黄河沉积物物源判识研究进展

栗文佳 陈影影 于世永

摘 要：物源分析在确定沉积物源区、性质及沉积物搬运路径，甚至整个区域的沉积作用和构造演化等方面具有重要意义。系统总结了黄河沉积物在矿物学、地球化学、碎屑锆石U-Pb年龄谱、环境磁学等方面的特征以及运用这些特征对其进行物源判识等的相关研究成果。指出以往的研究多根据现代黄河干流沉积物特征定性或定量地判识黄河沉积物在中国东部陆架海区的扩散与分布规律，但鉴于问题的复杂性难以得到比较理想的物源分析结果，且存在对示踪端元值的时空变化重视不足等问题;与其他世界大河相比，黄河干流沉积物沿程的变化特征、各支流沉积物物源特征及其对干流的贡献等方面的研究开展较少，后续研究应进一步加强流域内的物源反演;此外，从物源示踪视角对黄河演化历史与东西贯通时限问题的研究亟待加强。

关键词：沉积物;矿物学;地球化学;锆石U-Pb年龄;环境磁学;物源判识;黄河

中图分类号：P736.4;TV882.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.003

Abstract：Provenance analysis is of great significance in determining the source area， properties， sediment transport pathways and even the sedimentation and tectonic evolution of the whole region. In this paper， we provided a review of characteristics of the Yellow River sediments by systematically summarized the existing results along the main course and tributary system of the Yellow River. Based on mineralogical， geochemical， detrital zircon U-Pb age populations and environmental magnetic analyses， previous studies have constructed end members that feature the sediment-source discrimination of the Yellow River， which have been applied to trace the transportation and distribution pattern of the Yellow River-sourced sediments in the East China marginal seas. However， due to the complexity of the problem， it is still difficult to obtain ideal results of provenance analysis. Also， the change of end members that feature the sediment-source discrimination of the Yellow River in both space and time should be paid more attention when interpreting borehole data. Compared with other major rivers in the world， little is known about the sediment provenance of the tributary system of the Yellow River and the changes of the sediment end members along the main stream as well， which hinder the source region inversion within the catchment. The follow-up study should further develop the source inversion in the basin. Also， the study on the evolution history and cutting-through time of the Yellow River by using the approach of provenance should be strengthened.

Key words： fluvial sediments; mineralogy; elemental geochemistry; Zircon U-Pb age; environmental magnetism; sediment provenance; Yellow River

河流沉積物指在流水作用下将两岸基岩及其上覆物质剥蚀后搬运、沉积在河床或河道两侧的各种碎屑物质，从物源判识的角度来看，利用不同河流沉积物所特有的端元特征不仅可以揭示入海碎屑物质在陆架区的分布、搬运和扩散模式，而且可以反映流域内不同构造带或支流的物源信息，推测河流演化历史，甚至示踪流域构造演化过程[1]。

黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山脉北麓，自西向东依次流经我国地形的三大阶梯，最终注入西太平洋边缘海，受其流经的黄土高原地区强烈的物理风化作用影响，黄河素有“一碗黄水半碗沙”的特征，因此黄河输沙对中国东部陆架海区沉积作用以及地球化学作用的影响一直是海洋科学研究的焦点问题之一[2-6]。但近年来受水库建设、降水减少以及水土保持等多重因素影响，黄河年输沙量显著减少，在这一背景下，黄河入海物质通量与三角洲蚀积演变特征备受关注[7-8]。同时，了解不同支流泥沙形成过程及其相应单元在干流黄河泥沙组成中的贡献，对确定更为有效的工程治理方案具有重要意义。此外，黄河的形成、演化与流域内构造演化具有紧密联系，对这部分信息的解读是深入了解东亚构造地貌和自然环境变迁等重大地质问题的有效手段之一[9]。有学者利用矿物学、地球化学、碎屑锆石U-Pb年龄谱、环境磁学等手段，建立起一系列黄河入海沉积物端元模型并广泛运用于我国东部海域的物源示踪研究中[10-15]，但相较于世界其他大河，黄河流域内的物源示踪还处于探索阶段[16-18]，尤其是利用钻孔沉积物对黄河演化的探讨还鲜有报道[19]。笔者在综合前人研究成果的基础上，系统总结了黄河入海沉积物以及流域内沉积物物源判识的研究成果，并对未来黄河的物源识别研究方向进行了展望。

