湖北宜昌第四紀(jì)沉積物中鐵質(zhì)重礦物特征對(duì)三峽貫通的指示*

由文智 向 芳 楊坤美 姜月華 喻顯濤 李 磊

1成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都 610059 2成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川成都 610059 3成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059 4中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇南京 210016

1 概述

大河流域的形成演化史一直以來都是地學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。長江作為亞洲第一長河和世界第三長河，其形成演化史備受國內(nèi)外地學(xué)界的廣泛關(guān)注(Willisetal.，1907；李四光，1924；李春昱，1933；任美鍔，1958；沈玉昌，1965；楊達(dá)源，1988；Fanetal.，2005；范代讀和李從先，2007；張信寶等，2018)。因長江橫貫中國東西，流域面積廣且流域內(nèi)巖性變化較大，對(duì)于長江演化的研究一般分段進(jìn)行(范代讀等，2012)，其中位于長江上游的長江三峽是長江演化中最受關(guān)注的河段之一(雷文大等，2009)。

前人對(duì)長江三峽河段的研究，內(nèi)容主要涉及階地和夷平面期次劃分、三峽的成因及貫通時(shí)間等方面。目前的研究一般認(rèn)為三峽沿岸的階地有5級(jí)，夷平面可分為3期(田陵君等，1996；向芳，2004；謝世友等，2006)，但在三峽的成因方面有先成谷和次成谷的爭論，并且對(duì)于三峽的貫通時(shí)間尚無定論，前人提出的時(shí)間從侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)直到15—20萬年前均有述及(沈玉昌，1965；李長安和張玉芬，1999；Clarketal.，2004；Zhengetal.，2013)。近年來的研究普遍認(rèn)為三峽的貫通發(fā)生在第四紀(jì)，但對(duì)于貫通的具體年限看法不一(張葉春，1995；范代讀和李從先，2007；楊建等，2014；Xiangetal.，2018)。長期以來，人們對(duì)長江三峽貫通的研究由于受地貌保存完整性和傳統(tǒng)沉積學(xué)物源解釋局限性的影響，對(duì)于三峽貫通時(shí)間和模式的存在多解性。

利用沉積物中穩(wěn)定重礦物進(jìn)行示蹤的物源分析是常用的一種方法。隨著電子探針等分析手段的發(fā)展，利用單顆粒重礦物的物理和化學(xué)性質(zhì)來研究物源演化取得了較好的成果，常見的有利用石榴石、鋯石和鈦鐵氧化物(磁鐵礦、鈦鐵礦和尖晶石等)等的化學(xué)組分及其類型、含量、光學(xué)性質(zhì)等來判斷物源，并且提出了一些典型的化學(xué)組分判定圖(林師整，1982；陳光遠(yuǎn)等，1987；王順金，1987；楊守業(yè)等，2000；楊蓉等，2010；向芳等，2011；楊仁超等，2013；王中波等，2018；Xiangetal.，2018)。

沉積物中磁鐵礦、赤鐵礦和鈦鐵礦等鐵質(zhì)氧化物的來源廣泛，在風(fēng)化、搬運(yùn)過程中耐磨蝕、穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠較好地繼承母巖特性，從而成為很好的物源示蹤劑(Grigsby，1990；楊守業(yè)等，2000；王中波等，2007；康春國等，2009；Songetal.，2013)。中國學(xué)者將磁鐵礦等鐵質(zhì)重礦物作為物源研究手段應(yīng)用于三峽貫通方面少見，并且前人主要集中在對(duì)磁鐵礦混合樣的物理和化學(xué)標(biāo)型特征進(jìn)行研究，而將單顆粒鐵質(zhì)重礦物作為物源研究手段較少見(陳光遠(yuǎn)等，1987；王順金，1987；楊守業(yè)等，2000；王中波等，2007；康春國等，2014；Xiangetal.，2018)。相對(duì)于傳統(tǒng)的地層學(xué)、巖石學(xué)、重礦物組合特征物源分析法，以及近幾年常用的單顆粒鋯石U-Pb年代學(xué)物源分析法，利用單顆粒碎屑礦物的掃描電鏡、能譜及電子探針分析，可以通過礦物顆粒的結(jié)構(gòu)特征、化學(xué)組成和示蹤元素來分析物源，具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。因此本研究通過分析宜昌地區(qū)第四紀(jì)代表性沉積物中鐵質(zhì)重礦物的元素和顯微結(jié)構(gòu)特征，探討其物源變化過程，獲得長江三峽貫通的信息。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

