早更新世晚期松花江水系袭夺：地球化学和沉积学记录

水系演化重建是恢复区域构造历史及古环境变化的重要方法。松花江作为中国七大水系之一,其水系演化的相关研究目前还比较薄弱,尤其是第四纪松花江中- 上游是否存在流向反转尚无准确结论。沉积物是河流地质过程的直接产物,是水系演化研究的关键。为此,本研究对哈尔滨荒山钻孔岩芯(HS)进行了磁化率、古地磁和元素地球化学组成分析。结果表明,岩芯62. 3 m(0. 94 Ma B. P. )处,沉积物的岩性、磁化率及元素地球化学组成均发生显著变化。岩芯沉积物岩性在62. 3 m上下发生明显变化,是河流沉积两个沉积旋回的转折点。62. 3 m以下地层的磁化率极低,基本为0,且变化幅度极低,元素地球化学组成则急剧波动,并表现出与现在松花江哈尔滨段下游水系(岔林河、蚂蜒河和牡丹江)相近的地球化学组成;然而,62. 3 m以上地层的磁化率突然升高(99. 673×10-8 m3 kg-1),并具有周期性的高低变化。元素组成呈现稳定的小幅变化,并表现出与拉林河、嫩江和松花江吉林段相近的地球化学组成。0. 94 Ma B. P. 沉积物物源的变化表明河流流向发生了显著变化,松花江中上游河段流向曾在此时发生反转。地球化学记录的水系反转也得到了河流阶地地貌和沉积学证据(砾石的粒径和排列方向)的支持。早更新世早- 中期,以佳- 依分水岭为界,松花江中上游(肇源- 依兰河段)河流自东向西流入松嫩湖盆,松花江下游向东流经三江平原;早更新世晚期,受构造- 地貌- 气候耦合作用的影响,佳- 依分水岭持续抬升,而三江平原一侧不断下沉,佳- 依分水岭两侧河流发生溯源侵蚀,最终导致佳- 依分水岭在0. 94 Ma B. P. 被切穿,松花江中上游水系被下游水系所袭夺,河流流向发生反向,自西向东流经依佳峡谷进入三江平原,现代松花江水系逐渐建立。本研究有助于我们加深对松嫩平原水系演化的理解,为探索东亚水系演化的一致性和区域差异性提供研究证实,同时对松花江流域自然资源禀赋的调查乃至国土空间开发利用具有重要实践意义。     

哈尔滨荒山岩芯重矿物特征对松花江第四纪水系演化的指示

松花江水系演化研究对于理解该区域的构造-气候-地貌演化具有重要意义,但其研究相对较为薄弱,特别是对于第四纪松花江中上游流向是否存在反转,一直存在争论,也没有确切的证据。河流沉积物是河流地质过程的产物,是研究水系演化的重要地质档案。对哈尔滨荒山岩芯（深度101.11 m,底界年龄1.68~1.70 Ma）沉积物进行了古地磁、磁化率和重矿物分析,结果表明：岩芯62.3 m（0.94 Ma）深度的上、下地层的磁化率和重矿物特征存在明显不同。62.3 m以下地层的磁化率极低（甚至为0）,且重矿物特征和依兰方向的河流相近;而62.3 m以上地层的磁化率突然增大,并呈现出周期性的高低变化,重矿物特征与松原方向的现代河流相似。磁化率和重矿物组合特征反映的沉积物物源变化指示了松花江中上游水系的反转。早更新世早期,松花江肇源-依兰段的水流从依兰方向向西注入松嫩湖盆;早更新世中晚期,佳依分水岭不断抬升,三江平原和松嫩平原不断下降,导致分水岭两侧河流溯源侵蚀加剧;在0.94 Ma B.P.,佳依分水岭被切穿,松花江水流发生反转,自西向东流经佳依峡谷进入三江平原。

     

