由文智, 向芳, 杨坤美, 姜月华, 喻显涛, 李磊. (2021). 湖北宜昌第四纪沉积物中铁质重矿物特征对三峡贯通的指示* [J]. 古地理学报, 23(4): 855-870.
You Wen-Zhi, Xiang Fang, Yang Kun-Mei, Jiang Yue-Hua, Yu Xian-Tao, Li Lei. (2021). Implication of iron rich heavy minerals in Quaternary sediments in Yichang area of Hubei Province for cutting through time of Three Gorges[J]. Journal Of Palaeogeography, 23(4): 855-870.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2021.04.051
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湖北宜昌第四纪沉积物中铁质重矿物特征对三峡贯通的指示*
由文智1, 向芳2,3, 杨坤美1, 姜月华4, 喻显涛2, 李磊1
1 成都理工大学地球科学学院,四川成都 610059
2 成都理工大学沉积地质研究院,四川成都 610059
3 成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 610059
4 中国地质调查局南京地质调查中心,江苏南京 210016
通讯作者简介 向芳,女,1974年生,教授,博士生导师,长期从事沉积岩石学、岩相古地理和第四纪地质地貌等方面的教学与科研工作。E-mail: cdxiangfang@126.com。

第一作者简介 由文智,男,1996年生,硕士研究生,第四纪地质学专业。E-mail: youwzcdut@126.com。

收稿日期:2020-09-15 改回日期:2021-01-04
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41972101,41572093)和中国地质调查局项目(编号: DD20190260)联合资助
摘要

长江三峡的演化问题一直是地学界争论的焦点和热点。近年来,不少学者通过锆石、石榴子石、角闪石等重矿物的同位素和微量元素组成来判断长江物源,取得了较好的成果,但将单颗粒铁质重矿物作为物源指示矿物并应用于三峡贯通方面研究较少。因此作者运用电子探针、扫描电镜和能谱仪对湖北宜昌地区第四纪沉积物中的铁质重矿物进行化学特征和形貌分析,并与可能的物源区样品进行对比,来分析物源演化过程及判定三峡贯通时间。研究结果显示,宜昌地区第四纪沉积铁质重矿物的主要源岩为位于三峡以西的攀枝花钒钛磁铁矿、峨眉山玄武岩和位于三峡以东的黄陵花岗岩,在善溪窑组沉积结束以后,宜昌地区第四纪沉积物的物源发生了明显改变,出现来自三峡以西的物质,表明长江三峡此时发生了贯通。结合ESR测年数据和前人研究结果可知,长江三峡的贯通发生在0.75—0.73Ma B.P.。

关键词: 三峡贯通; 宜昌地区; 铁质重矿物; 电子探针; 扫描电镜; 物源演化
中图分类号:P534.63 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2021)04-0855-16
Implication of iron rich heavy minerals in Quaternary sediments in Yichang area of Hubei Province for cutting through time of Three Gorges
You Wen-Zhi1, Xiang Fang2,3, Yang Kun-Mei1, Jiang Yue-Hua4, Yu Xian-Tao2, Li Lei1
1 College of Earth Sciences,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
2 Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
3 State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China
4 Nanjing Geological Survey Center,China Geological Survey,Nanjing 210016,China
About the corresponding author Xiang Fang,born in 1974,professor,doctoral supervisor, is mainly engaged in sedimentary petrology,lithofacies palaeogeography,Quaternary geomorphology. E-mail: cdxiangfang@126.com.

About the first author You Wen-Zhi,born in 1996,postgraduate student,majors in Quaternary geology. E-mail: youwzcdut@126.com.

Fund:Co funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 41972101,41572093)and the Project of China Geological Survey(No. DD20190260)
Abstract

The evolution of the Three Gorges has been the focus of debate in the field of geosciences. In recent years,many scholars have successfully analyzed the provenance of the Yangtze River through the isotope composition and trace elements in heavy minerals such as zircon,garnet and amphibole. However,the single-grain iron-rich heavy minerals are seldom used as provenance indicators and applied in the determination of the cutting-through time of the Three Gorges. Therefore,in this paper,the chemical properties and morphologic analysis of iron-rich heavy minerals in Quaternary sediments of Yichang area were analyzed by electron probe,scanning electron microscope and energy disperse spectroscopy,which were compared with the analytical results of possible provenance samples. The evolution process of provenance and the cutting-through time of the Three Gorges were analyzed based on the occurrence of materials in Yichang area that may belong to the west of the Three Gorges. The results show that the source rocks of the iron-rich heavy minerals in the Quaternary sediments in Yichang are mainly from the Panzhihua vanadium titanomagnetite,Emeishan basalt that are located to the west of the Three Gorges and Huangling granite located to the east of the Three Gorges. After the deposition of the Shanxiyao Formation,the provenance of the Quaternary sediments in Yichang area changed obviously,and the material that belong to the west of the Three Gorges appeared in this area,which indicates that the Three Gorges was cutted-through. Combined with ESR dating data and previous studies,it can be assumed that the cutting-through time of the Three Gorges occurred in 0.75-0.73Ma B.P..

