长江三角洲晚第四纪地层锆石 UPb 年龄谱.doc

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1、精品论文长江三角洲晚第四纪地层锆石 U-Pb 年龄谱时序变化研究王扬扬，范代读5（同济大学海洋学院，上海 200092） 摘要：河流系统受构造运动、气候变化与海平面升降等的影响，通过物源分析可以反演上述 过程的演化历史。选择长江三角洲现代表层沉积和钻孔（YQ03 与 HM03）中全新世与末次 盛冰期沉积等三个层位，进行重矿物组合特征、锆石 U-Pb 年龄谱系研究，发现全新世与末10次盛冰期沉积物源有较大的差别，前者的重矿物成熟度 ZTR 指数较小，来自长江支流涪江 与湘江的特征矿物榍石和锆石含量较低，见较多的古元古代锆石，但白垩纪、新元古代锆石含量较少。可见，冰期间冰期旋回长江沉积物源区发生了

2、较大变化，冰期沉积物更多源自 中、下流区域，随着间冰期气候回暖，尤其是中全新受强烈的夏季风降雨影响，径流增强可携带更多的上游的物质入海15关键词：沉积地球化学；物源分析；锆石 U-Pb 年龄；气候变化中图分类号：P737Changes in zircon U-Pb Age in the late Quaternary strata ofYangtze River Delta20Wang Yangyang, Fan Daidu(School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092)Abstract: Fluvi

3、al systems are particularly sensivite to climatic and tectonic change, and these process could be reversed by provenance analysis. On the basis of heavy mineral and zircon U-Pb age of modern surface sediments from Yantze River delta, Holocene and late Quaternary25sediments from YQ03 hole and HM03 ho

4、le, the research shows that there is a big difference between Holocene sediments and late Quaternry sediments: there are fewer titanites and zircons which are character mineral of Peijiang River and Xiangjiang River, less ZTR value, less Cretaceous and Neoproterozoic zircons but more Paleoproterozoi

5、c zircons from estuary sediments in Holocene. It suggests that the estuary sediments provenance changed during Holocene, which is30related to more sediments influx from upper reaches of Yangtze River due to strong summer monsoon.Key words: Sedimentary Geochemistry; provenance analyses; Zircon U-Pb a

6、ge; climate change0引言35流域的形成与演化、河流沉积物的输运与沉积过程等受流域构造运动、气候变化与海平 面升降等的共同影响。近 2 万年内，全球经历了末次盛冰期大幅降温、降雨减少和海平面下 降，以及末次冰消期以来气温快速回暖、降雨增多和海平面上升的强烈变化，河流沉积物的 源汇过程因应发生较大改变。该问题已引起河流地貌学与沉积学、古气候与古环境研究的 广泛关注。目前在南亚、东南亚大河流域已开展较系统的研究，运用锆石 U-Pb 年龄、Nd40同位素、白云母 Ar-Ar 定年、 14C 定年、层序地层学等方法，对晚第四纪印度河、恒河与红 河等三角洲沉积物源、沉积速率变化及其影响因

7、素的分析表明， 全新世夏季风增强、降雨基金项目：国家自然科学基金（41076016，40830107）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金（20090072110004）作者简介：王扬扬（1987-），女，博士研究生，主要研究方向：沉积地球化学通信联系人：范代读（1972-），男，教授，主要研究方向：海洋地质学. E-mail: ddfan- 9 -增多是导致河流侵蚀增强、入海物质通量增多的主导因素1。 长江作为中国第一大河，其流域演化与青藏高原隆升、新生代东亚地形宏观演变和东亚季风演化有密切关系，成为中外地质学家的重要研究热点25。晚第四纪流域构造活动较平45静，冰期间冰期气候显著变化对长

