林旭，陈济鑫，吴中海，刘海金，张洋
河流是塑造地表形态，串联地球岩石圈、水圈、大气圈物质循环的重要介质(Guo et al., 2020)，因而保存于河流中的碎屑沉积物(砾、砂、泥)对理解构造变形、气候变化和地表侵蚀作用之间的联系具有广泛意义(Yang et al, 2012; Zheng et al., 2021)。“亚洲水塔”青藏高原与多个亚洲边缘海盆地及亚洲内陆湖泊组成了规模巨大的源-汇系统(杨守业, 2006; 林旭等, 2020; 石学法等, 2021)。认识这一源-汇系统的发展过程，包括河流砾、砂、泥的产生、搬运与沉积过程，不仅为探索地球海陆交互作用等关键过程提供基础支撑，也能提供水系演化的信息(向芳等, 2006; Wang et al., 2021)。长江是亚洲最大河流，发源于青藏高原东部，流经云贵高原、四川盆地、江汉盆地和长江中下游平原，最终流入太平洋西部陆架边缘海(东海)，其源汇研究深受关注(范代读等, 2005; Yan et al., 2012; Kong et al., 2012; 颜茂都等, 2018; 林旭等, 2021, 图1)。国内外研究者从环境磁学(Zhang et al., 2008)、全岩地球化学(Yang et al., 2007; Shao et al., 2015)、重矿物组成(王中波等, 2007; Wei et al., 2020; Jiang et al., 2021)、黏土矿物组成(He et al., 2013; Li et al., 2021)、单颗粒锆石U-Pb年龄谱对比(向芳等, 2007; He et al., 2013; Yang et al., 2016; Wang et al., 2018; Yang et al., 2019; Fu et al., 2021)等方面，对其源-汇过程开展了广泛研究。然而，上述研究中，全岩地球化学组成更多代表沉积物均一化的物源信息；矿物组合研究，有时则因流域内缺乏标型矿物，增加了物源解析的难度；而仅仅依靠单一的锆石U-Pb年龄谱对比，并不能很好地限定潜在物源区。
图1 长江流域位置图
近年来，在河流沉积物物源示踪研究中，越来越多的学者开始对某一矿物(例如锆石和磷灰石)同时进行原位物源信息(U-Pb年龄，Sr-Nd同位素等)的获取(Malusà et al., 2017; Jepson et al., 2021)，在界定物源区，识别构造活动引起的水系变化等方面十分有效，进而避免分析单一矿物引起物源示踪结果的不确定性。磷灰石属磷酸盐矿物[Ca5(PO4)3(F,Cl,OH)]，是重要的含磷(P)矿物，六方晶系，链状结构。无色，含杂质常为浅绿色、黄绿色、褐色，含有机质呈灰黑色，白色条痕，玻璃光泽，摩氏硬度5。不完全解理，断口不平坦，相对密度3.18~3.21(张硕等, 2018)。尽管磷灰石在重矿物中的含量十分低，在搬运过程中也容易出现磨蚀，且在大型河流物源示踪研究中会存在代表性不强的现象，但在流域内存在磷灰石成分特别高的母岩，或者不同支流流域中磷灰石含量差异巨大等情况下，可以起到很好的物源示踪效果。分析河流下游或者沉积盆地中碎屑磷灰石的原位地球化学元素组成，将其与上游河流或潜在源区进行对比，从而建立源汇关系。磷灰石这一物源示踪方法被广泛应用于河流物源示踪(Deng et al., 2021)、盆地古流向重建(Gillespie et al., 2018)等方面，但在长江流域这项工作还未开展。
我们对长江上游主要干支流开展碎屑磷灰石原位微量元素和Sr同位素分析，将金沙江、大渡河、岷江、嘉陵江与丰都段长江的结果进行对比，来探索这一方法在长江上游(宜昌以上, 图1)物源示踪研究的可行性。
磷灰石颗粒的阴极发光图像如图2所示。金沙江、大渡河、岷江、嘉陵江和丰都段长江的碎屑磷灰石颗粒以棱角和次棱角长柱状为主，说明这些磷灰石可能没有经历多期次的沉积循环过程，反映了各自流域内最近磷灰石颗粒的外形特征。
图2 磷灰石原位地球化学分析阴极发光图像
