2020 年, 三星堆土台壕沟区域的原房屋经过拆迁, 在袁家院子取土断坎的东侧发掘整理出一条大剖面, 其横切整个壕沟。对其进行详细考察研究, 发现三星堆土台壕沟横剖面高约2.6 m, 长约46 m, 走向为北东41° , 其中壕沟主体部分长约20 m。根据剖面沉积物的质地、结构、颜色、接触关系等可划分为城墙夯土、壕沟沉积、生土和三星堆文化之后的沉积4部分, 壕沟沉积下部暂未开展考古发掘工作(图3)。剖面右侧为城墙夯土, 中部主要为壕沟沉积物, 左侧下部为生土, 晚期沉积整体覆盖于壕沟沉积物与城墙夯土之上。在壕沟剖面中部最下部发现互层的淤泥质和中粗砂, 具有向两侧逐渐尖灭的趋势, 因此作者根据壕沟剖面地层的相互切割和叠置关系及不同部分的沉积物特征, 认为壕沟沉积物的形成主要存在3个阶段。壕沟第1阶段沉积物靠近城墙, 最先形成, 厚度达1.7 m, 整体地层向南西方向倾斜尖灭, 沉积物以棕黄色粉砂及黏土为主, 偶见砾石, 中部见多个黑色文化层, 夹大量陶片, 通过考古人员的识别, 大致判断此陶片为三星堆文化第3期形成(图3)。壕沟第2阶段沉积物整体位于生土层之上, 厚度在1 m左右, 形成多个棕黄色粉—细砂和中—粗砂的互层, 未见陶片等文化遗迹(图3)。在壕沟南西壁, 可见砂层对生土构成的堤岸形成的切割, 并形成向南西方向展布的越岸沉积(图3; 图4-A)。越岸沉积在靠近堤岸附近为中—粗砂, 向南西方向逐渐过渡为中—薄层灰黑色泥质沉积, 其中发现了高柄豆残件(图3; 图4-B)。整个越岸沉积的宽度可达46 m。壕沟第3阶段沉积物厚度可达1.9 m以上, 大致位于这个剖面的中部, 沉积物同时切割前2个阶段沉积。底部可见多个淤泥和中粗砂构成的韵律, 以上以粉砂及黏土为主, 上部夹黑色文化层, 见陶片, 推断为三星堆文化第4期的文物, 为壕沟最后阶段的沉积充填(图3)。在壕沟第3阶段下部中粗砂内夹砾石层, 对其产状进行测量统计, 发现大多数砾石最大扁平面的倾向为271° ~344° , 证实壕沟古水流自西北流向东南。壕沟沉积结束后, 在剖面上部的晚期地层中, 发现有宋代等时期活动遗存。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 四川广汉三星堆壕沟沉积物剖面示意图(A、B位置的细节照片见图4, 柱状图旁数字为样品编号)Fig.3 Schematic diagram of trench sediment profile in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province (see Fig.4 for detailed photos of positions A and B, and the numbers next to the bar chart are sample numbers)

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 四川广汉三星堆壕沟南岸生土之上越岸沉积示意图 A—第2阶段壕沟下生土构成的堤岸之上的越岸砂; B—壕沟南岸生土之上的泥质沉积Fig.4 Schematic diagram of shore-crossing deposits over raw soil on the south bank of the trench in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province

据剖面中文化层内陶片的识别, 推测该壕沟沉积物主要形成于三星堆文化的第3期至第4期。对每一阶段壕沟的不同层位分别进行采样记录, 共计采得28个沉积物样品, 另外为了进行对比分析, 在城墙夯土和生土分别采得1个样品(图3)。

