梁文栋

沉积碎屑组分是追踪沉积物路径最有效的指标，准确评估沉积物通量以及剥蚀、搬运和沉积过程中物理和化学过程引起的成分变化是理解沉积物路径系统的基本步骤(Caracciolo, 2020)。通过细致的沉积物组分研究来限定和量化不同沉积物的来源，可以为河流演化及山脉隆升历史的重建提供必要的参考；尤其是对高山高原地区沉积物的来源及剥蚀速率的研究，将有助于我们更好地理解地貌演变，以及包括人类活动在内的各种自然和人为因素的影响。

1. 雅鲁藏布江概况

雅鲁藏布江是西藏最长的河流，全长2057 km，流域面积约为2.4×10⁵ km²。雅鲁藏布江发源于喜马拉雅北麓的杰玛央宗冰川，河水沿着雅鲁藏布缝合带自西向东绕过南迦巴瓦山后转而南流入印度洋。印度、欧亚板块在此碰撞，喜马拉雅山脉由此拔地而起（图1）。雅鲁藏布江接受了来自南部印度被动大陆边缘及北部亚洲主动大陆边缘的碎屑沉积物供给，为研究高山高原地区尤其是碰撞造山带的沉积物产生、搬运及沉积提供了极好的条件。

雅鲁藏布江作为地球上海拔最高的大河，平均海拔>4000m。南侧高大的喜马拉雅山脉阻挡着印度洋水汽的北上，使得印度夏季风只能沿着雅鲁藏布江大峡谷的通道进入青藏高原，因此雅鲁藏布江流域的降雨和温度由东往西逐渐降低。雅鲁藏布江流域内的特提斯喜马拉雅出露于雅鲁藏布江南岸而拉萨地体分布于北岸（图1），这种平行河流流向展布的构造单元与气候上的规律性变化，为探究气候、岩性对河流沉积物组分及通量的影响提供了方便。

为查明该碰撞造山带内各流域产生的沉积物组分特征以及不同构造单元对雅鲁藏布江的沉积物供应，河流砂研究团队系统采集了雅鲁藏布江各支流及干流的 边滩、心滩等河流沉积物，通过详尽的全砂碎屑组分分析、重矿物分析、地球化学特征和碎屑锆石年龄分布等的研究，结合沉积物浓度、沉积物通量等水文数据，对当今雅鲁藏布江流域的沉积物产生特征、供给模式、剥蚀速率等问题进行了解答。

图1 雅鲁藏布江地形、地质概况（据潘桂堂等，2004）及河流采样分布（其中拉萨河样品来自Garzanti et al., 2018; 年楚河样品来自Liang et al., 2020）

2. 沉积物组分的指标特征

雅鲁藏布江携带的沉积物是来自于印度-亚洲碰撞造山带内不同构造单元的、具有不同组分特征的碎屑物质的混合体。识别不同构造单元或河流搬运的沉积物信息是追踪沉积物来源、量化各构造单元沉积物贡献的前提条件。

对流经各构造单元的支流携带的沉积物组分的综合分析可知，流经拉萨地体的河流携带的沉积物富含长石和火山岩岩屑，透明重矿物以角闪石为主（图2），富集K、Rb、Be、Th、Pb等元素。喜马拉雅造山带来源的河流沉积物以沉积岩岩屑或低变质沉积岩岩屑为特征，重矿物含量较低、且以抗风化剥蚀的重矿物（锆石、电气石等）或变质矿物（硬绿泥石、石榴子石等）为主（图2），Ca含量特征明显。来自蛇绿岩缝合带的沉积物以富蛇纹岩、基性火山岩或变火山岩岩屑，橄榄石、铬尖晶石、顽火辉石、紫苏辉石的重矿物以及高Mg、Cr、Ni等地化元素为特征（图2）。

图2 雅鲁藏布江沉积物全砂（A，B）和重矿物组分（C）

湘曲（Xiang）、尼木河（Nyemo）和拉萨河（Lhasa）数据来自Garzanti et al.， (2018); 年楚河（Nianchu）来自 Liang et al.，(2020).  Q = 石英；F = 长石; L = 岩屑 (Lm = 变质岩岩屑; Lv = 火山岩岩屑; Ls = 沉积岩岩屑). Amp = 角闪石; MM = 硬绿泥石+石榴子石+十字石+红柱石+蓝晶石+矽线石; OS = 橄榄石+铬尖晶石; Px = 辉石; ZTR = 锆石+电气石+金红石。

