馬藝萍，王榮華，戴霜，馬曉軍

1.蘭州大學地質科學與礦產資源學院，蘭州 730000

2.甘肅省西部礦產資源重點實驗室，蘭州 730024

0 引言

物源分析是進行盆山耦合分析、古地理重建及構造背景追溯的必要內容[1￣9]。在河流沉積物物源分析中，傳統(tǒng)巖石礦物學方法包括礫石成分分析、古水流統(tǒng)計、砂粒成分分析、重（輕）礦物分析、黏土礦物分析等[10￣14]。近年來隨著新技術和新方法不斷涌現，地質年代學、地球化學、地球物理學等不同方法也被有效地引入到物源分析中來并取得一定成效[15￣17]，特別是單礦物顆粒（鋯石）測年技術的發(fā)展，碎屑鋯石年齡譜在物源分析中得到了極大的應用[3,5￣6,18]。與此同時，現代河流沉積物的物源分析正演研究也引起了重視[19￣20]。

當前物源分析研究通常采用幾種方法相結合來獲取較好效果，例如采用礫石成分統(tǒng)計結合重礦物分析，或碎屑鋯石年齡譜等不同方法。鋯石U-Pb年代學因測試流程標準、速度快而成為一種備受青睞的物源分析方法[2￣4,21]，但碎屑鋯石U-Pb測年存在一定局限性，如采樣位置影響樣品能否全面反映物源區(qū)情況、部分碎屑鋯石在地質演化中存在不同程度的Pb丟失以及再循環(huán)鋯石的影響等，都會成為解釋物源的挑戰(zhàn)[22]。另外碎屑鋯石測年費用高昂，除年代之外還有大量碎屑鋯石CL圖像、元素含量等數據也沒有得到有效地利用。重礦物則由于其中不穩(wěn)定礦物極易受到成巖作用的影響，相應的物源分析也存在一定的局限性。

另外，大部分物源分析工作都是針對不同地質年代沉積物物源的反演，其結果存在一定的不確定性，使得物源定量分析難以取得突破。相反地，在已知源區(qū)母巖特征、河流過程、環(huán)境特征的情況下，對現代河流中的沉積物做物源的正演分析，是研究沉積物如何從“源”到“匯”的重要途徑[23￣26]，也是研究礦物產出能力、河流搬運分選、環(huán)境氣候變化等各種因素如何影響源區(qū)母巖貢獻的必要途徑[21,27￣30]。

北祁連造山帶是現代河西走廊重要的碎屑物質供給區(qū)，其地層巖性、巖漿活動和地質構造及演化過程都得到了較為詳細的研究，并積累了比較豐富的巖體和地層的鋯石年代數據，為開展北大河沉積物物源分析正演研究提供了良好的基礎。本文選取源于北祁連造山帶的北大河沉積物作為研究對象，通過分析河流沉積物中的礫石成分、河砂重礦物組合和河砂碎屑鋯石年齡譜的特征，同時與河流流經地層、巖體的巖性及年代特征進行對比，進而討論從“源”到“匯”的物質變化，探討這三種物源分析方法對源區(qū)指示的有效性，對認識河流發(fā)育、盆地充填和山體剝蝕過程，檢驗現有物源分析方法的有效性具有重要意義。

1 地質概況

祁連山位于青藏高原東北緣，是中央造山帶主要的山系之一[31]。其北端以龍首山大斷裂為界與阿拉善地塊相鄰，西端以阿爾金斷裂為界與敦煌地塊相隔，南端以臨夏、青海湖南山為界與西秦嶺地塊相接。祁連造山帶整體上呈北西西向分布，由北至南可進一步劃分為三個構造單元：北祁連造山帶、中祁連隆起帶和南祁連造山帶[32￣34]。北祁連的河流、盆地廣布，形成了物源輸送的源—匯系統(tǒng)，是研究北祁連物源貢獻的重要場所[35￣37]。

北大河位于北祁連北段（圖1a，b），是河西走廊黑河水系的最大支流，上游又稱托來河，發(fā)源于托勒山、托勒南山并與西部河流匯聚[33]，進入盆地后流經嘉峪關市、酒泉市金塔縣鴛鴦水庫，最后匯入黑河水系，全長360余千米。洪水壩河是北大河主要的支流之一，洪水壩河上游源于祁連山主峰南側、走廊南山分水嶺，向北流入酒西盆地，下游匯入北大河[39]，全長140余千米（圖1b），在本文中將其劃入北大河流域。流域內河流沉積物除在央隆盆地內發(fā)育有較大范圍的河漫灘相、沼澤相沉積之外，其他位置多為辮狀河流相沉積。北大河與洪水壩河在出山口都形成了面積較大的沖積扇，主要為分選較差的礫石夾雜少量粗砂組成。北大河與洪水壩河匯合流入鴛鴦水庫之后，徑流主要由水渠排放，地表仍可見多條成扇形排列的干涸河道，河道內沉積物主要為粗砂—中砂，靠近上游部位夾雜少量礫石，最大直徑為2~3 cm。在最下游部位是尾閭湖北海子，湖濱岸沉積物野外觀測以細砂和粉砂為主。

