黃河和長江碎屑物質擴散研究
——來自江蘇沙脊物源示蹤的約束

林 旭, 劉海金, 吳中海

1)三峽大學土木與建筑學院, 湖北宜昌 443002;2)三峽庫區地質災害教育部重點實驗室(三峽大學), 湖北宜昌 443002;3)哈爾濱師范大學地理科學學院, 黑龍江哈爾濱 150080;4)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081

碎屑物質源-匯系統是指在地表或水體中, 從物質的產生源頭(源)到其最終沉積的區域(匯)之間的物質搬運系統。這個系統對于理解巖石風化、河流輸砂、泥砂沉積以及陸地和海洋沉積過程具有重要意義(Qiao et al., 2017)。黃河是我國的第二長外流河(5 564 km), 上游流經沙漠區, 中游流經黃土區,向下游輸送了大量的碎屑粒物質(林旭等, 2022a)。長江是我國最長的外流河(6 300 km), 其流域內的地形復雜, 包括青藏高原、四川盆地、江南丘陵和長江中下游平原, 這種地形差異對長江的碎屑物質擴散產生了重要影響(Yang et al., 2012)。黃河和長江最終都東流入太平洋西部的陸架海, 是歐亞大陸和太平洋之間一個重要的物質和能量交換通道(Saito et al., 2001; Yang et al., 2003)。通過分析泥砂的物質來源, 特別是在河口和海洋地區, 對于揭示我國陸架海區各種沉積體系的形成演化過程等有著重要的科學價值(Li et al., 2001; Wang et al., 2012)。

我國江蘇省東海岸具有豐富的沉積物供應, 在某些沿海地段形成了一系列沙丘脊線, 是進行沉積物源-匯過程和環境演化研究的理想沉積記錄之一(Lan et al., 2007; Rao et al., 2015)。巨量的河流沉積物在海洋動力的作用下, 經過搬運、堆積以及再分配, 使得解譯這些沙脊的具體物源區顯得困難重重,導致目前有關江蘇沙脊的物源區存在較大分歧, 這集中體現在以下幾種主要的觀點: (1)古黃河(Yang et al., 2020; Liu et al., 2021); (2)黃河和長江的聯合作用(Rao et al., 2015; Su et al., 2018; Shang et al., 2021);(3)長江(Wang et al., 2012)。因而找到有效的識別黃河和長江沉積物指標, 從而確定黃河和長江沉積物在我國東部陸架海區的時空分布格局, 以及在兩種物源并存混合的沉積物中估算兩種物源的比例, 這對于厘定江蘇沙脊的具體物源區至關重要。從以往對江蘇沙脊開展的物源示蹤研究結果來看, 很多研究者傾向于全巖地球化學方法(Lu et al., 2015; Rao et al., 2015; Cao et al., 2021)。盡管這種方法有一定的優勢, 但也存在一些局限性: 比如在物質搬運和沉積過程中, 某些元素可能會經歷重分配現象, 導致與原始物源的差異。此外, 全巖地球化學分析導致多個源區信息均一化, 很難精細刻畫具體的物源區(林旭等, 2022b)。在這種情況下, 全巖地球化學分析很難確定每個物源的貢獻比例和來源。為了克服這些限制, 研究者廣泛采用其他更精細的示蹤方法,如單顆粒地球化學分析(林旭等, 2020a; 劉海金等,2021)、同位素示蹤(Li et al., 2023a)以及礦物特征分析(Yue et al., 2018)等。

