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古物源体系示踪属于深时“源—汇”系统中对“物源或母岩”的研究。对物源的研究可以追溯至19世纪[1]。后来,板块构造理论的提出将古物源体系的研究重点从单纯的沉积过程转移到区域性研究,尤其是将其与沉积盆地、造山带及火山岛弧的演化联系了起来[2]。在沉积盆地的形成与演化过程中,碎屑物质按照风化、搬运、卸载、堆积、成岩等次序构成完整的“源—汇”系统。这是一个内部具有成因联系的地球表层动力学系统[3⁃6],构造活动与气候变化通过控制物源区古水系的合并与拆分[7],从而影响汇水单元的流域面积,进一步导致汇区沉积物内记录的古物源信号出现转变和差异（图1）。从复杂的沉积结果中识别有效的年龄信号,厘清碎屑物质来源,重建特定区域构造背景下古物源区形成演化历程及沉积物路径系统,这是物源示踪的终极目标。由此,基于不同时间尺度的地貌学、沉积学、物质守恒、沉积物分配、碎屑颗粒轨迹、环境信号等理论被广泛地运用至古物源体系的综合研究[8⁃12],物源示踪逐渐迈入定量化、综合性的研究阶段（图1）。这些多样的研究理论和方法对物源信号的恢复与识别具有积极的推动作用。各类碎屑岩物源示踪方法可分为传统方法与新方法两大类[13],前者主要包括碎屑组分分析、重矿物分析、黏土矿物分析、元素地球化学分析（主微量元素与稀土元素）、地球物理学分析等方法,后者主要包括碎屑锆石U-Pb定年、（除锆石外的）其他矿物同位素测年、多矿物组合分析等方法。
一般而言,从岩石学/矿物学特征入手是古物源体系研究的基本思路。基于岩石学特征的物源示踪可以通过对碎屑岩岩性、矿物及岩屑组分的定性/定量表征来识别母岩[14]。碎屑岩内的石英、长石等常规矿物[15⁃16]与锆石、磷灰石、金红石、电气石等辅助矿物[17⁃18]均能提供许多有价值的物源信息,例如,根据石英内包含的OH缺陷情况可以判别其属于变质来源亦或是岩浆来源[16]；对锆石与金红石的联合研究可以实现对古老岩浆来源的标定和追踪[19]。总之,以物源示踪为目标的岩石学分析对明确母岩对沉积区的贡献情况、物源及盆地热年代学信息、识别火成岩与变质岩的侵蚀作用、碎屑沉积过程的识别及量化（如沉积物分配、碎屑颗粒迁移轨迹、水力分选、粒度分布等）[8]都具有重要意义。另一方面,重矿物分析也被视为一类强大的岩石学工具,并被广泛运用在物源研究中。该方法可以针对特定岩性实现高分辨率物源示踪[8]。拉曼光谱的引入也为岩石学分析增添了全新的方法,该项技术在分辨率和分析时间方面具有显著优势,它允许鉴别多晶型矿物,能准确识别混浊的或不透明的矿物颗粒,进而通过数据处理与分析推断母岩类型[20⁃22]。另外,针对单颗副矿物的物源分析的发展尤为迅速,这得益于相应测试技术的不断革新（如激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（LA-ICP-MS））,这大大提高了单颗副矿物（如锆石）分析的灵敏度和样品吞吐量[23],碎屑锆石U-Pb定年法等新技术因此被广泛用于物源示踪的研究[24⁃28],推动了同位素微区年代学的发展。再者,人们在获得锆石年龄数据后,往往希望将大批年龄数据转化为直观的统计学图件,从而更加明确地对年龄信号开展对比分析。基于概率密度、核密度估计、累积年龄分布的年龄数据分析法以及非参数性假设检验（K-S检验）、多维定标等定量研究法为锆石年龄谱的可视化及差异化对比分析提供了有效手段[29]。
由此,将锆石年龄（可视化）数据、岩石学特征、元素地球化学等信息加以整合,能对研究区潜在物源区及母岩年龄进行约束,更准确地示踪古代物源体系,为建立深时“源—汇”沉积模式提供更可靠的依据。例如,对砂岩岩石学组分、重矿物类别及ZTR指数、岩屑类别开展联合对比,能有效指示母岩对沉积区的贡献范围及沉积物分散体系的搬运距离[26,30⁃34]；将锆石U-Pb年龄数值及微量元素/稀土元素相互约束,不仅能明确母岩来源、获得母岩年龄谱,还能对古老的区域岩浆/变质事件开展初步探讨[35⁃36],探究推动母岩发育的地球内部动力学作用。同时,基于单矿物的岩石学物源研究还能更好地校准和标定来自地球化学的指标[8,13,28]。可见,物源示踪历经多年的发展,已经成为一项多学科、多方法的综合研究,对岩石学、年代学、地球化学等指标的联合使用已经成为古物源示踪的有效手段。
基于以上思路,本文在渤海湾盆地济阳坳陷沾化渤南洼陷古近系沙四下亚段（
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济阳坳陷位于渤海湾盆地东南部,是一个被埕宁隆起和鲁西隆起所限制的西敛东开的、平面上呈近EW走向展布的一级负向构造单元[37]。沾化凹陷位于济阳坳陷的东北部,具有“北断南超、东西双断、断层发育、凹凸相间”的特征,其西北以义和庄凸起为界并和车镇凹陷相接,南连陈家庄凸起,东南邻垦东凸起,是一个北断南超、NE走向的复合半地堑式断陷盆地[38⁃39]。
本文的研究区位于渤南洼陷,这是沾化凹陷内面积最大的次级洼陷,其北部与埕南断层与埕东凸起相连,东部以孤西断层为界紧邻孤岛凸起和孤北洼陷,南部超覆于陈家庄凸起北部斜坡带,西部以义东断层与义和庄凸起相连,东南部与孤南断层连接三合村洼陷[39⁃40],总体呈现“北断南超、东西双断”的构造格局（图2a,b）。目的层位于古近系沙河街组四段下亚段,岩性以砂砾岩、紫红色泥岩夹薄层膏盐岩为主,厚200~600 m,发育以陆相红层为主要特征的冲积—河流沉积体系[40]（图2c）。