長江三峽是指重慶奉節(jié)到湖北宜昌的南津關(guān)一帶，位于四川盆地以東(圖 1-a)。宜昌地區(qū)位于三峽出口處江漢盆地的西緣(圖 1-b)，地勢西高東低，海拔350～1700m，該區(qū)主要沉積了白堊系、古近系、新近系及第四紀(jì)早期的沉積物，第四紀(jì)沉積物主要包括沖積、洪積和湖積物。宜昌及鄰區(qū)第四紀(jì)沉積物由下至上劃分為下更新統(tǒng)云池組、中更新統(tǒng)善溪窯組、上更新統(tǒng)宜都組和全新統(tǒng)平原組(湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990)。

位于長江三峽以東、緊鄰宜昌西側(cè)的黃陵穹窿，被前人認(rèn)為是分隔三峽東西兩地的分水嶺(李四光，1924；葉良輔和謝家榮，1925；李承三，1956)。黃陵穹窿包括基底和蓋層，基底由晚太古代—早元古代崆嶺群、前晉寧期基性—超基性巖體和晉寧期黃陵花崗巖侵入體構(gòu)成，蓋層包括震旦系—中侏羅統(tǒng)，圍繞基底由老至新順序向外環(huán)形分布。從黃陵穹窿核部出露巖性分布(圖 1-c)可以看出，現(xiàn)今長江流經(jīng)區(qū)出露的巖性以黃陵花崗巖為主，還有極少量表殼巖和閃長巖(馬大銓等，2002)。除黃陵穹窿外，在長江三峽河段主要出露的地層為各種類型的沉積巖(湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990)，三峽以西的長江上游干流流域范圍內(nèi)，出露面積最廣的基性巖漿巖體為大面積分布于四川、云南、貴州的峨眉山玄武巖(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991)和攀枝花釩鈦磁鐵礦(圖 1-a)。

3 樣品來源和分析方法

根據(jù)“從源到匯”的思路，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和前人分析(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991；趙一鳴和吳良士，2004；康春國等，2014)，三峽以西的鐵質(zhì)重礦物主要蘊(yùn)含在長江上游峨眉山玄武巖和攀枝花釩鈦磁鐵礦中，三峽以東的宜昌地區(qū)若出現(xiàn)了來自峨眉山玄武巖和攀枝花釩鈦磁鐵礦中的鐵質(zhì)重礦物，即表明三峽已經(jīng)貫通。

研究樣品采集自宜昌地區(qū)云池組015和021剖面、善溪窯組017和024剖面、長江T5階地的YC02剖面、長江T4階地的00B剖面以及現(xiàn)代河床沉積物的025剖面(圖 1-b；表 1)，同時(shí)采集三斗坪的黃陵花崗巖、攀枝花的釩鈦磁鐵礦、峨眉清音電站的峨眉山玄武巖3種對(duì)比樣。其中015、017、021、024為中更新世的沖積扇—扇三角洲—湖相沉積剖面，有學(xué)者認(rèn)為這些剖面的沉積物是三峽貫通后形成的(李長安等，1999；Lietal.，2001)，也有研究發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)剖面在沉積相方面與河流沉積有差異(向芳，2004)，在部分地段能看見善溪窯組上部的湖相沉積被階地下部的礫石層所切割(湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990)，因此本文通過鐵質(zhì)重礦物進(jìn)行物源分析，來證實(shí)這些沉積與三峽貫通的關(guān)系，為三峽貫通時(shí)間提供新的證據(jù)。采樣剖面沉積與地貌特征見圖 2，樣品信息見表 1。

a—宜昌地區(qū)位置及峨眉山玄武巖—攀枝花釩鈦磁鐵礦及黃陵穹窿分布(據(jù)楊建等，2014，有修改)；b—宜昌地區(qū)范圍和采樣點(diǎn)位置；c—黃陵穹隆核部出露巖性及分布圖(據(jù)馬大銓等，2002)。巖性代號(hào)： Ar3-基底片麻巖；Pt-表殼巖；∑2-橄欖巖；ν2-輝長巖；δ2-閃長巖；γ21-圈椅埫花崗巖；γ22-黃陵花崗巖；Z+Pz-震旦系及古生界圖 1 宜昌地區(qū)位置及相關(guān)物源區(qū)分布Fig.1 Location of Yichang area and distribution of related provenance areas

表 1 宜昌地區(qū)沉積物鐵質(zhì)重礦物樣品及可能母巖樣品信息Table 1 Information of samples of iron heavy minerals in Yichang area and samples of possible parent rocks

