江漢平原主要河流現代沉積物磁學特征

環境磁體是20世紀70年代中期發展起來的一門新興的邊緣學科，在許多學科建設得到了廣泛應用（thomosonand前沿，1986；鄧成龍等，2007；夏敦生等，2007；張衛國等，2007；王輝等，2008）。目前，通過對現代沉積物環境磁體的研究，對環境、物源判斷等領域的應用是環境磁體最重要的發展領域之一（德金等，1997；張偉國、余立忠，2002；沈明杰等，2007；張春霞等，2007），但對水系沉積物的物源表現軌跡的研究較少。特別是對江漢平原水流的現代沉積物特征及其與流域地殼巖系的關系研究較少（張玉芬等，2009）。江漢平原是長江第一座接受沉積物的大型礦床，具有巨大的第四紀沉積物。研究這一系列沉積物的形成、發展和評價，對于研究三角帆的連通性非常重要。（馬永法等，2007；zhangetal.，2008）。本研究通過對長江、漢江及周邊主要河流的磁性測量和分析，探討了長江、漢江及其相關支流的磁性特征。初步確定了長江、漢江及其周邊地區及其周邊地區河流的磁體識別標志，并對長江、漢江及其周邊地區河流的磁體特征及其流域的形態進行了初步探討。結果表明，我們可以可靠地研究江漢平原沉積物的物源。同時，為研究長江、漢江、江漢平原區提供了基本資料。'。1江漢平原后石山組江漢平原位于湖北省中南部,地處長江中游和漢江下游,是長江中下游平原的主體部分,其地理位置介于北緯29°26′～31°10′、東經111°45′～114°16′之間.面積約3×104km2.江漢平原在構造上屬于新華夏構造體系的一部分,是伴隨構造盆地的沉降由河流與湖泊沉積而成.進入第四紀以來江漢平原繼承了古近紀、新近紀新構造運動的特點,在中、新生代內陸河、湖相沉積盆地的基礎上,仍以沉降為主體(張德厚,1994;楊達源和李徐生,2000).長江及其支流漢江、清江、沮水和漳河等帶來的泥沙在此大量沉積,形成沉積厚度達300～400m的第四紀巨厚沉積物(圖1).2環境磁學參數測試研究樣品取自長江及其支流(漢江、清江、漳河、瑪瑙河和沮水)的河流沉積物,采樣地點均位于河流尚未進入江漢平原前砂質河漫灘.長江共測試了38個樣品,漢江共測試了81個樣品,清江、漳河、瑪瑙河和沮水分別測試了15、47、28和47個樣品.具體的采集位置見圖1.樣品的處理分析實驗流程如下:首先將采集的樣品在40℃的溫度下烘干,用0.5mm的網目篩過篩,以保證樣品顆粒的大小統一在0.5mm以下,采用同一個粒級以保證其客觀性.然后將過篩后的樣品稱重,裝入磁學專用樣品盒,并壓實.最后在實驗室對樣品進行環境磁學參數測試.樣品的環境磁學參數測試是在華東師范大學河口海岸國家重點實驗室完成的.使用儀器為英國BartingtoMS2磁化率儀、Molspin交變退磁儀、脈沖磁化儀和Minispin旋轉磁力儀.對所有樣品進行了低頻磁化率(0.47kHz,χlf)和高頻磁化率(4.7kHz,χhf)、非磁滯剩磁磁化率(χARM,交流磁場峰值為100mT,直流磁場為0.04mT)和等溫剩磁測試,即經強度為300mT及1T磁場磁化后的剩磁(IRM300mT、SIRM)和帶飽和剩磁的樣品經強度為-100mT反向磁場退磁后的剩磁.利用測得的數據,計算單位質量磁參數,如磁化率(χ)、硬剩磁(HIRM)、飽和等溫剩磁(SIRM=IRM1000mT)、非磁滯剩磁(ARM)或非磁滯剩磁磁化率(χARM)以及各種比值參數,如磁化率頻率系數(χfd%,χfd%=[χlf-χhf]/χlf×100)、SIRM/χ、ARM/χ、SIRM/ARM、S-100(S-100=[SIRM-IRM-100mT]/[2×SIRM]×100)和F300(F300=IRM300mT/SIRM×100)等.其中χ、SIRM、χARM等參數主要與磁性礦物含量有關,χARM對單疇晶粒的亞鐵磁性礦物最為敏感.χfd%指示了超順磁(SP)-單疇(SD)邊界附近的細粘滯性顆粒(FV)的相對重要性,χARM/χ、χARM/SIRM反映了亞鐵磁性礦物晶粒大小特征,并隨著單疇組分的比例增加而增加.SIRM/χ、S-100和F300等主要反映了磁性礦物的顆粒大小和類型(OldfieldandYu,1994;俞立中等,1995;張衛國等,1995;王永紅等,2004).3漢沉積磁學參數特征及礦物成分分析樣品的磁學參數測試結果示于表1和圖2.