松花江早更新世水系演化:来自TIMA矿物和地球化学的证据

水系演化研究是揭示流域地貌—构造—气候演化之间相互作用的重要途径。松花江水系演化研究目前还相对薄弱,尤其是第四纪松花江中上游是否发生流向反转存在争议。自动定量矿物分析系统TIMA(TESCAN Integrated Mineral Analyzer)在源区识别和古地理重建方面有极大的应用潜力。为此,本文利用TIMA技术对位于松花江T2阶地的哈尔滨荒山岩心沉积物进行重矿物及全岩矿物地球化学组成分析。结果表明,以深度62.3 m为界,岩心上、下地层沉积物的重矿物(例如,锆石、磷灰石、金红石、榍石、石榴石、钛铁矿、铁磁矿物和硅铁矿)及全岩矿物地球化学组成均存在明显差异。62.3 m以上地层沉积物的重矿物组合是闪石类+帘石类+榍石+铁磁矿物,硅铁锂钠石在上段地层中出现,全岩矿物地球化学元素较为稳定,波动幅度较小;62.3 m以下地层沉积物的重矿物组合是闪石类+帘石类+钛铁矿+榍石,方解石、铬铁矿、蛇纹石、黄铁矿和磁黄铁矿仅在下段地层中出现,全岩矿物地球化学元素波动幅度较大。TIMA重矿物和全岩矿物地球化学组成反映了岩心沉积物的物源发生明显变化,进而指示了松花江的水系演化。结合在依兰发现的河湖相地层,我们提出了松花江水系演化的新模式。早更新世时期,佳依(佳木斯—依兰)分水岭将松嫩水系和三江平原水系分隔开,作为松花江上游的牡丹江向东流经依兰—通河—哈尔滨,最终注入松嫩古湖。在0.94 Ma B. P.之后,松辽分水岭局部隆升,古松花江发生反转,从西向东流至通河—依兰地区形成古大湖。湖泊水位不断升高致使湖水溢流切穿佳依分水岭,形成现代松花江水系的基本格局。这挑战了以前的向源侵蚀导致佳依分水岭被切穿的水系演化模式。     

松嫩沙地Sr?Nd同位素组成特征

作为亚洲风尘源区的中国北方干旱—半干旱地区的Sr?Nd同位素组成已得到很好的研究,但位于欧亚黄土带最东端的松嫩沙地尚是空白,这影响了对该地区风尘系统的深入理解。为此,系统采集了松嫩沙地19个区域90个河流沙和风成沙样品,并对这些样品进行了分粒级处理（<63 μm、63~30 μm、30~10 μm、<10 μm和<30 μm）。对116个分粒级子样的酸不溶物（硅酸盐组分）进行了Sr?Nd同位素组成的测定。研究结果表明,松嫩沙地可划分出两个大区（嫩江水系和松花江水系）和七个小区,嫩江水系沉积物的Nd同位素组成显著高于松花江水系,而Sr同位素组成明显偏低。松嫩沙地8个剖面纵向上的同位素特征显示,Sr?Nd同位素组成存在“时间效应”,即随时间发生了明显变化,表明了源区地球化学组成的不稳定性。分粒级组成表明,粒度对87Sr/86Sr比值的影响很小,但对Nd同位素组成有明显影响,且存在Nd同位素比值富集在粗颗粒组分中的趋势,这与以往的研究结果不同。无论是地质历史时期还是现在,嫩江水系沉积物（大庆、杜蒙、齐齐哈尔、泰来、白城）对哈尔滨粉尘的贡献都很小。哈尔滨黄土与现代尘暴粉尘有不同的物源,哈尔滨黄土是春季尘暴天气作用的产物,有一个混合源,松花江水系沉积物（扶余、德惠、榆树等地）是哈尔滨黄土的主要粉尘源区,内蒙古中东部的沙地也为哈尔滨黄土贡献了部分的细颗粒粉尘。     

