黄河和长江碎屑物质扩散研究<br/>——来自江苏沙脊物源示踪的约束

黄河和长江碎屑物质扩散研究
——来自江苏沙脊物源示踪的约束

2024-03-22刘海金吴中海

地球学报 2024年2期

林旭, 刘海金, 吴中海

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)哈尔滨师范大学地理科学学院, 黑龙江哈尔滨 150080;4)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081

碎屑物质源-汇系统是指在地表或水体中, 从物质的产生源头(源)到其最终沉积的区域(汇)之间的物质搬运系统。这个系统对于理解岩石风化、河流输砂、泥砂沉积以及陆地和海洋沉积过程具有重要意义(Qiao et al., 2017)。黄河是我国的第二长外流河(5 564 km), 上游流经沙漠区, 中游流经黄土区,向下游输送了大量的碎屑粒物质(林旭等, 2022a)。长江是我国最长的外流河(6 300 km), 其流域内的地形复杂, 包括青藏高原、四川盆地、江南丘陵和长江中下游平原, 这种地形差异对长江的碎屑物质扩散产生了重要影响(Yang et al., 2012)。黄河和长江最终都东流入太平洋西部的陆架海, 是欧亚大陆和太平洋之间一个重要的物质和能量交换通道(Saito et al., 2001; Yang et al., 2003)。通过分析泥砂的物质来源, 特别是在河口和海洋地区, 对于揭示我国陆架海区各种沉积体系的形成演化过程等有着重要的科学价值(Li et al., 2001; Wang et al., 2012)。

我国江苏省东海岸具有丰富的沉积物供应, 在某些沿海地段形成了一系列沙丘脊线, 是进行沉积物源-汇过程和环境演化研究的理想沉积记录之一(Lan et al., 2007; Rao et al., 2015)。巨量的河流沉积物在海洋动力的作用下, 经过搬运、堆积以及再分配, 使得解译这些沙脊的具体物源区显得困难重重,导致目前有关江苏沙脊的物源区存在较大分歧, 这集中体现在以下几种主要的观点: (1)古黄河(Yang et al., 2020; Liu et al., 2021); (2)黄河和长江的联合作用(Rao et al., 2015; Su et al., 2018; Shang et al., 2021);(3)长江(Wang et al., 2012)。因而找到有效的识别黄河和长江沉积物指标, 从而确定黄河和长江沉积物在我国东部陆架海区的时空分布格局, 以及在两种物源并存混合的沉积物中估算两种物源的比例, 这对于厘定江苏沙脊的具体物源区至关重要。从以往对江苏沙脊开展的物源示踪研究结果来看, 很多研究者倾向于全岩地球化学方法(Lu et al., 2015; Rao et al., 2015; Cao et al., 2021)。尽管这种方法有一定的优势, 但也存在一些局限性: 比如在物质搬运和沉积过程中, 某些元素可能会经历重分配现象, 导致与原始物源的差异。此外, 全岩地球化学分析导致多个源区信息均一化, 很难精细刻画具体的物源区(林旭等, 2022b)。在这种情况下, 全岩地球化学分析很难确定每个物源的贡献比例和来源。为了克服这些限制, 研究者广泛采用其他更精细的示踪方法,如单颗粒地球化学分析(林旭等, 2020a; 刘海金等,2021)、同位素示踪(Li et al., 2023a)以及矿物特征分析(Yue et al., 2018)等。

