長江水系沉積物碎屑石榴石化學組成及物源示蹤

王中波， 楊守業， 梅 西， 陸 凱

(1. 青島海洋地質研究所 自然資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室， 山東 青島 266071；2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室， 山東 青島 266071；3. 同濟大學 海洋地質國家重點實驗室， 上海 200092)

長江是中國最大的河流，也是世界上第四大河流，長度約6 300 km，流域近1.8×106km2，從上而下分別流經羌塘地塊、松潘—甘孜地塊、金沙江縫合帶、四川盆地、揚子地塊和江漢盆地等地質單元，攜帶不同構造單元的碎屑物質入海，是我國東部海域第四紀沉積物的主要來源.過去20多年，長江入海沉積物的組成特征被廣泛研究，包括碎屑礦物[1-2]、黏土礦物[3-4]、地球化學組成[5-6]等，進而揭示長江源沉積物對河口及海洋沉積的貢獻.但由于長江流域的源巖類型和沉積動力過程的復雜性以及沉積物的多旋回性，運用碎屑礦物和全巖樣地球化學組成開展河流物源示蹤判別存在很大不確定性[7-9].

影響沉積物組成的因素包括母巖組成、源區風化、搬運過程中的機械磨蝕和化學溶蝕、沉積成巖作用等[10-11].隨著微區測試技術的發展，某些穩定的碎屑單礦物的化學組成可以減少或排除沉積物搬運過程中水動力分選、風化、埋藏成巖等作用對物源研究的影響，是理想的物源和環境演變示蹤指標[12-14].目前，應用于物源示蹤研究的單礦物主要是石榴石[12, 15-19]、鋯石[14, 20-22]和Ti-Fe氧化物(鉻尖晶石等)[23-25]等.

其中，石榴石形態和組成相對穩定，化學組成基本不受風化、搬運作用的影響，分布相對廣泛，具有相對固定的組合，不同源巖具有不同的特征組合，鑒于其自身的特殊性和穩定性而更多地應用在物源研究中[12, 15, 18-19, 26-28].

本文研究長江流域主要干流和支流碎屑沉積物中的單顆粒石榴石微區分析和化學組成，利用石榴石組合物源分析方法開展源匯研究，識別長江流域的特征石榴石組合，為中國東部邊緣海晚第四紀沉積物物源示蹤和環境演變研究提供相關依據和參考.

1 樣品來源及分析方法

樣品分別在2003年4月和2004年8月取自金沙江石鼓鎮(JSJ)、雅礱江攀枝花(YLJ)、大渡河樂山(DDH)、岷江樂山(MJ)、漢江武漢(HJ)、烏江涪陵(WJ)和長江銅陵(CJ)地區的河漫灘沉積物(圖1).

圖1 長江流域巖石類型及采樣位置(據文獻[2]修改)

對采集的沉積物樣品進行過篩水洗，提取63～125 μm粒級間的樣品進行50℃恒溫烘干；再利用三溴甲烷重液(比重2.89)進行輕、重礦物分離，對獲取的重礦物進行體視顯微鏡鏡下鑒定，對每個樣品隨機挑選碎屑石榴石顆粒1 000顆以上；對挑取的石榴石顆粒，在廣州中國科學院地球化學研究所進行制靶，然后在中國地質大學(武漢)電子探針室采用日本電子株式會社(JEOL)生產的JCXA-733型號電子探針儀進行化學成分測試及微區分析，實驗電壓設定為15 kV，電流為20 nA，束斑直徑為3或5μm.峰期的計數時間為20 s，前后背景值的計數時間分別為10 s.實驗室標樣使用的是美國SPI公司標準礦物標樣，X射線強度使用ZAF(原子序數-吸收-熒光)校正法進行校正.測試顆粒隨機選取，每個樣品測試80個顆粒[29]，每個顆粒選取無包裹體區域進行打點測量，每個顆粒打點測試一次，測試精度為0.1%.

2 長江沉積物單顆粒石榴石化學組成

長江沉積物石榴石電子探針分析結果如表1所示，其元素總量介于98.7%～99.6%之間，標準偏差和變異系數在1左右，表明測試結果合理可靠.

