渭河流域滯留沉積物的磁化率各向異性特征及水動力方向研究

羅 俊，張 雷，鄒 寧，郭懷軍

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

渭河流域滯留沉積物的磁化率各向異性特征及水動力方向研究

羅 俊，張 雷，鄒 寧，郭懷軍

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

通過對渭河流域上游、中游及下游的三個剖面(天水、寶雞、渭南)磁化率各向異性研究，發(fā)現(xiàn)了滯留沉積物的磁組構(gòu)特征。滯留沉積物的形成受控于沉積作用并且與渭河的沉積動力有關(guān)，即滯留沉積物磁化率橢球體的三大主軸方向及三軸比值與沉積物磁性顆粒的空間排列分布方式相關(guān)。對渭河不同地段取樣的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果得出，上游至下游的滯留沉積物的磁化率各向異性參數(shù)中L、Q的平均數(shù)值逐漸減小，而F、P、E、T的平均數(shù)值呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。磁化率各向異性參數(shù)特征及Kmax的方位表明：渭河上游至下游的變化趨勢主要為水動力能量逐漸減弱、沉積環(huán)境趨于穩(wěn)定，水動力方向由NW向轉(zhuǎn)變?yōu)镾WW向，與現(xiàn)在的渭河水流路徑大致相同。

渭河流域；磁化率各向異性；滯留沉積物；磁性顆粒；水動力方向

磁化率各向異性(Anisotropy of Magnetic Susceptibility,簡稱AMS)研究技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巖石中，是一種快速靈敏測量巖石結(jié)構(gòu)的方法，也稱為磁組構(gòu)技術(shù)。AMS不僅可以判定沉積物的物質(zhì)來源及沉積動力方向，而且可以對沉積物沉積時所處環(huán)境、氣候及應(yīng)力分析。該技術(shù)方法在地學(xué)中研究甚廣，研究對象涉及到黃土[1～3]、紅粘土[4]、河湖相[5～7]、火山巖[8]、油田巖心[9,10]等。Liu等[11]對長江三角洲河流沉積相進行了磁化率各向異性特征研究，并從AMS參數(shù)中推斷出河流沉積時的優(yōu)勢水動力方向。張玉芬等[6,7]對長江中游地區(qū)也做過AMS相關(guān)分析，分析了不同河流地段及不同沉積環(huán)境類型條件下的AMS特征。

磁化率各向異性是指巖石的磁化強度在不同方向上的差異，反映了磁性顆粒沉積排列的優(yōu)選方向[1,12]。巖石內(nèi)部的磁性顆粒(主要為磁鐵礦、磁赤鐵礦)的晶粒形狀(或長軸)的優(yōu)選方向通?？梢苑从吵练e動力方向，因此整個巖石磁性顆粒的平均方向可以作為泥沙中水流紋理的一個重要指標(biāo)。磁性顆粒的磁化率在各個方向的大小往往與磁性顆粒的尺寸相對應(yīng)，因此磁化率各向異性可以用一個三維二階張量橢球體來描述其三個主要磁化率大小，AMS橢球體的三個相互正交的長軸、中間軸、短軸分別表示磁化率最大值(Kmax)、中間值(Kint)和最小值(Kmin)。磁化率三值根據(jù)不同的計算表達式衍生出不同的磁化率各向異性參數(shù)，并反映不同的沉積環(huán)境類型及沉積成因方式。

1 采樣與測試

采樣地點位于渭河流域，北部為中國黃土高原，南部與秦嶺相抵。在渭河上游至下游的天水、寶雞及渭南地區(qū)作為采樣剖面(見圖1)。剖面所在渭河河流一級階地，高于渭河河床大約10～15 m。各個剖面保存比較完好，經(jīng)驗證屬于全新世黃土與古土壤層中的滯留沉積層，為渭河3 200～2 800 a B·p之間發(fā)生的特大古洪水事件所堆積的沉積物[13,14]。采樣層近于水平延伸，地層特征明顯，出露清晰。

