现代河流沉积物碎屑及矿物组分研究新进展

现代河流沉积物忠实地记录了流域盆地内的母岩、风化、搬运和沉积过程中的化学、物理过程以及人类活动的改造作用,是探索和验证源- 汇系统等理论的重要媒介。本文以全球现代河流砂组分数据库为基础,总结了碎屑组分、重矿物组分在不同大陆的分布特征,探讨了其在物源识别、源区贡献率计算、沉积物产生及搬运过程中气候- 构造等影响因素的评估、对源- 汇系统的研究启示等方面的应用。今后建议加强基于大数据的沉积物组分对气候- 构造- 人类活动的响应、沉积物产生及通量、高时间分辨率的沉积物组分变异性、不同物源定量化方法的差异等方面的研究。     

松花江早更新世水系演化:来自TIMA矿物和地球化学的证据

水系演化研究是揭示流域地貌—构造—气候演化之间相互作用的重要途径。松花江水系演化研究目前还相对薄弱,尤其是第四纪松花江中上游是否发生流向反转存在争议。自动定量矿物分析系统TIMA(TESCAN Integrated Mineral Analyzer)在源区识别和古地理重建方面有极大的应用潜力。为此,本文利用TIMA技术对位于松花江T2阶地的哈尔滨荒山岩心沉积物进行重矿物及全岩矿物地球化学组成分析。结果表明,以深度62.3 m为界,岩心上、下地层沉积物的重矿物(例如,锆石、磷灰石、金红石、榍石、石榴石、钛铁矿、铁磁矿物和硅铁矿)及全岩矿物地球化学组成均存在明显差异。62.3 m以上地层沉积物的重矿物组合是闪石类+帘石类+榍石+铁磁矿物,硅铁锂钠石在上段地层中出现,全岩矿物地球化学元素较为稳定,波动幅度较小;62.3 m以下地层沉积物的重矿物组合是闪石类+帘石类+钛铁矿+榍石,方解石、铬铁矿、蛇纹石、黄铁矿和磁黄铁矿仅在下段地层中出现,全岩矿物地球化学元素波动幅度较大。TIMA重矿物和全岩矿物地球化学组成反映了岩心沉积物的物源发生明显变化,进而指示了松花江的水系演化。结合在依兰发现的河湖相地层,我们提出了松花江水系演化的新模式。早更新世时期,佳依(佳木斯—依兰)分水岭将松嫩水系和三江平原水系分隔开,作为松花江上游的牡丹江向东流经依兰—通河—哈尔滨,最终注入松嫩古湖。在0.94 Ma B. P.之后,松辽分水岭局部隆升,古松花江发生反转,从西向东流至通河—依兰地区形成古大湖。湖泊水位不断升高致使湖水溢流切穿佳依分水岭,形成现代松花江水系的基本格局。这挑战了以前的向源侵蚀导致佳依分水岭被切穿的水系演化模式。     

现代长江沉积物地球化学组成的不均一性与物源示踪

长江沉积物从源到汇过程研究的关键是揭示长江沉积物的组成特征,准确识别其时空组成变化规律,这也是东部边缘海海陆相互作用研究和长江水系构造演化研究的关键.本文研究一些常用的元素地球化学参数在现代长江水系的河漫滩和悬浮沉积物中组成的时空变化特点.在稀土元素(REE)组成上,下游近河口段干流悬浮沉积物在季节性时间尺度上比较稳定,可以代表现代长江入海沉积物的平均组成,而长江主要支流和干流间REE组成变化较大,化学相态分析可以更好地揭示特定物源区的REE组成特征以及由矿物分异引起的REE参数变化.相比REE而言,悬浮物中Al/Ti与Zr/Rb比值更能敏感地指示不同物源区的源岩组成信息,且减弱水动力分选引起的粒级和矿物分异影响.长江入河口的干流悬浮物作为整个流域风化剥蚀细颗粒物质的平均混合,具有更好的源区平均组成的示踪特性;但在不同季节也存在不同的主导性源区,主要受控于流域内季风降雨区的迁移.在河流沉积物源汇过程重建中,要特别关注流域物质风化和输运的自然过程可能引起的这些地球化学参数变化.     

