地质力学学报  2018, Vol. 24 Issue (5): 635-644
引用本文
程瑜, 李向前, 赵增玉, 张祥云, 郭刚. 长江三角洲地区TZK3孔碎屑锆石U-Pb年龄及其物源意义[J]. 地质力学学报, 2018, 24(5): 635-644.
CHENG Yu, LI Xiangqian, ZHAO Zengyu, ZHANG Xiangyun, GUO Gang. DETRITAL ZIRCON U-Pb AGES AND ITS PROVENANCE SIGNIFICANCE IN THE TZK3 CORE FROM THE YANGTZE RIVER DELTA[J]. Journal of Geomechanics, 2018, 24(5): 635-644.
长江三角洲地区TZK3孔碎屑锆石U-Pb年龄及其物源意义
程瑜 , 李向前 , 赵增玉 , 张祥云 , 郭刚     
江苏省地质调查研究院, 江苏 南京 210018
摘要:以TZK3孔的磁性地层学为基础,结合沉积物的岩性、结构构造及锆石年龄谱系特征,探讨沉积物的物质来源及长江贯通的时限。古地磁结果表明:96.7 m、263.3 m、603.75 m分别对应B/M界线、M/G界线、晚上新世/早上新世的界线(3.58 Ma)。锆石年龄谱系数据显示,TZK3孔的U-Pb锆石年龄主要分为5组:100~300 Ma,400~500 Ma,700~850 Ma,1800~2000 Ma,2400~2600 Ma。其中3.7 Ma的锆石年龄谱相对简单,以白垩纪(100~150 Ma)为主,物质主要来自于长江中下游的火山盆地,为近源沉积。TZK3孔3.04 Ma以来,锆石年龄谱变得复杂且主峰相对较多,表明物源区更广且加入了远源的成分。3.04 Ma的锆石年龄谱中开始出现峨眉山玄武岩年龄段(251~260 Ma)的锆石,表明在此时期长江上游的物质就已到达了长江三角洲地区,即长江贯通的时限为3.04~3.7 Ma。
关键词长江贯通时限    U-Pb锆石年龄谱    磁性地层    长江三角洲    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2018.24.05.064     文章编号:1006-6616(2018)05-0635-10
DETRITAL ZIRCON U-Pb AGES AND ITS PROVENANCE SIGNIFICANCE IN THE TZK3 CORE FROM THE YANGTZE RIVER DELTA
CHENG Yu , LI Xiangqian , ZHAO Zengyu , ZHANG Xiangyun , GUO Gang     
The Institute of Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, Jiangsu, China
Abstract: Based on the magnetic stratigraphy of TZK3 core, the lithology, structural structure and zircon age characteristics of sediments were studied to explore the material source of sediments and running through time limit of the Yangtze River. The paleomagnetic results show that 96.7 m, 263.3 m and 603.75 m are B/M boundary, M/G boundary and boundary in the Pliocene, respectively. The plot of U-Pb age spectra for concordant zircons shows that the U-Pb zircon ages of the TZK3 Core are divided into five groups:100~300 Ma, 400~500 Ma, 700~850 Ma, 1800~2000 Ma, 2400~2600 Ma. The age spectrum of 3.7 Ma is relatively simple, mainly in the Cretaceous (100~150 Ma), and the materials are mainly from the volcanic basin in the middle and lower reaches of the Yangtze River. The zircon age spectrum becomes complex and there are relatively more main peaks since 3.04 Ma, indicating that the source area is wider and far-source components are involved. The appearance of zircons from the Emeishan basaltic age (251~260 Ma) in the zircon age of 3.04 Ma, indicating that the material in the upper reaches of the Yangtze River has reached the Yangtze River Delta region in this period. So the running through time limit of the Yangtze River is 3.04~3.7 Ma
Key words: running through time limit of the Yangtze River    U-Pb zircon age spectrum    magnetic stratigraphy    the Yangtze River Delta    
0 引言

