2. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心, 南京 210023;
3. 中国地质调查局青岛海洋地质研究所, 山东 青岛 266071;
4. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266071;
5. 中国地质调查局南京地质调查中心, 南京 210016;
6. 云南大学地球系统科学研究中心, 昆明 650500;
7. 中国科学院青藏高原研究所, 北京 100101
2. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China;
3. Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266071, Shandong, China;
4. Laboratory for Marine Mineral Resources, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266071, Shandong, China;
5. Nanjing Center, China Geological Survey, Nanjing 210016, China;
6. Research Center of Earth System Science, Yunnan University, Kunming 650500, China;
7. Institute of Tibetan Plateau Research, CAS, Beijing 100101, China
0 引言
中国东部陆架海是世界上最宽广的陆架边缘海之一，周边有众多的河流汇入，其中以两条世界性的大河——黄河和长江为代表。对陆架区沉积物源汇过程的系统研究，是建立中国各海区陆架地层层序，探讨新近纪以来中国陆架海区古地理变迁及其相关的古气候和构造变动等的必要前提，也是认识新生代亚洲宏观地貌演化和宏观环境演化的重要基础[1-2]。
黄海作为东部陆架海之一，位于中国大陆与朝鲜半岛之间，是一个近似南北向的半封闭浅海(图 1)。黄海平均水深55 m，海底平坦宽阔[3], 从胶东半岛成山角到朝鲜的长山串之间海面最窄，习惯上以此连线将黄海分为北黄海和南黄海两部分，其中南黄海占整个黄海面积的2/3。南黄海的沉积物记录了陆架海物源、气候及古环境演变等多方面的信息，已成为研究海洋沉积物对古环境和气候响应的理想区域[4-8]。
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| 虚线为分界线。 图 1 黄海与周边区域地貌图及CSDP-1钻孔位置 Fig. 1 Topogranphy map of Yellow Sea and the location of the Core CSDP-1 |
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针对南黄海沉积物物源方面的研究前人[9-12]已经做了大量的工作, 主要对南黄海的不同区域进行了不同程度的研究，包括黏土矿物、重矿物、碳酸盐矿物、元素、同位素地球化学及地震剖面等方法[13-16]，初步得到南黄海西部及中部泥质区沉积物物源主要为长江源和黄河源，东部有来自朝鲜半岛流域物质的结论。但前人的工作多集中在细粒沉积物上，主要关注末次间冰期以来的短时间尺度，对于南黄海的沉积物来源仍存在不同的认识，且缺少不同方法间的相互验证。因此，本文以“大陆架科学钻探”项目所获取的南黄海西部CSDP-1孔岩心为研究对象，对岩心中砂级沉积物进行碎屑锆石U-Pb年龄分析，结合周边河流沉积物碎屑锆石U-Pb年龄分布特征，判别钻孔沉积物的物质来源，从而探讨南黄海西部沉积物的古环境演变。
1 区域地质概况南黄海处在北黄海—胶辽隆起带和福建—岭南隆起带之间，在新生代时经受了大规模的断陷，接受了巨厚的沉积。海域内的主体构造走向为NNE，由大致平行相间排列的隆起带与坳陷带(盆地)组成。胶辽隆起带和南黄海—苏北坳陷带构成了黄海的海底构造骨架，其东南缘经浙闽隆起带延伸入东海。这些隆起和坳陷带成为黄海陆架发育的基础和边界条件[17-19]。晚新生代以来，黄河、长江带来丰富的泥砂填没了构造坳陷、水下谷地、构造隆起和水下丘岭，从而形成了现在宽广、平坦的大陆架。第四纪以来冰期和间冰期更迭交替、海面频繁升降，使大陆架多次成陆，又多次受到海侵。
南黄海周边河流主要有黄河和长江，同时存在诸多小型河流，由北至南有绣针河、青口河、临洪河、灌河和射阳河等[14]。
长江发源于青藏高原东北部，汇入东海，全长6 300 km，为亚洲最长的河流；黄河同发源于青藏高原，流入渤海，全长5 464 km，是我国第二大河。全新世大约有3 000×109 t的黄河物质注入黄海及其周边海域[20]。历史时期，黄河下游曾多次改道，其中，黄河曾于1128—1185年南流夺淮入海，形成废黄河三角洲[21-22]。而黄河北徙后，废黄河三角洲一直处于侵蚀状态，其沉积物成为南黄海陆架沉积的重要物源[23]。尽管废黄河为黄河古道沉积，但有研究表明，废黄河与黄河沉积物特征存在显著差异[24-25]。故本文将废黄河、淮河也作为CSDP-1孔可能的物质来源区进行探讨。
