宜昌第四紀(jì)礫石層鉀長石主、微量元素物源研究及其地質(zhì)意義

林 旭劉海金吳中海劉維明張 洋陳濟(jì)鑫

1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002;

2.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,江西 南昌 330013;

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

4.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041

0 引言

大型河流沖積扇的形成是地球大氣圈、水圈、巖石圈等圈層之間相互作用的產(chǎn)物 (Takahashi et al., 2001; 向芳, 2004; 范代讀等, 2006; 楊守業(yè),2006; 陳靜等, 2007; 張玉芬等, 2008; Zheng et al., 2013; 王強(qiáng), 2019; 林旭等, 2021)。位于長江三峽出口的宜昌地區(qū)分布著一套巨厚的第四紀(jì)松散砂礫石層,詳細(xì)記錄了區(qū)域內(nèi)古環(huán)境變遷以及長江的形成與演化 (李庭等, 2010; 張玉芬等,2014; 鄭洪波等, 2017; Xiang et al., 2020), 引起眾多學(xué)者的廣泛研究。這些研究多集中在重礦物組合 (向芳等, 2006a; 康春國等, 2014; 劉一鳴等, 2018; Wei et al., 2020)、全巖稀土 (向芳等,2006b)和微量元素(袁勝元等, 2012)、鋯石UPb年齡(向芳等, 2011; Wang et al., 2018; 李亞偉等, 2019)、巖石環(huán)境磁學(xué)(張勇等, 2009; 張玉芬等, 2014)、石英ESR分析上(魏傳義等, 2020;Wei et al., 2020),對(duì)三峽以西的長江物質(zhì)出現(xiàn)在江漢盆地西部的時(shí)間,主要存在中新世、上新世、1.2 Ma和0.7 Ma等不同的觀點(diǎn),因而要繼續(xù)開展相關(guān)工作厘定這一分歧。

正長石和微斜長石通常都叫做鉀長石(K2O·Al2O3·6SiO2),是地殼中最主要的造巖礦物之一(Tyrrell et al., 2006; 林旭, 2011; Alizai et al.,2011)。在不同的溫度和壓力條件下,鉀長石的主微量元素組成存在顯著差異 (Bea et al., 1994;Adam et al., 1997; Bureau et al., 2003; Tulloch and Palin, 2013; Xu and Jiang, 2017)。相比于鋯石能經(jīng)歷多期次的沉積循環(huán)不同,鉀長石經(jīng)歷的沉積期次少,進(jìn)行物源對(duì)比研究更有效(Flowerdew et al., 2012; Johnson et al., 2018)。近年來,國內(nèi)外研究者越來越多地利用激光剝蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)對(duì)鉀長石開展微區(qū)原位(in situ)元素地球化學(xué)分析,在河流物源對(duì)比研究方面取得良好效果 (Tyrrell et al., 2006; Alizai et al., 2011;林旭等, 2020a, 2020b)。所以,基于上述問題,文中對(duì)宜昌礫石層開展鉀長石原位主微量元素分析,結(jié)合沉積地層的形成時(shí)代,綜合區(qū)域內(nèi)已有研究結(jié)果,系統(tǒng)判別宜昌礫石層的物質(zhì)來源及其形成機(jī)制,為長江三峽的演化提供新的地球化學(xué)證據(jù)。

1 江漢盆地地質(zhì)背景

江漢盆地位于華南陸塊北緣的中揚(yáng)子地區(qū),夾持于秦嶺-大別造山帶與江南造山帶之間,具有清晰的盆山邊界(林旭和劉靜, 2019; 圖1)。自白堊紀(jì)開始,江漢盆地開始斷陷;晚始新世初和漸新世末,盆地內(nèi)部出現(xiàn)若干箕狀凹陷或地塹后,盆地進(jìn)入萎縮發(fā)展階段。進(jìn)入新近紀(jì),江漢盆地周圍的斷塊運(yùn)動(dòng)明顯減弱,山地和緩抬升,江漢盆地內(nèi)地勢經(jīng)夷平后,保留了以河流相、湖泊相為主的披蓋式沉積,基本形成現(xiàn)代江漢平原的雛形。宜昌第四紀(jì)礫石層位于江漢盆地西部,以宜昌為頂點(diǎn),分布區(qū)總體上呈三角形的區(qū)域,面積近100 km2(向芳等, 2006a; 康春國等, 2014; 陳立德和邵長生, 2015),可以劃分為早中新統(tǒng)云池組和中更新統(tǒng)善溪窯組(向芳, 2004)。研究比較成熟的剖面主要分布在機(jī)場路剖面、盧演沖剖面、善溪窯剖面、云池剖面、李家院子剖面和白洋剖面 (向芳等, 2011; 康春國等, 2014; Wei et al.,2020; Xiang et al., 2020)。

