江汉—洞庭盆地及华容隆起新构造运动特征遥感分析
姜端午, 余德清, 张苑平, 姜锋
湖南省地质环境监测总站,长沙 410007

第一作者简介: 姜端午(1963-),男,教授级高工,主要从事遥感地质环境应用研究。

摘要

长江流域基础地质遥感调查与监测,采用2000年左右获取的1:25万Landsat ETM图像进行地貌、第四纪地质和新构造遥感调查与研究。针对洞庭湖重点区,采用航片、ALOS、SPOT等高分辨率数据进行 1:5万详细遥感调查。通过调查与综合分析认为: 江汉—洞庭盆地为一燕山晚期至新生代形成的断陷盆地,总体处于沉降状态,盆地内部因差异抬升作用形成华容次级隆起,从而在山区广泛沉积了河湖相、冲洪积相及山麓相的第四纪沉积物,盆地内部第四系基本为连续沉积。江汉—洞庭盆地周围隆起区则呈间歇性抬升。新构造运动主要表现为隆起与拗陷、掀斜和断裂等几种形式,其构造沉降与周边山体隆升主要受盆地边缘和盆地内部断裂的控制。

关键词: 遥感技术; 新构造运动; 洞庭湖
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2010)增刊-0118-06
A Remote Sensing Analysis of Characteristics of Neotectonic Movement in Jianghan-Dongting Basin and Huarong Uplift
JIANG Duan-wu, YU De-qing, ZHANG Yuan-ping, JIANG Feng
General Geological Environmental Monitoring Station of Hunan Province, Changsha 410007, China
Abstract

During the geological remote sensing investigation and monitoring of Yangtze River Valley, the authors carried out the survey and research on geomorphology, Quaternary geology and neotectonic fracture at the 1:250 000 scale by using the Landsat ETM images acquired around 2000. Detailed remote sensing investigation at the 1:50 000 scale was conducted in an important area of Dongting Lake by using aerial photos, ALOS, SPOT and other high-resolution data. The investigation and comprehensive analysis show that Jianghan-Dongting Basin is a rift basin formed in late Yanshanian-Cenozoic period. It was on the whole in the subsidence state because of differential elevation causing the formation of the sub-Huarong uplift in the interior of the basin, which extensively deposited river lacustrine facies, alluvial facies and foothill facies Quaternary strata in mountain areas. Quaternary sedimentation within the basin is basically continuous deposition. The upwelling areas around Jianghan-Dongting basin are characterized by intermittent uplift. Neotectonic movement mainly finds expression in uplift, depression, tilting and fracturing. The structural subsidence and uplift of the surrounding mountains are controlled by the fractures on the edge and in the interior of the basin.

Keyword: Remote rensing technology; Neotectonic movement; Dongting Lake
0 引言

新构造运动系指第四纪以来的构造运动, 其起始时间大约在早更新世前后。新构造运动直接控制和影响现代地形地貌的形成和发展, 并引发地震、断裂活动及其他物理地质作用, 是区域地壳稳定性评价中十分重要的因素。洞庭湖的存亡, 洞庭湖地区的区域稳定性, 直接与该区新构造运动特征密切相关。

长江流域基础地质遥感调查与监测, 在全流域采用2000年左右获取的1:25万标准图幅全分辨率Landsat ETM图像, 对地貌、第四纪地质和新构造进行人机交互遥感解译的基础上, 针对洞庭湖重点区采用航片、ALOS及SPOT等高分辨率数据进行了1:5万详细遥感调查。通过遥感解译与野外调查, 结合已有资料的综合分析, 提出对江汉— 洞庭盆地及华容隆起新构造运动特征的新认识。

1 地貌与第四纪地质基本特征

遥感图像显示洞庭湖地貌呈明显的环带状特征, 周边“ U” 型低山环绕, 东为幕阜隆起, 南及南西为雪峰隆起, 西及西北为武陵隆起, 北为华容隆起(图1)。向内逐渐过渡为丘陵、台地、冲积平原和湖积平原。

