PALAEOENVIRONMENTAL EVOLUTION OF SUBAQUEOUS YANGTZE DELTA INFERRED FROM SEDIMENTARY RECORDS
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摘要: 长江口水下三角洲60 m的HYZK5钻孔,揭示了末次冰期以来河流相、滨海湖沼相、河口湾-浅海相(前三角洲相)和水下汊道相的沉积环境演化。泥炭层形成于末次冰期的冷湿气候环境;有孔虫丰度的变化反映了12 000 cal.aBP以来海平面迅速上升,但在11 200~10 000 cal.aBP出现短暂的停顿。沉积物的粒度、磁化率、有机碳氮分析结果表明,三者在不同沉积相中存在明显的差异。磁化率在一定程度上可以指示水动力的强弱,间接反映沉积环境的演变,但难以反映气候的变化。河口湾-浅海(前三角洲)相粒度、磁化率和有机碳氮指标的变化均很小,反映了其沉积环境相对稳定。最上层粒径的粗化、磁化率的增大、有机碳氮的减少以及三者波动幅度的加剧,均反映了其处于潮流、波浪、径流等动力相互作用的高能沉积环境,也是长江口北支及其口外水下三角洲衰退的重要证据。虽然粒度、磁化率、有机碳氮和有孔虫丰度指标在较大的沉积环境变化中均有所反映,但由于海陆交互作用的河口地区沉积环境和动力因素的复杂性和多变性,要揭示河口地区冰后期以来的气候演化特征,还需要寻找其他可靠的环境代用指标作更深入的研究。Abstract: A~60 m long core HYZK5 was taken from the subaqueous Yangtze River delta. It consists of fluvial, coastal marsh, estuarine-shallow marine (prodelta)and distributary facies deposited since the latest glacial maximum. Peat was formed during the last glaciation when the climate was cold and wet. Foraminifera abundance shows that sea level had risen rapidly since 12 000 cal.aBP, but paused during 11 200~10 000 cal.aBP. The data of grain size, magnetic susceptibility, organic carbon and nitrogen show obvious variations in sedimentary facies in the core. Magnetic susceptibility can reflect hydrodynamics to certain extent, and indirectly suggest the evolution of sedimentary environment. But it is not a good indicator of climatic change. Parameters including grain size, magnetic susceptibility, organic carbon and nitrogen in the estuarine-shallow marine (prodelta)facies are very stable, reflecting a relatively stable environment. By contrast, coarser particle size, higher magnetic susceptibility and lower organic elements as well as intensive fluctuations occurred at the top layer of the core indicate a high-energy environment under the joint action of tidal current, runoff and other dynamics. The above phenomena have also provided important evidence for the siltation of the North Branch of Yangtze River and the decline of its mouth bar. Owing to the intensive land-sea interaction and complicated post-depositional changes in the Yangtze River Estuary, it is necessary to seek other sensitive and reliable proxies for postglacial climatic evolution.
