云贵高原河流水系演化与高原形成过程——基于现代河流沉积物示踪

2019-01-03 09:31狄会哲赵高平叶玥豪邱嘉文
四川地质学报 2018年4期
关键词:珠江流域钛铁矿岩浆岩

狄会哲,邓 宾,赵高平,叶玥豪,邱嘉文



云贵高原河流水系演化与高原形成过程——基于现代河流沉积物示踪

狄会哲1,3,4,邓 宾1,2,赵高平1,叶玥豪1,邱嘉文1

(1. 成都理工大学能源学院,成都 610059;2. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 610059;3. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所),广州 510301; 4. 中国科学院大学,北京 100049))

云贵高原是进行现代河流沉积物分析示踪的天然实验室,研究其现代河流沉积物的对于认识青藏高原东南缘隆升与新生代地形形成演化具有重要意义。通过对云贵高原长江和珠江支流7件河流砂样重矿物分析、聚类分析和ATi与GZi等研究,揭示出长江流域河流沉积物呈现出搬运距离远,物源种类多,经历复杂次生作用等特点,明显区别于珠江流域河流沉积物搬运距离近、物源种类单一和近源等特点。珠江流域上游红水河物源与长江具有一定继承性,新生代晚期,由于青藏高原东向扩展生长与大型走滑断裂活动导致和河流水系特征,同时南盘江流域发生反转、袭夺,最终形成现今云贵高原“西高东低”地貌及其河流水系。

现代河流沉积物;重矿物;水系演化;云贵高原

云贵高原为中国四大高原之一,西起青藏高原东侧,东到武陵山、雪峰山,东南至越城岭,北至长江南岸的大娄山,南到贵、滇边境的山岭,东西长约1000 km,南北宽400~800 km,总面积约50×104km2,河流水系发育,地表出露岩石类型复杂多类。新生代以来,由于欧亚板块和印支板块的碰撞,云贵高原受青藏高原东向扩展隆升影响,总体上呈现西高东低的地貌格局。高原河流的形成演化是构造、气候等多种因素共同作用的结果,河流中的沉积物携带着“从源到汇”[2,14,17,22,23]系统重要的演化信息。近些年来,人们越来越重视沉积物的沉积路径和沉积过程,河流作为沉积物搬运主要载体扮演着重要的作用,因此对河流现代沉积物的研究在确定物源区位置、性质、沉积物搬运路径和整个盆地的沉积作用、构造演化等方面具有重要的意义。

基于云贵高原长江和珠江支流7件河流砂样品重矿物分析、聚类分析和ATi与GZi等研究,揭示长江流域和珠江流域河流沉积物差异性特征,从而为分析青藏高原东南缘地区高原扩展生长、河流形成与盆地演化等提供参考。

1 样品采集和处理

本文样品采集于云贵高原长江和珠江不同构造单元代表性的河流表层沉积物,长江流域包括牛栏江、横江、赤水河和芙蓉江-鸭池河;珠江流域包括南盘江、北盘江和红水河,共7个河流砂样(图1)。样品采集回来以后,首先进行初步颗粒碎样,选取约120g样品进行粉末筛选,用蒸馏水筛选为4个量级(>1mm; 0.25~1mm; 0.0625~0.25mm; <0.0625mm),放在烘箱中用低温(60oC)烘干12~16小时。其中粒径在0.0625~0.25 mm颗粒使用Morton[24](1985)方法进行比重分离,其它矿物分离过程按照Mange等[25](1992)提出的方法进行。随后利用多钨酸钠重液(比重2.89g/cm3)对重矿物比重分离[18,25],待分选重矿物烘干后用环氧树脂固定制片观测。

图1 长江和珠江水系样品点位置图[6,10,11]

各样品薄片分析矿物数量大于250颗,本次样品统计颗粒数量普遍大于300颗,部分按照不同方格数计数的方法[25]在10倍的目镜和50倍的物镜的Leitz偏光显微镜下统计计算,且白云母和黑云母也计入。