北大河與洪水壩河上游主要流經前寒武基底、寒武系、石炭系、三疊系、第四系以及加里東中晚期侵入巖體（圖1c）。中游流經多個地層和兩個大的斷裂帶，主要出露前寒武基底、寒武系、奧陶系、志留系、三疊系以及白堊系，斷裂帶由南至北分別為昌馬斷裂和佛洞廟—紅崖子斷裂。下游主要流經第四系，在鴛鴦水庫出露部分前寒武基底、侏羅系、白堊系以及華力西中期侵入巖體。流域內發(fā)育新元古代至早古生代蛇綠巖套，高壓變質帶，加里東期和華力西期侵入巖，志留紀復理石建造，泥盆紀磨拉石建造以及石炭紀—三疊紀蓋層[40￣43]。從流域出露地層面積來看，前寒武基底、奧陶系以及第四系所占面積較大，志留系—二疊系、侏羅系—新近系等出露面積較小，不同期次的侵入巖在流域內零星分布。

圖1 北祁連區(qū)域地形（a）、主要水系（b）及北大河流域地質圖（c）QL1、QL2、BS2、BS3引自Wang et al.[36]；DC2￣1、ZY1￣1引自Gong et al.[38]Fig.1 Topographic map of the North Qilian region (a); main water system (b);and geological map of the Beida River drainage area (c)QL1, QL2, BS2, and BS3 cited from Wang et al.[36]; DC2￣1 and ZY1￣1 cited from Gong et al.[38]

根據甘肅省地質局地質圖（酒泉幅、玉門市幅、肅南幅、硫磺山幅、祁連山幅）以及甘肅省區(qū)域地質志[44]，北大河與洪水壩河流域內出露的地層巖性分述如下。前寒武基底主要為元古界下巖組混合巖化片麻巖、片麻巖、片巖、白云巖、大理巖，上巖組片巖、石英巖、大理巖夾磁鐵礦透鏡體。朱龍關群褐色及灰綠色基性熔巖及凝灰?guī)r、褐及灰綠色基性熔巖及凝灰?guī)r，鏡鐵山群灰?guī)r、紫紅色砂巖/泥巖、石英砂巖、基性火山巖透鏡體及鐵礦層。大柳溝群灰?guī)r、白云巖、含鐵質石英砂巖、紫紅色含礫石英砂巖與灰?guī)r互層，以及白楊溝群雜色板巖、泥質灰?guī)r、角礫巖、透鏡狀貧鐵礦、紫紅色石英砂巖及含礫石英砂巖等。

流域內古生界主要出露有奧陶系陰溝群中酸性/基性火山巖、硅質巖、粉砂質板巖，妖魔山群灰黑色粉砂泥質板巖、砂巖夾中基性火山巖、灰?guī)r透鏡體，南石門子群灰綠色中性火山巖夾中基性、酸性火山巖及灰?guī)r、板巖夾硅質巖。志留系下統(tǒng)深灰色粉砂泥質板巖與粉、細砂巖互層夾礫巖，泉腦溝山群灰綠色鈣泥質粉砂巖、粉砂泥質板巖與灰?guī)r互層、長石質硬砂巖、變質礫巖及泥質灰?guī)r透鏡體，旱峽群紫紅—暗紫色長石質硬砂巖、鈣泥質粉砂巖互層。泥盆系沙流水群紫紅色含礫長石砂巖與粗巨礫巖互層、夾灰綠色砂巖。石炭系臭牛溝組深灰色灰?guī)r、石英粉細砂巖夾薄煤層、紫紅色砂巖、石英礫巖，羊虎溝群灰黑色含礫砂巖、灰?guī)r及黑色砂質頁巖夾煤線，太原群灰、深灰色砂巖、灰?guī)r、黑色炭質頁巖夾煤層。二疊系大黃溝群灰、灰綠色砂巖、粉砂巖夾炭質粉砂巖，巴音河群紫紅、黃綠色砂巖、泥質粉砂巖夾泥灰?guī)r，窯溝群紫紅色為主砂巖、含礫砂巖夾砂質頁巖，諾音河群紫紅、灰黃色砂巖夾灰綠色細砂巖。

中生界主要出露三疊系中下統(tǒng)灰紫、紫紅色含礫砂巖、細砂巖、泥質粉砂巖互層，哈倫烏蘇群紫紅、灰綠色含礫砂巖、灰綠色含礫砂巖、砂巖夾炭質粉砂巖、酸性火山巖。侏羅系龍鳳山群灰黑色粉砂質頁巖、炭質頁巖與砂巖、含礫砂巖互層、夾煤層，上統(tǒng)灰綠色鈣質泥巖、灰黑色頁巖與泥灰?guī)r、粉砂巖、砂巖互層。白堊系新民堡群磚紅、鮮紅色礫巖、石膏、淺棕色礫巖、砂巖、泥質粉砂巖互層。