Key words: cutting through time of Three Gorges; Yichang area; iron-rich heavy mineral; electron probe; scanning electron microscope; provenance evolution

开放科学(资源服务)标识码(OSID)

1 概述

大河流域的形成演化史一直以来都是地学界关注的焦点。长江作为亚洲第一长河和世界第三长河, 其形成演化史备受国内外地学界的广泛关注(Willis et al., 1907; 李四光, 1924; 李春昱, 1933; 任美锷, 1958; 沈玉昌, 1965; 杨达源, 1988; Fan et al., 2005; 范代读和李从先, 2007; 张信宝等, 2018)。因长江横贯中国东西, 流域面积广且流域内岩性变化较大, 对于长江演化的研究一般分段进行(范代读等, 2012), 其中位于长江上游的长江三峡是长江演化中最受关注的河段之一(雷文大等, 2009)。

前人对长江三峡河段的研究, 内容主要涉及阶地和夷平面期次划分、三峡的成因及贯通时间等方面。目前的研究一般认为三峡沿岸的阶地有5级, 夷平面可分为3期(田陵君等, 1996; 向芳, 2004; 谢世友等, 2006), 但在三峡的成因方面有先成谷和次成谷的争论, 并且对于三峡的贯通时间尚无定论, 前人提出的时间从侏罗纪— 白垩纪直到15— 20万年前均有述及(沈玉昌, 1965; 李长安和张玉芬, 1999; Clark et al., 2004; Zheng et al., 2013)。近年来的研究普遍认为三峡的贯通发生在第四纪, 但对于贯通的具体年限看法不一(张叶春, 1995; 范代读和李从先, 2007; 杨建等, 2014; Xiang et al., 2018)。长期以来, 人们对长江三峡贯通的研究由于受地貌保存完整性和传统沉积学物源解释局限性的影响, 对于三峡贯通时间和模式的存在多解性。

利用沉积物中稳定重矿物进行示踪的物源分析是常用的一种方法。随着电子探针等分析手段的发展, 利用单颗粒重矿物的物理和化学性质来研究物源演化取得了较好的成果, 常见的有利用石榴石、锆石和钛铁氧化物(磁铁矿、钛铁矿和尖晶石等)等的化学组分及其类型、含量、光学性质等来判断物源, 并且提出了一些典型的化学组分判定图(林师整, 1982; 陈光远等, 1987; 王顺金, 1987; 杨守业等, 2000; 杨蓉等, 2010; 向芳等, 2011; 杨仁超等, 2013; 王中波等, 2018; Xiang et al., 2018)。

沉积物中磁铁矿、赤铁矿和钛铁矿等铁质氧化物的来源广泛, 在风化、搬运过程中耐磨蚀、稳定性强, 能够较好地继承母岩特性, 从而成为很好的物源示踪剂(Grigsby, 1990; 杨守业等, 2000; 王中波等, 2007; 康春国等, 2009; Song et al., 2013)。中国学者将磁铁矿等铁质重矿物作为物源研究手段应用于三峡贯通方面少见, 并且前人主要集中在对磁铁矿混合样的物理和化学标型特征进行研究, 而将单颗粒铁质重矿物作为物源研究手段较少见(陈光远等, 1987; 王顺金, 1987; 杨守业等, 2000; 王中波等, 2007; 康春国等, 2014; Xiang et al., 2018)。相对于传统的地层学、岩石学、重矿物组合特征物源分析法, 以及近几年常用的单颗粒锆石U-Pb年代学物源分析法, 利用单颗粒碎屑矿物的扫描电镜、能谱及电子探针分析, 可以通过矿物颗粒的结构特征、化学组成和示踪元素来分析物源, 具有较强的优越性。因此本研究通过分析宜昌地区第四纪代表性沉积物中铁质重矿物的元素和显微结构特征, 探讨其物源变化过程, 获得长江三峡贯通的信息。

2 区域地质背景

长江三峡是指重庆奉节到湖北宜昌的南津关一带, 位于四川盆地以东(图 1-a)。宜昌地区位于三峡出口处江汉盆地的西缘(图 1-b), 地势西高东低, 海拔350~1700m, 该区主要沉积了白垩系、古近系、新近系及第四纪早期的沉积物, 第四纪沉积物主要包括冲积、洪积和湖积物。宜昌及邻区第四纪沉积物由下至上划分为下更新统云池组、中更新统善溪窑组、上更新统宜都组和全新统平原组(湖北省地质矿产局, 1990)。

