长江水系沉积物碎屑石榴石化学组成及物源示踪

2018-11-02王中波杨守业

同济大学学报（自然科学版） 2018年10期

王中波，杨守业，梅西，陆凯

(1. 青岛海洋地质研究所自然资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室，山东青岛 266071；2. 青岛海洋科学与技术国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东青岛 266071；3. 同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092)

长江是中国最大的河流，也是世界上第四大河流，长度约6 300 km，流域近1.8×106km2，从上而下分别流经羌塘地块、松潘—甘孜地块、金沙江缝合带、四川盆地、扬子地块和江汉盆地等地质单元，携带不同构造单元的碎屑物质入海，是我国东部海域第四纪沉积物的主要来源.过去20多年，长江入海沉积物的组成特征被广泛研究，包括碎屑矿物[1-2]、黏土矿物[3-4]、地球化学组成[5-6]等，进而揭示长江源沉积物对河口及海洋沉积的贡献.但由于长江流域的源岩类型和沉积动力过程的复杂性以及沉积物的多旋回性，运用碎屑矿物和全岩样地球化学组成开展河流物源示踪判别存在很大不确定性[7-9].

影响沉积物组成的因素包括母岩组成、源区风化、搬运过程中的机械磨蚀和化学溶蚀、沉积成岩作用等[10-11].随着微区测试技术的发展，某些稳定的碎屑单矿物的化学组成可以减少或排除沉积物搬运过程中水动力分选、风化、埋藏成岩等作用对物源研究的影响，是理想的物源和环境演变示踪指标[12-14].目前，应用于物源示踪研究的单矿物主要是石榴石[12, 15-19]、锆石[14, 20-22]和Ti-Fe氧化物(铬尖晶石等)[23-25]等.

其中，石榴石形态和组成相对稳定，化学组成基本不受风化、搬运作用的影响，分布相对广泛，具有相对固定的组合，不同源岩具有不同的特征组合，鉴于其自身的特殊性和稳定性而更多地应用在物源研究中[12, 15, 18-19, 26-28].

本文研究长江流域主要干流和支流碎屑沉积物中的单颗粒石榴石微区分析和化学组成，利用石榴石组合物源分析方法开展源汇研究，识别长江流域的特征石榴石组合，为中国东部边缘海晚第四纪沉积物物源示踪和环境演变研究提供相关依据和参考.

1 样品来源及分析方法

样品分别在2003年4月和2004年8月取自金沙江石鼓镇(JSJ)、雅砻江攀枝花(YLJ)、大渡河乐山(DDH)、岷江乐山(MJ)、汉江武汉(HJ)、乌江涪陵(WJ)和长江铜陵(CJ)地区的河漫滩沉积物(图1).

图1 长江流域岩石类型及采样位置(据文献[2]修改)

对采集的沉积物样品进行过筛水洗，提取63～125 μm粒级间的样品进行50℃恒温烘干；再利用三溴甲烷重液(比重2.89)进行轻、重矿物分离，对获取的重矿物进行体视显微镜镜下鉴定，对每个样品随机挑选碎屑石榴石颗粒1 000颗以上；对挑取的石榴石颗粒，在广州中国科学院地球化学研究所进行制靶，然后在中国地质大学(武汉)电子探针室采用日本电子株式会社(JEOL)生产的JCXA-733型号电子探针仪进行化学成分测试及微区分析，实验电压设定为15 kV，电流为20 nA，束斑直径为3或5μm.峰期的计数时间为20 s，前后背景值的计数时间分别为10 s.实验室标样使用的是美国SPI公司标准矿物标样，X射线强度使用ZAF(原子序数-吸收-荧光)校正法进行校正.测试颗粒随机选取，每个样品测试80个颗粒[29]，每个颗粒选取无包裹体区域进行打点测量，每个颗粒打点测试一次，测试精度为0.1%.

2 长江沉积物单颗粒石榴石化学组成

长江沉积物石榴石电子探针分析结果如表1所示，其元素总量介于98.7%～99.6%之间，标准偏差和变异系数在1左右，表明测试结果合理可靠.

表1 长江流域沉积物石榴石主要元素组成(质量分数)

石榴石主要由SiO2、FeO、Al2O3、MnO、CaO、MgO、TiO2、Cr2O3以及极少量K2O和Na2O组成.长江水系沉积物石榴石的组成中Cr2O3、K2O和Na2O质量分数基本都低于0.1%，不予讨论.其主量元素SiO2、FeO、Al2O3、MnO、CaO、MgO、TiO2的平均质量分数(AVR)分别是36.8%、29.2%、20.7%、6.1%、4.0%、2.4%、0.1%(表1)，各样品元素标准偏差(STD)和变异系数(CV)分析显示，除Si、Fe和Al元素之外，其他元素在不同样品中标准偏差和变异系数较高，但在不同样品中的变化不大.根据元素含量按照氧原子的配位数计算出各种石榴石在沉积物中的含量，主要是镁铝榴石(Pyr)、铁铝榴石(Alm)、钙铝榴石(Gro)和锰铝榴石(Spe)，其平均摩尔分数分别是65.4%、13.8%、9.4%和11.4%(表2).总体来看，长江沉积物以铁铝榴石和锰铝榴石为主，而镁铝榴石和钙铝榴石相对较低(表2、图2).

表2 长江流域沉积物碎屑石榴石组合(物质的量分数)

在长江流域沉积物样品中(图3)，除雅砻江攀枝花地区(YLJ)石榴石贫Fe富Mn外，FeO和MnO的质量分数分别是25.0%和13.7%，而其流域质量分数平均值是29.2%和6.1%；其他地区的样品组成特征基本一致，即SiO2和Al2O3含量相近，整体低Mg而相对富Mn.

