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科研快讯 亚热带构造稳定区山溪性河流入海沉积物组成及输运过程的气候控制:以闽江为例

发布日期: 2020-12-23 阅读次数:
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简星

 

沉积源-汇过程研究对深入了解表生地质过程、物质和能量循环以及追踪全球气候、环境演变历史,均具有重要指示意义。入海河流作为连接陆地和海洋这两大体系的重要纽带,将大陆地表风化作用的产物以泥沙和溶解质的形式带入海洋,是地表物质向海洋迁移的主要途径。

多年观测数据表明,东亚和南亚的中-低纬度地区入海河流输出的泥沙对全球近海沉积物总量具有极为突出的贡献(图1),而且这些热带-亚热带河流的物质输运过程表现出了明显的时空多样性(Milliman & Farnsworth, 2011;Yang et al., 2014;Liu et al., 2016)。东亚和南亚同时也是全球人口密度最大的地区,这些河流的泥沙输运及有关的沉积源-汇过程受到了国内外学者的广泛关注。

图1  全球河流入海泥沙年输出量示意图(Milliman & Farnsworth, 2011)。

1. 东亚河流沉积输运体系类型与特征

东亚的中-低纬度地区存在两种截然不同的河流沉积物输运体系(Yang et al., 2014; Bi et al., 2015),即包括,(1)稳定构造背景下的大河流体系(流域面积大于50万km2),例如长江、珠江、湄公河等(图2a),这些河流具有复杂的流域地形,人类活动影响强烈,因中、下游湖泊和河漫滩的发育,沉积物从源到汇过程具有长时、高通量、多旋回输运的特点(Li et al., 2016);(2)活动构造背景下的山溪性小河流体系(流域面积小于1万km2),如台湾的河流(浊水溪、高屏溪等),流域地表具有容易剥蚀的基岩,常受极端事件(地震、滑坡、台风降雨等)的影响,沉积源-汇过程具有瞬时大通量、快速输运的特点(Kao & Milliman, 2008)。

除此之外,我国东南沿海地区发育的中-小尺度山溪性河流(简称为浙闽河流,例如瓯江、闽江、九龙江等,图2b)也是东亚大陆物质输出的重要途径,虽然处于稳定的构造背景,人类活动频繁,但流域地形与构造活跃区的山溪性小河流类似,并受季风气候和台风天气的影响(图2)。在自然环境变化和人类活动双重胁迫下,其沉积物输运过程及入海沉积物组分的变化规律,目前并不清楚。浙闽河流是否可以归为上述两种河流体系的一种,或是新的类型,有待研究证实。

图2  (a)东亚地区典型河流;(b)浙闽河流分布及地形特点,闽江流域约6.1万km2,流域所处的大部分地区海拔为500–2000米(Jian et al., 2020a)。

2. 闽江流域背景及研究方法

为揭秘以上疑问,本研究选取闽江为研究对象。闽江流域上、下游基岩的岩性和形成时代不同(图3),且降雨具有明显的季节地域差异(图4),是开展近现代短时间尺度沉积物物源示踪研究的理想场所。

具体地说,闽江上游所处的闽西北地区出露大面积的元古界变质地层,闽西南则以古生界沉积地层为主,而中-下游地区主要出露侏罗系-白垩系陆相火山岩系地层(图3)。在亚热带季风气候控制下,入春后冷空气强度减弱并北退,暖湿空气加强并北抬,导致闽西北春季雨量充沛,因此上游的最大降水量分布在每年的3~6 月(图4)。进入夏季后,在西太平洋高压的控制下,台风常在闽东沿海地带登陆,带来的降水持续时间较短、雨量大、强度高,因而中下游的降水量则主要分布在5~9 月(图4)。

图3  闽江流域地质图(Jian et al., 2020a)。

图4  闽江流域降水的时空分布特点(Jian et al., 2020a)。

研究人员在闽江下游近河口段定点采集了不同季节(覆盖整个年水文周期)的河水悬浮颗粒物,作为闽江入海沉积物的代表,同时采集了全流域主要支流和干流的河床沉积物和悬浮物,用于进行入海沉积物的物源对比。基于上述独特的流域地质背景,Sr-Nd同位素可作为示踪闽江细粒悬浮物来源的理想指标,骨架颗粒岩石学和重矿物分析可为河床沙物源研究提供重要数据。此外,还开展了悬浮颗粒物和河床沉积物细组分(<63μm,下同)的涂片分析、X射线粉末衍射矿物组成测定以及元素地球化学研究,为不同季节悬浮物的物源研究提供支撑数据。

3. 闽江流域沉积物地球化学组成的空间差异性

流域不同区域样品的结果正如预期,上、下游支流样品具有截然不同的Sr-Nd同位素组成,与闽江流域地质条件差异相对应,即上游的沉积物样品具有较高的87Sr/86Sr(0.729896–0.743911)和较低的143Nd/144Nd(εNd范围为−13.8 ~ −12.2)同位素比值,而下游的沉积物样品具有较低的87Sr/86Sr(0.714792–0.729398)和相对较高的143Nd/144Nd(εNd范围为−12.6 ~ –10.2)同位素比值(图5)。一些常用来反映沉积物母岩岩性差异的微量元素指标,如Th/Sc、La/Sc、Th/U等元素比值,在上、下游的样品中没有明显差异,但在河床沉积物和悬浮颗粒物之间差别较为显著(图6),这些元素比值可以用来反映闽江入海沉积物中悬浮颗粒物和河床沉积物的贡献比例。

