林旭，陳濟鑫，吳中海，劉海金，張洋

1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002

2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081

3.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330032

0 引言

河流是塑造地表形態(tài)，串聯(lián)地球巖石圈、水圈、大氣圈物質(zhì)循環(huán)的重要介質(zhì)[1-4]。因而保存于河流中的碎屑沉積物（礫、砂、泥）對理解構(gòu)造變形、氣候變化和地表侵蝕作用之間的聯(lián)系具有廣泛意義[5-12]。“亞洲水塔”青藏高原與多個亞洲邊緣海盆地及亞洲內(nèi)陸湖泊組成了規(guī)模巨大的源—匯系統(tǒng)[13-14]。認識這一源—匯系統(tǒng)的發(fā)展過程，包括河流礫、砂、泥的產(chǎn)生、搬運與沉積過程，不僅為探索地球海陸交互作用等關(guān)鍵過程提供基礎(chǔ)支撐，也能提供水系演化的信息[15-23]。其中尤以亞洲最大河流，發(fā)源于青藏高原東部，流經(jīng)云貴高原、四川盆地、江漢盆地和長江中下游平原，最終流入太平洋西部陸架邊緣海（東海）的長江最受關(guān)注[4,11,24]（圖1）。而長江的發(fā)育和形成綜合反映東亞中—新生代以來構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換、氣候變化等重要信息，對中國三大地勢階梯的建立具有重要指示意義，也是探索青藏高原構(gòu)造—氣候—沉積系統(tǒng)科學(xué)研究的重要組成部分[25-31]。因而，國內(nèi)外研究者從環(huán)境磁學(xué)[11]、全巖地球化學(xué)[18-20,24]、重礦物組成[7,15,25,30]、黏土礦物組成[31]、單顆粒礦物年齡譜對比[8-10,32]等方面，對其源匯過程開展了廣泛研究。然而，全巖地球化學(xué)組成更多代表沉積物均一化的物源信息；礦物組合研究，有時因流域內(nèi)缺乏標(biāo)型礦物，增加了物源解析的難度；鋯石礦物硬度大，可以經(jīng)歷多期次物質(zhì)沉積循環(huán)過程，僅僅依靠單一的U-Pb 年齡譜對比，并不能很好的限定潛在物源區(qū)。

近年來，在河流沉積物物源示蹤研究中，越來越多的學(xué)者開始對某一礦物（例如鋯石和磷灰石）同時進行原位物源信息（U-Pb年齡，Sr-Nd同位素等）的獲取[33-39]，已被證明在界定物源區(qū)，識別構(gòu)造活動引起的水系變化等方面十分有效。進而避免分析單一礦物引起物源示蹤結(jié)果的不確定性。盡管磷灰石在重礦物中的含量十分低，在搬運過程中也容易出現(xiàn)磨蝕，在大型河流物源示蹤研究中會存在代表性不強的現(xiàn)象。但在大河流域的個別流域，比如流域內(nèi)存在磷灰石成分特別高的母巖，或者不同支流流域中磷灰石含量差異巨大等情況，可以起到很好的物源示蹤效果[34-35]。分析河流下游或者沉積盆地中的碎屑磷灰石的原位地球化學(xué)元素組成，將其與上游河流或潛在源區(qū)進行對比，從而建立源匯關(guān)系。近年來，磷灰石這一物源示蹤方法被廣泛應(yīng)用于河流物源示蹤[40-42]、盆地古流向重建[36]等方面。但在長江流域這項工作還未開展。因而，我們對長江上游主要干支流開展碎屑磷灰石原位微量元素和Sr同位素分析，將金沙江、大渡河、岷江、嘉陵江支流與豐都段長江干流的結(jié)果進行對比，來探索這一方法在長江上游物源示蹤研究的可行性。

