黄河流域碎屑钾长石Pb同位素物源示踪

2022-09-26刘海金吴中海李兆宁陈济鑫李玲玲胡程伟

地震地质 2022年4期

关键词：钾长石物源巴彦淖尔

林旭刘海金刘静吴中海李兆宁陈济鑫李玲玲胡程伟

1)三峡大学，土木与建筑学院，宜昌 443002

2)三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)，宜昌 443002

3)东华理工大学，地球科学学院，南昌 330013

4)天津大学，地球系统科学学院，天津 300072

5)中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081

6)中国地震局地质研究所，北京 100029

0 引言

新生代以来，受控于印度板块和西太平洋板块向欧亚大陆俯冲的驱动，面积广大、地势高耸的青藏高原开始出现，并伴随着亚洲东部岩石圈伸展减薄，出现一系列断陷盆地和边缘海，最终奠定了现今东亚地区的宏观地貌(Yin，2010)。在此背景下，发源于青藏高原，流经黄土高原、华北平原的黄河，携带巨量的碎屑物质进入渤海(Qiaoetal.，2017；Liuetal.，2020)，对区域内的地球化学循环、环境变化、沉积通量和陆架海碎屑物质扩散等起到重要影响(林旭等，2020a)。因此，追索黄河流域的泥沙来源，对于认识和理解青藏高原东北部的隆升剥蚀(Panetal.，2013；Linetal.，2019；Xuetal.，2019)、东亚季风演化(Huetal.，2012)和碎屑物质堆积(Zhangetal.，2019；Huangetal.，2021；林旭等，2021a)之间的耦合关系至关重要。然而，黄河流域横跨多个气候区和构造带，物源区多而复杂，选择合适的物源示踪方法尤为关键。

早期的黄河流域物源示踪工作主要采用重矿物组合、碎屑锆石U-Pb年龄方法对兰州盆地(Guoetal.，2018；Wang Zetal.，2019)、银川-河套盆地(Lietal.，2017；李维东等，2020)、晋陕峡谷(Panetal.，2016；林旭等，2022)、汾渭盆地(Xiaoetal.，2021；Zhang H Zetal.，2021)和三门峡(Huetal.，2019；Liuetal.，2019)的沉积物开展相关研究，但这些研究工作主要集中在黄河的某一河段；另外，很多研究者将黄河三角洲作为黄河物源示踪研究的重点区域(Zhangetal.，1990；林晓彤等，2003；Yangetal.，2004)，但都未开展黄河上游、中游同类物源示踪的研究，因而上述研究获得的黄河物源示踪信息并不完整。国内外研究者常采用轻、重矿物组合进行大河物源示踪(Garzantietal.，2007)，但黄河全流域碎屑矿物的含量因季节性河流水动力强度与沉积环境差异的影响，不能用来示踪全流域沉积物的源区(王中波等，2010)。锆石抗风化能力强，能稳定记录源区信息，已被广泛用于黄河流域物源示踪研究中(岳保静等，2016；林旭等，2021b)。但锆石作为重矿物在河流沉积物中常以副矿物出现，所占比例不高，容易经历多次沉积循环，并不能全面体现源区的地质信息(Blowicketal.，2019)。尽管钾长石的化学矿物性质比锆石更不稳定，更容易发生化学风化(Tyrrelletal.，2006；Barhametal.，2021)，但钾长石占整个大陆地壳组成的58%(体积)，是广泛分布的造岩矿物，能最大程度代表某一源区的物源特征(林旭等，2020b)。黄河流域中非黏土矿物主要由石英和长石组成(王兆印等，2007；陈垚，2020)。同时钾长石的铅(Pb)同位素比值206Pb/204Pb、207Pb/204Pb 及208Pb/204Pb 在不同地块间的差异性远大于Nd、Sr同位素体系，常被用于构建区域Pb同位素地球化学省(张理刚，1995)和研究大陆地壳演化(Bodetetal.，2001)、示踪成矿来源(Munnikhuis，2016；Xuetal.，2017)、重建古水流方向等(林旭，2011；Johnsonetal.，2018)。

近年来，碎屑钾长石Pb同位素组成又被用于印度河(Alizaietal.，2011)、长江(Wang Cetal.，2019)和密西西比河(Blowicketal.，2019)等大河的物源示踪研究，并取得了良好的效果，但这一方法在黄河流域还未开展。本研究即对黄河流域开展系统的碎屑钾长石Pb同位素分析，确定黄河上、中游的特征干支流，示踪黄河下游钾长石的源区，判别该方法用于黄河物源示踪研究的可行性，为今后研究黄河的形成时代、黄土高原和中国西北沙漠的物质来源等提供基础对比数据。

图1 黄河流域的位置及样品采集点分布图Fig.1 Location of the Yellow River catchment and the sampling sites in the study.