鋯石在碎屑沉積物中普遍存在, 其U-Pb年齡測定方法已經非常成熟。通過比較不同區域內鋯石U-Pb年齡的差異, 可以確定不同區域之間的物源關系, 因而是一種常用的碎屑物質物源示蹤方法(Yang et al., 2012; 林旭等, 2020b)。但由于鋯石具有非常穩定的晶格結構, 它們在后期的地質過程中可能經歷再循環沉積過程, 導致其記錄的物源信息并不完全反映源區首次形成的信息(Barham et al.,2021)。鉀長石是堿性巖石(如花崗巖、石英閃長巖)和變質巖石中的重要組成礦物, 是上地殼最常見的礦物之一(林旭等, 2020a)。鉀長石中含有微量的鉛(Pb)元素, 不同地體之間的這一Pb同位素比值具有顯著的差異, 因而通過分析沉積匯區的鉀長石樣品中Pb同位素比值的變化, 可以推斷出該樣品的潛在物源(林旭等, 2022a; 林旭等, 2022b)。但鉀長石容易風化, 因而鉀長石較之鋯石經歷了更少期次的沉積過程, 能相對準確地記錄源區早期的物源信息(Zhang et al., 2022)。所以將鋯石U-Pb年齡分析與鉀長石Pb同位素物源示蹤方法聯合使用, 在厘定大尺度的源-匯關系時展示了很好的潛力(Barham et al., 2021)。因此, 本文的主要研究目的是將前人和我們在黃河和長江流域已經發表的碎屑鋯石U-Pb年齡和鉀長石Pb同位素結果(圖1), 結合蒙特卡羅模型的計算結果, 厘定江蘇沙脊的潛在物源區及其物質貢獻率。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location map of the study area

1 研究區概況

江蘇沙脊位于古黃河與長江口之間, 南北長度約200 km, 寬度約140 km, 面積約22 470 m2(Su et al., 2018), 由北、東、東南三個方向10多個呈輻射狀分布的沙脊組成(Li et al., 2001; Wang et al.,2012)。各沙脊長約100 km, 寬約10 km。輻射砂脊之間潮流匯聚和消散主要受波浪和規律的半日潮的影響(Xu et al., 2015)。研究區受黃海沿岸流、黃海暖流和長江口淡水流等幾個現代海流系統的影響(Li et al., 2001; Su et al., 2018; 圖1)。組成沙脊的物質主要以粉砂和砂為主, 含量在90%以上(Cao et al.,2021), 主要是黃河和長江水下遺留的砂體, 少部分是古黃河三角洲附近海岸和海底的侵蝕物(Li et al.,2001; Wang et al., 2012)。

2 數據來源和研究方法

黃河流域(林旭等, 2022a)和長江流域(Zhang et al., 2022)的單顆粒鉀長石數據近兩年開始報道, 最近Li et al.(2023a)對江蘇沙脊開展了鉀長石Pb同位素分析。另外, 經過十幾年的數據積累, 華北平原(林旭等, 2021a), 朝鮮半島(Wu et al., 2007; Choi et al., 2013), 膠東半島(林旭等, 2020b), 魯中山區(林旭等, 2021b), 黃河流域(Yang et al., 2009; Nie et al.,2015; Su et al., 2018), 古黃河(何夢穎等, 2018), 大別山(林旭等, 2022c), 長江流域(Yang et al., 2012;He et al., 2013; 林旭等, 2022c), 和江蘇沙脊(Su et al., 2018)的碎屑鋯石U-Pb年齡廣泛報道。這為系統地開展源-匯對比研究奠定了基礎。

自激光剝蝕電感耦合等離子體質譜法問世以來, 碎屑鋯石U-Pb年代學數據量急劇增加(Vermeesh, 2013), 該方法已經成為沉積物物源分析的首選方法之一。我們用DensityPlotter軟件對碎屑鋯石U-Pb年齡生成核密度估計圖(KDE), 將其峰值年齡與潛在物源區進行對比, 判別物源相關性(Vermeesh, 2013)。但這種方法也存在問題, 由于過度平滑KDE的古老和年輕年齡而加劇忽略潛在源區的風險(Sundell et al., 2017)。因此Vermeesh(2018)提出了多維定標(MDS)的相似(差異)性量化分析。該方法基于K-S檢驗的D值或Kuiper檢驗的V值, 將分析結果以點的形式投射在二維或三維空間中, 表示多個樣本之間的相對差異, 從而顯著提升碎屑鋯石樣品量化分析結果的可視化效果(張凌等, 2020)。此外, 我們還使用近年來廣泛使用的蒙特卡羅反演模型定量評估潛在物源區對江蘇沙脊的物質貢獻率(Sundell et al., 2017)。每一組碎屑樣品年齡譜進行10 000次模擬, 其中混合樣本與隨機生成的源分布組合進行比較, 并保留一系列最佳混合比例。該模型可以在MATLAB軟件下獨立執行.exe文件, 能夠準確地分解高度復雜的碎屑鋯石U-Pb年齡的貢獻率。

