長江上游水系沉積物鍶—釹同位素組成及物源示蹤①

邵 磊 李長安 張玉芬 袁勝元 王節(jié)濤 江華軍 趙舉興

(1．中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心 武漢 430205;2．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院 武漢 430074;3．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室 武漢 430074;4．中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院 武漢 430074;5．許昌學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院 河南許昌 461000)

0 引言

貫通大河是研究海陸過程不可缺少的紐帶，對研究全球變化及其區(qū)域響應(yīng)具有十分重要的意義。這些大河將大量沉積物由源區(qū)搬運(yùn)至邊緣海，對邊緣海體系的形成及全球海洋化學(xué)通量變化具有顯著影響［1～5］。其中，源匯過程研究是沉積物研究非常重要的組成部分。近年來，地球化學(xué)手段被越來越多的應(yīng)用到沉積物物源研究中來，鍶(Sr)—釹(Nd)同位素組成是其中重要的研究手段［6～12］。長江在貫通大河中最為典型，其形成與演化歷史研究長期以來一直備受關(guān)注。對于長江形成與演化研究而言，其表層現(xiàn)代沉積物源匯過程研究是其基礎(chǔ)。泥沙資料［13］及其他研究［14，15］表明，現(xiàn)代長江沉積物主要來自上游地區(qū)。因此，本文選擇長江上游及中游干流及主要支流沉積物為研究對象，以Sr-Nd同位素組成為研究手段，探討上游河段主要支流沉積物的源匯過程，并探討了上游主要支流與干流沉積物主控關(guān)系。

1 樣品來源與分析

研究樣品取自長江上游及中游長江干流及主要支流河段的現(xiàn)代河漫灘沉積物，采樣位置如圖1所示，共采集樣品12個。筆者旨在查明長江中上游河段干流及支流的Sr-Nd同位素組成和支流物源對干流的影響，因此各主要支流的取樣點均靠近支流與干流匯合處。為了保證所取樣品的代表性，所有樣品均嚴(yán)格取自相同的微地貌位置，即選擇相對開闊與順直的河段。在靠近現(xiàn)代河床剛出露不久的邊灘頂部挖去表層10 cm后開始取樣，所有樣品均在相同時段取得。由于粗顆粒碎屑沉積物更多的受到近源物質(zhì)的影響，而細(xì)粒沉積物則能很好的反映源區(qū)的平均組成［16］。因此，本文選取樣品中＜0．058 mm 的細(xì)粒部分進(jìn)行同位素組成測試。

為除去樣品中自生礦物對其鍶同位素組成的影響，對所有樣品采用0．5 mol/L醋酸浸泡超過8 h。分離出其中的酸不溶物，并用去離子水反復(fù)沖洗。將分離出的樣品在無塵環(huán)境下自然風(fēng)干。最后將酸不溶物研磨至200目以下，并分成兩份，分別測試其鍶、釹同位素組成。

所有樣品的測試過程均在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室內(nèi)完成。測試儀器為Thermo Finnigan公司成產(chǎn)的Triton Ti型熱電離同位素質(zhì)譜儀(Thermal Ionization Mass Spectrometer-TIMS)。該儀器的分辨率＞450，可測定的質(zhì)量范圍為5～320。用其測定Sr和Nd的內(nèi)部精度＜5 ppm，對應(yīng)的外部精度為＞5 ppm。樣品測試方法與Ling et al．［17］采用的實驗方法類似。

Sr同位素比值測定:Sr的流程空白樣分析為＜1 ng。Sr同位素的標(biāo)準(zhǔn)化值為88Sr/86Sr=8．375 09。選用SRM NBS987作為Sr同位素標(biāo)樣，其測試值為87Sr/86Sr=0．710 254±8(2σ 外部標(biāo)準(zhǔn)偏差，n=22)。

Nd同位素比值測定:Nd的流程空白樣分析為＜60 pg。Nd同位素的標(biāo)準(zhǔn)化值為146Nd/144Nd=0．721 900。選用La Jolla作為Nd同位素標(biāo)樣，其測試值為143Nd/144Nd=0．511 847±3(2σ 外部標(biāo)準(zhǔn)偏差，n=25)。

圖1 長江水系圖及表層沉積物樣品采集點Fig．1 The Yangtze River system and sampling locations of sediments from the modern Yangtze River