圖1 長江流域位置分布圖Fig.1 Location of Yangtze River Basin

1 研究背景

長江發(fā)源于青藏高原的唐古拉山脈，在上海市崇明島以東注入東海，連接了地球上最高的高原和最大的大洋，全長約6 300 km，流域面積約1.8×106km2，是亞洲最大河流。從源頭到宜昌是其上游河段。伴隨著晚新生代以來青藏高原的隆升，在亞洲東亞和南亞季風(fēng)氣候控制下，長江流域產(chǎn)生并攜帶巨量的水沙進入太平洋西岸陸架海，對流域生態(tài)環(huán)境和邊緣海的海洋環(huán)境產(chǎn)生重大影響，在全球變化中扮演重要角色，是國內(nèi)外眾多重大研究計劃的靶區(qū)[4,43-44]。

宜昌以上長江流域面積為1.0×106km2，1956—2007 年的年均徑流量達到4.3×1011m3，年均輸沙量為4.5×108t[45]。長江上游的四大支流金沙江（圖2）、岷江（包含大渡河）、嘉陵江和烏江流域面積分別為5×105km2、2.2×105km2、1.6×105km2、0.87×105km2，總面積8.8×105km2，占長江上游流域面積的87.9%。金沙江年均輸沙量為2.4×108t，占長江宜昌水文站的54.2%。岷江年輸沙量為0.47×108t，占宜昌水文站的10.4%。嘉陵江年輸沙量（1.1×108t）占宜昌站的24.1%。烏江流域是長江南岸最大支流，但主要流經(jīng)云貴高原的喀斯特高山地區(qū)，與上述河流相比，河流流域面積和年均輸沙量?。?.05×108t），占宜昌站的5.6%。因而烏江并不是宜昌以上長江干流的主要物質(zhì)輸送河流，本次研究未對其開展樣品分析。

圖2 長江上游干支流流域面積和1956—2007 年的平均輸沙量柱狀圖（數(shù)據(jù)來源于文獻[45]）Fig.2 Column chart of basin area and mean sediment discharge 1956-2007 in the upper reaches of the Yangtze River (data from reference [45])

2 樣品來源和研究方法

2.1 樣品采集

對宜昌以上長江干支流進行樣品采集，每個點大約采集3～5 kg 樣品（圖1）。為了采樣更具有代表性，每一個樣品由多個采樣點組成，同時避免人為污染源。金沙江樣品在宜賓市上游金沙江干流河漫灘采集（28°44′36″N，104°35′50″E）。大渡河樣品采自白巖坎鎮(zhèn)河漫灘（29°32′46″N，103°44′18″E），岷江樣品采自樂山市岷江下游河漫灘（29°37′44″N，103°45′11″E）。嘉陵江干流河漫灘樣品采自施家梁鎮(zhèn)（29°47′36″N，106°28′25″E）。長江上游干流樣品采自豐都河漫灘（29°52′30″N，107°27′33″E）。上述樣品主要采集砂級沉積物。

將野外采集回來的碎屑樣品經(jīng)重砂分析、磁性分選等一系列過程，將磷灰石分離出來，并在雙目顯微鏡下進行人工挑選提純。每個樣品隨機挑選＞300顆制成環(huán)氧樹脂靶，并對靶片進行表面拋光處理。然后對所有樣品進行背散射圖像拍攝，圈定磷灰石顆粒的分析位置，避開包裹體和裂隙部位，提高分析精度。

2.2 磷灰石微量元素分析

磷灰石原位微量元素和Sr同位素分析在南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查技術(shù)服務(wù)有限公司微區(qū)分析實驗室使用激光剝蝕—電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（LA-ICPMS）完成。激光剝蝕平臺采用Resolution SE 型193 nm深紫外激光剝蝕進樣系統(tǒng)（Applied Spectra，美國），配備S155 型雙體積樣品池。質(zhì)譜儀采用Agilent 7900型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（Agilent，美國），采用束斑直徑50 μm、剝蝕頻率10 Hz、能量密度3.5 J/cm2、掃描速度3 μm/s 的激光參數(shù)剝蝕NIST 612，調(diào)節(jié)氣流以獲得高信號強度（238U 約為6×105 cps）、低氧化物產(chǎn)率（ThO/Th＜0.2%）。選用100 μm 束斑線掃NIST 610 對待測元素進行P/A 調(diào)諧。磷灰石樣品固定在環(huán)氧樹脂靶上，拋光后在超純水中超聲清洗，分析前用分析級甲醇擦拭樣品表面。采用5 個激光脈沖對每個剝蝕區(qū)域進行預(yù)剝蝕（剝蝕深度～0.3 μm），以去除樣品表面可能的污染。在束斑直徑50 μm、剝蝕頻率5 Hz、能量密度2 J/cm2的激光條件下分析樣品。數(shù)據(jù)處理采用Iolite 程序[46]，以NIST 610 作為外標(biāo)，43Ca 作為內(nèi)標(biāo)計算微量元素含量，內(nèi)標(biāo)值假定化學(xué)計量式。