贵州西部Pt、Pd异常源稀土元素地球化学示踪的初步研究

以贵州西部水系沉积物中的Pt、Pd异常为研究对象,选择REE、Pt、Pd和CaO、TFe2O3作为地球化学示踪指标,对贵州西部水系沉积物的物源组成和土壤的成壤母岩进行示踪探讨,表明：(1)龙场地区土壤的成壤母岩为峨后山古武岩;(2)水系沉积物中的物质来源系由古武岩的风化产物和土壤构成,水系沉积物中的Pt、Pd异常是对古武岩中Pt、Pd高背景的继承和浓缩富集;(3)对分布在灰岩区的水系沉积物物质来源的REE地球化学示踪研究和野外地质观察,发现尽管有些样品分布在灰岩区,但其物质来源仍由古武岩风化产物构成,表明未风化剥蚀前为古武岩覆盖。对红岩地区的水系沉积物物源示踪发现,该区水系沉积物中含有热液活动和基性—超基性岩体的信息,推测该区存在一定的找矿远景。     

化学风化及水动力分选对河流入海沉积物组成的影响

化学风化作用是引起河流沉积物相对其源岩发生地球化学分异的重要因素。在化学风化的初始阶段,长石含量减少,转化为黏土矿物,主要形成2:1型层状黏土矿物,如伊利石。随着风化作用的进行,伊利石脱K转化为1:1型层状黏土矿物,如高岭石(Nesbitt and Young,1982)。水动力分选同样显著影响沉积物的矿物和元素地化组成,粒度较粗、密度较大的石英、长石与重矿物一般富集于表层沉积物中,细粒级的,具片层状结构的黏土矿物则富集于悬浮物中(Garzanti et al,2011)。本研究讨论了长江、椒江、瓯江、木兰溪浊水溪等河流沉积物(包括悬浮物与表层沉积物)的化学风化与水动力分选。这些河流分属不同的源汇体系,长江属于"大河-大三角洲-宽广陆架"的源汇体系,作为世界性的大河,其下游干流悬浮物代表整个流域上陆壳细颗粒风化物质的混合,反映整个流域的化学风化强度。台湾河流属构造隆升背景下的山溪性小河流,有"瞬时大通量—极端气候影响—快速物质转换"的特点。其河流沉积物的源岩为多旋回的沉积岩和变质沉积岩,反映出强物理风化,弱化学风化的特点。浙闽河流同属于山溪性小河流,但其流域区域构造较稳定,地形起伏也较小,加之气候炎热多雨,所以化学风化较强,反映出流域受季风气候的控制。沉积物的Al2O3/Si O2值可作为一个可靠的矿物分选指标,Al2O3/Si O2与CIA,WIP,αAl值等化学风化指标的相关关系可以指示分选与风化作用对沉积物组成的影响。WIP受石英稀释作用影响较大,而CIA几乎不受石英稀释作用影响,二者的相关关系可以指示沉积多旋回性对沉积物组成的影响(Garzanti et al,2013)。沉积物地球化学组成的"粒度控制",是由于不同粒级沉积物中矿物组成差异所致,"粒度分异"的实质是"矿物分异"。本研究从矿物入手,讨论了水动力分选及化学风化作用对河流入海沉积物的影响,揭示出分选和化风化作用共同影响沉积物的矿物及元素地化组成。元素的表生地球化学行为,本质上是由元素在不同矿物中富集及迁移的规律决定的。化学风化和水动力分选都影响碎屑沉积物矿物组成的变化,继而引起沉积物元素地球化学组成的变化。     

