引用本文
李亚伟, 李长安, 张玉芬, 林旭, 王节涛, 孙习林, 魏传义, 郭汝军, 冷勇辉. 长江流域碎屑锆石U-Pb年龄物源示踪研究进展[J]. 地震地质, 2019,41(2): 521-544.
LI Ya-wei, LI Chang-an, ZHANG Yu-fen, LIN Xu, WANG Jie-tao, SUN Xi-lin, WEI Chuan-yi, GUO Ru-jun, LENG Yong-hui. PROGRESS OF DETRITAL ZIRCON CHRONOLOGY IN SEDIMENT PROVENANCE STUDIES IN THE YANGTZE RIVER BASIN[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(2): 521-544.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.02.016
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长江流域碎屑锆石U-Pb年龄物源示踪研究进展
李亚伟1, 李长安1,2,*, 张玉芬3, 林旭4, 王节涛5, 孙习林6, 魏传义1,7, 郭汝军1, 冷勇辉1
1)中国地质大学(武汉), 地球科学学院, 武汉 430074
2)中国地质大学(武汉), 流域关键带演化湖北省重点实验室, 武汉 430074
3)中国地质大学(武汉), 地球物理与空间信息学院, 武汉 430074
4)湖南文理学院, 常德 415000
5)中国地质调查局武汉地质调查中心, 武汉 430074
6)中山大学地球科学与工程学院, 珠海 510275
7)中国地震局地质研究所, 北京 100029;
*通讯作者: 李长安, 男, 1956年生, 博士, 教授, 主要从事地貌学与第四纪地质学的教学和科研工作, E-mail: chanli@cug.edu.cn。

〔作者简介〕 李亚伟, 男, 1993年生, 中国地质大学(武汉)第四纪地质学专业在读博士研究生, 主要从事长江形成与演化、 物源示踪等方面工作, 电话: 13387522055, E-mail: liyaweicug@163.com, liyaweicug@gmail.com。

收稿日期: 2019-01-24
基金项目: 国家自然科学基金(41671011, 41877292)和中国地质大学(武汉)“地学长江计划”(CUGCJ1801)共同资助
摘要

长江的演化对于了解现代亚洲地貌格局的演变, 以及探讨河流发育对构造隆升和季风演化的响应均具有十分重要的意义。前人已采用多种方法厘定长江的演化历史, 但对长江贯通时限等问题仍存在较大的争议。目前物源示踪是进行河流演化研究的重要方法之一, 其关键在于选取的示踪剂能够有效地代表源区信息并能准确定年。锆石的封闭温度高, 可十分稳定地记录源区信息, 且在河流中广泛存在, 采集样品方便, 锆石U-Pb年代学分析方法成熟, 因而广泛应用于长江流域物源示踪研究。但长江流域面积广泛, 流经的地质单元岩性复杂, 流域内热历史信息丰富, 这导致单纯利用该方法进行物源示踪研究面临诸多亟待解决的问题。文中在国内外研究资料的基础上, 基于从“源”到“汇”系统的研究思路, 通过对比分析, 指出基于碎屑锆石U-Pb年代学进行长江流域物源示踪研究的局限性以及需要注意的问题。

关键词: 碎屑锆石; U-Pb年代学; 物源示踪; 长江流域
中图分类号:P597 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)02-0521-24
PROGRESS OF DETRITAL ZIRCON CHRONOLOGY IN SEDIMENT PROVENANCE STUDIES IN THE YANGTZE RIVER BASIN
LI Ya-wei1, LI Chang-an1,2, ZHANG Yu-fen3, LIN Xu4, WANG Jie-tao5, SUN Xi-lin6, WEI Chuan-yi1,7, GUO Ru-jun1, LENG Yong-hui1
1)Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
2)Hubei Key Laboratory of Critical Zone Evolution, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
3)Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
4)Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China
5)Wuhan Center of Geological Survey, China Geological Survey, Wuhan 430074, China
6)School of Earth Science and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China
7)Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

Evolution of the Yangtze River in East Asia is closely linked to the evolving topography following India-Eurasia collision and plays an important role in connecting the Tibetan plateau and the marginal sea, which is of great significance for understanding the evolution of modern Asian landform pattern and exploring the response of river development to tectonic uplift and monsoon evolution. Thus, many methods have been performed to reconstruct the evolution history of the Yangtze River, but there are still some disputes about the age of the Yangtze River, which has been strongly debated for over a century with estimates ranging from late Cretaceous to late Pleistocene. At present, sediment provenance tracing is one of the most important methods for studying the Yangtze River drainage evolution, for the provenance tracers could effectively represent the source area information and the various dating methods would provide reliable chronology framework. Previous studies showed that the zircon high closure temperature, wide distribution in fluvial sediment, and convenient sampling and analyzing made the zircon U-Pb dating a unique indicator recording the source area information. However, the Yangtze River drains a large basin and runs through different geological blocks with complicated lithology, as well as the abundant thermal historical events, leading to the zircon U-Pb dating a challenge work in tracing the sediment source within the Yangtze River Basin. In this study, based on the combination of previous research data and the “source to sink” system, the limitations and disadvantages of the detrital zircon U-Pb dating in the studies of sediment provenance tracing of the Yangtze River Basin were re-analyzed and re-discussed. Considering the evolving process of the large river system, some key areas and diagnostic information carrier, including bedrock and fluvial sediments deposited in present day or geo-history, would provide significant constraints on the evolution process. The former records the original information of the source region, and the latter reserves the practical information preserved in the downstream sink.

As for the Yangtze River Basin, the limitation and disadvantages of the detrital zircon U-Pb dating in tracing sediment provenance are showed as follows: Firstly, six major tectonic units in the source region shows four similar age peaks, which closely corresponds to the previously identified synchronous major granitoid magmatic episodes. Five similar age peaks obviously exist in the sediment of the downstream sink both in the modern fluvial sediment and the geo-historical deposits such as outcrops and basin sediments. Thus, detrital zircon U-Pb chronology is indistinguishable from source to sink, making it unreliable in provenance tracing of the Yangtze River. Secondly, comparing with the detrital zircon spectra of tributary downstream and the upper reaches, all the tributaries below the Three Gores, the running-through of which is regarded as the symbol of the establishment of the modern Yangtze River system, could make up the similar spectra with the modern river sediments. Moreover, Sichuan Basin and Jianghan Basin, which is the last basin and first basin in western and eastern of the Three Gorges, are crucial basins for recording the incision information. However, sediment in these two basins show the similar spectra with five major age peaks from early Jurassic to late Cretaceous, which means the detrital zircon U-Pb chronology could not efficiently record the capture information no matter in spatial scale or time scale. In addition, the same results are also shown in Neogene gravel layer both in Jianghan Basin and Nanjing area. In summary, we propose that the similarity of the detrital zircon age spectra exists widely in Yangtze River system, and this greatly restricts the application of detrital zircon chronology in provenance tracing in the Yangtze River Basin, and the combination of multi-index and multi-method will shed new light in the future studies of provenance tracing within Yangtze River drainage system.

