中新世黄河水系演化重建：来自钾长石Pb同位素的约束

自剥蚀地貌中形成的剥蚀产物搬运到沉积区或汇水盆地沉积下来的过程,称为“源-汇”系统。从这些“汇”中识别“源”的信息,结合地层的沉积时代,约束黄河的形成时代、水系格局演化、流域内构造运动以及环境变迁成为黄河水系演化研究的重要内容。然而,时至今日学者们对黄河何时出现的认识并不一致,存在“中新世内流黄河和中新世外流黄河”之争。为了解决这些争议,我们运用大河物源示踪研究中新兴的碎屑钾长石Pb同位素方法,对黄河中下游沉积物开展碎屑钾长石Pb同位素分析(n=378),将其与长江中下游和华夏板块已报道的碎屑和基岩钾长石Pb同位素结果进行对比,结果表明三者之间的钾长石Pb同位素组成明显不同。台湾岛是中国东部陆架海中新世地层出露最齐全的地区。因而,我们将黄河中下游与台湾岛中新统的钾长石Pb同位素比值进行对比,结果表明二者之间不存在物源联系。结合中国东部渤海湾盆地、南黄海盆地和东海盆地中新统的物源示踪研究结果,说明黄河物质在中新世未流入上述盆地。总体而言,中国北方中新世的构造活动控制了黄河的演化过程,导致其此时处于分段演化阶段。     

长江沉积物源示踪研究进展

近期物源分析方法发展较快,包括稀土元素、同位素地球化学与单颗粒碎屑矿物微区分析方法的广泛运用,以及分不同粒级组分或根据需要选择特定粒级组分进行物源分析逐渐代替了全样分析法,物源示踪效果得到明显的提高。长江作为连接青藏高原与西太平洋边缘海的最重要水系,河流沉积物从源到汇的现代与历史过程备受关注。长江沉积物源示踪研究进展包括:①建立和运用河流入海沉积物示踪端元模型,定性或定量地分析长江沉积物在海域的扩散与沉积分布规律,倾向于运用细颗粒组分矿物学、元素与同位素地球化学等方法,研究程度较高,今后需注意各端元值的时空变化,及受沉积过程的分异作用与早期成岩作用的影响;②建立和运用不同支流的物源示踪模型,研究晚新生代以来长江水系的演化历史,倾向于运用粗颗粒组分的物源分析方法,尤其是单颗粒碎屑矿物微区分析。由于长江流域面积巨大、区域地质复杂,建立支流域的精细物源分析指纹特征尚处在探索阶段,需注意运用碎屑锆石U-Pb定年与稀土元素、Hf同位素组成的综合物源分析法。综合运用多种物源分析法于长江中下游和三角洲盆地若干钻孔地层的研究,已较好地限定长江贯通的时间约在上新世晚期—早更新世之间,但仍存在较大争议,今后需在一些关键区域开展更多的深钻研究,提高物源精细示踪的效果、晚新生代地层测年的精度,并加强钻孔间的的对比研究。     

中国北部陆架海碎屑锆石U- Pb年龄和钾长石主微量元素物源示踪研究

渤海湾盆地每年沉积大量的河流碎屑物质,但其中的砂级物质能否迁移扩散到胶东半岛海湾内一直不清楚。锆石和钾长石分别是河流沉积物中常见的副矿物和主要造岩矿物之一,由于各自的U- Pb年龄和地球化学元素组成在不同区域内存在显著差异,是进行物源示踪研究的理想矿物。基于此,本文利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪 (LA- ICP- MS) 对渤海湾盆地主要注入河流和胶东半岛的威海湾和银滩湾的海岸砂开展碎屑锆石 (n=438) 和钾长石 (n=160) 微区原位U- Pb年龄、Th/U比值和主微量元素分析,结果表明威海湾和银滩湾内的砂级沉积物的碎屑锆石以具有典型的新元古代峰值年龄 (697~735 Ma),缺乏古元古代和新太古代峰值年龄为特征,Th/U比值和胶东基岩接近,结合Kolmogorov- Smirnov 统计方法的多维判别图 (MDS),说明这些砂级碎屑物质的源区主要是以胶东半岛为源区的近源物质。而黄河口的碎屑钾长石原位(in situ) Na2O、K2O、Al2O3和Rb、Sr、Ba、Pb元素含量变化与刘公岛和银滩的海砂样品截然不同,进一步验证了上述碎屑锆石的研究结果。因而将碎屑锆石和钾长石原位地球化学分析相结合有助于精准判定物源关系,在今后中国北部陆架海物源示踪研究、渤海湾盆地盆山耦合研究中将具有良好的应用前景。     