長江全長6300 km,宜昌以上到源頭為其上游,長4504 km,流域面積1×106km2;長江上游的主要支流有金沙江、岷江、嘉陵江等。金沙江長3464 km,流域面積為5×105km2。岷江全長735 km,流域面積1.3×105km2。嘉陵江全長1119 km,流域面積1.6×105km2。長江流域的河流以雨水補(bǔ)給為主,流量變化基本反映流域降雨量變化。流域多年平均降水量為1067 mm,受起源于太平洋及印度洋的亞熱帶季風(fēng)控制(Luo et al., 2012)。

a—江漢盆地和采樣位置分布圖;b—宜昌礫石層主要研究地點(diǎn)位置圖;c—李家院子和機(jī)場路柱狀剖面圖(據(jù)康春國等, 2014修改;地層年齡引用自Xiang et al., 2020和Wei et al., 2020)圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area(a) Distribution diagram of the Jianghan Basin and the sampling location; (b) Location map of the main study site in the gravel layers in Yichang; (c) Columnar profile of Lijiayuanzi and Jichang Road (modified after Kang et al., 2014; Stratigraphic ages were cited from Xiang et al., 2020 and Wei et al., 2020)

2 樣品來源及分析方法

2.1 樣品來源

對(duì)長江干支流邊灘和宜昌李家院子剖面和機(jī)場路剖面進(jìn)行樣品采集,每個(gè)點(diǎn)大約采集3～5 kg樣品。在宜賓采集金沙江干流樣品(28°44′36″N;104°35′50″E)。岷江樣品采自樂山市下游的岷江干流邊灘(29°37′44″N;103°45′11″E)。嘉陵江干流邊灘樣品采自嘉陵江匯入長江干流前(29°47′36″N;106°28′25″E)。長江干流樣品采自豐都干流河漫灘(29°52′30″N;107°27′33″E)。李家院子 (30°28′22″N;111°27′11″E) 和機(jī)場路 (30°33′10″N;111°27′39″E)兩個(gè)剖面采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沉積年齡分別為1.15～1.12 Ma(魏傳義等, 2020; Xiang et al., 2020) 和0.75 Ma(Xiang et al., 2020)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

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,將鉀長石分離出來,并在雙目顯微鏡下進(jìn)行人工挑選提純,隨機(jī)挑選＞300顆制成環(huán)氧樹脂靶,并對(duì)靶片進(jìn)行表面拋光處理。然后對(duì)所有樣品進(jìn)行背散射圖像拍攝,選擇某一顆粒的分析位置,避開包裹體和裂隙部位,提高分析精度。鉀長石微區(qū)原位主微量元素含量在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司利用 LA-ICP-MS 完成。激光剝蝕系統(tǒng)和儀器型號(hào)與鋯石樣品一致。此次分析的激光束斑和頻率分別為44 μm和5 Hz。單礦物微量元素含量處理中采用玻璃標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BHVO-2G、BCR-2G和BIR-1G進(jìn)行多外標(biāo)無內(nèi)標(biāo)校正(Liu et al., 2008)。分析數(shù)據(jù)的處理采用軟件 ICPMSDataCal 完成。

主成分分析 (Principal Component Analysis:PCA)作為一種最常用的數(shù)據(jù)降維算法,同時(shí)也可看作是一種掌握事物主要矛盾的多元統(tǒng)計(jì)分析方法,是最為常用的特征提取方法。它通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,使得問題處理的難度和復(fù)雜度大大簡化,可以提高數(shù)據(jù)的信噪比,以改善原始數(shù)據(jù)的抗干擾能力(陳佩, 2014)。主成分分析主要運(yùn)用Origion 9軟件完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鉀長石顆粒的背散射圖像如圖2所示。來自宜昌以上長江干支流、機(jī)場路和李家院子的鉀長石顆粒以棱角和次棱角為主,說明這些鉀長石沒有經(jīng)歷多期次的沉積循環(huán)過程。鉀長石主、微量元素分析結(jié)果見表1。

