銀川盆地晚上新世物質來源及其對黃河上游形成年代的約束

王釗，聶軍勝，彭文彬，張浩博，李峁潼

1.山西師范大學地理科學學院，太原 030030

2.蘭州大學資源環境學院，蘭州 730000

3.棗莊學院旅游與資源環境學院，山東棗莊 277160

0 引言

大型河流的形成年代以及水系演化受到國內外學者廣泛地關注。黃河發源于青藏高原東北部的巴顏喀拉山，它將侵蝕的物質，通過河流搬運、沉積到鄰近的盆地、平原和海洋中，構成了一個完整的“源—匯”系統。因此，黃河的形成演化歷史一直是地學界廣泛關注的重大科學問題之一，為此進行了大量的研究與討論，并取得了許多重要的研究成果。盡管進行了大量的調查，但是由于不同學者判斷黃河形成的標準不同，對黃河的形成尤其是黃河中上游河段的形成歷史依然存在爭論。主要分為三種觀點：1）晚中新世到上新世（＞3 Ma）[1-12]，2）早—中更新世（約1.8～0.8 Ma）[13-20]，3）晚更新世以來[21-25]。

近年來，一些學者利用碎屑鋯石U-Pb 測年方法對黃河中上游的形成演化開展了一定的研究[3,6,9,11-12]，但由于銀川盆地附近缺乏保存良好的河流階地序列，導致對銀川盆地沉積物的物源研究相對匱乏，缺乏有效的碎屑鋯石U-Pb 年齡數據和碎屑組分研究，限制了對銀川盆地地區黃河形成演化歷史的探索。

銀川盆地沉積物為研究黃河上游的形成演化提供了良好的載體。假設來自黃河上游河段的碎屑物質保存在銀川盆地晚上新世地層中，那么將可以得到黃河在晚上新世出現在銀川盆地的結論。因此，本文對晚上新世銀川盆地鉆孔沉積物進行了碎屑鋯石U-Pb測年研究，生成的大量碎屑鋯石U-Pb年齡數據能夠有效地厘清盆地鉆孔底部的物質來源，并對理解黃河上游的形成演化具有重要的啟示意義。

1 研究區概況

銀川盆地是黃河上游流經的重要盆地之一，也是青藏高原東北緣和鄂爾多斯高原西北緣交匯的一個新生代斷陷盆地[26]。銀川盆地呈北北東—南南西向延展，位于海拔高度3 500 m以上的賀蘭山和海拔平均高度約1 500 m的鄂爾多斯高原之間，盆地北部到石嘴山市惠農區，南部至吳忠市青銅峽，南北長度約165 km，東西寬度約42～60 km，面積為7 790 km（2圖1a）[27-28]。

銀川盆地鉆孔（PL02）位于寧夏回族自治區平羅縣境內，位于黃河以西11 km 和賀蘭山以東22 km處，其經緯度為106°36′3.82″E，38°55′26.6″N，海拔高度約為1 103 m[27]。銀川盆地鉆孔的鉆探和取樣工作于2013 年9 月正式開始進行，鉆孔總長度為720 m，鉆孔的平均取心率為94.7%[27,29]，利用古地磁測年和14C 測年相結合的方法，得到鉆孔底部的形成年代為～3.4 Ma[27（]圖1b）。

圖1 銀川盆地區域位置圖（a）及PL02 鉆孔巖性和年代（b，修改自文獻[27]）Fig.1 (a) Location map of Yinchuan Basin and (b) the lithology and ages of drill core PL02 (modified from reference [27])