北祁连北大河沉积物碎屑组成及物源正演分析

开展现代河流沉积物的物源分析正演研究,对厘清河流搬运分选过程对不同碎屑成分的影响、不同源区对汇区沉积物的贡献机制以及物源定量分析具有重要意义。对北祁连北大河与洪水坝河现代河流沉积物的物源开展了正演研究,结合砾石成分统计、重矿物分析和碎屑锆石U-Pb测年方法,分析了流域内不同物源对现代河流不同碎屑成分贡献的差异性。结果表明,两条河流沉积物的特征显示汇区不同碎屑成分对物源区岩性的反映各有侧重。其中砾石岩性能够反映整个流域的主要岩性;砂粒中的重矿物组合也可以反映源区主要岩性,且对重矿物含量较高的岩体或地层（如铁矿）十分敏感;碎屑锆石年龄谱反映了整个流域物源端元锆石的综合贡献,各年龄峰锆石占比与源区各年龄峰锆石贡献呈较好的正相关关系,其中源区沉积岩碎屑锆石的贡献比较显著。通过河流物源正演分析进一步建立现代河流源汇模式是实现物源量化分析的一个可行方向。     

碎屑岩物源研究进展与展望

沉积物物源研究作为沟通沉积盆地与剥蚀区的纽带,有助于恢复源区构造背景、估计沉积物搬运路径与距离、重建古水系和恢复沉积盆地充填演化历史等,在源-汇系统分析中有着非常重要的作用。传统的方法如岩石学、沉积学、重矿物和元素地球化学等方法在物源体系分析中起着重要的作用。随着同位素测试技术的进步,越来越多的碎屑矿物同位素测年开始大量地被应用到物源分析当中。近些年碎屑锆石测年被广泛地应用到沉积盆地物源体系恢复和古水系重建中,而针对碎屑矿物如金红石、独居石和磷灰石等的同位素测年也同样发挥着巨大的作用。多种矿物组合分析以及单矿物多重定年,可以更全面地恢复物源区的构造演化史,从而更准确地恢复构造演化与盆地充填过程之间的耦合关系。同时随着碎屑锆石U/Pb数据的日益增多,越来越多的数学和统计学方法开始被引入用于定量分析不同物源区对沉积区砂体展布的影响。现今和未来的物源分析将是不断引入新的研究技术、将传统方法与新技术的结合、从单一方法到多种方法的综合、从定性分析到定量化研究、从单一学科到多学科交叉的过程,从而更好地让我们认识沉积物在地表的剥蚀搬运沉积的整个过程。     

利用锆石形态、成分组成及年龄分析进行沉积物源区示踪的综合研究

通过盆地碎屑沉积物分析示踪源区,进而探讨区域构造演化已成为当前地学研究的热点。盆地沉积物中的锆石不但分布广泛,而且稳定性极强,因而能保存大量的源区信息。随着锆石裂变径迹及U-Pb年龄谱分析等新测试技术的发展,锆石的形态、成分组成及年龄分析已成为盆地沉积物源区示踪的重要探针。本文结合实例,介绍了目前在综合利用锆石的形态、成分组成及年代学特征进行物源示踪的一些主要进展。由于物源示踪的复杂性,在利用锆石进行物源示踪时,应充分了解区域地质背景,密切结合其它物源示踪方法。     

