重慶-宜昌地區(qū)第四紀沉積物中重礦物特征及其對三峽演化的指示

劉一鳴, 向　芳, 陳灼華, 杜　雯, 李樹霞

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059)

圖1　長江流域太古宙-新生代(變)火成巖分布圖Fig.1　Distribution map of igneous rocks in the Yangtze River basin(資料來源于賈軍濤等，2010)[14]

近年來,大河流域的發(fā)育歷史和沉積演化越來越引起國際地學界的關注,對世界主要河流貫通歷史的研究是目前人們對過去全球變化中一些重要科學問題研究的基礎[1-8]。長江作為世界第三長河，中國第一大河，其演化歷史一直是地學界爭論的焦點。重慶-宜昌地區(qū)作為長江的重要河段長期以來一直備受關注，對其演化研究具有重要意義。對于長江三峽的演化問題，最早是1903年由B.Willis開展研究，后續(xù)有眾多的地質(zhì)學家對長江三峽河谷的成因以及貫通問題作了或詳細或簡約的探討[1-8]。對于三峽河谷的成因，主要有先成谷和次成谷2種觀點[9]。先成谷觀點認為重慶-宜昌河段是先成河，在白堊紀末就已經(jīng)貫通；后成谷觀點認為黃陵穹隆東側的河流流入長江下游的江漢盆地，西側河流進入秭歸盆地，由于構造運動，黃陵穹隆東翼水系發(fā)生溯源侵蝕和襲奪溝通了黃陵穹隆西翼的水系，從而使三峽古水系得以貫通。此外，近年來前人利用沉積物開展了三峽貫通的研究[10-13]，普遍的認識是長江三峽貫通的時間是在第四紀，但得出的三峽貫通的具體年代上有一定的差異。

受先前構造運動的影響,長江地貌保存不完整，長江貫通以前重慶-宜昌地區(qū)的河流信息并不明確，因此前人對三峽以西的流域所做的工作比較薄弱，使得三峽以西的流域信息比較匱乏。本文通過對三峽東部與西部地區(qū)第四紀沉積物中重礦物含量對比，對重慶-宜昌地區(qū)第四紀沉積物來源進行分析，利用不同時代沉積物中重礦物含量變化特征，來討論三峽以西的長江流域是否發(fā)生轉(zhuǎn)向，從而為三峽的貫通過程研究提供參考。

1　地質(zhì)背景與沉積環(huán)境

重慶-宜昌地區(qū)西部為低山丘陵的四川盆地，地勢較緩和，基巖分布規(guī)律大體上為東西向展布。主要沉積地層為侏羅系及白堊系，見少許古近系、新近系及第四系。和長江流域重慶-宜昌段相關的巖漿巖主要為出露在四川西南部的峨眉山玄武巖以及攀枝花地區(qū)的基性巖[14](圖1)。此外，在緊鄰宜昌地區(qū)的黃陵穹窿，有太古宙的高級變質(zhì)巖和新元古代的黃陵花崗巖。

經(jīng)過印支運動，四川盆地結束海侵歷史轉(zhuǎn)為內(nèi)陸湖盆環(huán)境，湖盆幾乎占四川盆地全境，稱為巴蜀湖[15]。四川湖盆受川鄂黔構造帶上升影響，是一個由南東向北西掀斜的湖盆，盆地東高西低，沉積的侏羅系東薄西厚。燕山運動以后，川東南及川中地區(qū)逐漸隆升，沉積地層厚度 1 000余米，早白堊世的巴蜀湖面積大為縮小。古近紀與新近紀之間，喜馬拉雅運動進入高潮，大范圍的抬升導致巴蜀湖消亡。新近紀末與早更新世之間，內(nèi)陸湖盆基本消亡?？偟膩砜?，四川境內(nèi)的古湖從晚白堊世以來一直存在，雖然受構造運動的影響，古湖的大小和位置發(fā)生變化，但在現(xiàn)今金沙江必經(jīng)之路的會理-鹽源一帶在上新世-更新世早期一直有古湖存在。從夷平面上找到的遺跡中見有呈帶狀分布的礫石層，礫石層5 m厚，礫徑一般為3～5 cm，磨圓度較好。僅從礫石形態(tài)和產(chǎn)狀等分析，在新近紀末期以前宜昌地區(qū)以西主要以內(nèi)流河為特征，河流不大，水流平穩(wěn)，不存在大河體系[16]。