8、江流域源汇过程的影响尚未有系统研究。本文拟通过 取自长江三角洲现代表层、中全新世和末次盛冰期的三个层位共六个沉积物样品，进行重矿 物组合和碎屑锆石 U-Pb 年代学的研究，探讨冰期间冰期旋回长江流域物源区的变化和气 候变化对沉积物源汇过程的影响。1样品来源、分析测试与数据处理方法501.1样品来源本文采集现代表层沉积物 2 个，其中 M-RC 采自长兴岛振华港机石边新围滩上，填沙来 自相邻的河道，通过水泵抽至岸上；M-SF 采自横沙东滩中高潮滩的贝壳沙堤。末次盛冰期 和中全新世沉积物样分别采自钻孔岩芯(表 1，图 1)。HQ03、HM03 孔分别位于长江三角洲 发育过程中形成的黄桥期、海门期河

9、口沙坝之上，MH-HQ 与 MH-HM 分别采自 HQ03 孔55（26.8-27.2m）、HM03 孔（22.6-22.9m）的中全新世河口沙坝相沉积，LGM-HQ 与 LGM-HM分别为 HQ03 孔（70.0-70.3m）、HM03 孔（77.7-78.0m）末次盛冰期的河床相沉积。 表 1沉积物样品信息表Tab.1Sediment sampling locations样品编号样品类型采样点或钻孔坐标取样深度（m）沉积相M-RC现代表层沉积物12138E，3124N0现代河床M-SF现代表层沉积物12132E，3118N0现代潮滩贝壳沙堤MH-HQHQ03 钻孔岩芯12124E，3137

10、N26.8-27.2中全新世河口沙坝相LGM-HQ70.0-70.3末次盛冰期河床相MH-HMHM03 钻孔岩芯12109E，3153N22.6-22.9中全新世河口沙坝相LGM-HM77.7-78.0末次盛冰期河床相601.2实验方法研究认为，选择 0.0630.125 mm 粒级进行重矿物分析足以代表整个沉积物中的重矿物 特征，而且还可以尽量减少水动力及光性矿物比例的影响6,7。运用长江水系沉积物碎屑锆 石 U-Pb 年龄进行物源示踪研究同样推荐该粒级范围8。因此，本次实验流程首先是利用筛 析法分选出六个沉积物中的 0.0630.125 mm 粒级组份，然后利用三溴甲烷（2.89 g/cm

11、3）65进行轻重矿物分离，之后进行轻重矿物组合鉴定，并从每件样品随机挑选出 500 颗以上的锆 石，以上重矿物分析是在河北廊坊地调院完成。每个样品挑选出来的碎屑锆石颗粒单独制作成靶，表面喷碳后在中国科学院广州地球化学研究所进行阴极发光（CL）成像分析；锆石 U-Pb 年龄测试在中国地质大学（武汉）地质 过程与矿产资源国家重点实验室利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）进行。70样品测试过程中激光的束斑孔径设定为 32m，激光脉冲为 10Hz，能量为 70-80 mJ。测试过 程中以标准锆石 91500 为外标，校正仪器质量歧视与元素分馏；以标准锆石 GJ-1 与 Ple ov

12、ice 为盲样，检验 U-Pb 定年数据质量；以 NIST SRM 610 为外标，以 Si 为内标标定锆石中的 Pb 元素含量，以 Zr 为内标标定锆石中其余微量元素含量。7580859095100图 1 长江三角洲表层和钻孔沉积物采样位置Fig.1 Sampling locations in the Yangtze River delta1.3数据分析处理原始的测试数据经过 ICPMSDataCal 软件离线处理完成，样品的加权平均年龄的计算 及谐和图的绘制采用 Isoplot 程序（ver 4.11）处理。标样 91500、GJ-1 的分析结果与推荐值（1062.40.6）Ma（2）9、

13、（608.530.37）Ma（2）10在误差范围内一致。2重矿物与锆石 U-Pb 年龄组成特征2.1重矿物组合特征六个样品中重矿物的颗粒百分比统计结果见表 1。其中角闪石的含量普遍较高，均大于45%，多数呈绿色或灰绿色，少数无色，为次棱角柱状或块状，玻璃光泽，透明-半透明， 表面有少量胶结物。绿帘石除在 MH-HM 样品中相对较少（4.21%）外，其他几个样品中含 量均大于 8%，多数呈黄绿色，次棱角块状，透明-半透明，玻璃光泽。多数样品硅灰石含量 大于 5，为无色，次滚圆、次棱角板状或柱状，透明，有金属光泽。不同样品磁铁矿、钛 铁矿和石榴石含量变化较大（0.239.88），但有比较一致的变化

