刘一鸣, 向　芳, 陈灼华, 杜　雯, 李树霞

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059)

图1　长江流域太古宙-新生代(变)火成岩分布图Fig.1　Distribution map of igneous rocks in the Yangtze River basin(资料来源于贾军涛等，2010)[14]

近年来,大河流域的发育历史和沉积演化越来越引起国际地学界的关注,对世界主要河流贯通历史的研究是目前人们对过去全球变化中一些重要科学问题研究的基础[1-8]。长江作为世界第三长河，中国第一大河，其演化历史一直是地学界争论的焦点。重庆-宜昌地区作为长江的重要河段长期以来一直备受关注，对其演化研究具有重要意义。对于长江三峡的演化问题，最早是1903年由B.Willis开展研究，后续有众多的地质学家对长江三峡河谷的成因以及贯通问题作了或详细或简约的探讨[1-8]。对于三峡河谷的成因，主要有先成谷和次成谷2种观点[9]。先成谷观点认为重庆-宜昌河段是先成河，在白垩纪末就已经贯通；后成谷观点认为黄陵穹隆东侧的河流流入长江下游的江汉盆地，西侧河流进入秭归盆地，由于构造运动，黄陵穹隆东翼水系发生溯源侵蚀和袭夺沟通了黄陵穹隆西翼的水系，从而使三峡古水系得以贯通。此外，近年来前人利用沉积物开展了三峡贯通的研究[10-13]，普遍的认识是长江三峡贯通的时间是在第四纪，但得出的三峡贯通的具体年代上有一定的差异。

受先前构造运动的影响,长江地貌保存不完整，长江贯通以前重庆-宜昌地区的河流信息并不明确，因此前人对三峡以西的流域所做的工作比较薄弱，使得三峡以西的流域信息比较匮乏。本文通过对三峡东部与西部地区第四纪沉积物中重矿物含量对比，对重庆-宜昌地区第四纪沉积物来源进行分析，利用不同时代沉积物中重矿物含量变化特征，来讨论三峡以西的长江流域是否发生转向，从而为三峡的贯通过程研究提供参考。

1　地质背景与沉积环境

重庆-宜昌地区西部为低山丘陵的四川盆地，地势较缓和，基岩分布规律大体上为东西向展布。主要沉积地层为侏罗系及白垩系，见少许古近系、新近系及第四系。和长江流域重庆-宜昌段相关的岩浆岩主要为出露在四川西南部的峨眉山玄武岩以及攀枝花地区的基性岩[14](图1)。此外，在紧邻宜昌地区的黄陵穹窿，有太古宙的高级变质岩和新元古代的黄陵花岗岩。

经过印支运动，四川盆地结束海侵历史转为内陆湖盆环境，湖盆几乎占四川盆地全境，称为巴蜀湖[15]。四川湖盆受川鄂黔构造带上升影响，是一个由南东向北西掀斜的湖盆，盆地东高西低，沉积的侏罗系东薄西厚。燕山运动以后，川东南及川中地区逐渐隆升，沉积地层厚度 1 000余米，早白垩世的巴蜀湖面积大为缩小。古近纪与新近纪之间，喜马拉雅运动进入高潮，大范围的抬升导致巴蜀湖消亡。新近纪末与早更新世之间，内陆湖盆基本消亡。总的来看，四川境内的古湖从晚白垩世以来一直存在，虽然受构造运动的影响，古湖的大小和位置发生变化，但在现今金沙江必经之路的会理-盐源一带在上新世-更新世早期一直有古湖存在。从夷平面上找到的遗迹中见有呈带状分布的砾石层，砾石层5 m厚，砾径一般为3～5 cm，磨圆度较好。仅从砾石形态和产状等分析，在新近纪末期以前宜昌地区以西主要以内流河为特征，河流不大，水流平稳，不存在大河体系[16]。

宜昌地区在早白垩世，沉积了石门组和五龙组地层。石门组的岩层厚度分布特征表明，早白垩世早期，形成以此为沉积中心的一系列近源粗碎屑的冲-洪积扇沉积；五龙组以其下部较细的细砾岩、泥质砂岩覆盖在下伏石门组粗碎屑沉积物之上，其中段和上段粒级不断变粗，粗碎屑组分含量不断增加。在王家坝至南津关一带，局部发育了滨湖相，从而在五龙组下段上部形成了含薄层碳质沥青和植物及腹足类碎片化石的灰绿色粉砂质泥岩。晚白垩世宜昌地区的江汉盆地发展到最大规模，断陷活动十分强烈，是盆地发展的全盛时期[16]。古近系和新近系以湖相沉积为主，并且夹有大量的石膏和岩盐。其中新近系主要以湖相黏土岩沉积为主，还夹有石膏黏土层，盆地沉降沉积了新近系广华寺组及第四系平原组河流、滨浅湖相砂砾岩及黏土层[17]。古近纪的各组地层与上白垩统呈宝塔式重叠在一起，沉积中心上下偏差不大，基本上为内叠式沉积。总体来看，江汉盆地从白垩纪到古近纪为湖盆环境，从沉积物的来源来看，是一个多物源的沉积盆地(图2)，具有内陆湖泊沉积的特点。同时对于江汉盆地内部而言，在潜江、应城等地区，从白垩纪到古近纪，均为咸化的湖泊沉积，其沉积特征反映了多物源，但缺少流水出口的特征；而新近纪夹有石膏的淡水湖相沉积也显示了内陆湖泊沉积的特点：由此说明，在新近纪及之前，江汉盆地不存在大河体系流过和贯通的沉积证据。