Keyword: detrital zircon; U-Pb chronology; provenance; Yangtze River
0 引言

大河流域演化对于了解流域内的地貌演化及其对构造运动和古气候变化的响应具有十分重要的意义。新生代以来, 印度板块和欧亚板块的碰撞引起了青藏高原的隆升, 由此导致东亚季风显著增强, 进而促进了区域水系的不断发展。长江作为青藏高原周缘流域面积最广、 支流最多、 流经地质地貌单元复杂的一条大型河流, 长期以来备受国内外学者的关注(汪品先, 2005; Yang et al., 2006a, b; Xiang et al., 2007; Brookfield, 2008; 李长安等, 2009; Jia et al., 2010; 向芳等, 2011; Zheng et al., 2013; Zhang et al., 2016, 2017; Wei et al., 2017; Wang et al., 2018)。另外, 长江作为连接世界最高高原(青藏高原)和最大大洋(太平洋)的纽带, 对青藏高原物质的运移和输送有着十分重要的作用, 其东流水系的建立是中国3大阶梯形成的标志。同时, 长江流域大部分处于东亚季风和南亚季风的影响区域, 因而研究长江的演化对理解高原隆升和季风演化都有十分重要的意义(Yang et al., 2006a, Zheng, 2015; 刘静等, 2018; Nie et al., 2018)。

目前, 从“ 源” 到“ 汇” 的物源示踪方法是研究长江演化过程的重要手段, 前人基于此通过岩石石英ESR信号(Wei et al., 2017; 魏传义等, 2017)、 沉积物岩石磁学特征(Zhang et al., 2008; 张玉芬等, 2008, 2011)、 普通辉石矿物(杨建等, 2012)、 重矿物组合(康春国等, 2014; Vezzoli et al., 2016)、 碎屑钾长石Pb同位素比值(张增杰等, 2014; Zhang et al., 2016, 2017)、 碎屑白云母 40Ar/39Ar年龄(孙习林等, 2010; Sun et al., 2016)、 碎屑锆石U-Pb年龄年代学(Weislogel et al., 2006; 王节涛等, 2009; 贾军涛等, 2010a; Safonova et al., 2010; Wang et al., 2010; Gehrels, 2014; 颜茂都等, 2018; Deng et al., 2018)、 石榴子石化学组成(Hietpas et al., 2013; Wei et al., 2018)、 碎屑石英10Be年龄(Kong et al., 2007; 黄湘通等, 2013)、 独居石U-Pb年龄(范代读等, 2004, 2006; Yang et al., 2006b)、 磁铁矿等(王中波等, 2007; Fang et al., 2016; Wei et al., 2016)、 黏土矿物(He et al., 2013b)和低温热年代学(林旭等, 2017)等进行了大量的研究。其中, 将碎屑锆石的U-Pb年龄谱系对比与Hf同位素分析相结合的应用较为广泛。锆石U-Pb年龄的封闭温度高, 且锆石自身是一种极其稳定的矿物, 在后期的沉积过程中具有较强的抗风化和耐磨蚀能力, 因而能够有效地保留源区信息。近年来, 测试技术的发展极大地促进了碎屑锆石年代学的发展。

越来越多的学者认为碎屑锆石年龄谱峰具有极高的相似度, 不同物源区的差异极小, 因此, 仅通过碎屑锆石年代学来进行物源示踪的可靠性值得商榷(王节涛等, 2009; 杨蓉等, 2010; Wissink et al., 2016; 郭佩等, 2017)。一般认为, 锆石年龄谱上的峰值都与上游的构造热事件相对应, 即每个年龄峰值都对应着一次岩浆活动(Cawood et al., 2003), 岩浆成因的锆石结晶后经历隆升剥蚀、 变质作用、 沉积作用等在沉积盆地中保存, 最终从碎屑沉积物获取的锆石很有可能是经历过多个沉积旋回, 这也就意味着较老沉积物中的碎屑锆石可以在年轻的沉积物中再次沉积。Dickinson等(2009)对河流相沉积的下白垩系Bisbee群(亚利桑那州东南部)和由风成石英砂岩组成的中上侏罗系San Rafael群(东科罗拉多高原)中的碎屑锆石进行了对比, 发现这2套地层中的碎屑锆石年龄概率频谱图相似, 经过2次搬运的锆石仍然可以保存物源区的年龄组成。Pereira等(2016)对伊伯利亚半岛Lusitanian盆地中的三叠系砂岩和砾岩进行分析发现, 所测定的锆石年龄为296Ma(二叠纪), 比之前得到的化石年龄(晚三叠纪)早60Ma, 证明该沉积物中的锆石为再沉积锆石, 并认为其最终来源于盆地内部具有典型冈瓦纳特征的区域, 而非外部的劳伦西亚大陆或伊伯利亚半岛东南部地区。这一结果表明锆石在沉积盆地发生再沉积会导致判定的物源区域存在一定的差异。

碎屑锆石U-Pb年龄谱可应用于物源示踪研究是建立在碎屑锆石能够准确复制源岩信息的基础之上的, 这种假设在小流域范围内的物源示踪研究中十分有效, 但对于长江这种流域面积较大的河流体系而言, 则需要综合考虑侵蚀搬运沉积过程等因素的影响。长江流域面积广泛, 地质背景复杂, 新生代时期地貌格局发生了巨变, 水系重组, 使得长江流域中的碎屑锆石经历多次沉积并得到充分的混合, 而后经过漫长的构造演化过程, 上述因素都可能对最终测定的碎屑锆石年龄谱造成影响。本文在总结国内外研究资料的基础上, 基于从“ 源” 到“ 汇” 的物源示踪思路(图1), 从长江流域沉积物侵蚀、 搬运、 沉积过程对应的研究载体入手, 分别对岩体、 现代河流沉积物以及砾石层和沉积盆地沉积物的碎屑锆石U-Pb年龄谱进行分析对比, 论证碎屑锆石年代学在长江演化示踪研究中的适用性。

图 1 碎屑锆石年代学沉积物物源示踪模式图Fig. 1 Schema graph of sediment provenance tracing from source to sink by detrital zircon chronology.