锆石在碎屑沉积物中普遍存在, 其U-Pb年龄测定方法已经非常成熟。通过比较不同区域内锆石U-Pb年龄的差异, 可以确定不同区域之间的物源关系, 因而是一种常用的碎屑物质物源示踪方法(Yang et al., 2012; 林旭等, 2020b)。但由于锆石具有非常稳定的晶格结构, 它们在后期的地质过程中可能经历再循环沉积过程, 导致其记录的物源信息并不完全反映源区首次形成的信息(Barham et al.,2021)。钾长石是碱性岩石(如花岗岩、石英闪长岩)和变质岩石中的重要组成矿物, 是上地壳最常见的矿物之一(林旭等, 2020a)。钾长石中含有微量的铅(Pb)元素, 不同地体之间的这一Pb同位素比值具有显著的差异, 因而通过分析沉积汇区的钾长石样品中Pb同位素比值的变化, 可以推断出该样品的潜在物源(林旭等, 2022a; 林旭等, 2022b)。但钾长石容易风化, 因而钾长石较之锆石经历了更少期次的沉积过程, 能相对准确地记录源区早期的物源信息(Zhang et al., 2022)。所以将锆石U-Pb年龄分析与钾长石Pb同位素物源示踪方法联合使用, 在厘定大尺度的源-汇关系时展示了很好的潜力(Barham et al., 2021)。因此, 本文的主要研究目的是将前人和我们在黄河和长江流域已经发表的碎屑锆石U-Pb年龄和钾长石Pb同位素结果(图1), 结合蒙特卡罗模型的计算结果, 厘定江苏沙脊的潜在物源区及其物质贡献率。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area

1 研究区概况

江苏沙脊位于古黄河与长江口之间, 南北长度约200 km, 宽度约140 km, 面积约22 470 m2(Su et al., 2018), 由北、东、东南三个方向10多个呈辐射状分布的沙脊组成(Li et al., 2001; Wang et al.,2012)。各沙脊长约100 km, 宽约10 km。辐射砂脊之间潮流汇聚和消散主要受波浪和规律的半日潮的影响(Xu et al., 2015)。研究区受黄海沿岸流、黄海暖流和长江口淡水流等几个现代海流系统的影响(Li et al., 2001; Su et al., 2018; 图1)。组成沙脊的物质主要以粉砂和砂为主, 含量在90%以上(Cao et al.,2021), 主要是黄河和长江水下遗留的砂体, 少部分是古黄河三角洲附近海岸和海底的侵蚀物(Li et al.,2001; Wang et al., 2012)。

2 数据来源和研究方法

黄河流域(林旭等, 2022a)和长江流域(Zhang et al., 2022)的单颗粒钾长石数据近两年开始报道, 最近Li et al.(2023a)对江苏沙脊开展了钾长石Pb同位素分析。另外, 经过十几年的数据积累, 华北平原(林旭等, 2021a), 朝鲜半岛(Wu et al., 2007; Choi et al., 2013), 胶东半岛(林旭等, 2020b), 鲁中山区(林旭等, 2021b), 黄河流域(Yang et al., 2009; Nie et al.,2015; Su et al., 2018), 古黄河(何梦颖等, 2018), 大别山(林旭等, 2022c), 长江流域(Yang et al., 2012;He et al., 2013; 林旭等, 2022c), 和江苏沙脊(Su et al., 2018)的碎屑锆石U-Pb年龄广泛报道。这为系统地开展源-汇对比研究奠定了基础。

自激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法问世以来, 碎屑锆石U-Pb年代学数据量急剧增加(Vermeesh, 2013), 该方法已经成为沉积物物源分析的首选方法之一。我们用DensityPlotter软件对碎屑锆石U-Pb年龄生成核密度估计图(KDE), 将其峰值年龄与潜在物源区进行对比, 判别物源相关性(Vermeesh, 2013)。但这种方法也存在问题, 由于过度平滑KDE的古老和年轻年龄而加剧忽略潜在源区的风险(Sundell et al., 2017)。因此Vermeesh(2018)提出了多维定标(MDS)的相似(差异)性量化分析。该方法基于K-S检验的D值或Kuiper检验的V值, 将分析结果以点的形式投射在二维或三维空间中, 表示多个样本之间的相对差异, 从而显著提升碎屑锆石样品量化分析结果的可视化效果(张凌等, 2020)。此外, 我们还使用近年来广泛使用的蒙特卡罗反演模型定量评估潜在物源区对江苏沙脊的物质贡献率(Sundell et al., 2017)。每一组碎屑样品年龄谱进行10 000次模拟, 其中混合样本与随机生成的源分布组合进行比较, 并保留一系列最佳混合比例。该模型可以在MATLAB软件下独立执行.exe文件, 能够准确地分解高度复杂的碎屑锆石U-Pb年龄的贡献率。