沉积盆地物质来源综合研究

重矿物分析对于判断沉积盆的物源方向和物源区的母岩性质是有效的,但具有局限性;（１）对无重矿物或者仅能提供极少量重矿物的母岩判别力较差。（２）它不能准确判断物源区沉积物的主要运移通道。因此,进行盆地物源分析还需要重视综合研究,即（１）通过重矿物的矿物学、重矿物组合研究,判断物源区的母岩类型,推测母岩岩性演化;（２）通过沉积岩矿物成分与结构研究,判别物源区是否存在重矿物无法辨认的母岩类型和沉积物的搬运     

长江口—东海内陆架悬浮重矿物组成与颗粒特征

沉积物重矿物矿物组成和颗粒大小对揭示沉积物源和水动力分选过程具有重要指示意义。然而,受研究手段的制约,对于长江细粒沉积的重矿物组成和物源、水动力分选之间关系的探究还尚属空白。本研究利用自动定量矿物分析系统(TIMA)对长江口—东海内陆架不同水层悬浮物的重矿物组成和颗粒大小进行了研究,同时,结合电子探针分析对细粒级重矿物自动识别结果进行了验证。研究表明,长江口悬浮物中特征重矿物组合为角闪石—绿帘石—铁质金属矿物,与长江下游沉积物特征重矿物组合一致。长江口悬浮物与长江下游沉积物的重矿物组成具有极好的相关性,指示其来源与长江有关。而长江口外悬浮物中赤/磁铁矿相对富集,可能是强潮作用导致的中等密度重矿物再搬运和扩散的结果。值得关注的是,在舟山群岛附近站位悬浮物样品中发现了铬铁矿的异常富集,推测与海区人类生产活动有关。长江口悬浮重矿物颗粒绝大部分为粗粉砂—极细砂,富集在悬浮物中的较粗粒级(Φ0.5)中,主要由径流携带搬运。不同水层悬浮物中不同类型重矿物的粒径无明显差异,受沉降差异的影响小。     

江汉平原主要河流沉积物重矿物特征与物源区岩性的响应

通过对江汉平原主要河流沉积物的重矿物组合、特征矿物以及能够反映沉积物稳定状况、物源及成熟度的重矿物特征指数(ATi,GZi和ZTR)进行对比分析,发现在江汉平原范围内,长江和汉江及其长江主要支流的沉积物中重矿物特征具有显著的差异。长江的重矿物组合模型为：  锆石+绿帘石+辉石+绿泥石+金属矿物,特征矿物是锆石和辉石;   汉江的重矿物组合模型为：  绿帘石+角闪石+石榴石+绿泥石+金属矿物,特征矿物是角闪石、石榴石;   另外,清江、漳河、沮水和玛瑙河的重矿物组合及特征矿物也都完全不同。而且各水系的沉积物的重矿物特征与其源区的岩性分布显示出极好的相关性。研究表明在江汉平原利用重矿物特征及组合模型来进行物源示踪的方法开展水系演化研究是可行的。     

北祁连北大河沉积物碎屑组成及物源正演分析

开展现代河流沉积物的物源分析正演研究,对厘清河流搬运分选过程对不同碎屑成分的影响、不同源区对汇区沉积物的贡献机制以及物源定量分析具有重要意义。对北祁连北大河与洪水坝河现代河流沉积物的物源开展了正演研究,结合砾石成分统计、重矿物分析和碎屑锆石U-Pb测年方法,分析了流域内不同物源对现代河流不同碎屑成分贡献的差异性。结果表明,两条河流沉积物的特征显示汇区不同碎屑成分对物源区岩性的反映各有侧重。其中砾石岩性能够反映整个流域的主要岩性;砂粒中的重矿物组合也可以反映源区主要岩性,且对重矿物含量较高的岩体或地层（如铁矿）十分敏感;碎屑锆石年龄谱反映了整个流域物源端元锆石的综合贡献,各年龄峰锆石占比与源区各年龄峰锆石贡献呈较好的正相关关系,其中源区沉积岩碎屑锆石的贡献比较显著。通过河流物源正演分析进一步建立现代河流源汇模式是实现物源量化分析的一个可行方向。     

