張玉芬，李長安，周 稠，康春國，熊德強(qiáng)，江華軍

1.中國地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074

2.中國地質(zhì)大學(xué)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074

3.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430074

0 前言

環(huán)境磁學(xué)是一門介于地球化學(xué)、環(huán)境科學(xué)和磁學(xué)之間的應(yīng)用巖石磁學(xué)和礦物磁學(xué)技術(shù)恢復(fù)環(huán)境過程、重塑環(huán)境演化歷史的邊緣學(xué)科。其原理是測(cè)量土壤、沉積物和巖石等自然物質(zhì)和人類活動(dòng)產(chǎn)生的物質(zhì)在人工磁場(chǎng)中的磁性效應(yīng)，提取地質(zhì)－地理環(huán)境信息［1］。迄今為止，環(huán)境磁學(xué)的研究對(duì)象涵蓋了地球巖石圈、土壤圈、水圈和大氣圈中的巖石、土壤、沉積物、懸浮泥沙、飄塵、降塵等物質(zhì)。在樣心對(duì)比、物質(zhì)來源鑒別、沉積物成因、泥沙運(yùn)移示蹤、流域生態(tài)環(huán)境演變、古氣候環(huán)境研究、土壤發(fā)生學(xué)、環(huán)境污染、油氣勘探、古地磁學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［2－4］。筆者擬利用環(huán)境磁學(xué)的方法對(duì)分布于我國長江中游一帶的礫石層的特征及物源進(jìn)行研究。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在我國長江中游一帶分布著一些高階地礫石層，尤其是在宜昌附近與武漢的陽邏附近。這些高位礫石層是歷史時(shí)期大江大河在強(qiáng)大的水動(dòng)力條件下的產(chǎn)物，蘊(yùn)含著豐富的環(huán)境和氣候信息，研究它們的特征對(duì)研究該區(qū)河流的演化和氣候環(huán)境變化有著重要的意義。長期以來不少學(xué)者就階地的級(jí)數(shù)、階地堆積物的形成方式、形成時(shí)間及堆積物的物質(zhì)來源等方面進(jìn)行過研究，也取得了一些有意義的研究成果［5－12］。但采用環(huán)境磁學(xué)的方法對(duì)分布于長江中游的礫石層的磁學(xué)特征、不同礫石層的磁性比較以及其物質(zhì)來源的研究，目前還沒見到報(bào)道。自2005年起本課題組在執(zhí)行國家自然基金項(xiàng)目時(shí)就對(duì)長江中游一帶分布的高位礫石層進(jìn)行了多次實(shí)地考察，野外實(shí)測(cè)剖面20余條，系統(tǒng)采集了年代學(xué)、重砂、粒度、環(huán)境磁學(xué)等樣品300余件。在本文中，筆者重點(diǎn)對(duì)環(huán)境磁學(xué)樣品的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合野外調(diào)查，探討高位礫石層的磁性特征和物質(zhì)來源，以達(dá)到研究該區(qū)河流的演化和氣候環(huán)境變化的目的，進(jìn)而為揭示第四紀(jì)以來長江中游地區(qū)季風(fēng)的演化規(guī)律奠定一定的基礎(chǔ)。

1 長江中游礫石層剖面特征

本文涉及的長江中游的礫石層剖面主要為宜昌沖積扇在不同部位出露的剖面（如善溪窯剖面、云池剖面、李家院剖面、紅花套剖面、白洋渡剖面、盧演沖剖面和機(jī)場(chǎng)路剖面），同時(shí)還有武漢附近的陽邏礫石層剖面。其具體剖面位置如圖1所示?，F(xiàn)將主要剖面描述如下：

善溪窯剖面 位于枝江市白洋鎮(zhèn)善溪窯村附近。礫石層剖面出露厚約17.5m，由7個(gè)巖性層（可劃分為5個(gè)旋回層）組成，剖面下部出露巖性為砂層，較厚，但未見到底。巖性從上到下依次為：紅褐色泥砂層；紅褐色礫石層，剝蝕嚴(yán)重，礫石定向不明顯，最大粒徑達(dá)15cm，磨圓較好；棕黃色礫石層，粒徑較小，主要為3～6cm，定向性明顯，磨圓好；棕黃色礫石層，底部含有薄層黃色粗砂透鏡體，上部粒徑小，下部粒徑大，整體風(fēng)化中等，磨圓較好；棕黃色礫石層，頂部夾有小型黃色粗砂透鏡體；黃褐色礫石層，2～5cm的粒徑，風(fēng)化中等，磨圓好；黃色粗砂層，厚約2m，下伏的礫石層與云池剖面相接。在該剖面近頂部和近下部測(cè)得年齡分別為0.732Ma和0.827Ma。

