纪冰川堆积之争发展到这一步,表示冰碛研究已经很深入了,则中国东部第四纪冰川是否存在问题就有解决之道了(李华章等,1989;葛道凯等,1993;Eyles,1993;陆松年,1984)。

(第三节)沉积物中“天外来客”身份的确认

和非沉积结构