14、趋势；磁铁矿与钛铁矿 均呈黑色，不透明，金属光泽，前者多为半自形粒状或次棱角块状，后者多呈半自形次滚圆、 扁粒状或厚板状；石榴石多呈粉色，次棱角块状，透明，玻璃光泽。榍石含量介于 0.32.3， 主要呈黄色，半自形次滚圆扁粒状，透明，显弱金刚光泽。每个样品都见少量的电气石与金 红石，但含量普遍很低（0.3%），前者为褐色，自形、半自形柱状，半透明，有玻璃光泽； 后者呈棕色，黑红色或黑色，半自形次滚圆柱状或次棱角块状，半透明-微透明，有油脂光 泽。此外，每个样品都见一定量的赤褐铁矿、白钛矿、磷灰石和锆石等（表 2）。进一步分析各沉积物样品中重矿物颗粒百分含量，发现其主次重矿物组合存在一定的差 别

15、。现代表层沉积（M-RC、M-SF）的主要重矿物组合均以角闪石-绿帘石-硅灰石为特征； 中全新世沉积（MH-HQ、MH-HM）分别为角闪石绿帘石和角闪石硅灰石；末次盛冰期 河床相沉积（LGM-HQ、LGM-HM）则分别以角闪石-绿帘石和角闪石-绿帘石-石榴石为特 征（表 2，图 2）。次要重矿物百分含量同时存在横向（相同层位不同钻孔间）和纵向（同105一钻孔不同层位）上的变化，但在比较同一时期不同钻孔的重矿物含量变化时，发现锆石、锐钛矿、磷灰石、榍石、电气石等具统一增高或减少的趁势，且变化的幅度小于同一钻孔不 同时期之间的差异。总之，两个代表同一沉积时期的样品由于实际采样地理位置的差异造成 相

16、应的重矿物组合上的变化，其变幅要小于三个大的不同沉积时期之间的变化，为了更好地 探讨不同气候期流域物源变化，在后面讨论部分常以同一层位的两个样品平均值（包括重矿 物组合和 U-Pb 年龄统计参数）作为不同时期物源分析的依据。表 2 沉积物重矿物颗粒百分含量（%）Tab.2 Percentiles of different heavy minerals in the different sediment samples矿物名称M-RCM-SFMH-HQMH-HMLGM-HQLGM-HM锆石0.070.030.190.070.760.75金红石0.030.030.190.020.130.32锐钛矿

17、0.020.040.11磷灰石0.780.730.780.310.890.32白钛石0.310.40.340.220.040.8黄铁矿榍石1.570.330.450.372.271.33电气石0.20.170.150.040.270.05绿帘石8.528.9316.74.2112.7315.69角闪石77.0178.8863.5682.1462.9345.3石榴石0.851.194.670.372.099.88钛铁矿1.260.794.040.335.429.44赤褐铁矿0.10.030.820.791.22.72硅灰石8.427.985.6510.886.613.44磁铁矿0.840.482

18、.430.234.29.69辉石0.03蓝晶石独居石0.05110注：“”表示该重矿物颗粒百分含量不足 0.01图2 沉积物中重矿物颗粒百分含量对比图Fig. 2 Comparison study of percentages of different heavy minerals in the deltaic sediments1151201251302.2锆石的形态特征与 U-Pb 年龄分布在偏光显微镜下直接观察碎屑锆石颗粒形态具有以下几个特点：颜色以浅黄色、棕色 为主，少量为无色透明状；形态以浑圆粒状、椭圆状、破碎的无固定形态为主，见少量柱 状晶体；多数锆石颗粒表面有裂痕，部分含有包裹体