宜昌地區(qū)在早白堊世，沉積了石門組和五龍組地層。石門組的巖層厚度分布特征表明，早白堊世早期，形成以此為沉積中心的一系列近源粗碎屑的沖-洪積扇沉積；五龍組以其下部較細的細礫巖、泥質(zhì)砂巖覆蓋在下伏石門組粗碎屑沉積物之上，其中段和上段粒級不斷變粗，粗碎屑組分含量不斷增加。在王家壩至南津關一帶，局部發(fā)育了濱湖相，從而在五龍組下段上部形成了含薄層碳質(zhì)瀝青和植物及腹足類碎片化石的灰綠色粉砂質(zhì)泥巖。晚白堊世宜昌地區(qū)的江漢盆地發(fā)展到最大規(guī)模，斷陷活動十分強烈，是盆地發(fā)展的全盛時期[16]。古近系和新近系以湖相沉積為主，并且夾有大量的石膏和巖鹽。其中新近系主要以湖相黏土巖沉積為主，還夾有石膏黏土層，盆地沉降沉積了新近系廣華寺組及第四系平原組河流、濱淺湖相砂礫巖及黏土層[17]。古近紀的各組地層與上白堊統(tǒng)呈寶塔式重疊在一起，沉積中心上下偏差不大，基本上為內(nèi)疊式沉積?？傮w來看，江漢盆地從白堊紀到古近紀為湖盆環(huán)境，從沉積物的來源來看，是一個多物源的沉積盆地(圖2)，具有內(nèi)陸湖泊沉積的特點。同時對于江漢盆地內(nèi)部而言，在潛江、應城等地區(qū)，從白堊紀到古近紀，均為咸化的湖泊沉積，其沉積特征反映了多物源，但缺少流水出口的特征；而新近紀夾有石膏的淡水湖相沉積也顯示了內(nèi)陸湖泊沉積的特點：由此說明，在新近紀及之前，江漢盆地不存在大河體系流過和貫通的沉積證據(jù)。

圖2　江漢盆地晚白堊世古地理圖Fig.2　Paleogeographic map of Jianghan Basin during late Cretaceous(據(jù)《湖北省區(qū)域地質(zhì)志》，1990)1.古陸區(qū); 2.(角)礫巖； 3.砂礫巖； 4.砂巖-粉砂巖； 5.黏土質(zhì)巖； 6.石鹽巖； 7.硬石膏巖； 8.陸源物質(zhì)遷移方向； 9.山麓沖積扇相； 10.河流相； 11.濱湖三角洲相； 12.咸水湖相

2　樣品的采集與測試

為了進行相關研究，筆者在重慶-宜昌一線進行了詳細野外調(diào)查，并采集了分析測試樣品，主要采樣位置見圖3，采樣剖面特征如下。

004剖面：位于重慶市天鵝抱蛋處，海拔高度為(286±12) m，為長江第Ⅴ級階地，主要為礫石堆積，在礫石層的沖刷面之下見棕黃色細砂質(zhì)沉積，在細砂質(zhì)沉積中采集樣品“T-TL01”。

012剖面：位于萬州市三王壩，海拔高度為160 m，為長江第Ⅱ級階地。為寬闊的臺地地貌，在階坎處見約15 m厚的土黃色砂質(zhì)黏土(黃土)，頂面黑色，見鈣化的姜狀土，有螺化石。下部礫巖中可見鈣質(zhì)硅化層，下部夾有砂質(zhì)、粉砂質(zhì)沉積物。在砂質(zhì)沉積物中采集樣品“WTL01”。在相同地點的長江河漫灘處采集現(xiàn)代河流沉積物“W重砂”。

