0 引言

堰塞湖是一种重要的地貌现象，它是在一定的地质与地形条件下，由于滑坡、崩塌、泥石流、冰川、火山爆发等地质作用形成的天然堤坝横向阻塞河谷后，造成河流上游雍水而形成的湖泊^[1-2]。这些年来，学者们除了对地震堰塞湖的形成机制、分布规律、风险评估以及应急处置措施作了详细研究外^[3-8]，还着重从沉积学的角度分析了堰塞湖的沉积模式、沉积相特征及其所代表的环境意义。如徐则民^[9]对金沙江寨子村滑坡坝堰塞湖沉积的平面沉积模式和剖面沉积模式做了详细的分析；陈松等^[10]对雪隆囊滑坡堰塞湖溃坝堆积物的粒度特征进行了研究；钟湖平等^[11]利用古堰塞湖沉积物剖面上的纹泥层数来推算古堰塞湖的淤积保存时间；崔之久等^[12]初步探讨了滑坡堰塞湖溃坝后的沉积相特征；张永双等^[13]根据孢粉分析结果划分澜沧江云南德钦古水一带第四纪堰塞湖发育阶段时的古气候环境；陈有顺等^[14]利用黄河源区日玛曲流域古堰塞湖的沉积特征、年代与孢粉分析结果来探讨该古堰塞湖形成的时代和成因以及湖泊发育阶段的古气候与植被特征。然而，目前国内关于堰塞湖沉积物的粒度及沉积相特征方面的系统研究尚少。王小群等^[15]对岷江上游叠溪古堰塞湖的团结村剖面的粒度特征进行了研究，但是主要集中在湖心处细粒沉积物的分析。本文从整个堰塞湖流域的沉积相角度，将堰塞湖沉积从上游到下游划分三段分别进行系统采样与分析，得出整个叠溪古堰塞湖沉积物的粒度特征，以期为粒度分析在区分堰塞湖沉积环境的应用上奠定一定的理论基础。

1 区域地质特征

岷江是长江的一级支流，位于四川盆地的西部边缘，发源于岷山南麓，地处四川与甘肃交界处，分为东西二源。东源漳腊河，西源潘州河，东西二源在松潘县川主寺汇合之后称为岷江。岷江由北向南流经松潘、茂县、汶川、灌县、乐山，在宜宾注入长江。岷江上游是指灌县以上河段及其支流。本文研究的主要对象—叠溪古堰塞湖分布在岷江上游叠溪及其以上约30 km河段，在茂县和松潘之间，上距松潘县城约80 km，下距茂县县城60 km(图 1)。该古堰塞湖湖相沉积物的出露厚度从数米到近百米不等^[16-18]。

2 采样与样品前处理

叠溪古堰塞湖分布在岷江上游叠溪古镇及其以上至永和村约30 km的河段。其中古堰塞湖湖心位置位于团结村和较场部位，库尾位于叠溪上游的永和村，将湖首至湖尾的整个古堰塞湖沉积物划分为上、中、下三段(图 2)，并在每一段上进行采样分析。总共有6个采样点(图 2)，各采样点的详细信息见表 1，各采样点的采样剖面见图 3。在进行粒度分析时，本文选用了激光粒度仪测试法，用Mastersize3000激光衍射粒度分析仪测试样品。本次试验在中国科学院地质与地球物理研究所的粒度分析实验室中完成。样品前处理过程如下：