图 1 宜昌地区位置及相关物源区分布
a— 宜昌地区位置及峨眉山玄武岩— 攀枝花钒钛磁铁矿及黄陵穹窿分布(据杨建等, 2014, 有修改); b— 宜昌地区范围和采样点位置; c— 黄陵穹隆核部出露岩性及分布图(据马大铨等, 2002)。岩性代号: Ar3-基底片麻岩; Pt-表壳岩; 􀰐2-橄榄岩; ν 2-辉长岩; δ 2-闪长岩; γ 21-圈椅埫花岗岩; γ 22-黄陵花岗岩; Z+Pz-震旦系及古生界Fig.1 Location of Yichang area and distribution of related provenance areas

位于长江三峡以东、紧邻宜昌西侧的黄陵穹窿, 被前人认为是分隔三峡东西两地的分水岭(李四光, 1924; 叶良辅和谢家荣, 1925; 李承三, 1956)。黄陵穹窿包括基底和盖层, 基底由晚太古代— 早元古代崆岭群、前晋宁期基性— 超基性岩体和晋宁期黄陵花岗岩侵入体构成, 盖层包括震旦系— 中侏罗统, 围绕基底由老至新顺序向外环形分布。从黄陵穹窿核部出露岩性分布(图 1-c)可以看出, 现今长江流经区出露的岩性以黄陵花岗岩为主, 还有极少量表壳岩和闪长岩(马大铨等, 2002)。除黄陵穹窿外, 在长江三峡河段主要出露的地层为各种类型的沉积岩(湖北省地质矿产局, 1990), 三峡以西的长江上游干流流域范围内, 出露面积最广的基性岩浆岩体为大面积分布于四川、云南、贵州的峨眉山玄武岩(四川省地质矿产局, 1991)和攀枝花钒钛磁铁矿(图 1-a)。

3 样品来源和分析方法

根据“ 从源到汇” 的思路, 结合区域地质背景和前人分析(四川省地质矿产局, 1991; 赵一鸣和吴良士, 2004; 康春国等, 2014), 三峡以西的铁质重矿物主要蕴含在长江上游峨眉山玄武岩和攀枝花钒钛磁铁矿中, 三峡以东的宜昌地区若出现了来自峨眉山玄武岩和攀枝花钒钛磁铁矿中的铁质重矿物, 即表明三峡已经贯通。

研究样品采集自宜昌地区云池组015和021剖面、善溪窑组017和024剖面、长江T5阶地的YC02剖面、长江T4阶地的00B剖面以及现代河床沉积物的025剖面(图 1-b; 表 1), 同时采集三斗坪的黄陵花岗岩、攀枝花的钒钛磁铁矿、峨眉清音电站的峨眉山玄武岩3种对比样。其中015、017、021、024为中更新世的冲积扇— 扇三角洲— 湖相沉积剖面, 有学者认为这些剖面的沉积物是三峡贯通后形成的(李长安等, 1999; Li et al., 2001), 也有研究发现这几个剖面在沉积相方面与河流沉积有差异(向芳, 2004), 在部分地段能看见善溪窑组上部的湖相沉积被阶地下部的砾石层所切割(湖北省地质矿产局, 1990), 因此本文通过铁质重矿物进行物源分析, 来证实这些沉积与三峡贯通的关系, 为三峡贯通时间提供新的证据。采样剖面沉积与地貌特征见图 2, 样品信息见表 1。

图 2 宜昌地区采样剖面沉积和地貌特征(年龄数据来源于Xiang et al., 2007)
a— 云池组与善溪窑组剖面; b— 宜昌地区长江T5、T4阶地剖面(基座的岩性资料来源于湖北省地质矿产局, 1990)Fig.2 Sedimentary and geomorphologic characteristics of sampling sections in Yichang area(age data from Xiang et al., 2007)

表 1 宜昌地区沉积物铁质重矿物样品及可能母岩样品信息 Table1 Information of samples of iron heavy minerals in Yichang area and samples of possible parent rocks