物源—河流过程—化学风化对松花江水系沉积物重矿物组成的影响

松花江水系作为我国七大水系之一,对其沉积物组成的深入探究对揭示源区控制因素和沉积物的搬运—沉积过程具有重要意义。重矿物蕴含着源岩母岩的重要信息,是解开由源到汇过程和物源示踪的重要工具。为了评估物源、河流过程和化学风化对重矿物组成的影响,我们从松花江水系干流和支流的边滩以及阶地共取32个样品,进行分粒级（<63 μm、63～125 μm和125～250 μm）的重矿物分析。结果表明,松花江水系源区母岩信息在嫩江各支流（诺敏河最为典型）的重矿物组成中得到很好的反映,但在嫩江干流中没有得到反映,这表明物源对重矿物组成的控制受到河流过程的影响。松花江水系的重矿物组成以角闪石、绿帘石、钛铁矿和榍石为主。河流沉积物的重矿物组成主要富集在63～125 μm组分,同一河流的不同河段的重矿物组成存在显著差异（巴兰河尤为典型）,表明了河流搬运—沉积过程对重矿物组成起到重要控制。哈尔滨松花江T2阶地沉积物（弱风化）的重矿物组成基本保留了现代河流砂特征,讷谟尔河T1阶地沉积物（中等风化）的重矿物受到一定程度的改造,而受到严重化学风化影响的通河松花江T3阶地的重矿物组成已遭受严重破坏,不稳定矿物（角闪石和辉石）以及蕴含的母岩信息已完全消失,表明了重矿物组成明显受到沉积物化学风化程度的影响。由于源—汇过程中重矿物的混合和由此导致的稀释作用,使得沉积物携带的物源信息经过长距离搬运之后逐渐变得模糊。因此,我们认为,在进行河流重矿物源—汇过程研究中,宽粒度分析窗口和足够多的样品数量需要考虑以充分获取源区完整的重矿物组成信息。同时,在利用河流阶地重矿物组成进行源—汇联系和古水系演化研究时,需要首先评估阶地沉积物的化学风化程度。     

湘西渣滓溪钨锑矿床白钨矿的Sm-Nd和Sr同位素地球化学

渣滓溪钨锑矿床位于湘西雪峰山弧形构造带的中段,是我国典型的脉状充填型锑矿床。本文对渣滓溪矿区不同产状产出的白钨矿进行了Sm-Nd和Sr同位素研究。研究表明,渣滓溪矿区白钨矿Sm/Nd变化范围相对较宽（0.36~0.63）,143Nd/144Nd为0.51211~0.51288;在147Sm/144Nd-143Nd/144Nd图解中,该矿白钨矿样品没有明显的线性分布趋势,无法厘定出该矿的准确成矿时间。该矿白钨矿的Nd(t)明显可分为两组（-10.2~-14.7和-3.79~+0.01）,其成矿流体中的Nd主要有两个来源,一部分可能来自晚元古代地层或下伏陆壳基底的碎屑岩,另一部分很可能与冷家溪群的基性、超基性岩有关。与Nd同位素不同,渣滓溪成矿流体中Sr同位素组成均一化程度较高,该矿白钨矿87Sr/86Sr为0.7304~0.7329;该矿这种明显富放射成因87Sr的成矿热液,排除了成矿流体来自海水和赋矿围岩作为唯一矿源层的可能性,下伏陆壳的结晶基底很可能是这种高放射成因Sr的提供者。沃溪和渣滓溪矿区白钨矿Sr-Nd同位素组成的对比研究表明,两矿区的成矿物质来源有所不同,前者应来自一种更古老、更成熟、更富放射成因Sr的下伏陆壳基底。     

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。     

8Ma以来黄土高原风尘堆积的物源变化与上地壳演化的关系

第三纪的红粘土和第四纪黄土同为风成沉积,二者是否有相同的物质来源?长尺度风尘的加积与上地壳演化之间有怎样的联系?二者均是非常重要的科学问题.由于Sr, Nd同位素可以有效示踪沉积岩的物质来源,我们近年研究了8Ma以来黄土高原泾川剖面红粘土-黄土序列《20靘的细粒硅酸盐组分的Sr, Nd同位素变化.结果表明:1)黄土高原的黄土与北太平洋中部的硅酸盐组分的Nd同位素组成非常接近,二者应在一定程度上具有相似的物质来源,即来自蒙古国南部及中国境内的戈壁、沙漠地区,所不同的是前者由近地面风搬运,而后者为远距离输送的风尘;2)Sr同位素在8.00～2.58Ma期间呈现略为增加的趋势,应当与红粘土的来源物质经受了较长时间的化学风化有关,而Sr同位素自2.58Ma以来的显著降低趋势与第四纪时期黄土-古土壤的物质来源和第三纪红粘土不同有关,新构造运动使更多相对年轻的造山带褶皱成山,第四纪冰期来临使更多高海拔的年轻造山带遭受剥蚀而成为黄土的来源物质,这是导致黄土、红粘土物源不同的重要原因.     

