长江三角洲晚新生代重矿物分布特征及其物源演化

长江三角洲晚新生代重矿物分布特征及其物源演化

长江河口晚古生代土壤的形成和河流与海洋的相互作用引起了人们的关注。近年来，长江河口的物源发育也引起了许多科学家的兴趣。物源研究最常用的手段就是利用重矿物组合来重建母岩区的特征,国内外相关研究成果不胜枚举。过去研究表明,在长江河口区重矿物分析主要集中于浅层沉积物,而关于地质历史时期的物源变化的探讨较少。长江三角洲地区可以分为东部近河口区和中西部内陆平原区,西部为天目山山区。不少学者曾提出内陆平原区和近河口区的沉积物来源并不是一个体系,尤其是晚更新世以来,内陆平原区的物源是附近的天目山体系近源沉积下来的,受现代长江影响很少。这些大都是从地层、沉积相以及孢粉上推断得来的,至今还未有重矿物方面的物源证据。本文利用内陆平原区和近河口区的两个晚新生代钻孔的重矿物分析资料,重点分析它们在地层中的分布特征,探讨两个地区物源演变特征及其异同。1研究区域的选择Pd孔位于上海浦东国际机场内(图1),孔深354.5m,打穿了第四纪和上新世地层,直达晚第三纪玄武基岩。对于该孔的215个样品做了古地磁测年1),本文取了该孔118个沉积物样品做重矿物分析。另外,收集了苏州Sk10孔的岩性、2个测年数据以及310个沉积物重矿物资料2)。Sk10孔深239.2m,直达第三纪凝灰岩基底。在本次研究中选用了0.125～0.063mm粒级的沉积物作为研究对象进行重矿物分析,因为该粒级范围比较接近长江从中上游带来泥沙的粒级。具体步骤如下:(1)沉积物矿物分离取一定量的样品放入0.125mm和0.063mm的筛子中过筛,用清水尽量将矿物表面的泥冲洗干净。将冲洗干净的矿物样品低温烘干(<60℃),称重。沉积物矿物分离选用三溴甲烷(CHBr3)为重液,20℃时比重为2.88,变化范围2.80～2.90。将样品放入装有重液的定制分离仪器中,充分搅拌、静置,直至没有重矿物下沉为止。此时浮在上面的是轻矿物,沉在下面的为重矿物,各自放出,分别用酒精冲洗矿物2～3次,然后烘干、称重,放入样品袋中备用。(2)被吸出的磁性矿物置重矿物于玻璃板上铺成薄层,用薄纸包住强磁铁,在矿物薄层上缓慢移动,此时磁性矿物即被吸出。如上反复操作,直至磁性矿物完全吸出为止。如果被吸出的磁性矿物很多,可将磁性矿物再重吸一次,以去除被带出的非磁性矿物。将分离出的磁性矿物称重、记录。(3)有关400粒矿物的鉴定在粒度筛选和矿物分离后,样品就被分成轻矿物、重矿物(磁性组和无磁性组)几个部分,分别进行镜下鉴定。将样品均匀取出少量置于载玻片上,并将样品成一字排开,取中间集中段中的300粒矿物,将其他矿物划到载玻片两侧备用。300粒矿物置于莱斯实体显微镜下鉴定并统计。对于较难鉴定的透明矿物采取晶体光学方法,即制成油浸薄片,在OPTON偏光显微镜下鉴定。(4)处理数据对于鉴定出的各种重矿物种类计算出各自的百分含量,并将其作为指标进行有序聚类分析(Tilia2.0),最终制成图表以供分析。2结果2.1沉积旋回和沉积特征Pd孔有连续的古地磁测年,结合其地层沉积相、孢粉、磁性特征和重矿物资料,可以定出上新世、早更新世、中更新世和晚更新世的界线分别位于248m,153m,130m和29.4m处1)(图2)。Sk10孔缺少连续测年资料,但与其临近的苏州Sk03孔有连续的古地磁测年资料2),其上新世、早更新世、中更新世和晚更新世的顶界分别位于175.8m,111.3m,64.0m和2.0m。