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物源分析是进行盆山耦合分析、古地理重建及构造背景追溯的必要内容 [ 1⁃ 9]。在河流沉积物物源分析中,传统岩石矿物学方法包括砾石成分分析、古水流统计、砂粒成分分析、重（轻）矿物分析、黏土矿物分析等 [ 10⁃ 14]。近年来随着新技术和新方法不断涌现,地质年代学、地球化学、地球物理学等不同方法也被有效地引入到物源分析中来并取得一定成效 [ 15⁃ 17],特别是单矿物颗粒（锆石）测年技术的发展,碎屑锆石年龄谱在物源分析中得到了极大的应用 [ 3, 5⁃ 6, 18]。与此同时,现代河流沉积物的物源分析正演研究也引起了重视 [ 19⁃ 20]。
当前物源分析研究通常采用几种方法相结合来获取较好效果,例如采用砾石成分统计结合重矿物分析,或碎屑锆石年龄谱等不同方法。锆石U-Pb年代学因测试流程标准、速度快而成为一种备受青睐的物源分析方法 [ 2⁃ 4, 21],但碎屑锆石U-Pb测年存在一定局限性,如采样位置影响样品能否全面反映物源区情况、部分碎屑锆石在地质演化中存在不同程度的Pb丢失以及再循环锆石的影响等,都会成为解释物源的挑战 [ 22]。另外碎屑锆石测年费用高昂,除年代之外还有大量碎屑锆石CL图像、元素含量等数据也没有得到有效地利用。重矿物则由于其中不稳定矿物极易受到成岩作用的影响,相应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针对不同地质年代沉积物物源的反演,其结果存在一定的不确定性,使得物源定量分析难以取得突破。相反地,在已知源区母岩特征、河流过程、环境特征的情况下,对现代河流中的沉积物做物源的正演分析,是研究沉积物如何从“源”到“汇”的重要途径 [ 23⁃ 26],也是研究矿物产出能力、河流搬运分选、环境气候变化等各种因素如何影响源区母岩贡献的必要途径 [ 21, 27⁃ 30]。
北祁连造山带是现代河西走廊重要的碎屑物质供给区,其地层岩性、岩浆活动和地质构造及演化过程都得到了较为详细的研究,并积累了比较丰富的岩体和地层的锆石年代数据,为开展北大河沉积物物源分析正演研究提供了良好的基础。本文选取源于北祁连造山带的北大河沉积物作为研究对象,通过分析河流沉积物中的砾石成分、河砂重矿物组合和河砂碎屑锆石年龄谱的特征,同时与河流流经地层、岩体的岩性及年代特征进行对比,进而讨论从“源”到“汇”的物质变化,探讨这三种物源分析方法对源区指示的有效性,对认识河流发育、盆地充填和山体剥蚀过程,检验现有物源分析方法的有效性具有重要意义。
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祁连山位于青藏高原东北缘,是中央造山带主要的山系之一 [ 31]。其北端以龙首山大断裂为界与阿拉善地块相邻,西端以阿尔金断裂为界与敦煌地块相隔,南端以临夏、青海湖南山为界与西秦岭地块相接。祁连造山带整体上呈北西西向分布,由北至南可进一步划分为三个构造单元：北祁连造山带、中祁连隆起带和南祁连造山带 [ 32⁃ 34]。北祁连的河流、盆地广布,形成了物源输送的源—汇系统,是研究北祁连物源贡献的重要场所 [ 35⁃ 37]。
北大河位于北祁连北段（ 图1a,b）,是河西走廊黑河水系的最大支流,上游又称托来河,发源于托勒山、托勒南山并与西部河流汇聚 [ 33],进入盆地后流经嘉峪关市、酒泉市金塔县鸳鸯水库,最后汇入黑河水系,全长360余千米。洪水坝河是北大河主要的支流之一,洪水坝河上游源于祁连山主峰南侧、走廊南山分水岭,向北流入酒西盆地,下游汇入北大河 [ 39],全长140余千米（ 图1b）,在本文中将其划入北大河流域。流域内河流沉积物除在央隆盆地内发育有较大范围的河漫滩相、沼泽相沉积之外,其他位置多为辫状河流相沉积。北大河与洪水坝河在出山口都形成了面积较大的冲积扇,主要为分选较差的砾石夹杂少量粗砂组成。北大河与洪水坝河汇合流入鸳鸯水库之后,径流主要由水渠排放,地表仍可见多条成扇形排列的干涸河道,河道内沉积物主要为粗砂—中砂,靠近上游部位夹杂少量砾石,最大直径为2~3 cm。在最下游部位是尾闾湖北海子,湖滨岸沉积物野外观测以细砂和粉砂为主。
图 1 北祁连区域地形（a）、主要水系（b）及北大河流域地质图（c）
Figure 1. Topographic map of the North Qilian region (a); main water system (b); and geological map of the Beida River drainage area (c)
北大河与洪水坝河上游主要流经前寒武基底、寒武系、石炭系、三叠系、第四系以及加里东中晚期侵入岩体（ 图1c）。中游流经多个地层和两个大的断裂带,主要出露前寒武基底、寒武系、奥陶系、志留系、三叠系以及白垩系,断裂带由南至北分别为昌马断裂和佛洞庙—红崖子断裂。下游主要流经第四系,在鸳鸯水库出露部分前寒武基底、侏罗系、白垩系以及华力西中期侵入岩体。流域内发育新元古代至早古生代蛇绿岩套,高压变质带,加里东期和华力西期侵入岩,志留纪复理石建造,泥盆纪磨拉石建造以及石炭纪—三叠纪盖层 [ 40⁃ 43]。从流域出露地层面积来看,前寒武基底、奥陶系以及第四系所占面积较大,志留系—二叠系、侏罗系—新近系等出露面积较小,不同期次的侵入岩在流域内零星分布。
