宜昌碎石层稳定重矿物组合特征及其古环境意义

宜昌碎石层稳定重矿物组合特征及其古环境意义

宜昌地区位于汉江盆地西缘，汉江峡谷的出口。该地区分布着一系列第四纪缓慢的砂砾石层。经我们野外调查,其分布范围:西以宜昌为顶点,北侧大致以汉宜高速为界,南侧大致以宜昌—宜都—松滋为界,东侧在松滋—枝江一线以西。分布区总体上呈三角形的区域,面积近100km２,称之为“宜昌砾石层”。其厚度大、分布广,典型剖面出露多,且地貌位置重要,对江汉平原乃至长江中游的地层划分、地貌演化、古环境变迁以及长江的形成与演化等研究都具有极为重要的意义,一向颇受地学工作者的关注(杨怀仁,1959;杨怀仁等,1999;方鸿琪,1961;陈华慧等,1987;康悦林,1987;唐法贤等,1992;杨达源,1988;杨达源等,1992;谢明,1990;张叶春,1995;田陵君等,1996;唐贵智等,1997;孙昌万,1999;向芳等,2006;张勇等,2009;李庭等,2010)。有关砾石层的成因问题,曾有人认为出露不同高度的砾石层是不同时期长江形成不同级次的阶地(杨怀仁,1959;方鸿琪,1961;陈华慧等,1987;杨达源,1988;杨达源等,1992;向芳等,2006);有人认为是冰缘堆积(康悦林,1987;唐法贤等,1992;唐贵智等,1997);也有人认为是冲积扇堆积体(孙昌万,1998;李庭等,2010)。而且就砾石层的形成及物质来源是否与长江有关,取得的成果不多,并存有着很大争议(杨怀仁,1959;杨怀仁等,1999;唐法贤等,1992;杨达源,1988;杨达源等,1992;张叶春,1995;田陵君等,1996;唐贵智等,1997;孙昌万,1998;向芳等,2006;张勇等,2009;李庭等,2010)。本研究在课题组前期研究的基础上,选取了宜昌地区宜昌市委苗圃、机场路、卢演冲、善溪窑、云池和白洋砾石层等本区最为典型的6个剖面(图1),重点对剖面砾石层中的填隙物及透镜体中的0.125~0.063mm粒级粉砂质沉积物的重矿物种类及组合特征进行分析,比对研究区汇水区范围内的岩性分布、现代长江漫滩沉积物及低矮阶地沉积物的重矿物特征,并结合砾石层剖面特征、砾石的岩性特征、砾石层沉积相与沉积环境等,采用物源示踪的方法,探讨了该砾石层堆积物的物质来源及其对三峡贯通的指示意义。1沉积学特征及沉积环境本文的研究剖面为近年来课题组发现的出露好、有代表性意义的机场路、市委苗圃、卢演冲、白洋、善溪窑和云池6个剖面,各剖面的沉积学特征及沉积环境如图2所示。其中善溪窑和云池剖面前文(李庭等,2010)已做了详细描述,这里不再赘述。机场路、市委苗圃、卢演冲、白洋剖面的描述如下:1.1地层及地面风剖面位于宜昌三峡机场路加油站(N30°25′26.5″,E111°27′20.6″)。剖面倾向南西方向,高程110m,剖面出露地表高度13m左右。剖面自上而下描述为:Ⅰ网纹红土。厚约4m。Ⅱ灰白色粘土层。厚约1m。已高岭土化。Ⅲ砾石层。出露地表8m。未见底,砾石成分主要为灰白、紫红色石英砂岩约占70%,砾径15~30cm;火山凝灰岩、花岗岩(深度风化)约占5%,粒径5~10cm;灰黑色硅质岩占10%~15%,砾径约3~5cm,最大10cm;角砾岩、泥砾岩、砾岩、磁铁矿石英砂岩占10%,粒径3~5cm;偶见玛瑙石。