19、。阴极发光（CL）图像分析表明：锆石的发光程度不均一，部分锆石的发光性较差，需要加大电压才能看清锆石内部结构的发育情况，推断该部分锆石 U、Th 含量较高；多数锆石内部发育环带，部分锆石具有较 明显的核-幔-边环带特点，说明尽管有部分锆石为变质成因，但多数为岩浆锆石。故在探讨 锆石来源的时候，可通过与长江流域内岩浆岩分布和 U-Pb 年龄的比较分析来实现。通过锆石 U-Pb 定年获得 3 组年龄：207Pb/206Pb，207Pb/235U 和 206Pb/238U。为了减少误差， 本文针对1000Ma 的锆石选取 207Pb/206Pb 计算 的年龄。得到的锆石 U-Pb 年龄大部分谐和度较

20、高，位于谐和线附近。统计每 25Ma 锆石的 颗粒数，由此得到全部六个样品的碎屑锆石年龄谱系图（图 3）。图3 碎屑锆石U-Pb年龄谱系图Fig. 3 Distribution of detrital zircon U-Pb ages in the Yangtze deltaic strata135140145150155M-RC 样品中碎屑锆石年龄以新元古代（Pt3）为主（38.61%），其次为晚古生代（Pz2）、古元古代（Pt1）和三叠纪（T），含量在 10-20%；早古生代（Pz1）、白垩纪（K）、太古 宙（Ar）和侏罗纪（J）的锆石含量均低于 10%，无新生代（Cz）和中元古代锆石（P

21、t2）的 记录。U-Pb 年龄呈多峰态分布，主要包括六组：70-100Ma、200-300Ma、400-600Ma、600-900Ma、1800-2000Ma、2000-2200Ma（图 3）。M-SF 样品的锆石碎屑年龄以新元古代和古元古代为主，含量均超过 25%；其次为早古 生代、中元古代、晚古生代、三叠纪、侏罗纪、太古宙和白垩纪，含量在 1-10%；无新生代 锆石。年龄主要可分为 75-125Ma、150-300Ma、350-500Ma、600-1000Ma、1800-2000Ma、2400-2600Ma 六组（图 3）。MH-HQ 样品中锆石年龄集中在古元古代和新元古代，百分含量均超过

22、 25%；三叠纪次 之（16.13%）；侏罗纪、晚古生代、早古生代、中元古代、太古宙、白垩纪含量依次减少， 均不超过 6%；无新生代锆石年龄。碎屑锆石年龄呈多峰态分布，主要可分为 5 组：150-300Ma、400-500Ma、600-700Ma、750-1000Ma、1700-1900Ma（图 3）。MH-HM 样品的碎屑锆石年龄以新元古代（29.79%）和古元古代（21.28%）含量高为特 征；其次为晚古生代、早古生代和三叠纪，含量均超过 10%；侏罗纪与中古元代含量不足5%；无新生代、白垩纪和太古宙的锆石。锆石年龄可主要分为 200-300Ma、400-500Ma 两 组（图 3）。LG

23、M-HQ 样品中锆石年龄以新元古代（26.45%）为主；其次为三叠纪和古元古代，含 量在 15-18%；晚古生代、早古生代、侏罗纪、白垩纪、中元古代和太古宙的含量均不超过10%；无新生代锆石。碎屑锆石年龄同样呈多峰态分布，可分为六组：100-200Ma、250-350Ma、400-500Ma、500-700Ma、750-850Ma 和 1800-1950Ma（图 3）。LGM-HM 样品的碎屑锆石以新元古代（39.83%）和古元古代（25.56%）含量高为特征； 晚古生代、中元古代、三叠纪、早古生代、白垩纪、侏罗纪和太古宙的含量均不超过 10%； 无新生代锆石。锆石年龄可分为六组：100-30

