狄會哲，鄧 賓，趙高平，葉玥豪，邱嘉文

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云貴高原河流水系演化與高原形成過程——基于現代河流沉積物示蹤

狄會哲1,3,4，鄧 賓1,2，趙高平1，葉玥豪1，邱嘉文1

（1. 成都理工大學能源學院，成都 610059；2. 成都理工大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610059；3. 中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室（南海海洋研究所），廣州 510301； 4. 中國科學院大學，北京 100049））

云貴高原是進行現代河流沉積物分析示蹤的天然實驗室，研究其現代河流沉積物的對于認識青藏高原東南緣隆升與新生代地形形成演化具有重要意義。通過對云貴高原長江和珠江支流7件河流砂樣重礦物分析、聚類分析和ATi與GZi等研究，揭示出長江流域河流沉積物呈現出搬運距離遠，物源種類多，經歷復雜次生作用等特點，明顯區(qū)別于珠江流域河流沉積物搬運距離近、物源種類單一和近源等特點。珠江流域上游紅水河物源與長江具有一定繼承性，新生代晚期，由于青藏高原東向擴展生長與大型走滑斷裂活動導致和河流水系特征，同時南盤江流域發(fā)生反轉、襲奪，最終形成現今云貴高原“西高東低”地貌及其河流水系。

現代河流沉積物；重礦物；水系演化；云貴高原

云貴高原為中國四大高原之一，西起青藏高原東側，東到武陵山、雪峰山，東南至越城嶺，北至長江南岸的大婁山，南到貴、滇邊境的山嶺，東西長約1000 km，南北寬400～800 km，總面積約50×104km2，河流水系發(fā)育，地表出露巖石類型復雜多類。新生代以來，由于歐亞板塊和印支板塊的碰撞，云貴高原受青藏高原東向擴展隆升影響，總體上呈現西高東低的地貌格局。高原河流的形成演化是構造、氣候等多種因素共同作用的結果，河流中的沉積物攜帶著“從源到匯”[2,14,17,22,23]系統(tǒng)重要的演化信息。近些年來，人們越來越重視沉積物的沉積路徑和沉積過程，河流作為沉積物搬運主要載體扮演著重要的作用，因此對河流現代沉積物的研究在確定物源區(qū)位置、性質、沉積物搬運路徑和整個盆地的沉積作用、構造演化等方面具有重要的意義。

基于云貴高原長江和珠江支流7件河流砂樣品重礦物分析、聚類分析和ATi與GZi等研究，揭示長江流域和珠江流域河流沉積物差異性特征，從而為分析青藏高原東南緣地區(qū)高原擴展生長、河流形成與盆地演化等提供參考。

1 樣品采集和處理

本文樣品采集于云貴高原長江和珠江不同構造單元代表性的河流表層沉積物，長江流域包括牛欄江、橫江、赤水河和芙蓉江-鴨池河；珠江流域包括南盤江、北盤江和紅水河，共7個河流砂樣（圖1）。樣品采集回來以后，首先進行初步顆粒碎樣，選取約120g樣品進行粉末篩選，用蒸餾水篩選為4個量級（>1mm; 0.25~1mm; 0.0625~0.25mm; <0.0625mm），放在烘箱中用低溫（60oC）烘干12~16小時。其中粒徑在0.0625~0.25 mm顆粒使用Morton[24]（1985）方法進行比重分離，其它礦物分離過程按照Mange等[25]（1992）提出的方法進行。隨后利用多鎢酸鈉重液（比重2.89g/cm3）對重礦物比重分離[18,25]，待分選重礦物烘干后用環(huán)氧樹脂固定制片觀測。

圖1 長江和珠江水系樣品點位置圖[6,10,11]

各樣品薄片分析礦物數量大于250顆，本次樣品統(tǒng)計顆粒數量普遍大于300顆，部分按照不同方格數計數的方法[25]在10倍的目鏡和50倍的物鏡的Leitz偏光顯微鏡下統(tǒng)計計算，且白云母和黑云母也計入。

礦物鑒定過程見礦物鑒定標準手冊[21,25-29]。

表1 長江和珠江流域沉積物重礦物顆粒百分含量

2 重礦物分析結果

2.1 長江流域

2.1.1重礦物組合特征

根據河流砂的沉積環(huán)境及物源區(qū)分析，將其重礦物分為以下幾類組合：①超穩(wěn)定礦物組合，主要包括鋯石、電氣石、金紅石、銳鈦礦和白鈦石；②較穩(wěn)定礦物組合，主要包括鉻尖晶石、獨居石、石榴石、赤褐鐵礦、鈦鐵礦和磁鐵礦；③穩(wěn)定礦物組合，主要為磷灰石和綠簾石[12]；④不穩(wěn)定礦物組合，主要包括黃鐵礦、辰砂和輝石；⑤沉積相指示礦物，主要為黃鐵礦（表1）。