023剖面：位于奉節(jié)縣泡桐樹，海拔高度為(570±6) m。宏觀上，為圓丘—平梁—緩坡地貌，與長江南岸的低圓丘地貌對應，為低級夷平面(云夢期夷平面)。為坎狀地形，剖面上部為坡積礫石層(含有下部須家河組底部礫巖的礫石，礫石主要以燧石為主，圓狀-次圓狀)、含礫砂土層。在海拔高度(554±7) m處見河流沉積礫石，礫石直徑為1～2 cm，最大可達4～5 cm，次圓-圓狀，有一定的排列方向。棕紅色砂質(zhì)黏土填隙。礫石的成分為：須家河組的礫巖、硅灰?guī)r、石英巖和石英砂巖等，其中須家河組的礫巖的體積分數(shù)約為40%。采集礫石間砂質(zhì)填隙物樣“PT砂-02”。剖面往下為白色黏土層、黃褐色砂質(zhì)沉積(夾有黏土、沖積巨礫沉積)，在砂質(zhì)沉積中采集樣品“PT砂-01”。從該地河流相沉積的特征看，主要以石英質(zhì)礫石為主，有來自下部須家河組礫巖的礫石，反映主要為近源再沉積的產(chǎn)物；但從石英質(zhì)礫石的存在、磨圓度達到圓狀看，有遠源的成分。

圖3　研究區(qū)范圍及剖面采樣位置圖Fig.3　Map showing the study area and sampling positions

037剖面：位于巫山縣楊柳坪，海拔高度為(376±10) m，對應于長江第Ⅴ級階地沉積高度的溶洞地貌。水平溶洞中見棕黃色砂質(zhì)堆積物，為溶洞中的暗河沉積，下部為砂，上部為粉砂。砂質(zhì)層在出露剖面表層可見被鈣質(zhì)膠結，堅硬，砂體長度6 m。在鈣質(zhì)膠結砂中采集樣品“溶洞WS02”。

053剖面：位于葛洲壩技校，海拔高度為(134±8) m，為長江第Ⅴ級階地。上部為具有疊瓦狀礫石的礫石質(zhì)沉積，有棕紅色黏土填隙物；下部為紫紅色黏土、棕黃色粉砂和灰色細砂。在下部灰色細砂沉積中采集樣品“YC02”。ESR確定該剖面時代為T5。

00B剖面：位于宜昌市區(qū)，海拔高度為(104±6) m，為長江第Ⅳ級階地。剖面中礫石由下往上粒徑變小，頂部出現(xiàn)黃褐色黏土層。礫石成分以火山巖為主，可見玄武巖、花崗巖等。在礫石中的砂質(zhì)黏土中采集樣品“00B”。ESR確定該剖面時代為T4。

069剖面：位于三峽大學對面，海拔高度為(113±6) m，為長江第Ⅳ級階地。為典型的具有疊瓦狀的礫石沉積層，其中可見礫石中的越岸砂夾層。在越岸砂中采集樣品“YCT3砂01”。ESR年齡測定結果，該剖面為T4沉積。

025剖面：宜昌市區(qū)長江邊，枯水面海拔高度42.7 m，所測江面海拔高度73 m。采砂船采取的河床砂，代表了現(xiàn)代長江河床沉積，取重砂樣“025”。

017剖面：位于枝江善溪窯公路旁，海拔高度為152 m。剖面整體由棕黃色向棕紅色過渡，主要以礫石為主，局部見直立狀礫石。剖面頂部出現(xiàn)紅色黏土層。采集礫石中砂質(zhì)填隙物樣“017”。ESR年齡測定結果，該剖面為善溪窯組沉積。

015剖面：位于云池李家院子，海拔高度為75 m。剖面整體呈黃棕色，可見黃褐色鐵質(zhì)浸染形成的夾層，礫石為圓到次圓狀，局部見礫石疊瓦狀排列，其傾向方向與砂質(zhì)夾層中細層的傾斜方向一致，均為傾向下游的方向。填隙物主要為含有鈣質(zhì)膠結物灰白色砂巖，取樣品“015”。ESR年齡測定結果，該剖面為云池組沉積。

總結采樣統(tǒng)計如表1，野外剖面照片如圖4。

表1　采樣統(tǒng)計表Table 1　Statistics and properties of the samples

年齡數(shù)據(jù)來源于向芳(2004)[13]、王金元等(2016)[20]。

圖4　野外剖面照片F(xiàn)ig.4　Photographs showing the field profiles(A)004剖面(天鵝抱蛋處的棕黃色剖面); (B)012剖面(見T2上部的砂質(zhì)黃土); (C)023剖面(上部棕紅色砂質(zhì)黏土填隙礫石層); (D) 037剖面(T5階地鈣質(zhì)膠結特征); (E) 053剖面(T5); (F) 00B剖面 (T4); (G) 069剖面 (T4); (H) 017剖面(善溪窯); (I) 015剖面(云池)