图1 洞庭湖地区TM遥感影像

洞庭湖第四纪沉积也呈环带状分布特征(图1), 周边分布早更新世冲湖积层(Q p1al-l), 向内过渡为中更新世冲湖积层(Q p2al-l)、晚更新世冲湖积层(Q p3al-l), 中部为全新世冲湖积层(Qhal-l)。华容隆起区的第四系分布则不同, 隆起中心为更新世~全新世的残坡积、冲积和冲、坡积层, 其周边则广泛分布全新世冲积层(图2)。

图2 华容隆起第四纪地质遥感综合解译图1.全新世冲积层; 2.晚更新世— 全新世坡冲积层; 3.更新世冲积层; 4.残坡积层; 5.白垩纪分水坳组; 6.长城纪雷神庙组; 7.燕山晚期黑云母二长花岗岩; 8.燕山早期黑云母二长花岗岩; 9.实测及推测地质界线; 10.正断层及产状; 11.逆断层及产状; 12.性质不明断裂; 13.物探推测断裂: (1)公安— 监利断裂; (2)石首— 监利断裂; 14.第四系厚度(m)/钻孔编号; 15.孔深(m)/前人钻孔编号; 16.第四系等厚线及厚度(m)

洞庭盆地周边断裂: 东为湘江断裂, 西为太阳山(松滋— 临澧)断裂, 南为常德— 益阳断裂, 北为石首— 监利断裂和公安(长阳)— 监利断裂。

燕山运动之后, 洞庭湖区是一个内陆山间湖泊, 由现在所见白垩纪~新近纪红色碎屑沉积岩地层分布范围推测, 当时的洞庭湖范围西起石门、澧县、桃源, 东至岳阳、汨罗、湘阴, 北达安乡、南县, 南抵益阳、宁乡, 几乎与洞庭断陷盆地范围一致; 从那以后, 虽然仍处于构造沉降中, 但洞庭湖范围不再扩大。

从距今约3 800万a左右的古近纪始新世开始, 喜马拉雅地壳运动(又称新构造运动)发生。这次运动一直延续至今, 使洞庭湖区仍处于整体沉降状态, 同时逐渐塑造了洞庭湖区现在的地貌。

2 新构造运动特征分析

新构造时期, 江汉— 洞庭盆地总体上呈沉降状态, 盆地内部因差异抬升作用形成华容次级隆起, 从而在山区广泛沉积了河湖相、冲洪积相及山麓相的第四系地层, 盆地内部第四系基本为连续沉积; 与此同时, 江汉— 洞庭盆地周围隆起区则呈间歇性抬升。新构造运动主要表现为隆起与拗陷、掀斜和断裂等几种形式。

2.1 隆起和拗陷运动

2.1.1 隆起与拗陷运动表现

江汉— 洞庭盆地第四系分布广泛, 且总体厚度较大, 表明沉降和拗陷是其运动的主要方式。盆地与周围隆起区之间的地带表现为间歇性差异升降运动, 于中更新世末发生过广泛湖退, 在湖缘地带形成由中更新统地层组成的台地, 并形成层状环带式分布的地貌形态。从盆地周缘注入的主要河流流经山麓地带时, 由于山麓地带的间歇性抬升而发育多级阶地; 同一级阶地面往往向盆地方向倾斜。在盆地西缘和南缘山麓地带一般发育五级阶地, 为早、中、晚更新世的产物; 而在盆地北缘和东缘只发育了二级阶地, 属中、晚更新世; 说明盆地西缘和南缘的间歇性抬升比东缘和北缘频繁。

江汉— 洞庭盆地内部, 跨江汉拗陷和华容隆起有两个次级新构造分区。华容隆起区的桃花山丘陵地区发育3级剥夷面, 海拔高度分别为300~340 m、220~260 m和150~190 m, 显示出华容隆起新构造时期的较强烈隆升; 而华容隆起北侧的江汉坳陷现今为海拔30 m以下的冲积平原, 第四系沉积厚度可达150~250 m, 监利附近厚度为近100 m。大地水准测量表明, 近年来监利以北地区地表高程下降速率达4.5~11.4 mm/a。显然, 华容隆起和江汉坳陷间分别存在隆起、拗陷运动。

