梁文栋，胡修棉

To see a world in a grain of sand

And a heaven in a wild flower

Hold infinity in the palm of your hand

And eternity in an hour

——威廉·布莱克（William Blake）

一沙一世界，一花一天堂。有人把它看作一个比喻，有人当它是一句禅语。科学上来讲，一粒沙子，包含不了一个世界，但一粒小小的沙子，能否照见世界变化、沧海桑田呢？

图1 不同颜色、粒度的河流沙

河流是地表形态的主要塑造者，也是大陆地表风化物质向海洋搬运的重要媒介。现代河流沙（图1）忠实地记录了从母岩风化开始，到被搬运、沉积的过程，以及这个过程中的各种化学、物理作用以及人类活动的改造，为我们提供了一个窥探沧海变桑田的机会。

河流沙作为物源分析的重要研究对象，常被用来追溯河流系统演化过程、重建高原隆升剥蚀历史，以及恢复不同流域的气候、构造条件等。然而，沉积物从产生、搬运到沉积过程中不断受到各种物理因素和化学作用的影响，由此而产生的沉积过程之前的“环境偏差”和沉积过程之后“成岩偏差”，使得沉积物/沉积岩的物源分析一直都是一项极具挑战的工作（Garzanti, 2016）。大部分针对不同地质时代沉积物/沉积岩物源的反演，其结果也存在一定的不确定性，使得物源定量分析难以取得突破。相比而言，现代河流体系中沉积物，不受成岩过程中“成岩偏差”的影响，同时现代的地质、地貌和气候条件均已知，各种物理、化学过程造成的“环境偏差”可以定量评估，因此，是了解沉积物产生、搬运和沉积过程，厘清源-汇系统中各种影响因素的最为方便直接的研究对象。从现代河流沙研究出发，将现代沉积环境下研究获得的源-汇系统知识成果拓展到第四纪甚至深时源-汇系统研究中去，不失为一种更稳妥的办法（梁文栋和胡修棉，2023）。

1. 全球现代河流沙的组分特征

图2 河流沙中不同的碎屑组分和重矿物显微镜下照片示例

要解锁河流沙的能力，就要先了解它的物质组成。河流沙的碎屑组分和重矿物组合特征方便易得，且能有效地指示沉积物的源区（图2），因而岩相学分析和重矿物分析是最常用的组分分析手段。

根据收集整理的全球河流沙碎屑组分和重矿物组分数据（图3，Liang et al., 2023），可以看出，全球河流沙的组分以石英、岩屑为主，长石含量普遍较低（图4），不同类型的岩屑组分（变质岩、沉积岩及火山岩岩屑）均有分布且含量变化较大（图5）。透明重矿物以角闪石、辉石、绿帘石、石榴子石及锆石等为主（表1）。

图3 现代河流沙样品的空间分布（梁文栋和胡修棉，2023）

数据库收录的数据主要来自亚洲（32%）、南美洲（23%）、非洲（19%）和欧洲（16%），大洋洲（6%）和北美洲（4%）较少（图2）。那么不同大陆的河流沙组分是否相同呢？

表1 全球现代河流沙组分特征（梁文栋和胡修棉，2023）

表中各组分数据为河流沙组分的算术平均值，N为沉积物样品数；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；ZTR: 锆石+电气石+金红石；Ttn: 榍石；Ap:磷灰石；Ep:绿帘石族矿物；Grt:石榴子石；Cld:硬绿泥石；HgM:蓝晶石、红柱石、矽线石、十字石等变质矿物；Amp:角闪石；Py:辉石；OS:橄榄石+尖晶石；&tHM:其他透明重矿物。

非洲大陆的河流沙组分以石英为主（74%），长石（15%）和岩屑（11%）含量较低（图4）；岩屑以变质岩（50%）和火山岩岩屑（32%）为主（图5）；透明重矿物组分主要为锆石、电气石、金红石（平均ZTR可达20%）以及高级变质矿物等，与非洲大陆稳定克拉通的构造背景相一致。