3 結果

江蘇沙脊北部的碎屑鋯石U-Pb年齡形成的顯著峰值集中在2 514 Ma、789 Ma和132 Ma, 同時具有1 884 Ma、444 Ma和222 Ma三個弱峰(圖2a)。朝鮮半島河流的碎屑鋯石U-Pb年齡出現顯著的晚古元古代(1 857 Ma)和晚古生代(195 Ma)峰值; 早元古代峰值(2 439 Ma)和晚白堊紀(99 Ma)峰值不顯著(圖2b)。這與華北平原河流形成的鋯石U-Pb年齡形態相似(圖2c)。江蘇沙脊北部與朝鮮半島和華北平原河流的碎屑鋯石U-Pb年齡峰值相比, 后者都缺少新元古代峰值年齡(789 Ma), 而前者的新太古代峰值年齡(2 514 Ma)突出。膠東半島和大別山同屬于蘇魯—大別造山帶, 在物質組成上具有相似性, 其碎屑鋯石U-Pb年齡組成和形態類似(圖2d, e),都具有明顯的晚中生代(150 Ma, 132 Ma)和新元古代(732 Ma, 795 Ma)峰值年齡, 同時還呈現不明顯的早中生代(222 Ma, 225 Ma)和早古生代(435 Ma)峰值年齡。這與江蘇沙脊北部的碎屑鋯石U-Pb年齡峰值組成相似(圖2a)。但膠東半島和大別山的碎屑鋯石U-Pb年齡的新太古代峰值年齡不顯著。但這一峰值年齡(2 520 Ma)在魯中山區的河流中異常突出(圖2f)。

圖2 碎屑鋯石U-Pb年齡組成圖Fig.2 Composition map of the U-Pb age of detrital zircon

江蘇沙脊中部的碎屑鋯石U-Pb年齡組成(圖2g)要比沙脊北部(圖2a)更復雜, 由267 Ma、441 Ma、816 Ma、921 Ma、1 995 Ma和2 529 Ma這6個年齡峰值組成。江蘇沙脊中部(圖2g)與古黃河(圖2h)的碎屑鋯石U-Pb年齡峰值組成相比, 最突出的表現在于其晚古元古代(1 995 Ma)和新太古代(2 529 Ma)峰值更顯著。

江蘇沙脊南部的碎屑鋯石U-Pb峰值年齡由207 Ma、450 Ma、759 Ma、1 899 Ma和2 427 Ma組成(圖2j)。現代長江的碎屑鋯石U-Pb峰值年齡由219 Ma、429 Ma、777 Ma、1 854 Ma和2 409 Ma組成(圖2k)。因而在峰值年齡組成和整體年齡分布形態上, 二者均具有很好的相似性。江蘇沙脊南部的碎屑鋯石U-Pb峰值年齡(圖2j)組成與古黃河(圖2h)和現代黃河(圖2i)相比, 古生代的雙峰特征不明顯。江蘇沙脊南部的碎屑鋯石U-Pb峰值年齡(圖2j)和膠東半島(圖2d)、大別山(圖2e)和魯中山區(圖2f)的碎屑鋯石U-Pb年齡相比, 其晚中生代峰值年齡(132 Ma, 150 Ma)不明顯。

在三維MDS判定結果中, 江蘇沙脊北的距離與大別山和魯中山區的距離較近(圖3a); 江蘇沙脊中的距離與古黃河、黃河和長江的距離較近(圖3b);而江蘇沙脊南的距離則與現代長江的距離最近(圖3c)。從貢獻率來看, 大別山和魯中山區對江蘇沙脊北部的物質組成起到主導作用, 分別占45%和25%。而江蘇沙脊中部的物質受古黃河(29%)和現代黃河(27%)的影響較大, 但長江的物質貢獻率也達到25%。長江對江蘇沙脊南部的物質貢獻率達到68%, 而古黃河(10%)的貢獻率則相對偏小。

圖3 鋯石U-Pb年齡MDS判定圖(a—c; 實線和虛線分別代表最近和第二近距離)和江蘇沙脊沉積物來源貢獻率的蒙特卡羅反演模型模擬結果(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)