长江发源于青藏高原东侧,是亚洲第一长的河流(全长6300 km),很好的记录了亚洲季风演化、青藏高原隆升和亚洲地形演化[1~3],因此长江的演化一直是地质界关注的热点问题[4~6]。其中,在长江演化的众多科学问题中,长江贯通的时限一直存在较大争议[7~9]。长江三角洲位于长江的下游,是“源”到“汇”沉积过程的终点。在长江三角洲沉积物中识别出长江上游物质的初始层位,可确定长江贯通的时限。学者们利用地形地貌特征[10~12]、阶地[13]、独居石年龄[14]、重矿物[15]、REE和Nd同位素的分析[16]、常量和微量元素[17]、锆石U-Pb年龄[18~19]、磁化率和粒度的相关性[20]讨论了长江沉积物的物源变化,主要有第四纪初期及上新世两种观点。综上所述,在长江三角洲,利用不同钻孔和不同指标所获得的长江贯通时限差异较大,这是因为之前研究的大部分钻孔都位于长江口地区,长江在贯通初期其沉积物可能未在长江口沉积。因此,只有在长江的必经之处进行物源分析,才能对长江贯通的时限进行合理的探讨。

第四纪以来,长江的主河床在扬州、泰州、如东一线以南及镇江、黄桥、启东一线以北的地区摆动,形成多套砂砾层的古河床沉积。南京至扬州一带为丘陵岗区,以中酸性岩浆岩为主,长江被约束在山间的低洼处[21~22],河道相对稳定。泰州地区位于基岩束缚的山口,为长江的必经之处。锆石是自然界最为稳定的矿物之一,物理化学性质稳定,受后期热扰动小。碎屑锆石的U-Pb年龄不受沉积分选过程的影响,其年龄谱系特征直接反映了沉积物源区岩石的年龄组成,通过碎屑锆石年龄分布确定碎屑沉积物物质来源,已成为研究热点之一[19, 23~24]。因此,利用沉积物的U-Pb年龄谱系特征对物源进行分析,结合系统的磁性地层学研究,可以判断长江贯通的时限。

1 区域地质概况

长江三角洲地处扬子陆块东段,西部为郯庐断裂带、北部为苏鲁造山带。自元古代以来,区域经历了复杂的构造运动,产生了丰富多样的构造样式。其中燕山期火山活动较为强烈,是中国东部火山岩浆活动带的重要组成部分。新近纪以来,由于喜马拉雅运动的影响,中国东部盆地强烈沉降,形成巨厚的山前冲洪积沉积物,长江贯通以后,携带了大量物质在河口地区迅速淤积。在地球内、外营力下,沉积了几百米的河湖相地层,形成了长江三角洲新近纪地层。

2 样品采集及测试 2.1 剖面特征

TZK3孔(32°23′N,120°05′E)位于长江三角洲北部的泰州市姜堰区大丁村(见图 1),于2015年3月实施钻探取样,钻探进尺728.59 m,岩心在岩芯库对半切开后,一半用于采样,另一半用于拍照和岩性描述。其中0~668.31 m为新近纪的河湖相沉积物;668.31~728.59 m为半固结的紫红色粉砂质泥岩,为渐新统—始新统的三垛组沉积。

图 1 钻孔位置图 Figure 1 Map showing the position of the TZK3 core

根据岩性特征,可将钻孔自上而下分为34层(见图 2):

图 2 TZK3孔的岩石地层、磁性地层与标准极性柱[25]的对比 Figure 2 Comparison of rock strata, magnetic strata and standard polar column[25] in the TZK3 core