图5  闽江悬浮颗粒物和河床沉积物(<63μm组分)的Sr-Nd同位素特征(Jian et al., 2020a)。

图6  相同站点河床沉积物(<63μm组分)及悬浮物的结构、矿物和地球化学组成差异(Jian et al., 2020b)。

4. 闽江入海沉积物地球化学组成的季节差异性

闽江入海悬浮颗粒物的Sr-Nd同位素和元素组成均具有季节性的变化规律,其中Sr-Nd同位素所指示的物源演变与降雨的季节时空变化相一致(图7),即上游流域降水量大时,闽江入海悬浮物具有更多上游物源的信号,反之亦然。而元素比值数据则体现为枯水期入海沉积物具有更明显的河床端元信号,可能代表着暴露河床沉积物的再旋回搬运过程,丰水期入海沉积物则更多来自上游及各支流携带的悬浮颗粒物(图7图8)。这些结果说明闽江沉积输运过程及入海沉积物组成能快速响应于水文气候变化,具有季节的敏感性,一定程度上也体现了人类活动(如水库大坝、土地利用等,影响输沙通量)对闽江入海沉积物组分的干扰并不明显(例如,Sr-Nd同位素及元素比值变化趋势与水库泄洪周期并没有相关性,图7)。

图7  悬浮物样品的典型元素比值及Sr-Nd同位素组成的季节演变规律(Jian et al., 2020a, b)。

图8  山溪地形和水文变化控制下的枯/丰水期闽江沉积物输运模式图(Jian et al., 2020b)。

5. 闽江河沙的骨架颗粒及透明重矿物

闽江口河沙的骨架颗粒组成除了石英和长石(包括钾长石和斜长石)之外,具有一定的岩屑含量,透明重矿物中石榴石、绿帘石等典型变质成因矿物具有较高的含量(图9),说明上游源区华夏地块前寒武变质地体对现今闽江入海沙质沉积物仍然具有极大的影响,这与前人的碎屑锆石U-Pb 年代学研究结果相一致(Xu et al., 2016)。值得注意的是,闽江河沙总体具有较低的成分成熟度和结构成熟度(图9),可能是泥沙输运快、旋回周期少的结果,这与传统沉积学中所认为的稳定陆块环境中往往产生高成熟沉积物的看法不同。

图9  闽江河沙的骨架颗粒岩石学(a, b)及重矿物分析(c, d)结果(Jian et al., 2020a)。

6. 结论与启示

闽江沉积物粗、细组分的研究结果均显示了气候变化对其入海沉积物组成的主要控制作用。虽然闽江沉积输运体系与构造活跃区山溪性小河流体系具有一定的相似性,但鉴于两者流域基岩及构造背景的差异,这些浙闽山溪性河流可能代表了一种被低估的东亚河流输运体系新类型。

研究以闽江沉积物为代表,显示了浙闽河流入海沉积物组成季节时间尺度的不均一性,事件时间尺度和年代尺度的多样性同样值得关注,这种动态多变的河流入海物质组成势必会影响现代陆-海相互作用及海洋沉积源-汇过程的研究。研究强调了气候因子在亚热带构造稳定区山脉侵蚀作用、沉积输运过程中的重要角色,将今论古,对地质历史时期构造-气候-沉积耦合关系研究也有启示意义。


本文作者为厦门大学海洋与地球学院副教授。本文系作者本人理解与解读,相关问题交流可通过邮箱xjian@xmu.edu.cn与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。

主要参考文献

[1] Jian, X., Zhang, W., Yang, S., & Kao, S.-J. (2020a). Climate-dependent sediment composition and transport of mountainous rivers in tectonically stable, subtropical East Asia. Geophysical Research Letters, 47, e2019GL086150. https://doi.org/10.1029/2019GL086150

[2] Jian, X., Yang, S., Hong, D., Liang, H., Zhang, S., Fu, H., & Zhang, W. (2020b). Seasonal geochemical heterogeneity of sediments from a subtropical mountainous river in SE China. Marine Geology, 422. https://doi.org/10.1016/j.margeo.2020.106120

[3] Bi, L., Yang, S., Li, C., Guo, Y., Wang, Q., Liu, J. T., & Yin, P. (2015). Geochemistry of river‐borne clays entering the East China Sea indicates two contrasting types of weathering and sediment transport processes. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 16(9), 3034–3052.

[4] Kao, S. J., & Milliman, J. D. (2008). Water and sediment discharge from small mountainous rivers, Taiwan: The roles of lithology, episodic events, and human activities. The Journal of Geology, 116(5), 431–448.

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[6] Liu, Z., Zhao, Y., Colin, C., Stattegger, K., Wiesner, M. G., Huh, C. A., Zhang, Y., Li, X., Sompongchaiyakul, P., You, C., Huang, C., Liu, J.T., Siringan, F.P., Le, K.P., Sathiamurthy, E., Hantoro, W.S., Liu, J.G., Tuo, S., Zhao, S., Zhou, S., He, Z., Wang, Y., Bunsomboonsakul, S., Li Y. (2016). Source-to-sink transport processes of fluvial sediments in the South China Sea. Earth-Science Reviews, 153, 238–273.

[7]  Milliman, J. D., & Farnsworth, K. L. (2011). River Discharge to the Coastal Ocean: A Global Synthesis (p. 384). Cambridge University Press.

[8] Xu, Y., Wang, C. Y., & Zhao, T. (2016). Using detrital zircons from river sands to constrain major tectono-thermal events of the Cathaysia Block, SE China. Journal of Asian Earth Sciences, 124, 1–13. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2016.04.012

[9] Yang, S., Wang, Z., Dou, Y., & Shi, X. (2014). A review of sedimentation since the Last Glacial Maximumon the continental shelf of eastern China. Geological Society, London, Memoirs, 41, 293–303.

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