從圖 2-a可以看出，善溪窯組A層頂部為褐紅色黏土，含有不規(guī)則網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)和鐵錳結(jié)核；上部為具有爬升沙紋層理和波狀層理的磚紅色黏土，無網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，屬湖泊相沉積。善溪窯組B層上部為紅褐色黏土填隙的礫石層，代表沖積扇相沉積，為粒徑粗大、分選差的礫石層，厚2～6m，024樣品取自該礫石層中的砂質(zhì)夾層；下部為6m厚的褐紅色黏土填隙的礫石層堆積，代表沖積扇相沉積，其上部礫石呈水平狀，下部礫石層具斜層理，017樣品取自該層礫石層中的砂質(zhì)夾層。云池組C層為半固結(jié)灰白色夾黃色砂層，厚8m，質(zhì)地均勻，偶見1～2cm大小的礫石；頂面為一沖刷面，具有鐵質(zhì)殼；上部砂層發(fā)育平行層理，下部發(fā)育斜層理。云池組D層為約12m厚的棕黃色礫石層，含紅褐色鐵質(zhì)浸染形成的夾層；上部為4～5m厚的層狀棕紅色砂礫，中間充填有棕紅色砂礫和粉質(zhì)黏土，015樣品取自其中；下部為磚紅色砂質(zhì)黏土層和具交錯(cuò)層理的局部砂礫層，021樣品取自礫石層中砂質(zhì)夾層；與下伏地層呈角度不整合接觸。已有的研究表明，云池組主要為沖積扇—扇三角洲沉積，善溪窯組為沖積扇—湖泊沉積(向芳，2004；Xiangetal.，2007)。

表 2 宜昌地區(qū)沉積物可能母巖樣品中鐵質(zhì)礦物能譜和背散射分析統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of energy spectrum and backscattering analysis of iron minerals in possible parent rocks samples from sediments in Yichang area

表 3 宜昌地區(qū)沉積物樣品鐵質(zhì)重礦物能譜和背散射分析統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of energy spectrum and backscattering analysis of iron heavy minerals in samples from sediments in Yichang area

表 4 宜昌地區(qū)沉積物及可能母巖樣品中代表性鐵質(zhì)重礦物能譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of energy spectrum data of representative iron heavy minerals in samples from sediments in Yichang area and possible parent rocks

表 5 宜昌地區(qū)沉積物樣品鐵質(zhì)重礦物電子探針平均值(%)Table 5 Average electron probe values(%) of iron heavy minerals in different samples from sediments in Yichang area

長江T5、T4級(jí)階地剖面如圖 2-b。宜昌T5階地為基座階地，海拔高度為145～155m，基座部分為善溪窯組上部粉砂質(zhì)泥、砂和礫石沉積(湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990)。階地面被15～23m的沉積物覆蓋，上部大部分雖被耕地破壞，但仍保留有棕紅色砂泥層；下部礫石呈疊瓦狀排列，YC02樣品在此處采集。T4級(jí)階地同樣為基座階地，剖面底部海拔高度為115～120m，出露高度10～12m，為砂質(zhì)黏土填隙的礫石層，局部出現(xiàn)砂質(zhì)夾層，00B樣品從中采集，剖面總體的顏色為紅棕色。

a—云池組與善溪窯組剖面；b—宜昌地區(qū)長江T5、T4階地剖面(基座的巖性資料來源于湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1990)圖 2 宜昌地區(qū)采樣剖面沉積和地貌特征(年齡數(shù)據(jù)來源于Xiang et al.，2007)Fig.2 Sedimentary and geomorphologic characteristics of sampling sections in Yichang area(age data from Xiang et al.，2007)

樣品處理測試過程如下： 取上述砂樣樣品50g，利用三溴甲烷(密度為2.89g/cm3)將輕重礦物分離，然后通過多次磁選選出磁性礦物，在實(shí)體顯微鏡下鑒定選出的鐵質(zhì)礦物顆粒，并在雙目鏡下挑選晶形好且干凈的顆粒，用樹膠固定在載玻片上，拋光制成薄片，接著進(jìn)行噴碳處理，最終制成電子探針及掃描電鏡測試樣品。掃描電鏡以及能譜測試在成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，共計(jì)10個(gè)樣品130顆。進(jìn)行測試的場發(fā)射掃描電鏡儀器型號(hào)為Quanta 250 FEG+Inca X-max20，工作環(huán)境條件為溫度19℃、濕度45%RH。電子探針測試所用儀器是長安大學(xué)的JXA-8100型電子探針(日本電子株式會(huì)社)，工作條件為加速電壓15kV、束流1×10-8A，精度0.01%。使用電子探針測試了186顆鐵質(zhì)重礦物的FeO、Al2O3、MgO、TiO2、MnO、Cr2O3和V2O3等15種氧化物的含量。

a—峨眉山玄武巖中均一結(jié)構(gòu)鈦鐵礦；b—峨眉山玄武巖中含透輝石等的鈦鐵礦；c—黃陵花崗巖中均一結(jié)構(gòu)赤鐵礦；d—攀枝花釩鈦磁鐵礦中具出溶結(jié)構(gòu)的釩鈦磁鐵礦圖 3 宜昌地區(qū)沉積物3種可能母巖樣品中鐵質(zhì)礦物的特征背散射圖像Fig.3 Backscatter images of three samples of possible parent rocks from sediments in Yichang area