根据甘肃省地质局地质图（酒泉幅、玉门市幅、肃南幅、硫磺山幅、祁连山幅）以及甘肃省区域地质志 [ 44],北大河与洪水坝河流域内出露的地层岩性分述如下。前寒武基底主要为元古界下岩组混合岩化片麻岩、片麻岩、片岩、白云岩、大理岩,上岩组片岩、石英岩、大理岩夹磁铁矿透镜体。朱龙关群褐色及灰绿色基性熔岩及凝灰岩、褐及灰绿色基性熔岩及凝灰岩,镜铁山群灰岩、紫红色砂岩/泥岩、石英砂岩、基性火山岩透镜体及铁矿层。大柳沟群灰岩、白云岩、含铁质石英砂岩、紫红色含砾石英砂岩与灰岩互层,以及白杨沟群杂色板岩、泥质灰岩、角砾岩、透镜状贫铁矿、紫红色石英砂岩及含砾石英砂岩等。
流域内古生界主要出露有奥陶系阴沟群中酸性/基性火山岩、硅质岩、粉砂质板岩,妖魔山群灰黑色粉砂泥质板岩、砂岩夹中基性火山岩、灰岩透镜体,南石门子群灰绿色中性火山岩夹中基性、酸性火山岩及灰岩、板岩夹硅质岩。志留系下统深灰色粉砂泥质板岩与粉、细砂岩互层夹砾岩,泉脑沟山群灰绿色钙泥质粉砂岩、粉砂泥质板岩与灰岩互层、长石质硬砂岩、变质砾岩及泥质灰岩透镜体,旱峡群紫红—暗紫色长石质硬砂岩、钙泥质粉砂岩互层。泥盆系沙流水群紫红色含砾长石砂岩与粗巨砾岩互层、夹灰绿色砂岩。石炭系臭牛沟组深灰色灰岩、石英粉细砂岩夹薄煤层、紫红色砂岩、石英砾岩,羊虎沟群灰黑色含砾砂岩、灰岩及黑色砂质页岩夹煤线,太原群灰、深灰色砂岩、灰岩、黑色炭质页岩夹煤层。二叠系大黄沟群灰、灰绿色砂岩、粉砂岩夹炭质粉砂岩,巴音河群紫红、黄绿色砂岩、泥质粉砂岩夹泥灰岩,窑沟群紫红色为主砂岩、含砾砂岩夹砂质页岩,诺音河群紫红、灰黄色砂岩夹灰绿色细砂岩。
中生界主要出露三叠系中下统灰紫、紫红色含砾砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩互层,哈伦乌苏群紫红、灰绿色含砾砂岩、灰绿色含砾砂岩、砂岩夹炭质粉砂岩、酸性火山岩。侏罗系龙凤山群灰黑色粉砂质页岩、炭质页岩与砂岩、含砾砂岩互层、夹煤层,上统灰绿色钙质泥岩、灰黑色页岩与泥灰岩、粉砂岩、砂岩互层。白垩系新民堡群砖红、鲜红色砾岩、石膏、浅棕色砾岩、砂岩、泥质粉砂岩互层。
新生界主要出露新近系疏勒河组桔黄色砂岩、砾岩夹泥岩,第四系砂、砂砾石、泥砾、黏质砂土、砾岩、粒雪及冰。
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本文在北祁连山北大河下游采集了四个现代河砂样品进行碎屑锆石U-Pb测年及重矿物分析。其中北大河水系两个河砂样品经纬度为：BDH-2（98°31′4.23″ E,39°45′52.13″ N）,BDH-11S（98°41′58.81″ E,40°15′31.53″ N）,洪水坝河水系两个河砂样品点经纬度为：HSB-2S（98°23′9.46″ E,39°30′24.98″ N）,LSH-1（98°47′59.53″ E,39°48′34″ N）。砾石统计样品共五个,除BDH-2、HSB-2S、LSH-1外,还选取了北大河和洪水坝河中上游的两个样品,分别为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）。样品地理位置分布见 图1。
砾石统计点HSB-2S、BDH-2、LSH-1位于出山口以下,沉积物均以砾石为主,三个点位同时还采集了粗砂组分。BDH-11S则为中砂—细砂,采集于下游靠近尾闾湖北海子的一条干涸河道（ 图1c）。
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样品的砾石统计为砾石岩性种类统计。在BDHS-1、BDH-2、HSB-0、HSB-2S和LSH-1五个样品点的位置划分出约2 m×2 m范围进行砾石统计,所选范围需要囊括周围砾石的岩性,相对于整体而言具有代表性。每个样品点的砾石统计量数为100~350个。
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河砂碎屑锆石样品（BDH-2、BDH-11S、HSB-2S、LSH-1）在武汉上谱分析科技有限责任公司挑选制靶,制靶过程和分析条件依据标准程序 [ 48]。在每个样品中,随机挑选约300粒的碎屑锆石固定制靶,抛光晶体1/2后进行拍照和打点测试。锆石U-Pb年龄测定使用LA-ICP-MS进行分析,激光束斑直径32 μm,激光脉冲8 Hz,剥蚀物质的载气采用氦气（He）。所得数据依据谐和度大于90%且小于110%的标准筛选出有效年龄,对于锆石年龄小于1 000 Ma的数据采用 206Pb / 238U年龄,锆石年龄大于1 000 Ma的数据采用 207Pb / 206U 年龄,并用ICPMSDataCal程序进行分析和普通铅校正处理,锆石年龄谱及谐和图用Isoplot绘制。
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砾石成分统计结果显示,岩性为片麻岩、各色砂岩、灰岩、石英、基性岩、硅质岩等,不同位置砾石成分差异较大。河流中上游北祁连造山带内统计点为BDHS-1和HSB-0灰岩砾石较多,片麻岩成分砾石占比较少。而河流下游酒泉盆地内统计点位中灰岩成分砾石明显减少,片麻岩砾石则增多。各色砂岩成分的砾石在五个统计点位均有一定数量,当某一种颜色的砂岩比较显著时,会单独统计,如紫红色砂岩/泥岩、黑色砂岩、黄色砂岩。其中紫红色砂岩/泥岩在洪水坝河流的三个统计点位中均占比显著,位于前三,具体的岩性组合如 图2所示。
图 2 北大河砾石岩性统计图
Figure 2. Statistical diagram of gravel properties in the Beida River