作者对采集的样品分别进行前期预处理, 而后完成薄片鉴定、粒度分析和扫描电镜观察及能谱分析。薄片鉴定在成都理工大学沉积地质专业实验室完成, 采用日本尼康E600型偏光显微镜, 配置50W卤素灯和10倍目镜, 共鉴定完成27片薄片。粒度分析由成都谱谱检测技术有限公司完成, 测试仪器为英国马尔文公司生产的Mastersizer-3000型激光粒度仪, 共分析28件样品。扫描电镜及能谱分析在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成, 测试仪器为美国FEI公司制造的Quanta250 FEG场发射环境扫描电子显微镜(精度为1.2 nm)和英国牛津公司制造的INCAx-max20能谱仪(精度≤ 129 eV), 工作电压为20 kV, 共分析9件样品。

通过偏光显微镜对样品的成分、含量等进行鉴定分析, 可以为沉积物的成因及来源提供依据(林春明等, 2021)。壕沟沉积物及对比样品的镜下特征显示, 壕沟第1阶段沉积物以粉砂及黏土为主, 壕沟第2阶段沉积物主要为砂质, 壕沟第3阶段沉积物的中下部颗粒相对较粗, 上部以粉砂及黏土为主(图5-A, 5-B)。第1和第3阶段壕沟文化层中见碳质和陶片碎屑(图5-C, 5-D)。壕沟3个阶段沉积物颗粒的主要矿物成分均包括石英、长石、云母、辉石、锆石、角闪石、绿泥石等, 岩屑以岩浆岩岩屑和变质岩岩屑为主, 壕沟不同阶段沉积物中的岩屑成分及含量未见显著差别(图5-B, 5-E, 5-F, 5-G)。3个阶段沉积物中石英含量32%~45%, 长石含量4%~16%, 且以斜长石为主, 云母含量3%~15%, 重矿物含量1%~8%, 岩屑含量12%~45%, 其他成分含量3%~45%。碎屑颗粒基本呈棱角及次棱角状, 磨圆较差, 分选不好(图5-B, 5-G)。城墙夯土, 见方形黏土团块, 出现明显的人工压实作用导致的变形, 与壕沟沉积物显著不同(图5-H)。生土以粉砂为主, 分选磨圆中等, 矿物颗粒成分包括石英、长石、云母、角闪石、绿泥石等, 岩屑以岩浆岩岩屑及石英岩岩屑为主(图5-I)。

图5

Fig.5

Figure Option ViewDownloadNew Window

图5 四川广汉三星堆壕沟沉积物及对比样的镜下特征 A—灰白色黏土, 含黏土团块, (-), 样品3-2; B—中粗砂, 碎屑颗粒主要呈次棱角状, 分选较差, (+), 样品2-4; C—文化层中见碳质碎屑(红圈内), (-), 样品3-4; D—陶片碎屑(红圈内), (-), 样品2-9; E—中粗砂中见岩浆岩岩屑(红圈内), 石英颗粒磨圆较差, (+), 样品4-7; F—中粗砂中见变质岩岩屑(红圈内), (+), 样品4-10; G—斜长石、白云母等碎屑颗粒, (+), 样品3-4; H—城墙夯土, 近方形且受挤压产生破裂缝的黏土团块(红圈内), 样品1-1, (-); I—生土, 颗粒以粉砂为主, 分选磨圆较好, (+), 样品4-11。 Ms-白云母; Pl-斜长石; Qtz-石英Fig.5 Microscopic characteristics of trench sediments and contrast samples in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province

扫描电镜可对沉积物的结构和微形态进行深入研究, 并佐以能谱分析对矿物进行鉴定, 可提供沉积物的沉积成因及环境等重要信息(张汝藩, 1996)。

通过扫描电镜观察样品, 发现壕沟第1阶段沉积物主要以粉砂颗粒和黏土矿物为主, 壕沟第2阶段沉积物的砂质碎屑颗粒较多, 壕沟第3阶段沉积物的颗粒分化明显, 底部以泥质和砂质为主, 中上部逐渐以黏土和粉砂颗粒为主(图6-A, 6-B)。壕沟沉积物中的黏土矿物以碎屑黏土为主(图6-C)。样品中矿物颗粒主要有石英、斜长石、云母等(图6; 图7), 碎屑颗粒的分选、磨圆普遍较差(图6-B, 6-D)。