矿物鉴定过程见矿物鉴定标准手册[21,25-29]。

表1 长江和珠江流域沉积物重矿物颗粒百分含量

2 重矿物分析结果

2.1 长江流域

2.1.1重矿物组合特征

根据河流砂的沉积环境及物源区分析,将其重矿物分为以下几类组合:①超稳定矿物组合,主要包括锆石、电气石、金红石、锐钛矿和白钛石;②较稳定矿物组合,主要包括铬尖晶石、独居石、石榴石、赤褐铁矿、钛铁矿和磁铁矿;③稳定矿物组合,主要为磷灰石和绿帘石[12];④不稳定矿物组合,主要包括黄铁矿、辰砂和辉石;⑤沉积相指示矿物,主要为黄铁矿(表1)。

尽管河流沉积物在搬运过程中可能受到水动力分选和机械破碎,但母源区岩石类型仍是控制河流沉积物中重矿物组成的最重要因 素[31]。一般认为不同类型的母岩中存在不同类型的重矿物,铬尖晶石与基性-超基性岩有关;钛铁矿与辉长-辉绿岩或二长花岗岩有关;磁铁矿、钛铁矿、锐钛矿、辉石和角闪石是基性岩浆岩存在的标志[12];磷灰石、金红石、榍石和独居石往往存在于酸性岩浆岩中;红柱石、石榴石、蓝闪石和十字石则存在于中高级别变质岩;锆石普遍存在于三大岩石(沉积岩、变质岩和岩浆岩)中,但其磨圆度通常反映物源搬运的相对距离。

牛栏江砂样(D6213)以赤褐铁矿和钛铁矿为主,占64.51%;次为锆石和磁铁矿,占14.17%;其它重矿物占21.32%。其中超稳定矿物占到13.78%,较稳定矿物占0.25%,稳定矿物占69.60%,不稳定矿物占0.25%。重矿物组合为赤褐铁矿+钛铁矿+锆石+磁铁矿+白钛石。样品中赤褐铁矿、钛铁矿、锆石和磁铁矿的含量高,并含有一定量的辉石,说明物源主要来自于基性-酸性岩浆岩,样品赤褐铁矿含量高揭示出沉积物均为水体较浅的氧化环境。

横江砂样(D6111)以赤褐铁矿和钛铁矿为主,占68.4%;次为锆石和黄铁矿,占17.0%;其它重矿物占14.7%。其中超稳定重矿物占9.7%,较稳定矿物占0.1%,稳定矿物占78.8%,不稳定重矿物占8.2%。重矿物组合为赤褐铁矿+钛铁矿+锆石+黄铁矿+磁铁矿,特征矿物为黄铁矿。样品中赤褐铁矿和钛铁矿含量高,说明物源主要来自于基性-酸性岩浆岩。此外,黄铁矿含量高,揭示沉积物为还原环境。横江位于金沙江下游,其上游地区攀枝花存在大型钒钛磁铁矿,说明横江中河流沉积物主要来自于上游物源区。

赤水河砂样(D6251)以钛铁矿和赤褐铁矿为主,占64.24%;次为石榴石、锆石和白钛石,占17.17%;其它重矿物占18.59%。其中超稳定矿物占11.55%,较稳定矿物占9.97%,稳定矿物占67.65%。重矿物组合为钛铁矿+赤褐铁矿+石榴石+锆石+白钛石,特征矿物为石榴石。样品中钛铁矿和赤褐铁矿含量高,物源以酸性-基性岩浆岩为主,石榴石的含量增加,表明赤水河段变质岩物源增加,云贵高原西北部康滇地区发育高绿片岩相和低角闪岩相岩石及花岗岩,并分布大面积的峨眉山玄武岩及中酸性花岗岩,故角闪石、榍石和石榴石含量较高,并形成了特征矿物蓝晶石[4],赤水河中变质矿物可能来源于该物源区。

芙蓉江-鸭池河砂样(D6242)以赤褐铁矿和钛铁矿为主,占60.11%;次为赤铁矿、锆石和重晶石,占17.08%;其它重矿物占22.81%。其中超稳定矿物占7.84%,较稳定矿物占0.04%,稳定矿物占66.93%。重矿物组合为赤褐铁矿+钛铁矿+赤铁矿+锆石+重晶石,特征矿物为重晶石。样品中赤褐铁矿和钛铁矿含量高,重晶石含量增加,说明样品母岩主要为基性-酸性岩浆岩,但沉积岩物源的比例增加。