1 长江流域地质背景及碎屑锆石年代学研究进展
1.1 长江流域地质概况

长江是中华民族的母亲河, 全长约6i300km, 流经11个省、 自治区和直辖市, 流域面积可达1.81× 106km2, 流量可达910km3/a, 是亚洲的第一大河。长江连接世界最高高原和最大大洋, 是青藏高原物质运移输送的良好载体, 是开展青藏高原构造隆升及其环境效应研究的重要切入点。因此, 长江的诞生及其演化历史一直是学术界研究的热点。

长江发育于“ 世界屋脊” — — 青藏高原的唐古拉山, 其源头沱沱河和通天河流域平均海拔> 6i000m, 地势平缓, 曲流发育。到青藏高原东南金沙江流域, 地势陡降, 地貌呈现高山峡谷的特征, 至川江段纵比降急剧减小。长江出三峡进入江汉平原, 从宜昌到入海口的千余km内海拔高度下降仅百m, 河流流速较缓, 河道宽阔。

长江流域面积巨大, 横跨5大一级构造单元(图2)。源头及上游流经羌塘地块和松潘-甘孜褶皱带。流域主体为扬子克拉通, 包括四川盆地、 黄陵背斜、 江汉-洞庭盆地、 苏北-南黄海盆地和东海陆架盆地等次级构造单元。中游的北界为秦岭-大别造山带, 中游的南部流域为华夏地块(华南褶皱系), 这些构造单元从太古代、 元古代、 古生代、 中生代到新生代经历了多期次的构造运动, 演化历史十分复杂, 各大构造单元的构造演化过程及出露岩体的年龄将在2.1节中进行详细讨论。

图 2 长江流域位置及流经主要构造单元示意图(改自Wang et al., 2010)Fig. 2 Location of the Yangtze River Basin and the main tectonic units in this area(modified after Wang et al., 2010).

1.2 碎屑锆石年代学物源示踪原理及研究进展

1.2.1 碎屑锆石年代学物源示踪原理

锆石是岩浆岩、 变质岩、 沉积岩中最为常见的副矿物, 且具有封闭温度高(约700℃), 高Th、 U, 低Pb的特征, 是目前进行U-Th-Pb年龄测定的主要对象。然而, 锆石成因比较复杂, 可分为岩浆成因锆石、 变质成因锆石和碎屑成因锆石。不同成因的锆石具有不同的内部结构特征, 可根据镜下特征对其成因类型进行判定。岩浆成因的锆石晶型完好, 阴极发光图像显示其多具有振荡环带结构; 变质成因的锆石多具有多晶面的外形和复杂的内部结构; 碎屑成因锆石则由于经历过机械搬运过程, 表面一般具有磨蚀特征, 内部结构则显示出岩浆或变质锆石的特点(张宏飞等, 2012)。准确判定锆石成因对解释锆石年龄的地质意义具有十分重要的作用。

沉积盆地的形成是内、 外动力及地质作用的综合结果, 盆地内的碎屑沉积物既是盆地沉积和构造演化的直接证据和重要标志, 也有效地记录了海陆变迁、 盆山构造格局演化的重要信息(闫义等, 2003)。盆地碎屑沉积物中的锆石不但分布广泛, 且稳定性极强, 这就为通过锆石U-Pb年代学进行沉积物物源示踪提供了可能。对沉积盆地中的碎屑锆石进行年代测定并与潜在源区的岩浆或变质成因锆石及主要构造事件的年代进行对比, 可以有效地约束其源汇过程, 进而反演相关河流及盆山构造演化历史。

1.2.2 河流沉积物物源示踪研究

利用碎屑锆石U-Pb年龄对长江(Jia et al., 2010; Wang et al., 2010)、 红河(Hoang et al., 2009)、 布拉马普特拉河(Stewart et al., 2008)、 印度河和恒河(Campbell et al., 2005; Alizai et al., 2011)等现代河流的沉积物进行物源示踪研究已经开展了多年, 目前, 已基本掌握了这些河流流域内各个板块碎屑锆石的组成信息, 为今后的研究提供了宝贵的基础资料。

Hoang等(2009)对红河及其支流的现代河流样品和古河流样品进行了原位锆石年龄和Hf同位素分析, 以限定红河的演化历史。现代沉积物碎屑锆石年代分析结果表明, 扬子克拉通、 松潘-甘孜褶皱带是现代红河的主要物源供给区, 且华夏板块不是红河的源区, 红河地区的侵蚀机制主要为构造抬升而非由气候控制。晚中新世砂岩的锆石年龄谱与现代红河的年龄谱极其相似, 表明红河自晚中新世以来便接受稳定物源区的物质供给, 即红河自晚中新世以来便脱离了金沙江水系。

Stewart等(2008)对布拉马普特拉河及其支流沉积物中的碎屑锆石进行裂变径迹和U-Pb年龄测定后发现, 布拉马普特拉河峡谷段中包含了大量中生代和年轻的冈底斯岛弧花岗岩以及拉萨地块的古老基底。上游砂样中有55%的碎屑锆石年龄< 300Ma, 而下游此组分只有30%, 以此推断峡谷段较老物质的加入稀释了锆石中的年轻组分, 布拉马普特拉河45%的砂样来自于长期暴露剥蚀的峡谷段的花岗岩基底物质, 并且与碎屑锆石裂变径迹年龄指示的物质来源相似。Cina等(2009)对比了喜马拉雅山地区新生代前陆盆地(新近系砂岩)和喜马拉雅山南麓的多条现代河流沉积物中的碎屑锆石年龄特征。结果表明, 东喜马拉雅前陆盆地在晚中新世— 上新世一直接受沉积, 结合混合模型及锆石的Hf同位素分析, 可推断出雅鲁藏布-布拉马普特拉河的河流演化模式。

Alizai等(2011)对印度河流域内部各个支流的现代河流沉积物砂样中的碎屑锆石年龄进行测定并与周源基岩的锆石年龄进行对比, 分析结果表明印度河上游的锆石年龄< 200Ma, 与喀喇昆仑山岩体的锆石年龄一致; 萨特累季河年龄谱峰与塔尔沙漠谱峰一致, 表明后者为其主要的物源供给区, 并且年龄< 200Ma的锆石组分急剧减少与强烈的西南夏季风活动有关, 结合锆石年龄及现代河流输沙量分析认为, 相比构造活动, 印度河流域季风强度对侵蚀速率及沉积物供给的影响更大。Campbell等(2005)对印度河和恒河的锆石样品进行了传统的U-Pb年龄测定和He-Pb年龄测定, 结果表明60%~70%的锆石均为再沉积锆石, 且He-Pb锆石定年可以有效判定印度河和恒河95%的物质来源于喜马拉雅和青藏高原地区, 而非U-Pb测年结果显示的2.5%和18%, 并认为在U-Pb年代学物源示踪中的沉积物再旋回会对物源示踪结果产生影响。

