编者按：

今天为大家推荐《地质力学学报》2022 年4期封面文章。此次推送的是李宗耀等作者的《青藏高原东北缘西宁黄土物源研究》。

作者：李宗耀，盛美，蒋凯，易施钰，王喜生

摘要: 碎屑锆石U-Pb年代学被认为是研究沉积物物源的有效手段。然而,应用碎屑锆石U-Pb年代学对中国黄土高原进行物源研究时却获得了非常复杂的物源信息。西宁黄土沉积于青藏高原东北缘地区,对其开展碎屑锆石U-Pb年代学研究不仅可以获得其物源信息,同时可以为探讨青藏高原北缘碎屑物质对黄土高原的贡献提供重要依据。碎屑锆石形貌学研究结果表明其可能经历了强烈的物理风化以及多次再循环,同时也可能暗示了物源的高度复杂性。来自不同沉积层位的碎屑锆石U-Pb年龄结果表明,西宁黄土碎屑物质的最终来源可能是青藏高原北缘和中亚造山带,且物源区自约1.3 Ma以来可能没有显著变化,但是两者对西宁黄土的相对贡献可能在不同的时期具有微弱的差异。西宁黄土与中国黄土高原中、西部典型剖面的碎屑锆石年龄分布具有高度相似性,暗示了两者的物源区可能很大程度上具有一致性,但具少量差异。

关键词：西宁；碎屑锆石；U-Pb年龄；物源；中国黄土高原；青藏高原东北缘

文章框架

0 引言

1 样品采集与实验方法

1.1 研究区概况及样品采集

1.2 测试方法

1.3 锆石形貌学

2 结果与讨论

3 结论

图件及说明

图1 研究区自然地理背景及碎屑锆石样品位置

研究区位于青藏高原东北缘西宁盆地内,盆地北、西、南侧被祁连山及其支脉———拉脊山、日月山包围, 东侧与黄土高原相邻( 图1) 。在自然地理区域上, 西宁盆地位于西北内陆干旱区、东部季风区与高原季风影响的边界地带。盆地平均海拔约2000 m, 全年平均气温约6 ℃ , 平均降水量约400 mm ( 中国气象数据网) 。湟水自西向东穿过西宁盆地中心, 切穿盆地内新生代地层。第四纪黄土沉积于湟水阶地之上, 尤以西宁城北大墩岭沉积的黄土地层最厚、最具代表性。

图2　大墩岭钻探岩芯的土壤地层和磁化率随深度变化

在大墩岭顶部稳定塬面(36. 65°N; 101. 79°E) 进行科学钻探, 钻井海拔为2740 m, 深度为261 m。钻探获得260. 4 m 厚的黄土-古土壤沉积序列以及底部的冲积砾石层岩芯。将岩芯从中间剖开, 以10 cm 间距采样进行磁化率测试。结合Lu et al. (2012) 的岩性和古地磁学研究, 以及此次的磁化率研究结果, 对岩芯进行地层学划分, 结果表明大墩岭黄土- 古土壤序列底部为S16 , 年龄为约1. 3 Ma ( 图2)。在S2 LL1 (2. 2 ~4. 6 m)、L5 (56 ~ 57. 5 m)、L7 ( 118 ~ 120 m)、L9 (150 ~ 152. 5 m) 和L13 (210 ~ 212. 5 m) 等层位采集5 个混合样品, 命名为DL-1、DL-2、DL-3、DL-4 和DL-5, 进行碎屑锆石U-Pb 年代学分析。

图3　西宁黄土代表性碎屑锆石显微照片

锆石阴极发光照片可以观察锆石的结构和环带特征。分析的锆石粒径为约40 ~ 200 μm, 通过锆石CL 图反映的内部结构, 可将锆石分为岩浆锆石、变质锆石和继承锆石(图3a)。反射光图可清晰地反映锆石表面的磨圆情况, 绝大多数锆石具有不同程度的磨圆。根据锆石表明磨圆程度不同,将锆石分为棱角状、次棱角状、次圆状、圆状和浑圆状5 类(图3b), 对反射光图中所有的碎屑锆石进行磨圆度统计, 结果见表1。西宁黄土中锆石棱角状占比5. 9% ~ 13. 9%, 次棱角状占比27. 5% ~48. 7%, 次圆状占比24. 5% ~ 37. 6%, 圆状占比8. 8% ~ 22. 0%, 浑圆状占比1. 5% ~ 5. 9%。整体来看, 棱角状与次棱角状的碎屑锆石占全部样品总数的49. 0%, 可能暗示了西宁黄土存在一个距离较近的物源区。西宁黄土碎屑锆石具有多种类型的混合、复杂的磨圆度与裂隙的发育等特征, 表明锆石颗粒可能经历了强烈的物理风化以及多次再循环, 同时也可能暗示了多物源的混合。