a—015樣品中均一結(jié)構(gòu)含鈦赤鐵礦；b—015樣品中赤鐵礦包裹磷灰石；c—021樣品中鈦鐵礦、銳鈦礦和赤鐵礦出溶鐵質(zhì)礦物；d—021樣品中均一結(jié)構(gòu)赤鐵礦；e—021樣品中赤鐵礦包裹磷灰石；f—017樣品中均一結(jié)構(gòu)釩鈦磁鐵礦；g—017樣品中含鈦赤鐵礦包裹磷灰石；h—017樣品中赤鐵礦與鈣長石出溶；i—024樣品中均一結(jié)構(gòu)赤鐵礦圖 4 宜昌地區(qū)沉積物015、021、017、024、00B、025樣品鐵質(zhì)重礦物的特征背散射圖像(Ⅰ)Fig.4 Backscattering images of iron heavy minerals in samples 015，021，017，024，00B and 025 from sediments in Yichang area(Ⅰ)

a—024樣品中含鈦赤鐵礦包裹鋯石；b—024樣品中鈦鐵礦與赤鐵礦出溶；c—00B樣品中鈦鐵礦與含鐵銳鈦礦出溶；d—025樣品中鈦鐵礦與釩鈦磁鐵礦出溶；e—025樣品中均一結(jié)構(gòu)赤鐵礦；f—025樣品中赤鐵礦包裹磷灰石；g—YC02樣品中均一結(jié)構(gòu)含鈦赤鐵礦；h—YC02樣品中含鈦赤鐵礦包裹磷灰石；i—YC02樣品中鈦鐵礦與含鐵銳鈦礦出溶圖 5 宜昌地區(qū)沉積物015、021、017、024、00B、025樣品鐵質(zhì)重礦物的特征背散射圖像(Ⅱ)Fig.5 Backscattering images of iron heavy minerals in samples 015，021，017，024，00B and 025 from sediments in Yichang area(Ⅱ)

4 鐵質(zhì)重礦物特征

4.1 鐵質(zhì)重礦物掃描電鏡和能譜特征

在立體鏡下，樣品中的鐵質(zhì)重礦物顏色為黑色、褐紅色和褐黑色，形狀以不規(guī)則粒狀為主，少量為八面體、次圓粒狀，部分顆粒表面可見褐鐵礦化。

在背散射圖像上(圖 3)，3種對(duì)比樣分析樣特征表現(xiàn)為： 峨眉山玄武巖中鐵質(zhì)礦物大部分具有均一結(jié)構(gòu)，常見包裹體結(jié)構(gòu)，出溶結(jié)構(gòu)不發(fā)育(圖 3-a，3-b)；黃陵花崗巖中鐵質(zhì)礦物都為均一結(jié)構(gòu)(圖 3-c)；攀枝花釩鈦磁鐵礦中鐵質(zhì)礦物全部具出溶結(jié)構(gòu)(圖 3-d)。015、017、021、024、00B、YC02和025樣品中鐵質(zhì)重礦物背散射圖像(圖 4，圖 5)表現(xiàn)為一部分為均一結(jié)構(gòu)，常見包裹體結(jié)構(gòu)，而在015和017樣品中偶見出溶結(jié)構(gòu)，021、024、025、00B和YC02樣品中出溶結(jié)構(gòu)較發(fā)育(圖 4-c；圖 5-b，5-c，5-d，5-i)。并且在出溶結(jié)構(gòu)中，這些礦物顆粒表面的結(jié)構(gòu)形態(tài)表現(xiàn)為，017和021樣品中多見不規(guī)則狀(圖 4-c，4-h)，024、025、00B和YC02樣品中則同時(shí)具有不規(guī)則狀和規(guī)則格子狀。

