黄河上游物质在新近纪未流入晋陕峡谷*

2022-05-30李玲玲刘海金陈济鑫

古地理学报 2022年3期

林旭李玲玲刘海金陈济鑫

1 三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002 2 三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)，湖北宜昌 443002 3 东华理工大学地球科学学院，江西南昌 330006

1 概述

河流的出现是其流域内构造活动和气候变化综合作用的结果(Twidale，2004)。尤其是发源于高原或大型造山带、连接边缘海、大陆尺度的大河发育与演化，深刻体现了岩石圈、大气圈等地球各圈层的相互作用，因而是系统地球科学研究的热点领域(Li，1991；Panetal.，2009；刘静等，2018；Jianetal.，2020)。造山带隆升剥蚀产生的碎屑物质被河流搬运到临近盆地或入海形成三角洲沉积，这些下游沉积“汇”不仅详细保存了“源”区造山带的隆升信息，也记录了这些沉积物的搬运媒介(河流)的出现时间(Cliftetal.，2008；Liu，2020；Huangetal.，2021)。因而，从“汇”到“源”追索这些沉积物的来源，并结合沉积“汇”的沉积时代，是国内外研究者开展大河起源时间研究的有效方法(Armstrong-Altrinetal.，2018；Zhangetal.，2019；林旭等，2021a)。

黄河发源于青藏高原，流经鄂尔多斯高原和华北平原，最终流入渤海，全长 5464 km，是中国北方最大河流(图1)。它的出现与演变过程和青藏高原隆升、东亚季风变化过程息息相关(Lietal.，1997；刘运明等，2007；Panetal.，2009；Zhangetal.，2014；Jiaetal.，2017；林旭等，2020)。对黄河出现时间的约束，实际上是对青藏高原隆升、东亚季风的重建过程。因而，吸引众多研究者对其形成时代开展研究。但由于黄河流经的构造单元多，不同构造单元各自的地质演化过程复杂多样，受其控制黄河河道出现多次弯折，形成中国汉字“几”字型(Linetal.，2001)，这是世界上其他同样尺度的大河(尼罗河、亚马孙河、密西西比河和长江)所没有的地貌特征。此外，前人关于河流研究的内容和方法各具特色，有的学者关注河流阶地的形成时代(朱照宇，1989；Lietal.，1997，2020；邱维理等，2008；Panetal.，2009；Huetal.，2017；刘运明，2018；Suetal.，2020)，也有研究者注重黄河物源示踪研究(Kongetal.，2014；Nieetal.，2015；Guoetal.，2018；Baoetal.，2020；李维东等，2020；林旭等，2021b；Zhangetal.，2021a)，还有研究者注重野外地貌观察和地层对比研究(Linetal.，2001；刘运明等，2007；潘保田等，2012；Liu，2020)。所以有关黄河何时出现的研究结果纷杂多样。因而，需要继续开展相关工作对黄河的出现时间进行厘定。

图1 黄河晋陕峡谷位置Fig.1 Location of Shanxi-Shaanxi Gorge of Yellow River

黄河中游是衔接其上游和下游的关键河段，这段黄河何时出现对理解整个黄河水系的形成过程至关重要(潘保田等，2012；Huetal.，2016；Liu，2020)。然而，到目前为止，有关黄河中游的出现时间的认识集中在中新世(王小燕等，2013；Liu，2020)、上新世(李容全，1988；袁宝印和王振海，1995)、早更新世(潘保田等，2012；Huetal.，2017)、中更新世(傅建利等，2013)和晚更新世(张抗，1989)。本次研究区位于晋陕峡谷北段，对研究上游黄河何时进入晋陕峡谷具有无可替代的地理位置优势。基于此，本次研究采用国内外研究者在大河物源示踪研究时广泛采用的方法，对黄河中游晋陕峡谷北段分布在河两岸的新近纪地层进行碎屑锆石 U-Pb年龄分析，同时和潜在源区进行对比，判断黄河在这个时段是否出现在晋陕峡谷，从而和黄河上游和下游已发表的研究结果进行对比，提供详细的黄河演化过程，为东亚构造地貌和自然环境变迁研究提供基础资料。