从图 2-a可以看出, 善溪窑组A层顶部为褐红色黏土, 含有不规则网纹结构和铁锰结核; 上部为具有爬升沙纹层理和波状层理的砖红色黏土, 无网纹结构, 属湖泊相沉积。善溪窑组B层上部为红褐色黏土填隙的砾石层, 代表冲积扇相沉积, 为粒径粗大、分选差的砾石层, 厚2~6m, 024样品取自该砾石层中的砂质夹层; 下部为6m厚的褐红色黏土填隙的砾石层堆积, 代表冲积扇相沉积, 其上部砾石呈水平状, 下部砾石层具斜层理, 017样品取自该层砾石层中的砂质夹层。云池组C层为半固结灰白色夹黄色砂层, 厚8m, 质地均匀, 偶见1~2cm大小的砾石; 顶面为一冲刷面, 具有铁质壳; 上部砂层发育平行层理, 下部发育斜层理。云池组D层为约12m厚的棕黄色砾石层, 含红褐色铁质浸染形成的夹层; 上部为4~5m厚的层状棕红色砂砾, 中间充填有棕红色砂砾和粉质黏土, 015样品取自其中; 下部为砖红色砂质黏土层和具交错层理的局部砂砾层, 021样品取自砾石层中砂质夹层; 与下伏地层呈角度不整合接触。已有的研究表明, 云池组主要为冲积扇— 扇三角洲沉积, 善溪窑组为冲积扇— 湖泊沉积(向芳, 2004; Xiang et al., 2007)。

长江T5、T4级阶地剖面如图 2-b。宜昌T5阶地为基座阶地, 海拔高度为145~155m, 基座部分为善溪窑组上部粉砂质泥、砂和砾石沉积(湖北省地质矿产局, 1990)。阶地面被15~23m的沉积物覆盖, 上部大部分虽被耕地破坏, 但仍保留有棕红色砂泥层; 下部砾石呈叠瓦状排列, YC02样品在此处采集。T4级阶地同样为基座阶地, 剖面底部海拔高度为115~120m, 出露高度10~12m, 为砂质黏土填隙的砾石层, 局部出现砂质夹层, 00B样品从中采集, 剖面总体的颜色为红棕色。

样品处理测试过程如下: 取上述砂样样品50g, 利用三溴甲烷(密度为2.89 g/cm3)将轻重矿物分离, 然后通过多次磁选选出磁性矿物, 在实体显微镜下鉴定选出的铁质矿物颗粒, 并在双目镜下挑选晶形好且干净的颗粒, 用树胶固定在载玻片上, 抛光制成薄片, 接着进行喷碳处理, 最终制成电子探针及扫描电镜测试样品。扫描电镜以及能谱测试在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成, 共计10个样品130颗。进行测试的场发射扫描电镜仪器型号为Quanta 250 FEG+Inca X-max20, 工作环境条件为温度19℃、湿度45%RH。电子探针测试所用仪器是长安大学的JXA-8100型电子探针(日本电子株式会社), 工作条件为加速电压15kV、束流1× 10-8A, 精度0.01%。使用电子探针测试了186颗铁质重矿物的FeO、Al2O3、MgO、TiO2、MnO、Cr2O3和V2O3等15种氧化物的含量。

4 铁质重矿物特征
4.1 铁质重矿物扫描电镜和能谱特征

在立体镜下, 样品中的铁质重矿物颜色为黑色、褐红色和褐黑色, 形状以不规则粒状为主, 少量为八面体、次圆粒状, 部分颗粒表面可见褐铁矿化。

在背散射图像上(图 3), 3种对比样分析样特征表现为: 峨眉山玄武岩中铁质矿物大部分具有均一结构, 常见包裹体结构, 出溶结构不发育(图 3-a, 3-b); 黄陵花岗岩中铁质矿物都为均一结构(图 3-c); 攀枝花钒钛磁铁矿中铁质矿物全部具出溶结构(图 3-d)。015、017、021、024、00B、YC02和025样品中铁质重矿物背散射图像(图 4, 图 5)表现为一部分为均一结构, 常见包裹体结构, 而在015和017样品中偶见出溶结构, 021、024、025、00B和YC02样品中出溶结构较发育(图 4-c; 图 5-b, 5-c, 5-d, 5-i)。并且在出溶结构中, 这些矿物颗粒表面的结构形态表现为, 017和021样品中多见不规则状(图 4-c, 4-h), 024、025、00B和YC02样品中则同时具有不规则状和规则格子状。

图 3 宜昌地区沉积物3种可能母岩样品中铁质矿物的特征背散射图像
a— 峨眉山玄武岩中均一结构钛铁矿; b— 峨眉山玄武岩中含透辉石等的钛铁矿; c— 黄陵花岗岩中均一结构赤铁矿; d— 攀枝花钒钛磁铁矿中具出溶结构的钒钛磁铁矿Fig.3 Backscatter images of three samples of possible parent rocks from sediments in Yichang area