前人也在长江流域开展了碎屑锆石年代学物源示踪研究, 对长江贯通的年龄进行了约束, 但是结果差异很大。向芳等(2011)对宜昌地区4个不同时代沉积物样品的U-Pb年龄进行测定与对比, 并结合阴极发光图像分布认为, 这些锆石主要由三峡以东的物质供给, 结合沉积剖面年龄分析认为, 长江的贯通时间不早于0.75MaiBP。Wang等(2010)得到的江汉盆地晚新生代碎屑沉积单颗粒碎屑锆石的U-Pb年代学研究结果表明, 在沉积时代约0.8MaiBP的沉积物中发现了1颗年龄< 17Ma的年轻锆石, 据此推断此时长江上游源区已抵达青藏高原东缘地区, 现代长江水系格局至少在此时已形成。何梦颖等(2013)对长江流域24个现代沉积物样品进行U-Pb年龄测定, 并结合Hf同位素数据分析认为, 长江流域现代沉积物主要存在6个年龄峰值, 并可划分为4段。Zheng等(2013)在南京地区对新生代玄武岩覆盖的砂砾层沉积进行了 40Ar/39Ar 年代测试及碎屑锆石U-Pb定年, 确定了其沉积时代要早于中新世; 碎屑锆石物源研究结果表明其年龄谱与现代长江的十分类似, 因此认为长江东流水系至少在23Ma前已建立。Wang(2018)对长江三峡地区中生代— 新生代地层开展岩相学和古流向研究, 并结合碎屑锆石年代学研究结果分析认为, 长江在晚白垩首次开始反转, 并在始新世开始剧烈的W向袭夺。以上研究均表明, 碎屑锆石年代学方法在进行长江流域物源判别过程中存在一定的局限性和多解性。

长江流域具有复杂的地质背景以及众多的支流, 由支流汇入干流时碎屑锆石的贡献率差异等因素将直接影响其最终的年龄谱分布。其次, 综合前人对长江流域现代河流沉积物碎屑锆石年龄的统计结果发现, 长江流域现代沉积物的主要年龄峰值在各个支流中均有体现, 加上碎屑锆石强烈的抗风化侵蚀能力, 保存在各个流域中的碎屑锆石存在再旋回过程, 进而导致不同的碎屑年龄充分混合, 无法准确判定其物质源区(闫义等, 2003; 吴元保等, 2004)。此外, 新生代时期地貌格局的转变进一步加大了锆石混合的可能性(She et al., 2012)。因此, 在长江流域进行碎屑锆石年代学物源示踪需要结合其他物源示踪方法进行综合判别。

2 碎屑锆石年代学方法在长江流域物源示踪中的适用性

长江流域源汇过程对长江流域物源示踪研究具有十分重要的意义。源区由于板块碰撞或构造热隆升导致岩体出露地表, 接受物理风化和化学风化形成碎屑沉积物。碎屑沉积物携带源区构造热事件信息, 由河流或其他载体对其进行近源和远源输送。在峡谷出口, 由于地形地势等原因多发育冲-洪积扇堆积, 河道沉积物则随河流演化发育多级阶地, 在沉积区则经历长期地质过程堆积形成沉积地层; 现代河流沉积物则因经历充分混合, 基本携带流经区域所含物源信息。因此, 对沉积物从“ 源” 到“ 汇” 各个阶段赋存的沉积物进行分析, 可有效约束其源汇过程, 进而推演大河演化模式和盆山演化历史。在长江的源汇过程中, 上游岩体出露地表经历侵蚀、 搬运到在沉积盆地中沉积的过程, 各个阶段依次对应长江流域现代河流沉积物、 长江砾石层(宜昌砾石层、 雨花台砾石层)和长江流域盆地(四川盆地、 江汉盆地)沉积物(图3)。对以上载体进行碎屑锆石年代学的整理分析, 可以有效地了解沉积物在沉积搬运过程中记录的源区信息变化, 进而探讨该方法长江流域中物源示踪的可行性。

图 3 长江流域碎屑锆石年代学物源示踪研究载体及位置示意图Fig. 3 Object and location of detrital zircon chronology provenance study in the Yangtze River Basin.

2.1 长江流域构造单元岩体锆石年龄谱系分布特征

岩浆成因和变质成因的锆石经历过后期的风化剥蚀被带到沉积盆地中沉积, 对这些锆石进行年代学研究可以有效地约束其构造演化历史。前人对长江流域锆石年代学的研究大部分基于岩浆成因锆石, 针对变质成因及沉积岩中的锆石研究相对较少。本文对长江流域主要岩体的锆石年龄进行整理和分析, 为下一步进行锆石年龄谱峰对比及物源示踪分析奠定基础。

长江流域构造演化过程复杂, 各个构造单元发育形成不同类型的岩浆岩与变质岩, 这些构造单元从太古代、 元古代, 古生代、 中生代到新生代经历了多期次的构造运动, 同时受到广泛的地表剥蚀, 产生大量碎屑物质。其中, 花岗岩大量分布在整个长江流域西北部的松潘-甘孜褶皱带; 变质岩则大量分布在长江流域的东部, 以秦岭-大别构造带和华夏地块为主; 扬子地块和昌都地块则多发育为碳酸盐和碎屑岩等沉积岩。

如图 4所示, 羌塘地块位于长江流域的西缘, 出露大量碳酸盐和碎屑岩, 含有少量花岗岩。羌塘地块岩体较为年轻, 主要形成于新生代和中生代, 岩性以中酸性侵入岩和火山岩为主, 主要出露于唐古拉山和芒康山。碎屑锆石年龄谱表现为多峰值, 主要峰值有2i440Ma、 1i532Ma和982Ma(何梦颖等, 2013)。

松潘-甘孜褶皱带位于羌塘地块以东、 扬子克拉通以西(图4), 是在印支期由华南、 华北、 秦岭地块相互碰撞、 强烈挤压而形成的。内部出露大量三叠系的浊积岩, 内部岩体主要分布在沙鲁里山、 金沙江合带和可可西里山, 主要形成于晚三叠纪— 早侏罗纪晚期(180~237MaiBP), 也含有少量的中生代较为年轻的岩体, 局部出露少量元古代岩体(749~809MaiBP)(何梦颖等, 2013; 王扬扬等, 2013)。

图 4 长江流域构造单元与岩性分布图(改自魏传义等, 2017)Fig. 4 Map of tectonic units and lithology in the Yangtze River Basin(modified after WEI Chuan-yi et al., 2017).