通過能譜數(shù)據(jù)(表 2，表 4)可以發(fā)現(xiàn)，黃陵花崗巖鐵質(zhì)重礦物都為均一結(jié)構(gòu)的赤鐵礦；峨眉山玄武巖均一結(jié)構(gòu)鐵質(zhì)礦物主要是鈦鐵礦與黃銅礦，包裹體結(jié)構(gòu)為鈦鐵礦包裹透輝石；攀枝花釩鈦磁鐵礦都為釩鈦磁鐵礦與鈦鐵礦或黃鐵礦構(gòu)成的出溶結(jié)構(gòu)。研究區(qū)的7個(gè)樣品中(表 3)，均一結(jié)構(gòu)的鐵質(zhì)重礦物主要為赤鐵礦，其次可見含鈦赤鐵礦、含鉻赤鐵礦、釩鈦磁鐵礦，其中，025、YC02和00B樣品中釩鈦磁鐵礦含量更高。包裹體結(jié)構(gòu)中，7個(gè)樣品以赤鐵礦和含鈦赤鐵礦包裹磷灰石、石英和鋯石為主，在025樣品中可見含鈦赤鐵礦包裹橄欖石，在YC02樣品中可見鈦鐵礦包裹鉻鐵礦；出溶結(jié)構(gòu)中，015樣品不見此類鐵質(zhì)重礦物，017、021和024樣品中可見赤鐵礦與含鈦赤鐵礦、含鐵銳鈦礦等的出溶，025、YC02和00B樣品中不僅有赤鐵礦與其他礦物的出溶，還出現(xiàn)了釩鈦磁鐵礦與鈦鐵礦、含鐵銳鈦礦與鈦鐵礦、鈦鐵礦與含釩鈦鐵礦、釩鈦磁鐵礦與含鈦赤鐵礦的出溶?？傮w來看，025、YC02和00B樣品中鐵質(zhì)礦物類型更為復(fù)雜多樣。

4.2 鐵質(zhì)重礦物電子探針數(shù)據(jù)特征

通過電子探針數(shù)據(jù)(表 5)可以發(fā)現(xiàn)，宜昌地區(qū)7個(gè)樣品中鐵質(zhì)重礦物的氧化物主要為FeO和TiO2，其次為Al2O3、MgO、MnO、V2O3和Cr2O3等。通過測試可以發(fā)現(xiàn)這些鐵質(zhì)重礦物的種類包括赤鐵礦、含鈦赤鐵礦、含鉻赤鐵礦、鈦鐵礦、釩鈦磁鐵礦和含鐵銳鈦礦等，其中以赤鐵礦為主，其次為含鈦赤鐵礦。

在云池組021點(diǎn)和015樣品中，有近一半的顆粒TiO2含量較高，屬于含鈦赤鐵礦，其余顆粒則主要是赤鐵礦，還有少量富Cr2O3的含鉻赤鐵礦等。在善溪窯組017和024樣品中，僅有不到 1/3 的鐵質(zhì)重礦物顆粒TiO2值較高，屬含鈦赤鐵礦或其他鐵質(zhì)重礦物，有 2/3 的顆粒為赤鐵礦，TiO2含量低，此外，在這2個(gè)樣品點(diǎn)中各有1顆相對(duì)較高V2O3和TiO2含量的釩鈦磁鐵礦出現(xiàn)(表 6)。在長江T4階地YC02樣品中，有一半以上的顆粒為TiO2含量較高的含鈦赤鐵礦或鈦鐵礦等，其余以低TiO2含量的赤鐵礦為主，其次還有較多數(shù)量的釩鈦磁鐵礦出現(xiàn)。在長江T4階地00B樣品以及現(xiàn)代河床沉積025樣品中，雖然含鈦赤鐵礦和鈦鐵礦等的數(shù)量下降，但相對(duì)較富V2O3和TiO2的釩鈦磁鐵礦數(shù)量依然較多。

4.3 鐵質(zhì)重礦物 TiO2-Al2O3-MgO 成因圖解分析

前人的研究表明，陳光遠(yuǎn)等(1987)提出的TiO2-Al2O3-MgO成因圖解對(duì)于分析鐵質(zhì)重礦物物源具有很強(qiáng)的適用性。在圖 6-a中，云池組021和015樣品大部分鐵質(zhì)礦物顆粒落在了酸性—堿性巖漿巖趨勢區(qū)(Ⅱb)，有少部分落在了Ⅰ和Ⅲ區(qū)。從善溪窯組017和024樣品來看，二者同樣大部分分布在酸性—堿性巖漿巖趨勢區(qū)(Ⅱb)，而在超基性—基性—中性趨勢區(qū)(Ⅱa)內(nèi)偶見，堿性巖漿巖趨勢區(qū)(Ⅲ)也有少量分布。善溪窯組反映出的物源信息與云池組相似。從長江T5階地YC02、T4階地00B以及長江現(xiàn)代河床沉積物的025樣品可以看出，除一部分落入Ⅰ、Ⅲ和Ⅱb外，有大量顆粒落在了基性—超基性—中性巖漿巖趨勢區(qū)(Ⅱa)，尤其以YC02樣品表現(xiàn)明顯。