24、0Ma、400-600Ma、700-1000Ma、1400-1600Ma、1800-1950Ma 和 2200-2500Ma（图 3）。3讨论1601653.1锆石 U-Pb 年龄组成指示的长江沉积物源汇过程的变化代表相同沉积期的两个沉积物样品的重矿物组合和碎屑锆石 U-Pb 年龄组成既有共性又 有差异，相似性是由一致的物源区和类似的沉积物输运过程所控制，差异性可能是两个样品 取自不同沉积环境，如表层样分别取自现代河床和潮滩，而两个取样钻孔相距数十公里（图1），且分别代表中全新世和末次盛冰期的样品实际沉积年龄仍可能存 1000-2000 年（或更 长）的差别。本文目的是探讨冰期间冰期三种差异显

25、著的气候条件下长江流域沉积物源 汇过程特征，故将同一时期的两个样品分析数据进行合并统计，其中碎屑锆石 U-Pb 年龄以 每 25Ma 为统计单元，得到不同时期的锆石 U-Pb 年龄谱系图（图 4）。长江口三个不同时期沉积物的碎屑锆石年龄分布特征具有一定的相似性，呈多分峰态分 布，在 150-300Ma、700-1000Ma、1800-2000Ma 以及 2300-2500Ma 中均出现年龄峰值（图 4）。 但结合比对不同时期锆石的百分含量（表 3），发现各个时期的碎屑锆石具有其独自特征。170图 4 三个时期碎屑锆石 U-Pb 年龄谱系图Fig.4 Change in detrital zir

26、con U-Pb ages over the 3 stages175表 3 碎屑锆石 U-Pb 年龄含量（%）统计表Tab.3Statistics on detrital zircon U-Pb ages of 3 different stagesCzKJTPz2Pz1Pt3Pt2Pt1Ar现代表层0.001.702.989.3611.918.5136.174.6822.132.55全新世0.000.715.0014.299.297.1427.142.8631.432.14晚第四纪0.005.515.1212.209.848.6630.315.9120.871.57180185中全新世沉积物明

27、显较末次盛冰期沉积物，白垩纪锆石由 5.51%明显减少到 0.71%（表4）。而长江中下游地区较上游地区白垩纪岩浆岩的出露更为广泛，说明全新世时期有更多非 长江中下游地区的沉积物输入至河口，从而导致白垩纪锆石的相对含量减少。新元古代岩浆 岩在扬子地块出露最为广泛，而在 HQ03 孔与 HM03 孔全新世时期三角洲沉积的记录中，新 元古代锆石的百分含量减少（从 30.31%减少到 27.14%），意味着增加了更多来自其他地区 的物质输入。长江上游松潘甘孜褶皱带广泛发育和出露三叠系浊积岩，1800-2000Ma 的古 元古代锆石即为这些浊积岩中再旋回锆石中的主要年龄组份1114，而样品中古元古代锆

28、石 的百分含量在全新世时期明显增大，从 20.87%上升到 31.43%，导致这一现象的原因，很可 能是有来自松潘甘孜褶皱带的再旋回锆石大量注入。现代表层沉积物的年龄分布范围明显大于全新世沉积物和晚第四纪沉积物，表明长江三190195200205210215220角洲地区物源供应发生了变化，物源区扩大。长江流域主要位于亚热带季风气候区，受东亚季风强弱的影响。鉴于末次盛冰期时的重矿物与锆石年龄组成与全新世的样品有较大的差 别，说明末次盛冰期时，由于季风、水动力等条件较弱，上游，尤其是第一阶梯的粗颗粒碎 屑物质被暂时滞留在上游区域，而到了冰消期，尤其是全新世出现了强烈的夏季风，随着水 动力强度加大

29、，原滞留在上游的粗颗粒碎屑物质被大量冲刷，并携带入海，从而扩大了长江 口沉积物的物源区。这与南亚、东南亚河流沉积物的研究结果相一致，认为气候对沉积物的 影响作用更为明显1,15,16。3.2重矿物特征指数与特征矿物指示的长江沉积物源汇过程的变化长江流域面积巨大，内有众多支流水系，能够明确作为某一支流的特征矿物并不多。其 中锆石、榍石被分别认为是湘江与涪江的特征矿物17（王中波等，2006），即在这两条支 流中锆石与榍石的含量明显高于其它支流。从末次盛冰期到中全新世，锆石、榍石在 HQ03 孔与 HM03 孔中所占颗粒百分比均有所减少，具体表现为 HQ03 孔中锆石从 0.76%减少到0.19%