据此,并结合Sk10孔沉积物岩性特征,也可大体判断出该孔的上新世、早更新世、中更新世和晚更新世的顶界分别位于181.5m,104m,68m和1.28m(图3)。Pd孔上新统由若干粗细相间的沉积旋回组成,粗颗粒一般为厚层灰黄、灰白色含砾粗砂,砾石表现为棱角状、次棱角状,上覆灰色细砂、粉细砂和灰绿、灰黄色粉砂质粘土;早更新统仍然以粗颗粒沉积为主,190m之下还是以灰黄色、灰白色含砾粗中砂为主,岩性混杂,190m之上以灰色粉细砂和细粉砂为主,发育水平层理和斜层理;中更新世沉积物偏细,岩性为杂色粘土,含有大量铁锰结核,140～130m处零星出现淡水介形虫;晚更新统以灰色、灰黄色粉细砂和粉砂为主,其间夹有若干薄层砾砂层,水平层理发育,有孔虫和介形虫化石非常丰富;全新统以灰色粘土、粉砂质粘土等细粒物质为主,海相有孔虫和介形虫化石也很丰富。Sk10孔相对东部Pd孔整体沉积物的粒度较细。上新统主要是强烈风化的凝灰岩、黄棕色中粗砂岩和青灰色泥岩;早更新统早期(153.2m)以棕黄色粉砂质泥为主,中晚期(153.2～104.0m)沉积物较粗,为灰色含砾粗中砂、细砂;中更新统主要以灰色、青灰色粉砂质泥和淤泥为主;晚更新统地层以灰绿色、青灰色粉砂质泥、泥质粉砂和粉细砂为主;全新统仅有1.28m厚,为粉砂质泥。从上述岩相特征可以看出,近河口区和内陆平原区晚新生代各有其沉积特点,这种现象在长江河口地区很多其他钻孔都有所反映。Pd孔所代表的近河口区上新世沉积物混杂,多为粗颗粒且砾石呈此棱角状,明显呈现出山前洪积扇相沉积特点,早更新世早期沉积继承了这一特点,中晚期颗粒开始变细,呈现出冲洪积扇相向辨状河流相递变,中更新世沉积物普遍很细,颜色多变,反映了辨状河流在本区发育,晚更新世沉积物中含有大量有孔虫化石,且岩性以粉细砂和粉砂为主,说明当时浅海相、溺谷相地层普遍发育,全新世该区是典型的三角洲相沉积。内陆平原区的Sk10孔整个晚新生代沉积物都较细,相对来说沉积环境比较平静,河湖平原相地层比较发育。2.2重矿物分布特征为了便于统计分析,将受水动力影响较大的云母类和绿泥石统归为片状矿物。2.2.1带和带矿物组合该孔118个沉积物样品有34个样品中没有分离出重矿物,全部由轻矿物组成。剩下的84个样品沉积物中共鉴定出30种重矿物,包括磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿、钛铁矿、白钛石、角闪石、绿帘石、黝帘石、褐帘石、透辉石、紫苏辉石、磷灰石、石榴子石、金红石、榍石、锆石、蓝晶石、十字石、符山石、电气石、硅灰石、硅线石、白云石、黑云母、白云母、绿泥石、海绿石、红柱石和绿柱石,另外还鉴定出有岩屑和风化蚀变矿物。这些基本与前人对长江河口表层沉积物重矿物的鉴定结果相近。有序聚类分析结果显示,晚新生代以来可以划分出5个不同矿物组合带:带Ⅰ(354.5～240.0m)、带Ⅱ(240～160m)、带Ⅲ(160～130m)、带Ⅳ(130～30m)和带Ⅴ(30～0m)。矿物组合分带与地层时代吻合较好,从带Ⅰ到带Ⅴ分别对应于第三纪上新世、第四纪早更新世、中更新世、晚更新世和全新世(见图2)。带Ⅰ:以绿帘石—钛铁矿—褐铁矿—白钛石—角闪石—锆石—榍石为主。绿帘石含量较高(20%左右)且分布连续,钛铁矿含量高达20%～30%,褐铁矿分布也较连续,平均含量为8%,在308m处达到了一个峰值(78%),角闪石含量只有10%左右。锆石、榍石和石榴子石在该带中含量平均为5%～10%,其中,石榴子石在243.5m处含量高达50.7%(见图2)。