长江中游高位砾石层的磁性特征与物源分析

张玉芬，李长安，周 稠，康春国，熊德强，江华军

1.中国地质大学地球物理与空间信息学院，武汉 430074

2.中国地质大学生物地质与环境地质教育部重点实验室，武汉 430074

3.中国地质大学地球科学学院，武汉 430074

0 前言

环境磁学是一门介于地球化学、环境科学和磁学之间的应用岩石磁学和矿物磁学技术恢复环境过程、重塑环境演化历史的边缘学科。其原理是测量土壤、沉积物和岩石等自然物质和人类活动产生的物质在人工磁场中的磁性效应，提取地质－地理环境信息［1］。迄今为止，环境磁学的研究对象涵盖了地球岩石圈、土壤圈、水圈和大气圈中的岩石、土壤、沉积物、悬浮泥沙、飘尘、降尘等物质。在样心对比、物质来源鉴别、沉积物成因、泥沙运移示踪、流域生态环境演变、古气候环境研究、土壤发生学、环境污染、油气勘探、古地磁学等领域得到了广泛应用［2－4］。笔者拟利用环境磁学的方法对分布于我国长江中游一带的砾石层的特征及物源进行研究。野外调查发现，在我国长江中游一带分布着一些高阶地砾石层，尤其是在宜昌附近与武汉的阳逻附近。这些高位砾石层是历史时期大江大河在强大的水动力条件下的产物，蕴含着丰富的环境和气候信息，研究它们的特征对研究该区河流的演化和气候环境变化有着重要的意义。长期以来不少学者就阶地的级数、阶地堆积物的形成方式、形成时间及堆积物的物质来源等方面进行过研究，也取得了一些有意义的研究成果［5－12］。但采用环境磁学的方法对分布于长江中游的砾石层的磁学特征、不同砾石层的磁性比较以及其物质来源的研究，目前还没见到报道。自2005年起本课题组在执行国家自然基金项目时就对长江中游一带分布的高位砾石层进行了多次实地考察，野外实测剖面20余条，系统采集了年代学、重砂、粒度、环境磁学等样品300余件。在本文中，笔者重点对环境磁学样品的测试结果进行分析，结合野外调查，探讨高位砾石层的磁性特征和物质来源，以达到研究该区河流的演化和气候环境变化的目的，进而为揭示第四纪以来长江中游地区季风的演化规律奠定一定的基础。

1 长江中游砾石层剖面特征

本文涉及的长江中游的砾石层剖面主要为宜昌冲积扇在不同部位出露的剖面（如善溪窑剖面、云池剖面、李家院剖面、红花套剖面、白洋渡剖面、卢演冲剖面和机场路剖面），同时还有武汉附近的阳逻砾石层剖面。其具体剖面位置如图1所示。现将主要剖面描述如下：

善溪窑剖面 位于枝江市白洋镇善溪窑村附近。砾石层剖面出露厚约17.5m，由7个岩性层（可划分为5个旋回层）组成，剖面下部出露岩性为砂层，较厚，但未见到底。岩性从上到下依次为：红褐色泥砂层；红褐色砾石层，剥蚀严重，砾石定向不明显，最大粒径达15cm，磨圆较好；棕黄色砾石层，粒径较小，主要为3～6cm，定向性明显，磨圆好；棕黄色砾石层，底部含有薄层黄色粗砂透镜体，上部粒径小，下部粒径大，整体风化中等，磨圆较好；棕黄色砾石层，顶部夹有小型黄色粗砂透镜体；黄褐色砾石层，2～5cm的粒径，风化中等，磨圆好；黄色粗砂层，厚约2m，下伏的砾石层与云池剖面相接。在该剖面近顶部和近下部测得年龄分别为0.732Ma和0.827Ma。

图1 长江中游阶地砾石层剖面位置图Fig.1 Location of gravel bed at the middle Yangtze River

云池剖面 位于宜昌市猇亭区云池。剖面出露地表厚约60m，可分为7个岩性层，依次为：棕黄色砾石层；棕黄色砾石层，下部砾石砾径粗大，紧密排列，向上砾石变小减少；土黄色砾石层，顶部可见砂质透镜体，总体呈正粒序，磨圆好；土黄色砾石层，顶部可见数个砂质透镜体，填隙物为土黄色砂，磨圆好；灰黄色砾石层，顶部为4m左右灰白色—黄色砂互层，下部砾石层顶部含砂质透镜体，填隙物为黄色粗砂；灰黄色砾石层，顶部为厚3m左右的灰白色—黄色砂互层，下部砾石层含砂质透镜体；土黄色砾石层，顶部为多个连续分布的薄层砂质透镜体，砾石粒径6～16cm，占80%，最大可达20cm，风化程度中等，磨圆度好。该剖面下部未见底，云池剖面位于善溪窑剖面的下面，两者应该为同一砾石层。在该砾石层的近顶部（位于善溪窑剖面的下面）ESR（electronic spin resonance）测得年龄为1.0Ma。在该剖面近底部ESR的测年为1.205Ma。

