王扬扬, 范代读. (2013)长江三角洲晚第四纪地层沉积物源特征及其对季风气候变化的响应* [J]. 古地理学报, 15(6): 853-863
Wang Yangyang, Fan Daidu. (2013)Provenance characteristics of the late Quaternary in the Yangtze River Delta and its response to monsoon climate change[J]. Journal Of Palaeogeography, 15(6): 853-863. DOI:10.7605/gdlxb.2013.06.070  
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长江三角洲晚第四纪地层沉积物源特征及其对季风气候变化的响应*
王扬扬, 范代读
同济大学海洋地质国家重点实验室,上海 200092

通讯作者简介 范代读,男,1972年生,同济大学教授,博士生导师,从事沉积学研究。E-mail:ddfan@tongji.edu.cn。

第一作者简介 王扬扬,女,1987年生,同济大学博士研究生,海洋地质学专业。E-mail:yysunny_wang@163.com。

收稿日期:2012-12-19
基金:*国家自然科学基金项目(编号:41076016,41276045),教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目(编号:20090072110004),中国地质调查局海保工程专项(编号:GZH201100203)和中央高校基本科研业务费专项资金联合资助
摘要

物源分析可以反演河流系统演化过程中,构造运动、气候变化与海平面升降等因素的影响。选择长江三角洲现代、中全新世和末次盛冰期3个代表性时代的沉积物样品,进行重矿物组合、锆石 U— Pb年龄谱系等分析,以揭示不同气候条件下长江三角洲河口沉积物源的变化。与末次盛冰期相比,中全新世沉积物中榍石、锆石含量较低,重矿物 GZi指数较大,古元古代锆石含量较高,但白垩纪、新元古代锆石含量较低。这些特征表明中全新世长江河口沉积物有更多源自上游地区的物质,这种变化可能与流域受夏季风影响的降雨量变化有关。初步分析认为,末次盛冰期研究区季风很弱,降雨量和径流量均下降,上游物质较少被搬运至河口;全新世季风加强后,降雨量和径流量均上升,此时河口沉积物更多源自上游,尤其是在中全新世夏季风最强盛期。

关键词: 长江三角洲; 物源分析; 重矿物; 锆石 U— Pb年龄; 冰期—间冰期; 夏季风
中图分类号:P534.63 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2013)06-0853-11
Provenance characteristics of the late Quaternary in the Yangtze River Delta and its response to monsoon climate change
Wang Yangyang, Fan Daidu
State Key Laboratory of Marine Geology,Tongji University,Shanghai 200092

About the corresponding author Fan Daidu,born in 1972,is a professor of sedimentology at Tongji University, and is mainly engaged in sedimentology.E-mail:ddfan@tongji.edu.cn.

About the first author Wang Yangyang,born in 1987,is a Ph.D. candidate at Tongji University,and majors in marine geology.E-mail:yysunny_wang@163.com.

Abstract

River systems are particularly sensitive to tectonic movements,climate and sea-level changes,and the history of these processes can be decoded by provenance analysis. Samples of modern surface sediments,the Mid-Holocene and the Last Glacial Maximum(LGM)core sediments in the Yangtze River Delta were analyzed with heavy-mineral composition and zircon U-Pb age spectra,aiming to decode the variation in estuarine sediment provenance in response to different climate conditions. In comparison with the LGM sediments,the Mid-Holocene sediments have less sphene and zircon content,higher GZi value,fewer zircons from the Cretaceous and Neoproterozoic but more zircons from the Paleoproterozoic. It was suggested that there were more sediments sourced from the upper reach in the Mid-Holocene than in the LGM, and this phenomenon may be linked with variations of summer monsoon precipitation in the catchment. Less sediments from the upper reach were transported into the sea during the LGM weak monsoon period because of the sharp decrease in precipitation and runoff,while they significantly increased in the Holocene with the strengthening monsoon and the consequent precipitation and runoff,typically during the Mid-Holocene Climatic Optimum with the strongest summer monsoon.