采用L1、L2、L4、L4、H1、H2 和H3 法拉第杯組合接收Kr、Rb、Er、Yb和Sr相關(guān)質(zhì)量數(shù)的信號。標(biāo)準溶液NBS 987的87Sr/86Sr測定值為0.710 245±0.000 025，與TIMS 測定值0.710 236 在不確定度范圍內(nèi)一致[47]。測量前，測定并校正法拉第杯的電子噪音背景，以及放大器的接收增益。在束斑直徑50 μm、剝蝕頻率8 Hz、能量密度6 J/cm2的激光條件下分析樣品。通常采集20 s的氣體空白，35～40 s的信號區(qū)間，信號積分時間0.262 s。剔除88Sr 信號強度低于0.35 V 低信號點以及超出兩倍標(biāo)準偏差的異常點。使用86Sr/88Sr=0.119 4，按指數(shù)規(guī)律對其他同位素比值的儀器質(zhì)量分餾進行在線校正。每隔10～15 個樣品測試兩次Durango磷灰石標(biāo)樣，監(jiān)控儀器狀態(tài)。

磷灰石微量元素含量可直接使用非矩陣多維標(biāo)度MDS（Multidimensional Scaling）統(tǒng)計分析[48]，它是基于K-S統(tǒng)計方法，利用數(shù)據(jù)之間的相似性對數(shù)據(jù)進行成分分析，這種相似性分析早已被廣泛應(yīng)用到了碎屑鋯石U-Pb年齡、磷灰石微量元素組成、重礦物數(shù)據(jù)分析中，獲得了較好的效果。因此，我們采用該方法對宜昌以上長江干支流碎屑磷灰石的微量元素組成進行MDS 統(tǒng)計分析，進行磷灰石微量元素含量相似/向異性分析，從而判斷各個支流的磷灰石組成與豐都段長江干流的磷灰石的相關(guān)關(guān)系。

3 實驗結(jié)果

磷灰石顆粒的陰極發(fā)光圖像如圖3 所示。金沙江、大渡河、岷江、嘉陵江和豐都段長江干流的碎屑磷灰石顆粒以次棱角和棱角長柱狀為主，說明這些磷灰石沒有經(jīng)歷多期次的沉積循環(huán)過程，反映了各自流域內(nèi)最近磷灰石顆粒的外形特征。磷灰石微量元素和Sr同位素分析結(jié)果見表1?？梢钥闯觯鹕辰牧谆沂疨 元素含量，尤其是平均值（178 486）與大渡河、岷江、嘉陵江和長江干流明顯不同。金沙江的磷灰石Sr元素平均值含量為1 006×10-6，超過其他各個河流，而其稀土元素總量（∑REE）又是本次所有河流中最低的（506.5×10-6）。在87Sr/86Sr 比值結(jié)果中，來自龍門山的三條河流（大渡河、岷江和嘉陵江）要比金沙江和豐都長江干流的高。因而，總體來說金沙江下游的磷灰石原位微量元素組成與龍門山的河流和長江干流明顯不同。