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新生代印度板块与欧亚板块的碰撞事件导致青藏高原的隆升及周缘盆山系统的形成[1, 2]。受源于青藏高原的NE方向应力的影响，秦岭山前形成大型左旋走滑断层，华北地块发生NE—SW向拉张，最终导致了渭河盆地的形成[1, 3-6]。渭河盆地夹持于鄂尔多斯地块与秦岭造山带之间，自始新世以来经历了强烈断陷并接受了大量来自秦岭造山带、黄土高原和青藏高原东北缘的沉积[7-10]。对这些沉积物进行物源示踪研究，是了解渭河盆地沉积演化过程的重要手段，对认识秦岭造山带及青藏高原东北缘新生代构造-剥蚀历史具有重要指示意义。
渭河流域发源于青藏高原东北缘，是流经渭河盆地的重要水系(图 1)。对渭河流域沉积物进行物源示踪研究是建立渭河盆地沉积物物源示踪体系的关键。锆石是各类岩石中常见的重矿物，因其性质稳定，富含放射性元素铀，且封闭温度高，是U-Pb同位素定年的理想材料[11-15]。碎屑锆石U-Pb年代学方法在河流沉积物源汇关系研究中被广泛应用[16-18]。
本文利用碎屑锆石U-Pb同位素方法对渭河流域沉积物进行物源示踪研究。通过对河流沉积物锆石年龄分布的差异及其混合模式分析，探讨渭河流域与周缘构造单元的关系及各支流对干流的贡献，判别渭河流域沉积物物源，为研究渭河盆地沉积历史及秦岭造山带的演化奠定基础。
1. 地质背景
渭河发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，于陕西省潼关县注入黄河，是黄河的一级支流。渭河全长818km，流域面积达134766km2，平均年径流量为67.4亿m3，平均年输沙量为3.03亿t[19]。渭河干流流经甘肃天水及陕西宝鸡、咸阳、西安、渭南等县市，以渭源至宝鸡以上为上游，宝鸡至咸阳为中游，咸阳以下为下游[20]。渭河干流上游地区出露白垩纪、三叠纪、二叠纪和石炭纪地层，在武山和天水地区出露古元古代地层；中游及下游地区主要被第四系覆盖(图 2)。
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图 2 渭河流域岩性图(改自250万中国地质图)Figure 2. Lithological map of the Wei River drainage, based on the geological map of China (1:2 500 000)泾河是渭河流域的第一大支流，是黄河流域的二级支流，发源于六盘山东麓，流经黄土高原，于西安北部汇入渭河干流。泾河全长455km，流域总面积45421km2，干流年平均径流量为15.73亿m3，平均年输沙量为2.09亿t。泾河径流量受降雨补给影响，年内分配与降水趋势基本一致。泾河流域出露地层以第四系为主，上游出露白垩系。
洛河是渭河的一级支流，黄河的二级支流，发源于陕西省定边县，全长690km，流域面积26900km2。洛河属于降水补给型河流，干流平均年径流量为7.877亿m3。流域流经黄土高原丘陵沟壑区，泥沙含量大，平均年输沙量为0.69亿t[19]。
灞河发源于秦岭北麓，全长109km，总流域面积2581km2，为渭河支流。灞河属于季风性河流，流域降水主要集中在夏季，径流量年内分配不均。灞河流域出露地层整体以第四系为主，源头地区出露侏罗系和二叠系。
秦岭造山带位于渭河流域南缘，目前认为，其是3个板块沿两条缝合带(即由华北板块、扬子板块及其间的秦岭微陆块沿商丹、勉略两个缝合带)经强烈的碰撞和陆内造山构造叠加而形成的复合型大陆造山带[4, 21, 22]，从地质上可简单地划分为北秦岭构造带和南秦岭构造带。大量研究表明，秦岭造山带的形成和演化可归纳为3个主要阶段：(1)晚太古代—早中元古代古老结晶基底和过渡性变质基底形成时期；(2)晚元古代—中三叠世的主造山作用时期，经历板块构造和垂向增生构造复合的演化过程[23]；(3)中新生代后造山期，发生陆内断陷、大幅度隆升和广泛的花岗岩浆活动[24]。秦岭地区碎屑锆石U-Pb年龄分布主要为200~300、400~505、840~1190、1650~1830和2200~2500Ma[21, 23, 25-32]。
