三峽及鄰區(qū)第四紀(jì)沉積物地球化學(xué)特征及其對古氣候的指示

朱宏博,向 芳,王金元,黃恒旭,康東雅,張 萌

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.貴州煤田地質(zhì)局，貴州 六盤水 553000)

三峽是長江上游向中游的過渡地帶，是中國中、西部山地(第Ⅱ級階梯)與東部平原(第Ⅲ級階梯)的分界線。前人對三峽的形成及古氣候變化研究較多，如唐貴智等[1]認(rèn)為三峽貫通由中更新世大姑冰期冰川的溯源刨蝕最終襲奪而成；王長生[2]則認(rèn)為鄂西山區(qū)不存在第四紀(jì)冰川遺跡，沒有發(fā)生冰川活動；夏凱生等[3]對長江三峽第Ⅰ級階地第四紀(jì)沉積物進(jìn)行地球化學(xué)元素分析研究，認(rèn)為晚更新世晚期處于冰盛期；黃萬波[4]、程捷等[5]、周樂鵬[6]、吳可等[7]對早更新世動植物群特征及晚更新世黃土粒度特征進(jìn)行分析研究，認(rèn)為三峽地區(qū)早更新世為溫暖濕潤氣候，晚更新世為干冷氣候。

前人對三峽古氣候還存在爭議，在沉積學(xué)證據(jù)的研究方面還較為薄弱。由于三峽地區(qū)主要為剝蝕區(qū)，第四紀(jì)堆積物主要保存在階地中，以奉節(jié)和巫山地區(qū)的階地保存較好。鄰區(qū)江漢盆地長江階地保存較好，第四紀(jì)沉積物較為豐富。用沉積物的地球化學(xué)元素指標(biāo)重建古氣候、古環(huán)境演變是古氣候研究的一個重要方法。本文以三峽地區(qū)的低夷平面、階地剖面及宜昌地區(qū)包括階地在內(nèi)的第四紀(jì)沉積物為主要研究對象，分析樣品的地球化學(xué)元素變化特征，結(jié)合電子自旋共振法(ESR)年齡測定數(shù)據(jù)，討論三峽和宜昌地區(qū)第四紀(jì)古氣候的演化過程。結(jié)合全球氣候背景資料、青藏高原隆升過程對氣候影響等方面的資料，探究青藏高原隆升對三峽地區(qū)及宜昌地區(qū)第四紀(jì)古氣候演變的影響。

1 研究區(qū)概況及樣品采集

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)包括位于三峽的奉節(jié)、巫山地區(qū)及宜昌地區(qū)，整體地勢為中部高向東向西地勢逐漸降低。其中，三峽地勢最高，奉節(jié)以西和宜昌以東為丘陵地貌。由于三峽地區(qū)地勢的抬升，長江兩岸存在多級階地及夷平面，現(xiàn)在普遍認(rèn)為長江三峽內(nèi)僅存在5級階地[8-10]，階地在巫山等地保存較完整，峽區(qū)內(nèi)第Ⅳ、第Ⅴ級階地多數(shù)為侵蝕階地，部分可見基座階地，第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ級階地多為堆積階地。

三峽以東宜昌地區(qū)第四紀(jì)沉積物較為豐富，地層保存較完整，早更新世云池組(Q1y)主要為沖積扇沉積，中更新世善溪窯組(Q2s)為沖積扇-湖泊沉積[11]；在江漢盆地內(nèi)部廣泛分布的宜都組(Q3y)和平原組(Q4p)則主要與宜昌地區(qū)的長江第Ⅴ級階地相對應(yīng)，表現(xiàn)為河流相的礫石、砂及黏土堆積。

1.2 第四紀(jì)沉積特征及樣品采集

本文選取了奉節(jié)、巫山和宜昌地區(qū)，分別觀測了低夷平面、階地、沖積扇及湖相沉積物的沉積特征，并進(jìn)行了樣品采集。剖面觀察點(diǎn)及采樣點(diǎn)見圖1。