图2 黄河干流主要水文站的输沙量柱状图(中华人民共和国水利部，2019)Fig.2 Histogram of sediment transport at major hydrological stations in the Yellow River trunk stream(Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China，2019).

1 研究区概况

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓，干流全长5464km，流域面积79.5万平方千米，是中国第二大河。根据河流发育的特点，河源—内蒙古河口镇为黄河上游(图1)，河口镇—郑州花园口为中游，花园口以下河段为下游。与其他河流不同，黄河流域面积集中分布在上、中游地区，占流域总面积的97.1%，而长达789km的黄河下游平原河道的流域面积仅占2.9%(刘昌明，2014)。黄河水少沙多，水沙异源。河口镇以上的黄河上游河段年均输沙量占全河年来沙量的9%，年均来水量占全河来水总量的53%，是黄河水量的主要来源区(Zhangetal.，1990)；中游河口镇—韩城龙门区间的年均来沙量占全河年来沙量的67%，是黄河泥沙的主要来源区(图2)；黄河进入花园口后，河道纵比降由中游的平均0.74‰下降为0.12‰，河床泥沙淤积严重，导致水面高于两岸地面，形成地上悬河。

2 样品采集与研究方法

2.1 样品采集

由于河流碎屑钾长石的粒径、形状、变质程度对其Pb同位素的含量均不造成较大影响(Tyrrelletal.，2006)，因此，我们在野外采集样品时不进行人为筛选，主要采集河流天然样品。选取取样点时尽量避开人类活动的影响范围。在每个采样点的不同位置采集砂样，确保样品更具有代表性。我们在黄河流域主要干流和支流的河漫滩、心滩进行样品采集(图3)。干流样品采自黄河的关键河段，采样点位于玛多、玛曲、同德、兰州、巴彦淖尔、河曲、韩城、开封和利津。支流样品采样点位于其汇入干流前几千米处，包括大夏河、湟水、汾河、渭河和伊洛河。三叠纪砂岩在晋陕峡谷广泛出露，因而我们在晋陕峡谷北部采集三叠纪砂岩样品，用于基础数据的对比研究；腾格里沙漠和毛乌素沙漠引用自林旭未发表的数据；秦岭、华北板块的Pb同位素省数据引用自文献(张理刚，1995)，用于背景值的对比判断。具体的样品信息见表1。

图3 黄河流域样品采集的野外照片Fig.3 Field photos of sample collection in the Yellow River Basin.

表1 样品采集信息Table1 Collected samples information

2.2 研究方法

Pb元素包含3个放射性成因(206Pb、207Pb、208Pb，分别是238U、235U、232Th 经过衰变后的稳定子体)和1个非放射性成因(204Pb)同位素(张理刚，1995)。钾长石是富含Pb元素的造岩矿物之一，其结晶后其几乎不含U、Th元素，即钾长石内不再产生新的放射性成因Pb，故206Pb/204Pb、207Pb/204Pb 及208Pb/204Pb 记录了结晶时的Pb同位素特征，且在不同源区这些比值存在差异，这是利用该方法进行物源示踪研究的基础(Tyrrelletal.，2006)。对野外采集的样品进行磁选和重液分选后，挑选出钾长石颗粒，并在双目显微镜下进行人工提纯。在中国地质大学(武汉)对每件样品随机挑选超过300颗钾长石，将其粘制到环氧树脂靶上，待其凝固后对靶面进行抛光打磨，露出钾长石的新鲜表面并进行背散射光照相，用于后期上机辅助选择分析点。我们在澳大利亚科廷大学地质系的激光剥蚀中心利用Nu Plasma Ⅱ(英国)多接收质谱仪连接193nm准分子激光剥蚀系统(Resonetics，Nashua，NH，美国)进行钾长石原位Pb同位素分析。激光斑束为50μm，剥蚀频率为10Hz，能量密度为2J/cm2。利用超高压高纯度的 He(350mL/min)、N2(1.0mL/min)和氩气(Ar)作为载气(Barhametal.，2021)。每分析10个样品后，测试标样Shap钾长石(Tyrrelletal.，2006)和NIST 612(Woodheadetal.，2007)，以此检验仪器的分析稳定性。利用Micosoft Excel软件处理数据结果，形成二维散点图。同时，利用基于Kolmogorov-Smirnov(K-S)统计方法的多维判别图(MDS)辅助判别样品206Pb/204Pb 比值的远近关系(Vermeeschetal.，2016)。