2. 材料与方法
本研究共采集河流沉积物样品11个，其中包括10个渭河流域沉积物(干流及主要支流)和1个黄河流域沉积物。10个样品点覆盖整条渭河流域，包括干流渭源段、武山段、天水段、宝鸡段、咸阳段和渭南段及支流泾河、洛河和灞河(表 1)。样品均为采集于河流河漫滩或河流一级阶地上的砂级沉积物，每个样品取约2kg。黄河样品采集于渭河与黄河汇合点后的黄河河漫滩。为使所采样品具有代表性，在同一个采样点的多个位置进行采样，充分混合。采样点位置尽量避开城市和可能的污染源，以减小不必要的自然或人为干扰。
表 1 渭河流域表层沉积物样品位置Table 1. Geographic locations of samples in the Wei River drainage序号 河流 经度(E) 纬度(N) 1 渭源段(渭河) 104°10′28″ 35°6′3″ 2 武山段(渭河) 104°53′16″ 34°43′33″ 3 天水段(渭河) 105°52′29″ 34°35′8″ 4 宝鸡段(渭河) 107°2′59″ 34°22′47″ 5 咸阳段(渭河) 108°42′51″ 34°19′32″ 6 灞河 109°29′12.4″ 34°11′17.7″ 7 泾河 108°59′53.7″ 34°27′6.7″ 8 渭南上段(渭河) 109°47′22.5″ 34°36′23.8″ 9 洛河 109°52′39.7″ 34°46′31.3″ 10 渭南下段(渭河) 110°13′9.1″ 34° 36′ 59.8″ 11 黄河 110°42′32.4″ 34°27′31.4″ 将采集的样品送至河北廊坊恒宇股份有限公司进行锆石矿物挑选。在双目镜下随机将200~300颗碎屑锆石粘在双面胶上，并利用环氧树脂和凝固剂制靶。锆石靶经打磨、抛光、清洗后在偏光显微镜下进行透射光和反射光拍照。碎屑锆石测试在南京师范大学地理科学学院激光剥蚀等离子质谱实验室(LA-ICPMS)完成。测试仪器为Photon Machine 193nm激光剥蚀器和Agilent 7700x四极杆等离子体质谱仪。每个样品进行168颗锆石原位微区激光剥蚀分析。测试过程中使用国际标样91500(1062±4Ma)或GJ-1(608.5±0.4Ma)作为外标，使用“清湖”样品(159.5±0.2Ma)作为监控样品，激光束斑直径为35μm。年龄计算及数据处理采用Igor Pro-Iolite程序。锆石年龄谱用Kernel Density Estimation (KDE)方法绘制[33]。对于年龄＜1000Ma的锆石，采用206Pb/238U的年龄；对于年龄>1000Ma的锆石，采用207Pb/206Pb的年龄[34]。选取谐和度>90%的颗粒来进行碎屑锆石年龄谱的分析。样品碎屑锆石U-Pb年龄谐和图见图 3。
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图 3 渭河流域沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谐和图Figure 3. Concordia diagram of detrital zircons from the Wei River drainage3. 结果与讨论
3.1 沉积物碎屑锆石U-Pb年龄特征
渭河流域干流沉积物碎屑锆石年龄均呈多峰态分布(图 4A)。从上游到下游，主要表现出五组年龄区间，分别是100~300、300~500、700~1000、1700~2000和2100~2500Ma。根据该五组主要年龄区间绘制锆石含量百分比饼图(图 4，表 2)。可见，渭河干流沉积物均以100~300Ma和300~500Ma的年龄为主，锆石含量可达20%以上。元古代锆石(700~1000、1700~2000和2100~2500Ma)在渭河上游沉积物中含量较高(图 4a-c)，而中下游在该年龄区间内的锆石含量较低(图 4d-g)。