图6

Fig.6

Figure Option ViewDownloadNew Window

图6 四川广汉三星堆扫描电镜下壕沟沉积物表面形态及矿物特征 A—淤泥质, 质地致密, 见少量次生裂隙和生物根孔, 样品3-2; B—中砂—细砂, 以碎屑颗粒为主, 疏松多孔, 黏土含量较少, 样品4-6; C—碎屑黏土, 样品4-2; D—石英颗粒磨圆差, 表面可见贝壳状断口、撞击坑等, 样品3-4; E—石英颗粒表面见贝壳状断口、撞击沟等, 表面发育薄层黏土膜, 样品4-9; F—石英颗粒表面见V形坑和贝壳状断口, 样品2-10。Qtz-石英, ☆为能谱测试位置, 旁边数字1、2、3、4分别与图7中能谱图A、B、C、D对应Fig.6 Surface morphology and mineral characteristics of trench sediments under scanning electron microscopy in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 四川广汉三星堆壕沟沉积物对应能谱特征Fig.7 Spectral characteristics corresponding to trench sediments in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province

石英颗粒性质稳定, 其表面特征主要受不同沉积环境下搬运介质与方式的差异影响, 因此其表面特征可以反映搬运动力、沉积环境等信息(Vos et al., 2014; 程涌等, 2017)。通过扫描电镜观察发现, 样品中石英颗粒形态以不规则粒状为主, 大部分为次棱角状, 部分为棱角状, 颗粒表面起伏程度以中—高浮雕最多(图6-D, 6-E, 6-F), 表明石英颗粒受流水磨蚀作用较弱, 未经长时间或长距离的搬运。壕沟沉积物中由机械碰撞、磨损形成的V型撞击坑较为发育(图6-D, 6-F), 石英颗粒发育较多贝壳状断口、阶梯状断口(图6-D, 6-E, 6-F), 特别是壕沟第2和第3阶段沉积物石英颗粒的断口清晰明显, 说明石英颗粒在高能水动力条件下搬运不远。壕沟3个阶段沉积物的石英颗粒表面呈毛玻璃状, 水下撞击痕迹明显。

粒度是沉积物最基本的结构特征, 在不同环境下, 由于搬运介质、水动力条件等的影响, 沉积物会以不同的方式进行搬运和沉积。因此, 粒度特征对于判别沉积环境及其水动力强弱有重要意义(成都地质学院陕北队, 1978; 朱筱敏, 2008; 战庆等, 2009; 邓程文等, 2016)。作者依据Folk和 Ward(1957)提出的公式和标准, 对样品粒级进行分类和计算。

4.3.1 粒度组成特征 壕沟第1阶段沉积物的黏土(<4 μ m)含量变化范围为7.71%~18.67%, 且有随深度逐渐增大的趋势; 粉砂(4~63 μ m)含量最高, 其平均含量为63.63%; 砂(>63 μ m)含量变化范围为13.14%~38.81%, 主要为细砂(63~250 μ m)(图8)。壕沟第2阶段沉积物的黏土含量波动不大, 平均为7.28%, 粉砂变化范围为16.96%~56.05%, 砂含量最高, 变化范围为36.15%~77.95%, 以细砂和中砂(250~500 μ m)为主(图8)。壕沟第3阶段沉积物的粒径整体波动较大, 其中黏土含量变化范围为4.47%~21.52%, 粉砂含量变化范围为11.8%~64.74%, 砂含量波动最明显, 变化范围为17.58%~83.66%(图8)。生土以粉砂为主, 含量高达76.42%, 其次为黏土, 占比13.45%, 砂含量较少(图8)。综上, 壕沟剖面在不同阶段粒径组成发生波动变化, 壕沟第1阶段沉积物以粉砂为主, 整体较稳定, 壕沟第2阶段沉积物主要是细砂和中砂, 壕沟第3阶段沉积物底部为中粗砂和黏土互层分布, 上部逐渐以粉砂与细砂为主。