圖1 研究區(qū)剖面觀察及采樣點(diǎn)Fig.1 Observation and sampling positions of the cross section in the study area

a.奉節(jié)低夷平面

奉節(jié)位于三峽入口處，海拔高度為570 m，±6 m處為平臺狀地貌，被認(rèn)為是云夢期夷平面[12]。海拔高度為554 m左右，在坡積物下見河流成因的礫石堆積，厚約1 m，粒徑多為1～2 cm，礫石為次圓狀-圓狀，具有一定的排列方向，填隙物為棕紅色砂質(zhì)黏土，形成顆粒支撐。采集樣品PT黏土-01,位置見圖2。

圖2 奉節(jié)、巫山低夷平面-長江階地剖面綜合示意圖Fig.2 Comprehensive sketch demonstrating the profile of Fengjie-Wushan low planation surface of Yangtze River terrace(據(jù)黃恒旭等[13]修改)

b.巫山階地剖面

巫山階地較為發(fā)育，階地基座為三疊系巴東組(T2b)，主要為泥巖、灰?guī)r及砂巖。巫山第Ⅴ級階地海拔高度約320 m，為基座階地，堆積物以棕色黏土為主；巫山第Ⅳ級階地，海拔高度約290 m，為基座階地，堆積物為棕褐色黏土，黏度大；巫山第Ⅲ級階地海拔高度約220 m，以黃色黏土沉積為主，含鈣質(zhì)結(jié)核；巫山第Ⅱ、第Ⅰ級階地為堆積階地，海拔高度分別為145 m、120 m，為黃色土狀堆積物，質(zhì)地較為緊密、干燥，含鈣質(zhì)結(jié)核。分別在5級階地的泥質(zhì)沉積物中采集樣品共5件，位置見圖2。

c.宜昌階地剖面

在葛洲壩技校內(nèi)見長江第Ⅴ級階地，海拔高度為 160 m，剖面上可見棕紅色砂、泥層，填隙物為棕紅色黏土，具疊瓦狀構(gòu)造的礫石層，砂層和礫石層為顆粒支撐；市委苗圃內(nèi)，見長江第Ⅳ級階地，海拔高度為120 m，厚約10 m，主要為紅棕色黏土及礫石，礫石層為顆粒支撐類型；長江第Ⅲ級階地為基座階地，海拔高度為100 m,整體主要為黃褐色砂、礫石層，形成顆粒支撐；318國道旁見長江第Ⅱ級階地，海拔高度為60 m,為黃棕色黏土及含鈣質(zhì)膠結(jié)物的砂、礫石層，顆粒支撐為主；長江第Ⅰ級階地被長江兩岸護(hù)堤遮蓋難以找到。宜昌階地共采樣品2件，采樣點(diǎn)見圖3。

d.云池剖面

位于宜昌云池李家院子處，露頭為云池組與善溪窯組(圖4)。

頂部A、B層屬善溪窯組，A層為粒徑粗大、分選性差的礫石層堆積，厚2～6 m，雜基支撐；B層為礫石層堆積，厚約6 m，褐紅色黏土填隙物，雜基支撐。C、D層屬云池組，C層為灰白色夾黃色砂層，厚8 m，半固結(jié)，質(zhì)地均勻，偶見1～2 cm礫石，頂部為沖刷面，具有鐵質(zhì)殼；下部D層，約為12 m厚的礫石層，呈棕黃色，雜基支撐，見黃褐色鐵質(zhì)浸染形成的夾層。

e.盧演沖水庫剖面

盧演沖水庫西側(cè)海拔高度約80 m，所見剖面為云池組下部沉積，整體呈棕紅色、褐紅色，主要為礫石層堆積，填隙物為褐紅色砂、粉砂質(zhì)黏土，雜基支撐。采集礫石層中填隙物樣028-T3。