由表1和圖2可知.在江漢平原范圍內,無論長江、漢江還是周邊的漳河、沮水、瑪瑙河和清江,它們的現代沉積物的磁學參數特征和沉積物磁性礦物的類型、含量和晶粒特征均存在著一定的差異,現將它們的特點分析如下.3.1不同河流沉積中亞鐵磁性礦物包括長江和廢水的磁性特征磁學參數SIRM/χ值的大小可用于識別磁性礦物的類型,一般認為磁鐵礦的SIRM/χ值主要分布在1.5～50kA·m-1,赤鐵礦的SIRM/χ值一般大于100kA·m-1,含較多超順磁顆粒物質的SIRM/χ值一般低于0.4kA·m-1(ThomosonandOldfield,1986).由表1和圖2可知,在進入江漢平原的主要水系中,沉積物樣品的SIRM/χ值主要分布在5.2～20.8kA·m-1,說明沉積物中磁性礦物類型主要是磁鐵礦等亞鐵磁性礦物.其中長江和漢江樣品中亞鐵磁性物質含量較其他河流要高.磁性參數F300是樣品在300mT磁場中磁化后所攜帶剩磁與飽和等溫剩磁的比值,反映了樣品中亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦)與不完全反鐵磁性礦物(如赤鐵礦和針鐵礦)的相對比例,它一般隨不完全反鐵磁性礦物貢獻的增加而下降.進入江漢平原的河流中長江和漢江沉積物樣品的F300平均值均達到了90%以上,即經300mT磁場磁化后,樣品所攜剩磁已接近飽和,說明亞鐵磁性礦物(主要是磁鐵礦)主導了長江和漢江沉積物樣品的磁性特征.但漳河、沮水、清江的F300平均值在60%～70%,瑪瑙河的F300平均值不到60%,表明漳河、沮水、清江和瑪瑙河沉積物樣品中不完全反鐵磁性礦物含量明顯高于漢江和長江.磁性參數χ、χARM、SIRM等主要與沉積物中磁性礦物的含量有關.由表1和圖2可知長江沉積物χ、χARM、SIRM的平均值均大于漢江、清江、漳河、沮水和瑪瑙河的平均值,表明長江沉積物中磁性物質的含量遠遠高于漢江、清江、漳河、沮水和瑪瑙河.主要與亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦)的含量有關的磁性參數χ、SIRM、ARM等.在進入江漢平原的河流中長江沉積物的平均值最大,漢江次之,其他幾條支流的平均值都比較小且較接近.這表明長江沉積物中亞鐵磁性物質的含量要高于支流,支流中漢江沉積物的亞鐵磁性物質的含量較高.磁性參數HIRM,即“硬”剩磁是樣品在300mT磁場中磁化后所攜帶剩磁與飽和等溫剩磁的差值,指示了樣品中不完全反鐵磁性礦物的含量,它一般隨樣品中不完全反鐵磁性礦物含量的增高而增大.長江沉積物HIRM的平均值(約為932.2×10-6Am2·kg-1)比漢江(153.1×10-6Am2·kg-1)高約6.1倍,比周邊支流(198.1×10-6Am2·kg-1)高約4.7倍(表1),說明長江沉積物中不完全反鐵磁性礦物含量也高于支流的,并且漢江沉積物中不完全反鐵磁性物質含量在所有支流中是最低的.3.2arm/和arm/arm在沉積過程中能量分布的差異已有研究證明磁性參數χARM值的大小與樣品中磁性礦物顆粒的大小密切相關,一般χARM對單疇SD(0.04～0.06μm)晶粒敏感,亞鐵磁性礦物SD晶粒的χARM顯著高于超順磁晶粒SP(<0.03μm)和多疇晶粒MD(>10μm)(Maher,1988).由表1可見,長江沉積物樣品的χARM值分別是漢江和周邊支流的6.1倍和15.4倍,表明長江沉積物中較細的單疇SD晶粒含量高于漢江和周邊支流沉積物.磁性參數的比值χARM/χ和χARM/SIRM均可以指示亞鐵磁性礦物晶粒的大小,而且χARM/SIRM不受超順磁SP(<0.03μm)晶粒的影響(Zhangetal.,2001),較低的比值則反映了較粗的顆粒.測試結果表明長江沉積物樣品的χARM/SIRM平均值(20.5×10-5m·A-1)較江漢平原周邊的主要支流的平均值(25.6×10-5m·A-1)小(圖3,圖4),表明長江沉積物的磁性晶粒總體上較周邊支流的要粗.在研究的所有樣品中(除一個樣品外)磁性參數比值χARM/χ均小于5,絕大多數樣品的χARM/SIRM值都小于30×10-5m·A-1,指示沉積物樣品中的亞鐵磁性礦物晶粒以假單疇(PSD,0.1～10μm)-多疇為主.