重礦物樣品通過如下流程進行處理：首先將每個樣品烘干后稱質(zhì)量(m)，接著破碎(全部通過0.4 mm和0.3 mm的篩子)，之后手工淘洗并與搖床分選，把分選出的粉泥拋棄，得到的灰砂再次淘洗出尾砂和重砂;然后將重砂進行磁選，磁選出的有磁部分進行稱質(zhì)量并作鏡下鑒定，無磁部分作電磁選得到無電磁部分和電磁性部分；最后，將無磁部分重液選或精淘后進行稱質(zhì)量和鏡下鑒定。

對于含量較高的重礦物，以質(zhì)量(m/mg)計算；對于含量較低的重礦物，則分別在鏡下統(tǒng)計顆粒數(shù)，并將統(tǒng)計出來的重礦物顆?？倲?shù)作為分母來進行每個樣品中不同類型重礦物的均一化，最終得出的重礦物分析結果如表2。

3　結果分析

通過表2所得數(shù)據(jù)，可以得出各剖面重礦物含量(圖5)。另外，各剖面中重礦物組合特征以及代表的母巖的巖性如表3。

表2　樣品的重礦物含量統(tǒng)計Table 1　Statistics of the heavy mineral content in samples

大部分含量為顆粒占總顆粒的百分比，少部分含量較高的為質(zhì)量值(m/mg)。
(a) W重砂,現(xiàn)代河床沉積; (b) WTL01(T2); (c)溶洞,WS02(T5); (d) T-TL01(T5); (e) PT砂-01,夷平面; (f) PT砂-02,夷平面; (g) 025,現(xiàn)代河床沉積; (h) 00B(T4); (i) YCT3砂01(T4); (j) YC02(T5); (k) 015,云池組; (l) 017,善溪窯組。

表3　樣品的重礦物組合及母巖巖性表Table 3　Assemblage of heavy minerals and parent rock lithology of the samples

從組合類型來看，以PT砂-01、PT砂-02為代表的三峽段的夷平面沉積中，主要的重礦物組合類型反映母巖為酸性巖漿巖-變質(zhì)巖；而在三峽以東的宜昌地區(qū)，同時代沉積的云池組、善溪窯組沉積的重礦物組合類型同樣反映母巖為酸性巖漿巖-變質(zhì)巖。在三峽段及宜昌地區(qū)的階地沉積中，重礦物組合類型均反映了基性巖漿巖母巖的存在。由此可以認為，夷平面及云池組、善溪窯組沉積的母巖相似，而與階地沉積物的母巖有所差別。

從特征礦物上看，角閃石、鋯石和榍石在“PT砂-01”和“PT砂-02”所代表的夷平面里面沒有出現(xiàn)，同時，在015點和017點所代表的云池組與善溪窯組沉積也沒有出現(xiàn)，而在其他階地沉積卻有存在。鈦鐵礦在“PT砂-01”和“PT砂-02”所代表的夷平面里與015點和017點所代表的云池組、善溪窯組沉積中的含量相對偏高，而在其他階地沉積中的含量相對偏少。金紅石在“PT砂-01”和“PT砂-02”所代表的夷平面里與015點和017點所代表的云池組、善溪窯組沉積中的含量很少，在其他階地沉積里含量相對偏高。另外，綠簾石和輝石在夷平面里的含量較少，在云池組和善溪窯組沉積里甚至沒有。這種特征礦物的分布特征說明夷平面與云池組、善溪窯組的物源相同，與階地沉積的物源有所差異。從圖1和表2上看，長江階地沉積前黃陵穹窿以西的河流與黃陵穹窿以東的河流的重礦物特征比較相似，酸性巖漿巖-變質(zhì)巖的母巖組合最有可能來自于由變質(zhì)巖和黃陵花崗巖構成的黃陵穹窿地區(qū)。而當長江階地形成后，沉積物中出現(xiàn)的基性巖漿巖成分其來源最有可能是面積廣大的峨眉山玄武巖以及攀枝花基性巖。由此可以認為，老的夷平面沉積是由黃陵穹窿為分水嶺、往西流動的河流所形成，云池組、善溪窯組沉積則是從黃陵穹窿分水嶺往東流動的河流所形成。而此后的長江階地是三峽貫通以后，整體向西流動的河流所形成的，因此在重礦物類型、含量、所反映的母巖類型上具有相似性，且都有基性巖漿巖的成分。

