巧家盆地河流沉积与重矿物特征对金沙江贯通的指示

程万强, 台梓含, 向 芳, 黄恒旭, 周宇航, 宋 良, 李正友

(1.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122；2.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059；3.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；4.成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059)

新生代以来滇东地区沿小江断裂带发育了一系列成因机制不同、形态规模不等、结构构造及发育演化历史各具特点的拉分盆地，如巧家盆地、嵩明盆地、东川盆地等[1-2]。这些盆地大都被深厚的第四纪沉积物所覆盖，其沉积记录不但蕴含着小江断裂带新构造活动的阶段，也为水系演化和古环境研究等提供了强有力的证据。其中，巧家盆地是上新世晚期或早更新世—中更新世形成的一个面积较大的近椭圆状拉分断陷盆地[2-4]，盆地内最大沉积厚度超过700 m，是第四纪地层最为发育的盆地之一，且自形成以来就为河流流通区，是研究金沙江下游水系演化的理想区域。

金沙江作为长江的上游，其形成演化不仅对本流域以及长江中下游地区的生态环境、资源利用、水电站和公路、铁路等工程建设与安全有着巨大的影响，也包含着云贵高原及青藏高原形成演化等重要信息。国内外学者对金沙江下游巧家段水系演化的研究已取得重要的成果[5-13]，其中杨达源等[6]、李华勇等[7]和Zheng H B[8]研究认为金沙江贯通之前巧家段存在一条顺小江断裂带延伸的南流古水系，上游为西溪河，经古小江后汇入古红河水系。在早更新世晚期，由于云南高原的隆升和支流溯源侵蚀袭夺，使得巧家段倒流，与川江水系贯通。在此基础上，杨达源等[9]、李郎平等[10]、苏怀等[11]和刘芬良[12]通过对巧家段及其邻区金沙江阶地、古河流阶地和古河道年代学进行研究表明，金沙江下游河谷的形成时间不晚于1.9 Ma B.P.，巧家段水系的袭夺倒流则发生在1.2～1 Ma B.P.；任雪梅等[13]和李郎平等[10]借助巧家段河流的地貌学和重矿物等方面的证据探讨了巧家段古水系和金沙江水系之间的差异。虽然前人关于巧家段水系演化过程已有较详细的讨论且多赞同袭夺倒流的观点，但其中多是从断裂构造、地貌特征及水系结构等角度来进行研究，而沉积学方面的直接证据较为薄弱，尤其是古水系沉积的证据，仅见李郎平等[10]对巧家高位古河道和古阶地重矿物与砾石特征有过分析。

本文在前人研究的基础上，根据巧家盆地获取的超过700 m的连续钻孔资料，系统地划分了巧家盆地金沙江阶地形成以前的古河流沉积期次，并结合金沙江阶地剖面，探讨第四纪河流冲积物沉积特征和重矿物特征，为巧家段水系第四纪的发展和演化提供沉积学证据，也为金沙江水系的研究提供参考依据。

1 区域地质背景

1.1 研究区概况

图1 研究区地势特征及构造背景Fig.1 Terrain features and tectonic setting of the study area

巧家盆地(图1)位于小江断裂北端与则木河断裂交接部位，地理位置为东经 102°54′、北纬 26°54′，是川西高原、云贵高原与四川盆地交汇地带，主要包括金沙江右岸巧家县城及其以北的区域，呈北北西向的不规则长轴椭圆状，面积约36.26 km2，地势整体东高西低，山坡陡缓相间。巧家县城海拔高度为784～985 m，堆积层最深超过700 m。巧家盆地的形成及地形地貌、构造格架主要受到小江断裂带的控制。该断裂形成于震旦纪，上新世以来与则木河断裂贯通成为鲜水河-小江断裂系的重要组成部分，是现今西南地区最活跃的区域性断层之一[2,14-16]。区内金沙江自南向北流淌，河道较为平直，在东岸宽广的谷坡上发育了4级河流阶地。其中Ⅰ～Ⅲ级阶地发育较为完整，覆于湖相沉积之上；Ⅳ级阶地仅零星分布，为基座阶地或侵蚀阶地，基座为洪积相沉积[4,10,12]。

1.2 地层及岩石类型

巧家盆地及其邻区有古生代—新生代的地层出露(图2)，主要有寒武系—泥盆系、二叠系—侏罗系和第四系。其中奥陶系、二叠系、第四系分布较为广泛，寒武系、志留系、泥盆系、三叠系和侏罗系分布较少。岩石类型以灰岩、玄武岩和第四系松散堆积物为主，其次为砂岩、页岩、泥岩、白云岩等其他类型。

