长江西陵峡出口处的宜昌南津关,在地理学上以此为界,将南津关以西划为长江上游,南津关以东划为长江中游[1]。宜昌市位于湖北省西部,长江上游与中游分界处,地理位置属鄂西黄陵山地与江汉平原的过渡地带[注]曹伟轩、彭伟、贾建红等,湖北宜昌市城区地质灾害详细调查报告，长江勘测规划设计研究有限责任公司,2016。 。宜昌市城区处于长江西陵峡出口地带,包括西陵区、伍家区、猇亭区、点军区及高新区(含生物产业园、白洋镇等),面积约1 000 km2,长江自西北向东南呈反“S”流经宜昌市城区。宜昌市城区地势西高东低,形成自西向东由山地、丘陵向平原过渡的地貌形态,最高点为点军区土城西北部的白云山,海拔高1 189 m;最低点为长江一级阶地,海拔高约40 m(见图1)。

长江河道变迁是个难度很大的研究课题,通过调查宜昌市城区第四系各层岩性、分布、类别及物理力学特征,分析阶地发育分布与长江河道变迁过程,基本查明了宜昌市城区第四系分布与长江河道变迁的对应关系。

1 第四系土体分布和工程地质特征

1.1 第四系土体分布特征

宜昌市城区第四系土体主要为长江阶地冲积物,分布范围较大,厚度较厚且相对集中,岩性主要为砂土、粘土、粉质粘土夹岩屑及岩块。通过对宜昌长江河道变迁、阶地发育情况的研究,以及对第四系冲积物的分布范围进行分析,划分为全新统上更新统中更新统下更新统具体见宜昌市城区第四系分布图(图2),各层岩性特征分述如下。

1.1.1 全新统

堆积物具有二元结构,下部为砾卵(砾)石层夹砂土、粉质粘土,局部夹胶结砾石层;上部为灰褐色、棕黄色砂土、粉质粘土。分布于长江及其主要支流河谷的一级阶地、漫滩、河床、较大型沟谷中,具体分布于长江河床、西坝、胭脂坝,左岸沿江呈条带状分布,右岸主要分布在艾家镇临江平缓地带;支流则主要分布于卷桥河、临江溪、何家冲、善溪大冲等支流的邻近两侧。

1.1.2 上更新统

堆积物具有二元结构,上部为棕黄色粘土,含铁锰质薄膜和结核,具垂直节理;下部为砂卵(砾)石层。分布于长江及其主要支流河谷的二、三级阶地上,具体分布于西坝、长江左岸肖家岗、宜昌火车站、金家台—北山坡—市七中等地,以及白洋和善溪冲一带。

1.1.3 中更新统

堆积物一般不具二元结构,岩性为网纹粘土、粉质粘土或网纹粘土、粉质粘土夹多量卵(砾)石;局部具有二元结构,即下部为砂卵(砾)石,上部为网纹粘土。分布于长江河谷的四级阶地及相当于四级阶地高程的山顶及山坡上,具体分布于长江左岸镇镜山、窑湾、原东山寺、气象台、猇亭、白洋、顾家店一带。

1.1.4 下更新统

堆积物多为三层或多层结构,上部为灰白色粘土,具虫孔构造;中部为棕黄,褐黄色粘土夹卵(砾)石或卵(砾)石夹粘土;下部为砂(卵)砾石层。分布于长江河谷的五级阶地以及相当于五级阶地高程的剥夷面上,具体分布于长江左岸葫芦包、大梁子岗、猇亭张家湾和鸡子山一带。

1.2 第四系土体类别和物理力学特征

1.2.1 土体类别特征

宜昌市城区第四系冲积类型土体分布广泛,展布于长江及其支流河谷各级阶地上。其中河谷阶地土体以冲积成因类型为主,由人工填土、粘土、粉质粘土、淤泥、粘土夹砾石、砂土、砂土夹砾石、砾石夹粘土、砂砾石、胶结砾石等构成。按其构成土体的土层数目可划分为双层型、三层型及多层型(四层及其以上)等3种类型,土体结构组合形式复杂。沟谷土体以冲—洪积成因类型为主,其土体结构类型主要为双层型和三层型;各沟谷内土体组合形式不一,即使是同一条沟,其组合形式也不完全一致。

1.2.2 土体物理力学性质

宜昌市城区第四系土体粒度成分的变化具有以下特征:粘土以粉粒为主,次为粘粒,其中砂砾含量随时代渐老而渐高,粉粒和粘粒含量均随时代变老而渐低。粉质粘土含较多砂粒(一般都在30%以上),粒度随时代变化的规律性很强,其中砂粒及粘粒含量均随时代变老而渐低,粉粒含量则正好相反。