(1) 将烧杯洗干净并进行编号，然后取0.2~0.3 g的样品放入到相应编号的烧杯中；

(2) 加入10 mL 10%的H₂O₂，盖上保鲜膜，静置12 h，除去样品中的有机质；

(3) 然后将样品放在加热板上加热，加速有机质和H₂O₂的反应；

(4) 样品加热后，加入10 mL 10%的HCl，去除碳酸盐；

(5) 离心，测试离心后上层清液的pH，若为酸性，则倒掉上层清液，加纯净水继续离心，直到上层清液的pH值呈中性；

(6) 加入10 mL 0.05 mol/L的分散剂(NaPO₃)₆，然后将样品置于超声清洗器中震荡10分钟；

(7) 用Mastersize3000激光衍射粒度分析仪测试样品。

3 沉积物粒度特征分析 3.1 沉积物物质组成

叠溪古堰塞湖沉积物的上游段为河湖交汇相，湖相沉积层与卵砾石层交互出现，其厚度不等，有的砾石层厚度可达几十厘米，有的只有几厘米厚，而且砾石层的厚度越大，粒径大的砾石也就越多。当砾石层厚度为0.1 m时，砾石粒径多在1~2 cm之间，当砾石层厚度为0.4 m时，砾石的粒径集中在2~3 cm之间，当砾石层厚度为1 m时，砾石的粒径多大于4 cm。这是因为堰塞湖中的沉积物主要来源于被滑坡坝阻断的河流，而河流中沉积物的粒度又严格受水动力的制约。若遇洪水期，高速运动的水流就会携带大粒径的砾石和砂冲入湖相层，并且流速越高，挟带的砂砾石也就越多，细粒的湖相沉积上堆积的砂砾石层也就越厚。后来，由于洪水的注入，湖面扩大，湖相沉积又覆盖在砂砾层之上，如此往复，就会形成图 3中1号采样点剖面所示的河流相沉积与湖相沉积交错叠置的现象，这一现象是湖相沉积物上游段与中游和下游段相区别的沉积特征。另一个二者相区别的沉积特征是上游段的湖相沉积物主要是细砂和粉砂，这二者的含量高达90%，黏土含量不到10%；而湖相中游和下游段的沉积物中主要含有粉砂和黏土，二者的含量超过90%，砂含量不到10%。

将所采的所有湖相沉积物样品点投到混积岩的三角分类图中(图 4)，可观察到湖相沉积上游段的沉积物主要是粉砂质砂和砂质粉砂，中游段和下游段的沉积物主要是黏土质粉砂和粉砂，粒度明显比上游段细。中游段和下游段的沉积物类型基本相似，但仔细对比，就会发现湖相中游段有一样品所处的土层颗粒较粗，属于粉砂质砂，说明该层曾受到过较大水流的扰动；此外，与湖相中游段相比，下游段的样品点在三角分类图中的分布更为集中，这说明湖相下游段沉积物的粒径范围更窄，粒度分布更为集中，几乎不受水流扰动的影响。

总体来说，从湖相沉积的上游段到下游段，河流水动力对湖相沉积物的影响越来越弱；湖相沉积物的粒度也越来越细，上游段以砂和粉砂为主，到了下游段，就以粉砂和黏土为主；湖相沉积物的粒径范围也越来越窄，上游段除了细粒的湖相层，还含有砂砾层，中游和下游段无砂砾层，但中游段偶尔含有较粗的粉砂质砂层，到了下游段，只含有细粒的粉砂和黏土质粉砂层。

3.2 粒度参数

常用的粒度参数有平均粒径、标准偏差、偏度和峰态。每一个粒度参数都以一定的数值定量地表示沉积物的粒度特征，这对于判断沉积物质搬运时的水动力条件很有用处，即粒度参数可作为鉴别沉积环境的依据^[19]。计算每一样品的平均粒径、标准偏差、偏度和峰态，然后统计分析，得到图 5所示的粒度参数分布图。

平均粒径：代表了粒度分布的集中趋势，可反映沉积介质的平均动力能，见图 5a。湖相沉积上游段有90%的沉积物的平均粒径在4~6 ϕ之间，而中游和下游段的平均粒径多在6~8 ϕ之间，粒度明显比上游段细。中游段中有一小部分沉积物的粒径在3~4 ϕ之间，而下游段的平均粒径均在5~8 ϕ之间，并且，6~7 ϕ和7~8 ϕ这两个粒组中的沉积物含量是下游段多于中游段，可见下游段的沉积物比中游段更细。从湖相沉积的上游到下游，沉积物的粒径一直在减小，但各区段减小的幅度却不一样。从上游到中游段，粒径减小的幅度较大，而从中游到下游段，粒径的变化较为细微。

标准偏差：表示分选程度的参数，见图 5b。它代表颗粒大小的均匀程度，或者说是表现围绕集中趋势的离差。湖相沉积物上游段的分选系数在2.2~2.9之间，分选差，中游段绝大多数沉积物的分选系数位于1.2~1.9之间，分选较差，下游段中所有沉积物的分选系数均在1.2~1.7之间，分选系数的范围比中游段更窄，并且下游段中分选系数在1.2~1.5之间的沉积物也比中游段多，可见下游段的分选比中游段好，但若按照分选等级表来划分，下游段的分选性也较差。总体来说，从湖相沉积的上游到下游，沉积物的分选越来越好。