30、，榍石从 2.27%减少到 0.45%；HM03 孔中锆石从 0.75%减少到 0.07%，榍石从 1.33% 减少到 0.37%。这一结果在反映两个时期物源变化的同时，也说明全新世时期河口接受了更 多来自上游的沉积物，使锆石与榍石的相对百分含量在一定程度上减少。重矿物组合可以作为母岩性质的示踪剂，如晶形完好的锆石、电气石、磷灰石、石榴石 等矿物组合，可以指示物源区母岩的组成特征7。在沉积物的搬运过程中，重矿物组合及其丰度往往受到物理分选、机械磨蚀、化学溶蚀 等因素的影响，左右着物源判别的准确性，而水动力条件是影响物源的主要因素之一，在相 似的水动力作用下，稳定的重矿物比值能够更好地反映物源特

31、征7，如 ATi 指数、GZi 指数、 ZTR 指数。其中：ATi 指数=100磷灰石/（磷灰石%+电气石%）；GZi 指数=100石榴子石/（石榴子石%+锆石%）；ZTR 指数=锆石%+电气石%+金红石%。ATi 指数与 GZi 指数可以 分别指示层序是否受到酸性地下水循环的影响，磷灰石的风化程度及石榴石的稳定性18。ZTR 指数则指示重矿物的成熟度，数值愈大，代表重矿物的成熟度愈高。各样品的重矿物特征指数（表 4）显示，ATi 指数均在 70-95 之间，表明沉积物的母岩 未经过强烈的风化，磷灰石的风化程度较低。GZi 指数集中在 70-100 之间，说明沉积物的 母岩有石榴石源，即变质岩

32、。同样要通过对比来说明三个层位的差别，由此说明与物源变化 或源汇过程变化的关系。而 ZTR 指数可明显分为两组，在现代表层沉积物与全新世沉积 物中 ZTR 值均小于 1；而两个钻孔中末次盛冰期的沉积物，ZTR 值均大于 1。说明末次盛冰 期时，三角洲的沉积物主要来自较近的源区，该区沉积物经过长期比较缓慢的风化剥蚀和分 选；而到了全新世时期，出现强烈的夏季风，降雨增强，在较快的风化剥蚀速率下，有更多 的来自上游的粗颗粒物质，未经过显著的动力分选和长期风化磨蚀而输入到河口，致使重矿 物成熟度降低。表 4 重矿物 ATi、GZi、ZTR 指数统计Tab.4Statistics of ATi, GZi

33、 and ZTR numbers of different sediment samplesM-RCM-SFMH-HQMH-HMLGM-HQLGM-HMATi79.681.183.988.676.786.5GZi92.497.596.184.173.392.9ZTR0.30.230.530.131.161.122252304结论对长江三角洲现代表层沉积样，YQ03 孔、HM03 孔中全新世沉积样与晚第四纪沉积样 重矿物组合与锆石 U-Pb 年龄谱系研究表明，长江三角洲的第四纪沉积物源在全新世时期发 生了改变。全新世较晚第四纪的重矿物成熟度更低，白垩纪和新元古代锆石的含量更少，古 元古代锆石的含

34、量更高。造成这一现象的原因与全新世早中期盛行夏季风，水动力增加，快 速搬运更多上游，尤其是长江流域上游的沉积物质入海有关。参考文献 (References)2352402452502552602651 Clift P. D., Giosan L., Blusatajn J. et al. Holocene erosion of the Lesser Himalaya triggered by intensified summer monsson. Geology, 2008a, 36(1):79-82.2 汪品先新生代亚洲形变与海陆相互作用J地球科学中国地质大学学报，2005， 30(1):1

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