图8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图8 四川广汉三星堆生土及壕沟沉积物粒度组成特征Fig.8 Grain size composition characteristics of raw soil and trench sediments in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province

4.3.2 粒度参数特征 常用的粒度参数主要有中值粒径、平均粒径、分选、偏度、峰态等, 可为判断沉积物的搬运能力和沉积环境等提供更好的依据(贾天骄, 2016)。三星堆壕沟剖面中, 壕沟第1阶段沉积物的中值粒径ϕ 值变化范围为4.44~6.25, 平均值为5.3, 平均粒径ϕ 值变化范围为4.78~6.22, 平均值为5.43, 分选介于1.74~2.23, 分选较差, 偏度以正偏为主, 峰态也以中等峰态为主(图9)。壕沟第2阶段沉积物的中值粒径ϕ 值变化范围为1.82~5.0, 平均值为3.3, 平均粒径ϕ 值变化范围为3.05~4.93, 平均值为3.4, 分选介于1.96~2.4, 分选差, 偏度以正偏为主, 大部为平坦峰态, 部分层位较尖锐(图9)。

图9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图9 四川广汉三星堆生土及壕沟沉积物粒度参数特征Fig.9 Characteristics of particle size parameters of raw soil and trench sediments in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province

壕沟第3阶段沉积物的中值粒径ϕ 值变化范围为1.37~6.34, 平均值为4.06, 平均粒径ϕ 值变化范围为2.12~6.02, 平均值为4.331, 分选介于1.87~2.91, 分选差, 偏度以正偏或对称为主, 大部为中等峰态, 个别层位峰态较尖锐(图9)。生土的中值粒径和平均粒径都较小, 分选较差, 但比壕沟沉积物好。结合野外工作综合认为, 壕沟及生土沉积物均为河流沉积物。

4.3.3 粒度频率曲线特征 根据粒度频率分布曲线形态可以辨识沉积环境(刘颖等, 2020)。三星堆壕沟剖面沉积物频率分布曲线主要以双峰态或多峰态为主, 在黏土部分(ϕ >10)均出现拖尾。壕沟第1阶段的沉积物主要为双峰态, 粒级ϕ 值集中分布在2~8, 从底部向上, 粗颗粒的沉积物增多, 表明该时期沉积环境相对稳定(图10)。壕沟第2阶段的沉积物主要为双峰或多峰态, 主峰粒级ϕ 值集中在0~2, 粗颗粒含量较多, 且在深度上有一定的波动性, 反映水动力较强, 该时期沉积环境有显著波动变化。下伏生土为单峰形态, 粒级ϕ 值集中分布在6, 与壕沟沉积物有较大差异(图10)。壕沟第3阶段沉积物主要为双峰或多峰态, 2个主要峰态的粒级ϕ 值集中在0~2和5~8, 且在底部有非常明显的波动性, 说明该时期的沉积环境极不稳定, 后续波动性相对减弱, 总体来看沉积环境仍不稳定(图10)。

图10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图10 四川广汉三星堆生土及壕沟沉积物粒度频率分布曲线Fig.10 Distribution curves of particle size frequency of raw soil and trench sediments in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province

4.3.4 粒度概率累积曲线 沉积物的搬运方式按照水动力强弱的差异可分为悬移、跃移和推移3种, 可通过粒度概率累积曲线中直线段的长短比例、倾斜角度、线段间结合等组合特征对其进行识别(周慧等, 2020)。据壕沟沉积物粒度概率累积曲线(图11) 可知, 粒度概率累积曲线主要呈现多段式, 壕沟沉积物以跃移和悬移搬运为主。壕沟第1阶段沉积物以悬移搬运为主, 悬移质粒径主要在4~8Ф 之间, 与跃移质的截点在2 Ф 左右, 其水动力相对较弱。壕沟第2阶段沉积物主要是跃移搬运, 大部分样品跃移质含量超过60%, 表明其水动力较强, 悬移质搬运的占比较小, 但其中黏土含量较多的层位(如样品4-9)仍以悬移为主; 生土以悬移为主。壕沟第3阶段沉积物存在推移、跃移和悬移搬运, 在不同时期, 其搬运方式发生变化; 在其底部, 推移和悬移为主的搬运方式交互出现, 其中样品2-1和2-3以悬移搬运为主, 而样品2-2和2-4以推移搬运为主, 后期沉积物逐渐稳定, 为和跃移和悬移共同搬运, 表明此阶段水动力强弱波动明显, 其沉积环境不稳定。