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重矿物是指比重大于2.68,化学性质稳定,不易风化的一类矿物 [ 49⁃ 50]。根据其抗风化能力与化学性质的差异,又可进一步划分为极稳定重矿物、稳定重矿物、较稳定重矿物和不稳定重矿物 [ 51]。虽然它们通常颗粒较细,含量不足1%,但能够贯穿于整个物源输送的源—汇系统,伴随碎屑沉积物的产生、搬运、沉积。重矿物特征是进行物源分析的重要手段 [ 52],利用重矿物数据可以计算锆石—电气石—金红石指数（ZTR指数）即锆石（Z）、电气石（T）、金红石（R）含量占透明矿物总含量的百分比,常用来推导物源区的距离及方向 [ 53]。
研究区域河砂重矿物分析共识别出21种重矿物,其中常见17种,按稳定程度分类如 表1所示,偶尔也出现透闪石、蓝晶石、独居石和孔雀石。我们计算了各样品点的ZTR指数并绘制重矿物丰度对比图（ 图3）,以确定各点的重矿物组合特征。
表 1 北大河流域沉积物常见重矿物稳定性分类(分类据付玲等 [ 51])
稳定性 重矿物 极稳定 锆石、电气石、金红石、磷灰石、锐钛矿、褐铁矿 稳定 石榴子石、白钛石、铬铁矿、磁铁矿、钛铁矿 较稳定不稳定 榍石、绿帘石角闪石、辉石、重晶石、黄铁矿 
图 3 北大河重矿物丰度对比与ZTR指数变化
Figure 3. Comparison of heavy mineral abundance and the ZTR index variation of the Beida River sediments
样品中绿帘石、石榴子石、钛铁矿、褐铁矿、磁铁矿等重矿物的比重大,辉石、角闪石在不同样品中变化较大,一些样品中还出现磷灰石、金红石、锐钛矿、白钛石、黄铁矿、榍石、重晶石、电气石、铬铁矿等重矿物。各样品点的重矿物中铁矿占比很大,BDH-2、HSB-2S以及LSH-1中的钛铁矿、褐铁矿、磁铁矿占比超过一半,部分样品中还出现少量铬铁矿、黄铁矿。除铁矿外,石榴子石和绿帘石占比也较大,角闪石、辉石常相伴出现。总体上看,稳定重矿物占绝大多数,不稳定重矿物角闪石、辉石、重晶石、黄铁矿的总占比只有3%~18%。
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根据Th/U比值大于0.4的为岩浆锆石,小于0.1的为变质锆石并结合锆石CL图像对碎屑锆石成因进行判别 [ 54]。总体上看样品中岩浆锆石占主体,只有少量的变质锆石,未见热液锆石。大多数岩浆锆石颗粒具有明显的振荡环带,结构完整 [ 55]（ 图4a）。变质锆石数量很少,阴极发光不明显,无明显振荡环带,部分呈圆卵状 [ 56]（ 图4b）。还有部分变质锆石内部是岩浆锆石,外部具有一层变质增生边 [ 57],增生边厚度从几微米到几十微米不等,或由于变质作用不完全,变质增生边仅生长于锆石外圈,锆石内部还保留了原来的岩浆锆石性质（ 图4c）。
图 4 北大河部分碎屑锆石CL图像
Figure 4. Cathodoluminescence (CL) images of detrital zircons from Beida River sediments
为保证测年数据的准确性,我们在BDH-2、BDH-11S、HSB-2S、LSH-1四个样品中共挑选1 181颗碎屑锆石,每个样品测定大于等于150个颗粒,选取谐和度在90%和110%之间的测试结果,共获得定年数据597个（ 图5a）。在碎屑锆石U-Pb同位素年龄分布直方图（ 图5b）中,样品的峰值集中出现在5个范围内,分别为2 600~2 400 Ma、2 000~1 300 Ma、1 000~700 Ma、550~380 Ma及350~200 Ma。
图 5 北大河碎屑锆石U⁃Pb年龄协和图(a)、年龄分布直方图(b)及Th/U比值图(c)
Figure 5. U⁃Pb age concordance diagram (a), age distribution histogram (b), and Th/U ratio diagram (c) of detrital zircons from Beida River sediments
四个样品中锆石Th/U比值集中范围为0.17~1.4（ 图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锆石Th/U比值变化范围最大,极少数碎屑锆石的Th/U比值小于0.1,岩浆锆石的数量远大于变质锆石。
总体上看,四个样品的锆石年龄范围在3 312~219 Ma内,在2 600~2 400 Ma阶段形成的锆石共有20颗,在2 000~1 300 Ma阶段形成的锆石共有159颗,在1 000~700 Ma阶段形成的锆石共有93颗,在550~380 Ma阶段形成的锆石共有142颗,在350~200 Ma阶段形成的锆石共有130颗,五个年龄峰锆石分别占比为3.35%、26.63%、15.58%、23.79%、21.78%。研究区域内现代河砂中,元古代锆石（49.25%）和古生代锆石（42.04%）占绝大多数,形成于太古代（4.36%）和中生代（4.36%）的锆石较少。