① 0~2.55 m:灰黄色粉砂,局部见锈黄色条带,并顺层分布。

② 2.55~35.95 m:灰色粉砂,局部为灰与灰绿色粉砂互层、粉细砂、细粉砂。

③ 35.95~40.15 m:灰色粉砂夹深灰色粘土质粉砂,局部夹薄层粘土质粉砂层,水平层理发育,零星见有少量螺贝壳碎片及云母碎片。

④ 40.15~43.92 m:黄灰色粉细砂。

⑤ 43.92~44.99 m:浅灰绿色含钙质结核粘土质粉砂。

⑥ 44.99~46.60 m:灰黄色粉砂、细砂,局部夹锈黄色斑点、斑块。

⑦ 46.60~47.83 m:黄灰色粉砂与灰色含粘土粉砂互层、细砂,底部见含有少量砾石,直径约2 cm左右,长英质,磨圆较好。

⑧ 47.83~52.55 m:灰色含砾粗砂,局部夹厚10~20 cm的粉砂层。

⑨ 52.55~80.60 m:灰色粉砂、细砂、含砾中细砂、灰—灰黄色砾石层,砾石成分主要为长英质,磨圆度较好,分选一般。

⑩ 80.60~82.86 m:灰色粉砂与灰褐色粘土质粉砂混层。

⑪ 82.86~96.70 m:浅灰色砾石层、砾质粗砂层。

⑫ 96.70~98.15 m:灰褐色含砾粘土,砾石成分主要为长英质,磨圆度较好,分选较差。

⑬ 98.15~118.26 m:浅灰—灰色、灰黄—黄褐色粉砂、粉细砂、砾石层、砾质粗砂夹粉细砂,局部略显水平层理。

⑭ 118.26~132.94 m:灰绿色、棕红色、灰黄色粘土、黄灰—浅灰绿色粉砂质粘土,局部含有钙质结核。

⑮ 132.94~168.73 m:灰黄—褐黄色粉砂、细砂与粉砂质粘土互层、中细砂、细粉砂、细砂,局部略显水平层理。

⑯ 168.73~229.56 m:暗灰色、灰色、深灰色细砂、粉细砂、含砾中细砂、中粗砾石层。

⑰ 229.56~242.10 m:浅灰绿色含钙质结核粘土、粉砂质粘土,局部夹粉细砂。

⑱ 242.10~292.20 m:灰色粉砂、含砾中砂、含砾中粗砂、砂质中粗砾、砾石层。

⑲ 292.20~329.30 m:浅黄绿色、灰绿色粘土、粉砂质粘土,局部夹粉砂、粉细砂。

⑳ 329.30~375.25 m:灰黄—浅灰绿色中砂、中粗砂、砂质中细砾石层,局部夹粉砂质粘土层。

㉑ 375.25~384.91 m:棕红—浅灰绿色粘土。

㉒ 384.91~430.26 m:浅灰绿色粉砂、中细砂、中粗砂、砾质中粗砂、含砾中细砂。

㉓ 430.26~443.46 m:棕红色、浅棕色、棕黄色、灰绿色粘土。

㉔ 443.46~457.50 m:灰绿—黄绿色含砾细砂、中细砂,局部夹黄绿色粉砂质粘土。

㉕ 457.50~483.80 m:灰黄—灰绿色粉砂质粘土、粘土,局部夹细砂、粉砂与粘土互层。

㉖ 483.80~505.41 m:浅黄绿色砾质粗砂、含砾粗砂、细砂、粉砂。

㉗ 505.41~522.50 m:浅灰绿—淡棕黄、棕红色粘土。

㉘ 522.50~545.20 m:棕红色粘土质粉砂、含砾中细砂、中砂、中细砂、含砾中砂、含砂中粗砾石层。

㉙ 545.20~605 m:灰黄—浅灰绿色粉砂质粘土、浅棕红色粘土、粘土质粉砂—粉砂质粘土。

㉚ 605~631.35 m:棕红色粘土。

㉛ 631.35~655.50 m:浅棕红色细砂、含砾中粗砂、细砂、中细砂,局部含有少量砾石。

㉜ 655.50~666.50 m:棕红色粘土。

㉝ 666.50~668.31 m:棕红色砾质粘土,含有砾石约30%~40%,成分以长英质为主,有石英、长石砂岩等,少量燧石及绿泥石等,磨圆度一般,分选较差。