图11

Fig.11

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图11 四川广汉三星堆生土及壕沟沉积物粒度概率累积曲线图Fig.11 Cumulative curves of particle size probability of raw soil and trench sediments in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province

4.3.5 Pejrup M三角图 Pejrup(1988)根据沉积物结构组成及其反映的水动力强度来区分沉积环境, 他根据砂的百分含量的10%、50%、90%将沉积物中砂分为A、B、C、D共4组, 以粉砂/(粉砂+黏土)的百分比20%、50%、80%为结构分类线将沉积物分为Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 共4类, 砂的含量反映沉积物基本粒度组成和分选程度, 进而反映介质的流动强度和浑浊度, 砂的含量越大, 介质的流动强度越大; 而粉砂/(粉砂+黏土)反映的介质扰动度不同, 从Ⅰ 到Ⅳ , 反映的水动力作用依次增强(章伟艳等, 2013; 刘朝等, 2016)。生土和壕沟沉积物投点结果位于Pejrup M三角图的B-Ⅳ 、C-Ⅳ 、B-Ⅲ 、C^-Ⅲ 区(图12), 表明研究区水流扰动度大, 但沉积物水动力强弱有所差别, 其中壕沟第1阶段沉积物水动力相对较弱, 壕沟第2阶段沉积物水动力相对较强, 而壕沟第3阶段沉积物水动力强弱均有, 具有一定的波动性。

图12

Fig.12

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图12 四川广汉三星堆生土及壕沟沉积物动力环境Pejrup M三角图Fig.12 Pejrup M triangle of the dynamic environment of raw soil and trench sediments in Sanxingdui site in Guanghan, Sichuan Province

城墙夯土土质不均匀, 镜下见明显受挤压的碎屑团块(图5-H), 这与壕沟沉积物的镜下特征显著不同, 因此, 壕沟沉积物以自然沉积为主, 只在个别相对富集陶片的层位, 可能受到古人活动的影响。壕沟内并没有发现古人填土、夯筑的证据, 因此表明古蜀人在使用壕沟过程中, 并没有开展过大规模的人为填埋活动。

扫描电镜下观察显示, 三星堆土台壕沟沉积物的石英颗粒磨圆较差, 以次棱角为主, 表面有一定起伏, 普遍发育大量的V型坑以及不同大小的贝壳状断口, 发育有溶蚀现象(图6-D至6-F), 与典型河流沉积物的标志性形态组合特征相符合, 未发现风成环境下形成的典型的碟形坑(孙有斌和安芷生, 2000)。从壕沟剖面沉积的粒度特征(图8, 图9, 图10)来看, 壕沟沉积物的粒径普遍较粗, 频率分布曲线多以双峰或多峰不对称曲线为主, 峰度值多较低, 正偏态和负偏态均有, 分选中等, 判别公式结果均为正值, 这些符合典型河流沉积物的特征。壕沟沉积物含有较多角闪石、黑云母等暗色矿物, 且矿物颗粒普遍以棱角状和次棱角状为主, 这些均反映其搬运距离不远, 沉积速度快。综合以上证据, 表明壕沟沉积物为近源搬运的河流相沉积物。

