轻矿物对岷江第四纪河流沉积物源变化的指示

2022-06-07刘一鸣郭宇明

成都理工大学学报（自然科学版） 2022年3期

丁力 , 向芳, 杨奇, 刘一鸣, 郭宇明

(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.中国电建集团江西省电力设计院有限公司，南昌 330000)

青藏高原的隆升与演化对亚欧大陆的水系、气候等方面造成了巨大的影响，因此，青藏高原的研究可以为研究东亚的水系变迁及东亚乃至世界气候的变化提供重要的科学依据[1]。青藏高原的东侧构造极为复杂，同时也发育着众多的河流水系，构成了中国地势Ⅰ级、Ⅱ级阶梯的过渡带以及四川省西部的重要环境屏障[2]。岷江作为长江的一条重要支流，发源于青藏高原东侧的岷山，流经四川省西部的3个重要构造单元：四川盆地、龙门山构造带与松潘-甘孜褶皱带，因而，对于岷江演化的研究有助于我们更加深入地研究青藏高原东侧的隆升演化过程及其环境效应[3]。

对于岷江的形成与演化，前人做过大量的研究。钱洪等[4-5]对岷江阶地的年代资料做过统计，认为早更新世时，由磨拉石构成的斗鸡台、漳腊盆地并未被岷江切割，直到中更新世时，岷江才切过现在岷江上游的斗鸡台、漳腊盆地，致使磨拉石构成岷江阶地的基座。杨农等[6]对岷江上游各级阶地进行了年代学等研究，认为川西高原阶段性抬升导致了岷江上游阶地的形成及演化。李勇等[7]通过对成都平原西侧龙门山前的大邑砾岩进行重矿物分析，认为在晚新生代存在两条岷江，分别发源于龙门山构造带和松潘-甘孜褶皱带，后因岷山断块的快速抬升，发源于龙门山构造带的岷江袭夺了源于松潘-甘孜褶皱带的岷江，进而形成了现在的岷江。郑勇等[8]通过对成都平原西侧的大邑砾岩重矿物特征进行了研究，认为大邑砾岩被岷江带到成都平原，而且岷江在早更新世早期就已经形成。李磊等[3]通过对岷江下游宜宾地区的岷江阶地沉积物与现代河流沉积物中的重矿物组合进行分析研究，认为0.8 Ma以前的古岷江发源于龙门山构造带，由于青藏高原的阶段性隆升，岷江溯源侵蚀，最终在27 ka B.P.形成现代岷江。而对于轻矿物用于物源的研究，钱磊等[9]利用轻矿物得出歧北斜坡沙3段物源来源于其西部的沧县隆起；付浩[10]将轻矿物组合特征与重矿物相互印证，认为陇东地区主要物源来自东北与西南两个方向。

综上所述，前人对于岷江的研究主要集中在岷江上游地区，对岷江下游的阶地沉积物研究较少，认识相对匮乏；同时前人对岷江的演化过程存在较大的争议，尚未形成统一的见解；且研究手段以重矿物为主，而轻矿物(包括岩屑)作为河流砂-粉砂质沉积物中的重要组成部分，约占陆源碎屑物的99.5%～99.9%，成为河流沉积的物源研究以及反演河流演化的重要对象。因此，本文从岷江阶地及现代河床沉积物中轻矿物着手，结合重矿物组合特征，讨论不同时期沉积的物源变化特征，从而为岷江的大致演化过程提供参考。

1 区域地质概况

岷江作为长江的一条重要支流，发源于青藏高原东侧的岷山，流经四川西部的3个重要构造单元[11](图1-A)：松潘-甘孜褶皱带、龙门山构造带与四川盆地，最终在宜宾市与金沙江、长江汇合，流域长度约793 km。