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图 4 渭河流域碎屑锆石U-Pb年龄谱图及饼状图Figure 4. Plots of U-Pb age spectra and pie chart of the sediments in the Wei River drainage表 2 渭河流域沉积物不同年龄组碎屑锆石U-Pb年龄百分比Table 2. The proportion of the zircon content at the different age sections in the Wei River drainage basin样品点 100~300Ma (%) 300~500Ma (%) 700~1000Ma (%) 1700~2000Ma (%) 2100~2500Ma (%) 锆石总量(n) 渭源段(渭河) 28 39 13 6 4 117 武山段(渭河) 14 26 7 14 20 102 天水段(渭河) 19 28 6 26 6 102 宝鸡段(渭河) 47 44 1 5 0 100 咸阳段(渭河) 33 42 6 4 1 216 灞河 21 1 1 2 63 206 泾河 19 28 8 14 9 102 渭南上段(渭河) 22 45 2 10 11 105 洛河 19 28 8 16 8 107 渭南下段(渭河) 7 30 13 11 2 102 黄河(渭河汇合前) 13 20 7 20 29 84 黄河(渭河汇合后) 18 21 5 21 16 107 渭河支流沉积物碎屑锆石年龄分布差异较大(图 4h-j)。灞河沉积物锆石年龄呈现两组主要年龄峰，分别是100~300Ma(21%)和2100~2500Ma(63%)(图 4h)。泾河和洛河碎屑锆石具有相近的多峰态分布，同样以200~300Ma和400~500Ma的锆石为主，800~1100、1800~2000和2400~2550Ma的锆石含量均在10%左右(图 4i-j)。
3.2 沉积物物源判别
3.2.1 渭河干流沉积物物源判别
由上可知，渭河干流沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谱总体呈现出五组年龄区间，分别是100~300、300~500、700~1000、1700~2000和2100~2500Ma。
(1) 100~300Ma和300~500Ma
此两组年龄区间为渭河流域干流沉积物主要年龄峰值。扬子板块和华北板块于中—晚三叠世沿秦岭造山带发生碰撞，该碰撞事件导致秦岭地区发生大规模岩浆活动。前人研究表明，北秦岭地区存在大量年龄为205~240Ma的花岗岩体，是秦岭造山带3叠纪构造岩浆活动的反映[24, 25]。此外，该区在古生代还发生了3次大规模岩浆活动，存在470~505、422~455和400~410Ma三期花岗岩体[27, 28]。北秦岭位于渭河流域南缘，其剥蚀的沉积物大量堆积在秦岭山麓，被流水带入渭河盆地中。在河流的搬运作用下，可认为渭河沉积物中100~300Ma和300~500Ma的锆石均来自于北秦岭造山带(图 4k)。
(2) 700~1000Ma
700~1000Ma对应新元古代早期的晋宁运动。该时期北秦岭地区发生强烈的岩浆活动、变质作用及构造运动，广泛分布700~1000Ma年龄的岩体。渭河沉积物中该年龄组的锆石在渭河上游及渭南下段含量较高，主要与北秦岭经历中—新元古代的构造事件有关。
(3) 1700~2000Ma和2100~2500Ma
张国伟等[21]研究表明，秦岭造山带古老结晶基底和过渡性浅变质基底在晚太古代—早中元古代形成，古老结晶基底呈大小不一的残存地块或构造岩块出现。张宗清等[38]对北秦岭变质地层进行研究发现，北秦岭变质碎屑岩中锆石U-Pb年龄及Sm-Nd同位素模式年龄反映了北秦岭在2000Ma左右的地壳增生事件。故渭河流域沉积物含有1700~2000Ma和2100~2500Ma的锆石年龄。此外，渭河上游出露古元古代地层，而中下游主要被第四纪沉积物覆盖(图 2)，因此，渭河流域上游沉积物中含有较高含量该年龄组的锆石。