3 数据结果

黄河干支流样品中的钾长石颗粒主要呈棱角状、次棱角状和次圆状(图4)，粒径为20～300μm，在1个粒径范围内基本可以认为粒度变化对实验结果没有决定性影响。我们对15件样品中的967颗钾长石进行了原位Pb同位素分析，对其206Pb/204Pb 和207Pb/204Pb(图5a—c)、206Pb/204Pb 和208Pb/204Pb(图5d—f)进行二维图投点，发现206Pb/204Pb 和208Pb/204Pb 的二维图空间区分度更清晰，故采用该组形成的二维图。青藏高原东北缘黄河流域(包括兰州段部分黄河样品)的钾长石206Pb/204Pb 在20～16之间，208Pb/204Pb 在42～36之间(图5d)。黄河兰州段有部分钾长石的206Pb/204Pb 在23～19之间，208Pb/204Pb 在40～37之间。黄河巴彦淖尔段大部分样品的206Pb/204Pb>19，最大值达24.79，而黄河河曲和韩城段大部分样品的206Pb/204Pb 均<18.5(图5e)。河曲附近中生代砂岩的206Pb/204Pb 在16～15之间。渭河样品主体部分的206Pb/204Pb 在19～17之间，208Pb/204Pb 在40～37之间。汾河、伊洛河、黄河开封和利津段样品的206Pb/204Pb 在21～14之间，208Pb/204Pb 在42～33之间(图5f)。

图4 黄河碎屑钾长石的背散射图Fig.4 Electron backscatter images of K-feldspar grains from the Yellow River Basin.图中圆圈代表分析点

图5 黄河流域碎屑钾长石Pb同位素组成的散点图Fig.5 Scatter plot of Pb isotopic compositions of clastic K-feldspar from the Yellow River Basin.a—c 钾长石206Pb/204Pb 和207Pb/204Pb 比值散点图；d—f 钾长石206Pb/204Pb 和208Pb/204 比值散点图

4 讨论

青藏高原隆升和东亚季风的出现加速了黄河流域的剥蚀、风化和沉积物堆积速率，在黄河全流域贯通后(Panetal.，2009；Huetal.，2017；林旭等，2022；Yangetal.，2022)，这些碎屑物质被搬运到西太平洋边缘海域，完成从“源”到“汇”的沉积过程。因此，对黄河这样大陆尺度的河流开展物源示踪研究的核心，是分析其下游沉积汇区的目标碎屑矿物，将其与河流上游沉积源区进行对比，判断二者的源汇关系(林旭等，2020b)。

黄河流域在青藏高原的干流(玛多、玛曲、同德)和支流(湟水、大夏河)的钾长石206Pb/204Pb 和208Pb/204Pb 的分布范围集中(图5d)。但在MDS判断图中可以看到黄河玛多和玛曲段的距离近(图7a)，黄河同德段、大夏河和湟水分布在1个区域。这说明黄河玛多和玛曲段的钾长石受区域性地块物质供给为主，而黄河同德段、大夏河和湟水流经秦岭西段和祁连山东段，由于这2个造山带在新元古代时同属于罗迪尼亚超大陆，经历了相似的地块演化历史(Linetal.，2022)，属于同一Pb同位素省(张理刚，1995)，导致这些河流的钾长石Pb同位素组成相似(图6a)，从而稀释了黄河源头玛多—玛曲段(松潘-甘孜地块)的钾长石含量。黄河兰州段与黄河同德段和大夏河相同，都流经秦岭Pb同位素省(B2-2，图8)。虽然黄河兰州段的钾长石Pb同位素比值分布范围与上述河流有部分重合(图5d)，但也形成了明显的高206Pb/204Pb 分布区域，这说明黄河兰州段的钾长石除部分来自其上游干支流外，也有其他外来源区的物质混入。陈垚(2020)通过系统的粒度分析、石英颗粒微形态特征观察及全岩地球化学物源示踪研究，发现未进入黄土高原段(刘家峡以上)的黄河物质主要以水成相物质为主，而进入黄土高原段(刘家峡以下)的黄河物质以风-水两相沉积物为主，二者的物质组成存在明显差异。这体现了黄河流域在青藏高原东北缘不同区域的碎屑物质组成存在差异。