Key words: Yangtze River Delta; provenance analysis; heavy minerals; zircon U-Pb age; glacial-interglacial cycle; summer monsoon
1 概述

流域的形成与演化、河流沉积物的输运与沉积过程等均受到流域构造运动、气候变化与海平面升降等的共同影响(Mé tivier and Gaudemer, 1999; Whipple, 2001)。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, 因此河流沉积物的源— 汇过程发生较大改变。该问题已引起河流地貌学与沉积学、古气候与古环境研究者的广泛关注(Goodbred, 2003; Goodbred et al., 2003; Clift et al., 2008a, 2008b; Aliza et al., 2011)。

目前在南亚、东南亚大河流域已开展了较系统的研究。通过对印度河三角洲钻孔岩心与表层沉积物的锆石U— Pb定年、白云母Ar— Ar定年、Nd同位素和其他微量元素等的分析, 认为14 ka BP之后夏季风增强导致降雨增加, 造成低喜马拉雅带比高喜拉雅带侵蚀更强烈, 使前者成为主要物源区(Clift et al., 2008a); 目前上游供应了河口57%的泥沙量, 与全新世早期夏季风最强时期相对比, 仅为后者的35%, 进一步说明季风降雨是印度河沉积物源变化的主控因素(Aliza et al., 2011)。恒河— 布拉马普特拉河三角洲的综合研究表明, 末次盛冰期(LGM:Last Glacial Maximum)时季风减弱导致入海物质明显减少, 但随着全新世季风增强入海沉积物亦显著增加, 根据三角洲沉积通量推算11000~7000 a BP时期的入海泥沙通量为2.3× 109 t/a, 远高于当前值(约1× 109 t/a), 综合认为南亚夏季风强弱变化是控制恒河— 布拉马普特拉河流域输沙量的主要因素(Goodbred et al., 1999, 2000, 2003; Goodbred, 2003)。综合运用主量元素、微量元素、Nd同位素和钾长石Pb同位素分析等示踪红河晚第四纪沉积物源变化, 认为夏季降水和构造作用共同控制了红河流域的沉积物输出(Clift et al., 2006, 2008b)。综上所述, 季风区河流在LGM以来输沙量明显受到季风强弱变化的控制, 全新世夏季风增强、降雨增多是导致河流侵蚀增强、入海物质通量增多的主要因素。

在所有源于青藏高原的河流中, 长江在长度、流域面积和径流量等方面均位居第一。它发源于青藏高原东南缘的唐古拉山脉, 向东流经中国3个梯级构造带, 最后注入东海, 全长6300余千米, 流域总面积达180万平方千米(范代读等, 2012)。长江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, 一直是中外地质学家的重要研究热点(汪品先, 2005; 范代读和李从先, 2007; 郑洪波等, 2008)。近期受益于分析测试技术的发展, 单矿物微区分析方法已广泛运用于长江流域的物源示踪研究, 其中最常用的方法就是锆石U— Pb年龄(王扬扬和范代读, 2013)。尽管在运用锆石U— Pb年龄法进行长江流域精细物源示踪的可行性方面存在一些争议(杨蓉等, 2010), 但多数研究认为不同支流域或构造带的锆石U— Pb年龄组成存在一定差异, 并有若干研究通过对比不同层位的锆石U— Pb年龄组成变化来判断长江东西贯通的时间(王节涛等, 2009; Jia et al., 2010)。但截至目前, 尚未见运用该方法于长江输沙量对LGM以来季风强弱变化的响应研究, 与南亚、东南亚河流相比较, 长江更长、流域面积更大、构造带更复杂, 同时受到南亚和东亚季风的影响, 因此长江输沙量在响应季风气候变化时可能更复杂, 也更值得关注。

作者通过选取长江三角洲现代表层、中全新世和末次盛冰期钻孔沉积物的3个代表性层位共6个样品, 进行重矿物组合和碎屑锆石U— Pb年代学的研究, 初步探讨了冰期— 间冰期旋回中3种不同季风气候条件下, 长江入海沉积物组成的变化及其反映的季风气候对沉积物源— 汇过程的控制作用。