图 2 渤海湾盆地沾化凹陷地质特征综合图
Figure 2. Comprehensive map of geological characteristics from Zhanhua Depression in Bohai Bay Basin
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碎屑锆石U-Pb定年是揭示母岩年龄和物源贡献率的重要手段。本文所涉及的5个锆石砂岩岩样分别取自渤南洼陷沙四下亚段5口取心井（L10、KX627、Y126、XBS1和Y160）（图3a）,从中挑选出共计504颗碎屑锆石进行制靶,并在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室采用激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪（Agilent7900 ICP-MSL,日本）完成锆石U-Pb定年和U、Th、Pb等微量元素测试分析。仪器激光束斑直径为32 μm,用氦气作为载体。处理数据时以29Si作为内标,锆石91500作为外标修正,最终共获得较为准确的430个U-Pb年龄数值。同时去除少数谐和度小于90%的锆石测年点,得到共计408颗（n=46、95、78、82、107）谐和锆石U-Pb年龄值及相关微量元素含量。其中,针对年轻锆石（<1 000 Ma）使用206Pb/238U年龄值,针对老锆石（>1 000 Ma）使用207Pb/206Pb年龄值。
图 3 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段碎屑锆石基本特征
Figure 3. Basic characteristics of detrital zircons from
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通常,不同成因类型的锆石在外部形态、内部结构、地球化学特征等方面均存在显著差异,只有综合考虑各类特征,才能揭示出更加精准可靠的年龄信息[42⁃43]。研究区碎屑锆石的阴极发光图像（CL）显示,其颗粒外部形态大多为棱柱状、针状,自形程度较高,晶型完整清晰,具有明显的振荡环带（图3b）,指示了岩浆成因锆石。由于锆石成因的复杂性,仅凭其形态学特征判别成因类型往往容易出现偏差,加之锆石定年的本质是对其内部U、Th、Pb等同位素含量及比值的计算,因此对锆石内部痕量元素和稀土元素的定量研究可以为锆石成因类型的判定提供更多的帮助。研究表明,渤南洼陷沙四下亚段谐和锆石内稀土元素大多具有轻稀土元素（LREE）亏损、重稀土元素（HREE）富集的“陡立上翘型”配分模式,同时伴有Ce正异常、Eu负异常的特征（图3c）；Th/U值范围介于0.06~1.84,绝大部分大于0.4,占比约77.6%,这些指标均反映研究区沙四下亚段物源区岩浆岩出露占据主导（图3d）。另一方面,部分较低的Th/U大多出现在年代较老、颜色较暗、振荡环带不甚明显的锆石颗粒中,表明这些锆石遭受了古老变质作用,年轻锆石则未遭受变质改造。
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为了进一步揭示研究区沙四下亚段物源区母岩年龄,分析母岩对洼陷内不同区域的物源贡献,由前述408组锆石U-Pb年龄数值得出了频率分布直方图（图4）。具体而言,研究区沙四下亚段谐和锆石U-Pb年龄数值主要落在中生代（66~252 Ma）、古生代（252~541 Ma）、元古宙（541~2 500 Ma）和太古宙（2 500~4 500 Ma）这4段年龄区间内。其中,KX627井落在66~252 Ma区间内谐和锆石数量为37颗,占比约39%；落在252~541 Ma区间内的谐和锆石数量为12颗,占比约13%；落在541~2 500 Ma年龄区间内的谐和锆石数量为28颗,占比约29%；落在2 500~4 500 Ma年龄区间内的谐和锆石数量为18颗,占比约19%。同理,Y126井落在这4段年龄区间内谐和锆石数量及占比分别为44颗,56%；17颗,22%；11颗,14%；6颗,8%。Y160井落在这4段年龄区间内谐和锆石数量及占比分别为45颗,42%；25颗,22%；20颗,19%；17颗,16%。L10井落在这4段年龄区间内谐和锆石数量及占比分别为4颗,9%；16颗,35%；16颗,35%；10颗,21%。XBS1井落在这4段年龄区间内谐和锆石数量及占比分别为21颗,26%；21颗,26%；20颗,24%；20颗,24%（表1）。
图 4 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段碎屑锆石U⁃Pb年龄分布直方图
Figure 4. U⁃Pb age distribution histogram of detrital zircon in the Bonan Sag (
表 1 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段各年龄区间内谐和锆石颗粒数量及占比