3. 物源控制的地球化学特征

物源区的岩性控制着沉积物的地球化学特征，最典型的是Mg、Cr和Ni的显著富集指示的蛇绿岩缝合带来源，雅鲁藏布江上游的南岸样品中的高Ca含量反映了喜马拉雅碳酸盐岩的贡献。即使是常用的化学蚀变指数CIA（Chemical Index of Alteration）和风化程度指标WIP（Weathering Index of Parker）也表现出了明显的物源控制而非气候控制（图3）。来自拉萨地体的沉积物的风化指标(CIA 45-53，WIP 56-69)最接近全球平均大陆上地壳UCC（Upper Continental Crust）的值。来自缝合带沉积物的CIA值高达94，WIP值高达98，反映了镁铁质和超镁铁质源岩中的高镁浓度的影响。喜马拉雅沉积物的中等高的CIA值(54-74)，很大程度上反映其继承了之前沉积旋回的风化产物，而较低的WIP值(10-44)也表现出了富含石英的砂岩再循环的特征（图3）。研究结果和我们的实际观察都表明，在寒冷干燥的青藏高原，风化作用较弱。在每个构造单元内，CIA、WIP值都相对稳定且集中，未表现出由西向东随着降水增加而风化增强的趋势，反映岩性对地化元素的影响远大于气候的影响，进一步表明在砂质沉积中，不能简单套用风化指标来指示风化强弱。

图3 雅鲁藏布江沉积物的CIA/WIP

4. 量化沉积物来源

沉积物的组分研究显示，支流的沉积物贡献在上游比较明显，越往下游，支流携带的沉积物信号会很快地被雅鲁藏布江干流的沉积物信号淹没，如硬绿泥石和石榴子石（图4E、F）。

对雅鲁藏布江干流沉积物来说，上游的沉积物组分受支流影响变化较大，但雅鲁藏布江中下游的成分逐渐变得更加均匀统一，沉积物组分变得越来越接近拉萨地体的供应的沉积物的信号（图4）。其中，在年楚河汇入后稍显例外，其沉积岩屑颗粒、石榴石和硬绿泥石突然增加，长石、火山岩岩屑、tHMC指数（transparent heavy mineral concentration, 透明重矿物浓度）和角闪石相应减少（图4）反映了特提斯喜马拉雅的额外物质贡献。雅鲁藏布江干流沉积物的组分特征和地球化学特征在最下游变得稳定，也反映出靠近雅鲁藏布江大峡谷，来自北部拉萨地块的沉积物贡献增加（图4）。

图4 雅鲁藏布江流域的沉积物组分变化（A）

干流QFL含量（B）、Ls、Lv含量（C）；流域的透明重矿物浓度（D）、石榴子石（E）、硬绿泥石（F）、角闪石（G）。B到H各点与A中的样品点相对应。

通过重矿物浓度异常、地球化学特征（Zr、Hf、REE等）异常以及粒度分析，筛选出未受水力分选、粒度效应影响的样品用以定量评估不同物源区对雅鲁藏布江输送的沉积物的贡献。根据不同构造单元的重矿物、全砂-重矿物组分、地化组分三个不同数据集进行的正演混合模拟计算可知，在中下游，拉萨地体和喜马拉雅的砂质沉积物的平均贡献分别为77%±9%和15%±7%（图5），表明了雅鲁藏布江中下游地区以拉萨地体的沉积物供应为主，且两岸支流的沉积物贡献较为稳定；当以雅鲁藏布江大峡谷入口处的河流沉积物为终端计算时，显示来自拉萨地体、喜马拉雅和缝合带的砂质沉积物的贡献分别为83%±8%、12%±7%和5%±3%，表明越靠近下游地区，拉萨地体的沉积物贡献量越大。

锆石的年代学数据也提供了有用的补充信息。为简便起见，我们认为较年轻的锆石(<300 Ma)来自于拉萨地体，而较老的锆石颗粒(>300 Ma)来自于喜马拉雅(Zhang et al.,2012)。且据重矿物数据(Zrn:0.054% vs.0.056%)和地球化学数据(Zr:177 vs.192)显示，在雅鲁藏布江的中下游流域，拉萨地体和喜马拉雅的锆石平均含量大致相等，因此锆石的肥度（fertility）可以忽略不计。拉萨地体和喜马拉雅的贡献量分别约为69%和31%，下游地区的<300Ma的锆石比例降低是由于东部的拉萨地体的年轻锆石的比例降低引起的，而非拉萨地体沉积物贡献量降低的缘故（图5B）。

