王中波， 楊守業(yè)， 梅 西， 陸 凱

(1. 青島海洋地質(zhì)研究所 自然資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071；3. 同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092)

長(zhǎng)江是中國(guó)最大的河流，也是世界上第四大河流，長(zhǎng)度約6 300 km，流域近1.8×106km2，從上而下分別流經(jīng)羌塘地塊、松潘—甘孜地塊、金沙江縫合帶、四川盆地、揚(yáng)子地塊和江漢盆地等地質(zhì)單元，攜帶不同構(gòu)造單元的碎屑物質(zhì)入海，是我國(guó)東部海域第四紀(jì)沉積物的主要來(lái)源.過(guò)去20多年，長(zhǎng)江入海沉積物的組成特征被廣泛研究，包括碎屑礦物[1-2]、黏土礦物[3-4]、地球化學(xué)組成[5-6]等，進(jìn)而揭示長(zhǎng)江源沉積物對(duì)河口及海洋沉積的貢獻(xiàn).但由于長(zhǎng)江流域的源巖類(lèi)型和沉積動(dòng)力過(guò)程的復(fù)雜性以及沉積物的多旋回性，運(yùn)用碎屑礦物和全巖樣地球化學(xué)組成開(kāi)展河流物源示蹤判別存在很大不確定性[7-9].

影響沉積物組成的因素包括母巖組成、源區(qū)風(fēng)化、搬運(yùn)過(guò)程中的機(jī)械磨蝕和化學(xué)溶蝕、沉積成巖作用等[10-11].隨著微區(qū)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，某些穩(wěn)定的碎屑單礦物的化學(xué)組成可以減少或排除沉積物搬運(yùn)過(guò)程中水動(dòng)力分選、風(fēng)化、埋藏成巖等作用對(duì)物源研究的影響，是理想的物源和環(huán)境演變示蹤指標(biāo)[12-14].目前，應(yīng)用于物源示蹤研究的單礦物主要是石榴石[12, 15-19]、鋯石[14, 20-22]和Ti-Fe氧化物(鉻尖晶石等)[23-25]等.

其中，石榴石形態(tài)和組成相對(duì)穩(wěn)定，化學(xué)組成基本不受風(fēng)化、搬運(yùn)作用的影響，分布相對(duì)廣泛，具有相對(duì)固定的組合，不同源巖具有不同的特征組合，鑒于其自身的特殊性和穩(wěn)定性而更多地應(yīng)用在物源研究中[12, 15, 18-19, 26-28].

本文研究長(zhǎng)江流域主要干流和支流碎屑沉積物中的單顆粒石榴石微區(qū)分析和化學(xué)組成，利用石榴石組合物源分析方法開(kāi)展源匯研究，識(shí)別長(zhǎng)江流域的特征石榴石組合，為中國(guó)東部邊緣海晚第四紀(jì)沉積物物源示蹤和環(huán)境演變研究提供相關(guān)依據(jù)和參考.

1 樣品來(lái)源及分析方法

樣品分別在2003年4月和2004年8月取自金沙江石鼓鎮(zhèn)(JSJ)、雅礱江攀枝花(YLJ)、大渡河樂(lè)山(DDH)、岷江樂(lè)山(MJ)、漢江武漢(HJ)、烏江涪陵(WJ)和長(zhǎng)江銅陵(CJ)地區(qū)的河漫灘沉積物(圖1).