中国北方三流域河流—沙漠过渡带地表沉积物化学元素空间差异分析

通过对克里雅河、毛布拉格孔兑以及西拉木伦河三流域的河流-沙漠过渡带地表沉积物的7种常量氧化物以及15种微量元素进行因子分析,结果显示:三个流域之间或不同河段因子分析提取的公因子均可以概括为较稳定的铁锰矿物、较不稳定的长石类和方解石（白云石）类等硅酸盐矿物以及稳定的稀土元素和重矿物等类别;河流间因子分析结果表明,自西向东三个流域沿河地表沉积物的化学元素富集与迁移程度呈递增趋势,化学风化程度增强;流域内因子分析结果表明,自上游至下游,样点化学组成均愈变复杂,不同河段或不同河岸沉积物化学元素空间分布规律与其物源、地貌格局以及水分条件等因素有关;自河床至阶地,不同地貌单元地表沉积物化学元素呈相异的递变规律,这与在距离河道远近不同,物源、动力因素的分配不同有关。     

Comparison of detrital mineral compositions between stream sediments of the Yangtze River (Changjiang) and the Yellow River (Huanghe) and their provenance implication

A comparative comparative study on the detrital mineral composition of stream sediments of the Yangtze River (Changjiang) and Yellow River (Huanghe) shows that, light minerals of the Yangtze River basin were mainly quartz, feldspar, and detritus, the compositional characteristics of light minerals differed among tributaries, the main stream had a generally higher maturity index than tributaries; heavy mineral content tended to decrease progressively from the upper stream to lower stream of the Yangtze River, the primary assemblage was magnetite-hornblende-augite-garnet-epidote, and diagnostic minerals of different river basins were capable of indicating the nature and distribution of the source rock. Detrital mineral assemblages in sediments of tributaries and the main stream of the Yellow River were basically similar, Primary heavy mineral assemblage was opaque mineral-garnet-epidote-carbonate mineral and alteration mineral. Variations in the contents of garnet, opaque mineral, and hornblende mainly reflected the degree of sedimentary differentiation in suspended sediment and the hydrodynamic intensity of a drainage system. The heavy mineral differentiation index F revealed sedimentary differentiation of diagnostic detrital mineral composition due to changes in regional hydrodynamic intensity and can serve as an indicator for studying the dynamic sedimentary environment of a single-provenance river and the degree of sedimentary differentiation of its detrital minerals. Changes in detrital mineral content of the Yellow River was not completely controlled by provenance but reflected gravity sorting of the detrital mineral due to variations in the ephemeral river hydrodynamic intensity and sedimentary environment, however the index changing of Yangtze River were mainly influenced by the complex sediment sources. Therefore caution must be exercised in using the detrital mineral composition of marginal sea to determine the contribution of the Yangtze River and Yellow River.© 2019 China Geology Editorial Office.     

福建闽江和九龙江现代沉积物重矿物特征及其物源意义*

通过对闽江和九龙江沿岸沉积物中重矿物的分析,发现重矿物组合与源区岩石具有极好的相关性。两条河流流域重矿物组合为不透明铁矿类—绿帘石—锆石—电气石—角闪石,特征矿物为绿帘石,含量高达原生透明重矿物比重的70%,其成因除与高级变质岩有关外,还与中酸性岩浆岩及其与围岩接触蚀变发生的绿帘石化有关。从重矿物组合、重矿物特征指数以及与锆石年龄谱系的比对分析发现,闽江流域重矿物源自闽西北武夷山前寒武纪的变质岩、闽东广泛出露的燕山期岩浆岩和接触变质岩,而九龙江流域重矿物源自闽西南的印支—燕山期花岗岩。闽江上游沉积物重矿物以源自高级变质岩的重矿物为特征,中下游由上游来源的重矿物和下游酸性岩浆岩及接触变质岩形成的重矿物共同构成;九龙江以印支—燕山期花岗岩中的副矿物组合为特征。研究结果显示,对于中小流域面积的河流,由于搬运距离有限,重矿物组合保存的源岩信息量大,可作为研究流域内构造演化和源汇对比的重要手段。     