欧亚大陆的阿尔卑斯-喜马拉雅造山带是多条世界级大河的发源地，因此河流携带的沉积物成分复杂；亚洲、欧洲的河流沙组分相似，均以石英和岩屑为主，重矿物组合以角闪石、绿帘石、石榴子石、辉石为主。与非洲河流沙组分相比，石英含量（35~45%）明显降低，而岩屑含量（38~49%）明显升高（图4）；岩屑组分中以变质岩岩屑和沉积岩岩屑为主（87~94%）。

大洋洲的河流沙样品中，岩屑（59%）含量较高（图4），且主要是沉积岩岩屑（55%）和变质岩岩屑（41%）（图5），重矿物也表现为极高的ZTR值（48%），与大洋洲广泛分布的沉积岩盖层相吻合。

北美洲河流沙主要以石英（65%）为主，岩屑多为沉积岩岩屑（66%）（表1），表明大部分河流沙样品采集自再循环的沉积岩。南美洲河流沙组分同样以石英（64%）为主，但岩屑以火山岩岩屑（38%）和变质岩岩屑（35%）为主，与南美大陆的地盾与沉积盆地相间发育的大地构造背景一致。

图4 不同大陆的河流沙碎屑组分特征（梁文栋和胡修棉，2023）  ☆代表组分的算术平均值

图5 不同大陆的河流沙岩屑组分特征（梁文栋和胡修棉，2023）  ☆代表组分的算术平均值

2. 河流沙组分的应用

（1）物源识别与量化

沉积物组分常用来追踪流域内某一特定岩体的沉积产物的贡献，也一直被用来追踪河流沙由源到汇的沿程变化。物源分析定量化是学科未来发展的必然趋势，不同来源的沉积物组分特征差异是区别不同沉积物供应源区，进行定量物源分析的基础（Garzanti, 2016）。可相互区别的碎屑组分和重矿物特征为河流下游的河道、阶地及沉积地层的物源追溯及量化分析奠定了科学基础。对现代河流沙来说，流域内不同支流或不同构造单元的沉积物贡献量可以在详实的碎屑组分和重矿物数据基础上通过正演混合模型来计算得到（Garzanti et al., 2012）。

（2）评估气候-构造-人类活动对沉积物的影响

沉积物特征差异可以反映不同的气候条件，比如，矿物的溶蚀特征可以反映不同强度的风化作用（Andò et al., 2012）。河流沙组分中，石英的相对含量随纬度的降低而升高（图6），主要是由于低纬度地区风化作用较强，长石易风化溶蚀而导致石英含量相对增多，可以解释赤道地区的石英工厂现象。构造抬升速率对沉积物产量的控制作用更为明显，抬升速率高的地区的沉积物产量高，其沉积物组分特征也越明显，对河流的沉积物贡献率也越高。

图6 石英含量的纬度分布（梁文栋和胡修棉，2023）

人类活动（修建大坝、水电站、采砂、开矿、土地利用等）对河流沙的产生和搬运也有显著的控制作用（Syvitski et al., 2005）。水利水电设施建设不仅导致了全球河流悬浮泥沙通量系统性下降，而且还可以改变河流沙的组分（如，Liang et al., 2022）。

（3）评估水动力分选、风化等因素的影响

沉积物的搬运、沉积受“等效沉降”法则和选择性挟带作用的共同控制，因此同一来源的沉积物在分选作用下也会产生不同的沉积物组分。沉积物组分、重矿物浓度等常用来评估粒度差异及分选效应等。

现代河流沙结构、组分研究，可以帮助厘清沉积物搬运过程中各种物理和化学风化作用的影响。比如，沉积物颗粒在从上游向下游搬运过程中是否存在粒径减小、磨圆度变好以及组分成熟度变高的变化趋势，就受到了来自现代河流沙研究的极大挑战（如，胡修棉, 2017）。