㉞ 668.31~728.59 m:浅棕红—紫红色粉砂质泥岩、含泥质粉细砂(岩)、粉砂质泥岩。

2.2 测试方法

退磁前首先测试了所有样品的天然剩磁,根据不同的岩性按照0.3~1 m间距对TZK3孔783件样品进行系统的热退磁和交变退磁。由于粘土、含粉砂粘土、粉砂质粘土、粘土质粉砂呈棕黄色、棕红色等氧化色,富含赤铁矿,故采用热退磁方法。退磁使用ASC-TD48型热退磁炉,系统热退磁所加温度在低温段间隔为100 ℃,高温段设为30 ℃~50 ℃,最高温度为680 ℃,共12~15步。粉砂、中砂、粗砂等样品以灰色等还原色为主,且较松散易碎,难以使用热退磁,故采用交变退磁方法,使用Molspin交变退磁仪来完成。交变退磁所加的交变场强度为10~100 Mt,以10 mT的幅度增加。所有样品的剩磁测量均在南京大学古地磁实验室的磁屏蔽室(背景场<300 nT)内进行的。剩磁测量是用美国2G公司生产的755R、三轴、高灵敏度超导磁力仪完成。大部分样品的退磁效果较好,剩磁强度随场强或温度逐步衰减,退磁轨迹稳定地趋向原点,能分离出稳定的特征剩磁分量,在建立该孔的极性柱时,共使用了525个退磁数据。

取约1 kg的细砂、中砂沉积物用于锆石挑选,选取包裹体少、无明显裂隙150~200颗锆石颗粒,进行制靶;然后进行透射光和反射光照相;再进行阴极发光(CL)图像扫描,以便了解锆石的内部结构(见图 3),锆石制靶在南京求石地质科技有限公司完成。碎屑锆石U-Pb年龄测定是在南京大学完成。实验数据利用Glitter(ver4.0)软件处理,普通铅校正采用Andersen方法[26],年龄计算及协和图绘制采用Isoplot程序(ver3.0)[27]处理。对于>1000 Ma的锆石选取207Pb/206Pb计算的年龄, <1000 Ma的锆石选取207Pb/235U计算的年龄,并舍弃了不谐和度大于10%的年龄[28]。同时对每个样品选择100粒锆石进行测试,具有数理统计意义。

图 3 TZK3孔部分典型样品碎屑锆石CL Figure 3 The CL picture of detrital zircon of typical sample in the TZK3 Core
3 结果与讨论 3.1 磁性地层

TZK3孔的极性柱和标准极性柱[25]的对比性较差(见图 2),这是因为长江三角洲沉积物在第四纪时期遭受过多次侵蚀剥蚀,沉积物以砂砾层为主,地层连续性差,从而影响磁性地层的准确性。

TZK3孔的96.70 m、263.30 m为正、负极性转换的位置,且为沉积间断面,上部为砂砾层,下部为粘土层,与标准地磁极性年柱对比,分别为B/M界线和M/G界线。263.30~603.75 m为正极性,603.75~663.75 m为负极性,表明603.75 m为晚上新世/早上新世的界线(3.58 Ma)(见图 2)。但Jaramillo和Olduvai亚极性事件难以准确的识别。以古地磁界限作为年龄控制点,计算出每个序列的沉积速率,中更新世以来的沉积速率为0.12 mm/a,0.78~2.58 Ma的沉积速率较低,为0.09 mm/a,2.58~3.58 Ma的沉积速率较高,为0.33 mm/a(见图 4)。根据极性倒转界限之间的年龄线性内插获得该钻孔的时间标尺。

图 4 TZK3孔的深度—年龄关系图 Figure 4 Depth-age relation schema of the TZK3 core
3.2 碎屑锆石U-Pb年龄谱系特征