2 材料與方法

本研究中，用于碎屑組分和鋯石U-Pb 測年的樣品，來源于銀川盆地PL02 鉆孔底部，其深度為699.9 m，該段巖性為砂巖，基于前人對銀川盆地鉆孔的古地磁定年得到其形成年代為3.31 Ma[27]。為了對比分析銀川盆地鉆孔晚上新世（3.3 Ma）時期的物質來源，本文對賀蘭山東麓不同河流出山口進行了現代河流沙樣品（HL1-HL4）采集，并進行碎屑組分分析。同時，本文還搜集了前人在潛在源區進行的研究數據，包括賀蘭山地區的碎屑鋯石U-Pb 年齡數據[30-33]、鄂爾多斯高原西部的碎屑鋯石U-Pb 年齡數據[34]和碎屑組分數據[35]以及上游黃河的碎屑鋯石UPb年齡數據和碎屑組分數據[3,6,9]。

2.1 鋯石U-Pb測年方法

銀川盆地鉆孔樣品中的碎屑鋯石挑選工作在河北省區域地質調查院實驗室進行，共計377顆鋯石顆粒被用于U-Pb 年齡測試。鋯石U-Pb 同位素測年分析利用美國亞利桑那大學同位素地球化學實驗室激光年代測試中心的多接收激光燒蝕—等離子體質譜儀（Laser Ablation Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer）[36]進行測量。準分子激光剝蝕利用Photon Machines 公司生產的Analyte-G2 ArF 193 nm進行。激光束斑的直徑設定成30 μm，利用氦氣作為剝蝕物載氣，氬氣作為調節靈敏度的補償氣。普通Pb 校正使用Andersen 的處理方法，單一數據點的誤差均為1σ。

單一鋯石顆粒所測的U-Pb同位素定年結果將獲取到207Pb/206Pb、207Pb/235U 和206Pb/238U 三組比值年齡。本文中涉及到的所有鋯石U-Pb年齡結果均經過最佳年代和不諧和度篩選，其標準為：1）最佳年齡：如果206Pb/238U＜1 000 Ma，則采用206Pb/238U值作為最佳年齡；如果206Pb/238U＞1 000 Ma，則采用207Pb/206Pb 值作為最佳年齡。2）不諧和度（discordance）過濾：最佳年齡＜1 000 Ma，不諧和度=（207Pb/235U-206Pb/238U）/207Pb/235U×100）；最佳年齡＞1 000 Ma，不諧和度=（207Pb/206Pb-206Pb/238U）/207Pb/206Pb×100）；選擇不諧和度在-10%～15%之間的最佳年齡作為有效年齡[3,37]。

2.2 碎屑組分方法

銀川盆地鉆孔和賀蘭山東麓樣品的碎屑組分統計采用Gazzi-Dickinson的方法進行柵格結點統計，樣品中超過300個碎屑顆粒被統計，該實驗統計在意大利米蘭比可卡大學沉積物源分析實驗室完成。簡要操作如下：首先，對樣品進行碎屑薄片的制作，再對薄片的局部（一般為1/3～1/2的部分）進行染色處理，以便于能夠準確識別出砂巖樣品中的碳酸鹽巖和鉀長石等碎屑；其次，根據砂質粒徑大小選擇適合的柵格間距在顯微鏡下進行統計，統計完一個視域后，移動到相鄰的另一個視域繼續統計，確保單一顆粒沒有被重復統計[38]。對于粒徑大于62.5 μm 的碎屑顆粒均被統計為礦物而不是巖屑[38-41]。碎屑組分統計結果按照石英（Quartz，簡寫Q）、長石（Feldspar，簡寫F）和巖屑（Lithic fragment，簡寫L）三大類呈現，并根據Garzanti[39-40]和何杰等[41]對砂巖分類命名方案進行命名，該方案采取完全對稱的設計，按照各端元含量的多少，只要某一端元組分的含量超過10%即參與命名。

3 結果

3.1 鋯石U-Pb測年結果

鋯石U-Pb測年實驗獲得了377顆碎屑鋯石U-Pb年齡數據，經過去除不諧和度過大的數據后，共計291 個鋯石U-Pb 數據符合本文研究所用標準，被用來進行數據分析和處理。銀川盆地鉆孔樣品中碎屑鋯石顆粒的U-Pb 年齡范圍為200～3 000 Ma，大致可以劃分為5 個年齡成分區間，其中主要由200～300 Ma和400～500 Ma兩個主要峰值區間，以及900～1 000 Ma、1 700～2 000 Ma 和2 300～2 600 Ma 三個次一級峰值區間組成（圖2）。