3. 现代河流沙组分的重点研究领域

（1）基于大数据的沉积物组分与气候-构造-人类活动的关系探索

随着近年来现代河流沉积研究力量的壮大，产生了大量的沉积物组分数据，使得运用大数据方法探讨沉积物组分与其影响因素之间的关系成为了可能。最近有研究认识到沉积物组分在现代 （Müller et al., 2021；Johnson et al., 2022）或古代（Augustsson, 2021）沉积环境研究中的重要价值，并建立了公开可用的数据库（Liang et al., 2023），为进一步大数据分析奠定了基础。尤其是从全球视角研究沉积物成分变化与气候（图6）、大地构造（Garzanti et al., 2007）之间的关系。更为重要的是，现代河流沉积体系作为人类活动信息的重要载体，通过追踪千年以来的河流沙组分、通量变化，可以从时间和空间上评估人类活动对河流沉积体系的影响。

（2）沉积物产生及通量差异

沉积物产生是指在母岩已知的情况下，量化控制沉积物生成和扩散的过程，以及预测在既定构造和气候条件下母岩产生的沉积物的数量和成分-结构性质等（Caracciolo, 2020），是沉积地质学的重要前沿方向。沉积物产生重点关注的是岩性与沉积产物的关系，然而不管是沙生成指数（SGI，Palomares and Arribas, 1993）还是可蚀性指数（Moosdorf et al., 2018）的提出，都不能全面地评估岩性对沉积物产生能力的影响。准确地评估不同构造、气候及地形影响下的不同岩性的产砾、砂、粉砂、泥的能力仍然是未来沉积学研究中的极富挑战的科学问题。

（3）高时间分辨率的河流沙组分观测与研究

对河流悬移质组分的连续监测发现，降雨及流量在时空上的不均匀分布可能会导致流域侵蚀速率及河流沙组分随时间而发生变化（杨守业等, 2013; Jian et al., 2020）。突发灾害事件，如洪水、滑坡等，导致的沉积物浓度、组分变化与正常河流搬运的沉积物特征的差异等问题的解答，也依赖于高时间精度的连续悬移质浓度、组分的监测。查明季节性以及事件性的河流沙组分变化，既可以增进了解沉积物来源的时空差异，评估不同时间、地点采集的沉积物样品数据的可靠性，又可以提高精确刻画流域侵蚀模式的能力，增强防洪防沙、抗灾减灾的能力。

（4）物源定量化研究方法的差异

沉积物物源示踪的方法从传统手段向高科技手段、从定性向定量化都得到了极大的发展，尤其是单矿物测年技术的发展，使得锆石、磷灰石等矿物在物源分析中得到了极大的应用。然而，由于分选作用及母岩所含矿物的丰度（fertility）差异等原因，不同的物源分析方法之间、沉积物的碎屑组分与重矿物之间、不同密度的重矿物之间等反映的源区信息都不尽相同。不同的单矿物年龄信息所指示的物源也存在极大差别，如，锆石年龄主要反映了长英质岩浆活动信息，而金红石、榍石则更多地记录了变质事件的信息。因此，如何正视不同研究对象（砾、砂、泥）和不同研究方法之间的差异，综合运用多种分析方法进行全粒径沉积物的物源分析，以更好地消除不同定量化手段带来的影响，对提高物源区贡献率的量化精度至关重要。

4. 结语

物源分析是了解现代沉积体系中沉积物行为的最直接的方法，通过沉积物的岩相学、重矿物等组分及地球化学方面的研究，可以帮助我们了解沉积物在搬运、沉积过程中所受的流体动力分选的影响，评估化学、物理风化作用的强弱，并探究气候、构造或人类活动等对源-汇系统中沉积物的影响，并以此帮助认识到固有思维中的各种不确定性和潜在的陷阱（Garzanti, 2016）。沉积物源分析是近年来地质学研究中一个热点方向，显示出了潜在的推动学科发展的前景。

“无限掌中置，刹那成永恒”，这是徐志摩译的威廉·布莱克诗的后两句。以现代河流沉积研究为突破口，深入现代沉积物产生、搬运及沉积过程等研究，“将今论古”，未尝不是我们破解深时源-汇系统秘密、掌握刹那永恒的一种手段。