偏度：可用来判别粒度分布的不对称程度，见图 5c。湖相沉积上游段的偏度值有正有负，但以负偏度为主，偏度范围是-0.3~0。中游段和下游段均为正偏度，偏度多在0~0.2之间，但中游段中，偏度为近对称和正偏的沉积物含量近乎一样多，各占46%，而下游段偏度为正偏的沉积物含量可达70%。可见从湖相沉积的上游到下游，偏度由负值逐渐转为正值，且越到下游，近对称所占的百分比下降，而正偏的百分比上升。

峰态：衡量的是分布曲线的峰凸程度，见图 5d。湖相沉积上游段沉积物的峰态范围是0.6~0.8，分布在很宽和宽平两个范围内。中游和下游段的峰态范围相同，都位于0.8~1.1之间，分布在宽平和中等两个范围内，其中有超过90%的沉积物的峰态为中等，并且下游段的峰态值比中游段稍高，多在1.0~1.1之间。

根据湖相沉积物的粒度参数分析结果来看，这4个粒度参数具有一个共同点，即不论是哪个参数，都是上游段与中游和下游两段间的差别最明显，而中游和下游段却基本相似，两者的参数范围近乎相同，但若继续细分，又会发现二者间存在微小的差别。反映在图 5中，即为蓝色柱子与红色和绿色柱子几乎无交集，而红色和绿色柱子紧密相邻，却又参差不齐。之所以出现这种现象，是由于堰塞湖的各区段受河流扰动的程度不同。由于堰塞湖的沉积物主要来源于被滑坡坝阻断的河流，若河流的水动力发生变化，则堰塞湖沉积物的粒度必然随之变化。因此，不论是洪水期还是枯水期，湖相都会受到河流相的扰动。最先受扰动，并且受扰动程度最大的区段当属湖的上游段。若遇洪水期，水流会挟带砾石和粗砂冲入湖相层，随着搬运距离的增加，水流的推力和负荷力减弱，这时，水流中所挟带的沉积物就会由粗到细依次发生沉积。由于湖下游离河流相较远，因此，水流所挟带的物质有大部分会沉积在湖的上游段，若水流动力较大，少量物质也会沉积在中游段，而下游段几乎不受水流影响，沉积的仍是细粒物质。因此，湖相沉积上游段粒度参数与中游和下游段相比差别较大，而中游和下游相比，两者的参数变化就会很微小。

3.3 概率累积曲线

用于粒度分析的曲线有三种，分别是频率曲线、累积曲线和概率累积曲线^[20]。前两种曲线比较简单，但难于解释，斜率、混合度、截点和其他参数的变化不容易观察和比较。最后一种曲线图对于沉积过程来说非常有意义。这一曲线有两个突出特点：1)通常有两个或三个直线段，代表粒度分布中的几个次总体；2)简单的“S”型累积曲线的尾部被放大，变成了直线，便于比较和测量。由于粒度分布实际上是一个或多个对数正态总体的混合，因此，要分析沉积物的粒度，就要详细描述每一总体的含量，粒径分布和分选性。

做出每一样品的概率累积曲线，然后分别在湖相沉积上游、中游和下游段的样品中选择含有滚动组分较多和较少、截点较粗和较细的4个样品，将其概率累积曲线画在同一坐标中，见图 6，以便对比分析。其中滚动组分较多的说明粗颗粒多，代表粗粒层，滚动组分较少的代表细粒层；截点较粗说明水动力强，截点较细的水动力弱，选择具有这些特征的四个样品，基本上就可以代表上、中、下三段的粒径范围和水动力特征。

湖相沉积物的上游段是由四个粒度次总体组成，见图 6a。其中，推移总体含量变化较大，占15%~30%，粒度区间为0~2 ϕ，分选好；跃移总体有两个，一个的粒度区间是2~6.5 ϕ，含量为30%~50%，另一个的粒度区间分布在6.0 ϕ至10.2 ϕ之间，含量为27%~47%，粒度细的跃移总体比粒度粗的分选性好，但都比推移和悬移总体的分选性差，两个跃移总体间的分界点在6.0~6.7 ϕ之间；悬移总体分布在10~10.7 ϕ的区间内，含量不到1%，仅有少数样品超过1%，分选好。推移和跃移总体间的截点较粗，位于2 ϕ左右，跃移和悬移总体间的截点较细，位于10 ϕ附近。

