江漢盆地河流碎屑鋯石U-Pb年齡特征及其對物源研究的啟示

林 旭, 吳中海, 趙希濤, 張 洋*, 陳濟(jì)鑫, 劉海金

1)三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院, 湖北宜昌 443002; 2)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;3)中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029;4)東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 江西南昌 330013

河流將造山帶隆升、地表侵蝕和風(fēng)化產(chǎn)生的大量碎屑物質(zhì)搬運(yùn)到臨近盆地沉積, 對地表的沉積體系形成、古環(huán)境演變以及地貌塑造等均具有顯著影響(楊守業(yè), 2006; Clift and Jonell, 2021)。因而, 保存在河流的碎屑沉積物成為研究造山帶隆升、大河演化等地質(zhì)問題的重要途徑(Yang et al., 2009; Zheng et al., 2013; 林旭和劉靜, 2019)。江漢盆地位于揚(yáng)子板塊北緣(圖 1A), 盆地內(nèi)匯入了十幾條長度超過100 km的河流(圖1B), 使其成為開展大河演化、盆山耦合研究的關(guān)鍵與理想地區(qū)。從而引起眾多學(xué)者的廣泛研究。這其中, 物源示蹤研究是運(yùn)用最為廣泛的方法, 主要包括全巖環(huán)境磁學(xué)(Zhang et al.,2008)、全巖Nd同位素(Shao et al., 2012)、全巖微量元素(Shao et al., 2015)、黏土礦物(Li et al., 2021)、碎屑鉀長石微量元素(林旭等, 2021)、碎屑磷灰石微量元素(蘇建超等, 2021)、碎屑磷灰石Sr同位素(林旭等, 2022)、碎屑磷灰石裂變徑跡(Yang et al.,2021)、碎屑鋯石U-Pb年齡(Wang et al., 2010; Yang et al., 2019)、碎屑輝石微量元素(楊建等, 2012)、重礦物組合(Wei et al., 2020)等分析。得益于實(shí)驗(yàn)分析精度的不斷提高, 這些研究經(jīng)歷了從全巖分析到單顆粒礦物微區(qū)原位分析的發(fā)展過程, 研究者們從而獲得了更為詳細(xì)的物源信息。但在江漢盆地河流碎屑鋯石U-Pb年齡研究過程中, 有的只討論長江, 有的選取某幾條河流進(jìn)行對比, 而大別山和幕府山的河流, 以及武陵山和雪峰山的資江、澧水和清江的碎屑鋯石U-Pb年齡依然未開展相關(guān)分析。

圖1 江漢盆地位置圖Fig. 1 Location map of Jianghan Basin

在過去的十幾年中, 國內(nèi)外研究者對鋯石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、微量元素和同位素地球化學(xué)等方面開展了廣泛的研究, 極大的豐富了“鋯石學(xué)”的研究理論(Corfu et al., 2003)。時(shí)至今日, 由于鋯石在河流沉積物中廣泛存在, 并且隨著商業(yè)化分析的普及, 大規(guī)模分析河流碎屑鋯石 U-Pb年齡成為可能, 所以鋯石依然是開展 U-Pb年齡的首選副礦物(Deng et al., 2021; Fu et al., 2021)。因而, 我們對江漢盆地流入河流開展系統(tǒng)的碎屑鋯石 U-Pb年齡分析, 同時(shí)結(jié)合其已報(bào)道的碎屑鋯石 U-Pb年齡分析結(jié)果, 通過對比分析, 發(fā)現(xiàn)特征河流, 為解決江漢盆地與遠(yuǎn)緣和近緣造山帶隆升之間的盆山耦合關(guān)系、長江水系演化、東亞季風(fēng)形成等地質(zhì)問題提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

晚燕山期至喜山期(K2–E), 由于西太平洋板塊向歐亞大陸俯沖, 導(dǎo)致中國陸塊東部處于區(qū)域拉張環(huán)境, 產(chǎn)生了一系列北東向帶狀分布的斷陷盆地,江漢盆地即在這一區(qū)域構(gòu)造背景下出現(xiàn)的(Wu et al.,2020)。長江自西向東經(jīng)長江三峽流入盆地; 漢江自北部注入盆地; 澴河、倒水、舉水、巴河等發(fā)源于大別山的水系自東北流入盆地; 陸水和汨羅江自東南流入盆地; 清江、澧水、沅江、資水和湘江自西和南部注入盆地。這些河流的長度(圖2A)和流域面積(圖2B)與年均徑流量(圖2C)和年均輸沙量(圖2D)存在明顯的正相關(guān)關(guān)系。在宜昌段長江及其以上的主要支流中, 金沙江、嘉陵江和長江成為江漢盆地西部主要的泥沙輸入河流(林旭等, 2022)。漢江成為江漢盆地北部年均輸沙量最多的河流。江漢盆地南部和西南部的泥沙主要來自湘江和沅江。來自大別山和幕府山的河流, 由于河流長度短、流域面積小,對江漢盆地的泥沙供給量少。