2 材料与方法“大陆架科学钻探”项目开始于2011年，南黄海钻孔CSDP-1(122°22′E，34°18′N)是该项目的第一个钻孔。该钻孔位于南黄海的西部，水深约为52.50 m的位置，全长300.10 m，取心率达80%。钻孔以粉砂和黏土质粉砂为主，夹有细—中粗砂，偶有薄层砾石层。钻孔M/B(781 ka)界限约位于73.68 m，第四纪(约为2.60 Ma)界限在227.16 m，钻孔底部年龄约为3.50 Ma[3]。根据文献[26]可知，自钻孔底部3.50~1.66 Ma为河流相，1.66~0.83 Ma为潮滩—浅潮下带沉积，0.83 Ma至今为海洋和河流环境。典型钻孔岩心照片及钻孔岩性如图 2。
对CSDP-1钻孔中细—粗砂层进行样品采集，共7个样品，每个样品取约1 kg，取样深度分别为71.00、108.00、124.00、141.00、170.00、186.00和263.00 m。此外，根据已有研究，将长江、黄河、淮河及废黄河作为可能源区，分别选取流域中下游已发表的现代沉积物碎屑锆石U-Pb年龄数据[25, 27]进行物源对比。
本研究实验测试均在南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICPMS)实验室完成。锆石的分选在河北廊坊恒宇股份有限公司完成。在双目镜下随机将200~300颗锆石粘在双面胶上，用凝固剂和环氧树脂以1:2的比例混合制靶。锆石靶抛光后在偏光显微镜下对锆石进行透射光和反射光拍照，以了解锆石颗粒的形态特征，进一步上机测试。测试仪器为Photon Machine 193 nm激光剥蚀器和Agilent 7700x四极杆等离子体质谱仪。每个样品进行120颗锆石激光剥蚀原位微区U-Pb定年分析。测试过程中使用国际标样91500((1 062 ± 4)Ma)或GJ-1((608.5 ± 0.4)Ma)作为外标，使用“清湖”样品((159.5 ± 0.2)Ma)作为监控标准。利用Igor Pro-Iolite软件进行数据处理。锆石年龄谱用Kernel Density Estimation (KDE)方法绘制[28]。对于年龄小于1 000 Ma的锆石，采用206Pb/238U的年龄；对于锆石年龄大于1 000 Ma的锆石，采用207Pb/206Pb的年龄。为确保年龄可靠性，统一选取谐和度>90%的锆石用于碎屑锆石年龄谱的绘制。
3 结果与讨论 3.1 CSDP-1孔沉积物碎屑锆石U-Pb年龄不同成因的锆石Th、U质量分数及Th/U值不同：岩浆锆石的Th、U质量分数较高，Th/U值较大(一般>0.3)；变质锆石的Th、U质量分数低，Th/U值一般 < 0.1。钻孔沉积物锆石Th/U值如图 3所示。本研究95%以上锆石Th/U>0.3，仅少数锆石Th/U < 0.1，指示研究所用大多数锆石均为岩浆锆石，可用来反映锆石的结晶年龄。
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| 图 3 CSDP-1孔沉积物碎屑锆石Th/U值 Fig. 3 Plot of Th/U ratios versus U-Pb ages of detrital zircons from the Core CSDP-1 |
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南黄海CSDP-1孔沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谐和图如图 4，可见其90%~98%沉积物的锆石年龄均谐和，文中所用数据均为谐和的锆石年龄。
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| 数据点椭圆误差为2σ。 图 4 CSDP-1孔沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谐和图 Fig. 4 Concordia diagram of the single zircon grains from the sand samples in the Core CSDP-1 |
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对南黄海CSDP-1孔沉积物7个样品进行碎屑锆石U-Pb年龄测试，结果表明，钻孔沉积物由下至上均呈多峰态分布特征，年龄分布总体较一致(图 5)，表现出5组年龄区间：300~100，500~300，1 000~700，2 100~1 700和2 600~2 300 Ma。其中以300~100和1 000~700 Ma的锆石为主，古元古代和太古宙的锆石颗粒相对较少。