2 区域概况

华北克拉通(克拉通是形成于早前寒武纪并保持长期稳定的古老陆块)是中国面积最大、形成历史最长、地质记录最完整的早前寒武纪陆块(翟明国，2010)。从3.8 Ga最初地壳物质的出现、新太古代2.8～2.5 Ga大规模岩浆活动和陆壳巨量生长以及部分克拉通化(朱日祥等，2020)，到古元古代的裂谷—俯冲增生—小陆块碰撞拼合，直到1.8 Ga发生的吕梁运动后成为典型的克拉通，进入长期稳定阶段，接受地台型盖层沉积。华北克拉通北缘晚二叠世至三叠纪(270～250 Ma)岩浆岩主要为A型花岗岩，指示区域内出现后伸展造山环境。进入中生代后，华北克拉通经历了显著的克拉通破坏作用。

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部，面积约2.5×105￣￣km2，被渭河、银川、河套、晋陕峡谷等地堑和峡谷围限，外围被秦岭、六盘山、贺兰山、阴山及吕梁山所环绕。鄂尔多斯盆地形成于中三叠世，发育鼎盛时期为中晚三叠世延长期和早中侏罗世延安期(刘池洋等，2006)；早白垩世末盆地消亡；晚白垩世以来为盆地改造时期。古新世至始新世，鄂尔多斯盆地东南部开始破裂，受近东西和北东向断裂控制，形成小型断陷盆地(国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1988)。进入渐新世，盆地的北、西、南三侧受燕山运动形成的断裂控制，发育河套断陷带、银川—吉兰泰断陷带和渭河断陷带。到上新世，盆地周缘的破裂加剧，早先形成的断陷带强烈沉陷，其中河套断陷带的沉陷深度达到6 km。这些断裂带的出现，控制了黄河早期发育的雏形(Linetal.，2001；李智超，2017；李雪梅，2020)。位于其东部的晋陕峡谷连接了北侧的河套盆地和南部的汾渭盆地，全长726 km，宽200～400 m，深170～200 m。晋陕峡谷北部周围主要是早古生代寒武系和奥陶系浅海相地层，岩性以碳酸盐岩为主，沉积厚度相对较大，出露范围最广(施炜，2008)；晚古生代沉积环境由海相向内陆湖盆转化，主要为石炭系和二叠系碎屑岩；早—中中生代主要以三叠系、侏罗系砂岩、页岩及泥岩沉积为主；新近纪为松散红黏土地层，覆盖于基岩之上，主要出露于沟谷内；第四系遍布全区，在鄂尔多斯北部以一套河湖相沉积和风沙沉积为主，南部以黄土沉积及河谷冲积为主(图2)。

图2 黄河晋陕峡谷北段地质图(据李智佩等，2019；有修改)及研究剖面位置Fig.2 Geological map of northern segment of Shanxi-Shaanxi Gorge of Yellow River(modified from Li et al.，2019)and location of studied sections

黄河源头到内蒙古自治区河口镇为黄河上游，长3471.6 km。从河口镇到河南省桃花峪镇为中游，长1206.4 km。桃花峪至入海口为下游，河道长785.6 km。目前有关晋陕峡谷的发育过程可以归结为以下几种模式：张伯声(1958)认为晋陕峡谷在三趾马红土(N1-N2)沉积时的地势东南高西北低，在峡谷东部和东南部积累了残积和冲积的红土及底砾，峡谷西部和西北部沉积了湖泊淤积的泥砂及砾石层，当时存在自南向北流入河套盆地的河流(图3-a)。河套盆地被碎屑物质填满后发生溢流，幼年黄河穿越先前的河道进入晋陕峡谷。张抗(1989)认为晚新近纪鄂尔多斯地块周围的裂谷系发育，每条裂谷内沉积厚层湖相地层，是地表径流的汇聚中心，出现向心状水系分布格局，尚无贯通全区的大规模外泄径流存在(图3-b)。晚更新世早期，孟津一带古河流溯源侵蚀导致古三门峡湖水东泄，河流侵蚀速度加快导致渭河和汾河流域诸地堑湖盆相继被打开，原有的径流迅速加深、加长。其中位于晋陕边界南段的支流发育较快，袭夺了位于晋陕峡谷北段的北流河，成为河套地区诸多湖水外泄的通道。朱照宇(1989；图3-c)和潘保田(1991；图3-d)对上新世晋陕峡谷段黄河演化的认识基本和张伯声(1958)、张抗(1989)的模式类似，但根据详细的阶地测年数据，他们认为贯通的黄河出现在1.4～1.3 Ma以后(图3-e)。Liu(2020)根据晋陕峡谷内保德期(N2)和静乐期(N1)红黏土下面出现大套砾石层，推断成熟的黄河在8 Ma已出现在晋陕峡谷(图3-f)，这与王乃樑(1956)、王小燕等(2013)的认识一致。