盡管河流沉積物在搬運過程中可能受到水動力分選和機械破碎，但母源區(qū)巖石類型仍是控制河流沉積物中重礦物組成的最重要因 素[31]。一般認為不同類型的母巖中存在不同類型的重礦物，鉻尖晶石與基性-超基性巖有關；鈦鐵礦與輝長-輝綠巖或二長花崗巖有關；磁鐵礦、鈦鐵礦、銳鈦礦、輝石和角閃石是基性巖漿巖存在的標志[12]；磷灰石、金紅石、榍石和獨居石往往存在于酸性巖漿巖中；紅柱石、石榴石、藍閃石和十字石則存在于中高級別變質巖；鋯石普遍存在于三大巖石（沉積巖、變質巖和巖漿巖）中，但其磨圓度通常反映物源搬運的相對距離。

牛欄江砂樣（D6213）以赤褐鐵礦和鈦鐵礦為主，占64.51%；次為鋯石和磁鐵礦，占14.17%；其它重礦物占21.32%。其中超穩(wěn)定礦物占到13.78%，較穩(wěn)定礦物占0.25%，穩(wěn)定礦物占69.60%，不穩(wěn)定礦物占0.25%。重礦物組合為赤褐鐵礦+鈦鐵礦+鋯石+磁鐵礦+白鈦石。樣品中赤褐鐵礦、鈦鐵礦、鋯石和磁鐵礦的含量高，并含有一定量的輝石，說明物源主要來自于基性-酸性巖漿巖，樣品赤褐鐵礦含量高揭示出沉積物均為水體較淺的氧化環(huán)境。

橫江砂樣（D6111）以赤褐鐵礦和鈦鐵礦為主，占68.4%；次為鋯石和黃鐵礦，占17.0%；其它重礦物占14.7%。其中超穩(wěn)定重礦物占9.7%，較穩(wěn)定礦物占0.1%，穩(wěn)定礦物占78.8%，不穩(wěn)定重礦物占8.2%。重礦物組合為赤褐鐵礦+鈦鐵礦+鋯石+黃鐵礦+磁鐵礦，特征礦物為黃鐵礦。樣品中赤褐鐵礦和鈦鐵礦含量高，說明物源主要來自于基性-酸性巖漿巖。此外，黃鐵礦含量高，揭示沉積物為還原環(huán)境。橫江位于金沙江下游，其上游地區(qū)攀枝花存在大型釩鈦磁鐵礦，說明橫江中河流沉積物主要來自于上游物源區(qū)。

赤水河砂樣（D6251）以鈦鐵礦和赤褐鐵礦為主，占64.24%；次為石榴石、鋯石和白鈦石，占17.17%；其它重礦物占18.59%。其中超穩(wěn)定礦物占11.55%，較穩(wěn)定礦物占9.97%，穩(wěn)定礦物占67.65%。重礦物組合為鈦鐵礦+赤褐鐵礦+石榴石+鋯石+白鈦石，特征礦物為石榴石。樣品中鈦鐵礦和赤褐鐵礦含量高，物源以酸性-基性巖漿巖為主，石榴石的含量增加，表明赤水河段變質巖物源增加，云貴高原西北部康滇地區(qū)發(fā)育高綠片巖相和低角閃巖相巖石及花崗巖，并分布大面積的峨眉山玄武巖及中酸性花崗巖，故角閃石、榍石和石榴石含量較高，并形成了特征礦物藍晶石[4]，赤水河中變質礦物可能來源于該物源區(qū)。

芙蓉江-鴨池河砂樣（D6242）以赤褐鐵礦和鈦鐵礦為主，占60.11%；次為赤鐵礦、鋯石和重晶石，占17.08%；其它重礦物占22.81%。其中超穩(wěn)定礦物占7.84%，較穩(wěn)定礦物占0.04%，穩(wěn)定礦物占66.93%。重礦物組合為赤褐鐵礦+鈦鐵礦+赤鐵礦+鋯石+重晶石，特征礦物為重晶石。樣品中赤褐鐵礦和鈦鐵礦含量高，重晶石含量增加，說明樣品母巖主要為基性-酸性巖漿巖，但沉積巖物源的比例增加。