秦岭-大别造山带位于长江流域的北缘, 由华北和扬子2大板块碰撞形成, 秦岭-大别造山带在三叠纪晚期完成最后一次的碰撞拼合, 其内分布大量的变质岩和碎屑岩。秦岭地区出露少量的中元古代和新元古代岩体(700~800MaiBP、 1i000~1i200MaiBP)以及中新生代花岗岩(205~323MaiBP、 400~505MaiBP)。大别造山带的岩体年龄主要为751Ma, 213~245Ma和126~131Ma(何梦颖等, 2013; 王扬扬等, 2013)。

扬子地块出露的原岩类型较多, 如碎屑岩、 碳酸盐、 玄武岩和花岗岩等。岩体年龄跨度较大, 新生代、 燕山期、 印支期、 晚古生代、 元古代、 太古代的岩体在此流域中均有分布, 主要集中分布于康滇古裂谷带和长江中下游地区, 年龄为90~225Ma(马丽芳, 2002)、 746~860Ma、 1i855~2i451Ma(Li, 1999)和1i903~2i947Ma(Qiu et al., 2000)。

华夏地块岩体分布较广且较分散, 岩性以花岗岩为主, 局部区域也分布有大量的碎屑岩、 碳酸盐岩以及少量的变质岩。燕山期花岗岩体出露面积巨大, 印支期岩体出露不多, 晚古生代岩体出露更少。同时在该地区也出露一些较老的岩体, 年龄可达1i766Ma和1i869Ma, 为变质的基性岩和酸性岩(马丽芳, 2002)。华夏地块的锆石年龄谱主要有4个代表性峰值, 分别为150Ma、 231Ma、 433Ma和834Ma(王扬扬等, 2013)。

王扬扬等(2013)对长江流域主要构造单元内部的岩体年龄进行了整理, 结果表明, 年龄< 50Ma、 250~270Ma和> 3i000Ma的3组锆石可直接依据年龄推断其潜在物源区物质来源: 年龄< 50Ma的锆石来源于昌都地块, 年龄为250~270Ma的锆石来自峨眉山玄武岩, 年龄> 3i000Ma的则为太古代基底崆岭群。除此之外, 100~200Ma、 700~800Ma、 1i800~2i000Ma和2i400~2i600Ma这几个年龄谱峰则在5大构造单元中均有体现(图5)。以上结果表明, 仅对碎屑锆石年龄谱进行分析并不能有效地区分各个构造单元中的锆石特征, 即利用碎屑锆石年代学方法进行长江等大河流域物源示踪研究存在一定的局限性。

图 5 长江流域主要构造单元岩体锆石谱(改自何梦颖等, 2013)Fig. 5 Zircon spectra of major tectonic units in the Yangtze River Basin(modified after HE Meng-ying et al., 2013).

2.2 长江流域现代河流沉积物碎屑锆石年龄谱系分布特征

岩浆成因和变质成因的锆石经历过后期的风化被带到沉积盆地中沉积, 因此可通过对现代沉积物中的碎屑锆石进行年代学测定, 并与岩体的年代学数据相对比来进行物源分析(Yang et al., 2012; He et al., 2013a)。对前人的研究资料进行总结后发现, 长江流域各大支流现代沉积物中的碎屑锆石年龄谱存在一定的相似性, 单从碎屑锆石年代学的角度来进行物源示踪存在着一定的局限性(Yang et al., 2012)。

杨蓉等(2010)对长江流域干流和主要支流的10个现代河流沉积物样品进行碎屑锆石U-Pb年龄测定, 结果表明现代沉积物样品主要表现出4组年龄峰值, 分别为200~300Ma、 400~500Ma、 750~850Ma和1i800~2i000Ma, 其中只有2个支流的样品包含< 100Ma和2i500Ma的年龄组分, 其余年龄谱峰在各个支流中都有体现, 经测定样品年龄的重叠度和相似度值> 0.6, 表明长江流域现代河流沉积物碎屑锆石的年龄谱峰存在相似性。

Yang等(2012)对长江流域干流和主要支流的31个河漫滩沉积物的U-Pb年龄进行分析, 认为长江流域中不同粒级沉积物中的碎屑锆石存在5个年龄峰值, 即150~300Ma、 400~500Ma、 650~1i000Ma、 1i650~2i000Ma和2i300~2i500Ma。这几组年龄与长江流域主要的构造事件和岩浆活动有着明显的对应关系(贾军涛等, 2010b)。不同粒径沉积物中的碎屑锆石年龄谱存在一定的差异, 是由于流域内地形复杂、 水动力条件不同、 选择性搬运和后期支流物质的稀释等因素造成的。但整体而言, 长江流域现代沉积物中的锆石具有十分相似的年龄谱。

He等(2014)对长江流域的25个现代河流沉积物砂样进行了碎屑锆石U-Pb年龄测定, 发现现代沉积物的碎屑锆石年龄范围主要为< 65Ma、 100~300Ma、 300~600Ma、 600~1i000Ma、 1i700~2i000Ma和2i400~2i700Ma, 少部分为3i000~3i200Ma, 并且各支流之间的锆石年龄谱存在很大的相似性。对锆石年龄进行核密度估计, 分析认为湘江、 嘉陵江以及攀枝花— 宜宾段的金沙江是整个长江流域碎屑锆石的主要供给区域, 且该供给由人类活动主导。Wissink等(2016)重新对长江流域25个现代河流沉积物砂样的碎屑锆石年龄分别采用K-S检验、 相似度值、 混合模型、 多元统计分析、 高斯组分分析的方法进一步研究发现, 长江流域的锆石主要来源于剥蚀速率较快的青藏高原东南缘的雅砻江、 大渡河及岷江等长江的主要支流, 且长江流域现代沉积物的碎屑锆石年龄谱存在极大的相似性, 人类活动是沉积物供给的主要控制因素的推断值得商榷。

基于前人对长江流域现代沉积物碎屑锆石U-Pb年龄的测定, 对已获得的碎屑锆石年龄数据进行重新整理, 利用最新的Density Plotter软件绘制碎屑锆石核密度曲线(图6), 结果表明长江流域现代河流沉积物碎屑锆石年龄具有极大的相似性。支流样品碎屑锆石年龄谱峰(图6a— j)表明, 各个支流均存在5个主要的年龄峰值, 分别为100~200Ma、 400~500Ma、 700~800Ma、 1i800~2i000Ma和2i400~2i600Ma。其中, 金沙江及长江上游的嘉陵江、 乌江含有少量(2颗左右)年龄为900~1i000Ma的锆石, 其对应年代为元古代, 结合前人整理的长江流域岩体分布年龄结果(图5)可知, 金沙江中此年龄的锆石颗粒来自于羌塘地块, 嘉陵江、 乌江沉的积物中此年龄的锆石则来自于扬子克拉通与华夏地块。长江中游的汉江、 湘江、 赣江含有少量(2颗左右)年龄为900~1i000Ma的锆石, 其对应年代为元古代, 结合前人整理的长江流域岩体分布年龄结果可知, 汉江沉积物中此年龄的锆石来自于秦岭造山带, 湘江和赣江沉积物中此年龄的锆石则来主要来自于华夏地块。

图 6 长江流域现代河流沉积物碎屑锆石年龄谱
数据来自文献(Zhao et al., 2008; Shen et al., 2012b; Yang et al., 2012; He et al., 2013a, 2014; Liu et al., 2013)Fig. 6 Detrital zircon age spectra from the sediments of modern rivers in the Yangtze River Basin.