2 典型钻孔与阶地河流沉积特征及样品采集

为了探明巧家盆地内部沉积特征，对盆地内布设的QK9、QK1、QK2、QK3-1、QK4、QK6、QK7等7个钻孔进行了详细的岩心编录，钻孔位置见图2。其中QK9钻孔为最深孔，深度748 m，贯穿第四纪覆盖层到达基岩；其余6个钻孔深度为150～300 m。以QK9钻孔为典型参照，对各钻孔岩心剖面进行详细分析并根据沉积相类型对比划分后，形成图3所示的巧家盆地沉积剖面。研究发现巧家盆地底部基岩主要为风化的二叠系峨眉山玄武岩；第四系总共可划分为11个沉积层，成因类型包括河流冲积层、堰塞湖(构造湖)湖积层、泥石流冲洪积层以及坡-洪积层，其中②层、⑤层和⑦层为河流冲积层。

②层为盆地中第一个河流相沉积层，厚度达307.84 m；⑤层和⑦层厚度较薄，分别为27.2 m和36.3 m。多个钻孔控制的河流冲积层横向延伸宽度至少在1 km，显示当时的河流为宽阔的辫状河沉积环境。每个沉积层都由多个粒度粗-细变化的沉积旋回所组成，②层中单旋回厚度从下往上有逐渐增大的趋势。砾石层中砾石的体积分数为25%～65%，成分以玄武岩、灰岩和砂岩为主，其次还含有粉砂岩、泥岩、黑色页岩、大理岩、泥灰岩、云泥岩、白云岩等成分；砂岩颜色较杂，可见紫红色、灰白色、灰绿色等。砾石直径以10～40 mm居多，最小砾径为2 mm，最大砾径为180 mm；分选性中等，磨圆度总体以次圆状-圆状为主，砾间以泥砂质充填，部分可见钙质胶结。砾石层较厚，之上为粗砂-黏土层，层中可见平行层理、水平层理和斜层理。结合研究区岩石类型(图2)可知，河流相沉积层砾石成分中玄武岩、灰岩、砂岩和页岩等在盆地周围均有出露。

为了与钻孔中河流冲积物进行对比，笔者对巧家盆地金沙江东岸4级河流阶地进行了实地勘察。本文重点对Ⅰ级阶地、Ⅱ级阶地和Ⅳ级阶地沉积特征进行了研究(图2)。Ⅰ级阶地主要沿金沙江边出露，海拔高度679 m左右，出露砾石层厚度4～5 m，为钙质胶结，可见叠瓦状构造，砾石成分较为复杂，分选性较好，砾石直径以80～100 mm居多，最大达150 mm，以次圆状为主，砾间以泥砂质充填，上部为0.5～10 m厚钙质胶结砂层；Ⅱ级阶地海拔高度715 m左右，下部出露砾石层厚度8～10 m，砾石含量较多、成分复杂，为钙质胶结，分选性一般，以次圆状-圆状为主，上部为浅灰黄色-棕黄色砂质沉积，厚度约4 m；Ⅳ级阶地海拔高度829 m左右，出露剖面砾石含量较多，体积分数约70%，可见多种成分，分选性一般，砾径以10～40 mm居多，最大达160 mm，以次圆状为主，砾间以泥砂质充填，部分为钙质胶结，层中夹有多条厚度10～30 cm的棕黄色砂层。Ⅰ级和Ⅳ级阶地中砾石最大扁平面大多倾向南，指示河水流向自南向北，与今金沙江流向一致。同时于金沙江Ⅱ级阶地中采集砂质沉积物，制成薄片，通过显微镜鉴定岩屑成分并进行统计。鉴定结果显示金沙江阶地砂质沉积物中岩屑成分除玄武岩、灰岩、砂岩、泥岩等钻孔中的河流沉积中常见成分外，还含有板岩、千枚岩、片岩和石英岩等多种变质成分。钻孔中的河流沉积砾石成分和金沙江阶地沉积岩屑成分统计结果如表1。

图2 研究区主要岩石类型及钻孔和阶地位置Fig.2 Main rock types and the location of boreholes and terraces in the study area(据贺蕊[5]改绘)