新生界主要出露新近系疏勒河組桔黃色砂巖、礫巖夾泥巖，第四系砂、砂礫石、泥礫、黏質砂土、礫巖、粒雪及冰。

2 樣品采集及分析方法

2.1 樣品采集

本文在北祁連山北大河下游采集了四個現代河砂樣品進行碎屑鋯石U-Pb測年及重礦物分析。其中北大河水系兩個河砂樣品經緯度為：BDH-2（98°31′4.23″ E，39°45′52.13″ N），BDH-11S（98°41′58.81″ E，40°15′31.53″ N），洪水壩河水系兩個河砂樣品點經緯度為：HSB-2S（98°23′9.46″ E，39°30′24.98″ N），LSH-1（98°47′59.53″ E，39°48′34″ N）。礫石統(tǒng)計樣品共五個，除BDH-2、HSB-2S、LSH-1外，還選取了北大河和洪水壩河中上游的兩個樣品，分別為BDHS-1（98°1′52″ E，39°11′1.53″ N）以及HSB-0（98° 27′30.17″ E，39° 3′45.02″ N）。樣品地理位置分布見圖1。

礫石統(tǒng)計點HSB-2S、BDH-2、LSH-1位于出山口以下，沉積物均以礫石為主，三個點位同時還采集了粗砂組分。BDH-11S則為中砂—細砂，采集于下游靠近尾閭湖北海子的一條干涸河道（圖1c）。

2.2 礫石統(tǒng)計

樣品的礫石統(tǒng)計為礫石巖性種類統(tǒng)計。在BDHS-1、BDH-2、HSB-0、HSB-2S和LSH-1五個樣品點的位置劃分出約2 m×2 m范圍進行礫石統(tǒng)計，所選范圍需要囊括周圍礫石的巖性，相對于整體而言具有代表性。每個樣品點的礫石統(tǒng)計量數為100~350個。

2.3 重礦物分析

河砂樣品（BDH-2、BDH-11S、HSB-2S、LSH-1）重礦物挑選工作在廊坊巖拓地質服務有限公司進行，樣品處理步驟為：首先對樣品進行篩析，接著用過氧化氫和稀鹽酸處理，再水洗、烘干，后用三溴甲烷對輕重礦物分離富集，最后在巖相偏光顯微鏡下人工提取重礦物進行鑒定。重礦物含量測定采用重量統(tǒng)計的方法[45￣47]，為保證準確性每個樣品中重礦物的總重量在1 g以上。

2.4 鋯石分選及測年

河砂碎屑鋯石樣品（BDH-2、BDH-11S、HSB-2S、LSH-1）在武漢上譜分析科技有限責任公司挑選制靶，制靶過程和分析條件依據標準程序[48]。在每個樣品中，隨機挑選約300粒的碎屑鋯石固定制靶，拋光晶體1/2后進行拍照和打點測試。鋯石U-Pb年齡測定使用LA-ICP-MS進行分析，激光束斑直徑32 μm，激光脈沖8 Hz，剝蝕物質的載氣采用氦氣（He）。所得數據依據諧和度大于90%且小于110%的標準篩選出有效年齡，對于鋯石年齡小于1 000 Ma的數據采用206Pb /238U年齡，鋯石年齡大于1 000 Ma的數據采用207Pb /206U年齡，并用ICPMSDataCal程序進行分析和普通鉛校正處理，鋯石年齡譜及諧和圖用Isoplot繪制。

3 測試結果

3.1 礫石統(tǒng)計特征

礫石成分統(tǒng)計結果顯示，巖性為片麻巖、各色砂巖、灰?guī)r、石英、基性巖、硅質巖等，不同位置礫石成分差異較大。河流中上游北祁連造山帶內統(tǒng)計點為BDHS-1和HSB-0灰?guī)r礫石較多，片麻巖成分礫石占比較少。而河流下游酒泉盆地內統(tǒng)計點位中灰?guī)r成分礫石明顯減少，片麻巖礫石則增多。各色砂巖成分的礫石在五個統(tǒng)計點位均有一定數量，當某一種顏色的砂巖比較顯著時，會單獨統(tǒng)計，如紫紅色砂巖/泥巖、黑色砂巖、黃色砂巖。其中紫紅色砂巖/泥巖在洪水壩河流的三個統(tǒng)計點位中均占比顯著，位于前三，具體的巖性組合如圖2所示。

圖2 北大河礫石巖性統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical diagram of gravel properties in the Beida River

3.2 重礦物組合特征

重礦物是指比重大于2.68，化學性質穩(wěn)定，不易風化的一類礦物[49￣50]。根據其抗風化能力與化學性質的差異，又可進一步劃分為極穩(wěn)定重礦物、穩(wěn)定重礦物、較穩(wěn)定重礦物和不穩(wěn)定重礦物[51]。雖然它們通常顆粒較細，含量不足1%，但能夠貫穿于整個物源輸送的源—匯系統(tǒng)，伴隨碎屑沉積物的產生、搬運、沉積。重礦物特征是進行物源分析的重要手段[52]，利用重礦物數據可以計算鋯石—電氣石—金紅石指數（ZTR指數）即鋯石（Z）、電氣石（T）、金紅石（R）含量占透明礦物總含量的百分比，常用來推導物源區(qū)的距離及方向[53]。