圖2 鉀長石背散射圖像(圓圈為樣品分析點(diǎn))Fig.2 Representative and backscatter images of K-feldspar grains (Circles indicate analytical spots for major and trace elementsdating)

表1 宜昌礫石層和長江上游碎屑鉀長石LA-ICP-MS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Descriptive statistics of LA-ICP-MS data for K-feldspar grains from the fluvial sands from gravel layers in Yichang and upper reaches of the Yangtze River

在Na2O和K2O、SiO2和K2O二維散點(diǎn)圖中(圖3a、3b),機(jī)場路和李家院子的樣品彼此間形成重疊區(qū)域,與金沙江、岷江、嘉陵江以及長江干流相比,二者均與上述區(qū)域重合。在CaO和P2O5二維散點(diǎn)圖中(圖3c),機(jī)場路和李家院子的磷灰石有部分重疊在一起,但在縱向和橫向上又分別出現(xiàn)特征分布區(qū)。在B和Li元素形成的二維散點(diǎn)圖中(圖3d),機(jī)場路與李家院子的樣品有部分重疊在一起,但也了形成各自的分布區(qū)域,后者與金沙江、岷江、嘉陵江以及長江干流形成的分布區(qū)重疊。在Sc和Sn、Zn和Sc二維散點(diǎn)圖中(圖3e、3f),機(jī)場路與李家院子的樣品分布區(qū)有部分重合,但大部分樣品彼此間形成了自身的分布區(qū)域。同樣可以看到,李家院子的樣品主要與金沙江、岷江、嘉陵江以及長江干流形成的分布區(qū)重疊。

a— Na2 O和K 2 O;b—SiO2和K2 O;c—CaO和P2 O5;d—B和Li;e—Sc和Sn;f—Zn和Sc含量二維散點(diǎn)圖圖3 鉀長石元素組成二維散點(diǎn)圖Fig.3 Two-dimensional scatter plots of K-feldspar(a) Na2 O and K 2 O; (b) SiO2 and K 2 O; (c) CaO and P2 O5; (d) B and Li; (e) Sc and Sn; (f) Zn and Sc

在主成分分析結(jié)果中(圖4),可以看到機(jī)場路與李家院子樣品有少量磷灰石顆?；旌显谝黄?但整體上二者各自形成特定的分布區(qū)域。機(jī)場路的樣品部分與金沙江和岷江重合,而李家院子的樣品則主要集中在金沙江、岷江、嘉陵江以及長江干流形成的重疊區(qū)域內(nèi)。

圖4 宜昌礫石層和長江上游碎屑鉀長石主、微量元素主成分判別圖Fig.4 Principal and trace component determination diagram of detrital K-feldspar in gravel layers in Yichang and the main tributaries of the upper Yangtze River

4 討論

通過對(duì)比碎屑鉀長石原位地球化學(xué)組成變化,結(jié)合宜昌礫石層的地質(zhì)年代,可判別其何時(shí)與宜昌以上的河流物質(zhì)發(fā)生物源聯(lián)系。鉀長石中Na和K元素的含量變化較大(Rhodes, 1969; Tulloch and Palin, 2013; Xu and Jiang, 2017),可作為物源對(duì)比研究的指標(biāo)之一。林旭等(2020a)對(duì)環(huán)渤海灣的主要河流進(jìn)行碎屑鉀長石原位地球化學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)Na2O和K2O在河流和海砂樣品中的組成差異明顯,能很好區(qū)分不同物源區(qū)的物質(zhì)。此外,在顆粒結(jié)晶過程中Si4+和K+離子共同進(jìn)入鉀長石中,成為其主要成分,不同源區(qū)的鉀長石的SiO2和K2O含量二維散點(diǎn)圖會(huì)呈現(xiàn)出空間變化(Tulloch and Palin, 2013;Xu and Jiang, 2017; 林旭等, 2020b),通常也可以用來區(qū)分不同源區(qū)的物質(zhì)。除了Na2O、K2O、SiO2等這些主量元素外,在不同的溫度和壓力條件下,鉀長石的其他主、微量元素組成也存在顯著差異(Patterson and Tatsumoto, 1964; Rhodes, 1969;McCarthy and Hasty, 1976; Bureau et al., 2003),因而記錄的物源信息更為全面。

