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。
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.
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。
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。
1.2.1 碎屑锆石年代学物源示踪原理
1.2.2 河流沉积物物源示踪研究
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。
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。
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。
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。
2.3.1 长江流域砾石层碎屑锆石年龄U-Pb谱系分布特征
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。
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。
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.