1 矿物学特征及其物源示踪意义

1.1 黏土矿物

黄河上游及支流沉积物黏土矿物组合以伊利石为主（41%～70%），其次为绿泥石（8%～38%）、蒙脱石（2%～35%）和高岭石（5%～12%），然而中游沉积物则以蒙脱石为主（44%～87%），伊利石次之（6%～33%），绿泥石（4%～21%）和高岭石（1%～11%）含量较低，这种变化可能与不同支流泥沙的供应和自上游至中游风化程度略有提高有一定关系[20]。虽然控制黄河中上游黏土矿物生成的因素有较大差异，但实际上都主要来自气候相对寒冷干旱和风化较弱的地区，因此主要在温暖潮湿气候下经化学风化形成的高岭石在各河段始终保持较低含量。黄河下游及旧黄河三角洲地区黏土矿物受中上游泥沙影响，表现为“伊利石-蒙皂石-绿泥石-高岭石”的组合，且具有富蒙皂石、少高岭石的特征（见表1）[13，21-22]。除黏土矿物组成外，黄河三角洲沉积物还具有伊利石与蒙脱石比值<6[21]，以及伊利石富钾、蒙皂石富钙的特征[23]。

渤海西部表层沉积物黏土矿物组合特征表明[3]，研究区中东部和南部主要为黄河入海物质分布区。渤海南部富蒙脱石、贫高岭石的特征以及中部低伊利石与蒙脱石比值反映出黄河对渤海的物质贡献[24]。对南黄海而言，西部陆架区黏土矿物组合特征与黄河下游相同[25]，中部泥质区黏土矿物组合特别是富蒙皂石的特征有力证明了该区北半部分沉积物以黄河源为主[26]。东海123°30′E以东外陆架沉积物泥质部分主要属黄河型[13]，东海陆架区表层沉积物黏土矿物的聚类分析结果表明“类黄河”沉积物主要分布在该区域的东北部、东部和南部[27]。此外，Yao等[28]分析了渤海以及南黄海两根长岩芯黏土矿物的变化特征，认为至少在约880 ka前黄河就开始对中国边缘海有持续影响。黏土矿物是沉积物中最易迁移的部分，对识别沉积物搬运路径、反映源区岩石和气候特征等具有良好的指示作用[13，23]。然而，在黏土矿物搬运过程中存在的差异沉降和分选作用以及在沉积埋藏过程中温度、湿度等环境因素的影响都可能使黏土矿物组成产生变化，并且边缘海沉积物中还可能包含海区自生黏土矿物[6]，从而给黏土矿物反映的物源信息的解释工作带来困难。

1.2 碎屑矿物

由于黄河泥沙的90%以上来源于黄土高原，而这些泥沙很好地继承了黄土的特点，因此具有重矿物少，特别是稳定重矿物少而云母多的特点[11]。据统计，黄河沉积物中重矿物平均含量仅为3.7%，且普遍富含云母类矿物[29]。虽然黄河水系河漫滩沉积物的重矿物组合基本相似（见表2），但不同河段、不同支流在含量上仍存在一定差异，重矿物含量上的这种分异可能与沉积物源区的差异关系密切[30]，但有学者认为，这种变化更反映了不同河段季节性水动力变化和碎屑矿物的重力分选作用[17]。

对黄河西宁至滨州段河漫滩及阶地沉积物轻矿物的研究结果显示[29]，黄河沉积物中轻矿物以斜长石为主（53.7%），石英次之（30.6%），方解石占第三位（7.8%）。刘家峡水库之下干支流河漫滩沉积物测定结果显示，石英为黄河沉积物中含量最高（约50.0%）

的轻矿物，长石和岩屑含量都很低[17]。可见，不同研究者对黄河沉积物轻矿物特征的认识具有较大差异，这可能与采样位置、分析样品数目、分析粒径等有一定关系[35]。与长江沉积物相比，黄河沉積物中方解石较为常见且含量较高，因此被认为是黄河沉积物的特征矿物[11，31]。此外，受物源和水动力条件控制，黄河不同干流河段沉积物的轻矿物形成了上游、下游河段成熟度指数高而中游成熟度指数低的特征[17]。综合来看，黄河流域轻矿物的研究相对较少，对其干流和主要支流轻矿物特征方面的研究还有待进一步加强。