松潘-甘孜褶皱带构成了川西高原主要构造单元，其在印支期经历了显著的造山运动，进入新生代，又经历了喜马拉雅运动发生剧烈的抬升，并遭受剥蚀。松潘-甘孜褶皱带的地层主要由三叠系西康群深海砂泥质复理石构成[12-14],广泛出露的三叠系复理石地层面积几乎占岷江流域的一半[15]。且根据《四川省区域地质志》[16]，松潘-甘孜褶皱带西康群地层在印支期发生区域低温动力变质作用，变质程度为低级变质，岩相不高于低绿片岩相，主要出露低级变质泥岩。龙门山构造带位于四川盆地西部，呈北东-南西走向，是川西前陆盆地与松潘-甘孜褶皱带的接合部位。龙门山构造带出露地层具有核部老、两翼新的典型特征，主要出露岩石为变质岩[17](图1-B)。

2 剖面特征与样品采集

根据野外观察并结合前人的研究资料[3]，宜宾地区岷江发育5级阶地，其中Ⅰ级阶地和Ⅱ级阶地遭受破坏难以观察和采样。岷江阶地类型中基座阶地较为发育，少见堆积阶地和侵蚀阶地。对岷江下游部分阶地进行观察采样，主要剖面特征如下:

008剖面(图2-A)：位于宜宾大明村，构成岷江的Ⅲ级阶地，阶地类型为基座阶地，剖面海拔高度约322 m。沉积物特征为下部由棕红色砾岩和粉砂岩构成，砾石的体积分数在35%左右，总体呈叠瓦状构造，砾石直径为6～15 cm，磨圆度较好，成分以石英质砾石为主，部分砾石有风化现象，阶地出露厚度约1.8 m。

009剖面(图2-B)：位于008剖面南西1 km处的幺店子乡，构成岷江的Ⅳ级阶地，剖面海拔高度约330 m。阶地下部为棕黄色粉砂、泥充填于砾石中，砾石体积分数约35%，具叠瓦状构造，砾径6～20 cm，磨圆度较好，成分以石英质砾石为主，其中晶屑凝灰岩砾石普遍风化。剖面向上砾石含量下降，顶部为棕黄色黏土沉积。阶地出露厚度约为7.5 m。

图1 岷江上游松潘-甘孜褶皱带与龙门山构造带地质简图Fig.1 Simplified geological map of Songpan-Ganzi fold belt and Longmenshan structural belt in the upper reaches of Minjiang River(A)据康春国等[11]； (B)据《四川省区域地质志》[16]修改

图2 岷江下游阶地采样剖面照片Fig.2 Photographs showing the sampling section of river terrace in lower Minjiang River(A)008剖面，大明村Ⅲ级阶地下部棕红色粉砂填隙的砾石层; (B)009剖面，Ⅳ级阶地下部棕黄色粉砂、黏土填隙的砾石层; (C)012剖面，高场镇Ⅴ级阶地上部棕黄色粉砂质黏土，偶见砾石; (D)020剖面，蒋坝村Ⅳ级阶地下部棕黄、棕红色长英质粗砂填隙的砾石层; (E)021剖面，蕨溪镇Ⅲ级阶地下部棕黄色粉砂质泥填隙的砾石层;(F)024剖面，北江村Ⅴ级阶地棕黄色粉砂质泥填隙的砾石层

012剖面(图2-C)：位于宜宾高场镇，构成岷江的Ⅴ级阶地，剖面海拔高度约363 m。沉积物为棕黄色粉砂、泥和砾石层，砾石体积分数约45%，往上可见棕黄色粉砂质黏土，虫孔和垂直裂隙发育，砾石含量少，砾径为1～3 cm，其中可见风化的晶屑凝灰岩砾石。阶地出露厚度为2～5 m。