砾石表面风化程度中等。颗粒支撑结构,剖面上随处可见花岗岩砾石彻底风化但其形状依稀可见,砾石间的填隙物中可见完全风化的岩屑,属砾石坝相。。1.2砾石层及含砾砂层剖面位于宜昌市市委苗圃内(N30°41′78.3″,E111°18′12.7″)。高程130m,剖面出露地表高度16m。划分为3个旋回,剖面自上而下描述为:Ⅰ褐黄至棕黄色粘土层。厚约1m。Ⅱ棕黄色砾石层。厚约8m。砾石粗大,砾径多数在10~30cm,最大40cm,向上逐渐变细。砾石岩性以石英岩、石英砂岩为主,约占60%,流纹岩及安山岩等约占20%,凝灰岩及花岗质岩石约占10%,硅质岩约占10%,此外还有砾岩、泥砾等。砾石的分选性较差。大小混杂,相差悬殊。砾石扁平,呈圆及次圆状,少数次棱角及棱角状,风化程度中等(花岗岩风化彻底)。呈叠瓦状排列,砾石扁平面总体倾向为330°~340°,填隙物为棕黄色粘土质砂,泥质成分较多,含岩石碎屑,属碎屑流沉积相及砾石坝相。Ⅲ棕黄色含砾砂层。厚约7m。砾石向下逐渐减少,呈反粒序,基质支撑结构。基质为棕黄色粗砂,剖面下面未见底,属河道沙坝沉积相。1.3岩石岩性结构:砂剖面位于宜昌卢演冲水库(N30°32′44.8″,E111°26′32.2″)。高程110m,出露地表高度10m。剖面露头有限,旋回现象不明显,砾石岩性主要为灰白色、紫红色石英砂岩约占50%~60%,砾径10~30cm。此外还有长石砂岩、灰白色及黑色硅质岩、粉砂岩、花岗岩、球状花岗岩、凝灰岩、安山岩、片麻岩、砾岩及角砾岩、脉石英、泥质岩、磁铁矿石英砂岩、,偶见火山碎屑岩及玛瑙石,其中花岗岩、安山岩及片麻岩风华彻底。砾石多为圆及次圆状,少量次棱角状,分选中等,填隙物为砖红色砂质粘土,属砾石坝相。1.4细砂砾石层结构剖面位于枝江市白洋镇汽渡旁(N30°25′78.4″,E111°30′66.8″)。高程87m,出露地表高度25m。可划分为3个大的旋回,剖面描述自上而下为:Ⅰ棕黄色砾石层。厚约6m。砾径5~10cm,砾石岩性主要是石英砂岩和硅质岩。此外还有砾岩、花岗岩、燧石、凝灰岩等。向上粒径变小,砂质含量增加,砾石风化程度中等(花岗岩大多已完全风化),呈正粒序,颗粒支撑结构,填隙物为棕黄色粗砂,属河道滞留相。Ⅱ棕黄色砾石层。厚约4m。砾径大于10cm达50%以上,最大40cm。岩性多数为石英岩和石英砂岩,约占60%~70%。砾石分选性较好,具有明显的定向性排列,ab面倾向北东,呈正粒序,颗粒支撑结构,填隙物为棕黄色粗砂,属河道滞留相。Ⅲ灰色砾石层。厚度约15m。含大量砂质透镜体,其中包含了3~4个正粒序结构的小旋回,每个小旋回正粒序结构清楚,下部砾石砾径最粗可达5~10cm,上部砾径多为2~5cm,砾石成分多数为石英岩和石英砂岩,占70%;硅质岩、火山熔岩、凝灰岩、安山岩、粗面岩及玄武岩约占20%;火山角砾岩及火山碎屑岩约占5%~10%,砾石分选性好,磨圆度高,其中花岗岩风化彻底。所含砂质透镜体为灰色中、粗砂;倾向为NEE向,属河道滞留相。2样本采集和测试2.1采样及剖面特征研究样品取自砾石层填隙物、砂质透镜体及所夹砂层。