河流沉積序列的連續(xù)性高度依賴于地形，為了獲得精確的AMS結(jié)果，分別采取了天水、寶雞及渭南地區(qū)沉積序列較好的剖面。沿著出露的沉積層除去半米厚的覆蓋層(避免風(fēng)化的嚴(yán)重影響)，用羅盤在標(biāo)本水平面上標(biāo)記現(xiàn)今的指北方位，然后在原地采集成10 cm寬、20 cm高長、30 cm高的長方體標(biāo)本，每個標(biāo)本都經(jīng)過地磁方位角校正。從剖面取下的標(biāo)本用紙包裝以防止標(biāo)本搬運過程中破碎。最后將采集到的標(biāo)本在實驗室里加工，按照記錄的相同深度加工成2 cm×2 cm×2 cm體積較小的立方體樣品。在天水剖面得到123個樣品，寶雞剖面和渭南剖面分別為145個和138個樣品。加工得到的樣品通過卡帕喬KLY-4S磁化率儀(捷克AGICO公司)測試每個樣品的AMS參數(shù)。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 結(jié)果與分析

實驗測定了3個采樣點406塊樣品，通過AMS實驗測試得到3個剖面不同樣品的磁化率各向異性參數(shù)統(tǒng)計平均值，見表1。

表1 天水、寶雞、渭南剖面樣品的磁化率各向異性參數(shù)的統(tǒng)計平均值

2.1 磁線理

磁線理(L)=Kmax/Kint[15,16]，反映沉積物顆粒長軸呈線狀排列的程度，與沉積動力作用的強弱、搬運動力方向單一性有關(guān)。水流作用下，水動力環(huán)境穩(wěn)定且持續(xù)，L值就越高。天水、寶雞及渭南剖面的L平均值分別為：1.012 5、1.008 6、1.007 3，其平均值由大到小，說明沉積時渭河上游的天水地區(qū)水流動力相對較強，水動力方向相對均勻單一化，沉積物顆粒線狀排列的程度較高；而渭河下游的渭南地區(qū)，水流動力較小，沉積物顆粒長軸排列有序化相對較弱；寶雞剖面L平均值處于兩者之間，說明寶雞地區(qū)的沉積屬于中等動力環(huán)境。

2.2 磁面理

磁面理F==Kint/Kmin[15,16],反映沉積物顆粒呈面狀分布的程度，?？梢栽诔练e中對應(yīng)微細紋理。因此F值越大，就表明沉積物的層理發(fā)育越好。天水剖面樣品中82.9%以磁面理發(fā)育為主(102個樣品F>L)，F(xiàn)平均值為1.027 6，95%置信統(tǒng)計范圍主要集中在1.014 8～1.042 1之間；寶雞剖面樣品中89.7%以磁面理發(fā)育為主(130個樣品F>L)，F(xiàn)平均值為1.034 4，集中范圍主要分布在1.029 5～1.058 7之間；寶雞剖面樣品中92.8%以磁面理發(fā)育為主(128個樣品F>L)，F(xiàn)平均值為1.045 2，集中范圍主要分布于1.032 4～1.068 6之間。從磁面理F值可以看出，渭河下游相比較上游的磁面理發(fā)育特征更為明顯，說明上游和中游沉積物的層理發(fā)育不如下游沉積物，這與野外現(xiàn)場觀察到的剖面結(jié)果相同。

2.3 磁化率各向異性度

磁化率各向異性度P=Kmax/Kmin[15,16]，通常反映沉積物顆粒排列的趨向規(guī)律性分布程度，其數(shù)值的大小主要與沉積水動力的相對強弱和沉積環(huán)境的穩(wěn)定性相關(guān)。一般情況下，在水動力較強且持續(xù)穩(wěn)定的環(huán)境中，沉積物顆粒的有序化程度較高，P值偏大；在沉積能量較低且不穩(wěn)定的環(huán)境中(比如紊流、渦流)，沉積物顆粒的有序化程度較低，P值偏小[6,7,12,17]。由于河流下游沉積物在河流環(huán)境相對穩(wěn)定的條件下堆積，故P值較大，渭南剖面的P平均值達1.053 8；河流上游和中游的沉積環(huán)境穩(wěn)定性相對較弱，故P值較小，因此越往下游方向發(fā)展的沉積物P值就越大。