图2　江汉盆地晚白垩世古地理图Fig.2　Paleogeographic map of Jianghan Basin during late Cretaceous(据《湖北省区域地质志》，1990)1.古陆区; 2.(角)砾岩； 3.砂砾岩； 4.砂岩-粉砂岩； 5.黏土质岩； 6.石盐岩； 7.硬石膏岩； 8.陆源物质迁移方向； 9.山麓冲积扇相； 10.河流相； 11.滨湖三角洲相； 12.咸水湖相

2　样品的采集与测试

为了进行相关研究，笔者在重庆-宜昌一线进行了详细野外调查，并采集了分析测试样品，主要采样位置见图3，采样剖面特征如下。

004剖面：位于重庆市天鹅抱蛋处，海拔高度为(286±12) m，为长江第Ⅴ级阶地，主要为砾石堆积，在砾石层的冲刷面之下见棕黄色细砂质沉积，在细砂质沉积中采集样品“T-TL01”。

012剖面：位于万州市三王坝，海拔高度为160 m，为长江第Ⅱ级阶地。为宽阔的台地地貌，在阶坎处见约15 m厚的土黄色砂质黏土(黄土)，顶面黑色，见钙化的姜状土，有螺化石。下部砾岩中可见钙质硅化层，下部夹有砂质、粉砂质沉积物。在砂质沉积物中采集样品“WTL01”。在相同地点的长江河漫滩处采集现代河流沉积物“W重砂”。

023剖面：位于奉节县泡桐树，海拔高度为(570±6) m。宏观上，为圆丘—平梁—缓坡地貌，与长江南岸的低圆丘地貌对应，为低级夷平面(云梦期夷平面)。为坎状地形，剖面上部为坡积砾石层(含有下部须家河组底部砾岩的砾石，砾石主要以燧石为主，圆状-次圆状)、含砾砂土层。在海拔高度(554±7) m处见河流沉积砾石，砾石直径为1～2 cm，最大可达4～5 cm，次圆-圆状，有一定的排列方向。棕红色砂质黏土填隙。砾石的成分为：须家河组的砾岩、硅灰岩、石英岩和石英砂岩等，其中须家河组的砾岩的体积分数约为40%。采集砾石间砂质填隙物样“PT砂-02”。剖面往下为白色黏土层、黄褐色砂质沉积(夹有黏土、冲积巨砾沉积)，在砂质沉积中采集样品“PT砂-01”。从该地河流相沉积的特征看，主要以石英质砾石为主，有来自下部须家河组砾岩的砾石，反映主要为近源再沉积的产物；但从石英质砾石的存在、磨圆度达到圆状看，有远源的成分。

图3　研究区范围及剖面采样位置图Fig.3　Map showing the study area and sampling positions

037剖面：位于巫山县杨柳坪，海拔高度为(376±10) m，对应于长江第Ⅴ级阶地沉积高度的溶洞地貌。水平溶洞中见棕黄色砂质堆积物，为溶洞中的暗河沉积，下部为砂，上部为粉砂。砂质层在出露剖面表层可见被钙质胶结，坚硬，砂体长度6 m。在钙质胶结砂中采集样品“溶洞WS02”。

053剖面：位于葛洲坝技校，海拔高度为(134±8) m，为长江第Ⅴ级阶地。上部为具有叠瓦状砾石的砾石质沉积，有棕红色黏土填隙物；下部为紫红色黏土、棕黄色粉砂和灰色细砂。在下部灰色细砂沉积中采集样品“YC02”。ESR确定该剖面时代为T5。

00B剖面：位于宜昌市区，海拔高度为(104±6) m，为长江第Ⅳ级阶地。剖面中砾石由下往上粒径变小，顶部出现黄褐色黏土层。砾石成分以火山岩为主，可见玄武岩、花岗岩等。在砾石中的砂质黏土中采集样品“00B”。ESR确定该剖面时代为T4。

