三峡及邻区第四纪沉积物地球化学特征及其对古气候的指示

2019-12-03朱宏博王金元黄恒旭康东雅

成都理工大学学报（自然科学版） 2019年6期

朱宏博,向芳,王金元,黄恒旭,康东雅,张萌

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.贵州煤田地质局，贵州六盘水 553000)

三峡是长江上游向中游的过渡地带，是中国中、西部山地(第Ⅱ级阶梯)与东部平原(第Ⅲ级阶梯)的分界线。前人对三峡的形成及古气候变化研究较多，如唐贵智等[1]认为三峡贯通由中更新世大姑冰期冰川的溯源刨蚀最终袭夺而成；王长生[2]则认为鄂西山区不存在第四纪冰川遗迹，没有发生冰川活动；夏凯生等[3]对长江三峡第Ⅰ级阶地第四纪沉积物进行地球化学元素分析研究，认为晚更新世晚期处于冰盛期；黄万波[4]、程捷等[5]、周乐鹏[6]、吴可等[7]对早更新世动植物群特征及晚更新世黄土粒度特征进行分析研究，认为三峡地区早更新世为温暖湿润气候，晚更新世为干冷气候。

前人对三峡古气候还存在争议，在沉积学证据的研究方面还较为薄弱。由于三峡地区主要为剥蚀区，第四纪堆积物主要保存在阶地中，以奉节和巫山地区的阶地保存较好。邻区江汉盆地长江阶地保存较好，第四纪沉积物较为丰富。用沉积物的地球化学元素指标重建古气候、古环境演变是古气候研究的一个重要方法。本文以三峡地区的低夷平面、阶地剖面及宜昌地区包括阶地在内的第四纪沉积物为主要研究对象，分析样品的地球化学元素变化特征，结合电子自旋共振法(ESR)年龄测定数据，讨论三峡和宜昌地区第四纪古气候的演化过程。结合全球气候背景资料、青藏高原隆升过程对气候影响等方面的资料，探究青藏高原隆升对三峡地区及宜昌地区第四纪古气候演变的影响。

1 研究区概况及样品采集

1.1 研究区概况

研究区包括位于三峡的奉节、巫山地区及宜昌地区，整体地势为中部高向东向西地势逐渐降低。其中，三峡地势最高，奉节以西和宜昌以东为丘陵地貌。由于三峡地区地势的抬升，长江两岸存在多级阶地及夷平面，现在普遍认为长江三峡内仅存在5级阶地[8-10]，阶地在巫山等地保存较完整，峡区内第Ⅳ、第Ⅴ级阶地多数为侵蚀阶地，部分可见基座阶地，第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ级阶地多为堆积阶地。

三峡以东宜昌地区第四纪沉积物较为丰富，地层保存较完整，早更新世云池组(Q1y)主要为冲积扇沉积，中更新世善溪窑组(Q2s)为冲积扇-湖泊沉积[11]；在江汉盆地内部广泛分布的宜都组(Q3y)和平原组(Q4p)则主要与宜昌地区的长江第Ⅴ级阶地相对应，表现为河流相的砾石、砂及黏土堆积。

1.2 第四纪沉积特征及样品采集

本文选取了奉节、巫山和宜昌地区，分别观测了低夷平面、阶地、冲积扇及湖相沉积物的沉积特征，并进行了样品采集。剖面观察点及采样点见图1。

图1 研究区剖面观察及采样点Fig.1 Observation and sampling positions of the cross section in the study area

a.奉节低夷平面

奉节位于三峡入口处，海拔高度为570 m，±6 m处为平台状地貌，被认为是云梦期夷平面[12]。海拔高度为554 m左右，在坡积物下见河流成因的砾石堆积，厚约1 m，粒径多为1～2 cm，砾石为次圆状-圆状，具有一定的排列方向，填隙物为棕红色砂质黏土，形成颗粒支撑。采集样品PT黏土-01,位置见图2。

图2 奉节、巫山低夷平面-长江阶地剖面综合示意图Fig.2 Comprehensive sketch demonstrating the profile of Fengjie-Wushan low planation surface of Yangtze River terrace(据黄恒旭等[13]修改)

b.巫山阶地剖面

巫山阶地较为发育，阶地基座为三叠系巴东组(T2b)，主要为泥岩、灰岩及砂岩。巫山第Ⅴ级阶地海拔高度约320 m，为基座阶地，堆积物以棕色黏土为主；巫山第Ⅳ级阶地，海拔高度约290 m，为基座阶地，堆积物为棕褐色黏土，黏度大；巫山第Ⅲ级阶地海拔高度约220 m，以黄色黏土沉积为主，含钙质结核；巫山第Ⅱ、第Ⅰ级阶地为堆积阶地，海拔高度分别为145 m、120 m，为黄色土状堆积物，质地较为紧密、干燥，含钙质结核。分别在5级阶地的泥质沉积物中采集样品共5件，位置见图2。