研究區(qū)域河砂重礦物分析共識別出21種重礦物，其中常見17種，按穩(wěn)定程度分類如表1所示，偶爾也出現透閃石、藍晶石、獨居石和孔雀石。我們計算了各樣品點的ZTR指數并繪制重礦物豐度對比圖（圖3），以確定各點的重礦物組合特征。

圖3 北大河重礦物豐度對比與ZTR指數變化Fig.3 Comparison of heavy mineral abundance and the ZTR index variation of the Beida River sediments

表1 北大河流域沉積物常見重礦物穩(wěn)定性分類(分類據付玲等[51])Table 1 Stability classification of common heavy minerals in the Beida River sediments（classification according to Fu et al.[51]）

樣品中綠簾石、石榴子石、鈦鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦等重礦物的比重大，輝石、角閃石在不同樣品中變化較大，一些樣品中還出現磷灰石、金紅石、銳鈦礦、白鈦石、黃鐵礦、榍石、重晶石、電氣石、鉻鐵礦等重礦物。各樣品點的重礦物中鐵礦占比很大，BDH-2、HSB-2S以及LSH-1中的鈦鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦占比超過一半，部分樣品中還出現少量鉻鐵礦、黃鐵礦。除鐵礦外，石榴子石和綠簾石占比也較大，角閃石、輝石常相伴出現?？傮w上看，穩(wěn)定重礦物占絕大多數，不穩(wěn)定重礦物角閃石、輝石、重晶石、黃鐵礦的總占比只有3%~18%。

3.3 碎屑鋯石U?Pb年齡特征

根據Th/U比值大于0.4的為巖漿鋯石，小于0.1的為變質鋯石并結合鋯石CL圖像對碎屑鋯石成因進行判別[54]?？傮w上看樣品中巖漿鋯石占主體，只有少量的變質鋯石，未見熱液鋯石。大多數巖漿鋯石顆粒具有明顯的振蕩環(huán)帶，結構完整[55]（圖4a）。變質鋯石數量很少，陰極發(fā)光不明顯，無明顯振蕩環(huán)帶，部分呈圓卵狀[56]（圖4b）。還有部分變質鋯石內部是巖漿鋯石，外部具有一層變質增生邊[57]，增生邊厚度從幾微米到幾十微米不等，或由于變質作用不完全，變質增生邊僅生長于鋯石外圈，鋯石內部還保留了原來的巖漿鋯石性質（圖4c）。

圖4 北大河部分碎屑鋯石CL圖像Fig.4 Cathodoluminescence (CL) images of detrital zircons from Beida River sediments

為保證測年數據的準確性，我們在BDH-2、BDH-11S、HSB-2S、LSH-1四個樣品中共挑選1 181顆碎屑鋯石，每個樣品測定大于等于150個顆粒，選取諧和度在90%和110%之間的測試結果，共獲得定年數據597個（圖5a）。在碎屑鋯石U-Pb同位素年齡分布直方圖（圖5b）中，樣品的峰值集中出現在5個范圍內，分 別 為2 600~2 400 Ma、2 000~1 300 Ma、1 000~700 Ma、550~380 Ma及350~200 Ma。

四個樣品中鋯石Th/U比值集中范圍為0.17~1.4（圖5c），其中BDH-2（0.28~1.29），BDH-11S（0.17~1.32），HSB-2S（0.21~1.11），LSH-1（0.25~1.4）。BDH-11S和LSH-1鋯石Th/U比值變化范圍最大，極少數碎屑鋯石的Th/U比值小于0.1，巖漿鋯石的數量遠大于變質鋯石。

圖5 北大河碎屑鋯石U￣Pb年齡協(xié)和圖(a)、年齡分布直方圖(b)及Th/U比值圖(c)Fig.5 U￣Pb age concordance diagram (a), age distribution histogram (b), and Th/U ratio diagram (c) of detrital zircons from Beida River sediments

總體上看，四個樣品的鋯石年齡范圍在3 312~219 Ma內，在2 600~2 400 Ma階段形成的鋯石共有20顆，在2 000~1 300 Ma階段形成的鋯石共有159顆，在1 000~700 Ma階段形成的鋯石共有93顆，在550~380 Ma階段形成的鋯石共有142顆，在350~200 Ma階段形成的鋯石共有130顆，五個年齡峰鋯石分別占比為3.35%、26.63%、15.58%、23.79%、21.78%。研究區(qū)域內現代河砂中，元古代鋯石（49.25%）和古生代鋯石（42.04%）占絕大多數，形成于太古代（4.36%）和中生代（4.36%）的鋯石較少。

