渭河流域滞留沉积物的磁化率各向异性特征及水动力方向研究

罗 俊，张 雷，邹 宁，郭怀军

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

渭河流域滞留沉积物的磁化率各向异性特征及水动力方向研究

罗 俊，张 雷，邹 宁，郭怀军

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

通过对渭河流域上游、中游及下游的三个剖面(天水、宝鸡、渭南)磁化率各向异性研究，发现了滞留沉积物的磁组构特征。滞留沉积物的形成受控于沉积作用并且与渭河的沉积动力有关，即滞留沉积物磁化率椭球体的三大主轴方向及三轴比值与沉积物磁性颗粒的空间排列分布方式相关。对渭河不同地段取样的实验数据结果得出，上游至下游的滞留沉积物的磁化率各向异性参数中L、Q的平均数值逐渐减小，而F、P、E、T的平均数值呈现逐渐增大的变化趋势。磁化率各向异性参数特征及Kmax的方位表明：渭河上游至下游的变化趋势主要为水动力能量逐渐减弱、沉积环境趋于稳定，水动力方向由NW向转变为SWW向，与现在的渭河水流路径大致相同。

渭河流域；磁化率各向异性；滞留沉积物；磁性颗粒；水动力方向

磁化率各向异性(Anisotropy of Magnetic Susceptibility,简称AMS)研究技术已广泛应用于岩石中，是一种快速灵敏测量岩石结构的方法，也称为磁组构技术。AMS不仅可以判定沉积物的物质来源及沉积动力方向，而且可以对沉积物沉积时所处环境、气候及应力分析。该技术方法在地学中研究甚广，研究对象涉及到黄土[1～3]、红粘土[4]、河湖相[5～7]、火山岩[8]、油田岩心[9,10]等。Liu等[11]对长江三角洲河流沉积相进行了磁化率各向异性特征研究，并从AMS参数中推断出河流沉积时的优势水动力方向。张玉芬等[6,7]对长江中游地区也做过AMS相关分析，分析了不同河流地段及不同沉积环境类型条件下的AMS特征。

磁化率各向异性是指岩石的磁化强度在不同方向上的差异，反映了磁性颗粒沉积排列的优选方向[1,12]。岩石内部的磁性颗粒(主要为磁铁矿、磁赤铁矿)的晶粒形状(或长轴)的优选方向通常可以反映沉积动力方向，因此整个岩石磁性颗粒的平均方向可以作为泥沙中水流纹理的一个重要指标。磁性颗粒的磁化率在各个方向的大小往往与磁性颗粒的尺寸相对应，因此磁化率各向异性可以用一个三维二阶张量椭球体来描述其三个主要磁化率大小，AMS椭球体的三个相互正交的长轴、中间轴、短轴分别表示磁化率最大值(Kmax)、中间值(Kint)和最小值(Kmin)。磁化率三值根据不同的计算表达式衍生出不同的磁化率各向异性参数，并反映不同的沉积环境类型及沉积成因方式。

1 采样与测试

采样地点位于渭河流域，北部为中国黄土高原，南部与秦岭相抵。在渭河上游至下游的天水、宝鸡及渭南地区作为采样剖面(见图1)。剖面所在渭河河流一级阶地，高于渭河河床大约10～15 m。各个剖面保存比较完好，经验证属于全新世黄土与古土壤层中的滞留沉积层，为渭河3 200～2 800 a B·p之间发生的特大古洪水事件所堆积的沉积物[13,14]。采样层近于水平延伸，地层特征明显，出露清晰。

河流沉积序列的连续性高度依赖于地形，为了获得精确的AMS结果，分别采取了天水、宝鸡及渭南地区沉积序列较好的剖面。沿着出露的沉积层除去半米厚的覆盖层(避免风化的严重影响)，用罗盘在标本水平面上标记现今的指北方位，然后在原地采集成10 cm宽、20 cm高长、30 cm高的长方体标本，每个标本都经过地磁方位角校正。从剖面取下的标本用纸包装以防止标本搬运过程中破碎。最后将采集到的标本在实验室里加工，按照记录的相同深度加工成2 cm×2 cm×2 cm体积较小的立方体样品。在天水剖面得到123个样品，宝鸡剖面和渭南剖面分别为145个和138个样品。加工得到的样品通过卡帕乔KLY-4S磁化率仪(捷克AGICO公司)测试每个样品的AMS参数。