本文数据存储于DDE平台的Data Publisher & Repository, doi:10.12297/dpr.dde.202210.4. 同时感谢“深时数字地球”(DDE)国际大科学计划—Onesediment学科数据平台的支持。本文作者为成都理工大学梁文栋特聘研究员和南京大学地球科学与工程学院胡修棉教授，本文系作者认知，相关问题可通过邮箱与梁文栋 ([email protected]) 或胡修棉 ([email protected]) 联系交流。更多详情，请进一步阅读原文和下列参考文献。

参考文献

[1]  Andò, S., Garzanti, E., Padoan, M., Limonta, M., 2012. Corrosion of heavy minerals during weathering and diagenesis: A catalog for optical analysis. Sedimentary Geology, 280, 165-178.

[2]  Augustsson, C., 2021. Influencing factors on petrography interpretations in provenance research—A case-study review. Geosciences, 11(5), 205.

[3]  Caracciolo, L., 2020. Sediment generation and sediment routing systems from a quantitative provenance analysis perspective: Review, application and future development. Earth-Science Reviews, p.103226.

[4]  Garzanti, E., 2016. From static to dynamic provenance analysis—Sedimentary petrology upgraded. In: Caracciolo L, Garzanti E, von Eynatten H, Weltje G J, eds. Sediment Generation and Provenance: Processes and Pathways. Sedimentary Geology, 336, 3-13.

[5]  Garzanti, E., Resentini, A., Vezzoli, G., Andò, S., Malusà, M., Padoan, M., 2012. Forward compositional modelling of Alpine orogenic sediments. Sedimentary Geology, 280, 149-164.

[6]  Jian, X., Zhang, W., Yang, S., Kao, S. J., 2020. Climate-dependent sediment composition and transport of mountainous rivers in tectonically stable, subtropical East Asia. Geophysical Research Letters, 47(3), e2019GL086150.

[7]  Johnson, J. I., Sharman, G. R., Szymanski, E., Huang, X., 2022. Machine Learning Applied to a Modern‐Pleistocene Petrographic Data Set: The Global Prediction of Sand Modal Composition (GloPrSM) Model. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 127(7), e2022JF006595.

[8]  Liang, W., Hu, X., Garzanti, E., Wen, H., Hou, M., 2023. Petrographic composition and heavy minerals in modern river sand: A global database. Geoscience Data Journal.

[9]  Liang, W., Garzanti, E., Hu, X., Resentini, A., Vezzoli, G., Yao, W., 2022. Tracing erosion patterns in South Tibet: Balancing sediment supply to the Yarlung Tsangpo from the Himalaya versus Lhasa Block. Basin Research, 34(1), 411-439.

[10] Moosdorf, N., Cohen, S., von Hagke, C., 2018. A global erodibility index to represent sediment production potential of different rock types. Applied geography, 101, 36-44.

[11] Müller, G., Middelburg, J. J., Sluijs, A., 2021. Introducing GloRiSe–a global database on river sediment composition. Earth System Science Data, 13(7), 3565-3575.

[12] Palomares, M., Arribas, J., Johnsson, M. J., Basu, A., 1993. Modern stream sands from compound crystalline sources: composition and sand generation index. Geological Society of America, Special Paper, 284, 313-313.

[13] Syvitski, J. P., Vörösmarty, C. J., Kettner, A. J., Green, P., 2005. Impact of humans on the flux of terrestrial sediment to the global coastal ocean. science, 308(5720), 376-380.

[14] 胡修棉, 2017. 物源分析的一个误区:砂粒在河流搬运过程中的变化.古地理学报, 19(1), 175-184.

[15] 梁文栋, 胡修棉, 2023. 现代河流沉积物碎屑及矿物组分研究新进展.地质学报, 1-18.

[16] 杨守业, 李超, 王中波, 王晓丹, 舒劲松, 2013. 现代长江沉积物地球化学组成的不均一性与物源示踪.第四纪研究, 33(4), 645-655.