f.善溪窯磚廠剖面

位于磚廠道路附近，海拔高度為160 m，見韻律狀黃色細(xì)砂-粉砂沉積，層理之間見鐵質(zhì)夾層，向上過渡為磚紅色黏土沉積，黏土質(zhì)地均勻，不見網(wǎng)紋紅土化，采集細(xì)砂-粉砂沉積之上的磚紅色黏土樣品018-亞黏土、010-NTY。

g.三峽機(jī)場剖面

三峽機(jī)場附近長壽山莊旁，海拔高度為192m。剖面厚度3～4 m，整體為善溪窯組上部沉積。剖面呈紅褐色，下部見厚約1 m的礫石層，填隙物為紅棕色砂質(zhì)黏土，見少量網(wǎng)紋化；上部為網(wǎng)紋紅土，采集紅土樣品YCJC黏土、網(wǎng)紋樣品SXJC網(wǎng)紋，并采集礫石中砂質(zhì)黏土填隙物樣品SXJC紅土。

圖3 宜昌長江階地剖面示意圖Fig.3 Sketch showing the Yangtze River terrace section in Yichang(據(jù)李鐘陵[14]修改)

圖4 云池組與善溪窯組剖面圖Fig.4 Profile showing the Yunchi Formation and Shanxiyao Formation (據(jù)黃恒旭等[13]修改)

各剖面的樣品信息見表1。

1.3 樣品年齡討論

表1數(shù)據(jù)來源為向芳等[9,15]的研究及本次研究的補(bǔ)充數(shù)據(jù)，采用相同剖面中礫石層砂質(zhì)填隙物ESR年齡測定結(jié)果，并與前人[16-17]研究進(jìn)行對比而確定。從數(shù)據(jù)中可以看出宜昌云池組底部礫石層的年齡為1.1 Ma左右，為早更新世沉積；善溪窯組沉積年齡為0.87～0.75 Ma，為早更新世晚期到中更新世早期沉積；奉節(jié)低夷平面礫石層中填隙物的年齡為0.749 Ma，沉積時間為早更新世晚期；長江5級階地的沉積年齡為0.7～0.01 Ma，屬于中更新世到晚更新世晚期沉積。

表1 樣品年齡Table 1 Dated ages of the samples

(部分?jǐn)?shù)據(jù)據(jù)向芳等[9,15])

2 元素地球化學(xué)特征

元素地球化學(xué)分析在四川省冶金地質(zhì)巖礦測試中心進(jìn)行，分析元素包括Sr、Rb、Al、Na、Mg、Ca、Fe。樣品制備方法及過程見相關(guān)文獻(xiàn)[18]。

儀器測試條件為：Rf發(fā)射器功率為1.25 kW，霧化器壓力為125 kPa，冷卻氣流速度為0.8 L/min，霧化器流速為0.8 L/min，蠕動泵流量為1.5 mL/min，載氣流速15 L/min，監(jiān)測依據(jù)為DZG20-02，環(huán)境溫度為23℃。樣品測試結(jié)果見表2。

依據(jù)年齡數(shù)據(jù)及元素地球化學(xué)分析結(jié)果分別做三峽及宜昌地區(qū)化學(xué)元素含量隨年代的變化曲線圖(圖5，圖6)。

3 第四紀(jì)古氣候

3.1 化學(xué)元素對古氣候的指示意義

當(dāng)巖石處于地表時，風(fēng)化現(xiàn)象必然發(fā)生。一般情況，溫暖潮濕地區(qū)，化學(xué)風(fēng)化作用及物理風(fēng)化作用較為強(qiáng)烈，而在干旱寒冷地區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用受到抑制，主要以物理風(fēng)化作用為主。由于組成巖石的元素的化學(xué)性質(zhì)的差異，元素在不同的風(fēng)化條件下遷移能力不同，風(fēng)化過程中一般會發(fā)生元素分異現(xiàn)象。