青藏高原东缘晚新生代成都盆地物源分析与水系演化

成都盆地位于青藏高原东缘,夹于龙门山与龙泉山之间,盆地中充填了3.6Ma以来的大邑砾岩、雅安砾石层和晚更新世—全新世砾石层,其物源均来源于盆地西侧的龙门山,具横向水系和单向充填的特征。本次以物源区分析作为切入点,以岷江和青衣江水系为重点,采用砾岩成分分析、砂岩岩屑成分分析、重矿物分析和砾石的地球化学分析等基本方法,开展青藏高原东缘晚新生代以来的古水系重建工作,研究结果表明,成都盆地主要有两个物源区,其中成都盆地北部的都江堰街子场、崇州白塔山、大邑白岩沟、大邑氮肥厂、彭州丁家湾、彭州葛仙山等剖面中的砾石层在碎屑成分、重矿物和花岗岩砾石的地球化学成分等方面相似,应为古岷江的产物,而其与现代岷江在砾岩成分和重矿物特征等方面的差异性则表明古岷江可能存在改道的现象;成都盆地南部的庙坡剖面和熊坡东剖面中的砾石层在碎屑成分、重矿物和花岗岩砾石的地球化学成分等方面相似,应为古青衣江的产物,但其流向却与现代青衣江的流向不同,表明熊坡背斜是在大邑砾岩沉积之后隆起的,它的隆起迫使古青衣江改道。     

元素地球化学揭示的长江中游鄱阳湖地区中更新世以来粉尘堆积的物源特征及其环境意义

位于长江中游的鄱阳湖地区深受东亚季风影响,因其特殊的地理、地貌与水文、水系特征,自中更新世以来随着冬季风的加强,在大姑组、九江组砾石层之上风成堆积广泛发育。该区域中、上更新统表现为网纹红土、均质红土和下蜀黄土的独特沉积序列,厘清这三套独特沉积序列的物质来源对于我们认识东亚季风演化及其区域环境响应至关重要。本文选择了长江中游鄱阳湖地区10个典型剖面,基于<20μm颗粒组分的元素地球化学特征,研究了该地区中、上更新统粉尘堆积的特点,并将其与黄土高原西峰黄土和东秦岭黄土做了对比分析。研究认为,长江中游鄱阳湖地区这套独特的沉积序列,元素特征基本相似,具有贫Co、Pb,富Zr、Hf,低Eu/Eu^*(0.53~0.62)、LaN/YbN(4~8)、Ta/Zr(0~0.006)、Nb/Zr(0~0.09),高Y/Ho(28~30)、Zr/Hf(36~48)等特点,与黄土高原与东秦岭黄土有显著区别。基于Hf-Th-Co、Th-Sc-Zr/10和Th-Sc-La蜘蛛图投影分析,鄱阳湖地区第四纪粉尘物质的源岩接近于石英岩类,为被动大陆边缘构造背景下的产物,显著区别于黄土高原与东秦岭黄土(源岩接近于页岩,形成于大陆岛弧构造背景)。进一步分析认为,网纹红土、均质红土的母质均与区域下蜀黄土类似,推测它们均来自于其冬季风上风方向的长江或赣江的古河谷漫滩,这套独特的沉积序列是第四纪以来长江中游现代格局的水系贯通后,冬季风增强,吹蚀大江大河广阔的古河谷漫滩而形成的区域粉尘堆积的结果;是湿热的亚热带季风区对于中更新世以来在轨道尺度上冬夏季风均加强的背景下独特的区域响应。