表2 重矿物特征指数

2.1.2重矿物特征指数分析

为了更加准确地反映复杂物源信息,常使用重矿物特征指数反映物源信息,主要包括ZTR指数、ATi指数和GZi指数(表2)。ZTR指数用于判断重矿物成熟度,由Hubert于1962年首次提出,指锆石、金红石和电气石占总重矿物百分含量,ZTR指数往往用于判断物源的搬运距离[5,10,12,13,15,20]。长江流域所有样品ZTR指数均相对较高,反映其沉积物的成熟度较高,沉积物经过远距离搬运,具远源特征。

ATi指数=100×磷灰石%/(磷灰石%+电气石%),可以指示地层是否受到酸性地下水循环的影响,常用于判断岩浆岩中磷灰石的风化程度和酸性火成岩物源特征,由于磷灰石在酸性条件下极易溶蚀,ATi指数还受到源区化学风化作用程度的控制[10]。在长江流域中,ATi指数,除长江-芙蓉江-鸭池河样品为0以外, 其余的含量均相对较高,说明长江流域除芙蓉河-鸭池河中磷灰石受到了强烈的化学风化作用以外,其余的三条河流受到的化学风化作用均较弱。

GZi指数=100×石榴石%/(石榴石%+锆石%),揭示沉积物中石榴石的风化程度和变质岩物源特征。在长江流域中,GZi指数呈现横江和赤水河样品高,牛栏江和芙蓉河-鸭池河样品低的特征,说明这两条河流(牛栏江和芙蓉河-鸭池河)中没有或者较少变质物源的加入,相反地,横江和赤水河的变质物源较多。

2.2 珠江流域

2.2.1重矿物组合特征

珠江-南盘江砂样(D6162)以钛铁矿和赤褐铁矿为主,占77.68%;次为磁铁矿、锆石、电气石和金红石,占14.1%;其它重矿物占8.22%。其中超稳定矿物占9.80%,较稳定矿物占0.69%,稳定矿物占83.30%,不稳定矿物占0.01%。重矿物组合为钛铁矿+赤褐铁矿+磁铁矿+锆石+电气石,特征矿物为磷灰石。因为在南盘江上游有铁矿分布区,样品中钛铁矿和赤褐铁矿等含量很高,电气石主要是酸性-中酸性岩浆岩产物,说明南盘江源区以基性-酸性岩浆岩为主。

珠江-北盘江砂样(D6123)以赤褐铁矿和钛铁矿为主,占89.46%;次之为孔雀石和锆石,占4.16%;其它重矿物占6.38%。其中超稳定矿物占1.17%,较稳定矿物占0.77%,稳定矿物占92.53%,不稳定矿物占1.52%。重矿物组合为赤褐铁矿+钛铁矿+孔雀石+锆石+绿帘石,特征矿物为孔雀石与绿帘石。孔雀石为碳酸盐矿物,绿帘石为斜长石蚀变产物,广泛分布于绿片岩等变质岩中,其源区除基性-酸性岩浆岩以外,沉积岩在流域内分布大于南盘江,存在少量片岩等变质岩,岩石类型比较复杂。

珠江-红水河砂样(D6192)样品以赤褐铁矿、钛铁矿和磁铁矿为主,占74.59%;其它重矿物占25.41%。其中超稳定矿物占1.19%,较稳定矿物占0.10%,稳定矿物占74.59%,不稳定矿物占0.68%,重矿物组合为赤褐铁矿+钛铁矿+磁铁矿+辉石+锆石,特征矿物为辉石。红水河流域主要分布大面积的中生代碳酸盐岩夹部分碎屑岩,样品中磷灰石和绿帘石含量较之上游减小,表明重矿物在搬运过程中受水动力筛选和磨蚀作用使得不稳定矿物逐渐减少。辉石主要产于基性及超基性岩浆岩中以及变质岩中,辉石作为不稳定矿物,含量明显高于上游样品,说明红水河源区以基性-酸性岩浆岩为主,显示其显著的近源特征。