圖1 長江中游階地礫石層剖面位置圖Fig.1 Location of gravel bed at the middle Yangtze River

云池剖面 位于宜昌市猇亭區(qū)云池。剖面出露地表厚約60m，可分為7個(gè)巖性層，依次為：棕黃色礫石層；棕黃色礫石層，下部礫石礫徑粗大，緊密排列，向上礫石變小減少；土黃色礫石層，頂部可見砂質(zhì)透鏡體，總體呈正粒序，磨圓好；土黃色礫石層，頂部可見數(shù)個(gè)砂質(zhì)透鏡體，填隙物為土黃色砂，磨圓好；灰黃色礫石層，頂部為4m左右灰白色—黃色砂互層，下部礫石層頂部含砂質(zhì)透鏡體，填隙物為黃色粗砂；灰黃色礫石層，頂部為厚3m左右的灰白色—黃色砂互層，下部礫石層含砂質(zhì)透鏡體；土黃色礫石層，頂部為多個(gè)連續(xù)分布的薄層砂質(zhì)透鏡體，礫石粒徑6～16cm，占80%，最大可達(dá)20cm，風(fēng)化程度中等，磨圓度好。該剖面下部未見底，云池剖面位于善溪窯剖面的下面，兩者應(yīng)該為同一礫石層。在該礫石層的近頂部（位于善溪窯剖面的下面）ESR（electronic spin resonance）測(cè)得年齡為1.0Ma。在該剖面近底部ESR的測(cè)年為1.205Ma。

李家院剖面 位于云池剖面的下部，礫石含量和粒徑較善溪窯、云池剖面有所減少和變細(xì)。在其上部和近底部ESR測(cè)年分別為1.239Ma和1.319 Ma。

白洋渡剖面 位于宜都白洋渡渡口附近。剖面出露高度大約25m，可包括3個(gè)大的沉積旋回。底部礫石層含大量砂質(zhì)透鏡體，粒徑多為2～5cm，分選性好，磨圓度高，礫石成分以石英巖和石英砂巖為主，偶爾可見火山碎屑巖；中部礫石層的粒徑較大，粒徑10cm以上的占據(jù)50%，最大粒徑有40cm左右。該層的礫石分選性較好，磨圓次圓；頂部礫石層的粒徑多小于10cm，主要以石英砂巖和硅質(zhì)巖為主要成分。

武漢陽邏剖面（華能電廠剖面）位于陽邏華能電廠旁。剖面分3個(gè)半大旋回，底部半個(gè)旋回，砂層，中粗砂，褐黃色，夾雜褐紅色條帶，微具交錯(cuò)層理，厚1m左右，未見底。自下而上依次為Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ旋回。Ⅲ旋回：礫石層厚約2m，礫石成分石英巖為主，磨圓為次棱角及次圓狀，風(fēng)化程度為表面風(fēng)化至中等風(fēng)化。Ⅱ旋回：礫石層厚度約2m，底部礫石較大，礫石成分主要為石英砂巖，磨圓為次圓及次棱角狀，風(fēng)化程度為表面風(fēng)化至中等風(fēng)化。Ⅰ旋回：礫石層中礫石含量多，礫石成分主要為石英巖，磨圓為次棱角及次圓狀，風(fēng)化程度為表面風(fēng)化至中等風(fēng)化。填充物為土黃色及褐紅色中粗砂，見砂質(zhì)薄層。

2 實(shí)驗(yàn)樣品采集與測(cè)試

課題組在2005年以來多次對(duì)分布于江漢平原西緣宜昌東部的宜昌—云池—董市一帶的丘陵地區(qū)的礫石層、武漢陽邏等處的礫石層進(jìn)行了野外調(diào)查，并對(duì)礫石層中的細(xì)粒成分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)樣品的采集，共采集磁學(xué)樣品63組。善溪窯剖面取22（9＋13）組，云池剖面取11組，李家院剖面取6組，白洋渡剖面取7組，紅花套剖面取9（4＋5）組，陽邏剖面取25組。每組測(cè)3個(gè)樣品共獲得數(shù)據(jù)近200個(gè)。