a—中新世到上新世，河套盆地和汾渭盆地成为区域汇水中心(张伯声，1958)；b，c—早更新世，完全贯通的黄河未形成，晋陕峡谷北部发育自南向北流动的河流，汇入河套盆地(张抗，1989；朱照宇，1989)；d—上新世晋陕峡谷北部和南部分别发育汇入河套盆地和汾渭盆地的河流(潘保田，1991)；e—早更新世后期，贯通的黄河开始出现(潘保田，1991)；f—晚中新世，晋陕峡谷出现南北贯通的黄河(Liu，2020)图3 黄河演化过程模式对比Fig.3 Comparison of evolution process model of Yellow River

表1 黄河晋陕峡谷样品采样位置及采样信息Table 1 Sampling location and information of Shanxi-Shaanxi Gorges of Yellow River

a—磨扇沟剖面早更新世(Q1)黄土与静乐组(N2)红黏土界线；b—磨扇沟剖面底部砾岩以灰岩为主，具明显定向排列构造，古水流方向为自东向西；c—大烟墩剖面早更新世(Q1)黄土与静乐组(N2)红黏土界线；d—大烟墩剖面底部砾岩中灰岩占主体部分，具叠瓦状构造，古水流方向为自南东向北西；e—高家窨子剖面早更新世(Q1)黄土与静乐组(N2)红黏土界线；f—高家窨子剖面底部砂砾岩层，灰白色砂岩中斜层理指示古水流方向为自南向北图4 黄河晋陕峡谷研究剖面野外照片Fig.4 Field photos of studied sections in Shanxi-Shaanxi Gorge of Yellow River

3 资料与方法

3.1 研究剖面特征

作者对山西省保德县磨扇沟、大烟墩和陕西省府谷县高家窨子剖面开展样品采集工作，具体采样位置见图2 和表 1。磨扇沟剖面顶部为块状淡黄色粉砂质第四纪黄土层(图4-a)；中间为厚层红黏土层，见厚层钙板和钙质结核层(图4-a)；底部为河湖相互层沉积，湖相层由灰绿色粉砂及黏土层组成，河流相砂岩中见交错层理，厚层砾岩层中的砾石分选和磨圆均较好，砾石成分单一，主要以灰岩为主，砾石具定向排列结构，颗粒支撑，倾向 90°～100°，指示古流向自东向西(图4-b；图5)。大烟墩剖面上部为淡黄色第四纪黄土层(图4-c)，中部为静乐组红黏土，剖面中同样可以看到厚层钙板和钙质结核层，底部由厚层砂岩和砾岩组成，砾石磨圆和分选均好，砾石成分单一，主体为灰岩，这些砾石具定向排列结构(图4-d)，倾向120°～140°，指示古水流为南东向北西流动(图5)。高家窨子剖面顶部是厚层块状淡黄色第四纪黄土，向下过渡到棕黄色黏土和红色黏土层(图4-e)；底部为河湖相地层，其中河流相地层中斜层理倾向10°，指示古水流方向大体为自南向北(图4-f；图5)。磨扇沟剖面的地层沉积时代引自 Liu(2020)，大烟墩和高家窨子剖面的地层沉积时代参考 Pan等(2011)。此外，表 1中还列举了文中引用的现代黄河(Nieetal.，2015；李雪梅，2020)、毛乌素沙漠(Stevensetal.，2013)、鄂尔多斯地块北部和南部中生代地层(Baoetal.，2014)以及吕梁山古元古代和新太古代花岗岩锆石 U-Pb 年龄(Zhaoetal.，2008)。

a—磨扇沟剖面(据Liu，2020)；b—大烟墩剖面(据Pan et al.，2011)；c—高家窨子剖面(据Pan et al.，2011)图5 黄河晋陕峡谷研究剖面地层柱状图Fig.5 Stratigraphic histograms of studied sections in Shanxi-Shaanxi Gorge of Yellow River