c.宜昌阶地剖面

在葛洲坝技校内见长江第Ⅴ级阶地，海拔高度为 160 m，剖面上可见棕红色砂、泥层，填隙物为棕红色黏土，具叠瓦状构造的砾石层，砂层和砾石层为颗粒支撑；市委苗圃内，见长江第Ⅳ级阶地，海拔高度为120 m，厚约10 m，主要为红棕色黏土及砾石，砾石层为颗粒支撑类型；长江第Ⅲ级阶地为基座阶地，海拔高度为100 m,整体主要为黄褐色砂、砾石层，形成颗粒支撑；318国道旁见长江第Ⅱ级阶地，海拔高度为60 m,为黄棕色黏土及含钙质胶结物的砂、砾石层，颗粒支撑为主；长江第Ⅰ级阶地被长江两岸护堤遮盖难以找到。宜昌阶地共采样品2件，采样点见图3。

d.云池剖面

位于宜昌云池李家院子处，露头为云池组与善溪窑组(图4)。

顶部A、B层属善溪窑组，A层为粒径粗大、分选性差的砾石层堆积，厚2～6 m，杂基支撑；B层为砾石层堆积，厚约6 m，褐红色黏土填隙物，杂基支撑。C、D层属云池组，C层为灰白色夹黄色砂层，厚8 m，半固结，质地均匀，偶见1～2 cm砾石，顶部为冲刷面，具有铁质壳；下部D层，约为12 m厚的砾石层，呈棕黄色，杂基支撑，见黄褐色铁质浸染形成的夹层。

e.卢演冲水库剖面

卢演冲水库西侧海拔高度约80 m，所见剖面为云池组下部沉积，整体呈棕红色、褐红色，主要为砾石层堆积，填隙物为褐红色砂、粉砂质黏土，杂基支撑。采集砾石层中填隙物样028-T3。

f.善溪窑砖厂剖面

位于砖厂道路附近，海拔高度为160 m，见韵律状黄色细砂-粉砂沉积，层理之间见铁质夹层，向上过渡为砖红色黏土沉积，黏土质地均匀，不见网纹红土化，采集细砂-粉砂沉积之上的砖红色黏土样品018-亚黏土、010-NTY。

g.三峡机场剖面

三峡机场附近长寿山庄旁，海拔高度为192m。剖面厚度3～4 m，整体为善溪窑组上部沉积。剖面呈红褐色，下部见厚约1 m的砾石层，填隙物为红棕色砂质黏土，见少量网纹化；上部为网纹红土，采集红土样品YCJC黏土、网纹样品SXJC网纹，并采集砾石中砂质黏土填隙物样品SXJC红土。

图3 宜昌长江阶地剖面示意图Fig.3 Sketch showing the Yangtze River terrace section in Yichang(据李钟陵[14]修改)

图4 云池组与善溪窑组剖面图Fig.4 Profile showing the Yunchi Formation and Shanxiyao Formation (据黄恒旭等[13]修改)

各剖面的样品信息见表1。

1.3 样品年龄讨论

表1数据来源为向芳等[9,15]的研究及本次研究的补充数据，采用相同剖面中砾石层砂质填隙物ESR年龄测定结果，并与前人[16-17]研究进行对比而确定。从数据中可以看出宜昌云池组底部砾石层的年龄为1.1 Ma左右，为早更新世沉积；善溪窑组沉积年龄为0.87～0.75 Ma，为早更新世晚期到中更新世早期沉积；奉节低夷平面砾石层中填隙物的年龄为0.749 Ma，沉积时间为早更新世晚期；长江5级阶地的沉积年龄为0.7～0.01 Ma，属于中更新世到晚更新世晚期沉积。

表1 样品年龄Table 1 Dated ages of the samples

(部分数据据向芳等[9,15])

2 元素地球化学特征

元素地球化学分析在四川省冶金地质岩矿测试中心进行，分析元素包括Sr、Rb、Al、Na、Mg、Ca、Fe。样品制备方法及过程见相关文献[18]。

仪器测试条件为：Rf发射器功率为1.25 kW，雾化器压力为125 kPa，冷却气流速度为0.8 L/min，雾化器流速为0.8 L/min，蠕动泵流量为1.5 mL/min，载气流速15 L/min，监测依据为DZG20-02，环境温度为23℃。样品测试结果见表2。