3 结果

江苏沙脊北部的碎屑锆石U-Pb年龄形成的显著峰值集中在2 514 Ma、789 Ma和132 Ma, 同时具有1 884 Ma、444 Ma和222 Ma三个弱峰(图2a)。朝鲜半岛河流的碎屑锆石U-Pb年龄出现显著的晚古元古代(1 857 Ma)和晚古生代(195 Ma)峰值; 早元古代峰值(2 439 Ma)和晚白垩纪(99 Ma)峰值不显著(图2b)。这与华北平原河流形成的锆石U-Pb年龄形态相似(图2c)。江苏沙脊北部与朝鲜半岛和华北平原河流的碎屑锆石U-Pb年龄峰值相比, 后者都缺少新元古代峰值年龄(789 Ma), 而前者的新太古代峰值年龄(2 514 Ma)突出。胶东半岛和大别山同属于苏鲁—大别造山带, 在物质组成上具有相似性, 其碎屑锆石U-Pb年龄组成和形态类似(图2d, e),都具有明显的晚中生代(150 Ma, 132 Ma)和新元古代(732 Ma, 795 Ma)峰值年龄, 同时还呈现不明显的早中生代(222 Ma, 225 Ma)和早古生代(435 Ma)峰值年龄。这与江苏沙脊北部的碎屑锆石U-Pb年龄峰值组成相似(图2a)。但胶东半岛和大别山的碎屑锆石U-Pb年龄的新太古代峰值年龄不显著。但这一峰值年龄(2 520 Ma)在鲁中山区的河流中异常突出(图2f)。

图2 碎屑锆石U-Pb年龄组成图Fig.2 Composition map of the U-Pb age of detrital zircon

江苏沙脊中部的碎屑锆石U-Pb年龄组成(图2g)要比沙脊北部(图2a)更复杂, 由267 Ma、441 Ma、816 Ma、921 Ma、1 995 Ma和2 529 Ma这6个年龄峰值组成。江苏沙脊中部(图2g)与古黄河(图2h)的碎屑锆石U-Pb年龄峰值组成相比, 最突出的表现在于其晚古元古代(1 995 Ma)和新太古代(2 529 Ma)峰值更显著。

江苏沙脊南部的碎屑锆石U-Pb峰值年龄由207 Ma、450 Ma、759 Ma、1 899 Ma和2 427 Ma组成(图2j)。现代长江的碎屑锆石U-Pb峰值年龄由219 Ma、429 Ma、777 Ma、1 854 Ma和2 409 Ma组成(图2k)。因而在峰值年龄组成和整体年龄分布形态上, 二者均具有很好的相似性。江苏沙脊南部的碎屑锆石U-Pb峰值年龄(图2j)组成与古黄河(图2h)和现代黄河(图2i)相比, 古生代的双峰特征不明显。江苏沙脊南部的碎屑锆石U-Pb峰值年龄(图2j)和胶东半岛(图2d)、大别山(图2e)和鲁中山区(图2f)的碎屑锆石U-Pb年龄相比, 其晚中生代峰值年龄(132 Ma, 150 Ma)不明显。

在三维MDS判定结果中, 江苏沙脊北的距离与大别山和鲁中山区的距离较近(图3a); 江苏沙脊中的距离与古黄河、黄河和长江的距离较近(图3b);而江苏沙脊南的距离则与现代长江的距离最近(图3c)。从贡献率来看, 大别山和鲁中山区对江苏沙脊北部的物质组成起到主导作用, 分别占45%和25%。而江苏沙脊中部的物质受古黄河(29%)和现代黄河(27%)的影响较大, 但长江的物质贡献率也达到25%。长江对江苏沙脊南部的物质贡献率达到68%, 而古黄河(10%)的贡献率则相对偏小。

