長江上游水系沉積物鍶—釹同位素組成及物源示蹤①

邵 磊 李長安 張玉芬 袁勝元 王節濤 江華軍 趙舉興

(1．中國地質調查局武漢地質調查中心 武漢 430205;2．中國地質大學(武漢)地球科學學院 武漢 430074;3．中國地質大學(武漢)生物地質與環境地質國家重點實驗室 武漢 430074;4．中國地質大學(武漢)地球物理與空間信息學院 武漢 430074;5．許昌學院城市與環境學院 河南許昌 461000)

0 引言

貫通大河是研究海陸過程不可缺少的紐帶，對研究全球變化及其區域響應具有十分重要的意義。這些大河將大量沉積物由源區搬運至邊緣海，對邊緣海體系的形成及全球海洋化學通量變化具有顯著影響［1～5］。其中，源匯過程研究是沉積物研究非常重要的組成部分。近年來，地球化學手段被越來越多的應用到沉積物物源研究中來，鍶(Sr)—釹(Nd)同位素組成是其中重要的研究手段［6～12］。長江在貫通大河中最為典型，其形成與演化歷史研究長期以來一直備受關注。對于長江形成與演化研究而言，其表層現代沉積物源匯過程研究是其基礎。泥沙資料［13］及其他研究［14，15］表明，現代長江沉積物主要來自上游地區。因此，本文選擇長江上游及中游干流及主要支流沉積物為研究對象，以Sr-Nd同位素組成為研究手段，探討上游河段主要支流沉積物的源匯過程，并探討了上游主要支流與干流沉積物主控關系。

1 樣品來源與分析

研究樣品取自長江上游及中游長江干流及主要支流河段的現代河漫灘沉積物，采樣位置如圖1所示，共采集樣品12個。筆者旨在查明長江中上游河段干流及支流的Sr-Nd同位素組成和支流物源對干流的影響，因此各主要支流的取樣點均靠近支流與干流匯合處。為了保證所取樣品的代表性，所有樣品均嚴格取自相同的微地貌位置，即選擇相對開闊與順直的河段。在靠近現代河床剛出露不久的邊灘頂部挖去表層10 cm后開始取樣，所有樣品均在相同時段取得。由于粗顆粒碎屑沉積物更多的受到近源物質的影響，而細粒沉積物則能很好的反映源區的平均組成［16］。因此，本文選取樣品中＜0．058 mm 的細粒部分進行同位素組成測試。

為除去樣品中自生礦物對其鍶同位素組成的影響，對所有樣品采用0．5 mol/L醋酸浸泡超過8 h。分離出其中的酸不溶物，并用去離子水反復沖洗。將分離出的樣品在無塵環境下自然風干。最后將酸不溶物研磨至200目以下，并分成兩份，分別測試其鍶、釹同位素組成。

所有樣品的測試過程均在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室內完成。測試儀器為Thermo Finnigan公司成產的Triton Ti型熱電離同位素質譜儀(Thermal Ionization Mass Spectrometer-TIMS)。該儀器的分辨率＞450，可測定的質量范圍為5～320。用其測定Sr和Nd的內部精度＜5 ppm，對應的外部精度為＞5 ppm。樣品測試方法與Ling et al．［17］采用的實驗方法類似。

Sr同位素比值測定:Sr的流程空白樣分析為＜1 ng。Sr同位素的標準化值為88Sr/86Sr=8．375 09。選用SRM NBS987作為Sr同位素標樣，其測試值為87Sr/86Sr=0．710 254±8(2σ 外部標準偏差，n=22)。

Nd同位素比值測定:Nd的流程空白樣分析為＜60 pg。Nd同位素的標準化值為146Nd/144Nd=0．721 900。選用La Jolla作為Nd同位素標樣，其測試值為143Nd/144Nd=0．511 847±3(2σ 外部標準偏差，n=25)。

圖1 長江水系圖及表層沉積物樣品采集點Fig．1 The Yangtze River system and sampling locations of sediments from the modern Yangtze River