井号 地区 66~252 Ma 252~541 Ma 541~2 500 Ma 2 500~4 500 Ma 数量/颗 占比 数量/颗 占比 数量/颗 占比 数量/颗 占比 KX627 东侧 37 39% 12 13% 28 29% 18 19% Y126 44 56% 17 22% 11 14% 6 8% Y160 45 42% 25 22% 20 19% 17 16% L10 南侧 4 9% 16 35% 16 35% 10 21% XBS1 中部 21 26% 21 26% 20 24% 20 24% 总体而言,各样品年龄峰值集中于125~180 Ma、250~400 Ma、~1 860 Ma及~2 500 Ma附近,分别对应于中生代、晚古生代、古元古代和新太古代。研究区不同沉积部位相应母岩的年龄信号组合基本相似但也略显差异,洼陷南侧（L10井区）晚古生代、古元古代、新太古代年龄贡献占据主导,中生代年龄贡献最低；洼陷东侧（KX627、Y126、Y160井区）中生代年龄贡献最大,晚古生代和古元古代贡献中等,新太古代贡献最低；洼陷中部（XBS1井区）的母岩贡献非常均衡,各年龄区间谐和锆石比例几乎完全相等。
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在获得谐和锆石U-Pb年龄后,对这些年龄数据开展统计学分析并辨别其差异性是揭示物源贡献情况的有效途径。基于上述408组锆石年龄数值,本文采用了核密度估计图（kernel density estimates,KDE）和累积年龄分布图（cumulative distribution function,CDF）对研究区所有U-Pb年龄数据实现了可视化。
KDE图显示（图5a）,来自洼陷东侧KX627、Y126和Y160的谐和锆石年龄具有相似的概率分布特征,三者的峰值年龄集中出现在~130 Ma、~124 Ma和~131 Ma,指示中生界白垩系母岩对洼陷东侧供源作用占据主导；同时,Y160井在~147 Ma和~169 Ma也具有较高的年龄峰值,反映了侏罗系母岩对该区域亦有较明显的物源贡献；次一级的峰值年龄则主要出现在~258 Ma、~1 953 Ma及~2 540 Ma,对应于晚古生代、古元古代和新太古代。从年龄比例可见,中生代、晚古生代和古元古代是对洼陷东侧提供物源的主要母岩年龄,其中,Y126井区和Y160井区的母岩年龄比例从中生代至古生代依次递减,KX627井区的古生代年龄贡献较Y126井区和Y160井区相对较弱。同时,它们的CDF曲线变化趋于一致,均表现为较年轻年龄组分（<500 Ma）的累积概率占据主导（图5b）。
图 5 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段碎屑锆石U⁃Pb年龄可视化与定量对比
Figure 5. Visualization and quantitative correlation of detrital zircon U⁃Pb ages in the Bonan Sag (
来自洼陷南侧的L10井和洼陷中部的XBS1井的谐和锆石年龄各自具有相对独立的概率密度分布特征,其中L10井占据主导的年龄峰值主要出现在~314 Ma、~1 860 Ma和~2 512 Ma,指示了洼陷南侧碎屑物质主要来自晚古生代、古元古代和新太古代,三者占比总和逾90%,相应年龄区间的CDF曲线也有较大幅度的增量（图5b）,而来自中生代的物源信号则相对较弱（仅占9%）；XBS1井占据主导的年龄峰值主要出现在~134 Ma、~264 Ma、~1 862 Ma和~2 527 Ma,年龄区间占比非常均衡,指示该区域接受中生界、上古生界、古元古界和新太古界母岩的供源作用机会均等。
可见,锆石年龄分布的可视化实现了对各样本数据的基础统计学分析和直观化。然而,单纯的视觉对比容易受到观察者自身主观判断的影响,从而导致结果出现偏差,这在样本数据较多的情况下尤为明显[29]。基于此,在年龄可视化基础上,采用了相似度系数（图5c）和二维定标法（MDS）（图5d）进一步对研究区锆石年龄样本的相似性与差异性展开定量对比。
一般而言,相似度系数主要衡量样本数据之间的相似程度,MDS则可以将这种相似性转换为在二维/三维空间中样本数据点的相对距离（视差距离）予以呈现。相似度系数与视差距离具有负相关的关系,即相似度系数越大（即两个样本越相似）,它们在2D-MDS或3D-MDS里的视差距离就越小。研究表明,位于洼陷东侧的KX627井、Y126井和Y160井两两具有较高的相似度系数,分别为0.88、0.88、0.89（图5c）,三者的视差距离也位居较低水平（0.47、0.48、0.53）（图5d）,反映这三口井所在区域物源年龄组分整体差异较小。另一方面,这三口井的年龄数据与XBS1井之间的相似性也较大,其中,XBS1井与Y160井的相似度系数更是达到了0.90,是研究区沙四下亚段相似度最高的两组样本数据。相比之下,凡涉及L10井样本数据点的相似度系数在矩阵中均显示较低的水平（≤0.75）,尤其是与Y160井和Y126井的相关性最低（图5e,f）,同时,2D-MDS图也指示L10井样本点与其余样本点的视差距离均较大,形成了较独立分布区域,这反映L10井区的物源年龄组分与洼陷其他区域的相关性均较低。
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针对渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段碎屑锆石年代学的研究表明,物源年龄信号在渤南洼陷不同部位有着显著差异,相同区域内的年龄组分贡献率也存在高低次序。通过将这些年龄组分与周围物源区岩石年龄组分开展对比研究,能揭示研究区优势路径系统[44],为此需要首先明确研究区周围母岩的源岩性质。