长江水系沉积物碎屑矿物组成及其示踪意义

长江碎屑矿物组成研究表明,轻矿物以石英、长石和岩屑为主,不同支流轻矿物组成特征不同,成熟度指数平均是2.0,一般干流高于支流,成熟度随沉积物搬运距离增加而增大。QFL及QtFL三角图解显示长江沉积物主要来自再旋回造山带物源区,流域风化剥蚀速度较快,不同支流物质汇入干流,使得干流轻矿物组成复杂多变而难以和支流区别。重矿物含量从长江上游至下游呈递减趋势,其主要组合是磁铁矿-普通角闪石-普通辉石-石榴子石-绿帘石-褐铁矿-钛铁矿。红柱石和磷灰石是金沙江沉积物的特征矿物组合;蓝晶石是岷江流域的特征矿物;涪江的特征矿物是榍石;汉江的特征矿物组合是磷灰石、紫苏辉石和硅镁石;锆石是湘江的特征矿物。不同流域的特征矿物指示其源岩性质。上游的雅砻江、大渡河以及岷江等支流沉积物对中、下游干流沉积物的贡献较弱。涪陵以上长江流域风化作用强烈,母岩主要是沉积岩类(碎屑岩、泥岩);其下流域沉积物中近源弱风化物质明显增加,其源岩类型体现为岩浆岩和变质岩类;而金沙江攀枝花地区及湘江、沅江沉积物则更多来自流域内广泛分布的大片变质岩类。     

岷江演化讨论: 来自四川宜宾地区第四纪河流沉积物的重矿物证据*

河流沉积的重矿物可以较为准确反映源区的母岩性质,进而揭示河流的演化过程。本研究以岷江下游河流阶地沉积与现代沉积的重矿物为主要研究对象,开展了古流向、重矿物组合特征、特征重矿物类型及重矿物特征指数分析。研究结果表明: 岷江下游Ⅴ级阶地至Ⅲ级阶地沉积中的重矿物以岩浆岩型重矿物为主,其物源来自龙门山构造带;现代沉积中的重矿物以变质岩型重矿物为主,其物源来自松潘—甘孜褶皱带。结合重矿物特征指数对比分析,认为造成这种重矿物类型差异的原因是青藏高原东缘阶段性隆升引起的岷江溯源侵蚀。受昆黄运动B幕影响,岷江于0.73—0.7 Ma下切至汶川附近,Ⅴ级阶地形成;受昆黄运动C幕影响,岷江于0.5—0.3 Ma强烈下切,Ⅳ级阶地形成;受共和运动影响,岷江在0.11—0.09 Ma下切至石大关,同时形成Ⅲ级阶地;此后岷江继续溯源侵蚀,在距今27 ka左右形成现代岷江。     

Discussion on evolution of Min Jiang River: Heavy mineral evidence from the Quaternary fluvial sediments in Yibin area,Sichuan Province

Heavy minerals deposited on river terraces can be used to reflect source rock properties and reveal river evolutionary processes. This study focused on the heavy minerals deposited in the lower Min Jiang River terraces and in the modern deposits. We studied paleo-current direction, characteristics of the heavy mineral assemblages, characteristic metamorphic minerals and heavy mineral characteristic indices. The results show that the lower reaches of the Min Jiang River Ⅴ- to Ⅲ-level terrace deposits consist dominantly of magmatic rock type, which mainly comes from the Longmen Shan mountain tectonic belt. The heavy minerals deposited in modern sediment come from the Songpan-Ganzi fold belt. The heavy mineral characteristic indices suggest that this change is due to headward erosion of the Min Jiang River. Affected by the phase B of the Kunhuang movement, the Min Jiang River was incised to the Wenchuan area at 0.73-0.7 Ma and the Ⅴ-level terrace formed. The Min Jiang River was strongly cut down at 0.5-0.3 Ma due to the phase C of the Kunhuang movement, and as a result the Ⅳ-level terrace formed. Influenced by Gonghe movement, the Min Jiang River was incised to the stone mark and Ⅲ-level terrace formed in 0.11-0.09 Ma. After that, the modern Min Jiang River was formed at around 27 ka.     