4 討論

4.1 礫石成分對應物源

礫石統(tǒng)計數據顯示，北大河中上游點位BDHS-1中出現大量硅質巖、灰?guī)r和各色砂巖礫石，下游BDH-2中出現石英、片麻巖和基性巖等礫石，根據其周圍地層巖性考慮硅質巖、灰?guī)r、石英和基性巖礫石來自周邊的前寒武基底、志留系和奧陶系，片麻巖來自前寒武基底，各色砂巖則來自多個地層砂巖的混合。洪水壩河上游HSB-0出現大量灰?guī)r、基性巖和紫紅色砂巖/泥巖礫石，下游HSB-2S中灰?guī)r礫石成分顯著減少，其后流經的前寒武基底以及祁連山山前奧陶系、志留系、三疊系、新近系為HSB-2S貢獻了大量各色砂巖、片麻巖和紫紅色砂巖/泥巖礫石。LSH-1除了出現大量片麻巖和紫紅色砂巖/泥巖礫石外，黃色砂巖礫石的比例顯著上升，可能來自河流對周邊第四系的侵蝕。

將兩條河流對比發(fā)現，洪水壩河的三個樣品中紫紅色砂巖/泥巖占比都位于前三，而紫紅色砂巖/泥巖主要出現在前寒武基底、泥盆系、三疊系和侏羅系中。結合圖1c分析，洪水壩河流經這四個地層且面積較大，北大河只流經前寒武基底、三疊系且面積較小，這可能是造成兩條河流中礫石出現差異性的原因。將河流分區(qū)對比發(fā)現，在北祁連造山帶內的BDHS-1和HSB-0中出現大量灰?guī)r礫石，片麻巖礫石較少，河流流入酒泉盆地后的樣品中片麻巖礫石顯著增加。結合流域地層出露情況（圖1c），上游的BDHS-1和HSB-0樣品點周圍大量出露新元古界和白堊系，灰?guī)r大量出現可能與此有關，而下游流經了大面積的古元古界，這可能是片麻巖礫石變多的原因。在BDH-2以及HSB-0中還出現基性巖礫石，昌馬斷裂大致位于奧陶系內，奧陶系主要貢獻基性巖礫石，因此考慮斷裂帶會加大礫石的貢獻。從礫石分析結果看，源區(qū)基巖和沉積巖對礫石的貢獻比零星出露的巖體大，不同樣品點的礫石種類與其上游區(qū)域內地層的巖性種類和出露面積相關。

4.2 重礦物物源

不同的碎屑重礦物組合反映不同的母巖類型[58]。北祁連造山帶發(fā)育明顯的鐵礦層，北大河群分布條帶狀磁鐵礦，朱龍關群賦存有朱龍關式、龍孔式或沙龍式鐵礦，鏡鐵山群下巖組夾有鏡鐵礦、菱鐵礦層，火山巖成分顯示龍首山群和北大河群的變基性火山巖類具有鐵質拉斑玄武巖特征[59￣62]。北大河及其支流與上述地層廣泛接觸，且流經鏡鐵山礦區(qū)時大量含礦巖體與圍巖遭受剝蝕，這可能是本區(qū)域河砂重礦物中鈦鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦等鐵磁性重礦物廣泛分布的原因。除上述鐵礦之外，重礦物中比例最高的為綠簾石、石榴子石。根據地質圖與相關文獻資料[46,63￣67]，石榴子石廣泛存在于前震旦系下巖組片巖、上巖組片巖和加里東晚期橄欖巖中，綠簾石則主要存在于前震旦系下巖組片巖和上巖組片巖中，這些地層的出露面積較大，因此也對重礦物有較多貢獻。輝石可能來自加里東/華力西期花崗巖、加里東晚期輝長巖/橄欖巖及朱龍關群拉斑玄武巖。角閃石可能來自前寒武基底、加里東/華力西期花崗巖、加里東晚期輝長巖/橄欖巖及華力西中期花崗閃長巖，由于其具解理、不穩(wěn)定的特性[68￣69]，故在不同樣品中顯示出較大差異。北大河與洪水壩河不同位置樣品中重礦物組合特征基本不變，ZTR指數在兩條河流匯聚之后顯著升高（圖3），這一規(guī)律說明ZTR指數能在一定范圍內有效指示搬運距離的遠近。

將北大河與鄰近的黑河對比發(fā)現，兩條河流的重礦物組合相似，占比卻存在較大差異。北大河和黑河重礦物中赤褐鐵礦占比很大，磷灰石、金紅石、榍石、輝石等占比小，部分黑河河砂重礦物中角閃石（18%~50%）占比遠高于北大河重礦物，綠簾石（2%~18%）、石榴子石（2%~9%）、鈦鐵礦（0%）占比普遍低于北大河重礦物[70]。