图4　西宁黄土碎屑锆石U-Pb 年龄结果( n为锆石数目)

图5　碎屑锆石U-Pb 年龄直方图及KDE图(n 为锆石数目)

从不同层位采集的5 个样品具有基本一致的锆石U-Pb 年龄分布, 可划分为4 个年龄组: 早中生代—古生代( 200 ~ 540 Ma), 新元古代( 540 ~1000 Ma), 中元古代早期—古元古代中期(1400~2050 Ma) 和古元古代早期—新太古代(2300 ~2800 Ma) (图4)。5 个样品共555 个锆石, 年龄只有3 个<200 Ma: 197±4 Ma (DL-1), 190±3 Ma(DL-4) 和195±4 Ma (DL-4)。显生宙年龄组在西宁黄土中占大多数, 占比约42% ~ 58%, 且具有显著的双峰特征, 峰值年龄分别为约250 Ma 和约420 Ma, 其余3 个年龄组占比分别为11% ~ 22%(540~1000 Ma)、13% ~19% (1400~2050 Ma) 和8% ~12% (2300~2800 Ma)。西宁黄土除具约250Ma 和约420 Ma 主要年龄峰值外, 还具有800 Ma、1800 Ma 和2500 Ma 次要年龄峰值。5 个样品不同年龄组的相对含量具有轻微的差异。与其他峰值年龄相比, 约250 Ma 峰值年龄的锆石相对含量具有更明显的变化。此外, 样品DL-1 中元古代早期(约1500 Ma) 锆石含量明显较其他层位少。这种在基本一致的锆石年龄分布下, 不同年龄组相对含量的轻微差异, 可能反映了不同物源在不同时期对西宁黄土的贡献具有轻微的变化。西宁黄土与黄土高原中—西部已报道黄土剖面的锆石年龄谱高度相似(图5), 年龄分布基本一致, 均具有约250 Ma、约420 Ma、约800 Ma、约1850 Ma 和约2450 Ma 的峰值年龄。但是, 在<190 Ma 组分含量上, 西宁黄土和黄土高原黄土具有差异。在黄土高原腹地的黑木沟、灵台、西峰和渭南黄土剖面中含有少量该年龄组分锆石(图5a—5d), 在黄土高原西部的曹岘黄土剖面, 该年龄组分锆石相比黄土高原腹地的黄土剖面含量显著减少(图5e), 而在更往西的西宁黄土, 则未发现该年龄组分锆石(图5f)。这种碎屑锆石年龄分布基本一致, 但是在<190 Ma 组分含量存在差异的情况, 可能暗示了西宁黄土和黄土高原黄土的物源区在基本一致的情况下, 存在一处物源区为黄土高原提供了少量碎屑物质, 造成<190 Ma 锆石含量差异。

图6 西宁黄土、黄土高原及潜在物源区沉积物的碎屑锆石U-Pb 年龄直方图与KDE 图( n 为锆石数目)

200~ 300 Ma 和400 ~ 500 Ma 分别是海西—印支期造山运动和加里东期造山运动活跃的时期。西宁黄土与中国黄土高原的锆石年龄以200 ~300 Ma 和400~500 Ma 为主(图6a、6b), 暗示了物源区在这两个时期具有大规模的构造运动。大量的研究表明, 祁连山脉、柴达木盆地、库木塔格沙漠、阿拉善干旱区和毛乌素沙漠碎屑锆石年龄以约200~500 Ma 为主, 其中阿拉善干旱区、西毛乌素沙地以约200~300 Ma 峰值为主, 祁连山脉和柴达木盆地以约400 ~ 500 Ma 为主(图6c—6h;Stevens, et al. , 2010; Pullen et al. , 2011; Che andLi, 2013; Licht et al. , 2016; Zhang et al. , 2016)。西宁盆地位于毛乌素沙地的西南方, 并不处于毛乌素沙地碎屑物质随冬季风搬运的沉积区, 因此毛乌素沙地不太可能是西宁黄土的主要物源。阿拉善干旱区沉积物Sr-Nd 同位素研究表明其是来自于青藏高原北缘和中亚造山带碎屑物质的混合(Li et al. , 2011)。青藏高原北缘作为黄土的潜在物源区, 其碎屑物质可能来源于柴达木盆地、祁连山脉以及阿尔金山脉。对于祁连山脉与阿尔金山脉, 在早古生代时期的俯冲、碰撞事件中可能发生了大规模的岩浆、变质活动( Wu et al. ,2009, 2018; Song et al. , 2013, 2014; Yang et al. ,2015; 夏林圻等, 2016, Yu et al. , 2018)。祁连山脉内河流沉积物的碎屑锆石年龄谱具有显著的约439 Ma 年龄峰值, 并指示沉积物中含有少量的200~300 Ma 锆石(Zhang et al. , 2020)。柴达木盆地沉积物碎屑锆石年龄谱的约431 Ma 主要峰值和约264 Ma 次要峰值, 表明其含有的约380~490 Ma锆石主要来自于祁连山脉与阿尔金山脉(Pullen etal. , 2011; Licht et al. , 2016)。