3.2.2 渭河支流沉积物物源判别
渭河支流中，灞河发源于秦岭北麓，以100~300Ma和2100~2500Ma的锆石为主，其沉积物的碎屑锆石年龄记录了秦岭造山带三叠纪的岩浆活动及2100~2500Ma地壳增生的构造事件，但缺少700~1000Ma晋宁运动的记录。
洛河和泾河均为渭河的重要支流，且均流经黄土高原，汇入渭河盆地，两条支流沉积物碎屑锆石表现出相近的多峰态分布，存在200~300、400~500、800~1100、1800~2000和2400~2550Ma五组年龄区间。因黄土物质来源复杂，包括北部、西北部沙漠、青藏高原东北缘等，故泾河和洛河沉积物受黄土高原的影响，为多物质源区的混合，其锆石年龄呈多峰态分布，与黄土锆石年龄组成相近[37, 39, 40](图 4l)。
3.3 渭河流域碎屑锆石U-Pb年龄混合模式
根据五组年龄区间的锆石年龄百分比含量，按从上游到下游的顺序，绘制渭河流域混合模式图(图 5)。折线表示渭河干流沉积物中该年龄组内碎屑锆石含量的变化，点表示支流沉积物在该年龄组内碎屑锆石的含量，竖线与横坐标的交点表示渭河支流与干流汇合的位置。在某个年龄区间内，如果汇合点前支流沉积物中该年龄组内锆石的含量明显高于干流中的含量，并且汇合后引起干流沉积物中该年龄组内的锆石含量明显增加，则认为该支流对干流贡献大。如果汇合前支流沉积物中该年龄组内锆石含量明显低于干流中的含量，并且汇合后引起干流沉积物中该年龄组内的锆石含量明显减少，则认为支流对干流贡献较大，起到稀释作用。如果在某个年龄组内支流与干流汇合前后干流沉积物中锆石含量差异不大，则不能确定支流对干流的贡献大小。
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图 5 碎屑锆石U-Pb年龄混合模式图Figure 5. Hybrid model of age sections from the Wei River drainage basin如图 5所示，渭河干流沉积物中100~300Ma年龄组内锆石含量整体呈现先增大后减少的趋势，宝鸡段(47%)和咸阳段(33%)含量较高。灞河和泾河先后汇入渭河，100~300Ma年龄组内锆石含量相近且均低于渭河干流，分别为21%和19%。灞河与泾河汇入渭河干流后，渭河沉积物中100~300 Ma年龄组内锆石含量明显下降，即从咸阳段至渭南段锆石含量从33%减少到22%，说明灞河和泾河对渭河干流影响较大，起到了稀释作用。洛河沉积物中该年龄组的锆石含量高于渭河干流，在汇入渭河后，干流中该年龄组锆石含量明显下降，表明洛河的加入对渭河沉积物没有影响。
渭河干流300~500Ma年龄区间内的锆石含量明显高于其他年龄段，从上游至下游整体呈现上升趋势，尤其是进入宝鸡段后，该年龄组内锆石含量有明显的增加。支流灞河、泾河和洛河在该年龄组的锆石含量均低于干流，在灞河和泾河汇入渭河干流后，锆石含量增加幅度不明显，锆石含量变化不大，表明这两条支流对干流的影响有限。而洛河汇入渭河后，该年龄组内干流沉积物锆石含量明显下降，说明洛河对渭河干流影响较大。
700~1000Ma的锆石在渭河干流中整体含量较低，变化较大(图 5C)。灞河该年龄组的锆石含量仅为1%，泾河含量为8%。灞河和泾河汇入渭河后，渭河该年龄组沉积物含量降低，表明灞河对渭河影响较大，主要表现为沉积物的稀释作用，而泾河贡献较小。洛河该年龄组锆石含量明显高于汇合前的渭河干流，在洛河汇入后，渭河干流该年龄组沉积物含量明显上升，由2%增加至13%，反映了洛河对渭河干流具有较大的贡献。
渭河干流沉积物在1700~2000Ma区间内锆石含量在天水段最高，从上游到下游呈现先增加后减小再轻微增加的趋势(图 5D)。灞河该年龄组锆石含量低于渭河，而泾河高于渭河，在灞河和泾河汇入后，渭河该年龄组沉积物量略有增加，表明泾河贡献较多该年龄组的锆石而灞河贡献较小；洛河该年龄组锆含量石略高于渭河，在洛河加入后，渭河该年龄组沉积物量有少量增加，表明洛河对干流有一定贡献。