3.2 研究方法

a—锆石阴极发光图像；b—锆石U-Pb年龄和比值散点图图6 黄河晋陕峡谷研究剖面岩浆锆石判定结果Fig.6 Magmatic zircon determination result of studied sections in Shanxi-Shaanxi Gorge of Yellow River

锆石 U-Pb 年龄频率分布图采用 DensityPlotter 软件完成(Vermeesch，2012)。使用IsoplotR软件进行多维尺度(MDS)判别，实现样品相似/相异性分析(Vermeesch，2016)，结合锆石U-Pb年龄谱对比结果，辅助判别物源区。

4 锆石年龄测试结果

磨扇沟剖面谐和锆石U-Pb年龄(图7-a)出现1个古元古代(1886 Ma)和1个新太古代(2425 Ma)峰值年龄(图7-a′)。大烟墩剖面的谐和锆石U-Pb年龄(图7-b)组成单一，只出现1个古元古代(1805 Ma)峰值年龄(图7-b′)。高家窨子剖面谐和锆石U-Pb年龄(图7-c)出现3个主要峰值：297 Ma、1839 Ma和2454 Ma(图7-c′)。

a，b，c—锆石U-Pb谐和年龄分布图；a′，b′，c′—锆石U-Pb年龄频率柱状图图7 黄河晋陕峡谷剖面锆石U-Pb年龄图Fig.7 Zircon U-Pb age diagrams of studied sections in Shanxi-Shaanxi Gorge of Yellow River

a—磨扇沟；b—现代黄河上游(Nie et al.，2015)；c—中游黄河(保德段，Nie et al.，2015)；d—鄂尔多斯地块北(Stevens et al.，2013；Bao et al.，2014)；e—吕梁山(Zhao et al.，2008)；f—大烟墩；g—高家窨子；h—鄂尔多斯地块南(Bao et al.，2014)；i—托克托河湖地层(李雪梅，2020)图8 黄河晋陕峡谷北段中新统—上新统碎屑锆石 U-Pb 峰值年龄与潜在源区对比Fig.8 Comparison of U-Pb age distribution of the Miocene-Pliocene deposits from northern Shanxi-Shaanxi Gorge of Yellow River with potential areas

5 讨论

5.1 晋陕峡谷北段中新统—上新统物源区判定

距离 1和距离 2代表样本间距离的无量纲“KS单位图9 黄河晋陕峡谷北段中新统—上新统碎屑锆石锆石年龄 MDS 判定图Fig.9 MDS plot of new and published zircon U-Pb age data of the Miocene-Pliocene deposits from northern Shanxi-Shaanxi Gorge of Yellow River

大烟墩剖面(5.5 Ma)的碎屑锆石U-Pb峰值年龄组成是本次研究结果中最单一的(图8-f)，90颗锆石只出现1个古元古代峰值年龄(1805 Ma)，这显然与现代黄河上游(图8-b)、黄河中游(图8-c)、鄂尔多斯地块北部(图8-d)和南部(图8-h)明显不同。吕梁山北段多个花岗岩体的锆石 U-Pb 年龄单一集中在1815±5 Ma、1807±10 Ma、1798±11 Ma和1790±14 Ma(Zhaoetal.，2008)，因而大烟墩剖面底部的河流相砂层的碎屑锆石主要受吕梁山北段单一岩体控制。大烟墩剖面与磨扇沟剖面一样，其底部的砾石成分相对单一，主要为灰岩(李建星等，2009；胡振波，2012；潘保田等，2012)。古流向恢复结果显示其当时的水流自南东向北西流动，与现今晋陕峡谷的黄河河道斜交。MDS判定图显示大烟墩与吕梁山的分布距离要比其他潜在源区近(图9)。因而，大烟墩剖面底部晚中新世时的碎屑物质主要来自近源的吕梁山。