所有樣品的環(huán)境磁學(xué)參數(shù)均由華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。在室內(nèi)，樣品自然風(fēng)干，用0.5mm的網(wǎng)目篩過篩，以保證樣品粒徑在0.5mm以下，稱質(zhì)量后將樣品裝入磁學(xué)專用樣品盒并壓實(shí)。使用儀器為英國Bartingto MS2磁化率儀、Molspin交變退磁儀、脈沖磁化儀和Minispin旋轉(zhuǎn)磁力儀。對(duì)所有樣品的低頻磁化率（0.47kHz，χlf）、高頻磁化率（4.7kHz，χhf）、非磁滯剩磁磁化率（χARM，交流磁場(chǎng)峰值為100mT，直流磁場(chǎng)為0.04 mT）、等溫剩磁（即經(jīng)強(qiáng)度為20、100、300及1 000 mT磁場(chǎng)磁化后的剩磁IRM20mT、IRM100mT、IRM300mT、IRM1000mT）和帶飽和剩磁的樣品經(jīng)強(qiáng)度為－20、－100、－300mT反向磁場(chǎng)退磁后的剩磁參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。利用測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算單位質(zhì)量磁參數(shù)，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，以及各種比值參數(shù)，如頻率磁化率系數(shù)（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等參數(shù)主要與磁性礦物含量有關(guān)，χARM對(duì)單疇（SD）晶粒的亞鐵磁性礦物最為敏感；χfd指示了超順磁（SP）及細(xì)黏滯性（FV）顆粒的相對(duì)重要性；χARM/χ、χARM/SIRM反映了亞鐵磁性礦物晶粒大小特征，隨著單疇組分比例的增加而增加；SIRM/χ、S－100等主要反映了磁性礦物的顆粒大小和類型［13－17］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 長江中游礫石層磁性特征分析

樣品的磁學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果示于表1和圖2。由表1和圖2可見，分布于在長江中游不同高度和不同位置的礫石層在磁性礦物的類型、含量和晶粒等特征均存在著一定的差異，現(xiàn)將它們的特點(diǎn)分析和對(duì)比如下。

3.1.1 長江中游礫石層磁性礦物的類型和含量

磁性參數(shù)F300是樣品在300mT磁場(chǎng)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(duì)比例，一般隨不完全反鐵磁性礦物貢獻(xiàn)的增加而減小。分布在長江中游的礫石層（除陽邏礫石層外）樣品的F300平均值均達(dá)到了90%以上，即經(jīng)300mT磁場(chǎng)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(dǎo)了長江中游礫石層樣品的磁性特征。但陽邏礫石層的F300平均值只有45.00%，表明陽邏礫石層中亞鐵磁性礦物對(duì)沉積物磁性的貢獻(xiàn)明顯減少，而不完全反鐵磁性礦物對(duì)沉積物磁性的貢獻(xiàn)明顯高于其他礫石層。

磁學(xué)參數(shù)SIRM/χ值的大小可用于識(shí)別磁性礦物的類型。一般認(rèn)為：磁鐵礦的SIRM/χ值主要為1.5～50.0kA/m；赤鐵礦的SIRM/χ值一般較高，多大于100.0kA/m；含較多SP顆粒物質(zhì)的SIRM/χ值一般低于0.4kA/m［18－19］。由表1和圖2可知，長江中游礫石層的SIRM/χ值主要為8.24～20.93kA/m，說明礫石層中磁性礦物類型主要是磁鐵礦等亞鐵磁性礦物。

磁性參數(shù)χ、χARM、SIRM等主要與沉積物中磁性礦物的含量有關(guān)。由表1可知，善溪窯、云池礫石層沉積物χ、χARM、SIRM的平均值均大于李家院、紅花套、白洋渡和陽邏平均值，表明善溪窯、云池沉積物中磁性物質(zhì)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于李家院、白洋渡、紅花套和陽邏。在文中討論的礫石層中，云池磁性參數(shù)χ、SIRM、ARM的平均值最大，善溪窯、紅花套、白洋渡次之，陽邏的最小，這表明云池礫石層中亞鐵磁性物質(zhì)的含量最高，陽邏礫石層的含量最低。磁性參數(shù)HIRM是樣品在300mT磁場(chǎng)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，一般隨樣品中不完全反鐵磁性礦物含量的增高而增大。長江中游礫石層沉積物HIRM的平均值為（82.67～662.93）×10－6Am2/kg，其中，白洋渡最大（662.93×10－6Am2/kg），大約是李家院（138.16×10－6Am2/kg）的4.8倍，是陽邏（82.67×10－6Am2/kg）的8倍（表1）。在所有的礫石層中，陽邏的HIRM值最小，說明陽邏礫石層不僅亞鐵磁性物質(zhì)的含量較低，而且不完全反鐵磁性物質(zhì)含量也低。