表 6 宜昌地區(qū)沉積物樣品中釩鈦磁鐵礦的元素氧化物含量(%)Table 6 Content(%) of elemental oxides of vanadium titanium magnetite in samples from sediments in Yichang area

a—宜昌地區(qū)樣品鐵質(zhì)重礦物圖解；b—可能母巖中鐵質(zhì)重礦物圖解(部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于朱俊士，1995； 鄭文勤等，2014；林浩，2017)。Ⅰ沉積變質(zhì)—接觸交代趨勢區(qū)；Ⅱa超基性—基性—中性巖漿巖趨勢區(qū)； Ⅱb酸性—堿性巖漿巖趨勢區(qū)；Ⅲ堿性巖漿巖趨勢區(qū)圖 6 宜昌地區(qū)沉積物及可能母巖樣品中鐵質(zhì)重礦物TiO2-Al2O3-MgO圖解(底圖據(jù)陳光遠(yuǎn)等，1987)Fig.6 TiO2-Al2O3-MgO diagram for iron heavy minerals of samples in Yichang area and possible parent rocks (base map is from Chen et al.，1987)

表 7 宜昌地區(qū)沉積物及可能母巖樣品TiO2-Al2O3-MgO圖解中超基性—基性巖區(qū)鐵質(zhì)重礦物的微量元素含量(%)Table 7 Content (%) of trace elements of iron heavy minerals of samples in Yichang area and possible parent rocks in ultrabasic-basic rock region in TiO2-Al2O3-MgO diagram

在圖 6-b中，峨眉山玄武巖和攀枝花釩鈦磁鐵礦中的鐵質(zhì)礦物主要落在了超基性—基性—中性巖漿巖趨勢區(qū)(Ⅱa)，黃陵花崗巖中的鐵質(zhì)礦物除了沒有落在Ⅱa，主要落在了Ⅰ、Ⅲ和Ⅱb區(qū)域。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景以及前人研究，分布在三峽以西的攀枝花釩鈦磁鐵礦床主要產(chǎn)于基性—超基性巖體之中(龔榮洲和岑況，2000)，并且結(jié)合圖 6-b，峨眉山玄武巖和攀枝花釩鈦磁鐵礦中的鐵礦物也主要落在Ⅱa區(qū)(超基性—基性—中性巖漿巖趨勢區(qū))，因此對(duì)樣品中落在圖解中Ⅱa區(qū)內(nèi)的顆粒進(jìn)行單獨(dú)分析，以判斷這類鐵質(zhì)重礦物的物源是否有差異。通過數(shù)據(jù)比對(duì)發(fā)現(xiàn)(表 7)，云池組和善溪窯組的015和017樣品與YC02、00B、025樣品在MnO、ZnO、Ta2O5、Cr2O3含量上存在差異。015和017樣品中MnO含量在0.01%～1.15%之間變化，00B和025樣品也在這變化區(qū)間內(nèi)，而YC02樣品中有一部分顆粒符合這一變化，還有一些顆粒MnO含量在1.00%～3.50%之間；015和017樣品中ZnO含量在0.01%～0.10%之間，YC02一部分樣品與之相似，還有一部分則為0.10%～0.25%之間，00B也有一部分為0.10%～0.20%之間；015和017樣品中Ta2O5含量在0.01%～0.10%之間，YC02和00B樣品含量有明顯不一樣的含量，分別是0.10%～0.30%和0.20%～0.40%；015和017樣品的Cr2O3含量在0.01%～0.40%之間，而YC02、00B和025樣品Cr2O3含量較低，大體在0.01%～0.10%之間。通過與對(duì)比樣比較發(fā)現(xiàn)，YC02、00B和025樣品與峨眉山玄武巖以及攀枝花釩鈦磁鐵礦中鐵礦物微量元素含量較吻合?？傮w來看，YC02、00B和025樣品中的鐵質(zhì)重礦物更為復(fù)雜，表現(xiàn)出與015、017、021、024樣品在物源方面存在明顯的不同。

5 討論：鐵質(zhì)重礦物物源與長江三峽貫通時(shí)間

根據(jù)掃描電鏡特征和能譜數(shù)據(jù)以及電子探針數(shù)據(jù)，在021、015、017、024、YC02、00B和025共7個(gè)剖面樣品中，可見多種鐵質(zhì)重礦物，包括赤鐵礦、含鈦赤鐵礦、含鉻赤鐵礦、釩鈦磁鐵礦、鈦鐵礦、銳鈦礦等。其中，主要的鐵質(zhì)重礦物為赤鐵礦(存在有少量Cr和Ti的混入)，均一結(jié)構(gòu)的赤鐵礦與黃陵花崗巖中的赤鐵礦特征相同，而包裹體結(jié)構(gòu)的赤鐵礦，其中的包體主要為反映花崗巖來源組合的磷灰石、鋯石和石英，因此，這2種結(jié)構(gòu)的赤鐵礦均來自于黃陵花崗巖。