2 样品来源、实验方法与数据处理
2.1 样品来源

两个现代表层沉积物样品分别采自长兴岛振华港机厂东侧的河道(编号:M-RC)和横沙东滩中高潮滩的贝壳沙堤(编号:M-SF), 中全新世沉积物样品(编号:MH-HQ、MH-HM)和末次盛冰期沉积物样品(编号:LGM-HQ、LGM-HM)分别采自HQ03孔和HM03孔, 位于长江三角洲的黄桥期和海门期河口沙坝之上(图 1, 表1)。LGM低海面时河流下切形成侵蚀面, 该侵蚀面在HQ03孔、HM03孔分别位于埋深71.7 m和79.0 m处(李保华等, 2010), 代表末次盛冰期的2个样品(编号:LGM-HQ、LGM-HM)取自该侵蚀面之上1~1.5 m处的砾砂质沉积层, 属低海平面河床相滞留沉积。代表中全新世的2个样品(编号:MH-HQ、MH-HM)分别取自黄桥期和海门期河口沙坝相底部的细砂质沉积层, 根据其上、下层位的14C年龄可大致确定它们的沉积时间在5.5~6.5 ka BP(李保华等, 2010)。6个样品都是取自不同时期分流河道河床相或河口沙坝相的粗颗粒沉积层, 以降低动力环境差异对矿物组成的影响。

2.2 实验方法

研究认为, 选择0.063~0.125 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的影响(Morton and Hallsworth, 1994; Gehrels, 2000)。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(Yang et al., 2012)。因此, 本次实验流程首先是利用筛析法分选出6个沉积物中的0.063~0.125 mm粒级组分, 然后利用三溴甲烷(密度为2.89 g/cm3)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, 重矿物分析在河北省区域地质矿产调查研究所完成。

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。样品测试过程中激光的束斑孔径设定为32 μ m, 激光脉冲为10 Hz, 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PleŠ ovice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。为了满足物源分析时的统计学要求, 即每个样品至少测试35~70个单矿物颗粒(Andersen, 2005), 考虑长江流域面积较大、物源区比较复杂, 本次实验除样品MH-HM只测了47颗外, 一般每个样品测试锆石94~135颗。

图1 长江三角洲沉积物采样位置Fig.1 Sediment sampling locations in the Yangtze River Delta

表1 长江三角洲沉积物样品信息 Table1 Information of samples from the Yangtze River Delta
表2 沉积物重矿物颗粒含量(%)统计 Table2 Statistics of content(%) of heavy minerals in sediment samples
2.3 数据处理

原始的LA— ICP— MS测试数据经过 ICPMSDataCal 软件离线处理完成(Liu et al., 2010), 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1062.4± 0.6 Ma(2σ )(Wiedenbeck, et al., 1995)、608.53± 0.37 Ma(2σ )(Simon et al., 2004)在误差范围内一致。

重矿物鉴定结果除了统计各矿物的百分含量外, 还分别计算了几种常用的重矿物特征指数, 包括: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=100× (锆石%+电气石%+金红石%)/透明重矿物%。 ATi与GZi可指示流域母岩组成特征或经历的风化方式与强度(Morton and Hurst, 1995; 赵红格和刘池洋, 2003), ZTR是指示沉积物成分成熟度的重要参数之一, 通常认为ZTR愈大, 代表成分成熟度愈高, 反映沉积物经过长距离搬运和分选作用(Morton and Hallsworth, 1999; 王中波等, 2006)。单个重矿物特征指数往往具多解性, 在实际运用中要多种参数相结合, 它们已被用于流域降雨或径流量变化造成风化与搬运速率关系发生变化的研究(Morton and Hallsworth, 1999; 康春国等, 2009)。

3 重矿物与锆石U— Pb年龄组成
3.1 重矿物组合

六个样品中重矿物的颗粒百分比统计结果见表2。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, 次棱角状, 玻璃光泽, 透明— 半透明, 表面有少量胶结物。绿帘石除在样品MH-HM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(0.23%~9.88%), 但有比较一致的变化趋势; 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状, 后者多呈半自形次滚圆状、扁粒状或厚板状; 石榴石多呈粉色, 次棱角状, 透明,

图2 沉积物中重矿物颗粒含量对比图Fig.2 Comparison of heavy mineral compositions among sediment samples

玻璃光泽。榍石含量介于0.3%~2.3%, 主要呈黄色, 半自形次滚圆状、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, 半自形次滚圆状或次棱角状, 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含量, 发现其主次重矿物组合存在一定的差别。现代表层沉积(样品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(样品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(样品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)。次要重矿物含量同时存在横向(不同钻孔间的相同层位)和纵向(同一钻孔的不同层位)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, 2个代表同一沉积时期的样品重矿物组合因实际样品地理位置的差异也有所变化, 但变幅要小于3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2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。