表2 重礦物特征指數

2.1.2重礦物特征指數分析

為了更加準確地反映復雜物源信息，常使用重礦物特征指數反映物源信息，主要包括ZTR指數、ATi指數和GZi指數（表2）。ZTR指數用于判斷重礦物成熟度，由Hubert于1962年首次提出，指鋯石、金紅石和電氣石占總重礦物百分含量，ZTR指數往往用于判斷物源的搬運距離[5,10,12,13,15,20]。長江流域所有樣品ZTR指數均相對較高，反映其沉積物的成熟度較高，沉積物經過遠距離搬運，具遠源特征。

ATi指數=100×磷灰石%/（磷灰石%+電氣石%），可以指示地層是否受到酸性地下水循環(huán)的影響，常用于判斷巖漿巖中磷灰石的風化程度和酸性火成巖物源特征，由于磷灰石在酸性條件下極易溶蝕，ATi指數還受到源區(qū)化學風化作用程度的控制[10]。在長江流域中，ATi指數，除長江-芙蓉江-鴨池河樣品為0以外, 其余的含量均相對較高，說明長江流域除芙蓉河-鴨池河中磷灰石受到了強烈的化學風化作用以外，其余的三條河流受到的化學風化作用均較弱。

GZi指數=100×石榴石%/（石榴石%+鋯石%），揭示沉積物中石榴石的風化程度和變質巖物源特征。在長江流域中，GZi指數呈現橫江和赤水河樣品高，牛欄江和芙蓉河-鴨池河樣品低的特征，說明這兩條河流（牛欄江和芙蓉河-鴨池河）中沒有或者較少變質物源的加入，相反地，橫江和赤水河的變質物源較多。

2.2 珠江流域

2.2.1重礦物組合特征

珠江-南盤江砂樣（D6162）以鈦鐵礦和赤褐鐵礦為主，占77.68%；次為磁鐵礦、鋯石、電氣石和金紅石，占14.1%；其它重礦物占8.22%。其中超穩(wěn)定礦物占9.80%，較穩(wěn)定礦物占0.69%，穩(wěn)定礦物占83.30%，不穩(wěn)定礦物占0.01%。重礦物組合為鈦鐵礦+赤褐鐵礦+磁鐵礦+鋯石+電氣石，特征礦物為磷灰石。因為在南盤江上游有鐵礦分布區(qū)，樣品中鈦鐵礦和赤褐鐵礦等含量很高，電氣石主要是酸性-中酸性巖漿巖產物，說明南盤江源區(qū)以基性-酸性巖漿巖為主。

珠江-北盤江砂樣（D6123）以赤褐鐵礦和鈦鐵礦為主，占89.46%；次之為孔雀石和鋯石，占4.16%；其它重礦物占6.38%。其中超穩(wěn)定礦物占1.17%，較穩(wěn)定礦物占0.77%，穩(wěn)定礦物占92.53%，不穩(wěn)定礦物占1.52%。重礦物組合為赤褐鐵礦+鈦鐵礦+孔雀石+鋯石+綠簾石，特征礦物為孔雀石與綠簾石?？兹甘癁樘妓猁}礦物，綠簾石為斜長石蝕變產物，廣泛分布于綠片巖等變質巖中，其源區(qū)除基性-酸性巖漿巖以外，沉積巖在流域內分布大于南盤江，存在少量片巖等變質巖，巖石類型比較復雜。

珠江-紅水河砂樣（D6192）樣品以赤褐鐵礦、鈦鐵礦和磁鐵礦為主，占74.59%；其它重礦物占25.41%。其中超穩(wěn)定礦物占1.19%，較穩(wěn)定礦物占0.10%，穩(wěn)定礦物占74.59%，不穩(wěn)定礦物占0.68%，重礦物組合為赤褐鐵礦+鈦鐵礦+磁鐵礦+輝石+鋯石，特征礦物為輝石。紅水河流域主要分布大面積的中生代碳酸鹽巖夾部分碎屑巖，樣品中磷灰石和綠簾石含量較之上游減小，表明重礦物在搬運過程中受水動力篩選和磨蝕作用使得不穩(wěn)定礦物逐漸減少。輝石主要產于基性及超基性巖漿巖中以及變質巖中，輝石作為不穩(wěn)定礦物，含量明顯高于上游樣品，說明紅水河源區(qū)以基性-酸性巖漿巖為主，顯示其顯著的近源特征。