图 4 宜昌地区沉积物015、021、017、024、00B、025样品铁质重矿物的特征背散射图像(Ⅰ )
a— 015样品中均一结构含钛赤铁矿; b— 015样品中赤铁矿包裹磷灰石; c— 021样品中钛铁矿、锐钛矿和赤铁矿出溶铁质矿物; d— 021样品中均一结构赤铁矿; e— 021样品中赤铁矿包裹磷灰石; f— 017样品中均一结构钒钛磁铁矿; g— 017样品中含钛赤铁矿包裹磷灰石; h— 017样品中赤铁矿与钙长石出溶; i— 024样品中均一结构赤铁矿Fig.4 Backscattering images of iron heavy minerals in samples 015, 021, 017, 024, 00Band 025 from sediments in Yichang area(Ⅰ )

图 5 宜昌地区沉积物015、021、017、024、00B、025样品铁质重矿物的特征背散射图像(Ⅱ )
a— 024样品中含钛赤铁矿包裹锆石; b— 024样品中钛铁矿与赤铁矿出溶; c— 00B样品中钛铁矿与含铁锐钛矿出溶; d— 025样品中钛铁矿与钒钛磁铁矿出溶; e— 025样品中均一结构赤铁矿; f— 025样品中赤铁矿包裹磷灰石; g— YC02样品中均一结构含钛赤铁矿; h— YC02 样品中含钛赤铁矿包裹磷灰石; i— YC02样品中钛铁矿与含铁锐钛矿出溶Fig.5 Backscattering images of iron heavy minerals in samples 015, 021, 017, 024, 00B and 025from sediments in Yichang area(Ⅱ )

通过能谱数据(表 2, 表 4)可以发现, 黄陵花岗岩铁质重矿物都为均一结构的赤铁矿; 峨眉山玄武岩均一结构铁质矿物主要是钛铁矿与黄铜矿, 包裹体结构为钛铁矿包裹透辉石; 攀枝花钒钛磁铁矿都为钒钛磁铁矿与钛铁矿或黄铁矿构成的出溶结构。研究区的7个样品中(表 3), 均一结构的铁质重矿物主要为赤铁矿, 其次可见含钛赤铁矿、含铬赤铁矿、钒钛磁铁矿, 其中, 025、YC02和00B样品中钒钛磁铁矿含量更高。包裹体结构中, 7个样品以赤铁矿和含钛赤铁矿包裹磷灰石、石英和锆石为主, 在025样品中可见含钛赤铁矿包裹橄榄石, 在YC02样品中可见钛铁矿包裹铬铁矿; 出溶结构中, 015样品不见此类铁质重矿物, 017、021和024样品中可见赤铁矿与含钛赤铁矿、含铁锐钛矿等的出溶, 025、YC02和00B样品中不仅有赤铁矿与其他矿物的出溶, 还出现了钒钛磁铁矿与钛铁矿、含铁锐钛矿与钛铁矿、钛铁矿与含钒钛铁矿、钒钛磁铁矿与含钛赤铁矿的出溶。总体来看, 025、YC02和00B样品中铁质矿物类型更为复杂多样。

表 2 宜昌地区沉积物可能母岩样品中铁质矿物能谱和背散射分析统计 Table2 Statistics of energy spectrum and backscattering analysis of iron minerals in possible parent rocks samples from sediments in Yichang area
表 3 宜昌地区沉积物样品铁质重矿物能谱和背散射分析统计 Table3 Statistics of energy spectrum and backscattering analysis of iron heavy minerals in samples from sediments in Yichang area
表 4 宜昌地区沉积物及可能母岩样品中代表性铁质重矿物能谱数据统计 Table4 Statistics of energy spectrum data of representative iron heavy minerals in samples from sediments in Yichang area and possible parent rocks
4.2 铁质重矿物电子探针数据特征

通过电子探针数据(表 5)可以发现, 宜昌地区7个样品中铁质重矿物的氧化物主要为FeO和TiO2, 其次为Al2O3、MgO、MnO、V2O3和Cr2O3等。通过测试可以发现这些铁质重矿物的种类包括赤铁矿、含钛赤铁矿、含铬赤铁矿、钛铁矿、钒钛磁铁矿和含铁锐钛矿等, 其中以赤铁矿为主, 其次为含钛赤铁矿。

表 5 宜昌地区沉积物样品铁质重矿物电子探针平均值(%) Table5 Average electron probe values(%) of iron heavy minerals in different samples from sediments in Yichang area