3.2 锆石形态特征与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:(1)颜色以浅黄色、棕色为主, 少量为无色透明状; (2)形态以浑圆状、椭圆状、破碎的无固定形态为主, 见少量柱状晶体; (3)多数锆石颗粒表面有裂痕, 部分含有包裹体。阴极发光图像分析表明:(1)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; (2)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。

经锆石U— Pb定年获得3组年龄: 207Pb/206Pb, 207Pb/235U和 206Pb/238U, 为了减少误差, 作者针对小于1000 ma的锆石选取 206Pb/238U计算的年龄, 大于1000 ma的锆石选取 207Pb/206Pb 计算的年龄(Compston et al., 1992)。得到的锆石U— Pb年龄大部分谐和度较高, 位于谐和线附近(图 3), 其中现代表层沉积样中出现谐和度较低的锆石颗粒, 约占15%, 这可能是碎屑锆石物源较复杂的反映, 不影响利用碎屑锆石U— Pb年龄组成进行物源判断。统计每25 ma锆石的颗粒数, 由此得到全部6个样品的碎屑锆石年龄谱系图(图 4)。

6个沉积样的碎屑锆石年龄谱系分布呈多峰性, 且均未出现新生代锆石, 年龄也多集中在三叠纪至古元古代, 具体表现为:现代表层沉积样品(编号:M-RC、M-SF)中碎屑锆石年龄均以新元古代(Pt3)为主, 含量超过30%, 古元古代(Pt1)次之; 但样品M-RC较样品M-SF有更多的晚古生代(Pz2)和三叠纪(T)锆石, 较少的中元古代(Pt2)和侏罗纪(J)锆石(图 4, 表3)。中全新世沉积样品(编号:MH-HQ、MH-HM)中, 碎屑锆石以新元古代和古元古代为主; 样品MH-HQ较样品MH-HM有更多的三叠纪(T)锆石, 更少的晚古生代和早古生代(Pz1)锆石, 且样品MH-HM中无白垩纪(K)和太古宙(Ar)锆石(图 4, 表3)。末次盛冰期沉积样品(编号:LGM-HQ、LGM-HM)的碎屑锆石年龄以新元古代为主; 样品LGM-HQ较样品LGM-HM有更多的三叠纪锆石, 更少的古元古代锆石(图 4, 表3)。

4 讨论
4.1 锆石U— Pb年龄组成指示的长江沉积物源— 汇过程变化

代表相同沉积期的2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, 差异性则可能是由不同原因所致, 包括不同沉积动力环境分异作用的影响(Lawrence et al., 2011), 如表层样分别取自现代河床和潮滩, 2个取样钻孔相距约3.8 km (图 1); 同一沉积期但不同的沉积时间, 如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在1000~2000 a(或更长)的差别; 还受到分析和统计颗粒的数量与代表性的限制。因作者主要关注冰期— 间冰期差异显著的季风气候条件下长江沉积物源— 汇过程特征, 故将同一时期的2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25 ma为统计单元, 得到不同时期的锆石U— Pb年龄谱系图(图 5)。

图3 长江三角洲碎屑锆石U— Pb年龄谐和图Fig.3 Distribution of detrital zircon U-Pb ages in the Yangtze River Delta

图4 长江三角洲沉积物样品碎屑锆石U— Pb年龄谱系图Fig.4 Detrital zircon U-Pb age spectra of sediment samples from the Yangtze River Delta

表3 长江三角洲沉积物样品碎屑锆石U— Pb年龄含量(%)统计 Table3 Statistics on detrital zircon U-Pb ages of of sediment samples from the Yangtze River Delta
表4 长江三角洲沉积物中不同地质时代碎屑锆石含量(%)统计 Table4 Statistics on detrital zircon content(%) of different geologic times in sediments from the Yangtze River Delta

图5 长江三角洲沉积物碎屑锆石U— Pb年龄谱系图Fig.5 Detrital zircon U-Pb age spectra of sediments from the Yangtze River Delta