2 實驗結果

總體看來，除金沙江一個樣品的Sr同位素組成由于信號較低而無法測出之外，其余樣品的鍶—釹同位素組成的測試精度較高(結果見表1)。為使沉積物釹同位素組成的變化規律更為直觀，我們根據樣品的143Nd/144Nd值詳細計算了其對應的εNd(0)值，其換算公式為:

其中，(143Nd/144Nd)Measured為實際測得的樣品的143Nd/144Nd值;(143Nd/144Nd)CHUR為球粒隕石的143Nd/144Nd值，本研究中我們選取(143Nd/144Nd)CHUR=0．512 638［18］來計算樣品的 εNd(0)值。

表1 長江上游水系表層沉積物Sr-Nd同位素組成Table 1 Sr-Nd isotopic compositions of sediments from the modern upper Yangtze River

3 主要支流Sr-Nd同位素組成及其物源示蹤意義

3．1 金沙江及岷江

本研究測定的金沙江樣品中，除一個樣品較為異常以外，其余樣品均具有較高的εNd(0)值，岷江樣品亦具有較高的εNd(0)值。

宜賓以上的長江流域內(主要包括金沙江、雅礱江、大渡河及岷江流域)，沉積巖分布區約占整個構造面積的80%。在古生代—新生代地層中火成巖(主要為鈣堿性玄武巖為主)均有分布。侵入巖主要以中酸性的石英閃長巖及英云閃長巖為主，主要沿斷裂帶分布。變質巖系中以三疊紀板巖—千枚巖分布最為廣泛。其中，峨眉山玄武巖是其最具代表性的源巖［4，6，12，19］。主要分布在金沙江流域，此外在岷江流域內也有一定數量的分布(圖2)。在云南以及四川兩省境內濕潤氣候的控制下，玄武巖遭受較強的化學風化作用，其具有的較高的Nd同位素背景值可以在很大程度上主導著長江水系沉積物的Nd同位素組成。楊守業等［6］在2007年報道了分別位于麗江、攀枝花及宜賓等地點的金沙江沉積物的Nd同位素組成，其結果顯示金沙江沉積物Nd同位素比值(εNd(0))介于－9．7～－11．5 之間，與本研究的測試結果相比，其測定的比值略低。Wu等［11］在2010年報道了三個金沙江沉積物樣品的Nd同位素組成，顯示其εNd(0)值變化范圍為－7．7～－5．6，平均值為－6．7 顯示出金沙江沉積物具有較高的Nd同位素比值。

與Nd同位素組成相比，金沙江及岷江沉積物的87Sr/86Sr值在 0．712 785～0．734 987 之間，變化范圍較大。表明除受源巖性質制約外，沉積物Sr同位素組成還受其它因素制約。說明本研究雖然采用酸洗處理樣品，并選用粒徑＜0．058 mm的細粒組分，但其中更加精細的粒度組成(如＜2 μm組分的含量)仍可對沉積物Sr同位素組成有一定程度的影響。黃土分粒級實驗表明，＜2 μm組分的87Sr/86Sr值明顯高于其他組分，因此可以認為風塵堆積物中＜2 μm組分的含量是影響其87Sr/86Sr值的重要因素［20，21］，該影響在河流沉積物中可能同樣存在。

3．2 嘉陵江

相對于金沙江及岷江沉積物的高Nd同位素比值，嘉陵江沉積物具有較低的Nd同位素比值，其143Nd/144Nd值為 0．512 045，對應的 εNd(0)值為－11．6。反映了巖性差異對水系沉積物Nd同位素組成的控制。其87Sr/86Sr值為0．716 380。嘉陵江流域上游地區出露巖性以碎屑巖為主，下游地區以侏羅—第三系紅色碎屑巖及三疊紀碳酸鹽巖和碎屑巖為主。嘉陵江上游尤其是源區分布有大面積的黃土［22］，由于黃土易遭受物理風化，因此其可能大量的進入水系從而可能對嘉陵江水系沉積物有重要影響［6］。