3 讨论

3.1 标型碎屑石榴石特征

石榴石常为自形晶体，化学式是X3Y2[SiO4]3，(X代表Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+；Y代表Al3+、Fe3+、Cr3+、Ti4+、Mn4+)，主要为2个组6种石榴石.铝榴石组包括镁铝榴石、铁铝榴石和锰铝榴石；钙铬铁榴石组包括钙铬榴石、钙铝榴石和钙铁榴石.由于Cr、Ti等元素在石榴石中所占比例不大，又由于Al3+基本占据了+3价的位置，所以碎屑沉积物中的石榴石组合主要是镁铝榴石、铁铝榴石、钙铝榴石和锰铝榴石.

已有研究表明，石榴石在碎屑沉积中分布相对广泛，具有相对固定的组合，不同源岩具有不同的特征组合(表3)[12, 15, 19, 26-28].

图2 长江水系沉积物碎屑石榴石组合

石榴石分区组成源岩组成A高Mg低Ca源自中高级区域变质岩,典型母岩是麻粒岩相片麻岩和紫苏花岗岩.B低Mg中低级变质岩,以闪岩相变质岩为主,片麻岩也有出现.C高Mg高Ca基性片麻岩.其他富Fe3+、Ca通常伴随矽卡岩出现,多以极低级变质岩为主.富Mn贫Mg主要来自低温低压变质岩,如接触变质岩、低级变质岩相的变质泥岩、矽卡岩和花岗伟晶岩.

注：以上数据采用63～125 μm石榴石，该粒级石榴石组合物源示踪水动力影响最少[15, 19, 30].

3.2 长江水系沉积物碎屑石榴石物源特征

长江水系沉积物碎屑石榴石化学组成分析表明，石榴石组合中锰铝榴石和铁铝榴石富集(表2、图3、图4).

石榴石组合中钙铝榴石(G)、镁铝榴石(P)、铁铝榴石和锰铝榴石(AS)3个端元(G-P-AS三角图解)可以很好示踪其物源组成[12, 15, 26-28, 31-32].长江流域沉积物石榴石的G-P-AS三角图解分析显示(图4和图5)，长江支流沉积物石榴石组合几乎全部落入三角图解的B区域，石榴石组成以低Mg、高Fe特征为主，Ca含量变化较大.乌江涪陵样品的Mg含量最高，且相对高Mg(图4e).长江铜陵干流样品少数石榴石显示出高Mg、高Mn、低Fe特征(图4g).根据石榴石的源岩组成(表3)，推断长江沉积物石榴石的源岩应以中-低级变质岩为主.

图5 长江流域及支流石榴石化学组成

长江流域源岩复杂(图1)，岩石类型从太古代变质岩、古生代碳酸盐岩和碎屑岩、中新生代岩浆岩和碎屑岩及第四纪松散沉积物都有分布，且在不同的流域，岩石类型差异明显[3, 7, 33].

雅砻江、大渡河、岷江、乌江等分布古生代碳酸盐、中生代红色碎屑沉积岩和花岗岩以及中生代峨眉山玄武岩[1-2, 36].乌江流域属于扬子板块，大面积分布着二叠系—石炭系碳酸盐岩以及侏罗系—志留系等砂岩夹碳酸盐岩，中晚元古宇地层主要是陆源碎屑岩，流域西南边缘出露元古代火山岩，大陆溢流拉斑玄武岩及辉绿岩组合[37-38]以及东部区域分布的浅变质岩和局部超基性岩.乌江流域是长江流域碳酸盐岩分布最广的支流，分布面积达到6.9×104km2，占流域面积80%[39]，其岩溶覆盖率超过80%[40]，受其影响石榴石出现部分高Ca、高Mn特征.雅砻江攀枝花样品高Fe、高Mn，石榴石可能是受到攀枝花钒钛磁铁矿区内辉长岩外接触带富含石榴石的大理岩或矽卡岩的影响[41-43].岷江和大渡河流域分布大面积高绿片麻岩相和低角闪岩相岩石，沉积物中多典型的泥质区域变质矿物如蓝晶石等[1]，因而岷江和大渡河流域沉积物中的石榴石呈现出浅变质岩的低Mg、低Ca特征.

综上所述，长江流域主体在年轻的扬子地块上，其在中元古代广泛形成浅变质岩系[47-49]，沉积物中碎屑石榴石的源岩以中低级变质岩为主，如流域出露的片岩、千枚岩和大理岩以及低温接触变质岩控制了流域沉积物石榴石的组成，呈低Mg、高Mn特征(图5).

3.3 金沙江沉积物碎屑石榴石组成特征

长江是我国最大的河流，河流流域面积广大，从上游到下游河流入海口，不同支流携带的复杂的支流物质汇入，在河口形成混合性较强的沉积物，会在一定程度上减弱其物源特征，因此，为更好地识别长江河流端元的物源特点，选取长江水系代表性最强、对入海物质贡献最大的支流进行分析.

已有研究表明，上游是长江流域粗碎屑沉积物的主要来源，主要来自金沙江流域内的源岩[5, 35, 44, 49-50].金沙江沉积物石榴石组合呈现为典型的低Mg、高Mn特征(图6)，与整个长江干流石榴石组成基本一致(图5)，锰铝榴石摩尔分数最低为7.8%(表2)，不受中下游地区长距离的近源沉积物影响，因此金沙江可以作为长江物源端元的特征河流，其石榴石组合代表着长江流域沉积物的标型石榴石组成.