黄河入渤海后，一部分沉积物随着海流向东通过渤海海峡南部，在黄海西北部蓬莱—海阳海域沉积下来，为该区较高的片状矿物含量（66.1%）做出了贡献，渤海南部至蓬莱—海阳沿岸的钾长石含量均较低，与黄河沉积物中钾长石含量较低（6.5%）的特征相对应，从而进一步说明黄河物质对这一海域的影响[36]。南渤海—西北黄海海域较高的片状矿物（37.0%）与方解石（9.0%）含量表现出与黄河沉积物特征良好的一致性[31]。在南黄海老黄河口海域，片状矿物的含量也较高（43.0%），但其10.0%的白云石含量与现代黄河约4.0%的含量存在一定差别，这可能与新老黄河沉积物组成的差异有关[31]。此外，南黄海北部泥质沉积区中部B03孔以85 cm处为界，85 cm以上部分沉积物云母类矿物含量明显低于下部的，可能反映了黄河1855年改道事件[37]。碎屑矿物指标在粗颗粒组分中具有很好的示踪作用，尤其是能够较多保留母岩特征的重矿物在物源分析中占有重要地位，但重矿物在风化、搬运、沉积过程中的一系列物理和化学变化都有可能在一定程度上改变源区信息，这就需要结合某些特定重矿物的化学成分进行研究，从而获得更详细的源区岩石组成信息[38]。

2 地球化学特征及其物源示踪意义

2.1 常量元素与微量元素

目前已有不少学者对黄河下游干流河段沉积物元素丰度进行了探索，研究结果表明：与上陆壳元素丰度的标准值相比，黄河沉积物富含Ca、Ce、Cr、Hf、Nd、Zr[20];与长江沉积物相比，黄河沉积物中Ca、Na、Sr、Ba、Th、Ga、Zr、Hf等元素含量较高且变化幅度较小[12，14]。黄河沉积物大多数元素未经成岩改变，基本保留了黄土的地球化学特征，且流域内强烈的物理风化使得碱、碱土金属淋失少，从而使得Ca、Sr、Na相对富集。此外，黄河沉积物中大多数微量元素含量较低，这与黄土地区缺少构造活动和岩浆活动有关[12]。

以高Ca、Na、碳酸盐为特征的黄河源物质主要沉积于南黄海西部、中部和东南部，东部大致以黄海槽或黄海暖流为界，南部大致到达34°N，中部和东南部大致到达33°N，且西部和中北部海区高Sr、Ba的特征也证实了黄河对南黄海的影响[39-40]。东海外陆架济州岛西南泥质区沉积物高Na、Sr、Al、Ca的特征表明了其与黄河沉积物有良好的相关性[41]。一些学者还尝试建立其他指标来判识黄河沉积物扩散范围，如范德江等[21，42]评价了黄河与长江<16 μm沉积物中不同元素或氧化物在物源识别中的作用，选取两类沉积物中含量差异最大的TiO2、CaO、Na2O作为判别端元，进而运用非线性规划数学模型识别出32°N以北、台湾暖流以东的黄海南部、东海北部陆架表层沉积物以黄河源物质为主。钻孔研究表明，以Ca为代表的黄河物质自约6 000 a BP开始在潮余流的搬运作用下沉积于渤海西南部与中部[43]，在中更新世中晚期已开始对南黄海陆架沉积作用有明显影响[44]。渤海B83及A178钻孔中Ni、Zn、Sr、Ba、Zr元素含量在上下两段的差异揭示了1855年黄河改道后渤海沉积环境的变化[45]。