在云池组021点和015样品中, 有近一半的颗粒TiO2含量较高, 属于含钛赤铁矿, 其余颗粒则主要是赤铁矿, 还有少量富Cr2O3的含铬赤铁矿等。在善溪窑组017和024样品中, 仅有不到1/3的铁质重矿物颗粒TiO2值较高, 属含钛赤铁矿或其他铁质重矿物, 有2/3的颗粒为赤铁矿, TiO2含量低, 此外, 在这2个样品点中各有1颗相对较高V2O3和TiO2含量的钒钛磁铁矿出现(表 6)。在长江T4阶地YC02样品中, 有一半以上的颗粒为TiO2含量较高的含钛赤铁矿或钛铁矿等, 其余以低TiO2含量的赤铁矿为主, 其次还有较多数量的钒钛磁铁矿出现。在长江T4阶地00B样品以及现代河床沉积025样品中, 虽然含钛赤铁矿和钛铁矿等的数量下降, 但相对较富V2O3和TiO2的钒钛磁铁矿数量依然较多。

表 6 宜昌地区沉积物样品中钒钛磁铁矿的元素氧化物含量(%) Table6 Content(%) of elemental oxides of vanadium titanium magnetite in samples from sediments in Yichang area
4.3 铁质重矿物TiO2-Al2O3-MgO成因图解分析

前人的研究表明, 陈光远等(1987)提出的TiO2-Al2O3-MgO成因图解对于分析铁质重矿物物源具有很强的适用性。在图 6-a中, 云池组021和015样品大部分铁质矿物颗粒落在了酸性— 碱性岩浆岩趋势区(Ⅱ b), 有少部分落在了Ⅰ 和Ⅲ 区。从善溪窑组017和024样品来看, 二者同样大部分分布在酸性— 碱性岩浆岩趋势区(Ⅱ b), 而在超基性— 基性— 中性趋势区(Ⅱ a)内偶见, 碱性岩浆岩趋势区(Ⅲ )也有少量分布。善溪窑组反映出的物源信息与云池组相似。从长江T5阶地YC02、T4阶地00B以及长江现代河床沉积物的025样品可以看出, 除一部分落入Ⅰ 、Ⅲ 和Ⅱ b外, 有大量颗粒落在了基性— 超基性— 中性岩浆岩趋势区(Ⅱ a), 尤其以YC02样品表现明显。

图 6 宜昌地区沉积物及可能母岩样品中铁质重矿物TiO2-Al2O3-MgO图解(底图据陈光远等, 1987)
a— 宜昌地区样品铁质重矿物图解; b— 可能母岩中铁质重矿物图解(部分数据来源于朱俊士, 1995; 郑文勤等, 2014; 林浩, 2017)。Ⅰ 沉积变质— 接触交代趋势区; Ⅱ a超基性— 基性— 中性岩浆岩趋势区; Ⅱ b酸性— 碱性岩浆岩趋势区; Ⅲ 碱性岩浆岩趋势区Fig.6 TiO2-Al2O3-MgO diagram for iron heavy minerals of samples in Yichang area and possible parent rocks (base map is from Chen et al., 1987)

在图 6-b中, 峨眉山玄武岩和攀枝花钒钛磁铁矿中的铁质矿物主要落在了超基性— 基性— 中性岩浆岩趋势区(Ⅱ a), 黄陵花岗岩中的铁质矿物除了没有落在Ⅱ a, 主要落在了Ⅰ 、Ⅲ 和Ⅱ b区域。

根据区域地质背景以及前人研究, 分布在三峡以西的攀枝花钒钛磁铁矿床主要产于基性— 超基性岩体之中(龚荣洲和岑况, 2000), 并且结合图 6-b, 峨眉山玄武岩和攀枝花钒钛磁铁矿中的铁矿物也主要落在Ⅱ a区(超基性— 基性— 中性岩浆岩趋势区), 因此对样品中落在图解中Ⅱ a区内的颗粒进行单独分析, 以判断这类铁质重矿物的物源是否有差异。通过数据比对发现(表 7), 云池组和善溪窑组的015和017样品与YC02、00B、025样品在MnO、ZnO、Ta2O5、Cr2O3含量上存在差异。015和017样品中MnO含量在0.01%~1.15%之间变化, 00B和025样品也在这变化区间内, 而YC02样品中有一部分颗粒符合这一变化, 还有一些颗粒MnO含量在1.00%~3.50%之间; 015和017样品中ZnO含量在0.01%~0.10%之间, YC02一部分样品与之相似, 还有一部分则为0.10%~0.25%之间, 00B也有一部分为0.10%~0.20%之间; 015和017样品中Ta2O5含量在0.01%~0.10%之间, YC02和00B样品含量有明显不一样的含量, 分别是0.10%~0.30%和0.20%~0.40%; 015和017样品的Cr2O3含量在0.01%~0.40%之间, 而YC02、00B和025样品Cr2O3含量较低, 大体在0.01%~0.10%之间。通过与对比样比较发现, YC02、00B和025样品与峨眉山玄武岩以及攀枝花钒钛磁铁矿中铁矿物微量元素含量较吻合。总体来看, YC02、00B和025样品中的铁质重矿物更为复杂, 表现出与015、017、021、024样品在物源方面存在明显的不同。