表1 長江流域沉積物石榴石主要元素組成(質量分數)

石榴石主要由SiO2、FeO、Al2O3、MnO、CaO、MgO、TiO2、Cr2O3以及極少量K2O和Na2O組成.長江水系沉積物石榴石的組成中Cr2O3、K2O和Na2O質量分數基本都低于0.1%，不予討論.其主量元素SiO2、FeO、Al2O3、MnO、CaO、MgO、TiO2的平均質量分數(AVR)分別是36.8%、29.2%、20.7%、6.1%、4.0%、2.4%、0.1%(表1)，各樣品元素標準偏差(STD)和變異系數(CV)分析顯示，除Si、Fe和Al元素之外，其他元素在不同樣品中標準偏差和變異系數較高，但在不同樣品中的變化不大.根據元素含量按照氧原子的配位數計算出各種石榴石在沉積物中的含量，主要是鎂鋁榴石(Pyr)、鐵鋁榴石(Alm)、鈣鋁榴石(Gro)和錳鋁榴石(Spe)，其平均摩爾分數分別是65.4%、13.8%、9.4%和11.4%(表2).總體來看，長江沉積物以鐵鋁榴石和錳鋁榴石為主，而鎂鋁榴石和鈣鋁榴石相對較低(表2、圖2).

表2 長江流域沉積物碎屑石榴石組合(物質的量分數)

在長江流域沉積物樣品中(圖3)，除雅礱江攀枝花地區(YLJ)石榴石貧Fe富Mn外，FeO和MnO的質量分數分別是25.0%和13.7%，而其流域質量分數平均值是29.2%和6.1%；其他地區的樣品組成特征基本一致，即SiO2和Al2O3含量相近，整體低Mg而相對富Mn.

3 討論

3.1 標型碎屑石榴石特征

石榴石常為自形晶體，化學式是X3Y2[SiO4]3，(X代表Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+；Y代表Al3+、Fe3+、Cr3+、Ti4+、Mn4+)，主要為2個組6種石榴石.鋁榴石組包括鎂鋁榴石、鐵鋁榴石和錳鋁榴石；鈣鉻鐵榴石組包括鈣鉻榴石、鈣鋁榴石和鈣鐵榴石.由于Cr、Ti等元素在石榴石中所占比例不大，又由于Al3+基本占據了+3價的位置，所以碎屑沉積物中的石榴石組合主要是鎂鋁榴石、鐵鋁榴石、鈣鋁榴石和錳鋁榴石.

已有研究表明，石榴石在碎屑沉積中分布相對廣泛，具有相對固定的組合，不同源巖具有不同的特征組合(表3)[12, 15, 19, 26-28].

圖2 長江水系沉積物碎屑石榴石組合

石榴石分區組成源巖組成A高Mg低Ca源自中高級區域變質巖,典型母巖是麻粒巖相片麻巖和紫蘇花崗巖.B低Mg中低級變質巖,以閃巖相變質巖為主,片麻巖也有出現.C高Mg高Ca基性片麻巖.其他富Fe3+、Ca通常伴隨矽卡巖出現,多以極低級變質巖為主.富Mn貧Mg主要來自低溫低壓變質巖,如接觸變質巖、低級變質巖相的變質泥巖、矽卡巖和花崗偉晶巖.

注：以上數據采用63～125 μm石榴石，該粒級石榴石組合物源示蹤水動力影響最少[15, 19, 30].

3.2 長江水系沉積物碎屑石榴石物源特征

長江水系沉積物碎屑石榴石化學組成分析表明，石榴石組合中錳鋁榴石和鐵鋁榴石富集(表2、圖3、圖4).

石榴石組合中鈣鋁榴石(G)、鎂鋁榴石(P)、鐵鋁榴石和錳鋁榴石(AS)3個端元(G-P-AS三角圖解)可以很好示蹤其物源組成[12, 15, 26-28, 31-32].長江流域沉積物石榴石的G-P-AS三角圖解分析顯示(圖4和圖5)，長江支流沉積物石榴石組合幾乎全部落入三角圖解的B區域，石榴石組成以低Mg、高Fe特征為主，Ca含量變化較大.烏江涪陵樣品的Mg含量最高，且相對高Mg(圖4e).長江銅陵干流樣品少數石榴石顯示出高Mg、高Mn、低Fe特征(圖4g).根據石榴石的源巖組成(表3)，推斷長江沉積物石榴石的源巖應以中-低級變質巖為主.

