现代河漫滩沉积特征与环境意义:以长江下游为例

第1章 绪论 1.1 研究背景与选题意义 人类正面临着一系列前所未有的全球性环境问题，全球环境变化已成为当前及未来科学研究的热点（中国科学院地学部地球科学发展战略研究组，2009）。气候变化是全球*大的环境问题之一，近百年来全球气温正经历着以变暖为主要特征的显著变化。政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次报告表明，1880～2012年，全球海陆表面平均温度上升了0.85 ℃，而20世纪50年代以来的气候系统变化更为明显，是过去几十年甚至几千年以来史无前例的，其中1983～2012年比之前几十年都要热，每年的地表温度均高于1850年以来的任何时期，全球气候的不稳定性和严重的洪涝灾害、异常的干旱灾害在加剧。未来50～100年全球气候仍将继续向变暖的方向发展，随着全球气温的增高，水循环加快，蒸发和降水增强，地表径流、旱涝灾害频率等发生变化，对人类生存环境的负面影响已经相当明显（姜彤和施雅风，2003；秦大河等，2005）。与此同时，自人类步入工业化社会以来，人类活动对自然环境的影响日益明显，大量的污染物进入自然生态系统并不断突破自然生态系统的自然净化能力，致使自然环境中的污染问题越来越突出，成为影响人类自身生存和制约经济社会可持续发展的重要障碍。 面对环境恶化及全球环境变化等重大问题，国际地圈生物圈计划（International Geosphere-Biosphere Programme，IGBP）和全球环境变化的人文因素计划（International Human Dimension Programme on Global Environmental Change，IHDP）等重大国际计划相继提出与实施，与全球环境变化问题相关的研究一直是学术界的热点，在这样的背景下，地学研究向多学科交叉渗透、在更高层面开展集成研究和模拟研究成为学科发展的趋势。作为沉积学和环境科学之间的交叉学科，环境沉积学（environmental sedimentology）在其形成之初便受到了学界的重视（Brakenridge，1992）：1994年和1998年，在巴西召开的第十四届和第十五届国际沉积学大会上，环境沉积学都被单列为一个讨论会的主题（李任伟，1998）。环境沉积学的研究对象是沉积环境以及沉积循环过程与人类活动的关系，研究内容既包括环境中的沉积学问题，如自然灾害发生过程中的沉积物侵蚀、搬运、沉积及其沉积产物等，又包括沉积学中的环境问题，如污染物质在沉积循环过程中的沉积、迁移、转化等规律以及沉积记录中全球环境变化、高精度的环境污染等信息的提取；其研究目的在于减轻和预防自然灾害，协助多学科认识环境污染的过程和机理，为生态环境保护、缓解环境恶化以及实现人与自然协调和可持续发展提供支撑（鲜本忠和姜在兴，2005）。在国内，环境沉积学的研究开始受到越来越多的关注（覃建雄等，1995；李任伟，1998；郑秀娟等，2003；鲜本忠和姜在兴，2005），尤其是21世纪以来，环境沉积学作为一个新兴学科的呼声日渐高涨。 洪水是常见的自然灾害，是暴雨、急剧融冰化雪、风暴潮等自然因素引起的河流、海洋、湖泊等水体上涨超过一定水位，威胁地区安全甚至造成灾害的自然过程。河流流域系统中洪水影响下的沉积物侵蚀、搬运、堆积等过程是地貌学的研究内容，与洪水相关的河漫滩沉积也是环境沉积学关注的研究对象。河漫滩是指洪水泛滥在河岸以外形成的以垂向加积为主的细粒沉积物，亦称泛滥平原（floodplain），是重要的河流地貌类型和沉积单元。作为洪水漫滩沉积，河漫滩沉积记录了流域洪水事件的发生，是流域洪水事件的重要档案库。在沉积地质学领域，包括河漫滩在内的河流沉积相的研究有很长的历史，与河漫滩沉积相关的环境研究是古洪水研究。