沉積物中的主元素Na、Mg、Ca等容易發(fā)生遷移，因此，表生沉積物中Na2O、MgO、CaO含量較高時反映當(dāng)時氣候條件比較干旱，降水較少；相反，則風(fēng)化作用較強(qiáng)，反映了氣候濕潤。Al和Fe元素的遷移能力較弱，往往殘留在原地形成紅土。

表2 化學(xué)元素測試結(jié)果Table 2 Test results of geochemical analysis

圖5 三峽地區(qū)沉積物中元素變化曲線Fig.5 Element variation curves of the sediments in Three Gorges area

圖6 宜昌地區(qū)沉積物中元素變化曲線Fig.6 Element variation curves of the sediments in Yichang area

因此，表生沉積物中Al2O3和Fe2O3的含量較高時反映當(dāng)時的氣候比較濕潤，反之氣候比較干旱[19]。

在研究古氣候時經(jīng)常使用痕量元素的比值來反映當(dāng)時的氣候條件，Rb/Sr比值通常被用來反映化學(xué)風(fēng)化程度，具有明顯的氣候指示意義。其中Rb相對穩(wěn)定，Sr易發(fā)生遷移，因此Rb/Sr的比值較高時反映當(dāng)時的氣候較濕潤，相反時指示氣候比較干冷[20-21]。

本文研究對象為三峽及宜昌地區(qū)第四紀(jì)黏土及黃土，沉積物的來源均為河流搬運(yùn)，因此本次研究滿足沉積物粒度相近及物質(zhì)來源相同這一前提條件。

3.2 三峽及宜昌地區(qū)第四紀(jì)古氣候特征

3.2.1 三峽地區(qū)古氣候演化特征

依據(jù)年齡測定數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)三峽地區(qū)低夷平面形成于0.749 Ma B.P.(早更新世晚期),5級階地形成于0.7～0.01 Ma B.P.(中更新世到晚更新世晚期)。低夷平面上堆積的河流沉積總體為棕紅色砂質(zhì)黏土和礫石堆積，巫山第Ⅴ、第Ⅳ級階地為基座階地，堆積物以褐黃色黏土為主；第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ級階地為堆積階地，以黃色黏土或黃土沉積為主，并含鈣質(zhì)結(jié)核。

依據(jù)三峽地區(qū)元素變化曲線(圖5)，可以發(fā)現(xiàn)沉積物中Al2O3和Fe2O3的含量在低夷平面及第Ⅴ、第Ⅳ級階地中較高，在第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ級階地中較低，同時從低夷平面到第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ級階地，沉積物中Al2O3和Fe2O3含量的變化趨勢以降低為主；主元素Na2O、MgO、CaO的含量在低夷平面及第Ⅴ、第Ⅳ級階地中較低，在第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ級階地中較高，Na2O、MgO、CaO含量的變化趨勢為逐漸增加；Rb/Sr曲線變化趨勢為從低夷平面向第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ級階地遞減。

沉積物特征和元素變化趨勢表明，三峽地區(qū)早更新世晚期低夷平面及中更新世第Ⅴ、第Ⅳ級階地形成期峽區(qū)的氣候相對溫暖濕潤，中更新世晚期第Ⅲ級階地形成期古氣候開始轉(zhuǎn)變，到晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ階地形成期古氣候變干變冷。

3.2.2 宜昌地區(qū)古氣候演化特征

依據(jù)年齡數(shù)據(jù)可以看出宜昌地區(qū)善溪窯組和云池組屬于早更新世中晚期沉積。云池組下部礫石填隙物為褐紅色砂質(zhì)黏土，并含黃褐色鐵質(zhì)夾層。善溪窯組下部礫石填隙物為磚紅色砂質(zhì)黏土，層理之間見鐵質(zhì)夾層；上部見紅褐色網(wǎng)紋紅土沉積。宜昌地區(qū)第Ⅴ級階地礫石層填隙物為棕紅色黏土，第Ⅳ級階地見棕紅色黏土，第Ⅲ級階地整體為黃褐色砂礫石層，第Ⅱ級階地見黃棕色黏土沉積并含鈣質(zhì)膠結(jié)物。因此，認(rèn)為宜昌地區(qū)早更新世中晚期云池組、善溪窯組及中更新世第Ⅴ、第Ⅳ級階地形成期古氣候相對暖濕，中更新世晚期第Ⅲ級階地形成期古氣候發(fā)生轉(zhuǎn)變，到晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ級階地形成期氣候變干變冷。

