王釗，聶軍勝，彭文彬，張浩博，李峁潼

1.山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，太原 030030

2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000

3.棗莊學(xué)院旅游與資源環(huán)境學(xué)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(nèi)外學(xué)者廣泛地關(guān)注。黃河發(fā)源于青藏高原東北部的巴顏喀拉山，它將侵蝕的物質(zhì)，通過河流搬運(yùn)、沉積到鄰近的盆地、平原和海洋中，構(gòu)成了一個(gè)完整的“源—匯”系統(tǒng)。因此，黃河的形成演化歷史一直是地學(xué)界廣泛關(guān)注的重大科學(xué)問題之一，為此進(jìn)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(jìn)行了大量的調(diào)查，但是由于不同學(xué)者判斷黃河形成的標(biāo)準(zhǔn)不同，對(duì)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(diǎn)：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(xué)者利用碎屑鋯石U-Pb 測年方法對(duì)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(dǎo)致對(duì)銀川盆地沉積物的物源研究相對(duì)匱乏，缺乏有效的碎屑鋯石U-Pb 年齡數(shù)據(jù)和碎屑組分研究，限制了對(duì)銀川盆地地區(qū)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(shè)來自黃河上游河段的碎屑物質(zhì)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(xiàn)在銀川盆地的結(jié)論。因此，本文對(duì)晚上新世銀川盆地鉆孔沉積物進(jìn)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(shù)據(jù)能夠有效地厘清盆地鉆孔底部的物質(zhì)來源，并對(duì)理解黃河上游的形成演化具有重要的啟示意義。

1 研究區(qū)概況

銀川盆地是黃河上游流經(jīng)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(gè)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(nóng)區(qū)，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(qū)平羅縣境內(nèi)，位于黃河以西11 km 和賀蘭山以東22 km處，其經(jīng)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(jìn)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(jié)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(qū)域位置圖（a）及PL02 鉆孔巖性和年代（b，修改自文獻(xiàn)[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(duì)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(duì)比分析銀川盆地鉆孔晚上新世（3.3 Ma）時(shí)期的物質(zhì)來源，本文對(duì)賀蘭山東麓不同河流出山口進(jìn)行了現(xiàn)代河流沙樣品（HL1-HL4）采集，并進(jìn)行碎屑組分分析。同時(shí)，本文還搜集了前人在潛在源區(qū)進(jìn)行的研究數(shù)據(jù)，包括賀蘭山地區(qū)的碎屑鋯石U-Pb 年齡數(shù)據(jù)[30-33]、鄂爾多斯高原西部的碎屑鋯石U-Pb 年齡數(shù)據(jù)[34]和碎屑組分?jǐn)?shù)據(jù)[35]以及上游黃河的碎屑鋯石UPb年齡數(shù)據(jù)和碎屑組分?jǐn)?shù)據(jù)[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(qū)域地質(zhì)調(diào)查院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，共計(jì)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(xué)同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室激光年代測試中心的多接收激光燒蝕—等離子體質(zhì)譜儀（Laser Ablation Multi-Collector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer）[36]進(jìn)行測量。準(zhǔn)分子激光剝蝕利用Photon Machines 公司生產(chǎn)的Analyte-G2 ArF 193 nm進(jìn)行。激光束斑的直徑設(shè)定成30 μm，利用氦氣作為剝蝕物載氣，氬氣作為調(diào)節(jié)靈敏度的補(bǔ)償氣。普通Pb 校正使用Andersen 的處理方法，單一數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差均為1σ。

單一鋯石顆粒所測的U-Pb同位素定年結(jié)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(jié)果均經(jīng)過最佳年代和不諧和度篩選，其標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)計(jì)采用Gazzi-Dickinson的方法進(jìn)行柵格結(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，樣品中超過300個(gè)碎屑顆粒被統(tǒng)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)在意大利米蘭比可卡大學(xué)沉積物源分析實(shí)驗(yàn)室完成。簡要操作如下：首先，對(duì)樣品進(jìn)行碎屑薄片的制作，再對(duì)薄片的局部（一般為1/3～1/2的部分）進(jìn)行染色處理，以便于能夠準(zhǔn)確識(shí)別出砂巖樣品中的碳酸鹽巖和鉀長石等碎屑；其次，根據(jù)砂質(zhì)粒徑大小選擇適合的柵格間距在顯微鏡下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)完一個(gè)視域后，移動(dòng)到相鄰的另一個(gè)視域繼續(xù)統(tǒng)計(jì)，確保單一顆粒沒有被重復(fù)統(tǒng)計(jì)[38]。對(duì)于粒徑大于62.5 μm 的碎屑顆粒均被統(tǒng)計(jì)為礦物而不是巖屑[38-41]。碎屑組分統(tǒng)計(jì)結(jié)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(xiàn)，并根據(jù)Garzanti[39-40]和何杰等[41]對(duì)砂巖分類命名方案進(jìn)行命名，該方案采取完全對(duì)稱的設(shè)計(jì)，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(jié)果