2 實驗結(jié)果

總體看來，除金沙江一個樣品的Sr同位素組成由于信號較低而無法測出之外，其余樣品的鍶—釹同位素組成的測試精度較高(結(jié)果見表1)。為使沉積物釹同位素組成的變化規(guī)律更為直觀，我們根據(jù)樣品的143Nd/144Nd值詳細(xì)計算了其對應(yīng)的εNd(0)值，其換算公式為:

其中，(143Nd/144Nd)Measured為實際測得的樣品的143Nd/144Nd值;(143Nd/144Nd)CHUR為球粒隕石的143Nd/144Nd值，本研究中我們選取(143Nd/144Nd)CHUR=0．512 638［18］來計算樣品的 εNd(0)值。

表1 長江上游水系表層沉積物Sr-Nd同位素組成Table 1 Sr-Nd isotopic compositions of sediments from the modern upper Yangtze River

3 主要支流Sr-Nd同位素組成及其物源示蹤意義

3．1 金沙江及岷江

本研究測定的金沙江樣品中，除一個樣品較為異常以外，其余樣品均具有較高的εNd(0)值，岷江樣品亦具有較高的εNd(0)值。

宜賓以上的長江流域內(nèi)(主要包括金沙江、雅礱江、大渡河及岷江流域)，沉積巖分布區(qū)約占整個構(gòu)造面積的80%。在古生代—新生代地層中火成巖(主要為鈣堿性玄武巖為主)均有分布。侵入巖主要以中酸性的石英閃長巖及英云閃長巖為主，主要沿斷裂帶分布。變質(zhì)巖系中以三疊紀(jì)板巖—千枚巖分布最為廣泛。其中，峨眉山玄武巖是其最具代表性的源巖［4，6，12，19］。主要分布在金沙江流域，此外在岷江流域內(nèi)也有一定數(shù)量的分布(圖2)。在云南以及四川兩省境內(nèi)濕潤氣候的控制下，玄武巖遭受較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化作用，其具有的較高的Nd同位素背景值可以在很大程度上主導(dǎo)著長江水系沉積物的Nd同位素組成。楊守業(yè)等［6］在2007年報道了分別位于麗江、攀枝花及宜賓等地點的金沙江沉積物的Nd同位素組成，其結(jié)果顯示金沙江沉積物Nd同位素比值(εNd(0))介于－9．7～－11．5 之間，與本研究的測試結(jié)果相比，其測定的比值略低。Wu等［11］在2010年報道了三個金沙江沉積物樣品的Nd同位素組成，顯示其εNd(0)值變化范圍為－7．7～－5．6，平均值為－6．7 顯示出金沙江沉積物具有較高的Nd同位素比值。

與Nd同位素組成相比，金沙江及岷江沉積物的87Sr/86Sr值在 0．712 785～0．734 987 之間，變化范圍較大。表明除受源巖性質(zhì)制約外，沉積物Sr同位素組成還受其它因素制約。說明本研究雖然采用酸洗處理樣品，并選用粒徑＜0．058 mm的細(xì)粒組分，但其中更加精細(xì)的粒度組成(如＜2 μm組分的含量)仍可對沉積物Sr同位素組成有一定程度的影響。黃土分粒級實驗表明，＜2 μm組分的87Sr/86Sr值明顯高于其他組分，因此可以認(rèn)為風(fēng)塵堆積物中＜2 μm組分的含量是影響其87Sr/86Sr值的重要因素［20，21］，該影響在河流沉積物中可能同樣存在。

3．2 嘉陵江

相對于金沙江及岷江沉積物的高Nd同位素比值，嘉陵江沉積物具有較低的Nd同位素比值，其143Nd/144Nd值為 0．512 045，對應(yīng)的 εNd(0)值為－11．6。反映了巖性差異對水系沉積物Nd同位素組成的控制。其87Sr/86Sr值為0．716 380。嘉陵江流域上游地區(qū)出露巖性以碎屑巖為主，下游地區(qū)以侏羅—第三系紅色碎屑巖及三疊紀(jì)碳酸鹽巖和碎屑巖為主。嘉陵江上游尤其是源區(qū)分布有大面積的黃土［22］，由于黃土易遭受物理風(fēng)化，因此其可能大量的進(jìn)入水系從而可能對嘉陵江水系沉積物有重要影響［6］。