2.2.2重礦物特征指數分析

珠江流域的ZTR指數總體較低，北盤江為1.1，南盤江為8.6，紅水河為0.9，下游的紅水河相較于上游的北盤江和南盤江不穩(wěn)定礦物的含量增加，沉積物的成分成熟度降低。北盤江和紅水河ATi指數均為0，表明物源巖磷灰石成分較少，或者磷灰石經歷了強烈的化學風化作用。南盤江ATi指數為21.2，表明其母巖的磷灰石含量較高，或者河流的快速剝蝕和搬運使得磷灰石得到大量的保存。GZi指數上紅水河樣品值高、南盤江和北盤江樣品值較低，表明南盤江和北盤江流域巖石含石榴子石的母巖比較缺乏，這與上游母巖主要以碳酸鹽巖和碎屑巖有關，紅水河段中存在較多的變碎屑巖，使得樣品中石榴石含量急劇升高，說明紅水河具有顯著的近源特征。

2.3 長江與珠江流域重礦物特征對比

2.3.1重礦物含量與指數對比

對比云貴高原長江和珠江流域的重礦物含量和組合（圖2），總體上兩流域物源均以基性-酸性巖漿巖為主，但珠江流域沉積物重礦物中赤褐鐵礦和鈦鐵礦含量大于長江流域，而長江流域不穩(wěn)定重礦物的含量大于珠江。

圖2 云貴高原長江、珠江河流水系重礦物含量對比圖

圖3 云貴高原河流水系重礦物Q 型聚類和R 型聚類譜圖

在重礦物特征指數方面，長江流域的ZTR、ATi和GZi指數總體上大于珠江流域，說明長江流域的河流沉積物呈現出搬運距離遠，物源區(qū)母巖種類復雜，相反珠江流域沉積物呈現出搬運距離近、物源區(qū)母巖種類單一和近源特點。

2.3.2 聚類分析

聚類分析是多元統(tǒng)計中的一種數字分類方法，常用于沉積物物源分析。它是根據樣本或變量之間的相似程度把它們逐步分類的方法[1,3,16]。聚類分析分為Q型和R型聚類分析，采用Q型聚類分析方法將相同或相近的樣本群作為來自同一類別沉積物區(qū)分開，每一樣本群即代表了某一母巖類型的沉積物供給。再利用R型聚類分析將同一期次/類別的重礦物資料進行處理，使不同類型重礦物之間的親疏關系顯現，進而獲得來自不同母巖區(qū)的重礦物組合類型[1]。本文的聚類分析均在SPSS 24.0軟件中完成。

長江流域和珠江流域河流砂樣品重礦物Q型和R型聚類譜圖見圖3。兩組現代河流砂物源具有明顯不同，但珠江流域的南盤江物源和長江流域赤水河具有一定的相似性，說明南盤江與赤水河具有相近的沉積物物源。Q型聚類譜圖表明本次7個樣品存在三個不同的主要物源供給區(qū)，它們分別是①牛欄江、橫江與芙蓉河-鴨池河，②珠江流域的北盤江與紅水河物源區(qū)和③赤水河與南盤江物源區(qū)。進一步R型聚類揭示：3組物源均含有（赤褐鐵礦+鈦鐵礦+磁鐵礦+鋯石）物源，但牛欄江、橫江與芙蓉河-鴨池河含有物源區(qū)母巖種類最多，北盤江與紅水河最少，總體上揭示出長江流域物源復雜，珠江流域單一的特征，兩者物源均含有基性-酸性巖漿巖。

2.3.3 ATi指數和GZi指數相關性分析

ATi與GZi指數相關性常用于分析判斷物源巖石類型。長江和珠江流域的河流砂重礦物ATi指數和GZi指數相關性揭示出三類ATi-GZi指數組合（圖4）。第一類是ATI和GZi均趨近于零，說明其源區(qū)變質巖、巖漿巖均比較少，長江-芙蓉江-鴨池河和北盤江樣品為該類組合，其物源區(qū)母巖類型主要為碎屑巖、碳酸鹽巖，巖漿巖和變質巖在該地區(qū)分布較少。

第二類是低ATi指數、高GZi指數，即石榴石含量相對較高、磷灰石含量較低，其源區(qū)母巖類型主要為酸性巖漿巖、部分中高級別變質巖等。在珠江流域紅水河河流砂樣品主要為該類指數特征。

第三類是低GZi指數、高ATi指數，源巖母巖類型主要為部分中高級變質巖和廣泛的中酸性巖漿巖。長江流域牛欄江和珠江流域南盤江樣品體現出該類指數特征，這與牛欄江和南盤江上游地區(qū)康滇古隆起帶大量酸性巖漿特征相一致。

總體上，長江流域和珠江流域的ATi-GZi指數關系圖揭示出其現代河流沉積物中重礦物明顯的分帶性，珠江中游與長江中上游的ATi和GZi關系具有明顯相似性，說明珠江流域從紅水河開始對長江流域的沉積物有很好的繼承性。