总体而言，基于不同标准的数据集的计算验证，可知雅鲁藏布江~80%的沉积物是由拉萨地体供应，喜马拉雅造山带贡献约15%左右，而缝合带贡献量仅占5%左右。

图5 雅鲁藏布江流域（A）的河流沉积物贡献量（B-E）

相对贡献分别依据锆石年龄（B）、重矿物（C）、全砂-重矿物组分（D）和地化组分（E）定量计算。粉色区域指示了来自拉萨地体的沉积物，绿色区域指示了来自喜马拉雅造山带的高沉积物贡献量。

5. 沉积物储存及剥蚀速率

在雅鲁藏布江流域，河流宽谷与峡谷相间分布，宽谷河段的宽度可达3-10km，而造山带产生的沉积物通常被暂时储存在低坡度的河谷中。雅鲁藏布江大峡谷上游1000km长的流域储存了518km³的沉积物(Wang et al., 2015)，由于大量沉积物在中下游河谷中沉积下来，使得奴下水文站记录的沉积物通量小于上游的羊村水文站。根据水文站测量的沉积物载荷计算的奴各沙和羊村的产沙模数分别为178t/km²/a和113t/km²/a。根据岩性的相似性及降水量的变化，我们谨慎地假设羊村和奴下水文站之间的流域的产沙模数为145t/km²/a，那么该区域产生的沉积物将达到5.8×10⁶t/a；且水文站记录到的羊村和奴下之间的沉积物载荷减少了6.9×10⁶t/a ，据此我们可以粗略地估计出约13×10⁶t/a的沉积物被暂时性地储存在该段宽谷河道中，甚至超过了直接搬运到雅鲁藏布江大峡谷下游的沉积物总量(10.4×10⁶t/a；Shi et al., 2018)。

因此，我们估计在雅鲁藏布江流入大峡谷之前的悬移质沉积物通量约为23×10⁶t/a，按照推移质与悬移质比30:70的比例估算雅鲁藏布江流域的沉积物通量约为30×10⁶t/a，平均剥蚀速率为0.06 mm/a。这与该地区的较为干旱的气候条件、以及广泛发育的宽谷河道处的沉积物堆积等现象相吻合。

6. 人类活动的影响

近几十年来，人类活动对藏南雅鲁藏布江流域的沉积物通量的影响越来越大。羊村和奴下水文站的悬移质数据表明，雅鲁藏布江的沉积物通量在过去几十年中减少了20%-30%(Shi et al., 2018)。其中，水电站的建设将会拦截大量的河流沉积物，导致沉积物通量的减少，我们也在雅鲁藏布江下游观察到了因沉积物通量变化而导致的河流沉积物的组分的改变。雅鲁藏布江干流的藏木(2010—2015年)和加查(2013—2020年)水电站的建设完工（图1D），使得上游来沙被大量的拦截，我们于2009年与2019年在下游同一地点采集的干流样品的沉积物特征表现出了角闪石含量大量增加，绿帘石和硬绿泥石等来自喜马拉雅造山带的重矿物大量减少的趋势，代表着随着水电站的合拢和上游沉积物的拦截，下游来自拉萨地体的沉积物的增多（图6）。这种现象在尼洋河上的多布水电站修建前后（2011—2014年）也同样观测得到（图6）。随着经济建设的迅速发展，从支流如拉萨河流域到整个雅鲁藏布江-布拉马普特拉河流系统的输沙量都在减少(Rahman et al., 2018)，而逐渐增多的人类活动（水电站修建、过度放牧、草场退化和采矿等）可能是这种变化的主要因素，并越来越主导着该高山地区的沉积物产生、搬运和沉积过程。

图6 水电站修建前后的沉积物组分变化

U/S = 上游; D/S = 下游. Amp = 角闪石; Cld =硬绿泥石; Ep = 绿帘石; &tHM = 其他透明重矿物。

7. 小结与展望

沉积物产生（Sediment Generation）是沉积地质学的重要分支，主要关注沉积物的产生过程和控制因素，以及在母岩已知的情况下对其产生的沉积物组分、结构性质、产量等的预测。当今国际沉积学界对沉积物如何产生还所知甚少，而开展现代河流沉积研究，尤其是源区的河流沉积物的研究，对提高我们对沉积物产生这一过程的认识大有裨益。再者，对控制沉积物产生的因素而言，除了广为人知的气候、构造活动之外，岩性的影响也越来越引起了沉积学家们的重视（Caracciolo, 2020），因此加强岩性对沉积物产生能力，尤其是产生不同粒径沉积物的能力的研究，重视悬移质沉积物组分及其物源信息解译，也将是未来的一个重点研究方向。 

本文作者系成都理工大学大学博士后。本文属作者认识与理解，相关问题交流可通过邮箱liangwendong09@163.com与本人联系。更多详情，请参考以下文献。

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