表 7 宜昌地区沉积物及可能母岩样品TiO2-Al2O3-MgO图解中超基性— 基性岩区铁质重矿物的微量元素含量(%) Table7 Content (%) of trace elements of iron heavy minerals of samples in Yichang area and possible parent rocks in ultrabasic-basic rock region in TiO2-Al2O3-MgO diagram
5 讨论:铁质重矿物物源与长江三峡贯通时间

根据扫描电镜特征和能谱数据以及电子探针数据, 在021、015、017、024、YC02、00B和025共7个剖面样品中, 可见多种铁质重矿物, 包括赤铁矿、含钛赤铁矿、含铬赤铁矿、钒钛磁铁矿、钛铁矿、锐钛矿等。其中, 主要的铁质重矿物为赤铁矿(存在有少量Cr和Ti的混入), 均一结构的赤铁矿与黄陵花岗岩中的赤铁矿特征相同, 而包裹体结构的赤铁矿, 其中的包体主要为反映花岗岩来源组合的磷灰石、锆石和石英, 因此, 这2种结构的赤铁矿均来自于黄陵花岗岩。

云池组015和021样品中, 主要是均一结构的赤铁矿和一些包裹体结构的铁质重矿物。此外, 在021样品中, 有一些颗粒以赤铁矿为主晶, 形成与其他矿物的出溶现象(图 4-c), 这种特征与攀枝花钒钛磁铁矿形成的以钒钛磁铁矿为主晶的出溶结构明显不同(图 3-d), 并且在021样品中可见钛铁矿、锐钛矿和赤铁矿的三相出溶结构(表 3), 这一特征, 在攀枝花钒钛磁铁矿和峨眉山玄武岩中均没有发现。

将善溪窑组017和024样品中均一结构的钒钛磁铁矿, 与攀枝花钒钛磁铁矿进行对比发现, 二者具有明显不同的背散射图像(图 3, 图 4), 在能谱数据上, 017和024样品含有较多Cr且Mg含量更低(表4)。出溶结构中, 017和024样品以主晶赤铁矿为主, 区别于攀枝花钒钛磁铁矿的出溶结构。因此015、021、017和024样品中, 主要的母岩应该为黄陵花岗岩, 没有发现来自峨眉山玄武岩和攀枝花钒钛磁铁矿的物质。

在YC02、00B和025样品中, 含钛赤铁矿和钛铁矿的数量增多, 尤其在YC02样品中, 一半以上的铁质矿物颗粒TiO2含量较高, 在5%~50%之间, 平均为18.23%(表 5)。同时, 钒钛磁铁矿的数量也明显增多, 并且在能谱数据上与攀枝花钒钛磁铁矿具有相似的特征(表 4), 表现为Ti元素含量为1.87%~5.12%、V元素含量为0.24%~0.32%。其次, 善溪窑组017和024样品的钒钛磁铁矿中SiO2、CaO、Al2O3、MnO、Cr2O3、V2O3、ZnO和Ta2O5等含量都较YC02和025样品中钒钛磁铁矿含量高, 025样品中表现得更复杂一些, 部分氧化物含量与017和024的样品明显不同, 部分又具有一定的相似性(表6), 这些相同成分的钒钛磁铁矿可能属于同一物源区。YC02样品中, 可见均一结构和包裹体结构的钛铁矿, 与峨眉山玄武岩中发现的钛铁矿对比得知, 二者在背散射图像和能谱数据上具有相似性(图 3-a, 图 5-g; 表 4)。并且通过对比发现, YC02和025样品中钛铁矿的电子探针数据(表 8)与朱靓(2017)对攀枝花钒钛磁铁矿中钛铁矿的研究结果具有相似性, 都表现出除Fe的氧化物和Ti的氧化物之外, 其他元素氧化物含量都比较低的特征, Al2O3、MnO、Cr2O3和NiO等含量不足1%。由于在025、00B和YC02样品中, 赤铁矿仍然是最主要的铁质重矿物, 因此这3个样品中不仅有来自三峡以西峨眉山玄武岩和攀枝花钒钛磁铁矿的物质, 同时也沉积了大量来自黄陵花岗岩的物质。

表 8 宜昌地区沉积物YC02和025样品中钛铁矿电子探针元素特征(%) Table8 Electron probe element characteristics(%)of ilmenite in YC02 and 025 samples from sediments in Yichang area