另外,还见岩屑、褐帘石、透辉石和风化矿物分布较为连续,岩屑和蚀变矿物含量都保持在10%,褐帘石和透辉石含量较少(5%以内),磁铁矿、磷灰石和符山石零星见于个别层位。片状矿物含量在10%左右,碳酸盐总体含量较低,在10%以内,但在个别层位可达76%。带Ⅱ:以角闪石—绿帘石—磁铁矿—透辉石—榍石—蓝晶石为主,几乎不见锆石、钛铁矿和白钛石。角闪石在该带中含量增加,可达50%,而绿帘石含量下降至10%～20%。磁铁矿较前带增加很多,可达10%左右。榍石含量减少至5%以下,透辉石和蓝晶石含量保持在3%左右,磷灰石和紫苏辉石零星分布。片状矿物在上部(197m之上)含量较高(60%左右),碳酸盐含量保持在20%～60%之间。带Ⅲ:重矿物含量几乎为0,以轻矿物为主(见图2)。该带底部有少量重矿物出现,基本上以片状矿物(60%)和角闪石(20%)为主,褐铁矿和蚀变矿物各占5%～10%左右,碳酸盐含量几乎为0。带Ⅳ:以角闪石—磁铁矿—绿帘石—磷灰石—褐帘石—紫苏辉石—榍石—蓝晶石为主。矿物种类明显增多,许多矿物都连续出现,如紫苏辉石、蓝晶石、符山石、电气石、金红石、十字石等,但是含量较少,保持在5%以内。角闪石含量较高且分布连续,保持在40%～60%,绿帘石含量稳定在10%～20%,磁铁矿含量丰富,平均为10%～30%,磷灰石、黝帘石、褐帘石、透辉石和榍石分布连续,含量保持在8%～10%左右。片状矿物含量平均在10%～20%,碳酸盐含量保持在20%～30%。带Ⅴ:以角闪石—磁铁矿—绿帘石—褐帘石—榍石—蓝晶石为主,含量都较低(5%左右),8m处磁铁矿含量可达30%,碳酸盐含量为10%左右。金红石、石榴子石、电气石、黝帘石、紫苏辉石等矿物消失。2.2.2成岩带及微量元素特征该孔310个沉积物样品中共鉴定出30种矿物,包括磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿、钛铁矿、白钛石、角闪石、绿帘石、磷灰石、石榴子石、金红石、榍石、锆石、蓝晶石、十字石、电气石、硅线石、白云石、黑云母、白云母、绿泥石、红柱石、重晶石、软锰矿、尖晶石、独居石、黄铁矿、磁黄铁矿、菱铁矿、锐钛矿和普通辉石。根据矿物指标有序聚类的结果,可划分出4个组合带:带Ⅰ(232.4～178.0m)、带Ⅱ(178～104m)、带Ⅲ(104～68m)和带Ⅳ(68～0m);带Ⅱ和带Ⅳ又可进一步划分出两带:带Ⅱ1(178～153m)、带Ⅱ2(153～104m)、带Ⅳ1(68～33m)和带Ⅳ2(33.00～1.28m)。带Ⅰ对应于上新世,带Ⅱ1和带Ⅱ2对应于早更新世,带Ⅲ对应于中更新世,带Ⅳ1和带Ⅳ2属于晚更新世(见图3)。由于全新世地层极薄,故无法辨别出重矿物组合。带Ⅰ:以绿帘石—赤铁矿—软锰矿—电气石—锆石—金红石—钛铁矿—红柱石为主。绿帘石含量很高,平均在40%左右,最高处可达90%,钛铁矿含量10%～20%,电气石和锆石含量丰富,可达20%～30%,金红石、榍石和石榴子石含量略低,也可以达到8%左右,红柱石也有分布(10%),磁铁矿和磷灰石在下部(232.4～223.0m)有所分布,分别占70%和15%。另外,自生和次生矿物含量较高,如软锰矿、褐铁矿、白钛石、锐钛矿和赤铁矿等。带Ⅱ(Ⅱ1和Ⅱ2):以绿帘石—角闪石—石榴子石—赤铁矿—钛铁矿—磁铁矿为主。绿帘石含量继续保持在40%左右,角闪石在该带中含量增加,可达20%左右,磁铁矿、钛铁矿和石榴子石含量都在10%左右,金红石、榍石、锆石、十字石和蓝晶石含量较少,各占3%左右。