2.2.2重矿物特征指数分析

珠江流域的ZTR指数总体较低,北盘江为1.1,南盘江为8.6,红水河为0.9,下游的红水河相较于上游的北盘江和南盘江不稳定矿物的含量增加,沉积物的成分成熟度降低。北盘江和红水河ATi指数均为0,表明物源岩磷灰石成分较少,或者磷灰石经历了强烈的化学风化作用。南盘江ATi指数为21.2,表明其母岩的磷灰石含量较高,或者河流的快速剥蚀和搬运使得磷灰石得到大量的保存。GZi指数上红水河样品值高、南盘江和北盘江样品值较低,表明南盘江和北盘江流域岩石含石榴子石的母岩比较缺乏,这与上游母岩主要以碳酸盐岩和碎屑岩有关,红水河段中存在较多的变碎屑岩,使得样品中石榴石含量急剧升高,说明红水河具有显著的近源特征。

2.3 长江与珠江流域重矿物特征对比

2.3.1重矿物含量与指数对比

对比云贵高原长江和珠江流域的重矿物含量和组合(图2),总体上两流域物源均以基性-酸性岩浆岩为主,但珠江流域沉积物重矿物中赤褐铁矿和钛铁矿含量大于长江流域,而长江流域不稳定重矿物的含量大于珠江。

图2 云贵高原长江、珠江河流水系重矿物含量对比图

图3 云贵高原河流水系重矿物Q 型聚类和R 型聚类谱图

在重矿物特征指数方面,长江流域的ZTR、ATi和GZi指数总体上大于珠江流域,说明长江流域的河流沉积物呈现出搬运距离远,物源区母岩种类复杂,相反珠江流域沉积物呈现出搬运距离近、物源区母岩种类单一和近源特点。

2.3.2 聚类分析

聚类分析是多元统计中的一种数字分类方法,常用于沉积物物源分析。它是根据样本或变量之间的相似程度把它们逐步分类的方法[1,3,16]。聚类分析分为Q型和R型聚类分析,采用Q型聚类分析方法将相同或相近的样本群作为来自同一类别沉积物区分开,每一样本群即代表了某一母岩类型的沉积物供给。再利用R型聚类分析将同一期次/类别的重矿物资料进行处理,使不同类型重矿物之间的亲疏关系显现,进而获得来自不同母岩区的重矿物组合类型[1]。本文的聚类分析均在SPSS 24.0软件中完成。

长江流域和珠江流域河流砂样品重矿物Q型和R型聚类谱图见图3。两组现代河流砂物源具有明显不同,但珠江流域的南盘江物源和长江流域赤水河具有一定的相似性,说明南盘江与赤水河具有相近的沉积物物源。Q型聚类谱图表明本次7个样品存在三个不同的主要物源供给区,它们分别是①牛栏江、横江与芙蓉河-鸭池河,②珠江流域的北盘江与红水河物源区和③赤水河与南盘江物源区。进一步R型聚类揭示:3组物源均含有(赤褐铁矿+钛铁矿+磁铁矿+锆石)物源,但牛栏江、横江与芙蓉河-鸭池河含有物源区母岩种类最多,北盘江与红水河最少,总体上揭示出长江流域物源复杂,珠江流域单一的特征,两者物源均含有基性-酸性岩浆岩。

2.3.3 ATi指数和GZi指数相关性分析

ATi与GZi指数相关性常用于分析判断物源岩石类型。长江和珠江流域的河流砂重矿物ATi指数和GZi指数相关性揭示出三类ATi-GZi指数组合(图4)。第一类是ATI和GZi均趋近于零,说明其源区变质岩、岩浆岩均比较少,长江-芙蓉江-鸭池河和北盘江样品为该类组合,其物源区母岩类型主要为碎屑岩、碳酸盐岩,岩浆岩和变质岩在该地区分布较少。

第二类是低ATi指数、高GZi指数,即石榴石含量相对较高、磷灰石含量较低,其源区母岩类型主要为酸性岩浆岩、部分中高级别变质岩等。在珠江流域红水河河流砂样品主要为该类指数特征。

第三类是低GZi指数、高ATi指数,源岩母岩类型主要为部分中高级变质岩和广泛的中酸性岩浆岩。长江流域牛栏江和珠江流域南盘江样品体现出该类指数特征,这与牛栏江和南盘江上游地区康滇古隆起带大量酸性岩浆特征相一致。

总体上,长江流域和珠江流域的ATi-GZi指数关系图揭示出其现代河流沉积物中重矿物明显的分带性,珠江中游与长江中上游的ATi和GZi关系具有明显相似性,说明珠江流域从红水河开始对长江流域的沉积物有很好的继承性。