圖1 長(zhǎng)江流域巖石類(lèi)型及采樣位置(據(jù)文獻(xiàn)[2]修改)

對(duì)采集的沉積物樣品進(jìn)行過(guò)篩水洗，提取63～125 μm粒級(jí)間的樣品進(jìn)行50℃恒溫烘干；再利用三溴甲烷重液(比重2.89)進(jìn)行輕、重礦物分離，對(duì)獲取的重礦物進(jìn)行體視顯微鏡鏡下鑒定，對(duì)每個(gè)樣品隨機(jī)挑選碎屑石榴石顆粒1 000顆以上；對(duì)挑取的石榴石顆粒，在廣州中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所進(jìn)行制靶，然后在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)電子探針室采用日本電子株式會(huì)社(JEOL)生產(chǎn)的JCXA-733型號(hào)電子探針儀進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試及微區(qū)分析，實(shí)驗(yàn)電壓設(shè)定為15 kV，電流為20 nA，束斑直徑為3或5μm.峰期的計(jì)數(shù)時(shí)間為20 s，前后背景值的計(jì)數(shù)時(shí)間分別為10 s.實(shí)驗(yàn)室標(biāo)樣使用的是美國(guó)SPI公司標(biāo)準(zhǔn)礦物標(biāo)樣，X射線強(qiáng)度使用ZAF(原子序數(shù)-吸收-熒光)校正法進(jìn)行校正.測(cè)試顆粒隨機(jī)選取，每個(gè)樣品測(cè)試80個(gè)顆粒[29]，每個(gè)顆粒選取無(wú)包裹體區(qū)域進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)量，每個(gè)顆粒打點(diǎn)測(cè)試一次，測(cè)試精度為0.1%.

2 長(zhǎng)江沉積物單顆粒石榴石化學(xué)組成

長(zhǎng)江沉積物石榴石電子探針?lè)治鼋Y(jié)果如表1所示，其元素總量介于98.7%～99.6%之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)在1左右，表明測(cè)試結(jié)果合理可靠.

表1 長(zhǎng)江流域沉積物石榴石主要元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

石榴石主要由SiO2、FeO、Al2O3、MnO、CaO、MgO、TiO2、Cr2O3以及極少量K2O和Na2O組成.長(zhǎng)江水系沉積物石榴石的組成中Cr2O3、K2O和Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本都低于0.1%，不予討論.其主量元素SiO2、FeO、Al2O3、MnO、CaO、MgO、TiO2的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(AVR)分別是36.8%、29.2%、20.7%、6.1%、4.0%、2.4%、0.1%(表1)，各樣品元素標(biāo)準(zhǔn)偏差(STD)和變異系數(shù)(CV)分析顯示，除Si、Fe和Al元素之外，其他元素在不同樣品中標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)較高，但在不同樣品中的變化不大.根據(jù)元素含量按照氧原子的配位數(shù)計(jì)算出各種石榴石在沉積物中的含量，主要是鎂鋁榴石(Pyr)、鐵鋁榴石(Alm)、鈣鋁榴石(Gro)和錳鋁榴石(Spe)，其平均摩爾分?jǐn)?shù)分別是65.4%、13.8%、9.4%和11.4%(表2).總體來(lái)看，長(zhǎng)江沉積物以鐵鋁榴石和錳鋁榴石為主，而鎂鋁榴石和鈣鋁榴石相對(duì)較低(表2、圖2).

表2 長(zhǎng)江流域沉積物碎屑石榴石組合(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))

在長(zhǎng)江流域沉積物樣品中(圖3)，除雅礱江攀枝花地區(qū)(YLJ)石榴石貧Fe富Mn外，F(xiàn)eO和MnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是25.0%和13.7%，而其流域質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值是29.2%和6.1%；其他地區(qū)的樣品組成特征基本一致，即SiO2和Al2O3含量相近，整體低Mg而相對(duì)富Mn.

3 討論

3.1 標(biāo)型碎屑石榴石特征

石榴石常為自形晶體，化學(xué)式是X3Y2[SiO4]3，(X代表Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+；Y代表Al3+、Fe3+、Cr3+、Ti4+、Mn4+)，主要為2個(gè)組6種石榴石.鋁榴石組包括鎂鋁榴石、鐵鋁榴石和錳鋁榴石；鈣鉻鐵榴石組包括鈣鉻榴石、鈣鋁榴石和鈣鐵榴石.由于Cr、Ti等元素在石榴石中所占比例不大，又由于Al3+基本占據(jù)了+3價(jià)的位置，所以碎屑沉積物中的石榴石組合主要是鎂鋁榴石、鐵鋁榴石、鈣鋁榴石和錳鋁榴石.