依據(jù)宜昌地區(qū)沉積物中元素變化曲線(圖6)，可以發(fā)現(xiàn)沉積物中Al2O3和Fe2O3含量波動變化明顯，但總體呈現(xiàn)降低趨勢；Na2O、MgO、CaO的含量在云池組和善溪窯組變化不明顯，但到第Ⅴ、第Ⅳ級階地明顯增加。Rb/Sr比值曲線在云池組和善溪窯組變化也不明顯，但從善溪窯組到第Ⅴ、第Ⅳ級階地明顯下降。元素的變化特征表明，善溪窯組及云池組沉積時古氣候基本穩(wěn)定，而之后有向干、冷方向變化的趨勢。

沉積特征和元素變化趨勢表明，宜昌地區(qū)的第四紀(jì)古環(huán)境演化趨勢大致為：早更新世中晚期云池組及善溪窯組沉積時為暖濕氣候；中更新世第Ⅴ、第Ⅳ級階地形成期古氣候變化不明顯，仍然以相對暖濕氣候為主；中更新世晚期第Ⅲ級階地形成期氣候開始轉(zhuǎn)變；到晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ階地形成期氣候變干變冷。

3.2.3 宜昌地區(qū)和三峽地區(qū)古氣候演化對比

從年齡數(shù)據(jù)來看，云池組下部沉積時代為早更新世中期，善溪窯組沉積時代為早更新世晚期-中更新世。奉節(jié)云夢期夷平面上砂質(zhì)沉積物為0.749 Ma B.P.，與宜昌地區(qū)善溪窯組上部網(wǎng)紋紅土之下的礫石層沉積時間相同。奉節(jié)云夢期低夷平面上的河流相礫石堆積，填隙物為棕紅色砂質(zhì)黏土，在海拔高度470～570 m位置，廣泛分布著棕紅色風(fēng)化堆積物。三峽地區(qū)低夷平面形成時期與宜昌善溪窯組上部網(wǎng)紋紅土沉積同屬于暖濕古氣候環(huán)境。

三峽巫山第Ⅴ、第Ⅳ級階地以棕紅色及棕褐色黏土堆積為主，同時Al2O3和Fe2O3的含量較高，NaO、MgO、CaO的含量較低，第Ⅲ級階地見鈣質(zhì)結(jié)核，第Ⅱ、第Ⅰ階地見黃土堆積，并含有鈣質(zhì)結(jié)核，同時Al2O3和Fe2O3的含量較低，NaO、MgO、CaO的含量較高，表現(xiàn)出三峽地區(qū)中更新世第Ⅴ、第Ⅳ級階地形成期古氣候相對暖濕；中更新世晚期第Ⅲ級階地形成期古氣候開始轉(zhuǎn)變，到晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ級階地形成期古氣候變干變冷。宜昌地區(qū)第Ⅴ、第Ⅳ級階地見棕紅色黏土，同時Al2O3和Fe2O3的含量較高，NaO、MgO、CaO的含量較低；第Ⅲ級階地主要為黃褐色砂礫石層，第Ⅱ級階地見黃棕色黏土沉積并含鈣質(zhì)膠結(jié)物。反映了宜昌地區(qū)的古氣候演化過程為:中更新世第Ⅴ、第Ⅳ級階地形成期為暖濕氣候，中更新世晚期第Ⅲ級階地形成期古氣候已經(jīng)開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ級階地形成期古氣候變干變冷。綜上可以發(fā)現(xiàn)三峽地區(qū)和宜昌地區(qū)第四紀(jì)古氣候演化過程基本相似，古氣候在第Ⅲ級階地形成期開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此可以推測出影響和控制三峽地區(qū)和宜昌地區(qū)第四紀(jì)古氣候發(fā)生轉(zhuǎn)變的因素大致相同。