2.1.2 华容隆起时代分析

在桃花山丘陵区的山前地带和湖泊周围, 发育有低级基座阶地, 并可见中更新世网纹红土发育。如在江山村茶场一带发育有总厚10~15 m的冲积砂砾石层(时代大约为Qp2-3), 组成一级阶地, 指示中-晚更新世以来地壳抬升了15 m以上。一级阶地的北面即为由高位河漫滩组成的长江冲积平原。在一级阶地的北缘, 可见冲积层之下的基座出露, 基座面高出冲积平原地表1~2 m(图3), 基座由花岗岩完全风化后形成的网纹红土组成, 尚保留有花岗岩残余结构。再如在桃花山丘陵区内部的沉塌湖南岸, 可见由雷神庙组片岩全风化后形成的网纹红土, 其上发育有坡积砾石层和粘土(图4)。

图3 江山村土桥子北地貌、第四系地质剖面

图4 沉塌湖南岸残坡积层剖面

据区域地质资料, 上述组成低级阶地的网纹红土主要形成于中更新世, 因此可以推断中更新世以来华容隆起区并未产生明显抬升。鉴于桃花山丘陵区发育多级早期剥夷面和后期的基座或堆积阶地, 低级阶地形成于中更新世应指示海拔较高的剥夷面形成于更新世早期, 甚至可能为新近纪的产物。总之, 新生代华容隆起的主要抬升时期较早, 为新近纪至第四纪早期。

2.1.3新生代隆起与拗陷运动成因分析

从区域上看, 江汉— 洞庭盆地总体为一燕山晚期至新生代形成的断陷盆地[1], 其构造沉降与周边山体隆升主要受盆地边缘和盆地内部断裂的控制。北部江汉冲积平原内作为华容隆起与江汉坳陷分界的公安— 监利隐伏断裂, 切穿了第三系地层, 并显示南盘上升、北盘下降, 亦说明新生代早期(第三纪)的隆起与拗陷运动与受断裂控制的差异运动有关。

但工作区的新构造运动机制在第四纪发生了改变, 各种证据表明, 隆起与拗陷运动的产生可能主要与地壳的整体变形有关, 而与断裂运动的关系不大。理由如下:

(1)江汉坳陷与华容隆起的分界断裂公安— 监利断裂, 以及位于江汉坳陷与华容隆起间过渡带的石首— 监利断裂均未影响到第四系地层。

(2)华容隆起中石首一带的第四系地层厚度可达100 m左右, 说明第四纪以来华容隆起的西部与江汉坳陷间不存在显著的差异运动, 而是同时接受沉积。另一方面, 没有可靠证据表明华容隆起西部与东面桃花山丘陵区间存在第四纪断裂, 因此前者的沉降与后者的隆起也不大可能与断裂有关, 而很可能由地壳的整体拱-拗变形及相应的掀斜作用所造成。

(3)桃花山丘陵区内的剥夷面与阶地面均自丘陵区中央地带向外缓倾斜。如狮子山— 云雾山山体南东面由冲积物(Qpal)组成的阶地, 顶面标高从里向外自50~55 m降为30 m左右。这种地貌面的倾斜反映出第四纪的掀斜作用及桃花山区内部上拱、周边下拗的整体变形作用。

(4)在华容隆起与东面的岳阳之间, 沉积有厚达50 m的全新世沉积, 为此前人将这一地区称之为“ 广兴洲地堑” , 并认为该地堑受东面的沙湖— 岳阳断裂和西面的砖桥断裂所夹持和控制(据湖南省地质研究所, 2002)。但从区域地震分布情况来看, 历史上岳阳有6次地震, 砖桥南北两侧附近区域却没有地震发生, 暗示沙湖— 岳阳断裂具有活动性; 而砖桥断裂即使存在的话, 自全新世以来也相当稳定。显然, 这一认识也从另一侧面佐证了第四纪区域隆起与拗陷运动, 主要与地壳的整体拱-拗变形有关。