依据年龄数据及元素地球化学分析结果分别做三峡及宜昌地区化学元素含量随年代的变化曲线图(图5，图6)。

3 第四纪古气候

3.1 化学元素对古气候的指示意义

当岩石处于地表时，风化现象必然发生。一般情况，温暖潮湿地区，化学风化作用及物理风化作用较为强烈，而在干旱寒冷地区化学风化作用受到抑制，主要以物理风化作用为主。由于组成岩石的元素的化学性质的差异，元素在不同的风化条件下迁移能力不同，风化过程中一般会发生元素分异现象。

沉积物中的主元素Na、Mg、Ca等容易发生迁移，因此，表生沉积物中Na2O、MgO、CaO含量较高时反映当时气候条件比较干旱，降水较少；相反，则风化作用较强，反映了气候湿润。Al和Fe元素的迁移能力较弱，往往残留在原地形成红土。

表2 化学元素测试结果Table 2 Test results of geochemical analysis

图5 三峡地区沉积物中元素变化曲线Fig.5 Element variation curves of the sediments in Three Gorges area

图6 宜昌地区沉积物中元素变化曲线Fig.6 Element variation curves of the sediments in Yichang area

因此，表生沉积物中Al2O3和Fe2O3的含量较高时反映当时的气候比较湿润，反之气候比较干旱[19]。

在研究古气候时经常使用痕量元素的比值来反映当时的气候条件，Rb/Sr比值通常被用来反映化学风化程度，具有明显的气候指示意义。其中Rb相对稳定，Sr易发生迁移，因此Rb/Sr的比值较高时反映当时的气候较湿润，相反时指示气候比较干冷[20-21]。

本文研究对象为三峡及宜昌地区第四纪黏土及黄土，沉积物的来源均为河流搬运，因此本次研究满足沉积物粒度相近及物质来源相同这一前提条件。

3.2 三峡及宜昌地区第四纪古气候特征

3.2.1 三峡地区古气候演化特征

依据年龄测定数据可以发现三峡地区低夷平面形成于0.749 Ma B.P.(早更新世晚期),5级阶地形成于0.7～0.01 Ma B.P.(中更新世到晚更新世晚期)。低夷平面上堆积的河流沉积总体为棕红色砂质黏土和砾石堆积，巫山第Ⅴ、第Ⅳ级阶地为基座阶地，堆积物以褐黄色黏土为主；第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ级阶地为堆积阶地，以黄色黏土或黄土沉积为主，并含钙质结核。

依据三峡地区元素变化曲线(图5)，可以发现沉积物中Al2O3和Fe2O3的含量在低夷平面及第Ⅴ、第Ⅳ级阶地中较高，在第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ级阶地中较低，同时从低夷平面到第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ级阶地，沉积物中Al2O3和Fe2O3含量的变化趋势以降低为主；主元素Na2O、MgO、CaO的含量在低夷平面及第Ⅴ、第Ⅳ级阶地中较低，在第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ级阶地中较高，Na2O、MgO、CaO含量的变化趋势为逐渐增加；Rb/Sr曲线变化趋势为从低夷平面向第Ⅲ、第Ⅱ、第Ⅰ级阶地递减。

沉积物特征和元素变化趋势表明，三峡地区早更新世晚期低夷平面及中更新世第Ⅴ、第Ⅳ级阶地形成期峡区的气候相对温暖湿润，中更新世晚期第Ⅲ级阶地形成期古气候开始转变，到晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ阶地形成期古气候变干变冷。

3.2.2 宜昌地区古气候演化特征

依据年龄数据可以看出宜昌地区善溪窑组和云池组属于早更新世中晚期沉积。云池组下部砾石填隙物为褐红色砂质黏土，并含黄褐色铁质夹层。善溪窑组下部砾石填隙物为砖红色砂质黏土，层理之间见铁质夹层；上部见红褐色网纹红土沉积。宜昌地区第Ⅴ级阶地砾石层填隙物为棕红色黏土，第Ⅳ级阶地见棕红色黏土，第Ⅲ级阶地整体为黄褐色砂砾石层，第Ⅱ级阶地见黄棕色黏土沉积并含钙质胶结物。因此，认为宜昌地区早更新世中晚期云池组、善溪窑组及中更新世第Ⅴ、第Ⅳ级阶地形成期古气候相对暖湿，中更新世晚期第Ⅲ级阶地形成期古气候发生转变，到晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ级阶地形成期气候变干变冷。

依据宜昌地区沉积物中元素变化曲线(图6)，可以发现沉积物中Al2O3和Fe2O3含量波动变化明显，但总体呈现降低趋势；Na2O、MgO、CaO的含量在云池组和善溪窑组变化不明显，但到第Ⅴ、第Ⅳ级阶地明显增加。Rb/Sr比值曲线在云池组和善溪窑组变化也不明显，但从善溪窑组到第Ⅴ、第Ⅳ级阶地明显下降。元素的变化特征表明，善溪窑组及云池组沉积时古气候基本稳定，而之后有向干、冷方向变化的趋势。