在碎屑鉀長石顆粒原位Na2O和K2O、SiO2和K2O含量二維散點(diǎn)圖中(圖3a、3b),宜昌礫石層中李家院子和機(jī)場路的樣品與宜昌以上長江干支流的樣品重合。在CaO和P2O5、B和Li、Sc和Sn、Zn和Sc二維散點(diǎn)圖中(圖3c—3f),機(jī)場路樣品除了部分與李家院子樣品重合外,又形成了獨(dú)特的分布區(qū)域。結(jié)合主成分(PCA)分析結(jié)果,可以看到李家院子的樣品主體上與宜昌以上長江干支流的物質(zhì)重合,而機(jī)場路的部分樣品偏離這一重合區(qū)域。區(qū)域內(nèi)以往通過重礦物進(jìn)行的物源對(duì)比結(jié)果表明,宜昌礫石層與長江上游干支流物質(zhì)在1.1 Ma左右具有物源聯(lián)系(康春國等, 2014;Wei et al., 2020),這與環(huán)境磁學(xué)和石英ESR得出的物源對(duì)比結(jié)果一致(張勇等,2009; 張玉芬等,2014;Wei et al., 2020)。另外,長江三峽在1.16～0.01 Ma發(fā)育多級(jí)河流階地 (Li et al.,2001)。因此,宜昌礫石層李家院子(1.15 Ma)的物質(zhì)主要來自宜昌以上長江干支流的物質(zhì)。在0.75 Ma時(shí),機(jī)場路礫石層除了可以看到金沙江的物質(zhì)信號(hào)外,還可以看到新物源區(qū)出現(xiàn)的現(xiàn)象,導(dǎo)致其與0.75 Ma以前的宜昌礫石層物質(zhì)出現(xiàn)差異。重礦物(向芳等, 2006a)、微量元素和稀土元素(向芳等, 2006b)、鋯石U-Pb年齡物源對(duì)比研究結(jié)果表明,在0.7 Ma時(shí)宜昌礫石層中出現(xiàn)長江中上游物質(zhì)(向芳等, 2011)。與此同時(shí),在江漢盆地內(nèi)部詳細(xì)的物源示蹤結(jié)果說明,在1.2 Ma時(shí)主要受長江上游物質(zhì)的影響 (張玉芬等, 2008; 康春國等,2009; 楊建等, 2009; 袁勝元等, 2012),并在0.8～0.73 Ma出現(xiàn)金沙江源頭的年輕碎屑鋯石年齡(王節(jié)濤等, 2009; Sun et al., 2018),說明隨著長江上游水系的不斷拓展,新的物源區(qū)物質(zhì)進(jìn)入長江會(huì)引起下游沉積區(qū)的響應(yīng)。因此綜合考慮,宜昌礫石層機(jī)場路剖面的物質(zhì)除了來自上述采樣分析的長江干支流物質(zhì)外,也存在尚不能判別的新物源區(qū)。