在P 元素和Sc 元素含量（圖4a）、P 元素含量和87Sr/86Sr 比值二維散點圖中（圖4b），金沙江的分布區(qū)域與大渡河、岷江和嘉陵江的明顯不同，而豐都段長江干流樣品與大渡河、岷江和嘉陵江樣品彼此間形成重疊區(qū)域。在∑REE和P元素含量二維散點圖中（圖4c），金沙江下游的磷灰石顆粒分布區(qū)域沒有和其他流域重疊在一起。在Sr元素含量和87Sr/86Sr比值形成的二維散點圖中（圖4d），盡管各個流域的分布區(qū)域相對集中，但依然能看到金沙江形成特定的分布區(qū)域。

圖3 磷灰石原位地球化學(xué)分析陰極發(fā)光圖像Fig.3 In situ geochemical analysis of apatite cathodoluminescence images

表1 磷灰石原位地球化學(xué)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Descriptive statistics of in situ geochemical data for apatite grains

在MDS分析結(jié)果中（圖5），金沙江的磷灰石P元素含量與其他流域的磷灰石P 元素含量判別距離較遠，而嘉陵江、岷江和大渡河的磷灰石P 元素含量與豐都段長江干流具有相近性。據(jù)此判斷，長江上游干流的磷灰石主要來自發(fā)源于龍門山的河流。

圖4 磷灰石地球化學(xué)分析結(jié)果二維散點圖（a）P vs.Sc；（b）P vs. 87Sr/86Sr；（c）∑REE vs.P；（d）Sr vs. 87Sr/86SrFig.4 Two-dimensional scatter plots of (a) P and Sc; (b) P and87Sr/86Sr; (c) ∑REE and P;(d) Sr and87Sr/86Sr contents of fluvial detrital apatite grains

圖5 磷灰石MDS 判別圖Fig.5 MDS identification diagram of apatite grains

4 討論

磷灰石富集P 和Sr 等不相容元素，其含量變化由全巖SiO2含量和所在熔體的分配系數(shù)控制，因而母巖的分異程度是磷灰石化學(xué)組成的主要控制因素[49]。此外，磷灰石中的87Rb經(jīng)過β-衰變后變成87Sr，在剝蝕、搬運和沉積過程中最初的87Sr/86Sr 比值不發(fā)生變化[33]。而這一比值在不同地區(qū)、不同時代巖體有明顯差異，這是將其運用于大河物源示蹤研究的基礎(chǔ)。稀土元素（REE）由15個鑭系元素（La～Lu）組成，由于它們具有相似的物理和化學(xué)性質(zhì)，在地質(zhì)體中都傾向于成組出現(xiàn)，在自然界REE 的分配形成存在差異[50-51]，這一差異也被廣泛用來開展沉積物物源示蹤研究。因而，將磷灰石的P、Sr 和REE 等元素的含量或比值與其他元素做散點圖的方法用于物源示蹤研究最為普遍[49-51]。對比碎屑磷灰石原位地球化學(xué)組成發(fā)現(xiàn)，豐都段長江干流的磷灰石顆粒的P、Sr、Sc和∑REE 元素含量與大渡河、岷江和嘉陵江的樣品存在重疊，而與金沙江下游的磷灰石顆粒分布區(qū)域明顯不同（圖4）。另外，由于P元素是磷灰石的特征元素，對其進行MDS 相似/向異性分析更具有代表性。金沙江下游磷灰石與豐都段長江干流磷灰石的P元素組成判別距離較遠，而豐都段長江干流磷灰石P元素組成和嘉陵江、岷江和大渡河的P元素組成判別距離相近（圖5）。這說明豐都段長江物質(zhì)主要來自發(fā)源于龍門山的河流，而金沙江對其碎屑物質(zhì)的貢獻不大。但長江流域的沉積物以輕礦物為主，作為重礦物的磷灰石所占比例低，將其用于長江水系的物源示蹤研究時，需要考慮這一影響因素。

圖6 （a）研究區(qū)已有研究采樣點分布圖，石英10Be[26,52]，重礦物[27]，鋯石U-Pb 年齡[53]；（b）金沙江年徑流量和年輸沙量變化圖（據(jù)文獻[45]修改）Fig.6 (a) Map of sampling points in the study area, quartz10Be[26,52], heavy minerals[27], zircon U-Pb age[54];(b) Variation of annual runoff and sediment discharge in Jinsha River (modified from reference [45])