014剖面：位于尤家咀的岷江右岸，为岷江现代河流沉积。

020剖面(图2-D)：位于宜宾市屏山镇蒋坝村，构成岷江的Ⅳ级阶地，是路边新挖的剖面，阶地海拔高度约336 m。下部见厚度为14 cm的粉砂质夹层，隐约可见平行层理，层理面产状为162°∠(5°～10°)，上覆砾石层，且具有典型的河流二元结构，砾石体积分数在70%左右，被棕黄-棕红色长石质粗砂充填，砾石叠瓦状构造发育，砾石产状为345°∠26°。砾石成分较为复杂，可见火山碎屑岩、泥岩、砂岩、火成岩砾石以及千枚岩、片麻岩等中高级变质岩质砾石，砾径多数为5～15 cm。

021剖面(图2-E)：位于宜宾市蕨溪镇，出露岷江Ⅲ级阶地，海拔高度约317 m。砾石层中棕黄色粉砂质泥填隙，质地较干，砾径多数为2～10 cm，砾石体积分数约45%，成分较稳定，主要为石英岩和石英砂岩质砾石，花岗岩和玄武岩质砾石次之，部分砾石出现风化现象，砾石整体呈叠瓦状排列，且具有明显的河流二元结构，向上有泥质逐渐增多的趋势。

022剖面：位于宜宾市北江村，为岷江现代河流沉积。

024剖面(图2-F)：位于宜宾市北江村，构成了岷江的Ⅴ级阶地，类型为堆积阶地，海拔高度约409 m。砾石层中棕黄色粉砂质泥填隙，砾石体积分数约70%，砾石成分较稳定，部分砾石有风化现象，主要为石英岩和石英砂岩，偶见灰白色长石砂岩质砾石，可见较多的花岗岩质砾石，砾径为4～15 cm，出现了两组最大扁平面，偶见竖直砾石。

笔者在岷江阶地和现代河流沉积物中总共采集8份样品(表1)。通过对宜宾地区岷江阶地和现代沉积物的观察分析，岷江Ⅴ级阶地主要含有石英岩与石英砂岩质砾石和较多的花岗岩质砾石、晶屑凝灰岩砾石，长石砂岩质砾石较少；Ⅳ级阶地砾石成分较为复杂，可见火山碎屑岩、泥岩、砂岩、火成岩砾石以及千枚岩、片麻岩等中高级变质岩质砾石，还可见风化的晶屑凝灰岩砾石；Ⅲ级阶地主要含有石英岩和石英砂岩质砾石，花岗岩和玄武岩质砾石相对较少；岷江现代沉积物中的砾石成分复杂，除了含有石英质砾石、中酸性火成岩砾石以及玄武岩砾石外，变质岩砾石含量有所增加。

表1 宜宾地区岷江阶地与现代河流沉积物样品特征Table 1 Characteristics of samples from Minjiang River terrace and modern river sediment in Yibin area

3 轻矿物的多矿物法分析

轻矿物一般指密度<2.85 g/cm3的矿物，主要矿物有石英、长石以及方解石等[18-19]，在本文中特指砂-粉砂质沉积物中与重矿物相区别的石英、长石等矿物碎屑和岩屑，为了表述方便而统称为轻矿物。轻矿物的物源分析方法主要有两种：一是多矿物组合法，以Dickinson图解分析的应用最为广泛，主要利用Dickinson三角图解来解释河流物源区的构造背景[20]；二是单矿物分析法，主要是对单晶石英进行研究分析。由于轻矿物在显微镜下容易鉴定和统计，样品经常规重矿物分离处理以后，将轻矿物选取一小部分放在载玻片上，经树胶凝固后抛光制成常规薄片。在偏光显微镜下，用不同颜色对不同成分进行标记，其中用红色标记单晶石英、绿色标记长石、黄色标记岩屑(包括燧石等石英质岩屑)(图3)，分别统计每种矿物和岩屑的颗粒数量，每个薄片统计300～500个颗粒，再求出每种矿物和岩屑的数量百分比，统计结果见表2。实验在成都理工大学沉积地质研究院专业实验室使用日本尼康株式会社生产的Nikon LV100POL型号显微镜完成，使用正交偏光，放大倍数为4倍。