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砾石统计数据显示,北大河中上游点位BDHS-1中出现大量硅质岩、灰岩和各色砂岩砾石,下游BDH-2中出现石英、片麻岩和基性岩等砾石,根据其周围地层岩性考虑硅质岩、灰岩、石英和基性岩砾石来自周边的前寒武基底、志留系和奥陶系,片麻岩来自前寒武基底,各色砂岩则来自多个地层砂岩的混合。洪水坝河上游HSB-0出现大量灰岩、基性岩和紫红色砂岩/泥岩砾石,下游HSB-2S中灰岩砾石成分显著减少,其后流经的前寒武基底以及祁连山山前奥陶系、志留系、三叠系、新近系为HSB-2S贡献了大量各色砂岩、片麻岩和紫红色砂岩/泥岩砾石。LSH-1除了出现大量片麻岩和紫红色砂岩/泥岩砾石外,黄色砂岩砾石的比例显著上升,可能来自河流对周边第四系的侵蚀。
将两条河流对比发现,洪水坝河的三个样品中紫红色砂岩/泥岩占比都位于前三,而紫红色砂岩/泥岩主要出现在前寒武基底、泥盆系、三叠系和侏罗系中。结合 图1c分析,洪水坝河流经这四个地层且面积较大,北大河只流经前寒武基底、三叠系且面积较小,这可能是造成两条河流中砾石出现差异性的原因。将河流分区对比发现,在北祁连造山带内的BDHS-1和HSB-0中出现大量灰岩砾石,片麻岩砾石较少,河流流入酒泉盆地后的样品中片麻岩砾石显著增加。结合流域地层出露情况（ 图1c）,上游的BDHS-1和HSB-0样品点周围大量出露新元古界和白垩系,灰岩大量出现可能与此有关,而下游流经了大面积的古元古界,这可能是片麻岩砾石变多的原因。在BDH-2以及HSB-0中还出现基性岩砾石,昌马断裂大致位于奥陶系内,奥陶系主要贡献基性岩砾石,因此考虑断裂带会加大砾石的贡献。从砾石分析结果看,源区基岩和沉积岩对砾石的贡献比零星出露的岩体大,不同样品点的砾石种类与其上游区域内地层的岩性种类和出露面积相关。
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不同的碎屑重矿物组合反映不同的母岩类型 [ 58]。北祁连造山带发育明显的铁矿层,北大河群分布条带状磁铁矿,朱龙关群赋存有朱龙关式、龙孔式或沙龙式铁矿,镜铁山群下岩组夹有镜铁矿、菱铁矿层,火山岩成分显示龙首山群和北大河群的变基性火山岩类具有铁质拉斑玄武岩特征 [ 59⁃ 62]。北大河及其支流与上述地层广泛接触,且流经镜铁山矿区时大量含矿岩体与围岩遭受剥蚀,这可能是本区域河砂重矿物中钛铁矿、褐铁矿、磁铁矿等铁磁性重矿物广泛分布的原因。除上述铁矿之外,重矿物中比例最高的为绿帘石、石榴子石。根据地质图与相关文献资料 [ 46, 63⁃ 67],石榴子石广泛存在于前震旦系下岩组片岩、上岩组片岩和加里东晚期橄榄岩中,绿帘石则主要存在于前震旦系下岩组片岩和上岩组片岩中,这些地层的出露面积较大,因此也对重矿物有较多贡献。辉石可能来自加里东/华力西期花岗岩、加里东晚期辉长岩/橄榄岩及朱龙关群拉斑玄武岩。角闪石可能来自前寒武基底、加里东/华力西期花岗岩、加里东晚期辉长岩/橄榄岩及华力西中期花岗闪长岩,由于其具解理、不稳定的特性 [ 68⁃ 69],故在不同样品中显示出较大差异。北大河与洪水坝河不同位置样品中重矿物组合特征基本不变,ZTR指数在两条河流汇聚之后显著升高（ 图3）,这一规律说明ZTR指数能在一定范围内有效指示搬运距离的远近。
将北大河与邻近的黑河对比发现,两条河流的重矿物组合相似,占比却存在较大差异。北大河和黑河重矿物中赤褐铁矿占比很大,磷灰石、金红石、榍石、辉石等占比小,部分黑河河砂重矿物中角闪石（18%~50%）占比远高于北大河重矿物,绿帘石（2%~18%）、石榴子石（2%~9%）、钛铁矿（0%）占比普遍低于北大河重矿物 [ 70]。
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祁连山不同年代沉积岩碎屑锆石和岩体锆石的年代数据（ 图6）显示,中元古界的碎屑锆石年龄谱（ 图6k）峰值主要在约2 500 Ma和约1 800 Ma,新元古界（ 图6j）开始出现~750 Ma的年龄峰,奥陶系（ 图6i）开始出现~450 Ma的年龄峰,二叠系（ 图6e）开始出现~270 Ma的年龄峰。造山带内出露的加里东中晚期侵入岩（ 图6l）提供部分~950 Ma和~450 Ma的锆石。根据上述源区地层碎屑锆石和岩体锆石年龄特征,研究区域内现代河砂碎屑锆石中2 600~2 400 Ma年龄峰的物源贡献可能来自中元古界—志留系、二叠系—三叠系、白垩系及第四系；2 000~1 300 Ma年龄峰的物源贡献来自中元古界—泥盆系、二叠系—三叠系、白垩系及第四系；1 000~700 Ma年龄峰的物源贡献来自新元古界、奥陶系—石炭系、第四系以及本区域内出露的该年龄段的岩体；550~380 Ma年龄峰的物源贡献来自奥陶系—三叠系、白垩系、新近系—第四系以及本区域内出露的该年龄段的岩体；流域内没有350~200 Ma岩体出露,该段碎屑锆石年龄峰的物源贡献显然只能来自流域内二叠系—三叠系、白垩系、新近系—第四系的再循环。
图 6 祁连山不同年代地层碎屑锆石和岩体锆石U⁃Pb年龄谱
Figure 6. U⁃Pb age spectra of detrital zircons from different source strata and rock zircons in the Qilian Mountains