江汉盆地周缘主要河流沉积物碎屑磷灰石的微量元素特征及其物源判别指标分析

江汉盆地堆积的沉积物记录了长江演化的地质信息,一直是长江演化研究的热点,但目前的物源示踪方法存在诸多争议,因此寻找新的物源示踪指标是研究的重点.磷灰石是河流沉积物中常见的副矿物,其微量元素主要受原岩组成的影响而有良好的稳定性,在不同构造单元差异明显,是开展河流物源示踪研究的理想指示矿物.基于此,本文利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱(LA-ICP-MS)对江汉盆地周缘主要地表河流沉积物进行碎屑磷灰石原位微量元素分析,并结合Kolmogorov-Smirnov统计方法的多维判别(MDS)图解寻找区分长江上游与中游物源的新指标,并检验了特征元素指标在物源判别中的有效性.结果表明碎屑磷灰石的Sr/Y比值及Nd-Sm、Sm-Eu、Eu-Gd、La/Yb-La/Sm的微量元素双变量图解能有效区分长江上游和中游(汉江、湘江、沅江)的物源,可作为区分长江上游与中游物源的重要特征指标.综合研究认为:河流沉积物碎屑磷灰石的微量元素比值和稀土元素分布特征在贯通大河的物源示踪研究中具有重大潜力.     

微区原位普通铅同位素分析技术及其地质应用进展

应用激光剥蚀-多接收器电感耦合等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS)和二次离子质谱(SIMS)等分析技术进行微区原位普通Pb同位素分析是微区地球化学研究的重要内容之一.综述了矿物、熔体包裹体和沉积结核的微区原位普通Pb同位素分析技术及其地质应用的新进展.这些研究资料表明该分析技术在岩浆岩成因、沉积物物源示踪、地幔地球化学、古海洋学以及矿床学等的研究中提供了常规的全岩Pb同位素分析方法难以获得的重要信息,充分展示了该分析技术在地球科学研究中的应用前景.     

长江口晚新生代沉积物的物源研究: REE和Nd同位素制约*

长江三角洲地区第四纪以来堆积了200多米厚的碎屑沉积物,主要由河湖相和滨浅海相组成,构成了多个沉积旋回。选择长江口地区一个320m深的PD钻孔,运用多通道等离子体质谱MC ICP-MS方法,开展沉积物中的REE和Nd同位素组成分析,研究了上新世以来三角洲地区沉积物物源的变化。沉积物中REE和Nd同位素组成具有明显的变化规律,Ce呈弱的负异常,介于0.83~0.99之间,而Eu呈现中等亏损,在0.53~0.73之间变化。岩芯中上新统沉积物中Ce异常变化大,而Eu亏损相对第四系沉积物更显著。¹⁴³ Nd/¹⁴⁴ Nd比值在钻孔中变化较小,介于0.511975~0.5122367之间,平均值为0.512062。相关分析揭示粒度和化学风化对Nd同位素组成影响小。REE和Nd同位素判别图解揭示河口地区上新统沉积物主要来自长江流域中、下游的近源物源区,而第四系沉积物的物源虽然存在一定的变化,但是总体上与上新统沉积物来源明显不同,主要来自更广泛的流域物源区,尤其是长江上游的风化物质被大量输运到河口三角洲地区。在第四纪构造和气候因素控制下,古长江水系具有不同的演化阶段,流域源岩经历的风化作用强度也不同,因此河流沉积物的源汇过程也相应地发生变化。     