长江口3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, 呈多峰态分布, 在150~300 Ma、700~1000 Ma、1800~2000 ma以及2300~2500 ma区间出现年龄峰值(图 5)。但结合比对不同时期锆石的含量(表 4), 发现各个时期的碎屑锆石具有其独自特征。

新元古代岩浆岩在扬子地块出露最为广泛, 因此在河口沉积物样品中新元古代锆石含量最大, 中全新世沉积物中该锆石含量(27.14%)略少于末次盛冰期(30.31%), 可能反映中新世有更多的上游物质输入。末次盛冰期沉积物中白垩纪锆石含量(5.51%)明显较中全新世的(0.71%)多, 而白垩纪岩浆岩在流域内均有分布但在中下游地区更广泛(王扬扬和范代读, 2013), 同样说明中全新世有更多源自长江上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。长江上游松潘— 甘孜褶皱带广泛发育三叠系浊积岩, 1800~2000 ma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分(苏本勋等, 2006; Weislogel et al., 2006; 王扬扬和范代读, 2013), 而样品中古元古代锆石的含量在中全新世时期明显增大, 从20.87%上升到31.43%, 这很可能是来自松潘— 甘孜褶皱带的再旋回锆石大量加入造成的。此外, 现代表层沉积物的年龄分布范围明显大于中全新世和末次盛冰期沉积物, 表明长江三角洲地区物源供应发生了变化, 物源区进一步扩大, 当然还有人类活动的影响。

4.2 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(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他支流。从末次盛冰期到中全新世, 锆石、榍石含量均有所减小, 具体为HQ03孔中锆石从0.76%减少到0.19%, 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%。与锆石年龄分析相结合, 这可能反映中全新世河口接受了更多来自涪江之上的上游地区沉积物, 由于有了更多来自上游流域的其他重矿物汇入才致使长江三角洲地区的锆石和榍石含量有所减小。

各样品的重矿物特征指数(表 5)显示, ATi指数均在70~95之间, 表明长江入海沉积物未经过强烈风化作用, 这可能与长江径流较强, 沉积物搬运能力大于风化速率有关。ATi指数最大值均出现在中全新世沉积层, 反映当时降雨量和径流量大, 流域内沉积物搬运速率远大于风化速率, 导致ATi指数增高; 而最小值见于末次盛冰期沉积, 可能与其砂质沉积物主要来自中下游河道的再侵蚀、搬运与沉积有关, 在重新搬运、沉积之前, 经历过较长一段时间的风化作用, 导致ATi指数降低。3个时期的沉积物样品的GZi指数集中在70~100之间, 说明沉积物的母岩有石榴石源, 即变质岩源。2个现代表层沉积物样品的GZi指数均高于90, 而2个中全新世沉积物样品的GZi指数的平均值(90.1)要高于2个末次盛冰期沉积物的平均值(83.0)。王中波等(2006)通过采集长江各水系的沉积物, 发现长江中下游的湘江和沅江的沉积物GZi值为0, 长江中上游及干流沉积物的GZi值均较高(> 70), 说明中全新世和当前条件下长江口接受了更多长江上游的物质输入。各样品的ZTR指数都很小, 仅末次盛冰期沉积物的ZTR值略大于1(表 5), 这与长江干流沉积物ZTR值偏小且向下游无明显变化规律是一致的, 不能以此值来判断长江沉积物的搬运距离和沉积物的成分成熟度(王中波等, 2006)。这可能与长江沉积物在流域内滞留时间较短, 风化作用较弱而径流搬运能力较强有关, 导致河口不稳定重矿物含量普遍较高(表 2; 陈静等, 2007); 另与长江支流众多、不同源沉积物在干流复杂混合也有一定关系(王中波等, 2006)。末次盛冰期ZTR值比中全新世和现代表层沉积略高, 可能是末次盛冰期海平面下降, 河流下切, 河流滞留沉积中的砂质颗粒主要来自中下游河床沉积物的再搬运沉积, 造成ZTR指数相对较高; 另与此次重矿物分析只选择极细砂组分(0.063~0.125 mm)有关, 因为末次盛冰期沉积物分选最差, 极细砂只占6.4%~17.0%, 而其他样品均以极细砂、细砂为主, 占90%以上, 因此如果是全岩样分析, 末次盛冰期的ZTR值也将非常低。