(5)根据现代盆-山耦合理论, 受正断裂控制的盆山构造, 通常会伴随有下降盘的绝对沉降与上升盘的绝对上升。由前述可知, 位于华容隆起北缘江山村茶场一带的阶地地貌仅显示出15 m左右的抬升量, 而北面江汉坳陷中则沉积了厚度可达150~250 m的第四系, 说明区域内第四纪时期北面盆地存在较强烈沉降, 而华容隆起在更新世以来的抬升相对而言并不明显。此外, 大地水准测量表明, 桃花山隆起区北部近年来不但没有上升, 反而以3.5~3.8 mm/a的速率沉降。显然, 第四纪上述隆起区与拗陷区的运动特征与受断裂控制的盆-山构造并不一致。

总之, 种种迹象表明, 区域新构造期的隆起与拗陷运动, 在第三纪可能主要与断裂活动有关, 但在第四纪时期则主要不受断裂运动所控制, 而是由地壳的整体拱-拗变形作用所造成。从更大区域来看, 这种拱-拗变形作用的深层构造背景可能与断陷区沉积物的荷载以及地壳深部的物质流动有关。

2.2 掀斜运动

区域上, 江汉— 洞庭盆地周缘的剥蚀台地(岗地)及其以下由中更新统组成的堆积台地, 均呈向盆地倾斜的特点; 台地前缘或为断裂所截, 或为侵蚀斜坡, 说明新构造运动具向盆地掀斜的特征(据国家地震局地质研究所)。掀斜运动开始于中更新世末, 并具间歇性特征; 而荆北地区的掀斜运动发生于晚更新世末并延续至全新世。

在华容隆起内桃花山丘陵区, 掀斜运动主要表现为剥夷面和阶地面自山体内部向外围的倾斜, 实质上是地壳整体发生拱-拗变形的一种局部表现。

2.3 断裂运动

断裂运动是新构造运动的一种重要形式, 尤其是地震的发生一般均与断裂运动直接相关。在洞庭湖周边地区地震活动历史中, 华容有6次, 周边岳阳地区有14次, 常德有14次, 益阳有10次, 反映出全新世晚期以来存在较多的断裂活动(上述地震以小震为主)。

从断裂发育现状来看, 区内分布有北东向、北北东向、北西向和近东西向断裂; 具一定规模的新构造断裂有北部公安— 监利断裂和石首— 监利断裂, 这两条断裂均为前第四纪活动断裂, 第四纪以来未再发生过活动。此外, 在华容隆起小墨山北麓采石场出露了一些很小规模的断层, 尽管ESR分析年龄值在40 Ma左右, 属新构造期, 但已不属于晚更新世以来活动断层(据国家地震局地质研究所, 1995)。

3 近现代构造活动及沉降记录
3.1 近现代构造活动

3.1.1 全新世河湖淤冲积层中的构造活动遗迹

全新统河、湖冲淤积泥砂层一般都呈水平层状, 但如果有新构造活动的影响就会出现断层、倾斜和褶皱。洞庭湖区河、湖冲淤积泥砂层常表现为水平层状, 也可见到断层、倾斜甚至褶皱等现象。

童潜明等在2006年《三峡水库启用对洞庭湖区影响的对策研究》项目研究考察洞庭湖时, 在南洞庭湖从沅江市穿越东南湖至花瓣山的湖汊, 见到水平层状的淤积泥土层(图5(a))变为向北西倾斜, 倾角达15~20° (图5(b)和图5(c)), 而上覆水平层状的泥土层。因为这一年洞庭湖干涸为同期历史最低, 湖底露出才使该倾斜泥土层得以见天日。