3 討論

由上文分析可知，珠江上游物源與長江上游主流物源相近，表明珠江和長江物源相近，大多數來自青藏高原東南緣康滇古隆起區(qū)域，僅少量來自于云貴高原內部，現代河流沉積物中重礦物對物源分析有良好的相應關系。此外，值得我們注意的就是云貴高原中的南盤江與赤水河具有相似的物源。Wang Y等[30]（2014）指出，自從晚更新世以來，青藏高原東南緣地區(qū)系列的走滑斷裂的活動對地形的形成產生了重要的影響，并誘發(fā)了多次大地震。Clift, P.等[19]（2006）根據鶯歌海盆的新生代沉積物單顆粒Pb同位素和全巖Nd同位素組成研究認為早在始新世古紅河就襲奪長江而將長江流域的大量碎屑物質帶入南海,在早中新世以后由于青藏高原的加速隆升導致古長江改道東流，即今天的長江水系開始發(fā)育。邵磊等[9]（2005）、龐雄等[7,8]（2006,2007）在對珠江口盆地研究時發(fā)現，該在珠江口盆地的沉積過程中存在一次沉積突變事件，反映出該事件是南海演化過程中的一次重大構造運動事件，可能與南海擴張軸在23～25Ma發(fā)生“南躍”存在一定的關聯(lián)，該構造事件可能使得古珠江由漸新世華南沿海酸性巖漿巖為主的源區(qū)擴展為中新世遠達青藏高原東緣的云貴高原碳酸鹽巖為主的源區(qū)。因此，我們認為云貴高原河流水系的演化和高原的形成過程與青藏高原晚新生代東向擴展生長和大型走滑斷裂晚期走滑活動具有密切的成因聯(lián)系（圖5）。在云貴高原形成早期，珠江流域南盤江水系流向是“自南向北”，它與長江流域牛欄江具有相似的物源特征；自新生代晚期，受控于青藏高原東南緣鮮水河-小江斷裂帶左旋走滑和高原的東南向擴展生長，云貴高原西北緣（青藏高原東緣）開始隆升形成，導致其地貌逐漸轉變?yōu)椤拔鞲邧|低”和/或“北高南低”，因此珠江流域南盤江水系發(fā)生襲奪，流向發(fā)生反轉，變?yōu)椤白员毕蚰稀?，長江流域則是從“自北向南”變?yōu)椤白晕飨驏|”，至晚新生代云貴高原及其河流水系最終形成。

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The Evolution of the River System on the Yunnan-Guizhou Plateau and Formation Process of the Plateau Based onModern River Sediment

DI Hui-zhe1,3,4DENG Bin1,2Zhao Gao-ping1YE Yue-hao1QIU Jia-wen1

（1-College of Energy, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 2-State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059；3-South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, 510640; 4-University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049）

TheYunnan-Guizhou Plateau is located in the southwest margin of the Yangtze Plate where the Yangtze River and the Pearl river systems are developed. Modern river sediment in these river systems is of importance to study of the uplift of Tibetan Plateau and the evolution of the Yunnan-Guizhou Plateau in the Cenozoic. Many complex rocks are exposed and a lot of river system are developed in the Yunnan-Guizhou Plateau which, therefore, a natural laboratory of tracing the modern river sediment. Based on the classification of modern river systems, this study collects seven samples from tributaries of the Yangtze River and the Pearl Rivers. Form previous studies, heavy mineral analysis, clustering analysis and ATi-GZi correlation analysis, it is concluded that sediments in the Yangtze River are transported longer and have a variety of provenance and experience multiple secondary changes. On the contrary, sediments in the Pearl River present a near source feature. To the Late Cenozoic, the west margin of the Yunnan-Guizhou Plateau （the east margin of the Tibetan Plateau） began to uplift. At the same time, a series of strike-slip faults began to develop. These made the west margin of the Yunnan-Guizhou Plateau raise constantly. In this process, the flow of the Nanpan River was reversed and the strike-slip faults tended to stabilize. So far, the Yunnan-Guizhou Plateau and its river systems came into being.

Yunnan-Guizhou Plateau; Yangtze and Pearl rivers; modern river sediment; heavy mineral

2017-12-11

本文受自然科學基金（2017JQ0025，41572111，41402119和41472107）聯(lián)合資助

狄會哲（1995－），男，山東萊蕪人，碩士研究生，研究方向為海洋地球物理

鄧賓（1980－），男，四川南充人，教授，研究方向為低溫熱年代學與含油氣盆地分析

P534.64；P[69]

A

1006-0995（2018）04-0536-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.002