黃河下游的開封和利津的鉀長石Pb同位素206Pb/204Pb和208Pb/204Pb的比值范圍基本重疊(圖4a),但與蘇魯—大別造山帶(圖4b)和長江下游的鉀長石Pb同位素相比, 其具有206Pb/204Pb比值大于16的區域。此外, 蘇魯—大別造山帶(圖4b)和長江下游的鉀長石Pb同位素比值區域不重疊。因而, 將江蘇沙脊南部的鉀長石Pb同位素與這三個區域進行對比時, 可以發現其主要與長江的分布區重疊(圖4c)。在二維MDS判定圖中, 可清晰的看到江蘇沙脊南部與長江的距離最近(圖4d)。

圖4 鉀長石Pb同位素組成Fig.4 Pb isotopic composition of K-feldspar

4 討論

4.1 江蘇沙脊的物源

從碎屑鋯石U-Pb峰值年齡組成和形態、MDS判定結果、物質貢獻率和鉀長石Pb同位素組成來看, 江蘇沙脊北部的碎屑物質主要受到蘇魯—大別造山帶和魯中山區的共同影響(圖5)。黏土礦物、碎屑礦物和地表沉積物的粒度分析, 揭示了海州灣的沉積物主要來源于海岸侵蝕、再懸浮泥沙和附近河流物質的輸入, 而與黃河和長江的物質組成截然不同(Lu et al., 2015)。海州灣地區近海沉積物中的礦物組合分析結果表明, 近海海砂是河口-淺海環境共同作用的產物, 主要來源于蘇魯—大別造山帶的花崗巖、片麻巖和榴輝巖(湯倩等, 2021)。這與早期尹秀珍等(2007)的認識一致。江蘇沙脊北部位于海州灣西部, 無論現代黃河還是長江的物質在黃海沿岸流的影響下, 很難繼續攜帶碎屑物質向西進入其內(Li et al., 2014), 因而來自魯中山區和蘇魯—大別山的碎屑物質就近成為江蘇沙脊北部的重要物質來源。

圖5 江蘇沙脊的物質來源貢獻率圖Fig.5 Contribution rate of material sources of the sand ridges in Jiangsu Province

黃河、古黃河的碎屑物質對江蘇沙脊中部的物質組成起重要影響, 此外也受長江的物質影響(圖5)。尹秀珍等(2007)根據重礦物組合的結果, 發現江蘇沙脊中部的物質表現出多源性, 沉積物部分來源于黃河物質、長江物質及黑潮物質。粒度組成和主微量元素結果表明, 黃河和長江的物質共同主導了江蘇沙脊中部的物質組成(Lan et al., 2007; Rao et al.,2015; Yang et al., 2020; Cao et al., 2021)。稀土元素物源示蹤結果表明, 海州灣的物質對江蘇沙脊中部的物質影響較弱, 而黃河和長江的物質貢獻較大(Li et al., 2017)。江蘇沙脊中部的全巖Sr-Nd、石英O同位素與古黃河、黃河和長江吻合, 而與朝鮮半島的河流截然不同(Rao et al., 2017; Li et al., 2023a,b)。所以, 江蘇沙脊中部的物質組成以近源的黃河、古黃河和長江的物質為主。

黃河、魯中山區和蘇魯—大別造山帶的碎屑物質對江蘇沙脊南部的物質組成的影響較弱, 而其物源主要來自長江(圖5)。重礦物和黏土礦物組成表明,江蘇沙脊南部的物質主要來自長江(Wang et al.,2012)。碎屑鋯石U-Pb年齡、重礦物組合物源示蹤的結果支持江蘇沙脊南部的物質主要受控于長江(Su et al., 2018; Shang et al., 2021; Sun et al., 2023)。因而, 隨著遠離古黃河和黃河, 江蘇沙脊南部的物質更多的受長江物質的影響。所以, 面積廣大的江蘇沙脊的碎屑物質組成不均一。