碎屑锆石U-Pb年龄协和图如图 5所示,90%以上的锆石年龄协和,大部分锆石具有岩浆岩的震荡环带结构(见图 3)。所研究的锆石Th/U<0.1的占4.8%(变质成因),Th/U>0.4的占84.3%(岩浆成因),Th/U介于0.1~0.4之间为10.9%,表明所研究的锆石主要为岩浆成因,少量锆石为变质成因[29]。研究中舍弃了不谐和度大于10%的年龄,每个样品有99个年龄参与了锆石U-Pb年龄谱系图的制作(见图 6)。

图 5 TZK3孔碎屑锆石U-Pb年龄谐和图 Figure 5 Concordia diagram of detrital zircons from the TZK3 Core

图 6 TZK3孔碎屑锆石U-Pb年龄谱系图 Figure 6 Plot of U-Pb age spectra for detrital zircons from the TZK3 Core

对TZK3孔共选取5个碎屑锆石进行U-Pb年龄测定,对应深度分别为4.70 m(现今),138.50 m (1.23 Ma),285.70 m(2.64 Ma),416.30 m(3.04 Ma),635.40 m(3.70 Ma)(见图 2)。

TZK3孔的U-Pb锆石年龄主要分为5组:100~ 300 Ma,400~500 Ma,700~850 Ma,1800~2000 Ma,2400~2600 Ma,其中138.50 m处的锆石含有2850~2900 Ma、2650~2700 Ma、3200~3250 Ma、3400~ 3450 Ma年龄。

635.40 m(3.7 Ma)的锆石年龄谱较为简单,以100~150 Ma的锆石为主,为46.4%,见少量650~850 Ma、1800~2050 Ma、2400~2550 Ma的锆石,分别为14.1%、17.2%、5.05%。

相比635.40 m,416.30 m(3.04 Ma)的锆石年龄谱变得复杂,100~150 Ma的锆石含量降低,为5.05%,但150~450 Ma、750~850 Ma的含量增加,分别为30.3%、23.2%,1800~2050 Ma、2400~2550 Ma的锆石含量变化不大,为12.1%、5.05%。

相比416.30 m,285.70 m(2.64 Ma)的锆石年龄谱中,100~150 Ma的锆石含量略有增加,为9.10%,200~250 Ma、300~350 Ma、400~500 Ma的增加较为显著,分别为17.20%、7.10%、15.16%,750~850 Ma的锆石含量略有减少,为15.15%,1800~2050 Ma、2400~2550 Ma的锆石含量变化不大,为10.10%、3.03%。

相比285.70 m,138.50 m(1.23 Ma)的锆石年龄谱中,100~150 Ma的锆石含量消失,200~250 Ma、250~300 Ma、400~450 Ma为7.07%、5.05%、7.07%,750~850 Ma未为变化,仍为15.15%。1700~2000 Ma、2400~2550 Ma的锆石含量增加,为20.20%、7.07%。零星见2650~ 2700 Ma,2950~3000 Ma,3200~3250 Ma,3400~ 3450 Ma,含量均为1.01%。

相比138.50 m,4.70 m(现代长江流域)的锆石年龄谱中,100~150 Ma的锆石含量增加,为4.04%,200~250 Ma的含量增加,为11.11%、300~550 Ma的含量为15.15%,600~850 Ma的含量增加,为30.3%。1700~2000 Ma和2400~2550 Ma的锆石含量变化不大,分别为6.06%和4.04%。