图3 岷江下游阶地沉积物中轻矿物镜下特征Fig.3 Microscopic characteristics of light minerals from terrace sediments in lower Minjiang River

Dickinson的QFL和QmFLt三角图解是一种方便、有效且常用的分析物源区构造环境工具，很多学者都将Dickinson图解作为物源分析的重要手段[21-24]。在QFL和QmFLt三角图解中，Q表示石英颗粒数量的比率，它包括单晶石英和多晶石英，多晶石英岩屑如石英岩和燧石的岩屑都属于石英颗粒；Qm表示单晶石英颗粒数量的比率；F表示长石颗粒数量的比率；L表示岩浆岩或沉积岩碎屑颗粒数量的比率；Lt表示多晶石英在内的各种岩屑的颗粒总数量的比率。在使用2种三角图统计砂岩成分时，最大的区别在于QFL三角图将多晶石英归为Q，而QmFLt三角图解将多晶石英归为Lt。根据表2的数据作图，得出的Dickinson图解(图4)。从图中可以看出，Ⅴ级阶地全部位于石英型循环造山带，Ⅳ级阶地全部位于过渡型循环造山带，Ⅲ级阶地的2个点分别位于石英型循环造山带和过渡型循环造山带，现代沉积全部位于过渡型循环造山带，说明岷江下游阶地和现代沉积的物源区构造背景总体为循环造山带环境，陆块内部环境和岩浆弧环境并没有提供物质。

表2 岷江下游沉积物的矿物和岩屑数量比率及特征指数Table 2 Mineral and debris quantity ratios and characteristic indices for sediments from lower Minjiang River

图4 岷江下游沉积物的Dickinson图解Fig.4 Dickinson diagram for lower Minjiang River sediments

4 岷江阶地及现代河流沉积物源讨论

根据轻矿物的Dickinson三角图解，说明岷江下游从Ⅴ级阶地沉积到现代河流沉积，物源具有从石英型循环造山带向过渡型循环造山带变化的过程。根据表2统计的轻矿物和岩屑颗粒数量的比率，石英含量整体较高，但现代沉积物中的石英含量相较于阶地沉积物中的石英含量有所下降；长石在阶地沉积物中与现代沉积物中含量整体较低；岩屑含量整体较高，在阶地沉积物中岩屑含量稍低于石英的含量，但在现代沉积物中岩屑含量稍多于石英的含量，说明现代沉积物的物源相较于阶地沉积物有较明显的改变。F.J.Pettijohn[25]将砂岩中轻矿物的不同组合比值作为判断物源特征的指标，并提出砂岩的成分成熟度指数和物源区指数的定义。成分成熟度代表碎屑沉积物中碎屑矿物的改造程度；而物源区指数则反映了物源区和母岩的性质、气候及风化情况。具体计算公式如下

D=Q/(F+R)

W=F/R

其中：D代表成分成熟度；Q代表单晶石英颗粒数量的比率；F代表长石颗粒数量的比率；R代表岩屑颗粒数量的比率；W代表物源区指数，计算结果见表2。

由于表2中每级阶地计算的物源区指数有两个值，因此将同一级阶地的物源区指数进行整合，计算得出：Ⅴ级阶地整体的物源区指数为0.16，Ⅳ级阶地整体的物源区指数为0.20，Ⅲ级阶地整体的物源区指数为0.21，现代沉积物的物源区指数为0.07。根据物源区指数，绘制了宜宾地区岷江的物源区指数折线图(图5)。从图中可以看出，从Ⅴ级阶地到现代沉积，物源区指数经历了先升高后降低的过程。由于长石反映母岩的性质、气候和风化状况，岩屑反映大地构造状况，在第四纪气候存在逐渐变冷干的大背景下，如果物源保持不变，长石更容易保存下来，因此物源区指数会随着长石含量的增加而增大，从而出现该指数随时间变大的情况。但事实与此相反，因此认为物源区指数与河流不断演化中物源区的位置、物源区的岩石类型变化从而引起长石和岩屑的相对含量发生变化有关，且岷江Ⅴ级至Ⅲ级阶地沉积的物源区指数相近，而Ⅲ级阶地沉积以后发生明显变化，说明宜宾地区岷江在形成Ⅲ级阶地后，物源区有较为明显的改变。