圖2 江漢盆地河流水文特征(數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國水利部, 2019)Fig. 2 Hydrological characteristics of rivers in Jianghan Basin(data after Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China, 2019)

2 樣品采集與分析方法

2.1 樣品采集

本文對江漢盆地四周的主要匯入河流進(jìn)行了碎屑樣品采集工作。采樣點(diǎn)集中于河流下游干流河漫灘、枯水季河床。在每個(gè)采樣點(diǎn)采樣時(shí)刮開新鮮表面, 避免后期人為或風(fēng)沙沉積的混染, 每件樣品采集3～5 kg。具體采樣信息見表1。

表1 樣品采集信息Table 1 Collected sampling point information

2.2 分析方法

將野外采集的河流碎屑樣品經(jīng)重砂分析、磁性分選等一系列過程, 分離出鋯石顆粒, 并在雙目顯微鏡下進(jìn)行人工挑選提純。每個(gè)樣品隨機(jī)挑選 300顆鋯石制成環(huán)氧樹脂靶, 同時(shí)對靶片進(jìn)行表面拋光和陰極發(fā)光(CL)圖像拍攝。完成上述步驟后, 在南京宏創(chuàng)地質(zhì)勘查微區(qū)分析實(shí)驗(yàn)室, 使用激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(LA-ICPMS)對碎屑鋯石邊部進(jìn)行U-Pb年齡分析。采用5個(gè)激光脈沖對每個(gè)剝蝕區(qū)域進(jìn)行預(yù)剝蝕(剝蝕深度～0.3 μm), 以去除樣品表面可能的污染。在束斑直徑30 μm、剝蝕頻率5 Hz、能量密度2 J/cm2的激光條件下分析樣品。數(shù)據(jù)處理采用Iolite程序(Paton et al., 2010), 鋯石91500作為校正標(biāo)樣, GJ-1作為監(jiān)測標(biāo)樣, 每隔10～12個(gè)樣品點(diǎn)分析2個(gè)91500標(biāo)樣及一個(gè)GJ-1標(biāo)樣。通常采集20秒的氣體空白, 35～40秒的信號區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 按指數(shù)方程進(jìn)行深度分餾校正。以NIST 610作為外標(biāo), 91Zr作為內(nèi)標(biāo)計(jì)算微量元素含量。本次實(shí)驗(yàn)過程中測定的91500 ((1061.5±3.2) Ma,2σ)、GJ-1 ((604±6) Ma, 2σ)年齡在不確定范圍內(nèi)與推薦值一致。選擇206Pb/238U(年齡＜1000 Ma)與207Pb/235U 或207Pb/206Pb(年齡＞1000 Ma)諧和度在90%～99%之間的結(jié)果。鋯石樣品的 U-Pb年齡計(jì)算采用 Isoplot/Ex_ver3完成。基于 Kolmogorov-Smirnov (K-S)統(tǒng)計(jì)方法的多維判別圖(MDS)用于輔助判別樣品年齡的遠(yuǎn)近關(guān)系(Vermeesch et al.,2016)。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果

本次研究對江漢盆地 12件河流碎屑鋯石樣品,進(jìn)行了 960顆鋯石顆粒 U-Pb年齡分析, 獲得922顆合格的鋯石年齡。所分析樣品中的鋯石呈圓狀和次圓狀以及棱角狀(圖3)。鋯石粒徑大小出現(xiàn)明顯差異, 具有振蕩環(huán)帶的鋯石居多, 此次分析的大部分鋯石Th/U比值＞0.1 (圖4), 說明這些鋯石以巖漿成因?yàn)橹鳌?/p>

圖3 鋯石CL圖(年齡單位: Ma)Fig. 3 CL images of zircon grains from Jianghan Basin (age/Ma)

圖4 江漢盆地河流碎屑鋯石U-Pb年齡與Th/U二維散點(diǎn)圖Fig. 4 Two-dimensional scatter plots of U-Pb age and Th/U ratio of river detrital zircons from Jianghan Basin