虽然黄河沉积物地球化学特征主要受制于区域性地质与气候条件，但人为污染、海洋等外来物质的影响也不能忽视。杨守业等[46]提出在探索长江与黄河物质在我国东部陆架区供应、混合及扩散等问题时，应选用两者间丰度差异大，且表生地球化学环境中较稳定的Cu、Zn、Se、Fe、V、Ni、Cr、Mn、Li、Zr、Hf、Al等元素。另外，受母岩和差异风化作用影响，黄河支流与干流间常微量元素必然存在一定差异。例如，由于湟水谷地两侧的成土母质主要为第三纪红土和第四纪黄土，因此湟水沉积物具有富集Si、Al、Ca和Fe，而贫K、Na、Mg、Ti和Mn的特点[47]，这显然与学者们对黄河下游干流河段元素丰度的认识有所不同[12，14]，但目前尚未有利用这种差异示踪黄河不同支流沉积物的报道。

2.2 稀土元素

黄河河口利津水文站沉积物中稀土元素（REE）含量为121.22～135.56 μg/g，REE含量随粒度由细变粗呈倒S形分布，在<2 μm和16～32 μm粒级的沉积物中REE含量较高[48];各粒级黄河沉积物的REE球粒陨石标准化配分模式呈平缓的右倾型，即轻稀土（LREE）富集而重稀土（HREE）相对亏损，且铕（Eu）具有中等亏损[49-50]。黄河沉积物的REE含量一般低于源岩状况复杂的长江沉积物的，在8～16 μm和2～4 μm两个粒级组分中长江与黄河REE值、LREE/HREE和标准化后稀土元素镧和镱含量的比值（（La/Yb）N）等特征参数差异明显，可以作为区分长江与黄河入海沉积物的有效指标[48]。对黄河不同支流而言，REE球粒陨石标准化配分模式受其母岩差异的影响而具有一定变化。例如，来自鄂尔多斯高原的十大孔兑标准化后稀土元素镧和钐含量的比值（（La/Sm）N）为4.2～5.2，而自黄土高原而来的清水河则为3.1[20]，但值得注意的是，这些支流沉积物均显示LREE富集和Eu负异常，与干流沉积物具有一致性。

渤海西部沉积物REE参数特征值离散图和Q型聚类分析结果表明[2]，研究区南部、东南部沉积物主要来源于黄河物质输入。山东半岛东北部滨浅海区表层样品REE球粒陨石标准化和上陆壳标准化配分模式与黄河沉积物的非常接近[51];南部滨浅海区QDZ03钻孔的稀土元素地球化学分析结果显示[52]，黄河源物质在晚更新世以后对这一区域影响较大，尤其是近2 000 a以来，在鲁北沿岸流作用下黄河物质向东输送越过渤海海峡南部后沉积，使得该区域这一时期沉积物与黄河沉积物接近程度最高。利用基于REE参数的判别函数对南黄海表层沉积物进行物源判识[53]，结果显示黄河物质对南黄海西北部、中部和东南部有一定影响但未能搬运至东部泥质区。南黄海中部泥质区NT1钻孔7.70～16.60 m和40.00～50.70 m的沉积物REE具有类似黄河的特征，反映了晚更新世晚期早玉木冰期和晚玉木冰期低海平面阶段黄河外流对这一区域的影响[54]。沉积物在风化及沉积过程中仍然保留了母质的地球化学属性，尤其是REE在表生环境中非常稳定，且沉积物中REE组成及分布模式主要取决于源岩，受风化剥蚀、搬运、沉积等作用影响小[15，46]，从而被广泛用来识别物质来源。然而，这一指标的粒度控制效应显著[22]，因此在进行示踪时有必要对不同粒级的沉积物区别对待。

2.3 锶、钕同位素

以Sr、Nd同位素为代表的同位素体系具有源区示踪的鲜明特征。黄河流域87Sr/86Sr值具有干流南侧略低于北侧、中上游低于下游的空间格局[55]。在对黄河沿程细粒沉积物Sr同位素研究的基础上，孟宪伟等[55]利用利津站悬浮物的87Sr/86Sr测定值（0.719 269），确定了黄河源入海沉积物的端元值。Youn等[56-57]测定了长江水下三角洲和山东半岛楔形泥质沉积体87Sr/86Sr值（分别为0.716 2～0.718 0和0.721 6～0.724 9），并将这一数值作为判识长江、黄河物质的端元值，对东海西北大陆架泥质沉积区的物质来源进行了识别。黄河下游沉积物143Nd/144Nd为0.512 001～0.512 102，均值为0.512 042，这虽与长江大通以下沉积物相差不大，但与朝鲜半岛河流沉积物存在很大差异[58]，因此对示踪我国东部海域沉积物具有重要意义。已有研究表明[59]，143Nd/144Nd基本不受粒度和化学风化的影响，仅与母岩同位素特征相关，但87Sr/86Sr除与同母岩同位素特征相关外，还与流域地质背景、沉积物粒度和化学风化强度存在一定关系。因此，在利用Sr、Nd同位素对我国东部陆架海区进行示踪时应注意选用适当的指标或对两者同时进行研究，从而获得更可靠的示踪结果。