元素地球化学的方法判定母岩已经被广泛应用于物源示踪的研究。研究表明,沉积岩中微量元素的迁移与富集规律受多种因素控制,主要包括自身物理化学性质、风化作用过程和水体环境等。稀土元素受风化、成岩和蚀变作用影响相对较弱,其含量主要受控于物源成分[45]。同时,稀土元素具有较低的溶解度,在沉积过程中很容易被吸附在沉积物颗粒之中,进而随着碎屑颗粒发生沉积,将母岩区的信息较完整地保存下来[46⁃47]。在碎屑岩中,泥岩对稀土元素的吸附能力最强,因此可以借助泥岩内稀土元素的含量及特征进一步分析物源、气候、环境等因素[48]。
渤南洼陷沙四下亚段泥岩稀土元素分析结果表明,稀土元素总量（ΣREE）分布范围为215.26~358.52 μg/g,平均含量为287.36 μg/g,是大陆上地壳平均值（146.4 μg/g[49]）的1.96倍。其中,LREE含量介于197.57~334.79 μg/g,平均值为265.41 μg/g；HREE含量介于17.69~23.73 μg/g,平均值为21.94 μg/g；ΣLREE/ΣHREE值介于10.63~14.11 μg/g,平均值为12.09 μg/g。因此,研究区沙四下亚段泥岩稀土元素满足LREE富集、HREE亏损的特征,且Eu元素均出现较明显的负异常响应,同时未见Ce元素异常（图6a）。将渤南洼陷稀土配分模式与周围母岩区的稀土配分模式开展对比,也能有效分析碎屑沉积物内稳定稀土元素的来源,进而明确是何种母岩对沉积物产生贡献[50⁃51]。对比发现,渤南凹陷沙四下亚段泥岩稀土元素配分模式与太古界花岗片麻岩的稀土元素配分模式较为一致。
图 6 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段源岩属性判别图
Figure 6. Source rock discrimination diagram of the Bonan Sag (
大陆上地壳LREE较为富集,缺少使HREE大量分馏的条件,因而后者含量往往更低且平稳,同时,稀土元素的分异也造成了上地壳Eu缺失,即Eu负异常是大陆源区沉积岩、长英质变质岩、中酸性岩浆岩的特征,因研究区样品具有中等Eu负异常和高LREE/HREE比值,推测母岩物质来自上地壳。同时,La/Yb-ΣREE判别图显示研究区泥岩稀土样品主要落在花岗岩区域,只有少量落在沉积岩与花岗岩的混合区域,这也反映渤南洼陷碎屑沉积物的来源以酸性花岗质母岩为主（图6b）。
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前文已揭示酸性花岗质是渤南洼陷沙四下亚段沉积时期的母岩来源,它们主要来自新太古代、古元古代、晚古生代和中生代。与此同时,锆石U-Pb定年指示研究区存在东侧、南侧和中部三个物源信号响应区,它们当中的年龄样本两两之间存在相似性或差异性。基于此,笔者结合砂岩岩石学特征,在本节综合探讨研究区物源信号的差异响应特征。
新生界沉积前,埕宁隆起区、鲁西隆起区和鲁东隆起区构建了济阳坳陷周缘主要的正向地貌格局,坳陷内的陈家庄凸起、埕东凸起、义和庄凸起、孤岛凸起组成了紧邻渤南洼陷的重要物源区,太古界、元古界、古生界和中生界分布在其中。结合研究区沙四下亚段砂岩岩石学特征,本文将洼陷内划分为I~IV四大区域（图7）。下面分区展开综合讨论。
图 7 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段砂岩岩石学分布特征
Figure 7. Petrological characteristics of sandstones in the Bonan Sag (
I区的岩屑组分为岩浆岩+变质岩（图7a）。结合该区域地理位置和孤岛凸起基岩发育特征[52],推断I区主要接受来自孤岛凸起中生界的岩浆岩母岩供给。同时,该区Y126井和Y160井的碎屑锆石U-Pb年龄谱均指示绝大部分的物源信号来自中生代白垩纪（~124 Ma和~131 Ma）,但Y160井在~169 Ma处亦显示了明显的年龄峰值,说明孤岛凸起侏罗系母岩对I区也有局部微弱供源作用。另一方面,该区域砂岩成分成熟度略偏高（图7b）,加之孤岛凸起缺少变质岩基底,因此推测该区域在接受孤岛凸起短距离供源的同时,其沉积物内亦混有“远源供给”的变质岩信号。
II区的优势岩屑组分为沉积岩,占比最大；岩浆岩组分虽含量较少,但分布稳定；变质岩组分随样品位置变化较大,反映变质岩碎屑在II区差异沉积,这可能与主水系及分支水系的发育有关（图7a）；该区域砂岩内岩屑组分占据主导,其成分成熟度为洼陷内最低（如L10井仅为0.02）,反映II区主要接受来自南侧陈家庄凸起的近源堆积（图7b）。III区的优势岩屑组分变为了岩浆岩+变质岩,沉积岩含量较II区大幅减少（图7a）,且成分成熟度较II区显著增加（图7b）,反映出对III区供源的应为远距离搬运体系。