宜昌段長江干流的碎屑鋯石 U-Pb峰值年齡包含: 202 Ma、838 Ma、1826 Ma和 2408 Ma (He et al.,2013a, 圖 5A)。清江樣品出現(xiàn)多個(gè)峰值年齡:170 Ma、218 Ma、626 Ma、958 Ma、1872 Ma 和2490 Ma(圖 5B)。沮漳河樣品的峰值年齡由中生代(134 Ma、211 Ma)和新元古代(770 Ma)組成(圖 5C)。漢江 1的峰值年齡包含: 216 Ma、452 Ma 和780 Ma (He et al., 2013a, 圖5D)。唐白河樣品的峰值年齡以中生代(147 Ma、217 Ma、442 Ma)和新元古代(784 Ma)為主(圖 5E), 這與漢江 2的峰值年齡相近: 148 Ma、214 Ma、444 Ma和 741 Ma (Liang et al., 2018, 圖5F)。大別山的澴水(134 Ma、211 Ma、808 Ma, 圖 5G)、倒水(131 Ma、237 Ma、794 Ma, 圖5H)、舉水(135 Ma、232 Ma、834 Ma, 圖 5I)和巴水(134 Ma、226 Ma、803 Ma, 圖5J)的峰值年齡組成相似, 主要以中生代和新元古代為主。幕府山的陸水(151 Ma, 圖5K)和汨羅江(152 Ma, 圖5L)的峰值年齡以中生代為主。沅江的峰值年齡包含: 180 Ma、222 Ma、826 Ma、2042 Ma 和 2500 Ma(圖 5M)。資江的峰值年齡由中生代(226 Ma、427 Ma)和新元古代(809 Ma)組成(圖5N)。湘江的峰值年齡: 150 Ma、220 Ma、432 Ma、785 Ma、979 Ma、1861 Ma 和2514 Ma(圖5O)。澧水的峰值年齡包含: 220 Ma、456 Ma、1003 Ma、1448 Ma 和 2568 Ma(圖 5P)。

4 討論

長江經(jīng)三峽自西向東進(jìn)入江漢盆地, 是江漢盆地所有流入河流中年均輸沙量(4.0×108t)最大的河流, 鋯石 U-Pb年齡峰值復(fù)雜(圖 6A); 同時(shí)宜昌段以上的長江支流的河流長度、流域面積和年均輸沙量都要超過江漢盆地近源的諸多河流, 因而在將其與江漢盆地近源碎屑鋯石 U-Pb年齡特征進(jìn)行對比分析之前, 有必要對其碎屑鋯石 U-Pb年齡特征進(jìn)行討論。雅礱江(圖 6B)是金沙江的主要支流, 其河流碎屑鋯石 U-Pb年齡組成與金沙江十分相似, 所不同的是金沙江具有新生代峰值年齡(30 Ma, 圖6C)。大渡河(圖 6D)是岷江(圖 6E)的重要支流, 二者的碎屑鋯石U-Pb峰值年齡組成以中生代(206 Ma、205 Ma)和新元古代(780 Ma、823 Ma)為主?？傮w來看, 這四條河流與宜昌段的長江干流(圖6A)相比都缺乏古元古代和新太古代峰值年齡。嘉陵江(圖6F)和烏江(圖 6G)的鋯石 U-Pb峰值年齡組成相似, 相比雅礱江、金沙江、大渡河和岷江而言, 它們的峰值數(shù)量變多, 這和涪陵段長江(圖 6H)的鋯石 U-Pb峰值年齡組成一致。而涪陵段長江和宜昌段長江的鋯石U-Pb峰值年齡組成相似。在圖7A中, 可以看到雅礱江和金沙江, 大渡河和岷江, 嘉陵江、烏江和涪陵彼此間的鋯石 U-Pb年齡 MDS判斷距離相近。因而, 考慮到年均徑流量(圖 2C)和年均輸沙量(圖 2D)的影響, 宜昌段長江干流的碎屑鋯石 U-Pb年齡組成主要受嘉陵江的影響。石英宇成核素10Be物源示蹤和地表侵蝕速率結(jié)果表明, 金沙江流域的侵蝕速率較低, 長江上游干流物質(zhì)主要來自嘉陵江、大渡河和岷江(Chappell et al., 2006); 重礦物組合和主成分分析結(jié)果表明嘉陵江成為長江上游干流碎屑物質(zhì)的主要輸送河流(Vezzoli et al., 2016)。長江上游黏土礦物物源示蹤結(jié)果表明, 大渡河、嘉陵江、岷江對長江干流的物質(zhì)貢獻(xiàn)大(He et al., 2013b)。林旭等(2022)通過對宜昌以上長江干支流進(jìn)行的碎屑磷灰石原位地球化學(xué)分析, 結(jié)果表明嘉陵江成為豐都段長江碎屑物質(zhì)的主要供給河流。因而將長江上游支流(雅礱江、金沙江、大渡河、岷江)的鋯石U-Pb年齡組成與江漢盆地的鉆孔和沉積地層進(jìn)行對比,開展長江演化研究時(shí), 需要考慮因搬運(yùn)距離遠(yuǎn)的影響, 宜賓以上金沙江干支流物質(zhì)信號衰減的情況。