碳酸盐含量增加,占15%左右,片状矿物只占5%左右。带Ⅱ1除了上述特征外,电气石、褐铁矿、软锰矿含量都和带Ⅰ中一样,同时,重晶石含量较高,占到20%～30%。带Ⅲ:以绿帘石—角闪石—钛铁矿—石榴子石—赤铁矿—黄铁矿为主。该带矿物特征和带Ⅱ2相似,片状矿物含量增多,可达30%,最高可达90%,自生矿物中黄铁矿出现,占20%～40%。带Ⅳ(Ⅳ1和Ⅳ2):以绿帘石—角闪石—黄铁矿—碳酸盐—电气石—石榴子石—钛铁矿为主。绿帘石、角闪石、电气石和石榴子石等与前带含量相似。黄铁矿在带Ⅳ1中含量较低(10%左右),带Ⅳ2中含量增多至20%,最高可达90%,碳酸盐含量明显较前带增加,平均可达60%～80%,红柱石在带Ⅳ2中局部出现,占8%左右。3上新世至近河口区在利用重矿物进行母岩判别时,由于有些矿物分布很广,火成岩、变质岩和沉积岩中都可能出现(如角闪石、磁铁矿等),所以我们尽量选用一些特征性矿物作为指标。为了将矿物特征与母岩进行对比,首先需理解研究区以及其物源区母岩的分布状况。现代长江三角洲基本上为第四系松散沉积物所覆盖,厚度可达50～400m,其中,西部内陆平原区古地势较高,第四纪沉积厚度较薄,向东部河口区沉积厚度逐渐加大。本区松散沉积物之下的基岩分布较复杂,从震旦系到第三系都有所分布,主要以侏罗系和白垩系的火山碎屑岩及少量中酸性火成岩为主,第三系玄武岩和中酸性凝灰岩在局部分布,剩下区域大多为碳酸岩沉积1),西部天目山至今仍出露于地表,主要为酸性-中酸性火成岩(见图1)。从本研究地层沉积相以及重矿物特征可知,内陆平原区和近河口区明显存在着差异(见图2和图3)。上新世时期,内陆平原区沉积物出现丰富的金红石、榍石、锆石、电气石等典型酸性-中酸性火成岩矿物组合,岩浆期后接触变质矿物绿帘石和红柱石也较多出现;另外,还出现大量强氧化环境下次生或自生矿物,如褐铁矿、赤铁矿、软锰矿、白钛石和锐钛矿等,不稳定矿物如角闪石等含量很少。同样,近河口区也显示出相似的矿物组合特征(见图2和图3)。从研究特征可以推断,内陆平原区和近河口区的沉积物都来源于局地或西部天目山地区,并且处于一个强烈风化的环境。进入第四纪,内陆平原区在早更新世早期继承了上新世的重矿物特征,可能是由于当时该区古地势还是较高的原因导致,但是自生矿物重晶石的出现(见图3)说明该区已经开始转变为还原环境。总体来说,在第四纪时期,不稳定矿物角闪石含量开始增加,金红石、榍石、锆石、电气石等矿物相应的成比例减少,但是还保持着相当的含量,典型的变质岩矿物几乎没有出现,这些都说明随着长江三角洲的进一步沉降,内陆平原区物源来源相对比较稳定,还是以西部天目山酸性-中酸性火成岩物源为主(见图3),受长江物源影响较少。其中,值得注意的是,中更新世以后,片状矿物含量增加,自生矿物黄铁矿以及碳酸盐增多(见图3),说明当时该区水动力条件变弱,湖相或泻湖相地层发育,并可能受到海水的影响,这在该区其他钻孔中也普遍有所记录。而近河口区第四纪时期矿物组合和上新世相比明显发生改变,早更新世时期(带Ⅱ)一些变质岩和中酸性火成岩中的稳定矿物加入,如十字石、蓝晶石、符山石、电气石等,指示其物源可能来自现代长江中下游地区,表明随着古地势的不断降低,物源区扩大,该区逐渐转成沉积盆地,开始接受河流沉积物的充填;中更新世(带Ⅲ)是一个非常特殊的时代,在河口区中更新统地层普遍分布很薄,地层中的重矿物含量很少,说明当时水动力非常弱,几乎处于不流动状态,可能是由于长江中下游地区古地势达到了一个平衡时期,河流