沉积特征和元素变化趋势表明，宜昌地区的第四纪古环境演化趋势大致为：早更新世中晚期云池组及善溪窑组沉积时为暖湿气候；中更新世第Ⅴ、第Ⅳ级阶地形成期古气候变化不明显，仍然以相对暖湿气候为主；中更新世晚期第Ⅲ级阶地形成期气候开始转变；到晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ阶地形成期气候变干变冷。

3.2.3 宜昌地区和三峡地区古气候演化对比

从年龄数据来看，云池组下部沉积时代为早更新世中期，善溪窑组沉积时代为早更新世晚期-中更新世。奉节云梦期夷平面上砂质沉积物为0.749 Ma B.P.，与宜昌地区善溪窑组上部网纹红土之下的砾石层沉积时间相同。奉节云梦期低夷平面上的河流相砾石堆积，填隙物为棕红色砂质黏土，在海拔高度470～570 m位置，广泛分布着棕红色风化堆积物。三峡地区低夷平面形成时期与宜昌善溪窑组上部网纹红土沉积同属于暖湿古气候环境。

三峡巫山第Ⅴ、第Ⅳ级阶地以棕红色及棕褐色黏土堆积为主，同时Al2O3和Fe2O3的含量较高，NaO、MgO、CaO的含量较低，第Ⅲ级阶地见钙质结核，第Ⅱ、第Ⅰ阶地见黄土堆积，并含有钙质结核，同时Al2O3和Fe2O3的含量较低，NaO、MgO、CaO的含量较高，表现出三峡地区中更新世第Ⅴ、第Ⅳ级阶地形成期古气候相对暖湿；中更新世晚期第Ⅲ级阶地形成期古气候开始转变，到晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ级阶地形成期古气候变干变冷。宜昌地区第Ⅴ、第Ⅳ级阶地见棕红色黏土，同时Al2O3和Fe2O3的含量较高，NaO、MgO、CaO的含量较低；第Ⅲ级阶地主要为黄褐色砂砾石层，第Ⅱ级阶地见黄棕色黏土沉积并含钙质胶结物。反映了宜昌地区的古气候演化过程为:中更新世第Ⅴ、第Ⅳ级阶地形成期为暖湿气候，中更新世晚期第Ⅲ级阶地形成期古气候已经开始发生转变，晚更新世第Ⅱ、第Ⅰ级阶地形成期古气候变干变冷。综上可以发现三峡地区和宜昌地区第四纪古气候演化过程基本相似，古气候在第Ⅲ级阶地形成期开始发生转变，因此可以推测出影响和控制三峡地区和宜昌地区第四纪古气候发生转变的因素大致相同。

3.3 青藏高原演化对气候的影响

从北大西洋氧同位素曲线[22]可知，新生代古新世到第四纪晚更新世古气候迅速变冷，进入第四纪冰期，青藏高原隆升改变原来行星风系，亚洲季风出现并逐步加强，第四纪时期气候逐渐变冷[23]。在第四纪前，青藏高原隆升的海拔高度不超过1 km[24]，早更新世青藏高原逐渐抬升，分别经历了青藏运动B幕(2.5 Ma B.P.)、青藏运动C幕(1.7 Ma B.P.)，昆黄运动(1.1～0.6 Ma B.P.)、共和运动(150 ka B.P.)，最后隆升成为“世界屋脊”。随着青藏高原逐渐隆升，气候发生的变化逐渐影响到周围地区并逐渐对全球气候产生影响。通过以上对三峡和宜昌地区更新世以来的古气候变化过程的研究，对比青藏高原隆升阶段及其对气候的影响，认为青藏高原隆升对青藏高原地区及周边环境影响很大，当青藏高原隆升到平均海拔高度2 km时，来自印度洋的暖湿气流还可以爬升到高原之上，此时青藏高原对三峡及宜昌地区的影响较小，故在早更新世早中期三峡及宜昌为湿热的古气候环境；当青藏高原隆升到平均海拔高度3 km时，暖湿气流已经无法翻越青藏高原，青藏高原变冷，导致冬季风加强，黄土扩大堆积范围，但此时三峡及宜昌地区未见干冷古气候记录，因此青藏高原在此阶段的隆升对三峡及宜昌地区影响仍然较小；当青藏高原隆升到平均海拔高度4 km时，青藏高原对周围环境的影响越来越大，冬季风进一步加强，导致三峡及宜昌地区第Ⅲ级阶地出现黄褐色黏土沉积，并含钙质结核，说明当时古气候开始转变，到第Ⅱ、第Ⅰ级阶地形成期古气候显著变干变冷，因此150 ka B.P.之后青藏高原对三峡及宜昌地区的古气候影响较大。