图6 黄河流域碎屑钾长石Pb同位素组成散点图Fig.6 Scatter plot of Pb isotopic composition of clastic K-feldspar in the Yellow River Basin.a—f 钾长石206Pb/204Pb 和208Pb/204Pb 比值散点图

通过对比可以发现，黄河进入河套平原后在巴彦淖尔段的钾长石Pb同位素比值分布区域与黄河兰州段十分吻合(图6b)。锆石U-Pb年龄谱对比(Nieetal.，2015；Zhang Hetal.，2021)和矿物组合(Panetal.，2016；Pangetal.，2018)物源示踪结果说明黄河兰州段(青藏高原东北缘)是银川和河套盆地碎屑物质的重要来源。但黄河巴彦淖尔段的钾长石Pb同位素组成和兰州以上黄河干支流具有明显差异(图6b)，彼此间的MDS判断距离也较远(图7a)，结合兰州以上黄河碎屑矿物组合(区域A，图7b)与黄河兰州—河口段(区域B，图7b)明显不同(Nieetal.，2015；Panetal.，2016)，说明二者不存在明显的物源联系。此外，黄河兰州段(图6b)和巴彦淖尔(图6c)段的钾长石Pb同位素比值分布区域与各自流经的秦岭和华北板块Pb同位素省(B2-2和A1-2，图8)不吻合，说明本地源区未对黄河兰州段和巴彦淖尔段的钾长石来源起主导作用。再者，兰州盆地分布厚层的新近纪黄土(Guoetal.，2020)，面积广大的腾格里沙漠出现在其上风区，成为重要的物源区(Zhangetal.，1996；Fanetal.，2018；陈垚，2020)，黄河兰州段和腾格里沙漠的钾长石Pb同位素分布范围重叠(图6b)，说明腾格里沙漠是兰州盆地黄土重要的物源区，并间接成为黄河兰州段碎屑钾长石的源区；黄河巴彦淖尔段的上风区分布乌兰布和沙漠和腾格里沙漠，粒度和全岩地球化学(Taetal.，2008；Pangetal.，2018)、碎屑矿物组合(Jiaetal.，2011；Panetal.，2016)物源示踪结果表明，沙漠风成沉积物对黄河巴彦淖尔段的河床物质组成具有重要影响。同时，黄河巴彦淖尔段的钾长石Pb同位素分布范围和腾格里沙漠重叠(图6c)。因此，当黄河流经兰州盆地和河套盆地时，受到流域内具有物源联系的黄土和沙漠的物质影响，导致黄河兰州段和巴彦淖尔段的钾长石Pb同位素分布范围重叠。由此可知，无论黄河巴彦淖尔段的钾长石是水成成因(由兰州段黄河搬运而来)，还是和黄河兰州段共同受风成沉积物的影响，都与兰州以上黄河干支流的钾长石不存在物源联系。

图7 黄河流域碎屑钾长石Pb同位素多维标度图和重矿物组成图Fig.7 Multi-dimensional scaling map of detrital K-feldspar Pb isotopes and heavy mineral composition map from the Yellow River drainage basin.a 钾长石Pb同位素多维标度图，距离1和距离2代表样本间距离的无量纲KS单位(0