中亚造山带作为地球上最大的显生宙增生造山带(Windley et al. , 2007), 含有3 个二叠纪—三叠纪拼贴系统(Zhang et al. , 2009; Xiao et al. ,2009, 2015)。中亚造山带二叠纪—三叠纪时期广泛发育的岩浆活动(Miao et al. , 2007; Jian et al. ,2008; Chu et al. , 2013; Zheng et al. , 2014; 贺昕宇等, 2022) 可以为附近的沙漠提供约200 ~ 300 Ma锆石。中亚造山带的戈壁-阿尔泰山脉被认为是黄土高原主要的物源区( Chen et al. , 2007; Li etal. , 2009, 李高军等, 2013; Che and Li, 2013;Zhang et al. , 2016, 2018), 其山麓沉积物的碎屑锆石年龄以250~400 Ma 为主(图6h; Che and Li,2013; Zhang et al. , 2016)。相较于大规模的晚古生代岩浆活动, 中亚造山带早古生代岩浆活动则分布有限。在中国西北部, 中亚造山带的早古生代的岩浆活动主要分布于北山造山带和天山山脉(徐学义等, 2008; Li et al. , 2016; Yuan et al. ,2018)。天山山脉早古生代岩浆活动主要发育于300~400 Ma (Li et al. , 2016), 山脉北麓准噶尔盆地新生代沉积物碎屑锆石年代学研究表明主要年龄组分为300 ~ 350 Ma (陈熠等, 2012)。结合Sr-Nd 同位素研究结果及黄土潜在物源区沉积物、其他黄土剖面的碎屑锆石年代学研究结果(Gehrels et al. , 2003; 谢静等, 2007; Stevens etal. , 2010; Xie et al. , 2012; Xiao et al. , 2012; Cheand Li, 2013; Licht et al. , 2016), 西宁黄土主要的年龄组分约200~500 Ma 的碎屑锆石可能主要来自中亚造山带和青藏高原北缘。鉴于近青藏高原北缘地区沉积物中含有大量早古生代碎屑锆石, 近中亚造山带地区沉积物中含有大量晚古生代碎屑锆石(图6), 因此西宁黄土中200 ~ 300 Ma 年龄组分的碎屑锆石可能主要由中亚造山带提供, 而400~500 Ma 年龄组分的碎屑锆石则主要由青藏高原北缘提供。

文章结论

对西宁黄土不同层位黄土样品开展碎屑锆石U-Pb 年代学研究, 探讨其碎屑物质来源, 并与黄土高原中—西部典型剖面进行差异对比, 获得以下认识。

（1）来自西宁黄土5 个不同层位黄土样品的碎屑锆石具有多类型混合、磨圆度复杂、裂隙发育等特征, 表明锆石颗粒可能经历了强烈的物理风化以及多次再循环, 同时也可能暗示了西宁黄土为多物源混合。

（2）5 个样品的碎屑锆石U-Pb 年龄谱分布特征较一致, 均具有早中生代—古生代( 200 ~500 Ma)、新元古代(540 ~ 1000 Ma)、中元古代早期—古元古代中期(1400 ~ 2050 Ma) 和古元古代早期—新太古代(2300 ~ 2800 Ma) 的锆石年龄组, 表明西宁黄土物源在1. 3 Ma 以来没有显著变化。

（3） 西宁黄土与黄土高原典型黄土剖面的碎屑锆石年龄分布对比表明青藏高原东北缘的黄土堆积与黄土高原中—西部黄土的物源区应该是高度重合的, 但具有略微差异。

（4）西宁黄土的碎屑锆石U-Pb 年代学数据证明了青藏高原东北缘是中国黄土除中亚造山带之外另一处主要物源区, 同时也支持了中国黄土堆积是来自多个物源区的碎屑物质均匀混合的观点。

第一作者介绍

李宗耀(1993-),男,在读博士,主要从事黄土环境磁学研究。E-mail:lyyslzy@126.com

引用格式

李宗耀, 盛美, 蒋凯, 等, 2022. 青藏高原东北缘西宁黄土物源研究[J]. 地质力学学报, 28 (4): 605-616. DOI: 10. 12090/j. issn. 1006-6616. 2022029

LI Z Y, SHENG M, JIANG K, et al. , 2022. Provenance study of the Xining loess in the Northeastern Tibetan Plateau [J]. Journal of Geomechanics, 28 (4): 605-616. DOI: 10. 12090/ j. issn. 1006-6616. 2022029