4.3 碎屑鋯石物源

祁連山不同年代沉積巖碎屑鋯石和巖體鋯石的年代數據（圖6）顯示，中元古界的碎屑鋯石年齡譜（圖6k）峰值主要在約2 500 Ma和約1 800 Ma，新元古界（圖6j）開始出現~750 Ma的年齡峰，奧陶系（圖6i）開始出現~450 Ma的年齡峰，二疊系（圖6e）開始出現~270 Ma的年齡峰。造山帶內出露的加里東中晚期侵入巖（圖6l）提供部分~950 Ma和~450 Ma的鋯石。根據上述源區(qū)地層碎屑鋯石和巖體鋯石年齡特征，研究區(qū)域內現代河砂碎屑鋯石中2 600~2 400 Ma年齡峰的物源貢獻可能來自中元古界—志留系、二疊系—三疊系、白堊系及第四系；2 000~1 300 Ma年齡峰的物源貢獻來自中元古界—泥盆系、二疊系—三疊系、白堊系及第四系；1 000~700 Ma年齡峰的物源貢獻來自新元古界、奧陶系—石炭系、第四系以及本區(qū)域內出露的該年齡段的巖體；550~380 Ma年齡峰的物源貢獻來自奧陶系—三疊系、白堊系、新近系—第四系以及本區(qū)域內出露的該年齡段的巖體；流域內沒有350~200 Ma巖體出露，該段碎屑鋯石年齡峰的物源貢獻顯然只能來自流域內二疊系—三疊系、白堊系、新近系—第四系的再循環(huán)。

部分學者研究認為碎屑鋯石年齡峰的分布與物源區(qū)剝蝕量有關，比如物源貢獻量與流域內地層的出露面積成正比[78￣79]。為探討物源貢獻量與地層出露面積的關系，將源區(qū)地層和巖體劃分為不同物源端元，計算其出露面積，并結合年齡峰的分布對比分析。根據祁連山內出露地層的年齡譜特征以及巖體鋯石年齡，劃分出個端元并計算其面積占比：前寒武基底（35.92%）、寒武系（5.23%）、奧陶系（12.37%）、志留系（3.09%）、泥盆系（0.22%）、石炭系（2.85%）、二疊系（1.22%），三疊系（4.86%）、白堊系（4.61%）、新近系（1.97%）、第四系（22.78%）以及加里東期侵入巖（4.88%）。北大河碎屑鋯石年齡譜（圖6m，n）出現的五個年齡峰分別為2 600~2 400 Ma、2 000~1 300 Ma、1 000~700 Ma、550~380 Ma、350~200 Ma。以介于350~200 Ma的年齡峰為例，其出現于二疊系、三疊系、白堊系、新近系、第四系中，這些物源端元面積占比分別為1.22%、4.86%、4.61%、1.97%、22.78%，在這些物源端元中，350~200 Ma年齡峰鋯石占比分別是68.66%，52.31%，43.02%，42.86%，16.00%（表2）。進一步計算得出從老到新五個年齡峰物源端元對河流沉積物碎屑鋯石的貢獻分別為8.56%，30.38%，9.73%，17.33%，和9.85%，與北大河流域碎屑鋯石各年齡峰占比有較好的正相關關系（表2、圖7）。

圖6 祁連山不同年代地層碎屑鋯石和巖體鋯石U￣Pb年齡譜中元古界年齡譜修改自Gao et al.[71]；新元古界年齡譜修改自Gao et al.[71]；奧陶系年齡譜修改自Xu et al.[72￣73]；志留系年齡譜修改自Yang et al.[74]；泥盆系年齡譜修改自Li et al.[75]；石炭系年齡譜修改自Zuza et al.[76]；二疊系，三疊系，白堊系年齡譜修改自Li et al.[75]；新近系年齡譜修改自Wang et al.[77]；第四系年齡譜修改自Gong et al.[38]；火成巖年齡譜修改自Zuza et al.[76]Fig.6 U￣Pb age spectra of detrital zircons from different source strata and rock zircons in the Qilian MountainsMesoproterozoic age spectrum modified from Gao et al.[71]; Neoproterozoic age spectrum modified from Gao et al.[71]; The Ordovician age spectrum modified from Xu et al.[72￣73]; The Silurian age spectrum modified from Yang et al.[74]; The Devonian age spectrum modified from Li et al.[75]; The Carboniferous age spectrum modified from Zuza et al.[76]; The age spectra of the Permian, Triassic and Cretaceous modified from Li et al.[75]; Neogene age spectrum modified from Wang et al.[77]; Quaternary age spectrum modified from Gong et al.[38] and Igneous rock age spectrum modified from Zuza et al.[76]

在本次研究的年齡譜中（圖6m，n），各年齡峰鋯石占比與其物源貢獻端元的面積占比并沒有直接關系（圖7a），然而考慮各物源端元不同年齡段的鋯石貢獻率之后，計算得出的物源端元碎屑鋯石貢獻則和匯區(qū)河流沉積物中各年齡峰碎屑鋯石占比有較好的正相關關系（非線性）。例如，350~200 Ma年齡段鋯石的物源端元綜合貢獻占比約10%，而在匯區(qū)的占比高達22%（表2），說明該年齡段鋯石更大比例地從源區(qū)釋放到匯區(qū)。這可能是由于該年齡段鋯石基本來自沉積巖，而沉積巖通常富含碎屑鋯石，并且細粒、松散易碎的沉積巖更容易遭受剝蝕并釋放至河流。該非線性的正相關關系說明除物源端元各年齡峰鋯石含量之外，還存在其他因素（如物源端元碎屑鋯石豐度、釋放難易程度等）影響物源端元鋯石的貢獻，物源定量化分析還需要更加深入的研究。