图3 锆石U-Pb年龄MDS判定图(a—c; 实线和虚线分别代表最近和第二近距离)和江苏沙脊沉积物来源贡献率的蒙特卡罗反演模型模拟结果(d—f)Fig.3 Zircon U-Pb age MDS determination diagram(a-c; the solid and dotted lines represent the nearest and the second- closest distance, respectively) and simulation results of the contribution rate of sediment sources from to the Jiangsu Sand Ridge were proposed by Monte Carlo inversion model (d-f)

黄河下游的开封和利津的钾长石Pb同位素206Pb/204Pb和208Pb/204Pb的比值范围基本重叠(图4a),但与苏鲁—大别造山带(图4b)和长江下游的钾长石Pb同位素相比, 其具有206Pb/204Pb比值大于16的区域。此外, 苏鲁—大别造山带(图4b)和长江下游的钾长石Pb同位素比值区域不重叠。因而, 将江苏沙脊南部的钾长石Pb同位素与这三个区域进行对比时, 可以发现其主要与长江的分布区重叠(图4c)。在二维MDS判定图中, 可清晰的看到江苏沙脊南部与长江的距离最近(图4d)。

图4 钾长石Pb同位素组成Fig.4 Pb isotopic composition of K-feldspar

4 讨论

4.1 江苏沙脊的物源

从碎屑锆石U-Pb峰值年龄组成和形态、MDS判定结果、物质贡献率和钾长石Pb同位素组成来看, 江苏沙脊北部的碎屑物质主要受到苏鲁—大别造山带和鲁中山区的共同影响(图5)。黏土矿物、碎屑矿物和地表沉积物的粒度分析, 揭示了海州湾的沉积物主要来源于海岸侵蚀、再悬浮泥沙和附近河流物质的输入, 而与黄河和长江的物质组成截然不同(Lu et al., 2015)。海州湾地区近海沉积物中的矿物组合分析结果表明, 近海海砂是河口-浅海环境共同作用的产物, 主要来源于苏鲁—大别造山带的花岗岩、片麻岩和榴辉岩(汤倩等, 2021)。这与早期尹秀珍等(2007)的认识一致。江苏沙脊北部位于海州湾西部, 无论现代黄河还是长江的物质在黄海沿岸流的影响下, 很难继续携带碎屑物质向西进入其内(Li et al., 2014), 因而来自鲁中山区和苏鲁—大别山的碎屑物质就近成为江苏沙脊北部的重要物质来源。

图5 江苏沙脊的物质来源贡献率图Fig.5 Contribution rate of material sources of the sand ridges in Jiangsu Province

黄河、古黄河的碎屑物质对江苏沙脊中部的物质组成起重要影响, 此外也受长江的物质影响(图5)。尹秀珍等(2007)根据重矿物组合的结果, 发现江苏沙脊中部的物质表现出多源性, 沉积物部分来源于黄河物质、长江物质及黑潮物质。粒度组成和主微量元素结果表明, 黄河和长江的物质共同主导了江苏沙脊中部的物质组成(Lan et al., 2007; Rao et al.,2015; Yang et al., 2020; Cao et al., 2021)。稀土元素物源示踪结果表明, 海州湾的物质对江苏沙脊中部的物质影响较弱, 而黄河和长江的物质贡献较大(Li et al., 2017)。江苏沙脊中部的全岩Sr-Nd、石英O同位素与古黄河、黄河和长江吻合, 而与朝鲜半岛的河流截然不同(Rao et al., 2017; Li et al., 2023a,b)。所以, 江苏沙脊中部的物质组成以近源的黄河、古黄河和长江的物质为主。

黄河、鲁中山区和苏鲁—大别造山带的碎屑物质对江苏沙脊南部的物质组成的影响较弱, 而其物源主要来自长江(图5)。重矿物和黏土矿物组成表明,江苏沙脊南部的物质主要来自长江(Wang et al.,2012)。碎屑锆石U-Pb年龄、重矿物组合物源示踪的结果支持江苏沙脊南部的物质主要受控于长江(Su et al., 2018; Shang et al., 2021; Sun et al., 2023)。因而, 随着远离古黄河和黄河, 江苏沙脊南部的物质更多的受长江物质的影响。所以, 面积广大的江苏沙脊的碎屑物质组成不均一。