4.2 江蘇沙脊的形成機制

黃河完全貫通的時代要追溯到早更新世(Liu et al., 2020)。而長江下游在晚上新世—早更新世也穩定出現在南黃海(Zhang et al., 2019)。碎屑鉀長石Pb同位素(林旭等, 2022a)和鋯石U-Pb年齡(Nie et al.,2015)物源示蹤結果表明, 黃河下游物質主要受控于黃土高原(圖6)。碎屑鉀長石Pb同位素(Zhang et al., 2022)、鋯石U-Pb年齡(He et al., 2013; 林旭等,2022c)和磷灰石Sr同位素(林旭等, 2022d)物源示蹤結果表明長江的物質主要來自于龍門山(圖6)。黃河和長江的中、下游都受到亞洲夏季風的影響, 豐沛的降水加上各自流域內存在的地勢差異, 二者成為亞洲大陸與西太平洋碎屑物質的傳送帶(Yang et al.,2003; Qiao et al., 2017)。受西太平洋板塊向西俯沖的影響, 中生代和早新生代形成的拉張斷陷盆地在晚新生代進入坳陷階段, 成為容納黃河和長江的物質儲場(Suo et al., 2020)。在第四紀冰期, 我國東部的陸架海的海平面下降幅度超過120 m(趙希濤等,1979), 這導致黃河和長江的侵蝕基準面隨之下降,進一步增強了黃河和長江的向源侵蝕, 黃河和長江搬運碎屑物質深入中國東部大陸架(Li et al., 2002,圖6a)。因而在黃河下游發育華北平原, 在長江下游發育長江中下游平原。這說明黃河和長江為中國東部陸架提供了豐富的碎屑物質。

圖6 江蘇沙脊形成過程復原圖Fig.6 Reconstructed map of sand ridge formation in Jiangsu Province

南黃海為南北向延伸的負地形, 東西方向地形不對稱, 西部為寬緩、平坦的平原地形, 平均坡度約為0.21‰, 東側相對陡窄, 平均坡度約為0.35‰(孔祥淮等, 2022; 圖5)。這樣的地形有利于保存來自我國內陸的大型河流的沉積卸載。而南黃海東部的朝鮮半島附近的海岸則沒有發育大型沙脊(圖5),一是因為朝鮮半島的河流流域面積小, 提供的碎屑物質量少; 二是因為陡傾的海底地貌特征不利于碎屑沉積物堆積。第四紀的氣候交替出現冰期和暖期,暖期對應著高海平面(趙希濤等, 1979)。尤其是末次冰期結束后, 我國東部陸架海再次出現(趙希濤等,2017; 圖6b), 在南黃海西部的陸架上積累的豐富的碎屑物質經過海洋動力過程, 例如潮汐、涌浪和沿岸流等的影響, 逐漸發育輻射狀的沙脊形態(Li et al., 2001; Liu et al., 2010; Shang et al., 2021)。在沿岸流的作用下, 黃河和長江的碎屑物質的持續補給,成為維系這些沙脊繼續存在的物質基礎(Wang et al.,2012; Rao et al., 2015; Yang et al., 2020; Li et al.,2023a)。因而, 江蘇沙脊的發育首先是黃河和長江從東亞內陸搬運了豐富的碎屑物質。這些碎屑物質的產生體現了亞洲季風(大氣圈)、地表徑流(水圈)和地勢階梯(巖石圈)之間的相互作用。其次, 南黃海西部平坦的地形為江蘇沙脊的碎屑物質的保存提供了地貌條件。再者, 末次冰期以來的海平面上升,為輻射沙脊的出現提供了外部動力條件。總體而言,江蘇沙脊的出現體現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。

5 結論

通過我們先前發表的碎屑鋯石和鉀長石Pb同位素數據, 結合研究區發表的相關結果, 經過系統分析后, 得到如下結論:

(1)江蘇沙脊北部的物質主要來自大別山和魯中山區的碎屑物質; 沙脊中部的物質組成受古黃河、黃河和長江的共同影響; 沙脊南部的物質主要來自長江。江蘇沙脊的整體物質組成不均一。

(2)江蘇沙脊的出現首先得益于黃河和長江這樣的大陸尺度的大河搬運了豐富的碎屑物質到下游,南黃海西海岸的平坦地形有利于保存這些碎屑物質,末次冰期后東亞陸架海持續對其改造, 體現了河流-海洋在塑造河口-海岸地貌中的交互作用。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No.41972212), and Hubei Province (No.8210403).