從石英宇成核素10Be 物源示蹤和地表侵蝕速率結(jié)果[26,52]來看（圖6a），金沙江流域的侵蝕速率較低，長江上游干流物質(zhì)主要來自嘉陵江、大渡河和岷江；Vezzoliet al.[27]的重礦物組合和主成分分析結(jié)果表明嘉陵江成為長江上游干流碎屑物質(zhì)的主要輸送河流。長江上游黏土礦物物源示蹤結(jié)果顯示，大渡河、嘉陵江、岷江對長江干流的物質(zhì)貢獻大[31]。上述結(jié)果與水文站觀察到的輸沙量結(jié)果吻合[45（]圖6b）。盡管碎屑鋯石U-Pb 年齡[53]和磁鐵礦化學(xué)組成[54]物源示蹤結(jié)果表明，長江上游干流的碎屑物質(zhì)除了主要來自嘉陵江外，金沙江的作用也不可忽視。但考慮到隨著金沙江中下游溪洛渡和向家壩水庫的建設(shè)并投入使用，其輸沙量減少至0.02×108t[55]，泥沙主體部分被攔截在這些梯級水庫內(nèi)部，導(dǎo)致其輸沙量甚至已經(jīng)低于烏江（0.05×108t）[45]，對長江干流的泥沙貢獻率顯著下降。Heet al.[53]分析的鋯石U-Pb 年齡封閉溫度高，具有強抗風(fēng)化性，先前保存于河床的碎屑鋯石后期經(jīng)歷多期次沉積再循環(huán)過程；王中波等[54]的采樣時間早于金沙江下游溪洛渡和向家壩水庫投入使用的時間（2012 年）。因而，長江干流依然能出現(xiàn)金沙江以前輸入的物質(zhì)信號。此外，盡管嘉陵江[56]、岷江[57]（包含大渡河）的輸沙量由于人類活動、氣候變化和修建水庫顯著下降，但下降的幅度低于金沙江，嘉陵江和岷江依然有相對充足的碎屑物質(zhì)供給。嘉陵江及岷江進入豐都段長江的距離遠小于金沙江，發(fā)源于龍門山的河流輸入的碎屑物質(zhì)“稀釋”了金沙江的碎屑物質(zhì)信號，導(dǎo)致豐都段長江干流現(xiàn)代河流物質(zhì)主要受發(fā)源于龍門山河流的影響。因而，利用長江流域現(xiàn)代河流碎屑磷灰石原位地球化學(xué)組成，可以很好地區(qū)分龍門山和青藏高原東南緣的河流物質(zhì)信號。利用這一方法在江漢盆地的新生代地層中識別金沙江的物質(zhì)信號，可能具有很好的物源示蹤效果，但該方法無法進一步有效區(qū)分發(fā)源于龍門山的各條河流的物質(zhì)信號。因此，在今后利用該方法開展長江流域物源示蹤研究時，結(jié)合其他方法可以達到精準建立長江源匯關(guān)系的研究目的。

5 結(jié)論

通過對長江上游干支流開展碎屑磷灰石原位微量元素和87Sr/86Sr 比值分析，在二維散點圖中發(fā)現(xiàn)金沙江的分布區(qū)域與大渡河、岷江和嘉陵江的明顯不同，而豐都段長江干流樣品與大渡河、岷江和嘉陵江樣品彼此間形成重疊區(qū)域；進一步結(jié)合MDS 判斷圖結(jié)果揭示，豐都段長江干流的物質(zhì)主要來自龍門山。磷灰石原位地球化學(xué)分析方法可以有效區(qū)分發(fā)源于青藏高原東南的金沙江和發(fā)源于龍門山的大渡河、岷江和嘉陵江的物質(zhì)。但其無法進一步有效區(qū)分發(fā)源于龍門山的各條河流的物質(zhì)信號。建議將這一方法與其他物源示蹤方法聯(lián)合使用，可以有效建立長江的源匯關(guān)系。

致謝 衷心感謝審稿人的建議。