3 讨论

由上文分析可知,珠江上游物源与长江上游主流物源相近,表明珠江和长江物源相近,大多数来自青藏高原东南缘康滇古隆起区域,仅少量来自于云贵高原内部,现代河流沉积物中重矿物对物源分析有良好的相应关系。此外,值得我们注意的就是云贵高原中的南盘江与赤水河具有相似的物源。Wang Y等[30](2014)指出,自从晚更新世以来,青藏高原东南缘地区系列的走滑断裂的活动对地形的形成产生了重要的影响,并诱发了多次大地震。Clift, P.等[19](2006)根据莺歌海盆的新生代沉积物单颗粒Pb同位素和全岩Nd同位素组成研究认为早在始新世古红河就袭夺长江而将长江流域的大量碎屑物质带入南海,在早中新世以后由于青藏高原的加速隆升导致古长江改道东流,即今天的长江水系开始发育。邵磊等[9](2005)、庞雄等[7,8](2006,2007)在对珠江口盆地研究时发现,该在珠江口盆地的沉积过程中存在一次沉积突变事件,反映出该事件是南海演化过程中的一次重大构造运动事件,可能与南海扩张轴在23~25Ma发生“南跃”存在一定的关联,该构造事件可能使得古珠江由渐新世华南沿海酸性岩浆岩为主的源区扩展为中新世远达青藏高原东缘的云贵高原碳酸盐岩为主的源区。因此,我们认为云贵高原河流水系的演化和高原的形成过程与青藏高原晚新生代东向扩展生长和大型走滑断裂晚期走滑活动具有密切的成因联系(图5)。在云贵高原形成早期,珠江流域南盘江水系流向是“自南向北”,它与长江流域牛栏江具有相似的物源特征;自新生代晚期,受控于青藏高原东南缘鲜水河-小江断裂带左旋走滑和高原的东南向扩展生长,云贵高原西北缘(青藏高原东缘)开始隆升形成,导致其地貌逐渐转变为“西高东低”和/或“北高南低”,因此珠江流域南盘江水系发生袭夺,流向发生反转,变为“自北向南”,长江流域则是从“自北向南”变为“自西向东”,至晚新生代云贵高原及其河流水系最终形成。

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The Evolution of the River System on the Yunnan-Guizhou Plateau and Formation Process of the Plateau Based onModern River Sediment

DI Hui-zhe1,3,4DENG Bin1,2Zhao Gao-ping1YE Yue-hao1QIU Jia-wen1

(1-College of Energy, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 2-State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059;3-South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510640; 4-University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)

TheYunnan-Guizhou Plateau is located in the southwest margin of the Yangtze Plate where the Yangtze River and the Pearl river systems are developed. Modern river sediment in these river systems is of importance to study of the uplift of Tibetan Plateau and the evolution of the Yunnan-Guizhou Plateau in the Cenozoic. Many complex rocks are exposed and a lot of river system are developed in the Yunnan-Guizhou Plateau which, therefore, a natural laboratory of tracing the modern river sediment. Based on the classification of modern river systems, this study collects seven samples from tributaries of the Yangtze River and the Pearl Rivers. Form previous studies, heavy mineral analysis, clustering analysis and ATi-GZi correlation analysis, it is concluded that sediments in the Yangtze River are transported longer and have a variety of provenance and experience multiple secondary changes. On the contrary, sediments in the Pearl River present a near source feature. To the Late Cenozoic, the west margin of the Yunnan-Guizhou Plateau (the east margin of the Tibetan Plateau) began to uplift. At the same time, a series of strike-slip faults began to develop. These made the west margin of the Yunnan-Guizhou Plateau raise constantly. In this process, the flow of the Nanpan River was reversed and the strike-slip faults tended to stabilize. So far, the Yunnan-Guizhou Plateau and its river systems came into being.

Yunnan-Guizhou Plateau; Yangtze and Pearl rivers; modern river sediment; heavy mineral

2017-12-11

本文受自然科学基金(2017JQ0025,41572111,41402119和41472107)联合资助

狄会哲(1995-),男,山东莱芜人,硕士研究生,研究方向为海洋地球物理

邓宾(1980-),男,四川南充人,教授,研究方向为低温热年代学与含油气盆地分析

P534.64;P[69]

A

1006-0995(2018)04-0536-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.002

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