有关资料表明,区内粘土、粉质粘土绝大多数具有中压缩性(1.019 7×10-4 kPa-1<a98-196≤5.098 5×10-4 kPa-1),分布占比约82%;长江河谷三级阶地中更新统粘土的可压缩性低于粉质粘土,而二级阶地中下更新统粘土的可压缩性高于粉质粘土。长江主要支流二级阶地粘土的粘聚力、内摩擦角和无侧限抗压强度明显高于一级阶地的粘土,但长江河谷阶地的粘土不具备这一明显规律。同时期粘土的粘聚力及无侧限抗压强度大于粉质粘土,而其内摩擦角则小于粉质粘土;但粉质粘土的强度指标变化与时代则没有严格的对应关系。据资料统计分析,全新统上更新统中更新统下更新统粘土和粉质粘土的允许承载力、压缩模量建议参考值见表1。

2 长江河道变迁分析

2.1 长江宜昌段阶地发育分布情况

根据宜昌市城区第四系冲积物分布特征分析,长江宜昌段总体发育有五级阶地,其中长江一、二级阶地发育较完整,三、四、五级阶地不甚发育,多被地表水系切割呈支离破碎。分析认为,大致以现宜昌市城区的东山大道为界,以南为长江一、二级阶地堆积区,地势宽阔平缓,地形稍有起伏,一、二级阶地台面高程分别为50～60 m、65～72 m,目前城区沿江已形成一条狭长的城市建设区;东山大道以北为残缺不全的长江三、四、五级阶地及浑圆形低矮丘陵地形,地面高程一般80～130 m,以葫芦包最高,山顶地面高程为156.60 m,残缺不全的三、四、五级阶地台面高程分别为80～90 m、100～120 m、140～150 m。宜昌市城区长江阶地(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表一、二、三、四、五级阶地)的发育分布情况典型剖面见图3。

2.2 长江宜昌段河道变迁分析

宜昌南津关以上,长江流向为北西西—南东东,江面宽仅250～300 m,河谷狭窄,两岸谷坡均由高几十米以上的岩石陡崖组成。长江出南津关后,流向由近东急转向南—南南西,至宜昌市城区镇川门附近似喇叭状向南南东方向展开;河床呈微弯曲的反“S”型蜿蜒南下,河床坡度变缓。长江在向左岸侵蚀和摆动过程中,堆积形成了黄草坝、西坝、葛洲坝三个江心岛屿,使长江河道在此分叉为大江、二江、三江共三股叉道,以及在葛洲坝—龙盘湖江段堆积形成诸如胭脂坝、虎牙滩等漫滩,河床呈不对称“U”型、谷底宽阔且较平坦。由于长江不断向右岸侧蚀,致使右岸岸坡较陡且形成一系列的三角面山体(如磨基山等);而左岸则以堆积为主,形成了由五级阶地组成的广阔平坦、高差较小的河谷平原地貌。

根据宜昌市城区第四系长江堆积物的发育分布情况分析认为,该段长江河道自更新世以后,受地形和地质作用影响一直向右岸侵蚀摆动,其河势形态及演变过程如图4,河道变迁过程分析如下。

2.2.1 更新世长江宜昌段河道变迁分析

早、中更新世时期,长江宜昌城区段为一宽浅河流,江中无江心洲。河床最宽4 000 m左右,向下游河床渐窄,在杨岔路处河床宽2 000 m左右。以早更新世堆积物推测,当时长江出南津关后,河床忽然开阔,水流瞬时变缓,致使水流携带物质的能量在瞬时急剧减弱,因此堆积物质具有山麓相的特征。

早更新世末的喜山运动,地壳上升,长江下切同时向右岸摆动,于左岸形成五级阶地。

中更新世时期,地壳处于相对稳定期,长江宜昌城区段以堆积、侧蚀作用为主;中更新世末,地壳再次上升,长江下切并继续向右岸摆动,同时形成四级阶地。

晚更新世时期,地壳处于震荡运动状态,经历了两次上升及间歇停顿。

晚更新世初期,四级阶地已完全形成,这时长江宜昌城区段仍为一宽浅河流,长江河道仍以堆积、侧蚀作用为主。至晚更新世中期,地壳经历了一次上升运动,使得长江下切且继续向右岸摆动,于左岸形成三级阶地。同时,在江心形成的基岩面高程为60～70 m,以樵湖岭为中心,北至葛洲坝、经桃花岭往南到市中心的江心洲基座,但该基座未露出水面,而是以暗礁的形式隐伏于江中。在此次下切期间,由于南津关地段的坚硬岩石受构造破坏的程度不一,从而产生不均匀下切现象;在南津关口的长江河床内形成挑流坎,并对其以后的河道变迁起到重要作用。三级阶地形成后至二级阶地黄色粘土堆积前,由于挑流坎的作用,改变了长江河水的流态,使其对江心暗礁式基座进行侵蚀和冲刷破坏,继而形成了四江、三江河槽雏型。