宜昌和南京的干流沉积物(图6k, j)对比结果仍显示两者具有5个共有的年龄峰值, 分别为100~200Ma、 400~500Ma、 700~800Ma、 1i800~2i000Ma和2i400~2i600Ma。其中, 南京地区年龄为900~1i000Ma的锆石丰度升高有可能是源区扩大所致, 宜昌地区具有此年龄谱峰的锆石来自嘉陵江的沉积物, 而南京地区具有此年龄谱峰的锆石则可能来源于汉江、 湘江、 赣江等支流的沉积物。干流沉积物对比结果表明二者具有极为相似的年龄谱峰, 且其潜在物源供给区均可提供主要峰值及特殊峰值年龄的锆石, 与长江是否切穿三峡所导致源区变化无直接因果关系。

新生代以前, 中国的地貌格局以三峡为分水岭(Wang等(2018)认为是齐岳山背斜), 其西侧的河流向W流入四川盆地, 向E的河流经江汉盆地沿古长江入海。新生代以来, 欧亚板块与印度板块碰撞导致青藏高原迅速隆升, 地形倒转, 形成现在“ 3大阶梯” 的地貌格局。地形差异使得长江逐步切穿三峡, 从而形成现代意义上的贯通大河。基于此, 对三峡以西和三峡以东的现代河流进行沉积物碎屑锆石年龄谱峰对比分析, 可以有效地对长江流域开展物源示踪研究。三峡以东(湘江、 沅江、 赣江及汉江)现代河流沉积物的碎屑锆石年龄与三峡以西除金沙江外(即雅砻江、 大渡河、 嘉陵江、 岷江及乌江)的现代河流沉积物碎屑锆石年龄的对比分析表明, 二者均存在4个主要的年龄峰值, 分别为100~200Ma、 700~800Ma、 1i800~2i000Ma和2i400~2i600Ma, 且为长江流域现代河流沉积物的主要年龄峰值。与三峡以西河流现代沉积物碎屑锆石的年龄谱峰相比, 三峡以东的锆石含有明显的400~500Ma和900~1i000Ma年龄峰值, 其对应年代为古生代和元古代, 与秦岭-大别造山带广泛分布的岩体关系密切。前人的研究表明汉江主要发源于秦岭— 大别地区, 且桐柏— 大别地区的碎屑锆石年龄谱含有明显的400~500Ma和900~1i000Ma年龄谱峰, 即长江中下游的主要支流即可组成长江流域5个主要年龄谱峰的代表性年代图谱, 这一代表性图谱的形成与三峡是否贯通并不存在直接的因果关系。以上研究进一步表明利用碎屑锆石年代学进行长江流域物源示踪研究存在局限性。

2.3 长江流域沉积盆地与砾石层碎屑锆石年龄U-Pb谱系分布特征

2.3.1 长江流域砾石层碎屑锆石年龄U-Pb谱系分布特征

长江流域中下游地区广泛发育1套河流相砾石层(Zheng, 2015)(图7), 依次为宜昌砾石层、 阳逻砾石层、 九江砾石层、 安庆砾石层、 铜陵砾石层和南京雨花台砾石层。前人研究认为, 这套广泛发育的砾石层均为三峡贯通之后现代长江的产物, 此观点尚存争议。其中, 针对宜昌砾石层和南京雨花台砾石层的研究最为详细。沉积学研究结果表明, 宜昌砾石层为一大型冲积扇沉积, 是长江切穿三峡的直接产物(Xiang et al., 2007; 康春国等, 2009; 张勇等, 2009; 李庭等, 2010; Wang et al., 2014)。对宜昌砾石层沉积时间进行测定可以有效地约束长江贯通时限。向芳等(2011)对宜昌地区4个不同时代的沉积物样品进行U-Pb年龄测定与对比, 并结合阴极发光图像分析认为, 这些锆石主要由三峡以东的物质供给, 结合沉积剖面年龄分析认为, 长江的贯通时间不早于0.75MaiBP。Wang等(2014)对宜昌砾石层云池组中的砂样进行碎屑锆石U-Pb年龄测定, 结果表明, 长江砾石层与南京地区的雨花台砾石层具有相似的年龄峰值组成(图8h, i), 即100~200Ma、 400~500Ma、 700~1i000Ma、 1i700~2i100Ma和2i400~2i600Ma, 表明新近纪长江流域河流沉积物具有极其相似的锆石年龄组成。

图 7 长江砾石层剖面及位置示意图(改自Zheng, 2015)Fig. 7 Profile and location of gravel layer in the Yangtze River(modified after Zheng, 2015).

图 8 长江流域沉积盆地及砾石层碎屑锆石年龄谱
数据来自文献(Wang et al., 2009; Yang et al., 2010; Shen et al., 2012a, b; 江卓斐等, 2013, 2014; Wang et al., 2014, 2018; Li et al., 2016, 2018; Shao et al., 2016; Deng et al., 2018)Fig. 8 Detrital zircon age spectra from sedimentary basins and gravel beds in the Yangtze River Basin.

Zheng等(2013)对长江下游南京雨花台地区河流沉积物中的碎屑锆石年龄以及上覆的玄武岩进行40Ar/39Ar年龄测定, 得到玄武岩的年龄为23Ma, 表明长江流域广泛存在的砾石层至少在23MaiBP已经存在, 并非之前认为的更新世。对南京砾石层河流沉积物运用U-Pb年龄物源分析方法进行分析, 结果表明早中新世沉积物中的碎屑锆石年龄组合已与现代长江河流沉积物3.2MaiBP以来的三角洲沉积物碎屑锆石年龄组成相似, 这也就意味着, 至少在23MaiBP以来, 一条横贯东西的大河已经形成。此种观点目前存在很大的争议。长江切穿三峡之后, 地形整体上无太大变化, 水动力条件是否能够携带砾石到达雨花台地区值得商榷, 且长江流域中下游广泛分布的砾石层拔河高度逐渐升高, 与河流阶地的沉积演化过程相悖, 进一步证明其同期同源的可能性极小。Wang等(2014)发现宜昌东缘新近纪河流相沉积物与下游的南京新近纪砾石层有着极其相似的锆石U-Pb年龄谱组成(Zheng et al., 2013), 表明这一物源方法并不能很好地体现流域面积巨大的长江中下游水系(包括汉江、 洞庭水系和鄱阳湖水系)的沉积供给情况。