又如在洞庭湖区西岸澧水支流的溇水, 1993年进行地质灾害勘查时, 李友贵[2]在溇水河谷发现全新统地层褶皱和断裂(图5(d)和图5(e)); 同时距此1400 m处, 于1964年在白垩系紫红色砂岩、粉砂岩夹钙质页岩中发生地裂, 地裂缝长100余m, 宽3~4 m, 深10余m且不见底, 当时造成房屋倒塌, 一小山包一分为二, 淹埋良田近百亩。

图5 洞庭湖地区近现代构造活动痕迹

以上现象充分说明洞庭湖区全新世时有比较强烈的新构造活动, 其遗迹尚保存至今。

3.1.2 地震活动

湖南是少地震区, 但洞庭湖区则是省内多地震区。据统计, 湖南省境内在1500~1940年的400 a间共发生 Ms434级地震20次(表1), 其中洞庭湖区有12次。湖南省1971年在省内相继建立地震台网进行观测, 1971~1999年共记录到大小地震约3 000次, 洞庭湖区占构造地震一半以上, 其中Ms≥ 2.0级地震有113次[3]

表1 湖南省历史地震目录(1500~1940 Ms≥ 4 34)
3.2 洞庭湖区近现代沉降记录

(1)长江水利委员会1925年、1947年和1953年3次重复水准测量, 28 a中各测点记录是: 湘阴下降250 mm, 华容下降320 mm, 石首下降320 mm, 监利下降280 mm。上述测点年平均下降10.45 mm。

(2)广州地震大队1958年和1972年在洞庭南缘2次水准测量, 14 a内各测点的上升幅度是: 长沙13 mm、宁乡27 mm、沧水铺29.3 mm、益阳20 mm、常德34.4 mm、陬市20 mm、热水46.7 mm。上述测点年均上升1.94 mm。

(3)洞庭湖区各堤垸中的水位观测网点的42个水尺多建于20世纪50~90年代, 当时测定了其起始高程; 1995年湖南水利系统对其进行了统一修测, 又得出一个高程, 认为两次高程差值直接反映了当地的地面沉降变化。通过对42个水尺基准点数据计算, 地面沉降速率多在5~20 mm/a之间, 平均为8.64 mm/a。

(4)洞庭湖区1949年以来堤防工程水闸和电排站密集分布, 全区约有2 000多个站点, 各站点的基点深埋地下6~8 m, 故其地质稳定性好。水利部门在站点修筑完成后, 一般都由国家三等以上水准点引测到湖区各站点进行高程测量, 故可认定这些站点是前人建立的水准测量墩标。现在对其再进行高程测量, 两次高程差值是地面沉降量。湖南地勘局于2002年10月15日~11月30日历时45天完成了64个有代表性电排站(闸)测量, 计算得到的地面沉降速率主要集中在5.0~18.3 mm/a之间, 较大值可达27.68~22.70 mm/a。

4 结论

(1)江汉— 洞庭湖盆地形成于燕山运动期, 新构造运动期一直处于隆起与拗陷、掀斜与断裂活动期。

(2)白垩纪至新近纪新构造运动可能主要与断裂活动有关。

(3)第四纪时期构造活动仍未停止, 但主要不是受断裂运动所控制, 而是由地壳的整体拱-拗变形作用所造成。

(4)上述拱-拗变形作用的深层构造背景可能与断陷区沉积物的荷载以及板块运动造成的地壳深部物质流动有关。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 陈国达. 关于洞庭湖洪灾治理中的地质构造研究问题[J]. 大地构造与成矿学, 1999, 23(1): 302-305. [本文引用:1]
[2] 李友贵. 溇水河谷发现全新世地层的褶皱与断层[J]. 湖南地质, 1993, 12(3): 132-135. [本文引用:1]
[3] 林承坤. 洞庭湖水沙特性与湖泊沉积[J]. 地理科学, 1994, 17(1): 211-213. [本文引用:1]