湖相沉积的中游段均由3个粒度次总体构成(图 6b)。在概率图上，以跃移总体为主要成分，含量为88%~97%，只有极个别的几个样品低于70%，粒度区间分布在3.3~10.5 ϕ之间，分布区间较宽，是三个次总体中最宽的，因此直线的斜率最小，均小于50°(42°~50°)，分选中等；推移总体含量次之，占3%~12%，与跃移总体在4~5 ϕ之间相接，有些样品中推移总体的含量极多，可达30%，如图 6b中的124号样品，而有些样品中推移总体的含量不到1%，如图 6b中的117号样品，推移总体粒度区间为2.7~5.3 ϕ, 比跃移总体窄很多，因此它的直线斜度要相应大很多，最小的斜度为65°，最大可达80°；悬移总体含量少，只有1%~3%，且相当稳定，不会像推移总体那样大幅度变化，并且其分选性也最好，粒度分布区间最窄，只介于10.0~10.9 ϕ之间。由于悬移总体粒度较细，因此曲线的细截点也比其他沉积环境的细截点细，仅在10.3~10.7 ϕ之间。

湖相沉积下游段的粒度累积曲线也是由3个线段组成的，见图 6c。中间线段斜率最小，小于50°(42°~50°)，与悬移总体的截点在10~10.8 ϕ之间，含量多为85%~98%，粒度区间分布在3.6~10.8 ϕ之间，只有极个别的样品中，跃移总体的含量低于70%；推移总体的粒径区间是2.6~5.3 ϕ，含量一般为3%~11%，极个别样品中，含量高达30%，如图 6c中的74号样品，推移总体的斜率多在62°~78°之间，分选比跃移总体好，与跃移总体的截点在3.6~5.4 ϕ之间，其中多数(86.8%)在4~5.4 ϕ之间；悬移总体的含量最为稳定，在1%~4%之间，分选也最好，斜率为71°~82°，粒度较小，粒径区间为10~11.1 ϕ。

对比堰塞湖沉积上、中、下三段中各次总体的含量、分选性和粒径分布区间，可发现上游段有三处明显不同于中游和下游段。

(1) 次总体的数量。湖相沉积上游段由四个次总体组成，其中跃移总体有两个，而中游和下游段中的沉积物都是由三个次总体组成，这是上游段区别于中、下游段的最明显标志。含有双跳跃组分的沉积环境并不多，目前常见的有海滩前滨和叉道河床。海滩前滨砂中发育两个跃移总体，是与前滨区的冲刷和回流作用有关^[21]。叉道河床砂中出现双跳跃组分，是由于采样点属于潮汐型河口，主流线附近涨落潮流往复作用比较明显^[22]。可见这两个沉积环境中双跳跃组分的出现均与水流的双向流动有关。湖相沉积上游段中双跳跃组分的出现可能与水流的双向流动有关，也可能是不同粒度分布相混合的结果。上游段河流来水流入湖中时，流速减慢，会造成回流现象，此外，上游段属于河湖交汇相，湖相和河流相中的不同粒度分布会相互混合，都会使得沉积物中出现双跳跃组分。

(2) 推移总体的含量。湖相沉积上游段中推移组分的含量多在18%~30%之间，最少也可达15%，而中游和下游段的沉积物中，推移组分多在3%~12%之间，虽有个别样品的推移组分含量可达30%，但都远远不及上游段的多。可见从湖相沉积的上游段到下游段，推移组分逐渐减少。这是因为推移组分主要受物源区控制，湖相沉积的上游段距物源最近，而下游段距物源最远，即使水动力增大，但随着搬运距离的增加，水动力会逐渐减弱，因此从湖相沉积的上游段到下游段，推移组分的含量会逐渐减少。

(3) 截点的大小。截点的大小可以反映搬运介质的扰动强度，强度高的在较粗粒度上发生截断。湖相沉积上游段的粗截点落在2 ϕ附近，而中游和下游段的粗截点多在4~5 ϕ之间，最大不超过3.3 ϕ。明显上游段受到的扰动更强，水动力更大。这是因为湖相沉积上游段紧临河流相，不论是洪水期还是枯水期，湖相都会受到河流相中水动力的影响，而最先受影响的是湖相的上游段，随着搬运距离的增加，水动力会越来越弱，水流对湖相的扰动也越来越弱，因此湖相沉积中游和下游段的粗截点比上游段小。