除去表面风化层后,取其均匀物质,过筛除去粗粒部分后装入袋中送往实验室。共选取有代表性的不同剖面的样品18件进行实验分析。采样剖面及样品编号分别为宜昌市委苗圃剖面:MP-1~2;机场路剖面:JCL-1~2、JCL2-1;卢演冲剖面:LYC-1~2;善溪窑剖面:SXY-1~4;云池剖面:YC-1~4;白洋渡剖面:BYD-1~3。剖面采样位置如图2所示。2.2颗粒百分含量的测定样品的实验流程是:将每个样品烘干后称取1kg,在清水中浸泡48h后,过套筛,适当加压、水析分离出0.125~0.063mm粒级的样品,烘干后用电子天平称重(精度为0.1mg)。用缩分法取10g样品,利用三溴甲烷(比重2.89g/cm３)进行轻重矿物分离,分离出来的样品用酒精反复冲洗后,60℃恒温烘干再称重,可得重矿物部分的含量。将分离出来的重矿物部分在实体显微镜下采用条带法随机选取10个视域进行矿物鉴定,并取其平均值来减小分析误差。每个重矿物样品鉴定颗粒数均在600粒以上,然后计算出每种重矿物的颗粒百分含量(中国地质科学院地矿所,1977;沈丽琪,1985;马婉仙,1990;康春国等,2009a)。选用同粒级重矿物的百分含量变化来分析问题,具有相同的地质意义,而且0.125~0.063mm粒级的矿物是可以长距离搬运的,符合动力学原理(康春国等,2009b)。3结果与分析3.1样品的重矿物种类及含量在宜昌地区砾石层所有样品中共检测出重矿物有锆石、磷灰石、电气石、榍石、蓝晶石、绿帘石、角闪石、透闪石、辉石、石榴石、白钛石、金红石、绿泥石、锐钛矿、黄铁矿、赤褐铁矿、钛铁矿、磁铁矿、褐帘石、尖晶石、独居石等21种,其中透闪石、黄铁矿、尖晶石、独居石等为偶见矿物,仅在个别样品中出现。表1中列出了18件样品的重矿物种类及百分含量。图3所示为所有样品的重矿物百分含量累加曲线图,可以清楚的看到每个样品各种矿物的贡献情况。图中显示主要的重矿物组合特征十分明显,即以锆石—绿帘石—白钛石—赤褐铁矿—钛铁矿—磁铁矿组合为特征,尤以赤铁矿和钛铁矿最为突出;此外,磷灰石、电气石、榍石、绿泥石、石榴石、金红石、锐钛矿也占有一定的含量。同时,不同剖面、不同深度样品的组合基本是一致的。表明不同剖面砾石层属同一沉积物,且沉积过程中保持着稳定的物源。3.2沉积物的物源分析3.2.1宜砾石层的岩性碎屑沉积物的重矿物组成与物源区地表出露的岩石类型有很好的对应关系,根据矿物种类及组合关系可以判断原岩类型(Mortonetal.,1994,1999;赵红格等,2003;YangShouyeetal.,2009)。宜昌砾石层中所含有的锆石、磷灰石、电气石、榍石、白钛石、金红石及锐钛矿为火成岩中常见矿物,尤其是中酸性花岗岩;绿帘石和石榴石主要产于变质岩;赤褐铁矿、钛铁矿和磁铁矿在各类岩石中均有产出(罗谷风,1993)。经查阅长江流域岩性分布图,湖北省、四川省区域地质志证实,在本研究区汇水范围内,中酸性花岗质的火成岩主要分布于三峡以西的金沙江、雅砻江、岷江和嘉陵江上游及黄陵背斜地区;超基性、基性火成岩主要分布在峨眉山地区及神农架地区;中酸性喷出岩及火山碎屑岩类主要分布于三峡以西四川盆地的河流阶地上以及神农架西部的大神农架地区;变质岩主要分布于金沙江攀枝花段、岷江和嘉陵江上游、乌江等地(湖北省地质矿产局,1990;四川省地质矿产局,1991);而沉积岩则广泛分布(湖北省地质局区域地质测量队,1974;四川省地质矿产局,1991;湖北省地质矿产局,1990;中国科学院长春地理研究所,1998;马大全等,2002)。