1954年Leopold和Miller在怀俄明州东部河流河漫滩沉积研究中强调了洪水与河漫滩沉积的关系，之后，关注河漫滩沉积与古洪水的研究日益增多，与之相关的古洪水水文学在20世纪70～80年代初步形成，主要依据河漫滩沉积记录对*近、过去或史前洪水的流量和频率进行重建，可延伸河流洪水历史到百年乃至千年尺度（Baker，2008），对流域洪水灾害的预测和防灾减灾具有重要作用。 探讨人类活动强烈影响下的河流平原区污染物质的沉积、迁移、转化等规律也是环境沉积学的重要研究内容。受人类活动的影响，大量有毒有害的重金属元素、放射性核素、有机农药和化合物等通过各种途径进入人类生存的环境中，当污染物含量超过环境介质所能容纳的限量时，便会造成污染，影响环境质量。与其他污染物不同，重金属难以降解，环境一旦受到重金属污染就很难清除和恢复原状，而过高的重金属浓度对水体和动植物均具有显著影响，且可以通过食物链的逐级传递危及人类健康，世界八大公害事件中的水俣病事件和骨痛病事件就是由重金属污染引起的。在河流系统中，进入水体的重金属被沉积物或悬浮物吸附、聚集（陈静生，1983），在洪水期间被漫滩洪水挟带出河道并沉积在河漫滩上，成为洪水漫滩时期河流重金属污染的地质记录（Zerling et al.，2006）。不断加积增高且保存良好的河漫滩沉积较好地记录了历次漫滩洪水时期的河流重金属污染状况，成为了解流域重金属污染历史的重要地质证据（Meybeck et al.，2007;Le Cloarec et al.，2011）。 长江是我国**大河，长江流域是我国洪涝灾害*为严重的地区，洪水频率高、规模大。长江中下游地区在20世纪90年代已呈现出明显增温趋势，达到0.2～0.8 ℃，*大增温区在长江三角洲地区，由于气温增高，水循环加快，蒸发和降水增强，降水在长江流域中下游地区明显增加，增加值为5%～20%，使得90年代成为继50年代后，长江流域性洪水灾害高发的10年（姜彤和施雅风，2003）。 长江沿岸地区，特别是长江中下游干流沿江地区是我国经济发展*快和城市化水平*高的地区之一，表现在沿岸城市众多，人口密集，工矿企业云集。近年来，随着沿岸农业化、工业化和城镇化进程的持续推进，大量重金属随工农业生产污水和生活污水进入长江（王亚平等，2012）。长江南京—镇江段位于长江下游地区，具有水沙输移量大、河床比降小、江面宽等特点，同时长江南京—镇江段也为感潮河段，水流受潮水顶托影响（芮孝芳，1996），在潮水顶托作用下河床和河漫滩淤积过程加强（何华春等，2004；张增发等，2011），镇江段形成较大面积的河漫滩。一些稳定的河漫滩连续接受沉积，包含了丰富的流域洪水事件和环境污染过程的信息，为开展河漫滩环境沉积学研究奠定了很好的基础。总之，长江南京—镇江段河漫滩发育、流域人类活动强烈，选择南京—镇江段相对稳定的现代河漫滩沉积作为研究对象，利用环境沉积学的研究方法和手段，在精确定年的基础上，研究河漫滩沉积记录的洪水事件和污染过程，具有重要的科学意义。 此外，长江下游河床的稳定性和河岸防护形势依然严峻，由于河床深切、水流复杂，河床的冲淤变化相当明显。南京—镇江段位于经济发达的长江三角洲地区，沿岸有许多重要港口、工业产业带和城市用地，江岸侵蚀和防护压力巨大。以南京段为例，2003～2007年，南京段投入4.4亿元用于维护河道稳定和岸坡防护（黄贤金等，2012）。因此，开展河漫滩环境沉积学研究，有助于理解河岸侵蚀和沉积特征的关系，认识侵蚀发生的机理和过程，服务于长江河道的灾害防御，具有重要的现实意义。 1.2 国内外研究进展 1.2.1 河漫滩沉积特征 （1） 河漫滩沉积类型的多样性 河漫滩沉积在地表分布广泛，其形成时的沉积动力和沉积环境、地理位置、人类活动和气候条件等均可以影响河漫滩沉积的沉积特征，因此河漫滩沉积类型具有多样性。