部分学者研究认为碎屑锆石年龄峰的分布与物源区剥蚀量有关,比如物源贡献量与流域内地层的出露面积成正比 [ 78⁃ 79]。为探讨物源贡献量与地层出露面积的关系,将源区地层和岩体划分为不同物源端元,计算其出露面积,并结合年龄峰的分布对比分析。根据祁连山内出露地层的年龄谱特征以及岩体锆石年龄,划分出个端元并计算其面积占比：前寒武基底（35.92%）、寒武系（5.23%）、奥陶系（12.37%）、志留系（3.09%）、泥盆系（0.22%）、石炭系（2.85%）、二叠系（1.22%）,三叠系（4.86%）、白垩系（4.61%）、新近系（1.97%）、第四系（22.78%）以及加里东期侵入岩（4.88%）。北大河碎屑锆石年龄谱（ 图6m,n）出现的五个年龄峰分别为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的年龄峰为例,其出现于二叠系、三叠系、白垩系、新近系、第四系中,这些物源端元面积占比分别为1.22%、4.86%、4.61%、1.97%、22.78%,在这些物源端元中,350~200 Ma年龄峰锆石占比分别是68.66%,52.31%,43.02%,42.86%,16.00%（ 表2）。进一步计算得出从老到新五个年龄峰物源端元对河流沉积物碎屑锆石的贡献分别为8.56%,30.38%,9.73%,17.33%,和9.85%,与北大河流域碎屑锆石各年龄峰占比有较好的正相关关系（ 表2、 图7）。
表 2 北大河流域不同物源端元五个年龄段碎屑锆石贡献数据表(%)
2 600~2 400 Ma 2 000~1 300 Ma 1 000~700 Ma 550~380 Ma 350~200 Ma 物源端元 物源面积 锆石占比 物源端元 贡献 锆石占比 物源端元 贡献 锆石占比 物源端元 贡献 锆石占比 物源端元 贡献 锆石占比 物源端元贡献 P1前寒武基底 [ 71] 35.92 7.47 2.68 59.34 21.31 7.05 2.53 0.00 0.00 0.00 0.00 P2奥陶系 [ 72⁃ 73] 12.37 10.00 1.24 15.79 1.95 23.68 2.93 26.58 3.29 0.00 0.00 P3志留系 [ 74] 3.09 7.19 0.22 11.15 0.34 14.75 0.46 46.40 1.44 0.00 0.00 P4泥盆系 [ 75] 0.22 0.00 0.00 29.59 0.07 9.18 0.02 26.02 0.06 0.00 0.00 P5石炭系 [ 76] 2.85 0.00 0.00 0.00 0.00 5.06 0.14 87.34 2.49 0.00 0.00 P6二叠系 [ 75] 1.22 1.49 0.02 1.49 0.02 0.00 0.00 28.36 0.34 68.66 0.83 P7三叠系 [ 75] 4.86 7.18 0.35 17.95 0.87 0.00 0.00 11.28 0.55 52.31 2.54 P8白垩系 [ 75] 4.61 12.79 0.59 23.26 1.07 0.00 0.00 10.47 0.48 43.02 1.98 P9新近系 [ 77] 1.97 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 15.38 0.30 42.86 0.84 P10第四系 [ 38] 22.78 15.20 3.46 20.80 4.74 8.80 2.00 24.00 5.47 16.00 3.64 P11火成岩 [ 76] 4.88 0.00 0.00 0.00 0.00 33.65 1.64 59.72 2.92 0.00 0.00 物源端元综合贡献 8.56 30.38 9.73 17.33 9.85 北大河碎屑锆石占比 3.35 26.63 15.58 23.79 21.78 注： 表中不同物源端元5个年龄段锆石占比数据根据相应文献计算,因寒武系无可参考碎屑锆石数据,未列其对锆石贡献的计算。
图 7 物源端元面积占比与北大河各年龄段锆石占比关系图（a）及物源端元碎屑锆石贡献与北大河各年龄段锆石占比关系图（b）
Figure 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)
在本次研究的年龄谱中（ 图6m,n）,各年龄峰锆石占比与其物源贡献端元的面积占比并没有直接关系（ 图7a）,然而考虑各物源端元不同年龄段的锆石贡献率之后,计算得出的物源端元碎屑锆石贡献则和汇区河流沉积物中各年龄峰碎屑锆石占比有较好的正相关关系（非线性）。例如,350~200 Ma年龄段锆石的物源端元综合贡献占比约10%,而在汇区的占比高达22%（ 表2）,说明该年龄段锆石更大比例地从源区释放到汇区。这可能是由于该年龄段锆石基本来自沉积岩,而沉积岩通常富含碎屑锆石,并且细粒、松散易碎的沉积岩更容易遭受剥蚀并释放至河流。该非线性的正相关关系说明除物源端元各年龄峰锆石含量之外,还存在其他因素（如物源端元碎屑锆石丰度、释放难易程度等）影响物源端元锆石的贡献,物源定量化分析还需要更加深入的研究。
Guo et al. [ 19]对雅鲁藏布江的两大支流年楚河、拉萨河以及喜马拉雅地区的朋曲进行了物源分析,研究也表明流域内岩体出露面积与相应年龄段碎屑矿物的正相关性较差。单矿物虽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,仅依靠碎屑矿物的年龄分布推测物源区特征是有风险的 [ 19]。