圖7 物源端元面積占比與北大河各年齡段鋯石占比關系圖（a）及物源端元碎屑鋯石貢獻與北大河各年齡段鋯石占比關系圖（b）Fig.7 Relationship between the area proportion of source strata and the zircon proportion from the Beida River in various age ranges (a) and the relationship between the comprehensive contribution of detrital zircons of source strata and the zircon proportion of the Beida River in various age ranges (b)

表2 北大河流域不同物源端元五個年齡段碎屑鋯石貢獻數據表(%)Table 2 Contribution data of detrital zircons in 5 age ranges from different source end membersin the Beida River Basin(%)

Guoet al.[19]對雅魯藏布江的兩大支流年楚河、拉薩河以及喜馬拉雅地區(qū)的朋曲進行了物源分析，研究也表明流域內巖體出露面積與相應年齡段碎屑礦物的正相關性較差。單礦物雖能提供基本的物源信息，但不能可靠地用于物源定量化重建，僅依靠碎屑礦物的年齡分布推測物源區(qū)特征是有風險的[19]。

鄰近河流的碎屑鋯石U-Pb年齡譜記載了不同空間的物源信息，通過河流年齡譜的對比分析能夠推導影響其物源變化的因素。北祁連山因地勢南高北低，發(fā)育多條由南向北流的河流，在研究區(qū)內有石油河、白楊河、北大河、洪水壩河和黑河等[33,80]。這些河流現代沉積物的年齡譜整體具有較高的相似性（圖8），在2 500 Ma，1 800 Ma，450 Ma，270 Ma處都出現了年齡峰，形成于450 Ma及270 Ma左右的鋯石占主體部分。750 Ma處的年齡峰有一些變化，在白楊河和北大河中出現了較明顯的750 Ma的年齡峰，而石油河和黑河中這一年齡峰較低。通過對比區(qū)域地質圖發(fā)現，白楊河和北大河流經的地層較相似，石油河和黑河流經的地層更復雜，考慮是石油河和黑河接受的物源更豐富從而稀釋了750 Ma的年齡峰。北山位于北祁連山北部，作為另一個單獨的物源區(qū)也發(fā)育了多條河流。北山河流的年齡峰集中于430 Ma和270 Ma，其他時期沒有明顯的年齡峰，與北大河相比較其年輕的物源組分占絕大多數[36￣37]。

圖8 北大河與鄰近河流碎屑鋯石U￣Pb年齡譜對比圖QL1, QL2, BS2, BS3年齡譜修改自Wang et al.[36]; HH年齡譜修改自Gong et al.[38]Fig.8 Comparison of U￣Pb age spectra of detrital zircons from the Beida River and adjacent riversQL1, QL2, BS2, and BS3 age spectra modified from Wang et al.[36]; HH age spectrum modified from Gong et al.[38]

以往的研究顯示，北祁連巖體中沒有發(fā)現350~200 Ma的年輕鋯石以及大于3 000 Ma的古老鋯石。350~200 Ma的鋯石與古亞洲洋閉合有關，北祁連較老沉積巖中這部分鋯石的物源區(qū)可能是具有更多年輕組分的北山和東昆侖[36￣37,81￣83]。中祁連寒武系、白堊系，北祁連奧陶系、志留系存在大于3 000 Ma的碎屑鋯石[72,74,76]，敦煌地塊、阿拉善地塊和華北克拉通出現大于3 000 Ma的巖體[84￣86]，可能是這些古老鋯石的最終物源。本流域現代河砂中除了350~200 Ma碎屑鋯石為再循環(huán)鋯石之外，其他年齡段碎屑鋯石也可能大量來自沉積巖的再循環(huán)。

4.4 三種物源方法分析結果對比

從選取的四個現代河流沉積物樣品的物源正演分析結果來看，礫石統(tǒng)計方法能有效反映沉積物鄰近物源區(qū)的主要巖性。BDH-2、HSB-2S、LSH-1樣品中礫石主要巖性如片麻巖和紫紅色砂巖均和上游鄰近區(qū)域的主要巖性一致。北大河上游BDHS-1，洪水壩河HSB-0的礫石成分與下游明顯不同，最主要巖性為灰?guī)r，與采樣點上游局限范圍內的巖性較為一致。從上述結果來看，礫石巖性統(tǒng)計的方法可以較好地反映沉積物的較近物源區(qū)域（30~100 km）的主要巖性。礫石成分對沿河物源的補給十分敏感，在出山口以下沒有明顯外源的補給后，礫石的礫度也會急劇減少至礫石成分消失。礫石成分統(tǒng)計顯然僅適用于對近源沉積物的分析，同時礫石優(yōu)勢成分主要受鄰近物源特別是斷層破碎帶出露巖層的控制。