高家窨子剖面底部的沉积时代早于3.7 Ma，其砂层碎屑锆石U-Pb峰值年龄组成(图8-g)与现代黄河上游(图8-b)和鄂尔多斯地块南部(图8-h)相比，不具有新元古代峰值年龄。尽管黄河中游的碎屑锆石U-Pb年龄组成(图8-c)与鄂尔多斯地块北部中—新生代地层物质(图8-d)极为相似，这主要因为黄河上游物质进入晋陕峡谷后受近源鄂尔多斯地块北部沙漠和黄土物质的“混染”所致(Zhangetal.，2021b)，但依然存在新元古代年龄(969～756 Ma；Nieetal.，2015)。正如上文所说，新元古代锆石U-Pb年龄是黄河上游物质的特征年龄，但在高家窨子剖面并不存在这一年龄，因而可以排除二者之间的物源联系。高家窨子剖面碎屑锆石U-Pb年龄与吕梁山相比(图8-e)，其又具有明显的晚古生代峰值年龄。另外，无论从锆石U-Pb峰值年龄组成和频率分布形态来看，高家窨子剖面都与鄂尔多斯北部地块一致(图8-d)，都缺乏新元古代锆石U-Pb年龄。结合MDS判定结果(图9)，进一步说明二者之间具有明显的物源联系。另外，最为重要的是高家窨子剖面上新统砂层中的斜层理倾向北东方向，与现今晋陕峡谷北段的黄河流向完全相反(胡振波，2012)。因而，高家窨子剖面的砂层物质主要来自鄂尔多斯地块北部中生界沉积岩。总体来看，晋陕峡谷北段保德县和府谷县附近的这些晚中新世和上新世地层的物质以吕梁山和鄂尔多斯地块北部中生代地层物质近源侵蚀堆积为主。

5.2 晋陕峡谷北段中新世—上新世河流演化重建

根据物源示踪结果，结合潘保田等(2012)在晋陕峡谷北段多个晚中新世和上新世沉积剖面开展的古流向测试结果，说明在 3.7 Ma 以前存在自南向北流以及自东向西流的河流(图10)。河套盆地在 3.6 Ma 沉积和沉降速率较之前期明显增快，其沉积范围向东、南隆起区扩展(刘池洋等，2006；Shietal.，2020)，这暗示了晋陕峡谷北段河流此时成为河套盆地重要的物质供给河流。地貌观察、碎屑锆石 U-Pb 年龄物源示踪(赵希涛等，2018；李维东等，2020)和宇成核素埋藏年龄(Lietal.，2020)约束黄河上游物质在 5.1～2.8 Ma 出现在河套盆地。河套盆地东南缘托克托县位于黄河上游和中游衔接的关键部位，沉积的晚新生代河湖相地层记录了黄河流出河套盆地的时间，但碎屑锆石 U-Pb 年龄物源示踪结果表明(图8-i)，黄河上游物质在 1.5 Ma 前没有出现在河套盆地东南缘，盆地依然接受近源沉积(李雪梅，2020)。这说明黄河上游和中游在此时尚未连通。此外，李智超(2017)综合轻、重矿物、主微量及稀土元素分析结果，确定渭河盆地晚中新世到上新世的碎屑物质来自北侧的渭北隆起及南侧的秦岭和东部的中条山，碎屑物质以近距离搬运为主。碎屑锆石 U-Pb 年龄物源示踪结果表明，渭河盆地在 7 Ma 时物源主要来自秦岭北麓(张瀚之，2017)。全岩地球化学物源示踪结果揭示渭河盆地 5～2.8 Ma 时出现渭北隆起的物质信号，黄河此时向北短距离深入鄂尔多斯地块南部(Liuetal.，2019)。河流阶地年龄结合碎屑锆石 U-Pb 年龄物源示踪结果表明古汾河在早上新世进入汾渭盆地(王乃樑等，1996；闫纪元，2021)。结合晋陕峡谷南段(鄂尔多斯地块南部)物质在 3.7 Ma 以前不是高家窨子剖面的物源区，说明晋陕峡谷晚中新世和上新世存在古分水岭(图9)，分别发育向北和向南流入河套地堑和渭河地堑的古水系(胡振波，2012；潘保田等，2012)，这与早期张伯声(1958)和张抗(1989)的研究结果一致。三门峡和黄河下游物源示踪结果表明黄河上游、中游和下游完全贯通的时间出现在早更新世(Panetal.，2011；Kongetal.，2014；Huetal.，2017；Yaoetal.，2017；Liuetal.，2019；Zhangetal.，2019；Xiaoetal.，2020；Huangetal.，2021)，这进一步证明南北贯通的晋陕峡谷的出现时间晚于 3.7 Ma。