图5 岷江下游沉积物源指数折线图Fig.5 Index line map of sediment source in lower Minjiang River

李磊等[3]通过对宜宾地区岷江的重矿物组合类型统计得出Ⅴ级至Ⅲ级阶地沉积物中锆石、金红石、白钛矿、钛铁矿等火成岩型重矿物含量较高，在岷江现代河流沉积中，绿帘石、蓝晶石、石榴石、角闪石等变质岩型重矿物含量较高(表3)，两者重矿物组合存在明显的差异。此外，GZi指数反映中低级变质岩物源，指数越高表明沉积物来自于中低级变质岩物源的可能性越高；ZTR指数表明重矿物的成熟度，其数值越大重矿物成熟度越高，指示沉积物搬运距离越远。

表3 岷江下游阶地与现代沉积物主要重矿物组合类型及母岩类型Table 3 Main heavy mineral assemblage and parent rock types of terrace and modern sediments in lower Minjiang River

根据GZi指数和ZTR指数的研究(表4)[3,26-28]，宜宾地区岷江阶地沉积物的GZi值很低，基本接近于0，表明岷江Ⅴ级阶地至Ⅲ级阶地沉积物并非来源于中低级变质岩区；而现代沉积物的GZi指数为70%，揭示岷江现代沉积物主要来源于中低级变质岩区，与松潘-甘孜褶皱带变质程度较低的变质岩有关。阶地沉积中，ZTR指数差别不大，但在现代沉积中，ZTR指数下降最明显，唯一合理的解释就是现代沉积的物源发生了明显的改变。

表4 岷江下游阶地重矿物与现代重矿物特征指数Table 4 Characteristic index of terrace heavy minerals and modern heavy minerals in lower Minjiang River

前人研究表明，砾岩中砾石成分等变化是有效判断物源位置的直接证据[22,29-30]。通过对砾石成分特征的观察发现，岷江Ⅴ级至Ⅲ级阶地沉积物中除了较稳定的石英质砾石，中酸性火成岩质砾石较多，玄武岩质砾石相对较少，而现代沉积物中的变质岩质砾石含量有所增加，说明岷江上游物源在Ⅲ级阶地形成后发生了明显的变化。结合前文龙门山构造带的岩性主要为中酸性岩浆岩类，松潘-甘孜褶皱带的岩性主要为低级变质岩类，证明宜宾地区岷江Ⅴ级阶地至Ⅲ级阶地的沉积主要来源于龙门山构造带，岷江现代沉积主要来源于松潘-甘孜褶皱带。

不可忽略的是，支流的汇入可能会对岷江物源演化的解释造成一定影响。通过图1-B可以发现岷江上游支流发育，但长度普遍较短，且主体流经松潘-甘孜褶皱带。前文表明Ⅲ级阶地形成以后岷江干流源头溯源侵蚀到松潘-甘孜褶皱带，才接纳上游支流的汇入，此时岷江上游的支流和干流均受到松潘-甘孜褶皱带的影响，表现为以变质岩类为主，因此，上游支流的汇入对岷江下游干流物源演化的分析不会产生影响。大渡河作为岷江最长的支流，它在岷江中游的汇入可能会对岷江下游沉积物组分造成影响。但研究发现，大渡河流域主要流经松潘-甘孜褶皱带及靠近龙门山构造带南端的中酸性岩浆岩出露区(图1-A)，物源区的构造单元和出露的岩石组合上与岷江水系的物源区相似，因此大渡河的汇入主要造成岷江下游沉积物中的中酸性火成岩含量绝对值的变化，但对岷江物源演化的趋势影响不大。