黄河河曲和韩城段的钾长石Pb同位素比值分布范围高度重合(图6d)，但与黄河上游明显不同，说明黄河上游兰州—巴彦淖尔段不是黄河中游碎屑钾长石的来源区。此外，尽管河口镇以上的黄河年均来水量占全河来水总量的53%，但输沙量却仅占9%(Zhangetal.，1990)，这一方面说明黄河上游的碎屑物质输入量小，另一方面说明黄河上游在流出青藏高原进入地势平缓的银川和河套盆地后，碎屑物质发生了大规模卸载(Nieetal.，2015；Panetal.，2016；Pangetal.，2018)，对其下游河道的碎屑物质输出明显减弱。黄河河曲和韩城段流经华北板块西部的晋陕峡谷，这一带的地层主要由中生代砂岩上覆新近纪黄土和沙漠组成。毛乌素沙漠的钾长石Pb同位素比值分布范围与华北板块Pb同位素省(A1-2和A2)(张理刚，1995)西部的分布范围大部分重合(图6d)，说明华北板块西部风化的碎屑物质是毛乌素沙漠东部重要的碎屑物质来源区(李智佩，2006；Wang Z Yetal.，2019)。尽管黄土高原新近纪黄土的碎屑钾长石Pb同位素结果目前还未见报道，但大量物源示踪结果表明毛乌素沙漠是黄土高原重要的物源区(Sunetal.，2020；Zhang Hetal.，2021)。黄河河曲和韩城段的钾长石Pb同位素比值分布范围与毛乌素沙漠高度吻合(图6d)，而与河曲附近中生代砂岩钾长石相对集中的Pb同位素比值分布范围形成鲜明对比。故黄河进入晋陕峡谷后，峡谷的中生代砂岩未对黄河中游钾长石来源起主导作用，厚而疏松的黄土和沙漠沉积物遭受黄河干支流的强烈侵蚀，从而成为黄河中游钾长石的主要来源(图8)。黄河中游河口镇—韩城龙门区间的年均来沙量占全河年来沙量的67%，是黄河泥沙的主要来源区(图2)(刘昌明，2014)。这也与全岩Sr-Nd-Pb同位素(Huetal.，2012)、碎屑锆石U-Pb年龄(Nieetal.，2015)和碎屑矿物(林晓彤等，2003；王兆印等，2007)物源示踪结果吻合。由此可知，在黄河进入晋陕峡谷后，自北向南倾伏的地势和窄而长的河道地貌特征使其碎屑物质的搬运能力显著提升，面积广大而疏松的黄土高原因此成为黄河全河段输沙量的主要源区。

图8 黄河流域的Pb同位素省(张理刚，1995)Fig.8 Provinces of Pb isotopes in the Yellow River Basin(after ZHANG Li-gang，1995).根据钾长石Pb同位素组成的差异用不同颜色划分黄河流域的河段

汾河和渭河是黄河中游的一级支流，均为黄河提供了丰富的碎屑物质。汾河的钾长石Pb同位素比值分布范围与黄河中游高度吻合(图6e)。在MDS判断图中(图7a)，汾河与河曲、黄河韩城段和毛乌素沙漠的分布距离相近，这也进一步说明黄土高原对区域内河流的钾长石来源起主导作用。渭河流域的水系由北部黄土高原和南部秦岭2个区域的河流组成，但其钾长石Pb同位素比值的分布范围与秦岭Pb同位素省重叠(图6e)。在MDS判断图中，渭河与湟水、大夏河和黄河同德段的距离相近。渭河流域的碎屑锆石U-Pb年龄物源示踪结果表明，其河流沉积物主要来自秦岭(张笑宇等，2018)。因此，秦岭为渭河碎屑钾长石的主要源区。伊洛河上游发源于秦岭东段，下游流经黄土广泛分布的洛阳盆地，其Pb同位素比值的分布范围一部分与渭河、秦岭的Pb同位素省重合，另一部分与河曲和黄河中游韩城段、汾河的分布范围重叠，故其物质组成既有秦岭的物质信号，也有黄土高原的物质信号。

黄河开封和利津段样品采集于黄河下游，二者的Pb同位素比值分布范围重叠，说明黄河下游的碎屑钾长石来源没有出现变化。这主要因为黄河经三门峡进入华北平原后，随着河道纵比降下降(0.12‰)，搬运泥沙的能力下降，河床泥沙淤积严重，促使水面高于两岸地面，形成地上悬河，河流流域面积变得狭小，沿途地方性河流物质输入困难，导致其与华北板块Pb同位素省(A2和A3-2)的分布范围不重合(图6f)。黄河开封和利津段钾长石的Pb同位素比值分布范围与黄河兰州—巴彦淖尔段没有重叠，而与黄河中游的分布范围高度重合，说明黄河下游的钾长石主要来自黄河中游，这与MDS判断的结果一致。可见，随着搬运距离的增加导致区域性重要物源区(黄土高原)的出现，加上黄河下游流域面积锐减等原因，黄河上游兰州和巴彦淖尔段、华北板块并不是黄河下游碎屑钾长石的主要来源。伴随着黄河下游的多次南北改道，从黄河中游搬运而来的黄土物质为黄河下游的华北(黄土)平原的形成奠定了物质基础。

综合来看，今后在开展黄河形成时代研究时，应重视黄河流域不同河段存在物源差异性这一现象，综合考虑黄河沿途沙漠和黄土对黄河河道物质信号的干扰等问题。另外，渭河的碎屑钾长石Pb同位素比值分布范围和MDS判断距离与晋陕峡谷段黄河和汾河存在明显差异，这为讨论三门峡段水系演化提供了新的物源示踪方法。