4 干流Sr-Nd同位素組成及干支流沉積物主控關(guān)系

總體而言，本研究測定的長江干流沉積物具有較為均一的Sr-Nd同位素組成，幾乎所測的所有樣品均具有較高的εNd(0)值及較低的87Sr/86Sr值。

為更好地探討長江干流沉積物Sr-Nd同位素組成的變化規(guī)律，筆者詳細(xì)收集了前人發(fā)表的關(guān)于長江干流沉積物及源巖的Sr-Nd同位素組成數(shù)據(jù)(表2)。需特別說明的是，相對于前人研究結(jié)果而言，本研究所獲得的測試結(jié)果整體偏高。筆者認(rèn)為其原因可能有三方面:樣品本身的粒度組成、測試儀器本身的誤差及樣品本身的同位素組成。具體分析如下:

(1)粒度組成 本次研究與前人所選取的樣品粒級差別不大，楊守業(yè)等［6］的研究結(jié)果表明在同一地點的河漫灘和懸浮物之間的的143Nd/144Nd比值變化較小，可能反映出樣品的粒度組成對Nd同位素組成影響不大。所以筆者認(rèn)為，樣品本身的粒度組成差異不是其主要原因。

圖2 長江流域巖性分布圖(據(jù)參考文獻(xiàn)［12］修改)Fig．2 Regional geological map of the Yangtze River drainage basin(modified from reference［12］)

(2)測試儀器 本研究與前人研究采用的儀器為TIMS及MC-ICPMS。依據(jù)其測試結(jié)果來看，兩者具有相當(dāng)?shù)臏y試精度及誤差范圍。所以筆者認(rèn)為，測試儀器差異不是其主要原因。

基于此筆者認(rèn)為，樣品本身的同位素組成差異是造成本次測試結(jié)果與前人研究結(jié)果間存在差異的主要因素。

表2 前人報道的長江中上游水系沉積物的Sr-Nd同位素組成Table 2 Sr-Nd isotopic compositions of sediments from the upper Yangtze River collected from the previous researches

如圖3所示，長江干流沉積物Sr-Nd同位素組成可明顯分為兩部分，即一部分沉積物具有較高的εNd(0)值及相對較低的87Sr/86Sr值(該部分干流數(shù)據(jù)多數(shù)為本文的數(shù)據(jù))，另一部分沉積物則具有較低的εNd(0)值及相對較高的87Sr/86Sr值(該部分干流數(shù)據(jù)多數(shù)為收集的前人數(shù)據(jù))。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，兩部分中的干流數(shù)據(jù)均與金沙江樣品大致落入同一區(qū)域，且該區(qū)域內(nèi)金沙江樣品數(shù)據(jù)與干流數(shù)據(jù)大多具有相同來源?；诖斯P者認(rèn)為，長江上游干流沉積物主要來源于金沙江流域內(nèi)的源巖，該部分源巖主導(dǎo)了長江上游干流沉積物的Sr-Nd同位素組成。這與川江段現(xiàn)代沉積物重礦物組成研究結(jié)果［23］一致。

5 結(jié)論

通過長江上游及中游現(xiàn)代表層沉積物Sr-Nd同位素組成分析，得出以下主要結(jié)論:

圖3 長江中上游干流及主要支流Sr-Nd同位素組成注:前人數(shù)據(jù)主要源自參考文獻(xiàn)［6，10，11］Fig．3 Sr-Nd isotopic compositions of sediments from major tributaries and mainstream of the upper and middle Yangtze River(other data were collected from reference［6，10，11］)

(1)金沙江及閩江沉積物具有較高的εNd(0)值，主要受控于流域內(nèi)大面積分布的峨眉山玄武巖的高εNd(0)背景值;嘉陵江水系沉積物具有相對較低的εNd(0)值，反映了其流域內(nèi)源巖對沉積物Nd同位素組成的控制。與Nd同位素組成相比，水系沉積物87Sr/86Sr值具有更大的變化范圍，表明除源巖外，沉積物Sr同位素組成具有更復(fù)雜的影響因素。

(2)支流與干流沉積物Sr-Nd同位素組成對表明，長江上游干流沉積物主要來源于金沙江流域內(nèi)的源巖，該部分源巖主導(dǎo)了長江上游干流沉積物的Sr-Nd同位素組成。

致謝 衷心感謝編輯部和審稿專家給予本文的修改建議!感謝楊守業(yè)教授的指導(dǎo)及邱嘯飛博士在樣品測試過程中給予的指導(dǎo)和幫助!

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