4　討論與結論

對于長江貫通年限，前人提出的結論存在一定差異。李長安通過ICP-MS的方法對痕量元素組成進行分析表明，長江可能形成于1.25 Ma B.P.之后[18]。柏道遠[19]基于江漢盆地周老鎮(zhèn)鉆孔第四紀沉積的礫石特征、重礦物組成及磁學特征的研究表明,長江貫通三峽的時間大約在1.1 Ma B.P.。張玉芬等[10]對沉積物的巖性特征、磁學參數(shù)及磁性礦物特征進行了分析研究，結果表明深度在110 m附近的巖芯中粗顆粒成分和穩(wěn)定磁性礦物成分的含量均明顯增高，同時磁化率、飽和等溫剩磁、非磁滯剩磁磁化率值也突然增高，這些證據(jù)暗示此時江漢平原水系曾發(fā)生過重要調(diào)整，從而導致盆地的沉積環(huán)境和物質(zhì)成分也發(fā)生了重大改變，并據(jù)此推斷長江三峽在1.17～1.12 Ma B.P.貫通。陳靜[12]指出了紫蘇輝石、冷杉和云杉花粉對于長江上游物質(zhì)的特殊指示意義,從而得出一個初步認識現(xiàn)代長江是一條很年輕的河流,在晚更新世早期開始影響到現(xiàn)代三角洲河口地區(qū)。屈波[9]通過構造運動推斷三峽的貫通方式可能是先從溶洞貫通開始,然后再逐漸崩塌、擴大,最后演變成峽谷形態(tài)。這種演變過程經(jīng)過了3個階段：①暗河階段、②成谷階段、③峽谷階段，長江可能在(2.0±0.2) Ma B.P.后貫通。另外，屈波對沉積物碎屑鋯石進行U-Pb年齡測定結果表明，長江三角洲的沉積物主要來自長江下游地區(qū)的白堊紀巖體，物源區(qū)比較局限，從3.2 Ma B.P.以來沉積物碎屑鋯石中識別出大量來自長江上游的年齡信息推斷長江貫通的時限不晚于3.2 Ma B.P.。

本文研究表明，從沉積環(huán)境上看，宜昌地區(qū)在新近紀以前都沒有貫通的長江；從重礦物組合類型推測出的母巖組合特征可知，三峽段的夷平面及云池組、善溪窯組沉積的母巖相似，與階地沉積物的母巖有所差別；從特征重礦物的對比結果可以發(fā)現(xiàn)，夷平面與云池組、善溪窯組的物源相同，與階地沉積的物源有所差異。

對比前人的研究，本文得出的結論與前人普遍認為長江的貫通在第四紀相同，但在具體年限上卻有差異。本文通過重礦物和重礦物組合的研究，發(fā)現(xiàn)夷平面與云池組、善溪窯組的重礦物特征是相似的，具有相同的母巖，而與長江貫通后的階地沉積和現(xiàn)代沉積有所差異。說明在長江貫通以前存在有以黃陵穹窿為分水嶺的東西流向的2條水系；王金元等[20]認為善溪窯組結束沉積的時間與三峽地區(qū)最晚一期夷平面穩(wěn)定的時間是一致的，因此樣品分析的結果反映出，在0.75 Ma以前是沒有現(xiàn)代意義的長江，對于長江貫通年限有可能在中更新世，而不是前人認為的新近紀，這與向芳等[8]的ESR年齡測定資料認為的0.7 Ma B.P.前后長江三峽的貫通時間大致相同。也就是說，當黃陵穹隆東翼水系發(fā)生溯源侵蝕和襲奪溝通了黃陵穹隆西翼的水系時，長江才得以貫通，而貫通的時間發(fā)生在0.75 Ma B.P.以后。

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