综上所述可知，第四纪以来巧家盆地内部发育了多期次河流沉积，钻孔中的河流沉积和金沙江阶地沉积在砾石(岩屑)成分上存在较大差别。钻孔中的河流沉积物中砾石成分以玄武岩、灰岩和砂岩为主，其次为粉砂岩、泥岩、黑色页岩、大理岩、泥灰岩、云泥岩、白云岩等成分；而金沙江沉积物中除上述成分外，还含有板岩、千枚岩、片岩和石英岩等多种变质成分，指示母岩区出露有变质岩，表明巧家段水系曾发生过重大调整，物源区发生了变化。

表1 研究区第四系河流沉积中砾石(岩屑)成分Table 1 Gravel (debris) compositions of Quaternary fluvial deposits in the study area

笔者于巧家盆地QK9钻孔的河流冲积层中自下而上共采集5件粗砂-微粒砂样品，分别编号为：QK9-008、QK9-015、QK9-033、QK9-059、QK9-066，具体采样层位详见图3所示；同时，于金沙江Ⅰ级阶地和Ⅳ级阶地砂层中采集了2件细砂和微粒砂样品T1-ZS、T4-ZS，共计7件样品委托廊坊市诚信地质服务有限公司进行重矿物鉴定，具体测试方法和过程参照相关文献[17]。

图3 巧家盆地钻孔揭露的沉积序列及重矿物采样位置Fig.3 Sedimentary sequence and sampling location of heavy minerals revealed by boreholes in Qiaojia Basin

3 重矿物特征

沉积物中的重矿物是指密度(ρ)大于2.86 g/cm3的矿物，在沉积物中的体积分数≤1%[18]。重矿物因其稳定性强、耐磨蚀，能够较多地保留母岩的特征，在物源分析中占有重要地位[19]。由于重矿物相对于其他碎屑沉积物来说，受到风化、搬运的影响较小，因而同一来源沉积物中的重矿物往往具有相同的组合特征；重矿物的组合特征不同，对物源也有着不同的指示意义[18,20-21]。根据重矿物的风化稳定性可将其划分为稳定重矿物和不稳定重矿物2类。稳定重矿物抗风化能力强、分布广泛，随着搬运距离的增加，离母岩区越远，其含量相对增高；不稳定重矿物抗风化能力弱、分布不广，离母岩越远，其含量相对越少[22]。

7件样品中共检测出锆石、磷灰石、金红石、榍石、独居石、辉石、绿帘石、电气石、角闪石、石榴子石、钛铁矿、磁铁矿、白钛石、黄铁矿、赤褐铁矿、锐钛矿等16种主要重矿物。由于磁铁矿、钛铁矿、赤褐铁矿、白钛石、锐钛矿和黄铁矿之和在重矿物中的含量较高，压制了真正能反映物源信息的重矿物所占比例，对物源分析造成极大的干扰，且各样品之间差距较小，无法用其进行物源分析；因此，为了准确提取沉积物中重矿物所反映的物源信息，在排除磁铁矿、钛铁矿、赤褐铁矿、白钛石、锐钛矿和黄铁矿等重矿物干扰后，对其余的重矿物含量和类型进行了统计和分析(表2、表3、图4)。表3中重矿物组合按其所占比例由多到少排列。其中稳定重矿物包括锆石、石榴子石、电气石、金红石、榍石、独居石，不稳定重矿物包括绿帘石、磷灰石、角闪石、辉石、橄榄石，各种重矿物在重矿物总量中所占比例(相对含量)见表3和图5。

由表3的重矿物组合可知，巧家盆地钻孔中的河流沉积物和金沙江阶地沉积物重矿物组合总体比较类似，前者可以概括为锆石-绿帘石-金红石-电气石-角闪石-磷灰石，后者为锆石-金红石-电气石-磷灰石-石榴子石-绿帘石-辉石。但二者明显的区别在于金沙江阶地沉积物重矿物组合中含有石榴子石，指示母岩区分布有变质岩，而钻孔中的河流沉积物中缺少此类重矿物。此外，从重矿物中稳定成分和不稳定成分含量来看，钻孔中的河流沉积物中稳定重矿物占重矿物总量的48.22%～67.80%，平均为58.37%；不稳定重矿物占重矿物总量的32.20%～51.78%，平均为41.63%。而金沙江阶地沉积物中稳定重矿物占重矿物总量的90.36%～94.80%，平均为92.58%；不稳定重矿物占重矿物总量的5.20%～9.64%，平均为7.42%。金沙江阶地沉积物中稳定重矿物所占比例要远高于钻孔的河流沉积物，指示物源区较远，重矿物经过了较长距离的搬运，不稳定重矿物在此过程中被分解破坏；而钻孔中的河流沉积物源区较近，不稳定重矿物在搬运过程中较多地得以保存。以上重矿物特征也表明，钻孔中河流沉积和金沙江沉积二者物质来源上有巨大差别，钻孔中河流沉积的物源区距巧家盆地较近，而金沙江沉积的物源区较远，且分布有变质岩。