2.4 磁基質(zhì)顆粒度

磁基質(zhì)顆粒度Q=2×(Kmax-Kmin)/(Kmax+Kmin-2Kint)[15,16]，其物理意義表示的是磁性顆粒的相對大小，反映沉積物的動力情況。Q值的大小通常與沉積物顆粒的有序化排列程度和顆粒粒度大小的分選均一狀況有關(guān)。在沉積過程中，搬運介質(zhì)能量較快地發(fā)生衰減，沉積顆粒在非正常重力作用下快速堆積，沉積顆粒粗細混雜，分選較差，則Q值較高；相反情況下，如果搬運介質(zhì)能量衰減十分緩慢，沉積顆粒分選性較好，得到的Q值就較低。從表1可以看到，天水剖面的沉積物的Q值最大，其平均值達0.421 1，主要分布范圍在0.220 5～0.543 7之間；寶雞剖面沉積物的Q值次之，其平均值為0.348 5；渭南剖面沉積物的Q值最小，統(tǒng)計得到的平均值僅有0.176 6。這些數(shù)據(jù)表明，渭河上游地區(qū)沉積物顆粒的粒度均一狀況(分選性)比中游及下游地區(qū)沉積物差，這受控于河流地形的階梯比率。

2.5 扁率

AMS橢球體扁率E=Kint2/(Kmax×Kmin)[15,16]，E值的大小決定了AMS橢球體的形狀。當(dāng)E>1時，AMS橢球體為壓扁狀；當(dāng)E=1時，AMS橢球體的磁面理和磁線理發(fā)育相當(dāng)，呈現(xiàn)圓形；當(dāng)E<1時，AMS橢球體為拉長狀。天水剖面E值最小，E=1.014 8，95%置信統(tǒng)計主要分布在1.002 8～1.036 5之間；寶雞剖面樣品的E平均值為1.024 3，集中分布于1.013 5～1.055 4；渭南剖面統(tǒng)計的平均值為1.039 1，得到的E平均值最大。實驗數(shù)據(jù)表明，渭河古洪水沉積物顆粒磁化率橢球體絕大多數(shù)為壓扁狀，即磁性顆粒以面狀形式近于平行沉積面(水平面)。

2.6 形狀因子

AMS橢球體形狀因子T=(2lnKint-lnKmax-lnKmin)/(lnKmax-lnKmin)[15,16]，T值的變化反映磁面理與磁線理的發(fā)育程度。當(dāng)T在0～1之間，磁面理發(fā)育，AMS橢球體為壓扁狀；當(dāng)T在-1～0之間，磁線理發(fā)育，AMS橢球體為拉長狀；T=0表示磁面理與磁線理發(fā)育相當(dāng)；T為1或-1時，表示僅以磁面理或磁線理發(fā)育為特征。天水、寶雞及渭南剖面絕大多數(shù)樣品的T值均處于0～1之間，說明沉積物均主要發(fā)育磁面理，這與之前所述的絕大多數(shù)樣品F>L的結(jié)果相符。

2.7 赤平投影圖

AMS橢球體的最大軸Kmax、中間軸Kint及最小軸Kmin的偏角(D)和傾角(I)可以用等面積赤平投影圖來描述。圖2a、圖2b和圖2c描述了天水、寶雞及渭南3個剖面樣品的AMS最大軸和最小軸的等面積赤平投影，其中紅色方塊代表AMS最大軸Kmax，藍色三角形代表AMS 最小軸Kmin。赤平投影圖中大多數(shù)紅色方塊分布于投影圓的邊緣，表明AMS最大軸Kmax與水平沉積面近于平行，并指示了水流動力的主要優(yōu)勢方向。紅色方塊越較多的靠近圓的邊緣，表征沉積物顆粒越趨于平行水平面。因此從赤平投影圖可以直觀地反映出，天水、寶雞及渭南剖面的沉積物顆粒趨于水平的程度越來越高。同理，赤平投影圖中藍色三角形大多分布在圓的中心，表明磁化率最小軸Kmin的方向多數(shù)垂直于水平面。在圓中心的離散度越低就說明沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，能量衰減較為緩慢，反之，離散度越高，沉積環(huán)境穩(wěn)定性較差，能量衰減較快。所以渭河從上游至下游地區(qū)，沉積環(huán)境逐漸變得穩(wěn)定。