李家院剖面 位于云池剖面的下部，砾石含量和粒径较善溪窑、云池剖面有所减少和变细。在其上部和近底部ESR测年分别为1.239Ma和1.319 Ma。

白洋渡剖面 位于宜都白洋渡渡口附近。剖面出露高度大约25m，可包括3个大的沉积旋回。底部砾石层含大量砂质透镜体，粒径多为2～5cm，分选性好，磨圆度高，砾石成分以石英岩和石英砂岩为主，偶尔可见火山碎屑岩；中部砾石层的粒径较大，粒径10cm以上的占据50%，最大粒径有40cm左右。该层的砾石分选性较好，磨圆次圆；顶部砾石层的粒径多小于10cm，主要以石英砂岩和硅质岩为主要成分。

武汉阳逻剖面（华能电厂剖面）位于阳逻华能电厂旁。剖面分3个半大旋回，底部半个旋回，砂层，中粗砂，褐黄色，夹杂褐红色条带，微具交错层理，厚1m左右，未见底。自下而上依次为Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ旋回。Ⅲ旋回：砾石层厚约2m，砾石成分石英岩为主，磨圆为次棱角及次圆状，风化程度为表面风化至中等风化。Ⅱ旋回：砾石层厚度约2m，底部砾石较大，砾石成分主要为石英砂岩，磨圆为次圆及次棱角状，风化程度为表面风化至中等风化。Ⅰ旋回：砾石层中砾石含量多，砾石成分主要为石英岩，磨圆为次棱角及次圆状，风化程度为表面风化至中等风化。填充物为土黄色及褐红色中粗砂，见砂质薄层。

2 实验样品采集与测试

课题组在2005年以来多次对分布于江汉平原西缘宜昌东部的宜昌—云池—董市一带的丘陵地区的砾石层、武汉阳逻等处的砾石层进行了野外调查，并对砾石层中的细粒成分进行了实验样品的采集，共采集磁学样品63组。善溪窑剖面取22（9＋13）组，云池剖面取11组，李家院剖面取6组，白洋渡剖面取7组，红花套剖面取9（4＋5）组，阳逻剖面取25组。每组测3个样品共获得数据近200个。

所有样品的环境磁学参数均由华东师范大学河口海岸国家重点实验室测试。在室内，样品自然风干，用0.5mm的网目筛过筛，以保证样品粒径在0.5mm以下，称质量后将样品装入磁学专用样品盒并压实。使用仪器为英国Bartingto MS2磁化率仪、Molspin交变退磁仪、脉冲磁化仪和Minispin旋转磁力仪。对所有样品的低频磁化率（0.47kHz，χlf）、高频磁化率（4.7kHz，χhf）、非磁滞剩磁磁化率（χARM，交流磁场峰值为100mT，直流磁场为0.04 mT）、等温剩磁（即经强度为20、100、300及1 000 mT磁场磁化后的剩磁IRM20mT、IRM100mT、IRM300mT、IRM1000mT）和带饱和剩磁的样品经强度为－20、－100、－300mT反向磁场退磁后的剩磁参数进行了测试。利用测得的数据，计算单位质量磁参数，如磁化率（χ）、硬剩磁（HIRM）、饱和等温剩磁（SIRM＝IRM1000mT）、非磁滞剩磁（ARM）或非磁滞剩磁磁化率，以及各种比值参数，如频率磁化率系数（χfd，χfd＝［χlf－χhf］/χlf×100%）、SIRM/χ、ARM/χ、SIRM/ARM和S－100（S－100＝100（SIRM－IRM－100mT）/（2SIRM））、S－300（S－300＝ 100（SIRM－IRM－300mT）/（2SIRM））等。 其中：χ、SIRM、χARM等参数主要与磁性矿物含量有关，χARM对单畴（SD）晶粒的亚铁磁性矿物最为敏感；χfd指示了超顺磁（SP）及细黏滞性（FV）颗粒的相对重要性；χARM/χ、χARM/SIRM反映了亚铁磁性矿物晶粒大小特征，随着单畴组分比例的增加而增加；SIRM/χ、S－100等主要反映了磁性矿物的颗粒大小和类型［13－17］。

3 实验结果分析与讨论

3.1 长江中游砾石层磁性特征分析

样品的磁学参数测试结果示于表1和图2。由表1和图2可见，分布于在长江中游不同高度和不同位置的砾石层在磁性矿物的类型、含量和晶粒等特征均存在着一定的差异，现将它们的特点分析和对比如下。