TiO2-Al2O3-MgO三角图解(图 6)中, 云池组021和015样品中铁质矿物与黄陵花岗岩中投点区域相同, 大部分都落在酸性岩浆岩(Ⅱ b)区域, 也有少量在Ⅰ 和Ⅲ 区, 这反映了与黄陵穹窿大面积分布的花岗岩岩体有关。017和024样品主要落在酸性(Ⅱ b)和碱性(Ⅲ )岩浆岩区域, 少量落在超基性— 基性岩浆岩(Ⅱ a)区域, 也与黄陵穹窿地区以黄陵花岗岩为主, 夹有少量橄榄岩、辉长岩岩脉的特征相似(图 1-c), 因此反映出其主要物源同样是黄陵花岗岩。YC02、00B和025样品主要落在酸性(Ⅱ b)以及超基性— 基性— 中性岩浆岩(Ⅱ a)区域, 00B和025还有一部分落在Ⅰ 和Ⅲ 区。对比沉积时代较早的善溪窑组和云池组样品, T5阶地(YC02样品)中, Ⅱ a区域样点数量增多可能与物源发生改变有关, 这与图 6-b中峨眉山玄武岩和攀枝花钒钛磁铁矿的主要投点区域相吻合。前面已经通过分析图 6-a样品中落在超基性— 基性岩浆岩(Ⅱ a)区域的铁质重矿物氧化物含量, 发现样品的MnO、ZnO、Ta2O5和Cr2O3含量存在差异(表 7), 其中YC02、00B和025既有与015和017相似的1组数据, 也有与之不同的1组, 同时有差异的这组数据与峨眉山玄武岩和攀枝花岩体中的铁质矿物有较好的关联。表明YC02、00B和025样品中物源较复杂, 可能来自上述2种不同的物源区。

近年来的研究普遍认为三峡的贯通发生在第四纪, 但具体年限上看法不一。其中张叶春(1995)从岩相古地理和地文等角度分析认为三峡贯通时间为2.0Ma B.P.左右; 向芳等(2011)通过锆石U-Pb年龄特征得出贯通时间为0.73Ma B.P.以后; 唐春国等(2014)通过重矿物组合特征认为贯通发生在1.0Ma B.P.左右; 范代读和李从先(2007)运用电子探针对独居石进行分析, 认为长江贯通发生在2.58Ma B.P.前后; 杨建等(2014)运用地球化学方法, 认为贯通时限为1.7Ma B.P.; 张勇等(2009)通过矿物磁学特征分析认为三峡在1.1— 1.0Ma B.P.之前已贯通。前述分析可知, 以015和021采样点剖面为代表的云池组、017采样点和024采样点剖面为代表的善溪窑组与YC02采样点剖面代表的T5阶地、00B采样点剖面代表的T4阶地和025采样点剖面代表的现代河床沉积具有不同的物源特征, 表明在善溪窑组沉积结束以后, 宜昌地区的物源发生了明显改变, 出现了来自三峡以西长江流域的峨眉山玄武岩和攀枝花钒钛磁铁矿物质, 善溪窑组沉积结束后, 长江三峡发生了贯通。善溪窑组顶部的ESR年龄为0.75Ma, T5阶地的年龄为0.70— 0.73Ma(向芳等, 2005), 说明长江三峡的贯通发生在0.75— 0.73Ma B.P.。

6 结论

通过对湖北宜昌长江三峡阶地以及可能源区样品中铁质重矿物的电子探针数据还是扫描电镜及能谱分析表明, 云池组、善溪窑组样品的母岩主要来自黄陵花岗岩, 而以善溪窑组为基座的长江T5和T4阶地样品、现代沉积物样品的母岩一部分来自黄陵花岗岩, 一部分来自攀枝花钒钛磁铁矿和峨眉山玄武岩。

上述分析表明, 在善溪窑组沉积结束以后, 长江三峡发生了贯通, 宜昌地区的物源发生了明显改变。善溪窑组的ESR年龄为0.75Ma, T5阶地的年龄为0.70— 0.73Ma, 说明长江三峡的贯通发生在0.75— 0.73Ma B.P.。由于样品的限制, 数据相对较少, 在分析中可能存在一定的不足, 但获得的结果仍然与前人研究的结论较为吻合, 表明利用电子探针结合扫描电镜及能谱进行单颗粒铁质重矿物分析研究区的物源演化具有较强的适用性和可行性, 可以为其他地区的物源示踪研究提供重要的参考。

致谢 特别感谢审稿专家对文章的不足之处提出的宝贵建议和意见。

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