069剖面：位于三峡大学对面，海拔高度为(113±6) m，为长江第Ⅳ级阶地。为典型的具有叠瓦状的砾石沉积层，其中可见砾石中的越岸砂夹层。在越岸砂中采集样品“YCT3砂01”。ESR年龄测定结果，该剖面为T4沉积。

025剖面：宜昌市区长江边，枯水面海拔高度42.7 m，所测江面海拔高度73 m。采砂船采取的河床砂，代表了现代长江河床沉积，取重砂样“025”。

017剖面：位于枝江善溪窑公路旁，海拔高度为152 m。剖面整体由棕黄色向棕红色过渡，主要以砾石为主，局部见直立状砾石。剖面顶部出现红色黏土层。采集砾石中砂质填隙物样“017”。ESR年龄测定结果，该剖面为善溪窑组沉积。

015剖面：位于云池李家院子，海拔高度为75 m。剖面整体呈黄棕色，可见黄褐色铁质浸染形成的夹层，砾石为圆到次圆状，局部见砾石叠瓦状排列，其倾向方向与砂质夹层中细层的倾斜方向一致，均为倾向下游的方向。填隙物主要为含有钙质胶结物灰白色砂岩，取样品“015”。ESR年龄测定结果，该剖面为云池组沉积。

总结采样统计如表1，野外剖面照片如图4。

表1　采样统计表Table 1　Statistics and properties of the samples

年龄数据来源于向芳(2004)[13]、王金元等(2016)[20]。

图4　野外剖面照片Fig.4　Photographs showing the field profiles(A)004剖面(天鹅抱蛋处的棕黄色剖面); (B)012剖面(见T2上部的砂质黄土); (C)023剖面(上部棕红色砂质黏土填隙砾石层); (D) 037剖面(T5阶地钙质胶结特征); (E) 053剖面(T5); (F) 00B剖面 (T4); (G) 069剖面 (T4); (H) 017剖面(善溪窑); (I) 015剖面(云池)

重矿物样品通过如下流程进行处理：首先将每个样品烘干后称质量(m)，接着破碎(全部通过0.4 mm和0.3 mm的筛子)，之后手工淘洗并与摇床分选，把分选出的粉泥抛弃，得到的灰砂再次淘洗出尾砂和重砂;然后将重砂进行磁选，磁选出的有磁部分进行称质量并作镜下鉴定，无磁部分作电磁选得到无电磁部分和电磁性部分；最后，将无磁部分重液选或精淘后进行称质量和镜下鉴定。

对于含量较高的重矿物，以质量(m/mg)计算；对于含量较低的重矿物，则分别在镜下统计颗粒数，并将统计出来的重矿物颗粒总数作为分母来进行每个样品中不同类型重矿物的均一化，最终得出的重矿物分析结果如表2。

3　结果分析

通过表2所得数据，可以得出各剖面重矿物含量(图5)。另外，各剖面中重矿物组合特征以及代表的母岩的岩性如表3。

表2　样品的重矿物含量统计Table 1　Statistics of the heavy mineral content in samples

大部分含量为颗粒占总颗粒的百分比，少部分含量较高的为质量值(m/mg)。
(a) W重砂,现代河床沉积; (b) WTL01(T2); (c)溶洞,WS02(T5); (d) T-TL01(T5); (e) PT砂-01,夷平面; (f) PT砂-02,夷平面; (g) 025,现代河床沉积; (h) 00B(T4); (i) YCT3砂01(T4); (j) YC02(T5); (k) 015,云池组; (l) 017,善溪窑组。

表3　样品的重矿物组合及母岩岩性表Table 3　Assemblage of heavy minerals and parent rock lithology of the samples

从组合类型来看，以PT砂-01、PT砂-02为代表的三峡段的夷平面沉积中，主要的重矿物组合类型反映母岩为酸性岩浆岩-变质岩；而在三峡以东的宜昌地区，同时代沉积的云池组、善溪窑组沉积的重矿物组合类型同样反映母岩为酸性岩浆岩-变质岩。在三峡段及宜昌地区的阶地沉积中，重矿物组合类型均反映了基性岩浆岩母岩的存在。由此可以认为，夷平面及云池组、善溪窑组沉积的母岩相似，而与阶地沉积物的母岩有所差别。