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| 图 5 CSDP-1孔及周边河流沉积物碎屑锆石U-Pb年龄谱图及饼状图 Fig. 5 Detrital zircon U-Pb age spectra and pie charts of the Core CSDP-1 and surrounding river sediments |
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为了能够更直观地分辨不同样品间的差异，对钻孔样品中5组年龄区间的锆石比例分别绘制饼图(图 5)。由图 5、表 1可知：除最底部CSDP-1-263样品外，其余沉积物中300~100 Ma的锆石比例均≥35%；500~300 Ma区间内，CSDP-1-170样品比例最低(9%)；1 000~700 Ma的锆石比例在顶部CSDP-1-71样品中最低(9%)，其余样品均≥23%；2 100~1 700 Ma的锆石比例在顶部沉积物中最高(32%)，在中部CSDP-1-141中比例最低(4%)；2 600~2 300 Ma区间内的锆石比例在各区间均较低，尤其在CSDP-1-141样品中比例为0。
| 样品号和周边河流沉积物 | 年龄区间比例/% | ||||
| 300~100 Ma | 500~300 Ma | 1 000~700 Ma | 2 100~1 700 Ma | 2 600~2 300 Ma | |
| CSDP-1-71 | 39 | 11 | 9 | 32 | 9 |
| CSDP-1-108 | 37 | 16 | 24 | 16 | 7 |
| CSDP-1-124 | 41 | 13 | 23 | 17 | 6 |
| CSDP-1-141 | 51 | 14 | 31 | 4 | 0 |
| CSDP-1-170 | 39 | 9 | 23 | 22 | 7 |
| CSDP-1-186 | 35 | 14 | 35 | 10 | 6 |
| CSDP-1-263 | 24 | 10 | 35 | 25 | 6 |
| 黄河 | 18 | 16 | 1 | 48 | 17 |
| 废黄河 | 21 | 36 | 10 | 21 | 12 |
| 淮河 | 32 | 31 | 11 | 15 | 11 |
| 长江 | 27 | 10 | 35 | 20 | 8 |
钻孔沉积物由底部到顶部：500~300和300~100 Ma的锆石比例均较高，但未表现出一定的趋势；而1 000~700 Ma的锆石比例总体呈降低趋势；2 100~1 700和2 600~2 300 Ma的锆石比例则呈升高趋势(除了样品CSDP-1-141)。
3.2 河流沉积物碎屑锆石年龄分布特征南黄海CSDP-1钻孔周边河流(长江、黄河、淮河和废黄河)沉积物碎屑锆石U-Pb年龄分布表现出明显差异性。黄河沉积物主要有4组年龄峰；废黄河、淮河沉积物锆石年龄分布较一致，但淮河沉积物中存在 < 100 Ma的锆石；长江沉积物呈现5组主要年龄峰，同样存在 < 100 Ma的锆石。
对河流沉积物分别计算不同区间锆石的比例，并绘制饼图(图 5)，由图 5、表 1可以清晰地辨别出不同河流沉积物的锆石年龄组合特征：黄河沉积物中300~100，500~300和2 600~2 300 Ma的锆石比例大致相同(约占17%)，1 000~700 Ma的锆石比例最低(1%)，而2 100~1 700 Ma的锆石比例最高(48%)；废黄河沉积物中300~100和2 100~1 700 Ma的锆石比例相近(占21%)，1 000~700和2 600~2 300 Ma的锆石比例均在10%左右，而500~300 Ma的锆石比例最高(36%)；淮河沉积物中300~100和500~300 Ma的锆石比例相近(约占30%)，元古代和太古宙锆石比例大致相同，其中2 100~1 700 Ma的锆石比例稍高(15%)；长江沉积物中300~100和2 100~1 700 Ma区间的锆石比例较高(≥20%)，500~300和2 600~2 300 Ma的锆石比例在10%左右，1 000~700 Ma的锆石比例最高(35%)。因此，根据碎屑锆石年龄谱图及饼状图(图 5)，黄河沉积物以高比例的2 100~1 700 Ma的锆石及较低比例的1 000~700 Ma的锆石为特征；废黄河与黄河的区别在于前者1 000~700 Ma的锆石比例较高，且500~300 Ma的锆石比例高于300~100 Ma的；淮河含有 < 100 Ma的锆石；长江沉积物与废黄河沉积物相反，300~100 Ma的锆石比例高于500~300 Ma的，且1 000~700 Ma的锆石比例最高。