2.3.2 长江流域沉积盆地碎屑锆石年龄U-Pb谱系分布特征

沉积盆地是碎屑沉积物赋存的最终场所, 其内的物质保存了大量来自源区的信息, 是进行物源示踪研究的天然场所。长江流域中存在2大沉积盆地, 分别为四川盆地和江汉盆地。三峡贯通以前, 四川盆地水系内流, 沉积物在盆地内部沉积, 保存了贯通之前长江上游的物源信息。三峡贯通之后, 江汉盆地作为长江出三峡的第一个大型卸载盆地, 长江上游地区的物源信息势必会在江汉盆地中有所保存。对长江流域中四川盆地和江汉盆地沉积物碎屑锆石的年龄组成进行对比分析, 可以有效地检测利用碎屑锆石年代学方法在长江流域进行物源示踪研究的可行性。

三峡作为连接四川盆地和江汉盆地的枢纽, 是开展长江物源示踪研究的关键。前人的研究表明, 黄陵背斜何时开始隆升剥蚀是三峡是否切穿的标志(Richardson et al., 2010; Shen et al., 2012a, b; Wang et al., 2014; Li et al., 2016; Shao et al., 2016)。确定黄陵背斜隆起的时间及其沉积年代可以有效地约束长江贯通时限问题。

Shen等(2012b)对中国中部江汉盆地宜昌地区的白垩纪沉积物进行了碎屑锆石LA-ICP-MS测试, 据此对白垩纪沉积物的物源以及黄陵穹隆的剥露历史提出了新的解释: 下白垩统五龙组沉积阶段, 此时黄陵岩体尚未出露地表, 上覆地层依次为莲沱组、 古城组、 南沱组和崆岭群。之后, 黄陵岩体快速隆升, 导致其上覆地层快速剥蚀, 形成了早白垩纪的五龙组地层。下白垩统罗镜滩组沉积阶段, 黄陵岩体已经出露地表, 其上覆地层由于黄陵岩体的快速抬升已完全被侵蚀, 黄陵岩体开始剥蚀, 形成了晚白垩纪的罗镜滩组。

Wang等(2014)对江汉盆地西缘的新生代沉积地层进行沉积相、 古流向、 碎屑组成、 碎屑锆石年代学研究, 分析认为晚白垩纪至古近纪期间江汉盆地处于扩展阶段, 此时西缘为连续的湖泊相沉积, 直至中始新世车阳河组(源区为黄陵背斜核部的莲沱组砂岩)的辫状河沉积物开始沉积, 即此时黄陵岩体上覆地层已经开始接受剥蚀, 但岩体尚未出露。新近纪时期, 江汉盆地转入沉降盆地阶段, 西缘地区的砾石层已出现黄陵岩体中的花岗岩, 代表此时黄陵岩体已经被切穿, 贯通大河东流水系的格局已经形成, 将Shen等(2012b)提出的黄陵岩体于白垩纪首次隆升并在晚白垩纪发生岩体出露剥蚀的活动时限推至新近纪。

Wang等(2018)对长江三峡地区中生代— 新生代地层开展了岩相学、 古流向以及碎屑锆石年代学研究, 结果表明具有秦岭-大别和华北板块年龄特征的锆石主要在晚三叠— 早白垩纪地层中沉积, 具有华南板块年龄特征的锆石在晚白垩— 新生代地层中沉积。这种物源上的差异表明四川盆地东北缘古长江水系的反转从晚白垩纪开始, 结合岩相学和古流向研究分析认为长江在晚白垩首次开始反转, 并在始新世发生剧烈的W向袭夺, 这种观点有效地解释了四川盆地较少出露晚白垩— 新生代地层的现象, 并且推翻了三峡作为分水岭的假说。

基于前人的研究结果可知, 长江贯通的时限最老在晚白垩时期, 即白垩纪前后长江的物源区发生了明显变化, 这些变化在四川盆地和江汉盆地的沉积物中均有体现。对四川盆地和江汉盆地沉积地层的碎屑锆石进行年代学分析, 可以有效判别利用碎屑锆石年代学在长江流域开展物源示踪研究的可行性。

早— 中侏罗纪(图8a, b), 四川盆地和江汉盆地的沉积物中的碎屑锆石均含有5个主要的年龄峰值, 分别为100~200Ma、 400~500Ma、 700~800Ma、 1i800~2i000Ma和2i400~2i600Ma。除此之外, 四川盆地还含有1i000~1i200Ma的年龄谱峰, 对应年代为中元古代。中元古代— 新元古代是秦岭造山带最重要的扩张期。结合岩体年龄数据分析, 四川盆地年龄为1i000~1i200Ma的锆石极有可能来源于秦岭-大别造山带(何梦颖等, 2013; 王扬扬等, 2013); 早白垩纪(图8c, d), 四川盆地与江汉盆地均含有5个年龄主要峰值, 与早— 中侏罗纪相比, 四川盆地年龄为1i800~2i000Ma的锆石丰度变低, 且江汉盆地沉积的年龄为900~1i000Ma的锆石所对应的年代为新元古代。新元古代是扬子地块、 华夏地块锆石最主要的年龄组成部分, 也是大别造山带锆石年龄的重要成分, 江汉盆地此组分的锆石极有可能来源于扬子地块和大别造山带(何梦颖等, 2013; 王扬扬等, 2013); 晚白垩纪(图8e, f)四川盆地与江汉盆地均含有5个年龄主要峰值, 且二者都含有少量年龄为900~1i000Ma的锆石, 其对应的年代为新元古代, 其中江汉盆地锆石可能源于扬子地块和大别造山带, 四川盆地此组分的锆石则可能来源于秦岭地区。四川盆地广泛缺失新近纪地层, 因此不考虑盆地内部新近纪地层碎屑锆石年龄的对比。江汉盆地新近纪砾石层与南京新近纪砾石层的年龄图谱(图8g, h)也表现出相似性。在空间尺度上进行分析对比, 四川盆地与江汉盆地碎屑锆石年龄从未表现出明显的特征分异, 在进行长江流域物源示踪分析时具有一定的局限性。