II区和III区均位于洼陷南侧,分别紧靠陈家庄凸起东段和西段。综上可以推断,物源信号的差异分布可能源于陈家庄凸起东西段不同的母岩贡献和沉积物路径系统。另一方面,锆石年代学可视化研究证实II区的物源年龄分布较洼陷其他区域相对独立,表现在较大的差异系数和视差距离（图5）,在晚古生代（~314 Ma）、古元古代（~1 860 Ma）和新太古代（~2 512 Ma）都具有显著的年龄峰值,占比总和逾90%。陈家庄凸起自南向北主要发育新太古界二长花岗片麻岩、古生界碳酸盐岩和中生界岩浆岩/碎屑岩[53⁃54],因此可以作出如下判断：以2 500~1 860 Ma年龄区间为典型代表的二长花岗片麻岩、混合花岗岩、酸性花岗质母岩对洼陷南侧区域均有较稳定的贡献,上古生界（~314 Ma）沉积岩组分对II区的贡献比I区更显著,中生界母岩对南侧区域物源贡献较少。
IV区的优势岩屑组分为变质岩+岩浆岩,沉积岩占比较小（图7a）。该区位于洼陷中部,容易接受来自周缘凸起的混合物源。除前述孤岛凸起和陈家庄凸起外,渤南洼陷东北侧和西侧各发育埕东凸起和义和庄凸起,前者主要发育新太古界—元古界花岗岩、花岗片麻岩、二长片麻岩、石英岩等和古生界碳酸盐岩/碎屑岩[55],后者主要发育古生界碳酸盐岩和碎屑岩。结合来自XBS1井的年代学研究结论可知（表1、图5）,IV区内占据主导的岩浆岩+变质岩母岩组合来自新太古代—古元古代（2 527~1 862 Ma）及晚古生代—中生代（335~134 Ma）这两个年龄段,且年龄概率分布机会均等。同时,该区域整体较高的成分成熟度表明其主要接受远距离物源体系（图7b）。
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古物源区是在地球内部动力推动下形成于特定古构造环境的综合产物。运用多方法探讨物源区地球动力学背景,既能恢复物源区发育演化历程,也能将盆地沉积物路径系统置于地球内部动力学机制与区域构造演化的大背景中,从而更加全面地揭示源岩的类型、发育历程、再旋回过程等一系列特征。
渤南洼陷沙四下亚段稀土元素地球化学指标表明来自上地壳的酸性花岗质源岩是其主要母岩（图6）,砂岩岩石学图解和元素地球化学的结合能为进一步揭示源岩地球动力学背景提供依据。砂岩组分（Q-F-L图解）中,大部分样品点均落入岩浆岛弧区域（切割岛弧和过渡岛弧）,指示来自切割岛弧的酸性花岗质岩浆岩具有较高的钾长石含量（图8a）；来自泥岩的微量/稀土元素（Th-Sc-Zr/10图解和La/Th-Hf图解）（图8b,c）和锆石Hf/Th-Th/Nb图解（图8e）也都反映类似的特征,它们均揭示了母岩具有岩浆岛弧的属性（长英质酸性岛弧源区）。来自主量元素的K2O/Na2O-SiO2图解（图8d）则进一步说明研究区沙四下亚段的母岩具有“多源”特征,活动大陆边缘及岛弧区域是主要的来源,但也有极少数出现在被动大陆边缘区域。考虑研究区所在的渤海湾盆地是发育在华北克拉通东部地块基底之上的中—新生代盆地,因此有必要探讨华北克拉通地球动力学过程对研究区沙四下亚段母岩发育的影响。
图 8 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段源岩构造背景判别图解
Figure 8. Discriminant diagram of the source rock tectonic setting in the Bonan Sag (
近年来,针对华北克拉通基底的岩石组成、岩浆活动、变质作用及地球深部动力学机制等研究取得了许多有价值的成果[56⁃66]。对本研究区沙四下亚段物源供给具有重要意义的新太古代—古元古代及晚古生代—中生代（表1、图5）是华北克拉通东部陆块经历的重大地质变动时期。
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华北陆块在新太古代（2.6~2.5 Ga）伴随较大规模的火山活动、变质作用和混合岩化作用,形成了大量中酸性壳熔花岗岩,包括TTG质—二长花岗岩、钾长花岗岩等,进而导致克拉通上地壳总体成分趋于花岗质；古元古代（1.97~1.8 Ga）则以两期变质作用（混合岩化）和花岗岩侵入为典型特征,反映了裂谷—岛弧—碰撞的演化历程,并在约1.85 Ga时达到稳定[57,66]。该时期发生的区域性构造—岩浆/变质作用为主的热事件,在包括本研究区在内的渤海湾盆地及其周缘地区均可以被广泛记录,它们在前寒武纪均出现了~2.5 Ga和~1.8 Ga的年龄峰值[67⁃69]（图9a~c）,这与本研究区的年龄分布较吻合,应属于华北克拉通五台—吕梁造山运动的产物。
图 9 渤海湾盆地及周缘典型锆石U⁃Pb年龄分布直方图
Figure 9. Typical zircon U⁃Pb age distribution histogram in the Bohai Bay Basin and its surroundings
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进入晚古生代后,华北克拉通北缘形成了以安第斯型活动大陆边缘为特征的构造背景 [70],古亚洲洋的俯冲在该区域形成了长期的沟—弧—盆体系[66],同时能找到A型花岗岩等岩体的侵入证据[71]；渤海湾盆地砂岩所记录的晚古生代年龄峰值与本研究区基本一致,反映了来自华北北缘的活动大陆边缘/岩浆弧的母岩对渤南洼陷沙四下亚段具有普遍贡献,可见渤南洼陷南侧和中部区域的晚古生代年龄贡献相对更大（图5）。另一方面,华北克拉通在古生代相对缺少区域性岩浆活动和变质作用,海西运动的构造抬升促使前寒武纪的结晶锆石经历再旋回,从而使得来自太古代和元古代的年龄信号被广泛记录。