除了不同点外，湖相沉积的上游段与中游和下游段也有相似之处。1)跃移总体为主要成分，推移总体含量次之，悬移总体的含量最少；2)各段中，悬移总体的粒度区间相近，都在10~11 ϕ之间，并且含量也近乎相等，占1%~4%；3)悬移组分和滚动组分的分选性都比跃移组分好；4)上、中、下三段的细截点范围相近，都在10~10.8 ϕ之间。

4 堰塞湖沉积物的粒度特征与其他沉积环境对比

堰塞湖沉积物与冰川、河流、海滩、风成沙丘、浅海、湖泊等沉积物明显不同(表 2，3)。与这些环境中的沉积物相比，堰塞湖的沉积物有其特有的粒度特征。首先，堰塞湖的沉积物中，跃移组分的分选性比另两个组分的差，而在其他沉积环境中，跃移组分的分选性一般都是三个组分中最好的；其次，与其他沉积环境中的截点相比，堰塞湖沉积物的细截点更细，但粗截点的大小与其他沉积环境中的粗截点相接近；最后是次总体的个数，堰塞湖沉积物是由三个或四个次总体组成，其中，上游段的沉积物由四个次总体组成，中游和下游段由三个次总体组成，其他沉积环境中，除了海滩和湖泊沉积环境中含有四个次总体外，其他沉积环境基本上含有三个或少于三个的次总体。

相比于其他沉积环境来说，堰塞湖与湖泊沉积环境更为接近，两者的沉积物都是以粉砂和黏土为主，分选较差或差，都含有双跳跃组分。除此之外，两者的沉积物粒度特点也有许多不同之处。1)湖泊沉积物的偏度变化范围较宽，从极负偏到极正偏等5个偏度等级都有，其中又以正偏—极正偏样品居多；堰塞湖沉积物偏度在-0.3~0.3，偏度变化范围较小，仅有少数沉积物属于极正偏。2)湖泊沉积物的峰态在中等至非常窄的范围内，而堰塞湖沉积物的峰态宽至中等。一般窄峰态的曲线，其中部较尾部分选性好。所以，湖泊沉积物的跃移总体分选性比另两个次总体好，而堰塞湖沉积物的跃移总体分选性是三个次总体中最差的。3)湖泊中悬移总体含量较多，而推移总体所占比例较少；堰塞湖却正好相反，推移总体含量多，而悬移总体含量较少，但二者都是以跃移总体为主。4)湖泊沉积物的截点较堰塞湖沉积物粗，尤其是细截点。湖泊沉积物的细截点在5 ϕ左右，而堰塞湖沉积物的细截点在10.0~10.8 ϕ之间。

5 结论

对岷江上游叠溪古堰塞湖的149个沉积物样品作了激光粒度分析、粒度参数计算和概率累积曲线的统计，结合有关资料，探讨了堰塞湖沉积物的粒度分布特征，研究得出以下几点认识。

(1) 由于湖相沉积上游段紧邻河流相，经常受到河流扰动的影响，因此，不论是沉积物的物质组成、粒度参数还是概率累积曲线，湖相沉积上游段的粒度特征都与中游和下游段有着明显的区别，而中游段和下游段的粒度特征却基本相似。

(2) 湖相沉积的上游段以砂和粉砂为主，多为负偏度，峰态宽平，分选性差，累积曲线由四个粒度次总体组成，含有双跳跃组分，截点较粗，滚动组分含量多。中游和下游段以粉砂和黏土为主，均为正偏度，峰态中等，分选较差，累积曲线由三个粒度次总体组成，不含双跳跃组分，截点较细，滚动组分含量少。

(3) 与其他沉积环境相比，堰塞湖沉积物中，跃移组分的分选性比另两个组分的差，并且细截点偏细，上游段和中、下游段所含的次总体个数不同。上游段由四个次总体组成，下游段由三个次总体组成。

(4) 从湖相沉积的上游段到下游段，湖相沉积受河流影响的程度越来越弱，沉积物的分选也越来越好，粒度参数的分布范围也越来越窄。整个古堰塞湖沉积物从湖首(团结村)至湖尾表现出：沉积物逐渐变粗直至出现河湖交汇相沉积物。