邻近河流的碎屑锆石U-Pb年龄谱记载了不同空间的物源信息,通过河流年龄谱的对比分析能够推导影响其物源变化的因素。北祁连山因地势南高北低,发育多条由南向北流的河流,在研究区内有石油河、白杨河、北大河、洪水坝河和黑河等 [ 33, 80]。这些河流现代沉积物的年龄谱整体具有较高的相似性（ 图8）,在2 500 Ma,1 800 Ma,450 Ma,270 Ma处都出现了年龄峰,形成于450 Ma及270 Ma左右的锆石占主体部分。750 Ma处的年龄峰有一些变化,在白杨河和北大河中出现了较明显的750 Ma的年龄峰,而石油河和黑河中这一年龄峰较低。通过对比区域地质图发现,白杨河和北大河流经的地层较相似,石油河和黑河流经的地层更复杂,考虑是石油河和黑河接受的物源更丰富从而稀释了750 Ma的年龄峰。北山位于北祁连山北部,作为另一个单独的物源区也发育了多条河流。北山河流的年龄峰集中于430 Ma和270 Ma,其他时期没有明显的年龄峰,与北大河相比较其年轻的物源组分占绝大多数 [ 36⁃ 37]。
图 8 北大河与邻近河流碎屑锆石U⁃Pb年龄谱对比图
Figure 8. Comparison of U⁃Pb age spectra of detrital zircons from the Beida River and adjacent rivers
以往的研究显示,北祁连岩体中没有发现350~200 Ma的年轻锆石以及大于3 000 Ma的古老锆石。350~200 Ma的锆石与古亚洲洋闭合有关,北祁连较老沉积岩中这部分锆石的物源区可能是具有更多年轻组分的北山和东昆仑 [ 36⁃ 37, 81⁃ 83]。中祁连寒武系、白垩系,北祁连奥陶系、志留系存在大于3 000 Ma的碎屑锆石 [ 72, 74, 76],敦煌地块、阿拉善地块和华北克拉通出现大于3 000 Ma的岩体 [ 84⁃ 86],可能是这些古老锆石的最终物源。本流域现代河砂中除了350~200 Ma碎屑锆石为再循环锆石之外,其他年龄段碎屑锆石也可能大量来自沉积岩的再循环。
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从选取的四个现代河流沉积物样品的物源正演分析结果来看,砾石统计方法能有效反映沉积物邻近物源区的主要岩性。BDH-2、HSB-2S、LSH-1样品中砾石主要岩性如片麻岩和紫红色砂岩均和上游邻近区域的主要岩性一致。北大河上游BDHS-1,洪水坝河HSB-0的砾石成分与下游明显不同,最主要岩性为灰岩,与采样点上游局限范围内的岩性较为一致。从上述结果来看,砾石岩性统计的方法可以较好地反映沉积物的较近物源区域（30~100 km）的主要岩性。砾石成分对沿河物源的补给十分敏感,在出山口以下没有明显外源的补给后,砾石的砾度也会急剧减少至砾石成分消失。砾石成分统计显然仅适用于对近源沉积物的分析,同时砾石优势成分主要受邻近物源特别是断层破碎带出露岩层的控制。
从样品的重矿物分析结果来看,BDH-2,HSB-2S,以及LSH-1三个粗砂样品都是在以砾石沉积物为主的粗砂透镜体中采集,其ZTR值都在5%左右,与出山口的距离远近并没有直接关系。而在河流交汇点之后的以中砂—细砂为主要成分BDH-11S中,ZTR值极速增加到15%以上（ 图3）。四个样品的重矿物组成特征基本一致,高比例的赤褐铁矿、磁铁矿以及钛铁矿与整个源区出露的基性岩体,铁矿层等有较好的对应,而大量的绿帘石和石榴子石则和整个源区出露的变质基底有较好地对应。重矿物组成分析方法在本流域可以很好地反映整个区域主要岩性,值得注意的是赤褐铁矿、磁铁矿以及钛铁矿这类重矿物的高比例并不代表其源岩所占面积大。由于源区基性岩以及铁矿层本身含该类重矿物的比例极大,少量的源岩即可释放大量的重矿物组分至下游沉积物。
四个样品的碎屑锆石年代统计显示主要锆石年代分区大体一致,然而各年龄区间锆石比例存在较明显的差异。例如BDH-11S相对于BDH-2来说,年轻组分（<300 Ma）升高,而年老组分（>600 Ma）比例显著降低,这可能说明碎屑锆石年代谱对沿途物源地补给、混合或河流地搬运分选十分敏感。需要明确的是,北祁连造山带中并未出露300~200 Ma的岩体,本次研究的四个现代河砂样品BDH-2,BDH-11S,HSB-2S以及LSH-1中最年轻组分只能是来自较老沉积岩该组分碎屑锆石的再循环。再循环锆石在很多研究中都被提出 [ 87⁃ 89],然而其对物源分析应用的影响并没有得到重视。同北大河、洪水坝河一样是北祁连造山带发育的石油河、白杨河、黑河的碎屑锆石年代谱也表现出较显著的差异（ 图8）,说明同一“物源区”所产生的碎屑锆石年代谱并不一致,因此根据碎屑锆石年代谱对物源变化的解释就需要更加慎重。
最后,汇区碎屑成分的相对含量 Di可以看作是物源区 Pj的该碎屑成分综合贡献（
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（1） 砾石统计结果显示,砾石成分主要与其邻近出露地层的岩性相关,同时受出露面积、河流流经范围以及断裂带位置等因素的影响。地层出露面积与河流流经面积越大,与之对应的砾石数量增多,且断裂带的存在也会加大该区域砾石的贡献。
（2） 重矿物分析结果表明,北大河流域出露的前寒武基底、寒武系和奥陶系以及侵入岩体对绿帘石、石榴子石的贡献较大。河流对镜铁山矿区的剥蚀,是钛铁矿、褐铁矿、磁铁矿等铁磁性重矿物广泛分布的原因。样品ZTR指数与碎屑搬运距离呈一定正相关性,可以作为有效判断搬运距离的指标。
（3） 碎屑锆石U-Pb结果证实,现代河流中的碎屑锆石来自源区沉积岩碎屑物质、变质基底和出露岩体的共同贡献。各年龄峰锆石占比与物源端元面积无直接关系,与各物源端元该年龄峰综合贡献（