3.3 青藏高原演化對氣候的影響

從北大西洋氧同位素曲線[22]可知，新生代古新世到第四紀(jì)晚更新世古氣候迅速變冷，進(jìn)入第四紀(jì)冰期，青藏高原隆升改變原來行星風(fēng)系，亞洲季風(fēng)出現(xiàn)并逐步加強(qiáng)，第四紀(jì)時期氣候逐漸變冷[23]。在第四紀(jì)前，青藏高原隆升的海拔高度不超過1 km[24]，早更新世青藏高原逐漸抬升，分別經(jīng)歷了青藏運(yùn)動B幕(2.5 Ma B.P.)、青藏運(yùn)動C幕(1.7 Ma B.P.)，昆黃運(yùn)動(1.1～0.6 Ma B.P.)、共和運(yùn)動(150 ka B.P.)，最后隆升成為“世界屋脊”。隨著青藏高原逐漸隆升，氣候發(fā)生的變化逐漸影響到周圍地區(qū)并逐漸對全球氣候產(chǎn)生影響。通過以上對三峽和宜昌地區(qū)更新世以來的古氣候變化過程的研究，對比青藏高原隆升階段及其對氣候的影響，認(rèn)為青藏高原隆升對青藏高原地區(qū)及周邊環(huán)境影響很大，當(dāng)青藏高原隆升到平均海拔高度2 km時，來自印度洋的暖濕氣流還可以爬升到高原之上，此時青藏高原對三峽及宜昌地區(qū)的影響較小，故在早更新世早中期三峽及宜昌為濕熱的古氣候環(huán)境；當(dāng)青藏高原隆升到平均海拔高度3 km時，暖濕氣流已經(jīng)無法翻越青藏高原，青藏高原變冷，導(dǎo)致冬季風(fēng)加強(qiáng)，黃土擴(kuò)大堆積范圍，但此時三峽及宜昌地區(qū)未見干冷古氣候記錄，因此青藏高原在此階段的隆升對三峽及宜昌地區(qū)影響仍然較??；當(dāng)青藏高原隆升到平均海拔高度4 km時，青藏高原對周圍環(huán)境的影響越來越大，冬季風(fēng)進(jìn)一步加強(qiáng)，導(dǎo)致三峽及宜昌地區(qū)第Ⅲ級階地出現(xiàn)黃褐色黏土沉積，并含鈣質(zhì)結(jié)核，說明當(dāng)時古氣候開始轉(zhuǎn)變，到第Ⅱ、第Ⅰ級階地形成期古氣候顯著變干變冷，因此150 ka B.P.之后青藏高原對三峽及宜昌地區(qū)的古氣候影響較大。

4 結(jié) 論

a.三峽和宜昌地區(qū)的古氣候演化趨勢相同，表現(xiàn)為：早更新世中晚期云池組、善溪窯組及中更新世第Ⅴ、第Ⅳ級階地形成期為暖濕的氣候，到中更新世晚期第Ⅲ級階地形成期古氣候開始轉(zhuǎn)變，晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ級階地形成期氣候變干變冷。

b.三峽及宜昌地區(qū)第四紀(jì)古氣候變化與青藏高原隆升密切相關(guān)，青藏高原隆升到海拔高度<4 km時，對三峽及宜昌地區(qū)的古氣候影響較??；150 ka B.P.之后青藏高原隆升至海拔高度4 km，此時青藏高原對三峽及宜昌地區(qū)的古氣候影響較大。