從樣品的重礦物分析結果來看，BDH-2，HSB-2S，以及LSH-1三個粗砂樣品都是在以礫石沉積物為主的粗砂透鏡體中采集，其ZTR值都在5%左右，與出山口的距離遠近并沒有直接關系。而在河流交匯點之后的以中砂—細砂為主要成分BDH-11S中，ZTR值極速增加到15%以上（圖3）。四個樣品的重礦物組成特征基本一致，高比例的赤褐鐵礦、磁鐵礦以及鈦鐵礦與整個源區(qū)出露的基性巖體，鐵礦層等有較好的對應，而大量的綠簾石和石榴子石則和整個源區(qū)出露的變質基底有較好地對應。重礦物組成分析方法在本流域可以很好地反映整個區(qū)域主要巖性，值得注意的是赤褐鐵礦、磁鐵礦以及鈦鐵礦這類重礦物的高比例并不代表其源巖所占面積大。由于源區(qū)基性巖以及鐵礦層本身含該類重礦物的比例極大，少量的源巖即可釋放大量的重礦物組分至下游沉積物。

四個樣品的碎屑鋯石年代統(tǒng)計顯示主要鋯石年代分區(qū)大體一致，然而各年齡區(qū)間鋯石比例存在較明顯的差異。例如BDH-11S相對于BDH-2來說，年輕組分（<300 Ma）升高，而年老組分（>600 Ma）比例顯著降低，這可能說明碎屑鋯石年代譜對沿途物源地補給、混合或河流地搬運分選十分敏感。需要明確的是，北祁連造山帶中并未出露300~200 Ma的巖體，本次研究的四個現代河砂樣品BDH-2，BDH-11S，HSB-2S以及LSH-1中最年輕組分只能是來自較老沉積巖該組分碎屑鋯石的再循環(huán)。再循環(huán)鋯石在很多研究中都被提出[87￣89]，然而其對物源分析應用的影響并沒有得到重視。同北大河、洪水壩河一樣是北祁連造山帶發(fā)育的石油河、白楊河、黑河的碎屑鋯石年代譜也表現出較顯著的差異（圖8），說明同一“物源區(qū)”所產生的碎屑鋯石年代譜并不一致，因此根據碎屑鋯石年代譜對物源變化的解釋就需要更加慎重。

最后，匯區(qū)碎屑成分的相對含量Di可以看作是物源區(qū)Pj的該碎屑成分綜合貢獻其中Di碎屑種類序號，可以代表不同種類礫石、重礦物或不同年代范圍的碎屑鋯石，Pj為可以貢獻物源的源區(qū)j的面積占比（j為不同物源區(qū)個數，j ≥1），Cj為該源區(qū)特定碎屑的貢獻率（受含量、風化破碎程度等因素控制）。本次研究中，前寒武基底對礫石成分（片麻巖），重礦物成分（石榴子石和綠簾石）貢獻較大，與其面積正相關，其對2 000~1 300 Ma年齡段碎屑鋯石的貢獻也比較顯著。匯區(qū)河流沉積物中的不同年齡段鋯石占比與源區(qū)不同年齡段鋯石貢獻呈較好的正相關關系（非線性），350~200 Ma年齡段鋯石的物源主要為本地區(qū)沉積巖，該年齡段鋯石物源端元綜合貢獻不大（~10%），但匯區(qū)占比較高（~22%）。這樣的結果表明沉積巖物源端元由于其較高的鋯石含量或較高的剝蝕釋放速率可能得到了相較其他物源端元更顯著的反映。本文對北大河現代沉積物物源探索性的正演分析表明不同碎屑成分（礫石、重礦物、碎屑鋯石）對物源的反映各有側重，建立現代河流剝蝕沉積模式，進行物源正演分析還需要更深入的研究。

5 結論

（1） 礫石統(tǒng)計結果顯示，礫石成分主要與其鄰近出露地層的巖性相關，同時受出露面積、河流流經范圍以及斷裂帶位置等因素的影響。地層出露面積與河流流經面積越大，與之對應的礫石數量增多，且斷裂帶的存在也會加大該區(qū)域礫石的貢獻。

（2） 重礦物分析結果表明，北大河流域出露的前寒武基底、寒武系和奧陶系以及侵入巖體對綠簾石、石榴子石的貢獻較大。河流對鏡鐵山礦區(qū)的剝蝕，是鈦鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦等鐵磁性重礦物廣泛分布的原因。樣品ZTR指數與碎屑搬運距離呈一定正相關性，可以作為有效判斷搬運距離的指標。

（3） 碎屑鋯石U-Pb結果證實，現代河流中的碎屑鋯石來自源區(qū)沉積巖碎屑物質、變質基底和出露巖體的共同貢獻。各年齡峰鋯石占比與物源端元面積無直接關系，與各物源端元該年齡峰綜合貢獻有較好的正相關關系，其中較松散的沉積巖貢獻率較高。

（4） 現代河流北大河沉積物的特征顯示匯區(qū)不同碎屑成分對物源區(qū)巖性的反映各有側重。深入開展現代河流物源正演分析，并建立現代河流剝蝕沉積模式，將有助于物源定量分析方法取得突破。

致謝 感謝丁梓康、馬歡歡等人在采樣過程中提供的幫助，李家勝在繪圖過程中提供的幫助和技術支持。同時，對提供寶貴修改意見的三位評審專家及編輯人員，一并謹致謝忱。