图1 研究区地理位置

2 结果与分析

实验测定了3个采样点406块样品，通过AMS实验测试得到3个剖面不同样品的磁化率各向异性参数统计平均值，见表1。

表1 天水、宝鸡、渭南剖面样品的磁化率各向异性参数的统计平均值

2.1 磁线理

磁线理(L)=Kmax/Kint[15,16]，反映沉积物颗粒长轴呈线状排列的程度，与沉积动力作用的强弱、搬运动力方向单一性有关。水流作用下，水动力环境稳定且持续，L值就越高。天水、宝鸡及渭南剖面的L平均值分别为：1.012 5、1.008 6、1.007 3，其平均值由大到小，说明沉积时渭河上游的天水地区水流动力相对较强，水动力方向相对均匀单一化，沉积物颗粒线状排列的程度较高；而渭河下游的渭南地区，水流动力较小，沉积物颗粒长轴排列有序化相对较弱；宝鸡剖面L平均值处于两者之间，说明宝鸡地区的沉积属于中等动力环境。

2.2 磁面理

磁面理F==Kint/Kmin[15,16],反映沉积物颗粒呈面状分布的程度，常可以在沉积中对应微细纹理。因此F值越大，就表明沉积物的层理发育越好。天水剖面样品中82.9%以磁面理发育为主(102个样品F>L)，F平均值为1.027 6，95%置信统计范围主要集中在1.014 8～1.042 1之间；宝鸡剖面样品中89.7%以磁面理发育为主(130个样品F>L)，F平均值为1.034 4，集中范围主要分布在1.029 5～1.058 7之间；宝鸡剖面样品中92.8%以磁面理发育为主(128个样品F>L)，F平均值为1.045 2，集中范围主要分布于1.032 4～1.068 6之间。从磁面理F值可以看出，渭河下游相比较上游的磁面理发育特征更为明显，说明上游和中游沉积物的层理发育不如下游沉积物，这与野外现场观察到的剖面结果相同。

2.3 磁化率各向异性度

磁化率各向异性度P=Kmax/Kmin[15,16]，通常反映沉积物颗粒排列的趋向规律性分布程度，其数值的大小主要与沉积水动力的相对强弱和沉积环境的稳定性相关。一般情况下，在水动力较强且持续稳定的环境中，沉积物颗粒的有序化程度较高，P值偏大；在沉积能量较低且不稳定的环境中(比如紊流、涡流)，沉积物颗粒的有序化程度较低，P值偏小[6,7,12,17]。由于河流下游沉积物在河流环境相对稳定的条件下堆积，故P值较大，渭南剖面的P平均值达1.053 8；河流上游和中游的沉积环境稳定性相对较弱，故P值较小，因此越往下游方向发展的沉积物P值就越大。

2.4 磁基质颗粒度

磁基质颗粒度Q=2×(Kmax-Kmin)/(Kmax+Kmin-2Kint)[15,16]，其物理意义表示的是磁性颗粒的相对大小，反映沉积物的动力情况。Q值的大小通常与沉积物颗粒的有序化排列程度和颗粒粒度大小的分选均一状况有关。在沉积过程中，搬运介质能量较快地发生衰减，沉积颗粒在非正常重力作用下快速堆积，沉积颗粒粗细混杂，分选较差，则Q值较高；相反情况下，如果搬运介质能量衰减十分缓慢，沉积颗粒分选性较好，得到的Q值就较低。从表1可以看到，天水剖面的沉积物的Q值最大，其平均值达0.421 1，主要分布范围在0.220 5～0.543 7之间；宝鸡剖面沉积物的Q值次之，其平均值为0.348 5；渭南剖面沉积物的Q值最小，统计得到的平均值仅有0.176 6。这些数据表明，渭河上游地区沉积物颗粒的粒度均一状况(分选性)比中游及下游地区沉积物差，这受控于河流地形的阶梯比率。

2.5 扁率

AMS椭球体扁率E=Kint2/(Kmax×Kmin)[15,16]，E值的大小决定了AMS椭球体的形状。当E>1时，AMS椭球体为压扁状；当E=1时，AMS椭球体的磁面理和磁线理发育相当，呈现圆形；当E<1时，AMS椭球体为拉长状。天水剖面E值最小，E=1.014 8，95%置信统计主要分布在1.002 8～1.036 5之间；宝鸡剖面样品的E平均值为1.024 3，集中分布于1.013 5～1.055 4；渭南剖面统计的平均值为1.039 1，得到的E平均值最大。实验数据表明，渭河古洪水沉积物颗粒磁化率椭球体绝大多数为压扁状，即磁性颗粒以面状形式近于平行沉积面(水平面)。

2.6 形状因子

AMS椭球体形状因子T=(2lnKint-lnKmax-lnKmin)/(lnKmax-lnKmin)[15,16]，T值的变化反映磁面理与磁线理的发育程度。当T在0～1之间，磁面理发育，AMS椭球体为压扁状；当T在-1～0之间，磁线理发育，AMS椭球体为拉长状；T=0表示磁面理与磁线理发育相当；T为1或-1时，表示仅以磁面理或磁线理发育为特征。天水、宝鸡及渭南剖面绝大多数样品的T值均处于0～1之间，说明沉积物均主要发育磁面理，这与之前所述的绝大多数样品F>L的结果相符。