黄河碎屑物质和中国西北沙漠/沙地存在物源联系吗？

在中国西北内陆分布着面积广大的沙漠/沙地,确定其物质来源对理解这些沙漠的形成和发育至关重要.尤其对腾格里沙漠、河东沙地、毛乌素沙漠、乌兰布和沙漠和库布齐沙漠的碎屑物质是来自远源的黄河还是近源源区的争议较大.鉴于此,对沙漠中广泛存在的碎屑钾长石进行了554颗原位Pb同位素分析,结合黄河上游已经发表的钾长石Pb同位素数据,判定二者之间是否存在物源联系.综合区域内已发表的物源示踪结果,表明黄河上游的碎屑物质对腾格里沙漠的影响主要集中在有限的局部区域,未深入到沙漠腹地;黄河上游物质和河东沙地、毛乌素沙漠、乌兰布和沙漠和库布齐沙漠不存在物源联系.中国西北内陆这些沙漠/沙地的物质主要以近源物质为主,是对早更新世以来青藏高原隆升和气候干旱的沉积响应.      

长江上游水系沉积物锶-钕同位素组成及物源示踪

泥沙资料表明,现代长江干流沉积物主要源自上游地区。因此,长江上游干支流沉积物主控关系及其源汇过程在长江水系沉积物物源示踪研究中极为重要。为探讨上述过程,详细测定了上游水系沉积物Sr-Nd同位素组成。结果显示,金沙江及闽江沉积物具有较高的εNd(0)值,主要受控于流域内大面积分布的峨眉山玄武岩的高εNd(0)背景值;嘉陵江水系沉积物具有相对较低的εNd(0)值,反映了其流域内源岩对沉积物Nd同位素组成的控制;与Nd同位素组成相比,水系沉积物87Sr/86Sr值具有更大的变化范围,表明除源岩因素外,沉积物Sr同位素组成受更为复杂的因素制约。支流与干流沉积物Sr-Nd同位素组成对比表明,长江上游干流沉积物主要来源于金沙江流域内的源岩,金沙江流域内的表壳岩系主导了上游干流沉积物的Sr-Nd同位素组成。     

渤海钻孔物源示踪和河流沉积物扩散研究:碎屑锆石U-Pb年龄和磷灰石原位地球化学元素双重约束

锆石和磷灰石是河流沉积物中常见的副矿物,由于各自的U-Pb年龄组成和原位地球化学元素组成在不同区域内存在显著差异,是进行河流物源示踪研究的理想矿物。基于此,利用在环渤海湾盆地主要汇入河流已发表的碎屑锆石U-Pb年龄,结合盆地晚第四纪钻孔的近地表碎屑物质的锆石U-Pb年龄,综合Kolmogorov-Smirnov统计方法的多维判别图（MDS）,系统对比分析了辽东湾、渤海中央盆地和莱州湾的物质来源。结果显示,辽东湾的物质主要来自辽河;渤海中央盆地和莱州湾的碎屑物质主要来自黄河。同时,利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（LA-ICP-MS）,对黄河下游（n=70）、胶东半岛的威海湾（n=120）、银滩湾（n=60）的现代河流沉积物和海岸砂开展了碎屑磷灰石微区原位（in situ）主微量元素分析。结果发现黄河与威海湾、银滩湾的碎屑物质不存在物源关系,结合该区域碎屑钾长石原位主微量元素的已有分析结果,进一步说明黄河与胶东半岛的海湾内的碎屑物质不存在物源关系。新的研究结果表明,将碎屑锆石、磷灰石原位地球化学分析相结合有助于更精准地判定河流的物源关系。      