早— 中侏罗至新近纪(图8a— h), 四川盆地与江汉盆地均表现出5个年龄峰值, 分别为100~200Ma、 400~500Ma、 700~800Ma、 1i800~2i000Ma和2i400~2i600Ma, 且早— 中侏罗纪四川盆地年龄为1i000~1i200Ma的锆石组分并未在同时期乃至后期江汉盆地的沉积物中有所体现, 表明长江是否贯通对盆地内部沉积物组成并无太大影响。在时间尺度上进行分析对比, 四川盆地与江汉盆地的碎屑锆石年龄未表现出明显的特征分异, 表明碎屑锆石年代学方法在长江流域进行物源示踪存在一定的局限性。

将盆地沉积物与新近纪砾石层、 现代河流沉积物碎屑锆石年龄进行对比分析, 结果显示三者均含有5个主要年龄峰值, 即100~200Ma、 400~500Ma、 700~800Ma、 1i800~2i000Ma和2i400~2i600Ma, 表明碎屑锆石年代学方法在长江流域物源示踪研究中的可行性值得商榷。

2.4 长江流域沉积物碎屑锆石再沉积

锆石抗风化、 抗磨蚀和热蚀变的能力较强, 使得其在沉积、 侵蚀、 搬运过程中不易遭受破坏。此外, 锆石广泛地形成于中、 酸性岩浆岩和中、 高级变质岩中, 其记录了地壳主要的岩浆和变质事件(谢桂青等, 2002; 闫义等, 2003; 吴元保等, 2004)。由此可知, 沉积物中的碎屑锆石较好地保存了源区岩石组成的信息。将碎屑锆石年龄谱同可能源区的构造热事件相对比, 可以推测其潜在的源区, 并进一步建立构造和古地理模型(徐亚军等, 2007; 陈岳龙等2016; 高健等, 2016; 郭佩等, 2017)。这种方法在物源示踪研究中很有潜力。然而, 一些大河的流域有复杂的构造历史, 如长江等。 针对其开展物源示踪研究时, 仅利用碎屑锆石年龄谱来进行分析则存在一定的局限性。

长江发源于羌塘地块东缘, 主要流经扬子克拉通和松潘甘孜地块, 经华夏地块汇入东海。流域岩性复杂, 地层时代跨越较大, 从太古代至新生代均有岩体出露。但是长江流域出露的岩浆岩主要以新元古代以及三叠系(印支期)的岩浆岩为主, 流域内出露的沉积岩以古生代— 中生代地层为主(佘振兵, 2007; 谢士稳等, 2009)。与绝大多数锆石年龄相比, 其形成时代非常年轻, 对于样品中的古老锆石无法根据岩体年龄来进行物源判别。另外, 长江流域中、 上游流经了大量的碎屑岩和沉积岩区域, 王节涛等(2009)认为如果河流上游流经古老的沉积岩体, 那么测得的年龄不能代表本地的构造热事件。因此, 在进行长江流域的物源示踪研究时, 还需要考虑重要沉积岩的锆石年龄分布特点。

现代长江在中生代以来经历了多次水系重组事件, 现代下游地区的特征锆石可能在地质历史时期已被古水系搬运至长江中游。佘振兵(2007)对四川盆地、 江汉盆地、 沅麻盆地和萍乐盆地的6个砂岩样品进行对比分析, 认为晚三叠纪时华夏地块仍然可以为扬子板块的中生代盆地提供大量的碎屑物质, 因此在中生代时可能存在1条自东向西的古水流, 将华夏地块的碎屑物质源源不断地搬运至扬子板块中沉积, 并且这一结论与董树文等(2000)提出的中国东部上升为高原、 西部为特提斯海、 东高西低的地貌景观相一致。新生代以来, 印度板块与欧亚板块发生碰撞, 东亚以往东高西低的地貌格局发生巨变, 同时由于地貌格局的变化导致东亚的大型水系发生重组。随着E倾地形的形成及季风演化, 剥蚀作用逐渐加剧, 风化作用产生的沉积物随河流输入至新生代的边缘海盆, 沿着东亚边缘形成了大片的沿海平原和浅海陆架(汪品先, 2005)。这种地貌格局倒转引起的河流水系流向的变化及水系的重组为碎屑锆石的再沉积提供了有效的动力条件, 导致现代大型河流流域、 尤其是河流广泛发育的长江流域内部的碎屑锆石已经得到了充分的混合, 极大地限制了碎屑锆石年代学方法在长江流域物源示踪研究中的应用。

3 结论与展望

碎屑锆石年代学方法对于重建古地理环境、 约束沉积单元年龄、 恢复沉积盆地构造演化史以及物源示踪、 地层对比等都具有十分重要的作用。长江流域具有广泛的流域面积以及复杂的地质构造背景, 这使得长江流域沉积物中的碎屑锆石年龄谱峰并不能得到有效的区分。通过对前人的研究成果进行对比分析后发现, 在长江流域从“ 源” 到“ 汇” 的各个阶段(长江砾石层、 沉积盆地、 现代河流沉积物)中, 碎屑锆石年龄谱均显示出相似的年龄组分, 且不同源区的岩体锆石年龄也存在一定的相似性。这种相似性与长江流域碎屑锆石的再沉积过程息息相关, 而测定的碎屑锆石是否为二次沉积的锆石以及对碎屑锆石沉积年龄的解释是进行准确物源示踪的关键。因此, 仅使用碎屑锆石年代学对长江流域进行精确的物源示踪分析存在一定困难。

测试技术的发展使得碎屑锆石年龄的获取相对较为容易, 短时间内可以准确地获取大量的碎屑锆石数据。因此, 如何准确处理获取的锆石数据并对其地质意义进行合理的解释是实现精确物源示踪分析的关键。由于数据量较大, 传统的依靠人工进行的碎屑锆石年龄图谱定性对比会导致巨大的误差, 实现精确的物源示踪分析需要利用多元统计等数学分析方法, 如K-S检测、 混合模型、 相似度检测、 高斯组分分析等, 对获取的数据进行定量分析、 阐释。其次, 再沉积过程导致物源分析结果出现误差, 如能准确判断沉积物是否经历多旋回过程将会极大地促进将碎屑锆石年代学方法利用于物源示踪分析的进展。

随着测试技术的发展以及多种热年代温度计的应用, 未来物源分析逐渐向定量、 多手段、 多指标、 多学科的方向发展。因此, 在长江流域开展物源分析, 不应仅仅局限于碎屑锆石年代学数据, 而应在综合考虑采样过程、 测试方法以及其他不确定因素的基础上, 更多地结合其他元素指标与分析方法, 如同位素分析(Hf、 Nd同位素)、 矿物学方法(重矿物分析、 黏土矿物、 碎屑组成)、 低温热年代学(磷灰石裂变径迹)、 岩相学和古流向、 地球化学(主量元素、 微量元素、 稀土元素等)来实现长江流域的精确物源示踪。

The authors have declared that no competing interests exist.

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