表5 长江三角洲沉积物样品重矿物ATi、GZi、ZTR指数统计 Table5 Statistics on ATi, GZi and ZTR values of sediment samples from the Yangtze River Delta
4.3 沉积物源变化的影响因素

长江流域主要位于亚热带季风气候区, 受亚洲季风强弱的影响显著。古气候研究表明, 亚洲夏季风在末次盛冰期至冰消期早期很弱, 至14 ka BP前后开始增强, 在全新世早中期达到最盛, 之后开始减弱至今(Enzel et al., 1999; Fleitmann et al., 2003; Wang et al., 2008; 吴江滢等, 2011)。冰期— 间冰期尺度的季风降雨变化可能是控制长江沉积物输运的最重要因素。3个代表性层位的重矿物组合、锆石年龄组成分析表明, 末次盛冰期时长江河口沉积物主要源自中下游地区, 这可能与当时季风、水动力等条件较弱, 上游粗颗粒碎屑物质大多滞留在当地未输运至河口有关。到了全新世, 尤其是中全新世, 夏季风最强盛期, 降雨量显著增加导致径流亦显著加大, 长江上游成为入海物质最主要源区, 这种趋势一直延续至今, 只是近期叠加了复杂的人类活动影响。这与南亚、东南亚河流沉积物的研究结果相一致, 认为2万年以来季风降雨变化对河流沉积物输运的影响最为明显(Bookhagen et al., 2005; Clift et al., 2008a, 2008b; Alizai et al., 2011)。除此之外, 冰期— 间冰期显著的海平面升降, 河流下切、河谷充填和三角洲发育不同阶段的河流纵剖面变化等, 亦都是影响河流沉积物输运的重要因素。

5 结论

对长江三角洲现代表层、中全新世和末次盛冰期钻孔沉积物样进行重矿物组合与锆石U— Pb年龄谱系的研究表明, 长江沉积物的源— 汇过程明显受到季风降雨强度变化的控制。中全新世夏季风最强盛时期, 降雨显著增加, 径流明显加强, 导致长江入海物质中源自上游地区的成分明显增多, 表现在以上游源为主的古元古代锆石含量的增加, 而以中、下游源为主的白垩纪和新元古代锆石含量相应减少。由于中全新世源自上游物质的增加, 也导致一些源自中游地区的特征矿物(如锆石与榍石)含量的减少。重矿物特征指数GZi表现为中全新世大于末次盛冰期, 同样表明中全新世来自上游的变质岩源沉积物增多。ATi指数较大, 反映长江流域沉积物搬运速率大于风化速率, 最大值见于中全新世沉积层, 反映当前季风降雨增强后搬运速率更大。除季风降雨外, 影响冰期— 间冰期河流沉积物输运的因素还有海平面显著升降、河床侵蚀— 充填作用等, 近期还包括不断增强的人类活动影响。要进一步剥离不同因素的影响, 还有待开展更高分辨率的物源示踪研究。

致谢 锆石U— Pb年龄测试分析得到了中国地质大学刘勇胜教授的指导与帮助, 论文修改受益于两位评审专家的建议, 在此一并表示感谢。

作者声明没有竞争性利益冲突.