中生代时期,克拉通东部板块遭到破坏,在125 Ma左右达到峰值[72],印支运动导致渤海湾盆地内形成了NWW向的隆起,其上发育太古界和古生界,接受风化剥蚀；随后的燕山期则伴随最为强烈的岩浆活动[73]。研究表明,华北地块中生代峰值年龄一般出现在~128 Ma（早白垩世）左右[74]（图9d）,这与本研究区的年龄分布基本一致,即华北克拉通早白垩世破坏事件对渤南洼陷沙四下亚段物源区普遍存在年代学响应。另一方面,燕山运动陆内造山作用伴随大规模岩浆活动,在~160 Ma（晚侏罗世）达到岩浆峰值,因此导致锆石年龄谱时常在该时期出现次一级的高峰[75]（图9d）。这样的“双峰”特征在本研究区Y160井尤为显著（图5）,印证了东侧路径系统也同时记录了晚侏罗世的岩浆活动。
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综合上述多种方法,本文在沾化凹陷渤南洼陷沙四下亚段古物源体系的年代学特征、岩石学特征、地球化学特征、古构造背景特征等方面取得了系统认识,建立了古物源体系发育综合模式（图10）。研究表明,渤南洼陷在沙四下亚段沉积时期存在三大古物源体系,它们与周围凸起（母岩）相互匹配,构成了多物源的“源—汇”系统。
图 10 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段古物源体系发育模式
Figure 10. Development of the ancient provenance system on the Bonan Sag (
东侧物源系。该体系是一个由中生界白垩系岩浆岩母岩主导的沉积物路径系统,位于洼陷东侧I区；受控于燕山运动的构造—岩浆事件,这些具有典型“Eu负异常”的酸性岩浆岩多来自大陆岛弧—造山带；同时,华北克拉通在古元古代发生的区域变质作用所形成的变质岩通过远距离搬运对该区域也具有一定物源贡献。
南侧物源系。该体系是一个由新太古界—古元古界—上古生界—中生界母岩联合控制的沉积物路径系统,位于洼陷南侧II区和III区,分别具有“近源堆积”和“远源供给”的特征；在整体以酸性花岗质母岩及其变质岩为主的物源背景下,东段（II区）沉积岩组分大于西段（III区）。发育在陈家庄凸起之上的新太古界花岗片麻岩及中生界岩浆岩通过“近源堆积”,形成了该区域内~2 500 Ma及~130 Ma年龄峰值；晚古生代由于缺少区域性岩浆作用,在排除再旋回造山带的影响后,推测该区域碎屑锆石记录的该年龄可能来源于华北克拉通北缘岩浆岛弧。
中部物源系。该体系的物源信号在洼陷中部（IV区）集中响应,表现为新太古代—古元古代—晚古生代—中生代的年龄信号均衡分布,判断该区域为洼陷沙四下亚段的主要沉积中心,表现为“远源供给”；母岩仍属于典型“Eu负异常”的来自岛弧的酸性花岗质及其变质岩。对比年龄分布特征可以看出,XBS1井样本数据与I区各样本数据的相似性处于较高水平,而两区在岩屑组分上也均以岩浆岩+变质岩占据主导,成分成熟度也均较大,因此推断IV区和I区的沉积物路径系统可能具有继承性,它们共同保留了来自燕山期岩浆活动的年龄信号。除此之外,上述各区域均不约而同地出现了~1 860 Ma的年龄响应,但其邻近凸起皆缺少古元古代变质基底。因此,综合上述依据,推测研究区古元古代年龄信号有较大可能来自“远源供给”路径系统。
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（1） 渤南洼陷沙四下亚段碎屑锆石以岩浆成因为主,锆石U-Pb定年表明沙四下亚段母岩年龄区间为中生代（125~180 Ma）、晚古生代（250~400 Ma）、古元古代（~1 860 Ma）和新太古代（~2 500 Ma）。年龄可视化分析显示,洼陷内存在东侧、南侧和中部三个年龄信号响应区,东侧晚古生代和中生代年龄贡献占据主导,南侧新太古代、古元古代和晚古生代年龄贡献占据主导,中部各年龄贡献均等。同时,相似度系数和MDS定量分析法揭示了东侧年龄样本两两之间及其与中部年龄样本之间存在高度相似性,也表明了南侧年龄样本的相对独立性。
（2） 渤南洼陷沙四下亚段母岩物质来自于上地壳,且酸性花岗质源岩占据主导。新生界沉积前,这些母岩均在洼陷周缘出露,具备向研究区提供碎屑物质的条件。砂岩岩屑组分表明,洼陷东侧、南侧和中部存在四大岩石学信号响应区（I~IV）,其中东侧与中部均有岩浆岩+变质岩主导的特点,表明两区处于相同的路径系统；南侧东段沉积岩岩屑组分较大,西段岩浆岩+变质岩组分较大,由此反映陈家庄凸起新生界基底岩性具有东西差异分布的特点,且洼陷南侧路径系统相对独立。岩石组分特征表明渤南洼陷沙四下亚段同时具备“近源堆积”和“远源供给”两类沉积物路径系统。
（3） 元素地球化学判别指标揭示渤南洼陷沙四下亚段酸性花岗质源岩主要来自华北克拉通岩浆岛弧/活动大陆边缘的地球动力学背景,以~2.5 Ga和~1.8 Ga年龄峰值为代表的物源信号记录了华北克拉通新太古代—古元古代区域岩浆/变质作用；晚古生代物源信号记录了华北克拉通北缘岩浆弧/活动大陆边缘的构造背景,同时也记录了前寒武系的区域岩浆/变质作用；研究区普遍出现~125 Ma年龄峰值,指示华北克拉通早白垩世破坏事件,同时东侧物源也记录了~160 Ma岩浆活动。
（4） 渤南洼陷沙四下亚段发育不同母岩组成多物源体系,包括东侧中生界岩浆岩主导型物源系,物源信号响应于中生代燕山期构造—岩浆事件；南侧新太古界/古元古界/上古生界/中生界母岩联合控制型物源系,物源信号响应前寒武纪构造—岩浆/变质事件和晚古生代华北克拉通北缘岩浆弧/活动大陆边缘构造—岩浆事件,东段“近源堆积”,西段“远源供给”；中部混合物源系依然为岩浆岩+变质岩主导型物源区,其各年龄区间分布均衡。