圖2 Kmax與Kmin赤平投影圖、玫瑰花圖及等勢線圖

2.8 玫瑰花圖和等勢線圖

玫瑰花圖和等勢線圖是兩種可以描述AMS最大軸偏角(D-Kmax)且易于理解的圖形，兩種圖可以在一個圓內(nèi)共同表示，其不考慮Kmax的傾角，只反映偏角的變化。在古洪水事件中D-Kmax方向往往與水動力方向平行，從而指示沉積物質(zhì)的動力方向。值得一提的是，Wind tunnel實驗[18]表明，水動力強度達到一定值，會導(dǎo)致Kmax長軸與水動力方向垂直。天水剖面的樣品中大多數(shù)Kmax方向為NW方向，從等勢線圖分布得到D-Kmax主要為318°，從玫瑰圖分析得到主要為310°～330°(見圖2d)；寶雞剖面磁化率最大軸的主要方位NWW方向，等勢線圖顯示D-Kmax=290°，玫瑰圖主要方位為280°～300°(見圖2d)；渭南剖面的玫瑰花圖及等勢線圖都很好地指示了水流沉積動力來自SWW向(見圖2e)。

3 結(jié)語

通過對渭河流域的三個代表剖面進行研究，分析了古洪水事件滯留沉積物的磁化率各向異性特征，評估了渭河上游至下游的沉積環(huán)境以及判定了沉積動力的主要古動力方向。AMS測試表明，三個剖面滯留沉積物的磁化率各向異性較弱，磁面理F與磁化率各向異性度P存在一定的線性相關(guān)關(guān)系，說明滯留沉積物的AMS參數(shù)主要由磁面理引起。渭河上游至下游的變化趨勢主要為水動力能量逐漸減弱、沉積環(huán)境趨于穩(wěn)定，水動力方向由NW向轉(zhuǎn)變?yōu)镾WW向，與現(xiàn)在的渭河水流方向大致類似。

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Research of the anisotropy of magnetic susceptibility characteristic and hydrodynamic aspect about stranded deposits in Wei River

LUO Jun，ZHANG Lei，ZOU Ning，GUO Huai-jun

(Department of geology of northwest university/ State key laboratory of continental dynamics，Xi’an 710069，China)

The magnetic fabric characteristics of stranded deposits were discovered by the research of magnetic susceptibility characteristic on three section(Tianshui,Baoji,Weinan) of Weihe river’s upper, middle and lower reaches. stranded deposits is controlled by sedimentation and associated with the sedimentary dynamic of the wei river. Three axis direction and the three axis ratio of stranded deposits magnetic susceptibility is related to space arrangement of stranded deposits magnetic particles. The experimental data from different location sampling of the wei river shows that the average value of L, Q in the the anisotropy of magnetic susceptibility parameters of stranded deposits from the upstream to downstream decreases.But F, P, E, T present the change trend of gradual increase in average value. The anisotropy of magnetic susceptibility characteristic parameters and the orientation of Kmax shows that the change trend of the wei river from upstream to the downstream is mainly hydrodynamic energy waning, stable sedimentary environment, hydrodynamic direction shift from NW to SWW , and same with the wei river flow path.

Wei River basin；the anisotropy of magnetic susceptibility；stranded deposits；magnetic particles；hydrodynamic direction

2016-10-08

羅俊(1990-)，男，四川達州人，在讀碩士研究生，主攻方向：古地磁。

P332.3

A

1004-1184(2017)01-0180-03