3.1.1 长江中游砾石层磁性矿物的类型和含量

磁性参数F300是样品在300mT磁场中磁化后所携带剩磁与饱和等温剩磁的比值，反映了样品中亚铁磁性矿物（如磁铁矿）与不完全反铁磁性矿物（如赤铁矿和针铁矿）的相对比例，一般随不完全反铁磁性矿物贡献的增加而减小。分布在长江中游的砾石层（除阳逻砾石层外）样品的F300平均值均达到了90%以上，即经300mT磁场磁化后，样品所携剩磁已接近饱和，说明亚铁磁性矿物（主要是磁铁矿）主导了长江中游砾石层样品的磁性特征。但阳逻砾石层的F300平均值只有45.00%，表明阳逻砾石层中亚铁磁性矿物对沉积物磁性的贡献明显减少，而不完全反铁磁性矿物对沉积物磁性的贡献明显高于其他砾石层。

磁学参数SIRM/χ值的大小可用于识别磁性矿物的类型。一般认为：磁铁矿的SIRM/χ值主要为1.5～50.0kA/m；赤铁矿的SIRM/χ值一般较高，多大于100.0kA/m；含较多SP颗粒物质的SIRM/χ值一般低于0.4kA/m［18－19］。由表1和图2可知，长江中游砾石层的SIRM/χ值主要为8.24～20.93kA/m，说明砾石层中磁性矿物类型主要是磁铁矿等亚铁磁性矿物。

磁性参数χ、χARM、SIRM等主要与沉积物中磁性矿物的含量有关。由表1可知，善溪窑、云池砾石层沉积物χ、χARM、SIRM的平均值均大于李家院、红花套、白洋渡和阳逻平均值，表明善溪窑、云池沉积物中磁性物质的含量远远高于李家院、白洋渡、红花套和阳逻。在文中讨论的砾石层中，云池磁性参数χ、SIRM、ARM的平均值最大，善溪窑、红花套、白洋渡次之，阳逻的最小，这表明云池砾石层中亚铁磁性物质的含量最高，阳逻砾石层的含量最低。磁性参数HIRM是样品在300mT磁场中磁化后所携带剩磁与饱和等温剩磁的差值，指示了样品中不完全反铁磁性矿物的含量，一般随样品中不完全反铁磁性矿物含量的增高而增大。长江中游砾石层沉积物HIRM的平均值为（82.67～662.93）×10－6Am2/kg，其中，白洋渡最大（662.93×10－6Am2/kg），大约是李家院（138.16×10－6Am2/kg）的4.8倍，是阳逻（82.67×10－6Am2/kg）的8倍（表1）。在所有的砾石层中，阳逻的HIRM值最小，说明阳逻砾石层不仅亚铁磁性物质的含量较低，而且不完全反铁磁性物质含量也低。

3.1.2 长江中游砾石层磁性矿物的晶粒特征

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图2 长江中游砾石层部分磁性参数对比图Fig.2 Comparsion of the magnetic parameters of the main gravel bed on the high－terrace in the middle reaches of Yangtze River

已有研究证明，磁性参数χARM值的大小与样品中磁性矿物颗粒的大小密切相关，一般χARM对SD晶粒（0.04～0.06m）敏感，亚铁磁性矿物SD晶粒的ARM要显著高于SP晶粒（＜0.03m）和MD（多畴）晶粒（＞10m）［20］。由表1可见，长江中游砾石层样品的χARM值差异较大，宜昌附近善溪窑和云池的值分别是武汉阳逻砾石层的25.97倍和48.37倍，表明善溪窑和云池砾石层中较细的SD晶粒含量明显高于阳逻砾石层。磁性参数的比值χARM/χ和χARM/SIRM均可以指示亚铁磁性矿物晶粒的大小，而且χARM/SIRM不受SP晶粒的影响［21］，较低的比值则反映了较粗的颗粒。χfd主要用来鉴定物质中细的铁磁晶粒（SP－FV）［22］的存在及其相对含量，一般当物质中χfd值为5%左右时，就说明超顺磁物质较多。测试结果表明：样品中χARM/χ平均值超过4.00的剖面有：云池（5.03）、李家院（4.60）、武汉阳逻（5.39）；χARM/SIRM平均值超过30.00×10－5m/A的剖面有：云池（32.78×10－5m/A）、李家院（43.18×10－5m/A）、红花套（44.83×10－5m/A）、武汉阳逻（71.86×10－5m/A）。白洋渡的χARM/χ和χARM/SIRM分别只有1.75和8.35×10－5m/A。显然，白洋渡的亚铁磁性矿物的颗粒以PSD（假单畴）和MD颗粒为主，而云池和李家院砾石层中含有大量的SD颗粒。武汉阳逻砾石层样品的磁性参数χARM/SIRM、χARM/χ和χfd分别达到了71.86×10－5m/A、5.39和7.72%，这说明武汉阳逻砾石层样品中的磁性矿物以SP颗粒为主，比长江中游其他砾石层磁性晶粒细得多。不同砾石层剖面样品χARM/χ和χARM/SIRM的散点图（图3）分布规律也证实了上述的结论。从图3可见：白洋渡和红花套以及善溪窑的样品几乎全部落在χARM/χ＜4.00与χARM/SIRM＜30.00×10－5m/A的虚线范围内，而武汉阳逻的样品全部远远地落在虚框以外区域，云池和李家院的样品绝大多数也落在虚框以外区域。