圖6 鋯石U-Pb年齡頻率分布圖(數(shù)據(jù)引用自He et al., 2013a)Fig. 6 U-Pb age frequency distribution of zircons(data is from He et al., 2013a)

圖7 鋯石U-Pb年齡之間的K-S距離MDS圖Fig. 7 Multi-dimensional scaling map showing the relationship between samples based on Kernel density statistic of the zircon ages

通過對比可以看到(圖 5A, B, C), 清江流域的碎屑鋯石 U-Pb年齡組成要比長江和沮漳河的都復(fù)雜。而沮漳河在具有晚中生代(134 Ma)峰值年齡的同時(shí), 其古元古代和新太古代峰值年齡不明顯。因而, 利用上述河流的碎屑鋯石U-Pb年齡譜對比, 可以有效約束江漢盆地西部中—新生代地層的物源信息。漢江(圖 2D)是江漢盆地流入河流中, 年均輸沙量(3.4×108t)僅次于長江的大河, 是江漢盆地重要的碎屑物質(zhì)供給河流。唐白河是漢江東部主要支流,通過對比發(fā)現(xiàn)(圖5D, E, F), 漢江1和唐白河、漢江2的碎屑鋯石U-Pb峰值年齡組成的差別在于, 前者缺乏晚中生代峰值年齡。但總體來看, 漢江下游不同河段的碎屑鋯石 U-Pb峰值年齡組成基本一致,與宜昌段長江干流相比, 它們的古元代和新太古代峰值年齡不明顯。在MDS判斷圖中, 漢江流域也形成自己的分布區(qū)域。因而, 對于江漢盆地兩條最重要的輸沙河流而言, 碎屑鋯石U-Pb年齡譜對比, 可以有效區(qū)分這兩條河流。發(fā)源于大別山的澴水、倒水、舉水和巴水的碎屑鋯石U-Pb年齡組成相似(圖5G, H, I, J), 其晚中生代(135～131 Ma)峰值年齡要比漢江的年輕(148 Ma、147 Ma); 同時(shí)其早古生代峰值年齡不明顯, 但漢江流域這一峰值年齡(452～442 Ma)很明顯。大別山的河流碎屑鋯石U-Pb峰值年齡組成與長江的差異明顯, 所以該方法可以有效用于限定大別山前緣堆積的陽邏礫石層的物源示蹤研究。發(fā)源于幕府山的陸水和汨羅江的碎屑鋯石 U-Pb峰值年齡組成是本次所有流域中最簡單的(圖5K, L), 主要由中生代峰值年齡(152 Ma、151 Ma)組成, 這與長江和漢江, 以及大別山的河流明顯不同。沅江與資江和湘江比較(圖5M, N, O), 沅江的早古生代峰值年齡不明顯, 但后者都具有這一峰值年齡(432～427 Ma)。在MDS判斷圖中, 沅江與清江、澧水的距離較近, 形成特定的分布區(qū)域, 而與資江和湘江的距離較遠(yuǎn)。因而在討論江漢盆地南部的河流演化與盆地耦合研究時(shí), 通過碎屑鋯石 U-Pb年齡譜對比, 可以區(qū)分武陵山和江南造山帶、幕府山的物質(zhì)信號。

圖5 鋯石U-Pb年齡頻率分布圖Fig. 5 U-Pb age frequency distribution of zircons

5 結(jié)論

通過對江漢盆地流入河流碎屑鋯石 U-Pb年齡分析, 結(jié)合MDS判斷圖, 研究結(jié)果表明: 長江、沮漳河和清江的碎屑鋯石 U-Pb峰值年齡組成存在差異, 可以將其用于江漢盆地西部中—新生代沉積地層的物源示蹤研究; 作為江漢盆地輸沙量最大的兩條河流, 長江和漢江的碎屑鋯石 U-Pb年齡組成存在差異, 可以有效用于研究江漢盆地北部的河流演化和盆山耦合; 大別山的河流同時(shí)與漢江和長江的碎屑鋯石 U-Pb年齡組成存在差異, 可以將其用于研究大別山山前陽邏礫石層的物質(zhì)來源; 發(fā)源于幕府山的陸水和汨羅江的碎屑鋯石 U-Pb年齡組成與長江和湘江的不同, 這在探討江漢盆地東南緣的盆山耦合和河流演化時(shí), 將具有很好的運(yùn)用前景;武陵山的清江、澧水和沅江的碎屑鋯石 U-Pb年齡組成與湘江、資江的存在差異, 為研究江漢盆地南部的河流演化提供了潛在可行性。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41972212).