青藏高原东缘宜宾地区第四纪河流沉积物中铁质重矿物特征及物源意义

大河流域的发育史和演化在地学界广受关注。探讨宜宾地区第四纪沉积物中铁质重矿物的特征,可为长江流域的演化提供重要证据,同时对于了解青藏高原东缘的隆升及沉积响应具有重要意义。本文以金沙江和岷江交汇处的宜宾地区第四纪沉积物中的铁质重矿物为研究对象,分析其在电子探针和背散射图像中的化学和形貌学特征,探究长江及其支流的物源演化过程。研究结果显示:岷江下游Ⅴ级阶地至Ⅳ级阶地沉积以磁铁矿为主,物源主要来自龙门山构造带;Ⅲ级阶地沉积以钛铁矿为主,物源仍然主要来自龙门山构造带;现代沉积中蓝晶石、磷灰石等包裹体的铁质矿物增多,其物源来自龙门山构造带和松潘—甘孜褶皱带。岷江Ⅴ级至Ⅲ级阶地形成时,岷江的源头主要位于龙门山构造带;Ⅲ级阶地形成以后,岷江不断向上溯源侵蚀,深入松潘—甘孜褶皱带内,逐渐形成现代岷江。金沙江Ⅴ级阶地和长江Ⅴ级阶地中均未出现攀枝花钒钛磁铁矿,此时金沙江攀枝花—宜宾河段未贯通,长江此时在研究区的物源主要由发源于龙门山构造带的岷江提供。金沙江Ⅳ级阶地中攀枝花钒钛磁铁矿大量出现,表明此时金沙江攀枝花—宜宾河段已经贯通,时间为Ⅳ级阶地开始沉积的时间,即0.5~0.3 Ma BP。     

早更新世松花江水系反转

水系重建对于理解全球变化和区域响应至关重要。松花江水系演化研究极为薄弱,尤其对第四纪早期松花江水系是否发生倒转一直存在争议,且无明确证据。河流沉积物是水系演化最直观的证据。为此,选择哈尔滨荒山（HS）钻孔岩芯沉积物作为研究对象,对其进行了磁化率、古地磁和Sr?Nd同位素组成分析。结果表明,岩芯62.3 m（0.94 Ma B.P.）深度上、下地层的磁化率和Sr?Nd同位素特征存在较大差异。62.3 m以下地层磁化率极低,多次出现0值,且变幅较小。Sr?Nd同位素组成与依兰方向现代水系的Nd同位素特征相近;然而62.3 m以上地层磁化率急剧增大,并呈现周期性的高低变化。Sr?Nd同位素组成小幅度变化,表现出与松原方向现代水系相近的Nd同位素特征。表明了早更新世晚期松花江中上游（肇源—依兰河段）水系流向曾发生反转。早更新世早—中期,松花江中上游与下游尚未贯通。以佳依（佳木斯—依兰）分水岭为界,松花江下游向东流经三江平原,而松花江中上游向西流入松嫩湖盆;早更新世晚期,由于构造—气候变化的共同作用,佳依分水岭不断抬升,而三江平原和松嫩平原持续下降,导致分水岭两侧河流向源侵蚀,在0.94 Ma B.P.,佳依分水岭被切穿,松花江中上游水系被下游水系所袭夺,流向开始倒转,中上游与下游贯通,现代松花江水系逐渐建立。