3.1 鋯石U-Pb測年結(jié)果

鋯石U-Pb測年實(shí)驗(yàn)獲得了377顆碎屑鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)，經(jīng)過去除不諧和度過大的數(shù)據(jù)后，共計(jì)291 個(gè)鋯石U-Pb 數(shù)據(jù)符合本文研究所用標(biāo)準(zhǔn)，被用來進(jìn)行數(shù)據(jù)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(gè)年齡成分區(qū)間，其中主要由200～300 Ma和400～500 Ma兩個(gè)主要峰值區(qū)間，以及900～1 000 Ma、1 700～2 000 Ma 和2 300～2 600 Ma 三個(gè)次一級(jí)峰值區(qū)間組成（圖2）。

圖2 銀川盆地鉆孔與潛在源區(qū)碎屑鋯石U-Pb 年齡譜對(duì)比（賀蘭山鋯石數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[30-33]，鄂爾多斯高原西部鋯石數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[34]，上游黃河鋯石數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[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(tǒng)計(jì)結(jié)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(jù)Garzanti[39-40]和何杰等[41]對(duì)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(xiàn)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(gè)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(zhì)來源

利用概率密度分布函數(shù)（Normalized probability density plots，簡寫PDP）、核密度估計(jì)方法（Kernel density estimation plots，簡寫KDE）和直方圖方法對(duì)銀川盆地鉆孔底部樣品及其潛在源區(qū)的鋯石U-Pb數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（圖2）以及碎屑組分Q-F-L三角圖分析（圖3）。為了進(jìn)一步進(jìn)行直觀對(duì)比銀川盆地與潛在物源區(qū)的鋯石U-Pb 數(shù)據(jù)，本文同時(shí)對(duì)以上鋯石年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行非矩陣多維標(biāo)度（Non-metric multidimensional scaling，簡寫MDS）統(tǒng)計(jì)分析（圖4），MDS圖中樣品與樣品間的實(shí)線代表著這兩個(gè)樣品最相近（實(shí)線越短越相近），而樣品與樣品間的虛線則說明這兩個(gè)樣品存在次相關(guān)關(guān)系（虛線越長越不相關(guān)）。

圖3 銀川盆地鉆孔與潛在源區(qū)碎屑組分特征（修改自文獻(xiàn)[41]，鄂爾多斯高原西部數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[35]，上游黃河數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[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(shù)（PDP）、核密度估計(jì)方法（KDE）和直方圖（圖2）顯示，鄂爾多斯高原西部地區(qū)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(duì)于銀川盆地鉆孔底部樣品，鄂爾多斯高原西部地區(qū)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(shí)在碎屑組分Q-F-L 三角圖（圖3）中，鄂爾多斯西部地區(qū)的碎屑組分多集中于巖屑石英砂巖區(qū)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(rèn)為鄂爾多斯高原西部地區(qū)沒有為銀川盆地提供物質(zhì)。

賀蘭山地區(qū)的鋯石U-Pb年齡僅存在一個(gè)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(gè)成分區(qū)間；同時(shí)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(qū)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(zhì)來源區(qū)。這一結(jié)論與先前通過對(duì)比銀川盆地鉆孔與發(fā)源于賀蘭山的現(xiàn)代河流沉積物的重礦物數(shù)據(jù)所得結(jié)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(qū)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(gè)主要峰值 區(qū) 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(qū)，表明其母巖類型相似或相同。

非矩陣多維標(biāo)度統(tǒng)計(jì)（MDS）分析（圖4）結(jié)果顯示銀川盆地鉆孔樣品靠近上游黃河樣品，而遠(yuǎn)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(jīng)區(qū)域的物質(zhì)經(jīng)由黃河侵蝕、搬運(yùn)再沉積到銀川盆地[3,8]。

圖4 銀川盆地與潛在源區(qū)鋯石U-Pb 年齡的非矩陣多維標(biāo)度統(tǒng)計(jì)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(duì)比（圖3）分析結(jié)果顯示，銀川盆地鉆孔底部物質(zhì)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(jīng)開始接受來自黃河上游的沉積物供應(yīng)。前人對(duì)蘭州地區(qū)形成于3.6～2.2 Ma 的五泉礫巖組和青銅峽地區(qū)上干河溝組進(jìn)行的碎屑鋯石U-Pb 年齡、重礦物組合、砂巖巖相學(xué)以及河流古流向研究結(jié)果表明黃河上游蘭州段和青銅峽段在晚上新世已經(jīng)存在[3,6,8-9]。以上數(shù)據(jù)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(jīng)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(diǎn)。

5 結(jié)論

鋯石U-Pb測年數(shù)據(jù)和碎屑組分?jǐn)?shù)據(jù)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(qū)，而是來源于上游黃河地區(qū)。進(jìn)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(jīng)形成，支持了黃河上游至少在晚上新世就已形成的觀點(diǎn)。

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(jìn)一步完善；感謝美國克萊姆森大學(xué)Alex Pullen 博士在銀川盆地鋯石U-Pb 測年實(shí)驗(yàn)中給予的幫助以及意大利米蘭比可卡大學(xué)Eduardo Garzanti教授和Giovanni Vezzoli副教授對(duì)銀川盆地和賀蘭山樣品碎屑組分的統(tǒng)計(jì)。本文所用銀川盆地鋯石U-Pb 測年數(shù)據(jù)和碎屑組分?jǐn)?shù)據(jù)可以通過國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心獲取http://www.ncdc.ac.cn/portal/magazine/detail?id=ed14bd8bfb13-4487-93f5-216e5f0d0d86。