表2 巧家盆地河流沉积物中主要重矿物的相对含量Table 2 Relative contents of major heavy minerals in fluvial sediments of Qiaojia Basin

表3 巧家盆地河流沉积物重矿物组合及不同成分类型的相对含量Table 3 Heavy mineral assemblages and relative contents of different component types in fluvial sediments of Qiaojia Basin

图4 巧家盆地河流沉积物中主要重矿物相对含量折线图Fig.4 Broken line chart of relative content of major heavy minerals from river sediments in Qiaojia Basin

图5 巧家盆地河流沉积物中不同成分类型重矿物相对含量柱状图Fig.5 Histogram of the heavy mineral content of different component types in fluvial sediments of Qiaojia Basin

4 沉积特征和重矿物特征对水系演化的指示

巧家盆地河流沉积特征和重矿物特征表明，第四纪以来巧家段水系曾发生过重大调整，造成了钻孔中的河流沉积物和金沙江沉积物在砾石(岩屑)成分和重矿物类型上的明显差别，为了便于区分下文将钻孔中河流沉积称为古金沙江沉积。参照现今巧家盆地以北的金沙江支流黑水河和西溪河流域，对比1∶3 000 000四川省地质图[23]后可知黑水河和西溪河流域出露有寒武系、奥陶系、泥盆系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系，包括灰岩、玄武岩、砂岩、白云岩、页岩、砾岩、泥岩、泥灰岩和大理岩等岩石类型。这些岩石类型和巧家盆地古金沙江沉积物中的砾石成分一致，指示古金沙江沉积物可能源自该地区；而金沙江阶地沉积物经镜下鉴定后发现还常见板岩、千枚岩、片岩和石英岩等岩屑成分，可能源自巧家盆地以南的金沙江中上游变质岩区。李郎平等[10]和任雪梅等[13]也对巧家段古金沙江阶地及金沙江阶地重矿物成分作了分析，经过与本文重矿物数据对比(表4)，各沉积体系重矿物组合都较为类似；但古金沙江沉积物重矿物组合中都缺少石榴子石一类指示变质成分的重矿物，二者重矿物组合上的显著差异，也证实了物质来源上的明显不同。其次，本文古金沙江沉积物中稳定重矿物占重矿物总量的58.37%左右，不稳定重矿物约占重矿物总量的41.63%；金沙江沉积物中稳定重矿物约占重矿物总量的92.58%，不稳定重矿物约占重矿物总量的7.42%。古金沙江沉积物中稳定重矿物所占比例远远低于金沙江，不稳定重矿物所占比例也相对远高于金沙江，反映古金沙江沉积的物源区距离巧家盆地较近，符合前文所推断的黑水河和西溪河流域；而金沙江沉积的物源区较远，流经四川、云南、青海和西藏等地区，不稳定重矿物在长距离的搬运和沉积过程中被分解破坏，导致稳定重矿物所占比例也随之增高。所以巧家盆地钻孔剖面中②层、⑤层和⑦层3期河流沉积推断为南流古金沙江产物，其物源区为黑水河和西溪河流经区，源头大致位于四川省西昌-昭觉一带。

表4 巧家段古金沙江和金沙江沉积物中重矿物组合对比Table 4 Comparison of heavy mineral assemblages in sediments of ancient Jinsha River and Jinsha River in Qiaojia section