Multi Method Characterization of a Paleo-provenance System: A case study from the lower 4th member of the Shahejie Formation from the Bonan Sag in Zhanhua Depression, Bohai Bay Basin
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摘要: 古物源体系是深时“源—汇”系统研究的重要环节。随着沉积学理论和技术的发展,物源示踪的表征方法已从单一迈向综合、由定性走向定量,这将有助于更全面地揭示母岩发育特征、物源区构造背景、沉积物路径系统等,进而建立更可靠的古物源体系发育模式。碎屑锆石U-Pb定年等多方法物源体系表征研究表明,沾化凹陷渤南洼陷沙四下亚段（
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图 2 渤海湾盆地沾化凹陷地质特征综合图
（a）渤海湾盆地位置；（b）渤南洼陷井位及凸起分布；（c）渤南洼陷地层发育特征及目的层（据文献[41]修改）
Figure 2. Comprehensive map of geological characteristics from Zhanhua Depression in Bohai Bay Basin
(a) location of Bohai Bay Basin; (b) wells and uplifts distribution of the Bonan Sag; and (c) stratigraphic characteristics of the Bonan Sag and the target strata (modified from reference [41])
图 3 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段碎屑锆石基本特征
（a）样品位置；（b）典型碎屑锆石阴极发光图像（CL）；（c）锆石稀土元素球粒陨石配分图；（d）Th/U散点图
Figure 3. Basic characteristics of detrital zircons from
(a) sample location; (b) CL image of a typical detrital zircon; (c) chondrite⁃normalized rare earth element (REE) distribution patterns of the detrital zircon; and (d) scatter plot of Th/U
图 4 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段碎屑锆石U⁃Pb年龄分布直方图
Figure 4. U⁃Pb age distribution histogram of detrital zircon in the Bonan Sag (
Fig.4 图 5 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段碎屑锆石U⁃Pb年龄可视化与定量对比
（a）核密度概率估计图（KDE）；（b）累积年龄分布图（CDF）；（c）相似度系数矩阵：数值为相似度系数,数值越大表明样本之间的相似性越高,矩阵颜色越深；（d）视差距离矩阵：数值为视差距离,数值越大表明样本之间的视差距离越大,矩阵颜色越深,相似性则越低；（e）差异系数—视差距离相关图：差异系数与相似度系数呈负相关关系,即差异系数越小,相似度越大；（f）二维定标图（MDS）：实线和虚线分别连接最相似和次相似的样本数据点
Figure 5. Visualization and quantitative correlation of detrital zircon U⁃Pb ages in the Bonan Sag (
(a) kernel density estimates, KDE; (b) cumulative distribution function, CDF; (c) similarity coefficient matrix: the value is the similarity coefficient. The larger the value, the higher the similarity between samples and the darker the matrix color; (d) parallax distance matrix: the value is the parallax distance. The larger the value, the greater the parallax distance between samples. The darker the matrix color, the lower the similarity; (e) difference coefficient⁃Parallax distance correlation: the difference coefficient is negatively correlated with the similarity coefficient, that is, the smaller the difference coefficient, the greater the similarity; and (f) two⁃dimensional metric multi⁃dimensional scaling (2D⁃MDS): solid and dashed lines indicate the closest and second closest neighbors in likeness, respectively