沉积再循环碎屑锆石的地质意义及其识别——以长江流域的碎屑物源研究为例

碎屑锆石U-Pb年代学分析被广泛应用于限定地层沉积时代、重建沉积物源和古地理格局,结合Lu-Hf-O同位素的分析可以进一步制约地壳生长演化历史。锆石在地表过程中具有极强的稳定性,沉积再循环的碎屑锆石长期以来被认为广泛存在于各类碎屑沉积岩中,对碎屑锆石的数据解读产生重要影响,但是目前还没有简单直接的方式进行有效识别。本文对沉积再循环作用和再循环碎屑锆石判别手段的原理和相关地质应用做了简要总结,包括碎屑矿物结构、岩石化学成分、锆石多同位素年代学分析、多种碎屑副矿物联合示踪和放射性损伤评估等方法,评述了不同方法的优劣和适用条件。本文以长江流域的碎屑物源研究为例,使用源归一化的辐射剂量（α-dose）评估流域内再循环碎屑锆石的存在及其对物源重建的意义。我们强调基于碎屑锆石的研究应该综合区域的沉积记录和岩浆构造历史,考虑沉积再循环作用对数据解读的可能影响,为碎屑锆石数据赋予更加合理的地质解释。     

南海北部盆地新生代物源对周边主要河流演化的响应

源汇系统（Source- to- sink system）是将物源区的构造剥蚀、沉积物输送区的沉积物搬运和沉积区的沉积物堆积等视为一个完整系统。沉积物的源区恢复和附近水系重建是源汇研究的热点问题，沉积物碎屑锆石U- Pb定年是源汇系统研究的有效方法之一。南海北部与其周边地区构成了一个完整的源汇系统，通过源汇分析可获得南海北部各盆地沉积物来源及周边主要河流的演化历史。本文通过总结前人在南海北部主要盆地新生代沉积物碎屑锆石U- Pb研究成果，探讨珠江、红河和昆莺琼古河的新生代演化历史。珠江最早的支流北江和东江形成于早渐新世，晚渐新世溯源到西江上游的红水河、左江和右江，中新世溯源到西江中游柳江、桂江和上游的北盘江、南盘江。在晚白垩世—古近纪红河属于青藏高原东缘大型向东南或向南流河流的一部分，之后由于地貌变化形成现今红河。昆莺琼古河在早渐新世开始发育影响到珠江口盆地，在晚渐新世昆莺琼古河雏形已经基本形成，中新世起昆莺琼古河可能向西有一定程度的退缩。     

云贵高原河流水系演化与高原形成过程——基于现代河流沉积物示踪

云贵高原是进行现代河流沉积物分析示踪的天然实验室,研究其现代河流沉积物的对于认识青藏高原东南缘隆升与新生代地形形成演化具有重要意义。通过对云贵高原长江和珠江支流7件河流砂样重矿物分析、聚类分析和ATi与GZi等研究,揭示出长江流域河流沉积物呈现出搬运距离远,物源种类多,经历复杂次生作用等特点,明显区别于珠江流域河流沉积物搬运距离近、物源种类单一和近源等特点。珠江流域上游红水河物源与长江具有一定继承性,新生代晚期,由于青藏高原东向扩展生长与大型走滑断裂活动导致和河流水系特征,同时南盘江流域发生反转、袭夺,最终形成现今云贵高原"西高东低"地貌及其河流水系。     

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

研究源-汇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。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脊,是进行沉积物源-汇过程研究的理想沉积记录之一。但目前对其物源区来自哪里还未达成共识。我们利用已发表的碎屑锆石U-Pb年龄和钾长石Pb同位素数据,结合江苏沙脊及其周缘区域的数据结果,详细厘定江苏沙脊的物源区,并运用蒙特卡罗反演模型定量评估江苏沙脊潜在物源区对其物质贡献率。结果表明江苏沙脊北部的碎屑物质主要受大别山(45%)和鲁中山区(24%)的共同影响;黄河(29%)、古黄河(27%)和长江(25%)的碎屑物质对江苏沙脊中部的物质组成起重要影响。江苏沙脊南部的物源主要来自长江(68%)。江苏沙脊的出现得益于黄河和长江这样的大陆尺度的大河搬运了丰富的碎屑物质到下游,南黄海西海岸的平坦地貌有利于保存这些碎屑物质,末次冰期后东亚陆架海动力过程(潮汐、海浪和沿岸流等)持续对其改造,这体现了河流-海洋在塑造河口-海岸地貌中的交互作用。     