4.2 江苏沙脊的形成机制

黄河完全贯通的时代要追溯到早更新世(Liu et al., 2020)。而长江下游在晚上新世—早更新世也稳定出现在南黄海(Zhang et al., 2019)。碎屑钾长石Pb同位素(林旭等, 2022a)和锆石U-Pb年龄(Nie et al.,2015)物源示踪结果表明, 黄河下游物质主要受控于黄土高原(图6)。碎屑钾长石Pb同位素(Zhang et al., 2022)、锆石U-Pb年龄(He et al., 2013; 林旭等,2022c)和磷灰石Sr同位素(林旭等, 2022d)物源示踪结果表明长江的物质主要来自于龙门山(图6)。黄河和长江的中、下游都受到亚洲夏季风的影响, 丰沛的降水加上各自流域内存在的地势差异, 二者成为亚洲大陆与西太平洋碎屑物质的传送带(Yang et al.,2003; Qiao et al., 2017)。受西太平洋板块向西俯冲的影响, 中生代和早新生代形成的拉张断陷盆地在晚新生代进入坳陷阶段, 成为容纳黄河和长江的物质储场(Suo et al., 2020)。在第四纪冰期, 我国东部的陆架海的海平面下降幅度超过120 m(赵希涛等,1979), 这导致黄河和长江的侵蚀基准面随之下降,进一步增强了黄河和长江的向源侵蚀, 黄河和长江搬运碎屑物质深入中国东部大陆架(Li et al., 2002,图6a)。因而在黄河下游发育华北平原, 在长江下游发育长江中下游平原。这说明黄河和长江为中国东部陆架提供了丰富的碎屑物质。

图6 江苏沙脊形成过程复原图Fig.6 Reconstructed map of sand ridge formation in Jiangsu Province

南黄海为南北向延伸的负地形, 东西方向地形不对称, 西部为宽缓、平坦的平原地形, 平均坡度约为0.21‰, 东侧相对陡窄, 平均坡度约为0.35‰(孔祥淮等, 2022; 图5)。这样的地形有利于保存来自我国内陆的大型河流的沉积卸载。而南黄海东部的朝鲜半岛附近的海岸则没有发育大型沙脊(图5),一是因为朝鲜半岛的河流流域面积小, 提供的碎屑物质量少; 二是因为陡倾的海底地貌特征不利于碎屑沉积物堆积。第四纪的气候交替出现冰期和暖期,暖期对应着高海平面(赵希涛等, 1979)。尤其是末次冰期结束后, 我国东部陆架海再次出现(赵希涛等,2017; 图6b), 在南黄海西部的陆架上积累的丰富的碎屑物质经过海洋动力过程, 例如潮汐、涌浪和沿岸流等的影响, 逐渐发育辐射状的沙脊形态(Li et al., 2001; Liu et al., 2010; Shang et al., 2021)。在沿岸流的作用下, 黄河和长江的碎屑物质的持续补给,成为维系这些沙脊继续存在的物质基础(Wang et al.,2012; Rao et al., 2015; Yang et al., 2020; Li et al.,2023a)。因而, 江苏沙脊的发育首先是黄河和长江从东亚内陆搬运了丰富的碎屑物质。这些碎屑物质的产生体现了亚洲季风(大气圈)、地表径流(水圈)和地势阶梯(岩石圈)之间的相互作用。其次, 南黄海西部平坦的地形为江苏沙脊的碎屑物质的保存提供了地貌条件。再者, 末次冰期以来的海平面上升,为辐射沙脊的出现提供了外部动力条件。总体而言,江苏沙脊的出现体现了河流和海洋的交互作用在形成河口-海岸地貌的重要作用。