参考文献
[1] 陈静, 王哲, 王张华, 等. 2007. 长江三角洲东西部晚新生代地层中的重矿物差异及其物源意义[J]. 第四纪研究, 27(5): 700-708. [文内引用:1]
[2] 范代读, 李从先. 2007. 长江贯通时限研究进展[J]. 海洋地质与第四纪地质, 27(2): 121-131. [文内引用:1]
[3] 范代读, 王扬扬, 吴伊婧. 2012. 长江沉积物源示踪研究进展[J]. 地球科学进展, 27(5): 515-528. [文内引用:1]
[4] 李保华, 王强, 李从先. 2010. 长江三角洲亚三角洲地层结构对比[J]. 古地理学报, 12(6): 685-698. [文内引用:2]
[5] 康春国, 李长安, 邵磊. 2009. 江汉平原主要河流沉积物重矿物特征与物源区岩性的响应[J]. 第四纪研究, 29(2): 334-342. [文内引用:1]
[6] 苏本勋, 陈岳龙, 刘飞, 等. 2006. 松潘—甘孜地块三叠系砂岩的地球化学特征及其意义[J]. 岩石学报, 22(4): 961-970. [文内引用:1]
[7] 王节涛, 李长安, 杨勇, 等. 2009. 江汉平原周老孔中碎屑锆石LA-ICPMS定年及物源示踪[J]. 第四纪研究, 29(2): 343-351. [文内引用:1]
[8] 汪品先. 2005. 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, 30(1): 1-18. [文内引用:1]
[9] 王扬扬, 范代读. 2013. 长江流域岩体锆石U—Pb年龄与Hf同位素特征与沉积物源示踪意义[J]. 海洋地质与第四纪地质, 33(5): 107-128. [文内引用:3]
[10] 王中波, 杨守业, 李萍, 等. 2006. 长江水系沉积物碎屑矿物组成及其示踪意义[J]. 沉积学报, 24(4): 570-578. [文内引用:3]
[11] 吴江滢, 汪永进, 董进国. 2011. 全新世东亚季风深化的辽宁暖和洞石笋 δ18O 记录[J]. 第四纪研究, 31(6): 990-998. [文内引用:1]
[12] 杨蓉, Diane Seward, 周祖翼. 2010. 长江流域现代沉积物碎屑锆石U—Pb年龄物源探讨[J]. 海洋地质与第四纪地质, 30(6): 73-83. [文内引用:1]
[13] 赵红格, 刘池洋. 2003. 物源分析方法和研究进展[J]. 沉积学报, 21(3): 409-415. [文内引用:1]
[14] 郑洪波, 汪品先, 刘志飞, 等. 2008. 东亚东倾地形格局的形成与季风系统演化历史寻踪: 综合大洋钻探计划683号航次建议书简介[J]. 地球科学进展, 23(11): 1150-1160. [文内引用:1]
[15] Alizai A, Carter A, Clift P D, et al. 2011. Sediment provenance, reworking and transport processes in the Indus River by U-Pb dating of detrital zircon grains[J]. Global and Planetary Change, 76(1-2): 33-55. [文内引用:3]
[16] Andersen T. 2005. Detrital zircons as tracers of sedimentary provenance: Limiting conditions from statistics and numerical simulation[J]. Chemical Geology, 216(3-4): 249-270. [文内引用:1]
[17] Bookhagen B, Thiede R C, Strecker M R. 2005. Late Quaternary intensified monsoon phases control land scape evolution in the northwest Himalaya[J]. Geology, 33(3): 149-152. [文内引用:1]
[18] Clift P D, Carter A, Campbell L, et al. 2006. Thermochronology of mineral grains in the Red and Mekong Rivers, Vietnam: Provenance and exhumation implications for Southeast Asia[J]. Geochemistry Geophysics Geosystems, 7(10): 1013-1016. [文内引用:1]
[19] Clift P D, Giosan L, Blusatajn J, et al. 2008a. Holocene erosion of the Lesser Himalaya triggered by intensified summer monsoon[J]. Geology, 36(1): 79-82. [文内引用:3]
[20] Clift P D, Long H V, Hinton R, et al. 2008b. Evolving east Asian river systems reconstructed by trace element and Pb and Nd isotope variations in modern and ancient Red River-Song Hong sediments[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 9(4): doi: DOI:10.1029/2007GC001867. [文内引用:3]
[21] Compston W, Williams I S, Krischvink J L, et al. 1992. Zircon U-Pb ages for the Early Cambrian time-scale[J]. Journal of the Geological Society, 149: 171-184. [文内引用:1]
[22] Enzel Y, Ely L L mishra S, et al. 1999. High-resolution Holocene environmental changes in the Thar Desert, northwestern India[J]. Science, 284(5411): 125-128. [文内引用:1]
[23] Fleitmann D, Burns S J mudelsee M, et al. 2003. Holocene forcing of the India monsoon recorded in a stalagmite from southern Oman[J]. Science, 300(5626): 1737-1739. [文内引用:1]
[24] Gehrels G E. 2000. Introduction to detrital studies of Paleozoic and Triassic strata in Western Nevada and northern California[J]. Geology Science of America, 347: 1-17. [文内引用:1]
[25] Goodbred Jr. S L, Duehl S A. 2000. The significance of large sediment supply, active tectonism, and eustasy on martin sequence development: Late Quaternary stratigraphy and evolution of the Ganges Brahmaputra delta[J]. Sedimentary Geology, 133(3-4): 227-248. [文内引用:1]