图10 晚中新世—上新世黄河晋陕峡谷北段河流演化重建图Fig.10 Reconstruction map of river evolution in northern part of Shanxi-Shaanxi Gorge of Yellow River during the Late Miocene and Pliocene

大型河流的发育主要受流域内构造活动和气候变化的共同影响(Twidale，2004)。构造活动往往控制河流的流向(Linetal.，2001)，而气候作用对河流的可持续发育起关键作用(Jianetal.，2020)。进入晚中新世(8～6 Ma)和上新世(3.6 Ma)，青藏高原东北缘的祁连山(Lietal.，2014；Huetal.，2019；Linetal.，2019)受印度和欧亚大陆碰撞的远程效应的影响发生强烈隆升，青藏高原向北东方向增生扩展。受此影响，六盘山(Zhengetal.，2006；Linetal.，2010)、贺兰山(Zhaoetal.，2007；Liuetal.，2010)、阴山(Fengetal.，2017)、吕梁山(李建星等，2013)、秦岭(Liuetal.，2013)和鄂尔多斯地块发生整体抬升(Zhangetal.，1998；Yuetal.，2021)，与此同时衔接上述造山带和鄂尔多斯地块西部的银川地堑、北部的河套地堑和东南部的汾渭地堑进入新一期拉张断陷阶段(国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1988；刘池洋等，2006；王斌等，2013；Shietal.，2020)。因而鄂尔多斯地块与河套和渭河等地堑的地势差异加大(李智超，2017；Liuetal.，2019；Shietal.，2020)，这为晋陕峡谷北部和南部发育区域性大河奠定了地貌基础和河流形态框架(图10)。另外，无论黄土高原的红黏土沉积记录，还是深海钻孔的数据都表明，东亚夏季风在 8 Ma(Anetal.，2001；Aoetal.，2021)和 3.6 Ma(Wehausenetal.，2002)处于显著增强阶段，这为环绕鄂尔多斯地块周缘的河流发育提供气候条件支撑。因而，吕梁山在 8～6 Ma 快速隆升产生的碎屑物质，在东亚季风作用下，被河流搬运到其西麓的鄂尔多斯盆地广泛堆积(李建星等，2009；Panetal.，2011；胡振波，2012)。河套地堑和渭河地堑成为晋陕峡谷北部和南部的大型沉积中心(Shietal.，2020)。另外，碎屑锆石 U-Pb 年龄和重矿物物源示踪结果表明，上游黄河物质晚中新世和上新世已进入兰州盆地(Nieetal.，2015；Guoetal.，2018)、银川盆地(Wangetal.，2019；Baoetal.，2020)。最近林旭等(2021b)对渤海湾盆地中新统馆陶组进行了系统的碎屑锆石 U-Pb 年龄物源示踪研究，结果表明黄河物质在中新世未出现在渤海湾盆地；来自黄海沉积钻孔的研究结果表明，黄河物质在1.5～0.8 Ma出现(Zhangetal.，2019；Huangetal.，2021)，所以晚中新世和上新世贯通上游、中游和下游的黄河还未出现。因而，在构造和气候因素的共同作用下，晚中新世和上新世鄂尔多斯地块周缘的地堑以近源河流输送的物质为主，是对青藏高原东北缘构造扩展和东亚夏季风增强的响应。