（4） 现代河流北大河沉积物的特征显示汇区不同碎屑成分对物源区岩性的反映各有侧重。深入开展现代河流物源正演分析,并建立现代河流剥蚀沉积模式,将有助于物源定量分析方法取得突破。
Detrital Composition and Provenance Forward Modeling of Sediments in the Beida River, North Qilian: Implications for Quantitative Provenance Analysis
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摘要: 开展现代河流沉积物的物源分析正演研究,对厘清河流搬运分选过程对不同碎屑成分的影响、不同源区对汇区沉积物的贡献机制以及物源定量分析具有重要意义。对北祁连北大河与洪水坝河现代河流沉积物的物源开展了正演研究,结合砾石成分统计、重矿物分析和碎屑锆石U-Pb测年方法,分析了流域内不同物源对现代河流不同碎屑成分贡献的差异性。结果表明,两条河流沉积物的特征显示汇区不同碎屑成分对物源区岩性的反映各有侧重。其中砾石岩性能够反映整个流域的主要岩性；砂粒中的重矿物组合也可以反映源区主要岩性,且对重矿物含量较高的岩体或地层（如铁矿）十分敏感；碎屑锆石年龄谱反映了整个流域物源端元锆石的综合贡献,各年龄峰锆石占比与源区各年龄峰锆石贡献呈较好的正相关关系,其中源区沉积岩碎屑锆石的贡献比较显著。通过河流物源正演分析进一步建立现代河流源汇模式是实现物源量化分析的一个可行方向。Abstract: The forward modeling of provenance analysis for modern river sediments is important for clarifying the impact of river transportation and sorting processes on different debris components, the contribution mechanism of different source regions to the sediments in the catchment area, and the quantitative analysis of provenance. In this study, through forward modeling of the modern river sediment sources of the Beida and Hongshuiba rivers in the North Qilian Mountains, we analyzed the difference of contribution of different sources to different detrital components of modern rivers in the basin by combining gravel composition statistics, heavy mineral analysis, and detrital zircon U-Pb dating methods. The characteristics of the sediments from the two rivers show that different clastic components in the catchment area vary in emphasis on the reflection of the lithology of the source area, and the gravel rock statistics reflects the main lithology of the entire basin. The heavy mineral assemblage in the sand can also reflect the main lithology of the source area and is sensitive to the rock mass or stratum （such as iron ore） with high contents of certain heavy minerals. The detrital zircon age spectrum reflects the comprehensive contribution of zircons from source strata in the whole drainage area, including the recycling of a large number of detrital zircons from sedimentary rocks. The proportion of zircon in each age peak also has a good positive correlation with the contribution of zircon in each age peak in the source area. Forward modelling of the source to sink in modern river sediments gives a promising direction for future quantitative provenance analysis.