云池組015和021樣品中，主要是均一結(jié)構(gòu)的赤鐵礦和一些包裹體結(jié)構(gòu)的鐵質(zhì)重礦物。此外，在021樣品中，有一些顆粒以赤鐵礦為主晶，形成與其他礦物的出溶現(xiàn)象(圖 4-c)，這種特征與攀枝花釩鈦磁鐵礦形成的以釩鈦磁鐵礦為主晶的出溶結(jié)構(gòu)明顯不同(圖 3-d)，并且在021樣品中可見鈦鐵礦、銳鈦礦和赤鐵礦的三相出溶結(jié)構(gòu)(表 3)，這一特征，在攀枝花釩鈦磁鐵礦和峨眉山玄武巖中均沒有發(fā)現(xiàn)。

將善溪窯組017和024樣品中均一結(jié)構(gòu)的釩鈦磁鐵礦，與攀枝花釩鈦磁鐵礦進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，二者具有明顯不同的背散射圖像(圖 3，圖 4)，在能譜數(shù)據(jù)上，017和024樣品含有較多Cr且Mg含量更低(表4)。出溶結(jié)構(gòu)中，017和024樣品以主晶赤鐵礦為主，區(qū)別于攀枝花釩鈦磁鐵礦的出溶結(jié)構(gòu)。因此015、021、017和024樣品中，主要的母巖應(yīng)該為黃陵花崗巖，沒有發(fā)現(xiàn)來自峨眉山玄武巖和攀枝花釩鈦磁鐵礦的物質(zhì)。

在YC02、00B和025樣品中，含鈦赤鐵礦和鈦鐵礦的數(shù)量增多，尤其在YC02樣品中，一半以上的鐵質(zhì)礦物顆粒TiO2含量較高，在5%～50%之間，平均為18.23%(表 5)。同時(shí)，釩鈦磁鐵礦的數(shù)量也明顯增多，并且在能譜數(shù)據(jù)上與攀枝花釩鈦磁鐵礦具有相似的特征(表 4)，表現(xiàn)為Ti元素含量為1.87%～5.12%、V元素含量為0.24%～0.32%。其次，善溪窯組017和024樣品的釩鈦磁鐵礦中SiO2、CaO、Al2O3、MnO、Cr2O3、V2O3、ZnO和Ta2O5等含量都較YC02和025樣品中釩鈦磁鐵礦含量高，025樣品中表現(xiàn)得更復(fù)雜一些，部分氧化物含量與017和024的樣品明顯不同，部分又具有一定的相似性(表6)，這些相同成分的釩鈦磁鐵礦可能屬于同一物源區(qū)。YC02樣品中，可見均一結(jié)構(gòu)和包裹體結(jié)構(gòu)的鈦鐵礦，與峨眉山玄武巖中發(fā)現(xiàn)的鈦鐵礦對(duì)比得知，二者在背散射圖像和能譜數(shù)據(jù)上具有相似性(圖 3-a，圖 5-g；表 4)。并且通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，YC02和025樣品中鈦鐵礦的電子探針數(shù)據(jù)(表 8)與朱靚(2017)對(duì)攀枝花釩鈦磁鐵礦中鈦鐵礦的研究結(jié)果具有相似性，都表現(xiàn)出除Fe的氧化物和Ti的氧化物之外，其他元素氧化物含量都比較低的特征，Al2O3、MnO、Cr2O3和NiO等含量不足1%。由于在025、00B和YC02樣品中，赤鐵礦仍然是最主要的鐵質(zhì)重礦物，因此這3個(gè)樣品中不僅有來自三峽以西峨眉山玄武巖和攀枝花釩鈦磁鐵礦的物質(zhì)，同時(shí)也沉積了大量來自黃陵花崗巖的物質(zhì)。

表 8 宜昌地區(qū)沉積物YC02和025樣品中鈦鐵礦電子探針元素特征(%)Table 8 Electron probe element characteristics(%)of ilmenite in YC02 and 025 samples from sediments in Yichang area