碎屑白云母~(40)Ar-~(39)Ar示踪及在长江贯通研究中的应用探讨

使用碎屑白云母40Ar-39Ar年代学示踪方法研究长江贯通是一种新探索。在分析这一方法示踪的基本原理之后,讨论了碎屑白云母40Ar-39Ar年代学方法在判别沉积物物源、研究水系演化和计算源区剥蚀速率等方面的一些应用,然后从取样位置的选择、样品的采集与处理以及上游源区白云母40Ar-39Ar年龄分布等方面就这一方法应用于长江贯通研究的可行性进行了探讨。研究这一问题的思路是:先整理源区白云母40Ar-39Ar年龄分布,再分析盆地沉积物中碎屑白云母年龄分布在垂向的变化,最后对比这两种年龄分布的关系来制约长江贯通时间。     

石英ESR法物源示踪:认识与进展

石英ESR法物源示踪是一种新发展的沉积物源示踪方法。目前,用于沉积物源示踪研究的石英ESR信号心主要有热处理E'心,自然E'心、Al心和Ti心。从研究实例来看,热处理E'心、是物源示踪研究运用最广泛和最成熟的;自然E'心具有很好的应用前景;Al心和Ti心的物源示踪指示意义还处于实验观察和理论探索阶段。从研究对象来看,该方法已成功应用于东亚粉尘主要源区、黄土高原物源时空变化特征、日本群岛风成沉积物源时空变化特征及日本海沉积物源示踪的研究当中。此外,石英ESR法物源示踪在定量或半定量分析河流沉积物源示踪中也表现出了较好的应用前景。随着石英ESR测年技术的不断提高,该方法将在恢复区域性构造运动、地貌演化以及重建区域性的气候演化历史等方面具有独特的优势。     

现代长江沉积物地球化学组成的不均一性与物源示踪

长江沉积物从源到汇过程研究的关键是揭示长江沉积物的组成特征,准确识别其时空组成变化规律,这也是东部边缘海海陆相互作用研究和长江水系构造演化研究的关键.本文研究一些常用的元素地球化学参数在现代长江水系的河漫滩和悬浮沉积物中组成的时空变化特点.在稀土元素(REE)组成上,下游近河口段干流悬浮沉积物在季节性时间尺度上比较稳定,可以代表现代长江入海沉积物的平均组成,而长江主要支流和干流间REE组成变化较大,化学相态分析可以更好地揭示特定物源区的REE组成特征以及由矿物分异引起的REE参数变化.相比REE而言,悬浮物中Al/Ti与Zr/Rb比值更能敏感地指示不同物源区的源岩组成信息,且减弱水动力分选引起的粒级和矿物分异影响.长江入河口的干流悬浮物作为整个流域风化剥蚀细颗粒物质的平均混合,具有更好的源区平均组成的示踪特性;但在不同季节也存在不同的主导性源区,主要受控于流域内季风降雨区的迁移.在河流沉积物源汇过程重建中,要特别关注流域物质风化和输运的自然过程可能引起的这些地球化学参数变化.     

海洋沉积物的锌同位素地球化学及其应用

锌同位素体系是海洋地球化学研究的新示踪剂,应用于示踪海水中锌元素的来源及其运移过程.海洋沉积物作为锌元素重要的"源"与/或"汇",其锌同位素组成的研究有助于理解海洋锌元素的地球化学循环.海洋沉积物记录了海水组成的信息,可以反演古海水锌同位素组成的变化,前提是理解沉积物与海水之间的分馏.对海水及海洋不同储库锌同位素研究进行系统总结,包括河流输入、热液体系、不同类型海洋沉积物(如富碳酸盐的沉积物、陆源硅酸盐碎屑、硅质沉积物、铁锰结核、贫氧-缺氧沉积物)的锌同位素组成,阐述了海洋沉积物锌同位素组成变化在古气候、古环境重建以及古海洋学等领域的应用以及重要性.