一些大河流域上、中、下游的河漫滩，在其沉积物来源、地球化学性质和机械组成等方面都存在差异；受构造、气候等因素引起的河流侵蚀的影响，一些河流谷地形成了保留在河谷中的河流阶地，构成阶地的沉积物记录了更早年代的河漫滩沉积，一些极端的洪水事件可淹没阶地，在其上形成年轻的洪水期沉积（相当于河漫滩沉积）。 现代河漫滩沉积形成的时间尺度为100～102年，一般分布于靠近河道的河谷谷底，在洪水期间常被洪水淹没，由于洪水带来沉积物的沉积作用，河漫滩地形垂向加积增高，可以形成相对连续的河漫滩沉积记录。普拉特（Platte）河是美国密西西比河上游支流，其上一个厚约350 cm的现代河漫滩沉积记录了自欧洲人定居美洲以来（约1830年）流域相对连续的环境变化，其中包含了14次大洪水和至少3个时期的人类采矿活动的沉积记录（Knox and Daniels，2002）。 西班牙中部塔古斯（Tagus）河的中游发育了三级阶地，这三级阶地分别高出河床17 m、12 m和10 m，分别保存了众多的洪水沉积单元，其中三级阶地多达31个（Benito et al.，2003a）。黄河中游的沁河低阶地上保留了一个8 cm厚的河漫滩平流沉积，下伏厚度为1.3 m的河道沉积物，上覆厚度为0.43 m的坡积沉积层，该河漫滩沉积层指示了距今（6183±328）年的古洪水事件（Yang et al.，2000）。黄河从官亭盆地进入寺沟峡的二级阶地面上保存了一套厚约2 m的河漫滩沉积，记录了发生在3700～2800年的14次特大洪水（杨晓燕等，2005）。在黄河流域关中盆地，漆水河及其支流湋河的河谷发育有15～20 m的不连续阶地，阶地上的浒西庄剖面可以识别两套古洪水沉积，这两套古洪水沉积可以详细划分为5个层组，其中有4个层组洪水沉积形成于距今4300～4000年，1个层组形成于距今3100～3010年，每个层组可以划分若干个洪水沉积单元（黄春长等，2011）。除阶地外，河谷谷坡上的凹壁、缝隙、洞穴等位置也是河漫滩沉积形成和保存的重要区域。在西班牙略夫雷加特（Llobregat）河的 8个基岩凹壁中，保存了56个洪水沉积单元，其中年代*久的洪水沉积单元形成于距今约2600年（Thorndycraft et al.，2004）。在法国南部的阿尔代什（Ardèche）河基岩峡谷段发育有许多洞穴和凹壁，有研究发现，在高出正常水位16.5 m的一个凹壁中保存了9个洪水沉积单元，其中距今年代*久的洪水沉积单元形成于（700±80）年前（Sheffer et al.，2003）。重庆忠县干井河下游中坝遗址T0102探方剖面包含了从新石器时代到近现代长达5000年之久的几乎完整无缺的文化层，各文化层之间保存了新石器时代、夏代、西周时期、战国早期、宋代中期和清代六个古洪水层（朱诚等，2005）。 上述河漫滩沉积类型具有多样性，河流中上游的河漫滩在极端洪水事件中多伴随有粗颗粒砾石沉积，粗细交替的洪水沉积单元记录了多次洪水事件，河漫滩沉积分布在河谷中易于保存的地貌位置，已有的研究多集中在河谷地形中较高地貌部位保存的河漫滩沉积，但对河流下游泛滥平原的河漫滩沉积和古洪水研究相对较少。 （2） 河漫滩沉积的结构特征 河漫滩沉积主要以洪水期粗细颗粒交替的沉积物为特点，其中较细颗粒的砂、粉砂和黏土堆积十分常见。河谷地貌单元内部的局地尺度的水动力特征不同，造成河漫滩沉积粒度特征亦不相同，对江汉下游仙桃河段河漫滩进行的粒度分析发现，高河漫滩的粒径相对偏细，粉砂级组分为49.56%，黏土含量约为4.87%；低河漫滩的粒径相对偏粗，砂级组分为82.96%（李长安等，2009）。在美国密西西比河谷上游流域的支流，洪水动力较强，洪水挟带至河漫滩上的沉积物往往较粗大，卵砾石、巨砾等是常见的洪水漫滩沉积物（Knox and Daniels，2002）。西班牙Llobregat河莫尼斯特罗尔（Monistrol）附近高出河床15.5 m的古洪水沉积的主要组分为砂质粉砂，粉砂含量达59.2%，黏土含量为12.5%（Thorndycraft et