图 6 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段源岩属性判别图
（a）稀土元素球粒陨石配分图；（b）La/Yb⁃ΣREE判别图
Figure 6. Source rock discrimination diagram of the Bonan Sag (
(a) chondrite⁃normalized REE distribution patterns of detrital zircon; and (b) La/Yb⁃ΣREE diagram
图 7 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段砂岩岩石学分布特征
（a）岩屑类型；（b）岩石组分及成分成熟度
Figure 7. Petrological characteristics of sandstones in the Bonan Sag (
(a) debris types; (b) rock composition and compositional maturity
图 8 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段源岩构造背景判别图解
（a）Q⁃F⁃L图解（砂岩）；（b）Th⁃Sc⁃Zr/10图解（泥岩）；（c）La/Th⁃Hf图解（泥岩）；（d）K2O/Na2O⁃SiO2图解（泥岩）；（e）Hf/Th⁃Th/Nb图解（锆石）
Figure 8. Discriminant diagram of the source rock tectonic setting in the Bonan Sag (
(a) Q⁃F⁃L diagram (sandstone); (b) Th⁃Sc⁃Zr/10 diagram (mudstone); (c) La/Th⁃Hf diagram (mudstone);(d) K2O/Na2O⁃SiO2 diagram (mudstone); and (e) Hf/Th⁃Th/Nb diagram (zircon)
图 9 渤海湾盆地及周缘典型锆石U⁃Pb年龄分布直方图
（a）沙垒田地区古近系砂岩（CFD14⁃1⁃1）（据文献[67]修改）；（b）鲁西隆起侏罗系碎屑岩（据文献[68]修改）；（c）北京周口店太平山南坡上古生界岩屑砂岩（据文献[69]修改）（d）华北地块中生界碎屑岩（据文献[74]修改）
Figure 9. Typical zircon U⁃Pb age distribution histogram in the Bohai Bay Basin and its surroundings
(a) Paleogene sandstone in the Shaleitian area (CFD14⁃1⁃1)(modified from reference [67]); (b) Jurassic clastic rocks in the Luxi uplift (modified from reference [68]); (c) Upper Paleozoic lithic sandstone from Taiping Hill in the Zhoukoudian area, Beijing (modified from reference [69]); and (d) Mesozoic clastic rocks in the North China Block (modified from reference [74])
图 10 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段古物源体系发育模式
Figure 10. Development of the ancient provenance system on the Bonan Sag (
Fig.10 表 1 渤海湾盆地渤南洼陷沙四下亚段各年龄区间内谐和锆石颗粒数量及占比
井号 地区 66~252 Ma 252~541 Ma 541~2 500 Ma 2 500~4 500 Ma 数量/颗 占比 数量/颗 占比 数量/颗 占比 数量/颗 占比 KX627 东侧 37 39% 12 13% 28 29% 18 19% Y126 44 56% 17 22% 11 14% 6 8% Y160 45 42% 25 22% 20 19% 17 16% L10 南侧 4 9% 16 35% 16 35% 10 21% XBS1 中部 21 26% 21 26% 20 24% 20 24% 
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