3 碎屑锆石U-Pb年龄谱特征及其物源示踪意义

近年来，新的技术手段迅速发展，单颗粒碎屑矿物同位素定年在黄河流域现代沉积物物源的探讨中发挥了重要作用，尤其是利用碎屑锆石U-Pb年龄判断不同河段的物质来源已经取得了许多重要进展。黄河源区沉积物碎屑锆石U-Pb年龄主要峰值为2 517、1 882、753、458、282、212 Ma，与华北块体、东昆仑造山带、柴达木块体、祁连造山带和秦岭造山带的锆石U-Pb年龄具有较好的一致性[60]。黄河中游及下游样品3个主要年龄组为2.1～2.5、1.6～2.0 Ga和150～500 Ma，对应物源区可能为秦岭—大别—苏鲁造山带、东昆仑造山带、柴达木板块北缘、华北板块以及扬子板块[18，61]。黃河河口流沙碎屑锆石U-Pb年龄以约2.5 Ga、约1.8 Ga和400 Ma为峰期，前两个峰期主要反映华北板块物质的贡献，而400 Ma的峰期则代表源于苏鲁造山带的物质[62]。Nie等[16]对黄河干流22个点位沉积物锆石U-Pb年龄进行了探讨，发现黄河上游沉积物样品与毛乌素沙地西部地区样品和第四纪黄土高原样品特征类似，而中游沉积物样品与华北板块白垩纪砂岩和毛乌素沙地东部地区样品特征类似，下游因受到秦岭物质加入的影响而表现出与上游相似的年龄特征。相较于黄河干流，支流泾河、洛河碎屑锆石U-Pb年龄分布区间较小，主要集中在早古生代（520～400 Ma）[5，18]。渭河沉积物主要呈现的5组年龄区间较好对应了北秦岭造山带5次大规模岩浆活动。另外，渭河汇入黄河后，黄河沉积物碎屑锆石U-Pb年龄组成产生了明显变化，表明渭河对黄河泥沙含量的贡献较大，与多年水文观测资料分析结果一致[63]。

锆石广泛存在于各种岩石中，具有受后期构造-热事件影响较小、抗风化能力强、受沉积分选过程和成岩作用影响小等特点，锆石年龄可以精确地反映沉积物形成过程中多期不同地质事件的发生年龄，碎屑锆石年龄谱系特征亦可直接反映沉积物源区岩石的年龄组成[18]。因此，單颗粒碎屑矿物的特征可以较精细地示踪流域内各个构造带的源岩，适合于研究流域内构造活动、水系演化历史等[1]。

4 环境磁学特征及其物源示踪意义

兴起于20世纪70年代的环境磁学近年来被引入物源判别领域，成为物源判别的又一手段。我国学者对黄河沉积物的磁性特点进行了一系列研究，并与长江沉积物进行了对比（见表3）。单位质量磁化率（χ）、饱和等温剩磁（SIRM）、软剩磁（SOFT）、非滞后剩磁（χARM）等参数表明，黄河口沉积物中磁性主要受亚铁磁性物质控制，但其亚铁磁性物质的含量低于长江口沉积物的;黄河口沉积物在300 mT磁场中磁化后所携带剩磁与饱和等温剩磁的比值（F300）及在100 mT反向磁场内饱和等温剩磁的矫顽参数（S-100）显著低于长江口沉积物的，表明黄河沉积物中不完整反铁磁性物质对沉积物磁性的贡献高于长江沉积物的[10，64-65]。此外，学者们考虑了粒度效应等的影响，例如：黄河口>0.063 mm沉积物单位质量磁化率与全样磁化率平均值的差别远大于长江口沉积物的，可达34%[64];Zhang等[10]在两条河流沉积物的SIRM—S-100图中发现，SIRM在4～8 μm和8～16 μm，以及S-100在<8 μm的粒级上存在显著差异;Wang等[66]认为，32～64 μm和64～125 μm的S-100和S-300是鉴别两者物源的敏感区间。