4 干流Sr-Nd同位素組成及干支流沉積物主控關系

總體而言，本研究測定的長江干流沉積物具有較為均一的Sr-Nd同位素組成，幾乎所測的所有樣品均具有較高的εNd(0)值及較低的87Sr/86Sr值。

為更好地探討長江干流沉積物Sr-Nd同位素組成的變化規律，筆者詳細收集了前人發表的關于長江干流沉積物及源巖的Sr-Nd同位素組成數據(表2)。需特別說明的是，相對于前人研究結果而言，本研究所獲得的測試結果整體偏高。筆者認為其原因可能有三方面:樣品本身的粒度組成、測試儀器本身的誤差及樣品本身的同位素組成。具體分析如下:

(1)粒度組成 本次研究與前人所選取的樣品粒級差別不大，楊守業等［6］的研究結果表明在同一地點的河漫灘和懸浮物之間的的143Nd/144Nd比值變化較小，可能反映出樣品的粒度組成對Nd同位素組成影響不大。所以筆者認為，樣品本身的粒度組成差異不是其主要原因。

圖2 長江流域巖性分布圖(據參考文獻［12］修改)Fig．2 Regional geological map of the Yangtze River drainage basin(modified from reference［12］)

(2)測試儀器 本研究與前人研究采用的儀器為TIMS及MC-ICPMS。依據其測試結果來看，兩者具有相當的測試精度及誤差范圍。所以筆者認為，測試儀器差異不是其主要原因。

基于此筆者認為，樣品本身的同位素組成差異是造成本次測試結果與前人研究結果間存在差異的主要因素。

表2 前人報道的長江中上游水系沉積物的Sr-Nd同位素組成Table 2 Sr-Nd isotopic compositions of sediments from the upper Yangtze River collected from the previous researches

如圖3所示，長江干流沉積物Sr-Nd同位素組成可明顯分為兩部分，即一部分沉積物具有較高的εNd(0)值及相對較低的87Sr/86Sr值(該部分干流數據多數為本文的數據)，另一部分沉積物則具有較低的εNd(0)值及相對較高的87Sr/86Sr值(該部分干流數據多數為收集的前人數據)。仔細分析發現，兩部分中的干流數據均與金沙江樣品大致落入同一區域，且該區域內金沙江樣品數據與干流數據大多具有相同來源。基于此筆者認為，長江上游干流沉積物主要來源于金沙江流域內的源巖，該部分源巖主導了長江上游干流沉積物的Sr-Nd同位素組成。這與川江段現代沉積物重礦物組成研究結果［23］一致。

5 結論

通過長江上游及中游現代表層沉積物Sr-Nd同位素組成分析，得出以下主要結論:

圖3 長江中上游干流及主要支流Sr-Nd同位素組成注:前人數據主要源自參考文獻［6，10，11］Fig．3 Sr-Nd isotopic compositions of sediments from major tributaries and mainstream of the upper and middle Yangtze River(other data were collected from reference［6，10，11］)

(1)金沙江及閩江沉積物具有較高的εNd(0)值，主要受控于流域內大面積分布的峨眉山玄武巖的高εNd(0)背景值;嘉陵江水系沉積物具有相對較低的εNd(0)值，反映了其流域內源巖對沉積物Nd同位素組成的控制。與Nd同位素組成相比，水系沉積物87Sr/86Sr值具有更大的變化范圍，表明除源巖外，沉積物Sr同位素組成具有更復雜的影響因素。

(2)支流與干流沉積物Sr-Nd同位素組成對表明，長江上游干流沉積物主要來源于金沙江流域內的源巖，該部分源巖主導了長江上游干流沉積物的Sr-Nd同位素組成。

致謝 衷心感謝編輯部和審稿專家給予本文的修改建議!感謝楊守業教授的指導及邱嘯飛博士在樣品測試過程中給予的指導和幫助!

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