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Key words:
- North Qilian Mountain /
- fluvial sediments /
- detrital-zircon /
- U-Pb dating /
- provenance analysis
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图 1 北祁连区域地形（a）、主要水系（b）及北大河流域地质图（c）
Figure 1. Topographic map of the North Qilian region (a); main water system (b); and geological map of the Beida River drainage area (c)
Fig.1
图 2 北大河砾石岩性统计图
Figure 2. Statistical diagram of gravel properties in the Beida River
Fig.2
图 3 北大河重矿物丰度对比与ZTR指数变化
Figure 3. Comparison of heavy mineral abundance and the ZTR index variation of the Beida River sediments
Fig.3
图 4 北大河部分碎屑锆石CL图像
Figure 4. Cathodoluminescence (CL) images of detrital zircons from Beida River sediments
Fig.4
图 5 北大河碎屑锆石U⁃Pb年龄协和图(a)、年龄分布直方图(b)及Th/U比值图(c)
Figure 5. U⁃Pb age concordance diagram (a), age distribution histogram (b), and Th/U ratio diagram (c) of detrital zircons from Beida River sediments
Fig.5
图 6 祁连山不同年代地层碎屑锆石和岩体锆石U⁃Pb年龄谱
Figure 6. U⁃Pb age spectra of detrital zircons from different source strata and rock zircons in the Qilian Mountains
Fig.6
图 7 物源端元面积占比与北大河各年龄段锆石占比关系图（a）及物源端元碎屑锆石贡献与北大河各年龄段锆石占比关系图（b）
Figure 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)
Fig.7
图 8 北大河与邻近河流碎屑锆石U⁃Pb年龄谱对比图
Figure 8. Comparison of U⁃Pb age spectra of detrital zircons from the Beida River and adjacent rivers
Fig.8 表 1 北大河流域沉积物常见重矿物稳定性分类(分类据付玲等 [ 51])
稳定性 重矿物 极稳定 锆石、电气石、金红石、磷灰石、锐钛矿、褐铁矿 稳定 石榴子石、白钛石、铬铁矿、磁铁矿、钛铁矿 较稳定不稳定 榍石、绿帘石角闪石、辉石、重晶石、黄铁矿 
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表 2 北大河流域不同物源端元五个年龄段碎屑锆石贡献数据表(%)
2 600~2 400 Ma 2 000~1 300 Ma 1 000~700 Ma 550~380 Ma 350~200 Ma 物源端元 物源面积 锆石占比 物源端元 贡献 锆石占比 物源端元 贡献 锆石占比 物源端元 贡献 锆石占比 物源端元 贡献 锆石占比 物源端元贡献 P1前寒武基底 [ 71] 35.92 7.47 2.68 59.34 21.31 7.05 2.53 0.00 0.00 0.00 0.00 P2奥陶系 [ 72⁃ 73] 12.37 10.00 1.24 15.79 1.95 23.68 2.93 26.58 3.29 0.00 0.00 P3志留系 [ 74] 3.09 7.19 0.22 11.15 0.34 14.75 0.46 46.40 1.44 0.00 0.00 P4泥盆系 [ 75] 0.22 0.00 0.00 29.59 0.07 9.18 0.02 26.02 0.06 0.00 0.00 P5石炭系 [ 76] 2.85 0.00 0.00 0.00 0.00 5.06 0.14 87.34 2.49 0.00 0.00 P6二叠系 [ 75] 1.22 1.49 0.02 1.49 0.02 0.00 0.00 28.36 0.34 68.66 0.83 P7三叠系 [ 75] 4.86 7.18 0.35 17.95 0.87 0.00 0.00 11.28 0.55 52.31 2.54 P8白垩系 [ 75] 4.61 12.79 0.59 23.26 1.07 0.00 0.00 10.47 0.48 43.02 1.98 P9新近系 [ 77] 1.97 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 15.38 0.30 42.86 0.84 P10第四系 [ 38] 22.78 15.20 3.46 20.80 4.74 8.80 2.00 24.00 5.47 16.00 3.64 P11火成岩 [ 76] 4.88 0.00 0.00 0.00 0.00 33.65 1.64 59.72 2.92 0.00 0.00 物源端元综合贡献 8.56 30.38 9.73 17.33 9.85 北大河碎屑锆石占比 3.35 26.63 15.58 23.79 21.78 注： 表中不同物源端元5个年龄段锆石占比数据根据相应文献计算,因寒武系无可参考碎屑锆石数据,未列其对锆石贡献的计算。
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