图3 磁性参数χARM/χ和χARM/SIRM散点图Fig.3 Plot ofχARM/χversusχARM/SIRM

3.2 长江中游砾石层物源分析

宜昌砾石层与武汉阳逻砾石层的磁性差异明显，产生差异原因可能与它们的物质来源（物源）有关，长江上游沿江分布着众多的铁矿，如有名的攀枝花钒钛磁铁矿等［23］。并且在长江上游的贵州高原、攀西地区、盐源—丽江和松潘—甘孜地区还广泛分布有Ti－磁铁矿含量较高的峨眉玄武岩［24］。在长江上游汇水区内分布有大量的含有较高铁质矿物的基性和超基型岩，且风化相当严重。这些铁磁性物质以及风化后的物质在长江强大的水动力作用下，被搬运到长江中下游，在长江出三峡后的宜昌及附近沉积下来，使得在宜昌地区沉积的砾石层中富含丰富的磁性物质，导致其沉积物磁性增强。而江汉平原周边及汉江上游区域出露的岩石主要是以沉积岩为主［10，25－27］，笔者前期对江汉平原周边及汉江现代沉积物磁性特征的研究也表明：江汉平原周边河流以及汉江现代沉积物的磁性物质的含量要比长江中、上游沉积物的低得多且磁性物质晶粒也较细［28］。因此具有较低磁性物质含量和较细磁性物质晶粒的阳逻砾石层的磁性特征正好也说明了阳逻砾石层与宜昌附近砾石层可能具有不同的物源，分布于武汉附近的阳逻砾石层物源比较复杂，既有来自长江上游的磁性较高的物质，也有来自江汉平原周围河流磁性较低的物质。这些磁性较低的物质的加入，稀释了阳逻砾石层沉积物的磁性浓度，使得阳逻砾石层显示出较低的磁性物质含量和较细的磁晶颗粒的特点。

4 结论与讨论

1）在分布于长江中游的砾石层中，宜昌附近的善溪窑、云池砾石层沉积物χ、χARM、SIRM、ARM的平均值均大于李家院、白洋渡、红花套和阳逻平均值。表明善溪窑、云池沉积物中磁性物质的含量远远高于李家院、白洋渡、红花套和阳逻。并且具有云池砾石层沉积物中磁性物质的含量最高，善溪窑、红花套、白洋渡次之，阳逻砾石层中含量最低的特点。

2）阳逻砾石层沉积物具有较低的χ、χARM、SIRM、HIRM、ARM、SIRM/HIRM等磁性参数值和较高的χfd、χARM/SIRM值的特点，表明阳逻砾石层沉积物中不仅亚铁磁性物质的含量较低，而且不完全反铁磁性物质的含量也比较低，但主导沉积物磁性特征的仍然为亚铁磁性矿物。磁性矿物的晶粒较宜昌附近的砾石层要偏细，以超顺磁成分增多为其特点。

3）分布在长江中游的砾石层（除阳逻砾石层外）的沉积物样品的F300平均值均达到了90%以上，说明亚铁磁性矿物（主要是磁铁矿）主导了长江中游砾石层样品的磁性特征。但阳逻砾石层的F300平均值仅为45.00%，表明阳逻砾石层沉积物样品中不完全反铁磁性矿物含量相对来说是比较高的。

4）频率磁化率系数χfd的大小表明，白洋渡和红花套以及善溪窑砾石层的磁性矿物以较粗的磁性颗粒为主，而云池和李家院的磁性矿物的颗粒都较细，武汉阳逻砾石层含有大量的SP颗粒。

5）宜昌附近砾石层与阳逻砾石层的磁性特征反映出两者在物源方面存在着较大的差异，宜昌附近的善溪窑、云池、白洋渡、红花套砾石层的主要物源来自于长江上游，而阳逻砾石层的物源既有长江上游的也有来自周边河流的。

通过以上分析认为，磁性测量方法可以作为长江流域物源示踪的一种手段。因为沉积物的磁学特征与物源区出露的岩石类型有着密切的联系，通过测量沉积物的磁性特征，就可以达到判断沉积物物源的目的。

样品由华东师范大学河口海岸国家重点实验室测试；研究生杨建、严玲琴、李庭、王节涛、雷文大、邵磊等参加了野外部分样品的采集和室内样品的整理工作，在此一并表示感谢！

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