磷灰石富集P 和Sr等不相容元素，其含量变化由全岩SiO2含量和所在熔体的分配系数控制，因而母岩的分异程度是磷灰石化学组成的主要控制因素(Belousova et al., 2002 )。此外，磷灰石中的87Rb经过 β- 衰变后变成87Sr，在剥蚀、搬运和沉积过程中最初的87Sr/86Sr比值不发生变化(张宏飞和高山, 2012)。而这一比值在不同地区、不同时代岩体有明显差异，这是将其运用于大河物源示踪研究的基础。稀土元素(REE)由于具有相似的物理和化学性质，在地质体中都倾向于成组出现，在自然界REE的分配形成存在差异(O'Sullivan et al., 2020)，因此被广泛用来开展沉积物物源示踪研究。因而，将磷灰石的P、Sr和REE等元素的含量或比值与其他元素做散点图的方法用于物源示踪研究最为普遍。
对比碎屑磷灰石原位地球化学组成发现，丰都段长江干流的磷灰石颗粒的P、Sr、Sc和∑REE元素含量与大渡河、岷江和嘉陵江的样品存在重叠，而与金沙江下游的磷灰石颗粒分布区域明显不同(图3)。
图3 磷灰石地球化学分析结果二维散点图
(a) P vs Sc；(b) P vs 87Sr/86Sr；(c) ∑REE vs P；(d) Sr vs 87Sr/86Sr
另外，由于P元素是磷灰石的特征元素，对其进行非矩阵多维标度(Multidimensional Scaling, MDS)相似/向异性分析更具有代表性。金沙江下游磷灰石与丰都段长江干流磷灰石的P元素组成判别距离较远，而丰都段长江干流磷灰石P元素组成和嘉陵江、岷江和大渡河的P元素组成判别距离相近(图4)。这说明丰都段长江物质主要来自发源于龙门山的河流(嘉陵江、岷江和大渡河)，而长江上游的金沙江对其磷灰石碎屑物质的贡献不大。
图4 磷灰石P元素MDS判别图
这一结果与其他方法获得的结果具有一致性。石英宇成核素(10Be)物源示踪结果表明(黄湘通等, 2012, 图5a)，长江上游干流物质主要来自嘉陵江、大渡河和岷江而不是金沙江。Vezzoli et al. (2016) 的重矿物组合和主成分分析结果表明，嘉陵江是长江上游干流碎屑物质的主要输送河流，明显高于金沙江。长江上游黏土矿物物源示踪结果显示，大渡河、嘉陵江、岷江对长江干流的物质贡献大(何梦颖等, 2013)。上述结果与现今水文站观察到的输沙量结果吻合(张信宝等, 2011; 秦蕾蕾等, 2019，表1)。
表1 长江上游主要干支流年均输沙量
我们注意到，碎屑锆石U-Pb年龄(He et al., 2013)和磁铁矿化学组成(王中波等, 2007)的物源示踪结果表明，长江上游干流的碎屑物质除了主要来自嘉陵江外，金沙江的输入也不可忽视。考虑到随着溪洛渡和向家坝水库的建设并投入使用，泥沙的主体部分被拦截在这些梯级水库内部，金沙江中下游输沙量减少至0.02×108 t，已低于长江支流乌江(0.05×108t)。王中波等(2007)的采样时间早于金沙江下游溪洛渡和向家坝水库投入使用的时间(2012年)；He et al.(2013)分析的锆石U-Pb年龄封闭温度高，具有强抗风化性，先前保存于河床的碎屑锆石经历沉积再循环过程，因而，长江干流依然能出现金沙江以前输入的物质信号。
尽管嘉陵江、岷江(包含大渡河)的输沙量由于人类活动、气候变化和修建水库显著下降，但下降的幅度低于金沙江，嘉陵江和岷江依然有相对充足的碎屑物质供给到长江(Zhou et al., 2020)。嘉陵江及岷江进入丰都段长江的距离远小于金沙江，发源于龙门山的河流输入的碎屑物质“稀释”了金沙江的碎屑物质信号，导致丰都段长江干流碎屑物质主要来自于流经龙门山的河流（嘉陵江、大渡河和岷江）。
利用长江流域现代河流碎屑磷灰石原位地球化学组成，可以很好地区分龙门山河流（嘉陵江、大渡河和岷江）和金沙江河流物质信号。但是，该方法无法进一步有效区分发源于龙门山的嘉陵江、大渡河和岷江的物质信号，需要结合其他方法才能达到精准建立长江源汇关系的研究目的。
图5 研究区已有研究采样点分布图，石英10Be(黄湘通等, 2012)，重矿物(Vezzoli et al., 2016)，锆石U-Pb年龄(He et al., 2013)，黑色箭头代表主要物源区方向
本文第一作者系三峡大学土木与建筑学院副教授，第二作者为三峡大学土木与建筑学院硕士研究生，第三作者为中国地质科学院地质力学研究所研究员。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱hanwuji-life@163.com与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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