3.3 物源意义

长江流域太古代年龄(2600~3000 Ma)的基底主要分布在扬子地块北缘的崆岭地区[30]及南秦岭的变质岩[31]、华夏地块的中部[32]、大别—苏鲁高压变质带中[33]。古元古代(1800~2000 Ma)的基底主要分布在秦岭—大别造山带[34]及扬子康滇裂谷带及米仓山地区[35]。晋宁期(650~850 Ma)岩浆岩在长江流域分布广泛,在扬子地块、华夏地块、大别、秦岭构造带均有出露,是现代长江沉积物中最主要的年龄区间[36~37]。加里东期(400~500 Ma)的基底主要分布在华夏板块,高峰期的花岗岩活动年龄为400~430 Ma[38],秦岭构造带也有少量出露[35]。二叠纪(250~300 Ma)的岩体主要分布在峨眉山火成岩省和金沙江缝合带[39],华夏板块也出露二叠纪花岗岩。三叠纪(200~250 Ma)的岩体主要分布在秦岭构造带,松潘-甘孜褶皱带、华夏地块也有少量出露[40]。二叠纪和三叠纪为长江流域主要的年龄峰值,从上游到下游锆石含量逐渐减少[37]。燕山期岩体(100~ 200 Ma)主要出露于长江中下游的火山盆地,包括金牛[41]、怀宁[42]、庐枞[43]、繁昌[44]、宁芜[44]、溧水[45]、溧阳[46]、滁洲[47]。发育大量的粗安岩、辉石闪长玢岩、正长斑岩等中酸性岩浆岩,形成的主要区间为120~140 Ma。TZK3孔中5个碎屑锆石年龄谱均含有100~300 Ma,400~ 500 Ma,700 Ma~850 Ma,1800~2000 Ma,2400~ 2600 Ma,表明TZK3孔的物质来源较为丰富,既包括古老的太古代、古元古代基底,也有印支、加里东及燕山期运动所形成的造山带。

635.40 m(3.7 Ma)的锆石年龄谱简单且100~ 150 Ma的锆石占46.4%,与长江口DY03孔3.2~3.5 Ma的锆石年龄谱的特征一致[19],表明该地区的沉积物以近源为主,主要来自于长江中下游的火山盆地。少量晋宁期、古元古代和太古代年龄的锆石可能来自于大别—苏鲁造山带、扬子地块的沉积再旋回[48]

416.30 m(3.04 Ma)、285.70 m(2.64 Ma)、138.50 m(1.23 Ma)、4.70 m(现代长江流域)的锆石年龄谱相对复杂,100~150 Ma的锆石含量降低。与江汉平原周老孔[14]、湖北宜昌地区[49]、长江口3.2 Ma年以来的锆石年龄谱相似[19],表明沉积物中加入了远源的物质。以晋宁期、古元古代、燕山期的锆石年龄为主。峨眉山大火成岩省喷发时间为251~260 Ma[50],TZK3孔3.04 Ma的锆石年龄谱中开始出现此年龄段的锆石,表明在此时期长江上游的物质就已到达了长江三角洲地区地区,即长江贯通的时限为3.04~3.7 Ma。但是3.04 Ma、2.64 Ma、1.23 Ma及现今251~260 Ma的锆石含量分别为4.04%、0%、1.01%、3.03%,表明峨眉山玄武岩对流域沉积物中的锆石贡献较少,可能是因为玄武岩中的锆石含量较少所致[51]

4 结论

此次研究以TZK3孔的磁性地层学和岩石地层学为基础,结合锆石U-Pb年龄谱系特征,明确了晚上新世以来长江三角洲沉积物的物质来源,并探讨了长江贯通的时限为3.04~3.7 Ma。古地磁研究结果表明,96.70 m、263.30 m、603.75 m分别为B/M界线和M/G界线、晚上新世/早上新世的界线(3.58 Ma)。锆石年龄谱系的数据显示TZK3孔的U-Pb锆石年龄主要分为5组:100~300 Ma,400~500 Ma,700~850 Ma,1800~2000 Ma,2400~2600 Ma。3.7 Ma的锆石年龄谱相对简单,以白垩纪(100~150 Ma)为主,物质主要来自于长江中下游的火山盆地,为近源沉积,少量晋宁期、古元古代和太古代年龄的锆石可能来自于大别—苏鲁造山带、扬子地块的沉积再旋回。TZK3孔3.04 Ma以来,锆石年龄谱变得复杂且主峰相对较多,表明物源区更广且加入了远源的成分。3.04 Ma的锆石年龄谱中开始出现峨眉山玄武岩年龄段(251~260 Ma)的锆石,表明在此时期长江上游的物质就已到达了长江三角洲地区地区,即长江贯通的时限为3.04~3.7 Ma。

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