已有研究表明，石榴石在碎屑沉積中分布相對(duì)廣泛，具有相對(duì)固定的組合，不同源巖具有不同的特征組合(表3)[12, 15, 19, 26-28].

圖2 長(zhǎng)江水系沉積物碎屑石榴石組合

石榴石分區(qū)組成源巖組成A高M(jìn)g低Ca源自中高級(jí)區(qū)域變質(zhì)巖,典型母巖是麻粒巖相片麻巖和紫蘇花崗巖.B低Mg中低級(jí)變質(zhì)巖,以閃巖相變質(zhì)巖為主,片麻巖也有出現(xiàn).C高M(jìn)g高Ca基性片麻巖.其他富Fe3+、Ca通常伴隨矽卡巖出現(xiàn),多以極低級(jí)變質(zhì)巖為主.富Mn貧Mg主要來(lái)自低溫低壓變質(zhì)巖,如接觸變質(zhì)巖、低級(jí)變質(zhì)巖相的變質(zhì)泥巖、矽卡巖和花崗偉晶巖.

注：以上數(shù)據(jù)采用63～125 μm石榴石，該粒級(jí)石榴石組合物源示蹤水動(dòng)力影響最少[15, 19, 30].

3.2 長(zhǎng)江水系沉積物碎屑石榴石物源特征

長(zhǎng)江水系沉積物碎屑石榴石化學(xué)組成分析表明，石榴石組合中錳鋁榴石和鐵鋁榴石富集(表2、圖3、圖4).

石榴石組合中鈣鋁榴石(G)、鎂鋁榴石(P)、鐵鋁榴石和錳鋁榴石(AS)3個(gè)端元(G-P-AS三角圖解)可以很好示蹤其物源組成[12, 15, 26-28, 31-32].長(zhǎng)江流域沉積物石榴石的G-P-AS三角圖解分析顯示(圖4和圖5)，長(zhǎng)江支流沉積物石榴石組合幾乎全部落入三角圖解的B區(qū)域，石榴石組成以低Mg、高Fe特征為主，Ca含量變化較大.烏江涪陵樣品的Mg含量最高，且相對(duì)高M(jìn)g(圖4e).長(zhǎng)江銅陵干流樣品少數(shù)石榴石顯示出高M(jìn)g、高M(jìn)n、低Fe特征(圖4g).根據(jù)石榴石的源巖組成(表3)，推斷長(zhǎng)江沉積物石榴石的源巖應(yīng)以中-低級(jí)變質(zhì)巖為主.

圖5 長(zhǎng)江流域及支流石榴石化學(xué)組成

長(zhǎng)江流域源巖復(fù)雜(圖1)，巖石類(lèi)型從太古代變質(zhì)巖、古生代碳酸鹽巖和碎屑巖、中新生代巖漿巖和碎屑巖及第四紀(jì)松散沉積物都有分布，且在不同的流域，巖石類(lèi)型差異明顯[3, 7, 33].