從宜昌礫石層的礫石以磨圓度、分選度極好為主要特征來看(康春國等, 2014),說明這些礫石經(jīng)歷較強(qiáng)的水動(dòng)力搬運(yùn),遇到江漢盆地西部開闊的地勢后,瞬間卸載堆積而成(向芳等, 2004;李庭等, 2010; 康出國等, 2014; 魏傳義等, 2020)。無論是南海和黃海鉆孔 (Wan et al., 2007; 葉芳等, 2007;Kim et al., 2020)、川西甘孜和黃土高原的黃土—古土壤序列(Yan et al., 2001; 劉冬雁等, 2009; Sun et al., 2010; Meng et al., 2018)、內(nèi)陸塔里木盆地鉆孔的地球化學(xué)指標(biāo) (Liu et al.,2020),還是宜昌礫石層和巫山黃土 (Xiang et al.,2020)、長江流域廣發(fā)分布的網(wǎng)紋紅土 (Qiao et al., 2003; Yin and Guo, 2006; Liu et al., 2012) 均記錄在1.2～0.7 Ma時(shí),東亞地區(qū)整體處于暖濕氣候階段(Fang et al., 2020),這與王婷等(2017)對(duì)全球24個(gè)典型海洋、黃土和湖泊鉆孔數(shù)據(jù)的綜合分析結(jié)果一致(圖5)。另外,攀枝花附近的長江在1.3 Ma東流 (Kong et al., 2009; Deng et al.,2021),導(dǎo)致金沙江上游快速下切(董銘等, 2018;劉芬良等, 2020),以及長江三角洲多個(gè)鉆孔在1.2 Ma和0.78 Ma出現(xiàn)物源變化和大套礫石層(Yang et al., 2006; 賈軍濤等, 2010; 黎兵等,2011; 趙希濤等, 2017; Yue et al., 2018),都反映了長江流域此時(shí)受東亞和南亞夏季風(fēng)的影響,水動(dòng)力搬運(yùn)能力較強(qiáng)的現(xiàn)象。此外,攀枝花以上的金沙江和龍門山內(nèi)部岷江的河流階地年齡和物源示蹤結(jié)果表明,成熟的河流體系至少在3.6～2 Ma已經(jīng)出現(xiàn)(李勇等, 2005;趙希濤等, 2006, 2008;Sun et al., 2020);系統(tǒng)的物源對(duì)比研究結(jié)果表明,長江上游物質(zhì)進(jìn)入江漢盆地的時(shí)間(2.0～1.7 Ma;楊達(dá)源, 1988; Shao et al., 2012; 楊建等, 2014;Li et al., 2021)和進(jìn)入長江三角洲的時(shí)間 (3.2～2.5 Ma, 范代讀等, 2006; 賈軍濤等, 2010) 要比宜昌礫石層底部物質(zhì)堆積時(shí)間早(1.15～1.12 Ma;Wei et al., 2020; Xiang et al., 2020),因此,宜昌礫石層李家院子和機(jī)場路兩個(gè)剖面的物源示蹤結(jié)果,主要體現(xiàn)了1.2～0.7 Ma期間長江流域受東亞和南亞夏季風(fēng)的影響發(fā)生的物源變化現(xiàn)象。

圖5 江漢盆地和長江三角洲第四紀(jì)鉆孔地球化學(xué)指標(biāo)與南海、黃土高原和塔里木盆地氣候變化指標(biāo)綜合對(duì)比圖(江漢盆地?cái)?shù)據(jù)參考張玉芬等, 2008; 康春國等, 2009; 袁勝元等, 2012;長江三角洲數(shù)據(jù)參考黎兵等, 2011;南海氣候指標(biāo)引自Wan et al., 2007;黃土高原氣候指標(biāo)引自Meng et al., 2018;塔里木盆地氣候指標(biāo)引自Liu et al., 2020)Fig.5 A comprehensive comparison map of the Quaternary borehole geochemical index of the Jianghan Basin (Zhang et al., 2008;Kang et al., 2009; Yuan et al., 2012) and Yangtze River Delta(Li et al., 2011) with the climate change index of South China Sea(Wan et al., 2007), Loess Plateau (Meng et al., 2018) and Tarim Basin (Liu et al., 2020)

5 結(jié)論

通過對(duì)宜昌礫石層的碎屑鉀長石原位地球化學(xué)分析,結(jié)合地層已報(bào)道的沉積時(shí)代,將其與長江干支流的碎屑鉀長石原位地球化學(xué)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,綜合主成分分析結(jié)果表明,宜昌礫石層在1.15 Ma時(shí)和長江干支流存在物源關(guān)系;0.75 Ma時(shí)隨著長江上游水系的拓展與調(diào)整,有新物源區(qū)的物質(zhì)進(jìn)入長江,從而影響了宜昌礫石層的物質(zhì)組成。這些物源變化現(xiàn)象,主要體現(xiàn)了1.2～0.7 Ma期間長江流域受東亞和南亞夏季風(fēng)的氣候影響出現(xiàn)的沉積過程。