晚更新世末(二级阶地黄色粘土堆积后),地壳经历了第二次上升运动,河床相对下切,致使江心暗礁式基座及其上覆的堆积物露出水面后形成二级阶地。与此同时,由于挑流坎对长江主流的挑流作用,水流对四江、三江河槽雏型冲刷作用加强,使得四江、三江河槽向纵深方向不断扩大和发展,将市中心的江心洲分为宜昌(樵湖岭—桃花岭)和西坝两部分。并将长江水流分为三股,其一为四江水流,由镇镜山与樵湖岭之间,经东湖、夷陵大道、铁路坝至中医院,河床宽仅150～250 m,为长江原主河床;其二为三江水流,为分流河槽;其三为现今的大江,其汇集紫阳溪后于西坝南端与三江水流汇合,并汇集卷桥河水流后、至宜昌市中医院处与四江水流汇合成一股整体水流。

2.2.2 全新世长江宜昌段河道变迁分析

全新世时期,长江宜昌城区段主流河床有三次变迁。第一次变迁为主流河床由四江转移到三江;第二次变迁为主流河床自三江转移至大江同时开劈二江河床;第三次变迁为主流河床完全转移至大江,大江河床逐渐成熟。本时期的三次变迁过程分析如下。

第一次变迁:全新世初,地壳缓慢上升,长江河道相对下切,在南津关口挑流坎的作用下,长江主流对三江河床冲刷作用强烈,致使三江河床向纵深方向不断扩展,逐渐成熟为适应主流的河床。在这期间,由于地壳上升作用,南津关口挑流坎对四江的作用减弱,黄柏河水流及长江水流携带的物质堆积于四江河床内。在三江河床扩大成熟、四江河床不断沉积的情况下,长江主流由四江转移至三江,使三江成为主流河床,而四江河床荒废,成为间歇性河床,即仅汛期起分流作用(与葛洲坝建坝前的二江、三江功能类似)。长江主流转移至三江后,由于三江河床还未能完全适应主流,致使长江水流向左岸侧蚀,扩大河床以适应主流,故在三江桥至土街头一带形成高10～20 m陡峻的凹岸曲线岸坡。

第二次变迁:三江不断完善成为长江主流河床后,由于地壳上升、河床下切,南津关峡谷段形成了不稳定的高陡岸坡。在自然(动力)地质作用下,高陡岸坡产生暴发性的大型岩崩,而岩崩块石被湍急的长江水流所携带,出南津关口后,由于河床忽然开阔,长江水流由湍急而变缓,水流携带物质的能量大大减弱;岩崩块石大量堆积于三江河床内,从而形成三江大块石堆积带,继而将三江主流河床淤积堵死,致使长江急流逐渐转移到大江。大江河床为了适应突如其来的主流,猛向两岸侧蚀冲刷,以扩大河床来适应主流,致使两岸基岩岸坡产生强烈坍塌破坏;于是在西坝右岸(即葛洲坝建坝前的二江左岸)形成了高达15 m的弧形基岩陡壁和巨型块石堆,同时开劈了二江河床。

长江主流转移到大江后,地壳运动短时停顿,支流黄柏河水流冲卸下来的大量砂卵石没有足够的水流能量将固体物质带走,只能在河口堆积并形成冲积扇,随后逐步扩展并与三江大块石堆积带相连,将三江完全堵死,最终致其变为间歇性河床;这时,三江两岸的第一阶地逐渐形成,使得三江河床变窄,而四江河床则彻底荒废。至此,樵湖岭—桃花岭完全脱离江心洲,同时在现今城区东湖一带仍保存有一些小湖泊,东湖也由此得名。

第三次变迁:大江主流河床逐渐完善,地壳又开始缓慢上升,而河床相对下切,南津关口河床-40 m深槽开始形成,其左侧岸坡陡壁走向由南东转向正南;水流对主流河床临江岸坡进行强烈地挑流冲刷,使其向下深切形成大江河床及串珠状浅槽(最低标高5 m),并致使主流河床移至现今大江的位置。这时,二江河床也逐渐荒废,葛洲坝第一级阶地和高漫滩、黄草坝高漫滩逐渐形成。

3 结语

宜昌市城区处于长江西陵峡出口地带,属鄂西黄陵山地与江汉平原的过渡地带。宜昌市城区第四系土体分布范围较大且较集中,主要为长江阶地冲积物,总体发育有五级阶地。分析研究认为,宜昌市城区第四系发育分布和物质成分的差异性,主要与长江河道变迁相关且呈对应关系。第四纪是与人类的产生和发展密切相关的地质时期,本文对后期研究长江宜昌段演变历史,以及宜昌市城区规划、防洪工程建设[2]和城市开发建设均有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 杨华,朱永禄.远古时期以来宜昌至宜都长江河床的变迁[J].三峡论坛(三峡文字理论版),2010(2):38-47.

[2] 吕晓兵.长江黄石河段河道演变分析[J].人民长江,2011,42(4):12-15.