而且在金沙江下游分布有大规模的攀枝花钒钛磁铁矿(朱俊士,2000),岷江流域分布有磁铁矿,三峡地区及乌江上游分布有大量的赤褐铁矿(赵一鸣等,2004;王显锋等,2008),这可能是导致宜昌砾石层中赤铁矿、钛铁矿比例大的原因,图4所示为宜昌砾石层汇水区岩性及主要铁矿分布。通过宜昌砾石层的重矿物组合与长江上游源区岩性的比较可见,宜昌砾石层中的主要重矿物组合特征所指示的源区原岩类型既分布于鄂西的三峡地区,也分布于三峡以西的长江上游流域。由此可见,宜昌砾石层的沉积物既来源于鄂西三峡地区,也接受了大量三峡以西的长江上游物质。3.2.2鄂西山地与现代河流的重矿物组合宜昌砾石层的最重要地质环境意义即在于它对三峡贯通的指示,如果宜昌砾石层沉积时三峡业已贯通,则其重矿物组合应与宜昌长江沉积物的重矿物组合相近;若宜昌砾石层沉积时三峡并未贯通,其沉积物应主要源于江汉盆地西缘的鄂西山地,重矿物组合特征则应该与发源于鄂西山地的河流相似。通过与前期江汉平原现代河流沉积物的重矿物组合(杨达源,1988;王腊春等,1997;向芳等,2006;王中波等,2006;康春国等,2009a,2009b;YangShouyeetal.,2009)的比较(图5),可以发现,宜昌砾石层的重矿物组合(锆石—绿帘石—辉石—绿泥石—赤褐铁矿—钛铁矿—磁铁矿石)与现代长江宜昌段河漫滩及低阶地沉积物相接近,而与发源于鄂西山地的清江、漳河、沮水河、玛瑙河,以及汉江等主要河流的重矿物组合差别很大,说明宜昌砾石层是三峡贯通发生的产物。实际上也只有三峡已经贯通,大量四川来水的涌入才有可能造就如此巨大的冲积扇。4宜地区早东南角砾石层重矿物组合特征宜昌地区早第四纪砾石层不仅分布面积广(杨达源,1988,2006;杨达源等,1992),而且沉积厚度大,具有重要的地质和地貌意义。从其分布范围、形态和剖面沉积学特征等分析可见,其为一大型的河流冲积扇。其物源有两种可能,一是源于鄂西山地,为近源堆积;二是既有近源物质,又有长江上游的远源物质。通过对宜昌地区早第四纪砾石层重矿物组合特征与物源区原岩类型比对分析和与宜昌现代长江沉积物的对比分析表明,该砾石层含有大量三峡以西的物质,且重矿物组合与现代长江沉积物基本一致,并明显不同于发育于鄂西山地的江汉平原西缘的水系沉积物(康春国等,2009b)。两方面分析均表明,宜昌砾石层中的细粒组分(0.125~0.063mm)大量来自于三峡以西的长江上游。据前人对卢演冲组古地磁(陈华慧等,1987,1990;关康年等,1990),李家院、善溪窑和卢演冲剖面中砂质填隙物的ESR(向芳等,2005)以及善溪窑网纹红土的热释光测年(杨达源等,1992),推断宜昌砾石层的形成年代应该在1.08~0.73MaBP。鉴于三峡是长江上游物质进入宜昌地区的唯一通道,表明三峡贯通的时间应该在1.0MaBP。宜昌砾石层