圖2 銀川盆地鉆孔與潛在源區碎屑鋯石U-Pb 年齡譜對比（賀蘭山鋯石數據來源于文獻[30-33]，鄂爾多斯高原西部鋯石數據來源于文獻[34]，上游黃河鋯石數據來源于文獻[3,6,9]）Fig.2 Comparison between detrital zircon U-Pb ages for Yinchuan Basin drill core and potential provenance areas(Helan Mountain data from references[30-33]; western Ordos Plateau data from reference[34];upper Yellow River data from references[3,6,9])

3.2 碎屑組分統計結果

銀川盆地鉆孔樣品碎屑組分中，石英含量為60%，長石含量為14%，巖屑含量為26%。在該樣品碎 屑 組 分 含 量 高 低 為Q＞L＞F＞10%QFL，根 據Garzanti[39-40]和何杰等[41]對砂巖分類的命名方案，命名為長石巖屑石英砂巖（圖3）。

賀蘭山東麓不同河流現代沉積樣品（HL1～HL4）的碎屑組分有所差異。賀蘭山樣品HL1的碎屑組分中，石英含量為37%，長石含量為8%，巖屑含量為56%，該樣品碎屑組分含量高低為L＞Q＞10%QFL＞F，命名為石英巖屑砂巖；賀蘭山樣品HL2 的碎屑組分中，石英含量為69%，長石含量為7%，巖屑含量為24%，該樣品碎屑組分含量高低為Q＞L＞10%QFL＞F，命名為巖屑石英砂巖；賀蘭山樣品HL3和HL4的碎屑組分相似，石英含量為36%～37%，長石含量為21%～22%，巖屑含量為40%～42%，這兩個樣品碎屑組分含量高低為L＞Q＞F＞10%QFL，命名為長石石英巖屑砂巖。

4 討論

4.1 銀川盆地物質來源

利用概率密度分布函數（Normalized probability density plots，簡寫PDP）、核密度估計方法（Kernel density estimation plots，簡寫KDE）和直方圖方法對銀川盆地鉆孔底部樣品及其潛在源區的鋯石U-Pb數據進行對比分析（圖2）以及碎屑組分Q-F-L三角圖分析（圖3）。為了進一步進行直觀對比銀川盆地與潛在物源區的鋯石U-Pb 數據，本文同時對以上鋯石年齡數據進行非矩陣多維標度（Non-metric multidimensional scaling，簡寫MDS）統計分析（圖4），MDS圖中樣品與樣品間的實線代表著這兩個樣品最相近（實線越短越相近），而樣品與樣品間的虛線則說明這兩個樣品存在次相關關系（虛線越長越不相關）。

圖3 銀川盆地鉆孔與潛在源區碎屑組分特征（修改自文獻[41]，鄂爾多斯高原西部數據來源于文獻[35]，上游黃河數據來源于文獻[3]）Fig.3 Petrographic composition of Yinchuan Basin drill core and potential provenance area (modified from reference[41];Western Ordos Plateau data from reference[35]; upper Yellow River data from reference[3])

從概率密度分布函數（PDP）、核密度估計方法（KDE）和直方圖（圖2）顯示，鄂爾多斯高原西部地區的鋯石U-Pb 年齡成分主要為250～300 Ma、1 800～2 000 Ma 和2 200～2 500 Ma。相對于銀川盆地鉆孔底部樣品，鄂爾多斯高原西部地區的鋯石U-Pb 年齡組分的峰值向更老或更年輕的年齡組分偏移，并且缺少400～500 Ma 和900～1 000 Ma 這兩組年齡組分；同時在碎屑組分Q-F-L 三角圖（圖3）中，鄂爾多斯西部地區的碎屑組分多集中于巖屑石英砂巖區與銀川盆地樣品的長石巖屑石英砂巖差異明顯，因此我們認為鄂爾多斯高原西部地區沒有為銀川盆地提供物質。