[26] Goodbred Jr. S L, Kuchl S A. 1999. Enormous Ganges Brahmaputra sediment discharge during strengthened early Holocene monsoon[J]. Geology, 27(6): 559-562. [文内引用:1]
[27] Goodbred Jr. S L, Kuchl S A. , Steckler M S, et al. 2003. Controls on facies distribution and stratigraphic preservation in the Ganges Brahmaputra delta sequence[J]. Sedimentary Geology, 155(3-4): 301-316. [文内引用:3]
[28] Goodbred Jr. S L. 2003. Response of the Ganges dispersal system to climate change: A source-to-sink view since the last interstade[J]. Sedimentary Geology, 162(1-2): 83-104. [文内引用:1]
[29] Jia J T, Zheng H B, Huang X T, et al. 2010. Detrital zircon U-Pb ages of Late Cenozoic sediments from the Yangtze Delta: Implication for the evolution of the Yangtze River[J]. Chinese Science Bulletin, 55(15): 1520-1528. [文内引用:1]
[30] Lawrence R L, Cos R mapes R W, et al. 2011. Hydrodynamic fractionation of zircon age populations[J]. Geological Society of America Bulletin, 123(1-2): 295-305. [文内引用:1]
[31] Liu Y S, Hu Z C, Zong K Q, et al. 2010. Reappraisement and refinement of zircon U-Pb isotope and trace element analyses by LA-ICP-MS[J]. Chinese Science Bulletin, 55(15): 1535-1546. [文内引用:1]
[32] Métivier F, Gaudemer Y. 1999. Stability of output fluxes of large rivers in South and East Asia during the last 2 million years: Implications of floodplain processes[J]. Basin Research, 11(4): 293-303. [文内引用:1]
[33] Morton A, Hurst A. 1995. Correlation of sand stones using heavy minerals: An example from the Stafjord Formation of the Snorre Field, northern North Sea[A]. In: Dunay R E, Hailwood E A(eds). Nonbiostratigraphical Methods of Dating and Correlation. Geological Society Special Publication, 89: 3-22. [文内引用:1]
[34] Morton A C, Hallsworth C R. 1994. Identifying provenance-specific features of detrital heavy mineral assemblages in sand stones[J]. Sedimentary Geology, 90(3-4): 241-256. [文内引用:1]
[35] Morton A C, Hallsworth C R. 1999. Processes controlling the composition of the heavy mineral assemblages in sand stones[J]. Sedimentary Geology, 124(1-4): 3-29. [文内引用:2]
[36] Simon E J, Norman J P, William L G, et al. 2004. The application of laser ablation-inductively coupled plasm-mass spectrometry to in-situ U-Pb zircon geochronology[J]. Chemical Geology, 211(1-2): 47-69. [文内引用:1]
[37] Wang Y J, Cheng H, Edwards R L, et al. 2008. Millennial- and orbital-scale changes in the East Asian monsoon over the past 224 000 years[J]. Nature, 451: 1090-1093. [文内引用:1]
[38] Weislogel A L, Graham S A, Chang E Z, et al. 2006. Detrital zircon provenance of the Late Triassic ongpan-Ganzi complex: Sedimentary record of collision of the North and South China Blocks[J]. Geology, 34(2): 97-100. [文内引用:1]
[39] Whipple K X. 2001. Fluvial land scape response time: How plausible is steady-state denudation?[J]. American Journal of Science, 301(4-5): 313-325. [文内引用:1]
[40] Wiedenbeck M, Alle P, Corfu F, et al. 1995. Three natural zircon stand ards for U-Th-Pb, Lu-Hf, trace element and REE analyses[J]. Geostand ards and Geoanalytical Research, 19(1): 1-23. [文内引用:1]
[41] Yang S Y, Zhang F, Wang Z B. 2012. Grain size distribution and age population of detrital zircons from the Changjiang(Yangtze)River system, China[J]. Chemical Geology, 296-297: 36-38. [文内引用:1]