对我国三大海域单位质量磁化率研究结果显示[67]，磁化率在黄河口及山东半岛沿岸出现高值区，且山东半岛沿岸磁化率等高线存在多个向外的舌形突起，显然与黄河及周边山东半岛河流物质的输入相关。东海陆架表层沉积物的SIRM—S-100散点图显示[68]，研究区东北部受黄海沿岸流搬运来的黄河物质影响，磁学性质呈现出黄河物质特征。东海北部海域沉积物磁性特征的模糊c均值聚类分析评价结果表明[4]，研究区中西部地区的高HIRM值指示了其沉积物主要来自于旧黄河。沉积物的磁学指标可间接反映源区母岩的岩性差异、侵蚀速率以及堆积区沉积物的地球化学特性和有机质的保存等信息，但其也受控于沉积物中磁性矿物含量和粒度效应等，此外，复杂的海洋动力条件和磁性细菌等都可能改变沉积物的磁学性质，使其在示踪沉积物物源时有一定限制[6，22]。

5 结语与展望

物源分析在确定沉积物源区、性质及沉积物搬运路径，甚至整个区域的沉积作用和构造演化等方面具有重要意义。从已公开发表的文献来看，黄河物源的研究手段愈来愈多样，矿物学、地球化学、碎屑锆石U-Pb年龄谱、环境磁学等多种方法均被引入物源判识领域，学者们甚至多手段结合进行物源判识，以期获得更加准确的判识结果;为消除粒度对沉积物特征的影响，分粒级处理的方法已被广泛运用，物源研究的可靠程度大大提高。然而，虽然已有大量研究利用黄河沉积物特征建立了一系列物源端元模型，并应用于我国东部海域沉积物示踪研究，但鉴于问题的复杂性难以得到比较理想的物源分析结果，尤其是对受多源影响的混合区进行研究时，存在研究结果不一致的情况。此外，学者们在对中国边缘海沉积物来源判识时，通常将现代黄河沉积物特征作为端元，但废黄河沉积特征在受到淮河及其支流的改造后必然与现代黄河沉积物特征存在差异[22]，且在长时间尺度上，气候变迁以及成岩作用等因素均会在一定程度上改变黄河沉积物的特性，从而影响钻孔样品物源判识结果的准确性，所以对黄河物源示踪端元值在时空上的变化进行评估，将废黄河沉积物作为独立物源，并对不同时期黄河入海沉积物特征进行研究是十分必要的。

尽管黄河干流沉积物物源识别研究已经取得了一定成果，但不同支流沉积物物源特征、各支流沉积物输出对干流的贡献及干流沉积物沿程变化方面的研究还很少，限制了流域内精细源区反演的开展。黄河作为世界上含沙量最大的河流，了解流域各支流沉积物物源特征有助于反演各个支流泥沙的形成过程及其对干流河段的贡献，这对采取更为有效的水土保持措施具有重要意义。

黄河的形成时代问题一直是困扰学术界的关键科学问题之一，各领域学者围绕该问题从地貌学、地质学等不同角度开展了大量研究，取得了许多重要的研究成果，但仍存在不少争议。相较于已经利用多个钻孔从物源示踪视角对长江贯通年代进行的研究，黄河流域仅杨守业等[19]利用石化2井钻孔的元素地球化学特征，推测大致在早更新世时黄河贯通并流进华北平原的现代黄河三角洲地区。长江与黄河均为流域面积广阔、地质构造复杂的世界性大河，要正确认识黄河的发育历史，就有必要对其贯通年代及演变过程进一步深入探讨，综合运用多种物源分析方法在沉积较连续、沉积序列保存较完整的地区寻找环境演化研究的理想钻孔材料，开展钻孔地层的研究，探讨黄河流域演化历史。

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【责任编辑 吕艳梅】