賀蘭山地區的鋯石U-Pb年齡僅存在一個顯著的1 700～2 200 Ma 的年齡單峰成分（圖2），與銀川盆地鉆孔底部樣品相比缺少了200～300 Ma、400～500 Ma、900～1 000 Ma和2 300～2 600 Ma這四個成分區間；同時賀蘭山樣品的碎屑組分與銀川盆地鉆孔樣品在Q-F-L三角圖（圖3）中所處的區域劃分顯著不同，因此賀蘭山也不是銀川盆地鉆孔底部的物質來源區。這一結論與先前通過對比銀川盆地鉆孔與發源于賀蘭山的現代河流沉積物的重礦物數據所得結論一致[8]。

銀川鉆孔底部樣品與黃河上游蘭州階地序列、五泉礫巖、青銅峽地區上干河溝組的碎屑鋯石U-Pb年齡都具有200～300 Ma 和400～500 Ma 兩個主要峰值 區 間，以 及900～1 000 Ma、1 700～2 000 Ma 和2 300～2 600 Ma 的年齡組分（圖2）。碎屑組分Q-F-L三角圖（圖3）也顯示銀川盆地與大部分上游黃河樣品的碎屑組分都處于長石巖屑石英砂巖區，表明其母巖類型相似或相同。

非矩陣多維標度統計（MDS）分析（圖4）結果顯示銀川盆地鉆孔樣品靠近上游黃河樣品，而遠離賀蘭山和鄂爾多斯高原西部的樣品，表明了上游黃河流經區域的物質經由黃河侵蝕、搬運再沉積到銀川盆地[3,8]。

圖4 銀川盆地與潛在源區鋯石U-Pb 年齡的非矩陣多維標度統計分析圖Fig.4 Non-metric multidimensional scaling (MDS) plot of zircon U-Pb age data of Yinchuan Basin drill core and comparison with potential sources

4.2 黃河上游形成年代

碎屑鋯石U-Pb 年齡譜（圖2）和碎屑組分對比（圖3）分析結果顯示，銀川盆地鉆孔底部物質與黃河銀川河段以上的物源一致，表明銀川盆地自晚上新世已經開始接受來自黃河上游的沉積物供應。前人對蘭州地區形成于3.6～2.2 Ma 的五泉礫巖組和青銅峽地區上干河溝組進行的碎屑鋯石U-Pb 年齡、重礦物組合、砂巖巖相學以及河流古流向研究結果表明黃河上游蘭州段和青銅峽段在晚上新世已經存在[3,6,8-9]。以上數據共同指示了黃河上游蘭州—青銅峽—銀川段在晚上新世就已經形成[3,6-9]，支持了黃河上游至少在晚上新世就已形成的觀點。

5 結論

鋯石U-Pb測年數據和碎屑組分數據共同顯示了晚上新世銀川盆地沉積物不是來源于周邊的賀蘭山和鄂爾多斯高原西部地區，而是來源于上游黃河地區。進一步指示了黃河上游蘭州—青銅峽—銀川段在晚上新世就已經形成，支持了黃河上游至少在晚上新世就已形成的觀點。

致謝 感謝審稿專家及編輯部工作人員提出的寶貴意見，使論文能夠進一步完善；感謝美國克萊姆森大學Alex Pullen 博士在銀川盆地鋯石U-Pb 測年實驗中給予的幫助以及意大利米蘭比可卡大學Eduardo Garzanti教授和Giovanni Vezzoli副教授對銀川盆地和賀蘭山樣品碎屑組分的統計。本文所用銀川盆地鋯石U-Pb 測年數據和碎屑組分數據可以通過國家冰川凍土沙漠科學數據中心獲取http://www.ncdc.ac.cn/portal/magazine/detail?id=ed14bd8bfb13-4487-93f5-216e5f0d0d86。