2100~2500Ma区间内锆石在武山段含量最高，继而减少，下游有小幅度增加(图 5E)。灞河沉积物富集该年龄组锆石，且其含量明显高于渭河干流，泾河含量略低于渭河，灞河和泾河汇入后，渭河干流在该年龄组内锆石含量显著增加，表明灞河对渭河产生影响，而泾河影响较小。洛河该年龄组沉积物含量略高于渭河，在洛河加入后，渭河该年龄组沉积物含量有所下降，表明洛河对渭河该年龄组沉积物没有贡献。
综上，渭河流域支流对干流有不同程度的稀释及贡献，泾河对渭河干流贡献较大，灞河对渭河干流贡献较小，洛河对渭河干流有一定贡献。由前文可知，泾河和洛河流经疏松易蚀的黄土高原，搬运携带大量沉积物，而灞河水流相对清澈，携带泥沙量较少。结合《中国河流泥沙公报，2016》最新数据，泾河对渭河的贡献为69%，洛河对渭河贡献量为23%。灞河贡献量小。此结论与本文研究结果一致。
3.4 渭河对黄河的沉积物贡献
渭河是黄河的一级支流，本研究在渭河与黄河汇合后取一个黄河沉积物样品，并结合前人已经发表的在渭河汇入前的黄河沉积物的数据[37]，探究渭河流域沉积物对黄河的贡献。
黄河流经众多构造单元，沉积物来源广泛，其碎屑锆石U-Pb年龄呈多峰态分布特征。汇合点前，黄河干流主要呈现四组年龄峰，分别是100~300、300~500、1700~2000和2400~2600Ma(图 6A)。物源示踪研究表明，秦岭-大别-苏鲁造山带、东昆仑造山带、柴达木板块北缘和华北板块是200~300Ma和350~500Ma的锆石的可能物源，而1800~2000Ma和2400~2600Ma的锆石可能来自扬子板块和华北板块[13, 36]。
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根据汇合点前后碎屑锆石年龄百分比变化可知，渭河加入黄河后，黄河在100~300Ma区间内的锆石含量从13%增加到18%，说明渭河对黄河干流贡献了较多该年龄组的锆石。渭河在300~500Ma区间内锆石较高，但在渭河加入黄河后，并没有引起黄河在300~500Ma区间内的锆石含量的明显变化，故认为渭河对黄河干流贡献不大。对于700~1000Ma和1700~2000Ma区间内的锆石，由于其含量较低，并且在渭河加入后，黄河在这两个区间内的锆石含量基本没有变化。因此认为渭河对黄河干流的该年龄组锆石影响不大。2100~2500Ma区间内的锆石含量明显减小，减小量为13%，这是因为渭河在该年龄组的锆石含量较少，渭河的加入对黄河干流起到了明显的稀释作用。
可见，通过沉积物碎屑锆石U-Pb年龄分布分析，渭河对黄河有较大贡献。根据《中国河流泥沙公报》最新数据显示，自1952年至2015年，潼关水文控制站(渭河与黄河汇合位置)多年平均输沙量为9.78亿t，渭河华县水文控制站多年平均年输沙量为3.03亿t，渭河干流对黄河的泥沙贡献量达30%，与本文研究相符。
4. 结论
(1) 渭河干流沉积物主要呈现5组年龄区间，分别为100~300、300~500、700~1000、1700~2000和2100~2500Ma，其中以100~300Ma和300~500Ma的锆石为主，判别渭河干流沉积物主要来自北秦岭造山带。上游沉积物中1700~2000Ma和2100~2500Ma的锆石含量较中下游高，主要与上游出露古元古代地层相关。
(2) 渭河支流沉积物碎屑锆石年龄分布存在显著差异。灞河沉积物主要反映了北秦岭造山带的特征，泾河和洛河流经黄土高原，沉积物碎屑锆石U-Pb年龄主要表现为200~300、400~500、800~1100、1800~2000和2400~2550Ma五组年龄，与黄土高原锆石年龄组成相近。
(3) 沉积物碎屑锆石U-Pb年龄混合模式分析表明，支流泾河向渭河干流贡献较大；灞河携带泥沙量较小，对渭河干流沉积物贡献不大，洛河对渭河干流存在部分贡献。
(4) 渭河干流汇入黄河前后，黄河沉积物碎屑锆石U-Pb年龄组成变化明显，反映出渭河对黄河贡献较大，此结论与水文站相关数据结果一致。
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