3.1.2 長江中游礫石層磁性礦物的晶粒特征

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圖2 長江中游礫石層部分磁性參數(shù)對(duì)比圖Fig.2 Comparsion of the magnetic parameters of the main gravel bed on the high－terrace in the middle reaches of Yangtze River

已有研究證明，磁性參數(shù)χARM值的大小與樣品中磁性礦物顆粒的大小密切相關(guān)，一般χARM對(duì)SD晶粒（0.04～0.06m）敏感，亞鐵磁性礦物SD晶粒的ARM要顯著高于SP晶粒（＜0.03m）和MD（多疇）晶粒（＞10m）［20］。由表1可見，長江中游礫石層樣品的χARM值差異較大，宜昌附近善溪窯和云池的值分別是武漢陽邏礫石層的25.97倍和48.37倍，表明善溪窯和云池礫石層中較細(xì)的SD晶粒含量明顯高于陽邏礫石層。磁性參數(shù)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SP晶粒的影響［21］，較低的比值則反映了較粗的顆粒。χfd主要用來鑒定物質(zhì)中細(xì)的鐵磁晶粒（SP－FV）［22］的存在及其相對(duì)含量，一般當(dāng)物質(zhì)中χfd值為5%左右時(shí)，就說明超順磁物質(zhì)較多。測(cè)試結(jié)果表明：樣品中χARM/χ平均值超過4.00的剖面有：云池（5.03）、李家院（4.60）、武漢陽邏（5.39）；χARM/SIRM平均值超過30.00×10－5m/A的剖面有：云池（32.78×10－5m/A）、李家院（43.18×10－5m/A）、紅花套（44.83×10－5m/A）、武漢陽邏（71.86×10－5m/A）。白洋渡的χARM/χ和χARM/SIRM分別只有1.75和8.35×10－5m/A。顯然，白洋渡的亞鐵磁性礦物的顆粒以PSD（假單疇）和MD顆粒為主，而云池和李家院礫石層中含有大量的SD顆粒。武漢陽邏礫石層樣品的磁性參數(shù)χARM/SIRM、χARM/χ和χfd分別達(dá)到了71.86×10－5m/A、5.39和7.72%，這說明武漢陽邏礫石層樣品中的磁性礦物以SP顆粒為主，比長江中游其他礫石層磁性晶粒細(xì)得多。不同礫石層剖面樣品χARM/χ和χARM/SIRM的散點(diǎn)圖（圖3）分布規(guī)律也證實(shí)了上述的結(jié)論。從圖3可見：白洋渡和紅花套以及善溪窯的樣品幾乎全部落在χARM/χ＜4.00與χARM/SIRM＜30.00×10－5m/A的虛線范圍內(nèi)，而武漢陽邏的樣品全部遠(yuǎn)遠(yuǎn)地落在虛框以外區(qū)域，云池和李家院的樣品絕大多數(shù)也落在虛框以外區(qū)域。