湔江发源于龙门山构造带, 岷江流经松潘—甘孜褶皱带与龙门山构造带(图1)。松潘—甘孜褶皱带主要由志留系—上三叠统西康群浅变质岩构成, 以石榴子石和蓝晶石等变质岩型重矿物为主; 龙门山构造带地层发育较为齐全, 从中元古界到第四系均有发育, 该区内主要出露由前寒武系片麻岩及花岗岩体组成的扬子地台结晶基底、新元古代—二叠系变质沉积岩, 超基性、基性岩很少分布, 重矿物以锆石和金红石等岩浆岩型重矿物为主(黎兵, 2005; 李磊等, 2020)。范念念等(2010)认为古岷江曾在今汶川雁门一带向东南穿过光光山, 沿湔江出山流向沱江, 公元前1099年的地震引发山崩、滑坡, 导致古岷江光光山峡谷阻断, 光光山以下成为断头河, 这次河流改道事件影响了古蜀文明变迁。作者通过研究发现, 在晚更新世以来, 生土和壕沟沉积物中的岩屑成分均以岩浆岩和变质岩为主(图5-E, 5-F), 见锆石等岩浆岩型重矿物, 未发现石榴子石和蓝晶石等变质岩型重矿物, 且不同阶段的沉积物中岩屑和重矿物成分没有显著差异, 因此判断壕沟沉积物及生土的物源均主要来自于湔江上游的龙门山地区, 与现今湔江水系涵盖的物源区基本相同, 未发现沉积学证据支持范念念等(2010)认为的河流改道。

根据野外宏观特征研究和实验室分析结果, 初步确定三星堆壕沟使用过程的主要阶段。首先是挖沟, 三星堆土台壕沟区域的生土地层为棕黄色粉砂质黏土沉积物, 为马牧河二级阶地的黏土层。古人在靠近城墙区域沿西北—东南向对生土进行挖掘, 最终形成宽约20 m、深度不低于2.6 m的壕沟。

壕沟剖面沉积特征表明, 壕沟第1阶段沉积物主要为粉砂及黏土, 粒度由下部的泥逐渐向上变为粉砂, 沉积物总体较稳定, 以悬移搬运为主, 表明水动力相对较弱, 气候环境稳定。夹杂陶片等遗物的多个文化层(三星堆文化第3期)在中部密集分布, 此时古人活动频繁。上部沉积物中的陶片等遗物碎片显著减少, 逐渐过渡为质地均一的粉砂质黏土及粉砂, 壕沟沉积物持续向南部加积充填。

壕沟第2阶段剖面沉积特征表明, 壕沟底部沉积物为中粗砂, 之上为多层中—细砂、细—粉砂等沉积物, 且存在越岸沉积现象, 表明此时主要是跃移搬运, 沉积时水动力较强, 可能由于气候发生变化, 经常发生洪水导致。壕沟沉积物主要在生土之上, 且底部沉积物与下伏生土的接触界线较为平坦顺直, 可能是古人为排泄洪水再次开挖壕沟、并对壕沟南岸进行修掘拓宽的结果。此阶段未发现陶片等遗物, 可能是由于洪水频发, 古人活动较少, 而后壕沟被填平。

壕沟第3阶段沉积物同时切割前2个阶段沉积物, 可能是壕沟被填平后, 此时气候仍不稳定, 古人需排泄洪水, 因此重新挖掘出一个新壕沟。挖掘后早期, 底部形成淤水沉积, 之上出现中粗砂甚至砾石层与淤泥质互层, 推移和悬移交互出现, 表明此时水动力强弱变化显著, 推测气候可能有较大波动。中部沉积物主要为中细砂, 其水动力仍然较强, 上部主要沉积物为粉砂及黏土, 此时期以跃移和悬移搬运为主, 中间为夹陶片等遗物的文化层(三星堆文化第4期), 此时古人活动增加, 沉积环境趋于稳定, 随后壕沟也再次被淤积填满。

综上表明, 壕沟开挖后, 沉积环境相对稳定, 古人在壕沟区域活动, 壕沟被逐渐充填。随着气候出现波动, 水动力缓慢增大, 常发生洪水, 古人对壕沟南岸进行修掘以此排泄洪水。壕沟被填平后, 此时气候仍然波动较大, 古人重新挖掘一个新壕沟进行泄洪, 壕沟水动力强度也达到最大, 后期气候逐渐稳定, 随后壕沟被最终填满。