雅礱江、大渡河、岷江、烏江等分布古生代碳酸鹽、中生代紅色碎屑沉積巖和花崗巖以及中生代峨眉山玄武巖[1-2, 36].烏江流域?qū)儆趽P(yáng)子板塊，大面積分布著二疊系—石炭系碳酸鹽巖以及侏羅系—志留系等砂巖夾碳酸鹽巖，中晚元古宇地層主要是陸源碎屑巖，流域西南邊緣出露元古代火山巖，大陸溢流拉斑玄武巖及輝綠巖組合[37-38]以及東部區(qū)域分布的淺變質(zhì)巖和局部超基性巖.烏江流域是長(zhǎng)江流域碳酸鹽巖分布最廣的支流，分布面積達(dá)到6.9×104km2，占流域面積80%[39]，其巖溶覆蓋率超過(guò)80%[40]，受其影響石榴石出現(xiàn)部分高Ca、高M(jìn)n特征.雅礱江攀枝花樣品高Fe、高M(jìn)n，石榴石可能是受到攀枝花釩鈦磁鐵礦區(qū)內(nèi)輝長(zhǎng)巖外接觸帶富含石榴石的大理巖或矽卡巖的影響[41-43].岷江和大渡河流域分布大面積高綠片麻巖相和低角閃巖相巖石，沉積物中多典型的泥質(zhì)區(qū)域變質(zhì)礦物如藍(lán)晶石等[1]，因而岷江和大渡河流域沉積物中的石榴石呈現(xiàn)出淺變質(zhì)巖的低Mg、低Ca特征.

綜上所述，長(zhǎng)江流域主體在年輕的揚(yáng)子地塊上，其在中元古代廣泛形成淺變質(zhì)巖系[47-49]，沉積物中碎屑石榴石的源巖以中低級(jí)變質(zhì)巖為主，如流域出露的片巖、千枚巖和大理巖以及低溫接觸變質(zhì)巖控制了流域沉積物石榴石的組成，呈低Mg、高M(jìn)n特征(圖5).

3.3 金沙江沉積物碎屑石榴石組成特征

長(zhǎng)江是我國(guó)最大的河流，河流流域面積廣大，從上游到下游河流入?？?，不同支流攜帶的復(fù)雜的支流物質(zhì)匯入，在河口形成混合性較強(qiáng)的沉積物，會(huì)在一定程度上減弱其物源特征，因此，為更好地識(shí)別長(zhǎng)江河流端元的物源特點(diǎn)，選取長(zhǎng)江水系代表性最強(qiáng)、對(duì)入海物質(zhì)貢獻(xiàn)最大的支流進(jìn)行分析.

已有研究表明，上游是長(zhǎng)江流域粗碎屑沉積物的主要來(lái)源，主要來(lái)自金沙江流域內(nèi)的源巖[5, 35, 44, 49-50].金沙江沉積物石榴石組合呈現(xiàn)為典型的低Mg、高M(jìn)n特征(圖6)，與整個(gè)長(zhǎng)江干流石榴石組成基本一致(圖5)，錳鋁榴石摩爾分?jǐn)?shù)最低為7.8%(表2)，不受中下游地區(qū)長(zhǎng)距離的近源沉積物影響，因此金沙江可以作為長(zhǎng)江物源端元的特征河流，其石榴石組合代表著長(zhǎng)江流域沉積物的標(biāo)型石榴石組成.

4 結(jié)論

(1) 長(zhǎng)江水系沉積物石榴石的元素組成以SiO2、FeO、Al2O3、MnO、CaO、MgO、TiO2為主，石榴石組合主要是鎂鋁榴石、鐵鋁榴石、鈣鋁榴石和錳鋁榴石，其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)平均值分別是65.4%、13.8%、9.4%和11.47%.

圖6 金沙江流域沉積物石榴石組成

(2) 長(zhǎng)江水系沉積物中碎屑石榴石呈低Mg、高M(jìn)n特征，其源巖以中低級(jí)變質(zhì)巖為主，長(zhǎng)江流域出露的片巖、千枚巖和大理巖以及低溫接觸變質(zhì)巖控制了沉積物石榴石的組成.

(3) 金沙江是長(zhǎng)江入海粗粒沉積物的主要來(lái)源，石榴石組合呈現(xiàn)為典型的低Mg、高M(jìn)n特征，與整個(gè)長(zhǎng)江干流石榴石組成基本一致，其石榴石組合可以作為長(zhǎng)江特征物源端元，用以海域沉積物物源示蹤.