圖5 長江流域及支流石榴石化學組成

長江流域源巖復雜(圖1)，巖石類型從太古代變質巖、古生代碳酸鹽巖和碎屑巖、中新生代巖漿巖和碎屑巖及第四紀松散沉積物都有分布，且在不同的流域，巖石類型差異明顯[3, 7, 33].

雅礱江、大渡河、岷江、烏江等分布古生代碳酸鹽、中生代紅色碎屑沉積巖和花崗巖以及中生代峨眉山玄武巖[1-2, 36].烏江流域屬于揚子板塊，大面積分布著二疊系—石炭系碳酸鹽巖以及侏羅系—志留系等砂巖夾碳酸鹽巖，中晚元古宇地層主要是陸源碎屑巖，流域西南邊緣出露元古代火山巖，大陸溢流拉斑玄武巖及輝綠巖組合[37-38]以及東部區域分布的淺變質巖和局部超基性巖.烏江流域是長江流域碳酸鹽巖分布最廣的支流，分布面積達到6.9×104km2，占流域面積80%[39]，其巖溶覆蓋率超過80%[40]，受其影響石榴石出現部分高Ca、高Mn特征.雅礱江攀枝花樣品高Fe、高Mn，石榴石可能是受到攀枝花釩鈦磁鐵礦區內輝長巖外接觸帶富含石榴石的大理巖或矽卡巖的影響[41-43].岷江和大渡河流域分布大面積高綠片麻巖相和低角閃巖相巖石，沉積物中多典型的泥質區域變質礦物如藍晶石等[1]，因而岷江和大渡河流域沉積物中的石榴石呈現出淺變質巖的低Mg、低Ca特征.

綜上所述，長江流域主體在年輕的揚子地塊上，其在中元古代廣泛形成淺變質巖系[47-49]，沉積物中碎屑石榴石的源巖以中低級變質巖為主，如流域出露的片巖、千枚巖和大理巖以及低溫接觸變質巖控制了流域沉積物石榴石的組成，呈低Mg、高Mn特征(圖5).

3.3 金沙江沉積物碎屑石榴石組成特征

長江是我國最大的河流，河流流域面積廣大，從上游到下游河流入海口，不同支流攜帶的復雜的支流物質匯入，在河口形成混合性較強的沉積物，會在一定程度上減弱其物源特征，因此，為更好地識別長江河流端元的物源特點，選取長江水系代表性最強、對入海物質貢獻最大的支流進行分析.

已有研究表明，上游是長江流域粗碎屑沉積物的主要來源，主要來自金沙江流域內的源巖[5, 35, 44, 49-50].金沙江沉積物石榴石組合呈現為典型的低Mg、高Mn特征(圖6)，與整個長江干流石榴石組成基本一致(圖5)，錳鋁榴石摩爾分數最低為7.8%(表2)，不受中下游地區長距離的近源沉積物影響，因此金沙江可以作為長江物源端元的特征河流，其石榴石組合代表著長江流域沉積物的標型石榴石組成.

4 結論

(1) 長江水系沉積物石榴石的元素組成以SiO2、FeO、Al2O3、MnO、CaO、MgO、TiO2為主，石榴石組合主要是鎂鋁榴石、鐵鋁榴石、鈣鋁榴石和錳鋁榴石，其物質的量分數平均值分別是65.4%、13.8%、9.4%和11.47%.

圖6 金沙江流域沉積物石榴石組成

(2) 長江水系沉積物中碎屑石榴石呈低Mg、高Mn特征，其源巖以中低級變質巖為主，長江流域出露的片巖、千枚巖和大理巖以及低溫接觸變質巖控制了沉積物石榴石的組成.

(3) 金沙江是長江入海粗粒沉積物的主要來源，石榴石組合呈現為典型的低Mg、高Mn特征，與整個長江干流石榴石組成基本一致，其石榴石組合可以作為長江特征物源端元，用以海域沉積物物源示蹤.