圖3 磁性參數(shù)χARM/χ和χARM/SIRM散點(diǎn)圖Fig.3 Plot ofχARM/χversusχARM/SIRM

3.2 長江中游礫石層物源分析

宜昌礫石層與武漢陽邏礫石層的磁性差異明顯，產(chǎn)生差異原因可能與它們的物質(zhì)來源（物源）有關(guān)，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［23］。并且在長江上游的貴州高原、攀西地區(qū)、鹽源—麗江和松潘—甘孜地區(qū)還廣泛分布有Ti－磁鐵礦含量較高的峨眉玄武巖［24］。在長江上游匯水區(qū)內(nèi)分布有大量的含有較高鐵質(zhì)礦物的基性和超基型巖，且風(fēng)化相當(dāng)嚴(yán)重。這些鐵磁性物質(zhì)以及風(fēng)化后的物質(zhì)在長江強(qiáng)大的水動(dòng)力作用下，被搬運(yùn)到長江中下游，在長江出三峽后的宜昌及附近沉積下來，使得在宜昌地區(qū)沉積的礫石層中富含豐富的磁性物質(zhì)，導(dǎo)致其沉積物磁性增強(qiáng)。而江漢平原周邊及漢江上游區(qū)域出露的巖石主要是以沉積巖為主［10，25－27］，筆者前期對(duì)江漢平原周邊及漢江現(xiàn)代沉積物磁性特征的研究也表明：江漢平原周邊河流以及漢江現(xiàn)代沉積物的磁性物質(zhì)的含量要比長江中、上游沉積物的低得多且磁性物質(zhì)晶粒也較細(xì)［28］。因此具有較低磁性物質(zhì)含量和較細(xì)磁性物質(zhì)晶粒的陽邏礫石層的磁性特征正好也說明了陽邏礫石層與宜昌附近礫石層可能具有不同的物源，分布于武漢附近的陽邏礫石層物源比較復(fù)雜，既有來自長江上游的磁性較高的物質(zhì)，也有來自江漢平原周圍河流磁性較低的物質(zhì)。這些磁性較低的物質(zhì)的加入，稀釋了陽邏礫石層沉積物的磁性濃度，使得陽邏礫石層顯示出較低的磁性物質(zhì)含量和較細(xì)的磁晶顆粒的特點(diǎn)。

4 結(jié)論與討論

1）在分布于長江中游的礫石層中，宜昌附近的善溪窯、云池礫石層沉積物χ、χARM、SIRM、ARM的平均值均大于李家院、白洋渡、紅花套和陽邏平均值。表明善溪窯、云池沉積物中磁性物質(zhì)的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于李家院、白洋渡、紅花套和陽邏。并且具有云池礫石層沉積物中磁性物質(zhì)的含量最高，善溪窯、紅花套、白洋渡次之，陽邏礫石層中含量最低的特點(diǎn)。

2）陽邏礫石層沉積物具有較低的χ、χARM、SIRM、HIRM、ARM、SIRM/HIRM等磁性參數(shù)值和較高的χfd、χARM/SIRM值的特點(diǎn)，表明陽邏礫石層沉積物中不僅亞鐵磁性物質(zhì)的含量較低，而且不完全反鐵磁性物質(zhì)的含量也比較低，但主導(dǎo)沉積物磁性特征的仍然為亞鐵磁性礦物。磁性礦物的晶粒較宜昌附近的礫石層要偏細(xì)，以超順磁成分增多為其特點(diǎn)。

3）分布在長江中游的礫石層（除陽邏礫石層外）的沉積物樣品的F300平均值均達(dá)到了90%以上，說明亞鐵磁性礦物（主要是磁鐵礦）主導(dǎo)了長江中游礫石層樣品的磁性特征。但陽邏礫石層的F300平均值僅為45.00%，表明陽邏礫石層沉積物樣品中不完全反鐵磁性礦物含量相對(duì)來說是比較高的。

4）頻率磁化率系數(shù)χfd的大小表明，白洋渡和紅花套以及善溪窯礫石層的磁性礦物以較粗的磁性顆粒為主，而云池和李家院的磁性礦物的顆粒都較細(xì)，武漢陽邏礫石層含有大量的SP顆粒。

5）宜昌附近礫石層與陽邏礫石層的磁性特征反映出兩者在物源方面存在著較大的差異，宜昌附近的善溪窯、云池、白洋渡、紅花套礫石層的主要物源來自于長江上游，而陽邏礫石層的物源既有長江上游的也有來自周邊河流的。

通過以上分析認(rèn)為，磁性測(cè)量方法可以作為長江流域物源示蹤的一種手段。因?yàn)槌练e物的磁學(xué)特征與物源區(qū)出露的巖石類型有著密切的聯(lián)系，通過測(cè)量沉積物的磁性特征，就可以達(dá)到判斷沉積物物源的目的。

樣品由華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試；研究生楊建、嚴(yán)玲琴、李庭、王節(jié)濤、雷文大、邵磊等參加了野外部分樣品的采集和室內(nèi)樣品的整理工作，在此一并表示感謝！

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