2.7 赤平投影图

AMS椭球体的最大轴Kmax、中间轴Kint及最小轴Kmin的偏角(D)和倾角(I)可以用等面积赤平投影图来描述。图2a、图2b和图2c描述了天水、宝鸡及渭南3个剖面样品的AMS最大轴和最小轴的等面积赤平投影，其中红色方块代表AMS最大轴Kmax，蓝色三角形代表AMS 最小轴Kmin。赤平投影图中大多数红色方块分布于投影圆的边缘，表明AMS最大轴Kmax与水平沉积面近于平行，并指示了水流动力的主要优势方向。红色方块越较多的靠近圆的边缘，表征沉积物颗粒越趋于平行水平面。因此从赤平投影图可以直观地反映出，天水、宝鸡及渭南剖面的沉积物颗粒趋于水平的程度越来越高。同理，赤平投影图中蓝色三角形大多分布在圆的中心，表明磁化率最小轴Kmin的方向多数垂直于水平面。在圆中心的离散度越低就说明沉积环境相对稳定，能量衰减较为缓慢，反之，离散度越高，沉积环境稳定性较差，能量衰减较快。所以渭河从上游至下游地区，沉积环境逐渐变得稳定。

图2 Kmax与Kmin赤平投影图、玫瑰花图及等势线图

2.8 玫瑰花图和等势线图

玫瑰花图和等势线图是两种可以描述AMS最大轴偏角(D-Kmax)且易于理解的图形，两种图可以在一个圆内共同表示，其不考虑Kmax的倾角，只反映偏角的变化。在古洪水事件中D-Kmax方向往往与水动力方向平行，从而指示沉积物质的动力方向。值得一提的是，Wind tunnel实验[18]表明，水动力强度达到一定值，会导致Kmax长轴与水动力方向垂直。天水剖面的样品中大多数Kmax方向为NW方向，从等势线图分布得到D-Kmax主要为318°，从玫瑰图分析得到主要为310°～330°(见图2d)；宝鸡剖面磁化率最大轴的主要方位NWW方向，等势线图显示D-Kmax=290°，玫瑰图主要方位为280°～300°(见图2d)；渭南剖面的玫瑰花图及等势线图都很好地指示了水流沉积动力来自SWW向(见图2e)。

3 结语

通过对渭河流域的三个代表剖面进行研究，分析了古洪水事件滞留沉积物的磁化率各向异性特征，评估了渭河上游至下游的沉积环境以及判定了沉积动力的主要古动力方向。AMS测试表明，三个剖面滞留沉积物的磁化率各向异性较弱，磁面理F与磁化率各向异性度P存在一定的线性相关关系，说明滞留沉积物的AMS参数主要由磁面理引起。渭河上游至下游的变化趋势主要为水动力能量逐渐减弱、沉积环境趋于稳定，水动力方向由NW向转变为SWW向，与现在的渭河水流方向大致类似。

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Research of the anisotropy of magnetic susceptibility characteristic and hydrodynamic aspect about stranded deposits in Wei River

LUO Jun，ZHANG Lei，ZOU Ning，GUO Huai-jun

(Department of geology of northwest university/ State key laboratory of continental dynamics，Xi’an 710069，China)

The magnetic fabric characteristics of stranded deposits were discovered by the research of magnetic susceptibility characteristic on three section(Tianshui,Baoji,Weinan) of Weihe river’s upper, middle and lower reaches. stranded deposits is controlled by sedimentation and associated with the sedimentary dynamic of the wei river. Three axis direction and the three axis ratio of stranded deposits magnetic susceptibility is related to space arrangement of stranded deposits magnetic particles. The experimental data from different location sampling of the wei river shows that the average value of L, Q in the the anisotropy of magnetic susceptibility parameters of stranded deposits from the upstream to downstream decreases.But F, P, E, T present the change trend of gradual increase in average value. The anisotropy of magnetic susceptibility characteristic parameters and the orientation of Kmax shows that the change trend of the wei river from upstream to the downstream is mainly hydrodynamic energy waning, stable sedimentary environment, hydrodynamic direction shift from NW to SWW , and same with the wei river flow path.

Wei River basin；the anisotropy of magnetic susceptibility；stranded deposits；magnetic particles；hydrodynamic direction

2016-10-08

罗俊(1990-)，男，四川达州人，在读硕士研究生，主攻方向：古地磁。

P332.3

A

1004-1184(2017)01-0180-03