综上分析，根据巧家段古金沙江水系和金沙江水系沉积物中砾石(岩屑)成分和重矿物组合可将其指示的母岩及物源区汇总如表5。

贺蕊[5]曾对巧家段最高一级古河流阶地的年龄做过测定，约为1.59 Ma，该阶地形成时代应与巧家盆地中第一套河流相开始沉积时代相对应，即与钻孔剖面中的②层河流相沉积层相对应，因此可以大致推断巧家盆地②层河流相开始沉积时间应为1.59 Ma B.P.，巧家盆地的形成时间大致也能确定为1.6 Ma B.P.。巧家段水系和川江水系的贯通时间，李郎平等[10]在前人研究的基础上，经过对巧家金沙江4级河流阶地、新市镇-宜宾市之间古阶地以及巧家古河道的年龄测定数据的分析对比，将贯通时间限定在1.02～0.96 Ma B.P.，即1 Ma B.P.左右。苏怀等[11]通过地貌外推方法确定了金沙江巧家段Ⅰ～Ⅲ级阶地的形成年代分别为：Q4、Q3晚期和Q3早期，与向芳等[24]在长江三峡段测定及综合前人研究得出的Ⅰ～Ⅲ级阶地年龄0.01 Ma、0.03～0.05 Ma和0.09～0.11 Ma较为接近；台梓含等[25]对金沙江和长江交汇处的宜宾地区Ⅴ级阶地进行年龄测定后也发现与向芳等[24]划定的长江三峡段Ⅴ级阶地年龄相近(表6)；且鉴于金沙江巧家段与长江三峡段及宜宾段同属贯通后的长江水系，因而认为贯通后的长江水系阶地可能具有相近的形成年代，金沙江巧家段Ⅳ级阶地年龄可能为0.3～0.5 Ma。所以，金沙江巧家段的贯通应发生在0.5 Ma之前。

在前人的研究中，李郎平等[10]也对巧家段水系变迁的过程做过较详细的探讨，其通过水系结构、地貌特征和沉积学等手段的分析表明巧家段古水系曾是向南流的，黑水河和西溪河自北向南于巧家北部汇合后继续向南流经巧家盆地，现今巧家段的北流是被袭夺而发生倒流的结果。第四纪以来云南高原的隆升使得巧家古水系南流受阻，并在对坪以东古水系支流对坪小河的溯源侵蚀下被袭夺,造成巧家河段的倒转北流(图6)，与本文研究讨论结果一致。

表5 巧家盆地河流沉积物砾石(岩屑)成分和重矿物组合对应的母岩及物源区Table 5 Lithology and provenance of parent rocks corresponding to gravel (debris) compositions and heavy mineral assemblage of river sediments in Qiaojia Basin

表6 相关阶地沉积物地质年龄Table 6 Geological ages of relevant terrace sediments

根据巧家盆地河流沉积特征可知每期古金沙江沉积都由多个粗-细的沉积旋回所组成，厚度变化较大，且图2中多个钻孔控制的河流冲积层显示河流横向延伸宽度至少在1 km 以上，表明古金沙江河流处于频繁摆荡的状态，因此巧家盆地开启后的古金沙江应为辫状河形态，该时期古金沙江河流沉积与冲洪积相沉积及湖相沉积多期交替(图7-A)。0.5 Ma B.P.之前巧家段发生倒转北流，金沙江贯通，巧家盆地内发育了冲洪积相沉积、湖相沉积及坡-洪积相沉积。根据盆地整体东高西低的地形以及金沙江Ⅳ级～Ⅰ级阶地自东向西的展布特征，结合金沙江现今的河流形态，认为在此期间金沙江不断对凹岸侵蚀向西侧迁移，并在地壳抬升阶段下切洪积相和湖相沉积，形成了金沙江4级阶地(图7-B)。

5 结 论

本文在前人研究的基础上，通过对巧家盆地第四纪河流沉积中砾石(岩屑)成分和重矿物特征分析，探讨了巧家段水系演化的过程：1.6 Ma B.P.之前巧家盆地开启之后，巧家段古金沙江南流水系也随之形成，并在盆地内发育了至少3期河流沉积，当时为宽阔的辫状河沉积环境，物源区位于巧家以北至四川西昌-昭觉一带的黑水河和西溪河流域，河流将玄武岩、灰岩、砂岩、页岩和白云岩等成分砂砾携带至巧家盆地中沉积，重矿物组合为锆石-绿帘石-金红石-电气石-角闪石-磷灰石；在0.5 Ma B.P.之前，由于云南高原的隆升使得巧家古水系南流受阻，并在古水系支流的溯源侵蚀下被袭夺,造成巧家河段的倒转北流，金沙江贯通。巧家段水系物源区发生巨大变化，河流开始将金沙江中上游流域的板岩、千枚岩、片岩以及石英岩等变质成分物质带至巧家盆地中，重矿物类型中也开始出现石榴子石，在构造活跃期河流不断向西迁移并进行下切，形成了金沙江4级阶地。

图6 巧家段古金沙江水系及其袭夺倒流过程示意图Fig.6 Schematic diagram showing ancient Jinsha River water system in Qiaojia section and its process of plundering and reversing(据李郎平等[10]改绘)

图7 巧家盆地河流模式图Fig.7 River model of Qiaojia Basin