从特征矿物上看，角闪石、锆石和榍石在“PT砂-01”和“PT砂-02”所代表的夷平面里面没有出现，同时，在015点和017点所代表的云池组与善溪窑组沉积也没有出现，而在其他阶地沉积却有存在。钛铁矿在“PT砂-01”和“PT砂-02”所代表的夷平面里与015点和017点所代表的云池组、善溪窑组沉积中的含量相对偏高，而在其他阶地沉积中的含量相对偏少。金红石在“PT砂-01”和“PT砂-02”所代表的夷平面里与015点和017点所代表的云池组、善溪窑组沉积中的含量很少，在其他阶地沉积里含量相对偏高。另外，绿帘石和辉石在夷平面里的含量较少，在云池组和善溪窑组沉积里甚至没有。这种特征矿物的分布特征说明夷平面与云池组、善溪窑组的物源相同，与阶地沉积的物源有所差异。从图1和表2上看，长江阶地沉积前黄陵穹窿以西的河流与黄陵穹窿以东的河流的重矿物特征比较相似，酸性岩浆岩-变质岩的母岩组合最有可能来自于由变质岩和黄陵花岗岩构成的黄陵穹窿地区。而当长江阶地形成后，沉积物中出现的基性岩浆岩成分其来源最有可能是面积广大的峨眉山玄武岩以及攀枝花基性岩。由此可以认为，老的夷平面沉积是由黄陵穹窿为分水岭、往西流动的河流所形成，云池组、善溪窑组沉积则是从黄陵穹窿分水岭往东流动的河流所形成。而此后的长江阶地是三峡贯通以后，整体向西流动的河流所形成的，因此在重矿物类型、含量、所反映的母岩类型上具有相似性，且都有基性岩浆岩的成分。

4　讨论与结论

对于长江贯通年限，前人提出的结论存在一定差异。李长安通过ICP-MS的方法对痕量元素组成进行分析表明，长江可能形成于1.25 Ma B.P.之后[18]。柏道远[19]基于江汉盆地周老镇钻孔第四纪沉积的砾石特征、重矿物组成及磁学特征的研究表明,长江贯通三峡的时间大约在1.1 Ma B.P.。张玉芬等[10]对沉积物的岩性特征、磁学参数及磁性矿物特征进行了分析研究，结果表明深度在110 m附近的岩芯中粗颗粒成分和稳定磁性矿物成分的含量均明显增高，同时磁化率、饱和等温剩磁、非磁滞剩磁磁化率值也突然增高，这些证据暗示此时江汉平原水系曾发生过重要调整，从而导致盆地的沉积环境和物质成分也发生了重大改变，并据此推断长江三峡在1.17～1.12 Ma B.P.贯通。陈静[12]指出了紫苏辉石、冷杉和云杉花粉对于长江上游物质的特殊指示意义,从而得出一个初步认识现代长江是一条很年轻的河流,在晚更新世早期开始影响到现代三角洲河口地区。屈波[9]通过构造运动推断三峡的贯通方式可能是先从溶洞贯通开始,然后再逐渐崩塌、扩大,最后演变成峡谷形态。这种演变过程经过了3个阶段：①暗河阶段、②成谷阶段、③峡谷阶段，长江可能在(2.0±0.2) Ma B.P.后贯通。另外，屈波对沉积物碎屑锆石进行U-Pb年龄测定结果表明，长江三角洲的沉积物主要来自长江下游地区的白垩纪岩体，物源区比较局限，从3.2 Ma B.P.以来沉积物碎屑锆石中识别出大量来自长江上游的年龄信息推断长江贯通的时限不晚于3.2 Ma B.P.。

本文研究表明，从沉积环境上看，宜昌地区在新近纪以前都没有贯通的长江；从重矿物组合类型推测出的母岩组合特征可知，三峡段的夷平面及云池组、善溪窑组沉积的母岩相似，与阶地沉积物的母岩有所差别；从特征重矿物的对比结果可以发现，夷平面与云池组、善溪窑组的物源相同，与阶地沉积的物源有所差异。

对比前人的研究，本文得出的结论与前人普遍认为长江的贯通在第四纪相同，但在具体年限上却有差异。本文通过重矿物和重矿物组合的研究，发现夷平面与云池组、善溪窑组的重矿物特征是相似的，具有相同的母岩，而与长江贯通后的阶地沉积和现代沉积有所差异。说明在长江贯通以前存在有以黄陵穹窿为分水岭的东西流向的2条水系；王金元等[20]认为善溪窑组结束沉积的时间与三峡地区最晚一期夷平面稳定的时间是一致的，因此样品分析的结果反映出，在0.75 Ma以前是没有现代意义的长江，对于长江贯通年限有可能在中更新世，而不是前人认为的新近纪，这与向芳等[8]的ESR年龄测定资料认为的0.7 Ma B.P.前后长江三峡的贯通时间大致相同。也就是说，当黄陵穹隆东翼水系发生溯源侵蚀和袭夺沟通了黄陵穹隆西翼的水系时，长江才得以贯通，而贯通的时间发生在0.75 Ma B.P.以后。

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