TiO2-Al2O3-MgO三角圖解(圖 6)中，云池組021和015樣品中鐵質(zhì)礦物與黃陵花崗巖中投點(diǎn)區(qū)域相同，大部分都落在酸性巖漿巖(Ⅱb)區(qū)域，也有少量在Ⅰ和Ⅲ區(qū)，這反映了與黃陵穹窿大面積分布的花崗巖巖體有關(guān)。017和024樣品主要落在酸性(Ⅱb)和堿性(Ⅲ)巖漿巖區(qū)域，少量落在超基性—基性巖漿巖(Ⅱa)區(qū)域，也與黃陵穹窿地區(qū)以黃陵花崗巖為主，夾有少量橄欖巖、輝長巖巖脈的特征相似(圖 1-c)，因此反映出其主要物源同樣是黃陵花崗巖。YC02、00B和025樣品主要落在酸性(Ⅱb)以及超基性—基性—中性巖漿巖(Ⅱa)區(qū)域，00B和025還有一部分落在Ⅰ和Ⅲ區(qū)。對(duì)比沉積時(shí)代較早的善溪窯組和云池組樣品，T5階地(YC02樣品)中，Ⅱa區(qū)域樣點(diǎn)數(shù)量增多可能與物源發(fā)生改變有關(guān)，這與圖 6-b中峨眉山玄武巖和攀枝花釩鈦磁鐵礦的主要投點(diǎn)區(qū)域相吻合。前面已經(jīng)通過分析圖 6-a樣品中落在超基性—基性巖漿巖(Ⅱa)區(qū)域的鐵質(zhì)重礦物氧化物含量，發(fā)現(xiàn)樣品的MnO、ZnO、Ta2O5和Cr2O3含量存在差異(表 7)，其中YC02、00B和025既有與015和017相似的1組數(shù)據(jù)，也有與之不同的1組，同時(shí)有差異的這組數(shù)據(jù)與峨眉山玄武巖和攀枝花巖體中的鐵質(zhì)礦物有較好的關(guān)聯(lián)。表明YC02、00B和025樣品中物源較復(fù)雜，可能來自上述2種不同的物源區(qū)。

近年來的研究普遍認(rèn)為三峽的貫通發(fā)生在第四紀(jì)，但具體年限上看法不一。其中張葉春(1995)從巖相古地理和地文等角度分析認(rèn)為三峽貫通時(shí)間為2.0Ma B.P.左右；向芳等(2011)通過鋯石U-Pb 年齡特征得出貫通時(shí)間為0.73Ma B.P.以后；唐春國等(2014)通過重礦物組合特征認(rèn)為貫通發(fā)生在1.0Ma B.P.左右；范代讀和李從先(2007)運(yùn)用電子探針對(duì)獨(dú)居石進(jìn)行分析，認(rèn)為長江貫通發(fā)生在2.58Ma B.P.前后；楊建等(2014)運(yùn)用地球化學(xué)方法，認(rèn)為貫通時(shí)限為1.7Ma B.P.；張勇等(2009)通過礦物磁學(xué)特征分析認(rèn)為三峽在1.1—1.0Ma B.P.之前已貫通。前述分析可知，以015和021采樣點(diǎn)剖面為代表的云池組、017采樣點(diǎn)和024采樣點(diǎn)剖面為代表的善溪窯組與YC02采樣點(diǎn)剖面代表的T5階地、00B采樣點(diǎn)剖面代表的T4階地和025采樣點(diǎn)剖面代表的現(xiàn)代河床沉積具有不同的物源特征，表明在善溪窯組沉積結(jié)束以后，宜昌地區(qū)的物源發(fā)生了明顯改變，出現(xiàn)了來自三峽以西長江流域的峨眉山玄武巖和攀枝花釩鈦磁鐵礦物質(zhì)，善溪窯組沉積結(jié)束后，長江三峽發(fā)生了貫通。善溪窯組頂部的ESR年齡為0.75Ma，T5階地的年齡為0.70—0.73Ma(向芳等，2005)，說明長江三峽的貫通發(fā)生在0.75—0.73Ma B.P.。

6 結(jié)論

通過對(duì)湖北宜昌長江三峽階地以及可能源區(qū)樣品中鐵質(zhì)重礦物的電子探針數(shù)據(jù)還是掃描電鏡及能譜分析表明，云池組、善溪窯組樣品的母巖主要來自黃陵花崗巖，而以善溪窯組為基座的長江T5和T4階地樣品、現(xiàn)代沉積物樣品的母巖一部分來自黃陵花崗巖，一部分來自攀枝花釩鈦磁鐵礦和峨眉山玄武巖。

上述分析表明，在善溪窯組沉積結(jié)束以后，長江三峽發(fā)生了貫通，宜昌地區(qū)的物源發(fā)生了明顯改變。善溪窯組的ESR年齡為0.75Ma，T5階地的年齡為0.70—0.73Ma，說明長江三峽的貫通發(fā)生在0.75—0.73Ma B.P.。由于樣品的限制，數(shù)據(jù)相對(duì)較少，在分析中可能存在一定的不足，但獲得的結(jié)果仍然與前人研究的結(jié)論較為吻合，表明利用電子探針結(jié)合掃描電鏡及能譜進(jìn)行單顆粒鐵質(zhì)重礦物分析研究區(qū)的物源演化具有較強(qiáng)的適用性和可行性，可以為其他地區(qū)的物源示蹤研究提供重要的參考。

致謝特別感謝審稿專家對(duì)文章的不足之處提出的寶貴建議和意見。

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