磁化率頻率系數(χfd(%))主要用來鑒定物質中細的鐵磁晶粒(SP-FV)(張衛國等,1995)的存在及其相對含量.一般當物質中χfd(%)值為5%左右時,就說明超順磁物質較多.由圖2可以看出,匯入江漢平原的河流中只有長江樣品的χfd(%)值超過了5%,說明除長江樣品中含有一定量的超順磁顆粒外,支流樣品中整體上含超順磁物質都不多.由樣品的χARM參數對比圖(圖3)和χARM/χ和χARM/SIRM的散點圖(圖4)可以看出,漢江樣品χARM的平均值達到了70.8×10-8m3·kg-1,漳河﹑沮水﹑瑪瑙河﹑清江的χARM值都比較低,均未超過36.7×10-8m3·kg-1,清江的χARM值最低,只有19.7×10-8m3·kg-1.說明漢江中的單疇晶粒含量較高.瑪瑙河樣品中的χARM/χ和χARM/SIRM值都比較高,說明瑪瑙河樣品中磁性物質顆粒較細.漢江和清江樣品的χARM/χ和χARM/SIRM都較小,說明漢江和清江樣品中磁性物質的顆粒較粗,主要以假單疇-多疇為主.圖3和圖4還反映出進入江漢平原主要支流沉積物磁性物質的晶粒特征不僅與長江的不同,而且他們之間也存在著較大的差異.這種差異為物源示蹤提供了依據.4結論和討論4.1主要沉積物的磁性特征對長江和江漢平原主要支流沉積物的磁性參數研究表明:(1)相對于江漢平原主要支流沉積物,長江沉積物具有高χ、χARM、SIRM、HIRM、χfd(%)、ARM等磁性參數值和低的HIRM/SIRM值的特點,表明長江沉積物中亞鐵磁性物質的含量和不完全反鐵磁性物質的含量都較高,但主導沉積物磁性特征的為亞鐵磁性礦物.磁性礦物的晶粒總體上比較粗,以假單疇-多疇為主,但含有一定比例的超順磁顆粒.(2)漢江沉積物具有較高的χ、χARM、SIRM、HIRM、ARM等磁性參數值和低的HIRM/SIRM、χfd(%)值的特點,表明漢江沉積物中亞鐵磁性物質的含量和不完全反鐵磁性物質的含量也都比較高,但比長江沉積物的要低.主導沉積物磁性特征的也為亞鐵磁性礦物.磁性礦物的晶粒也是以假單疇-多疇為主,超順磁成分很少.(3)其他主要支流,如清江、漳河、沮水和瑪瑙河的磁性特征與長江差異較大,相對長江而言其他沉積物具有較高的HIRM/SIRM、χARM/SIRM比值和較低的χ、χARM、SIRM、HIRM、χfd%、ARM、F300等磁性參數值的特點,表明上述支流中磁性礦物含量較長江的低,磁性礦物的晶粒較長江的細.4.2文化程度及流域內磁鐵礦長江上游流域與漢江流域以及清江、漳河、沮水流域等在生態系統、水動能條件、流域出露的表殼巖系和沉積物的物源組成都有明顯的不同(楊作升,1988;楊守業和李從先,1999;楊守業等,2000;閆百興和何巖,2001)(圖5),這是導致它們的沉積物磁性特征差異的主要原因.主要表現在:(1)長江上游沿江分布著眾多的鐵礦,如有名的攀枝花釩鈦磁鐵礦等(水利部長江水利委員會,1999).并且在長江上游的貴州高原、攀西地區、鹽源-麗江和松潘-甘孜地區廣泛分布有鈦-磁鐵礦含量較高的峨眉玄武巖(四川省地質礦產局攀西地質大隊,1987).在長江上游匯水區內分布有大量的含有較高鐵質礦物的基性和超基型巖,這正是導致長江流域沉積物中磁性參數χ、χARM、SIRM等值高的主要原因.另外由于長江上游沿江分布著眾多的鐵礦,鐵礦的開采加工以及居民點的增多,也加劇了環境的污染和沿江沉積物中磁性物質含量的增多.(2)盡管在漢江流域的陜西漢中-安康和湖北鄖陽地區也有磁鐵礦礦點出露,但相對于長江流域來說它出露面積較小.雖然流域內的地層從前震旦系到第四系均有出露,但相對于長江來說巖石類型還是比較簡單.上游流經的是大面積的變質巖區,中下游全部是沉積巖區(武法東等,1996;和鐘鏵等,2001;向芳等,2006;王中波等,2006).因此漢江流域沉積物的亞鐵磁性物質的含量自然要比長江的低.(3)進入江漢平原的長江支流,除了漢江以外,主要還有清江、瑪瑙河、沮水和漳河,其中沮水與漳河進入江漢平原后匯合為沮漳河(圖1),這些河流一般來說流程都較短,即匯水區面積較小,并且流經的區域主要是沉積巖地區.如漳河流域是松散沉積巖及沉積碎屑巖分布區;沮水河源于武當山神農