3.3 CSDP-1孔沉积物碎屑锆石年龄物源判别结合不同河流沉积物碎屑锆石U-Pb年龄分布特征，对南黄海CSDP-1孔沉积物进行物源判别。从底部到顶部，钻孔CSDP-1-263表现出与长江沉积物相似的锆石年龄分布，可认为其物质来源于长江流域(图 5)。CSDP-1-186和CSDP-1-170样品饼状图与长江沉积物相比显示出一定的变化。CSDP-1-186中，300~100和1 000~700 Ma的锆石比例增多，2 100~1 700 Ma的锆石比例降低；CSDP-1-170中300~100 Ma的锆石增多，1 000~700 Ma的锆石比例减少，但两个样品仍符合长江沉积物的特点。CSDP-1-141中，缺失2 600~2 300 Ma的锆石，且2 100~1 700 Ma的锆石比例很低，与4条河流沉积物特征均不符合；但300~100，500~300以及1 000~700 Ma的锆石特征仍符合长江沉积物的特征，可认为该样品物质也主要来自长江。CSDP-1-124和CSDP-1-108同样来自长江，但1 000~700 Ma的锆石比例降低，且300~100和500~300 Ma的锆石比例均有增大，可能有来自淮河或废黄河的物质加入。钻孔顶部CSDP-1-71的物质来源明显发生变化，2 100~1 700 Ma的锆石比例显著增加，1 000~700 Ma的锆石比例减少，表明该样品物质主要来自黄河。
由于废黄河与淮河源物质在钻孔沉积物中较难区分，故根据钻孔以及河流中锆石的主要年龄区间比例做相关性分析(表 2)。1—7分别为钻孔中顶部到底部的沉积物。相关系数0.1~0.3为弱相关，0.3~0.5为中等相关，0.5~1.0为强相关。可见CSDP-1孔由底部3.20 Ma(263.00 m)以来，一直受到长江流域的影响，沉积物以长江源物质占优势；淮河从2.16 Ma(186.00 m)开始对该区有物质贡献，且影响逐渐增大；0.78 Ma(71.00 m)开始有黄河源的物质记录在钻孔沉积物中，与淮河源的物质共同影响钻孔区域；废黄河虽然与黄河沉积物锆石年龄区间存在一定的相关性，且全新世以来废黄河三角洲的侵蚀、改造作用强烈，但其与钻孔沉积物仅在0.78 Ma以来呈现弱相关，这可能是由于废黄河的物质被淮河及黄河沉积物稀释，导致废黄河沉积物对钻孔的影响甚小。
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 黄河 | 废黄河 | 淮河 | 长江 | |
| 1 | 1.00 | ||||||||||
| 2 | 0.63 | 1.00 | |||||||||
| 3 | 0.72 | 0.99 | 1.00 | ||||||||
| 4 | 0.45 | 0.97 | 0.94 | 1.00 | |||||||
| 5 | 0.80 | 0.93 | 0.97 | 0.84 | 1.00 | ||||||
| 6 | 0.26 | 0.89 | 0.85 | 0.94 | 0.77 | 1.00 | |||||
| 7 | 0.32 | 0.62 | 0.60 | 0.55 | 0.69 | 0.74 | 1.00 | ||||
| 黄河 | 0.58 | -0.22 | -0.12 | -0.44 | 0.05 | -0.55 | -0.09 | 1.00 | |||
| 废黄河 | 0.14 | 0.03 | -0.02 | -0.04 | -0.15 | -0.22 | -0.39 | 0.25 | 1.00 | ||
| 淮河 | 0.44 | 0.55 | 0.51 | 0.52 | 0.34 | 0.26 | -0.19 | -0.01 | 0.79 | 1.00 | |
| 长江 | 0.29 | 0.73 | 0.71 | 0.71 | 0.76 | 0.88 | 0.97 | -0.29 | -0.44 | -0.11 | 1.00 |
关于长江和黄河对南黄海西部的物质贡献，本文得到的结论与前人研究基本相符[15]。长江对CSDP-1钻孔至少在3.20 Ma以来一直存在贡献，表明受南黄海冷水团的影响，长江沉积物由南向北不断被输送[29]。但在黄河对南黄海的贡献时限上存在一定差异。蓝先洪等[15]认为黄河在中更新世中晚期就已经对南黄海陆架沉积作用有明显影响。这主要由于其所研究的钻孔位于南黄海更靠西侧的位置，主要受到黄海沿岸流的影响，接收较多黄河的物质[30]，而CSDP-1孔仅从0.78 Ma开始才有黄河的物质供应。这也表明，南黄海不同区域存在不同的沉积特征，在探讨源汇过程时需要注意。
4 结论通过对南黄海西部CSDP-1孔沉积物碎屑锆石U-Pb年龄的特征分析以及结合周边河流沉积物进行物源判别，得到如下结论：
1) CSDP-1孔沉积物碎屑锆石主要表现出5组年龄区间：300~100，500~300，1 000~700，2 100~1 700和2 600~2 300 Ma。由底部(约3.20 Ma)到顶部(约0.78 Ma)沉积物，300~100和500~300 Ma的锆石比例均较高，1 000~700 Ma的锆石比例总体呈降低趋势，2 100~1 700和2 600~2 300 Ma的锆石比例则呈升高趋势。
2) 通过对CSDP-1钻孔及河流沉积物进行物源判别，可认为钻孔沉积物3.20 Ma以来存在多源物质贡献，长江源物质占优势，淮河源次之；淮河从2.16 Ma开始对钻孔区域产生影响；0.78 Ma该区才开始有黄河源的物质，自此黄河成为钻孔区主要物质来源；废黄河对钻孔区域几乎没有影响。
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