Quantitative analysis methods of source-to-sink systems in deep-time and their progress
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摘要:
源-汇系统研究是构造地质学、沉积学和层序地层学的综合,因其整体性、动态化和半定量-定量的特点受到了广泛关注。首先阐述了目前深时(前第四纪)源-汇系统的关键问题是物质平衡的定量表征及搬运过程对沉积物的控制,由于地层记录缺失和参数获取困难等原因,研究仍极具挑战。随后综述了深时源-汇系统定量分析方法,可分为地质年代学法、将今论古法和沉积学法。各方法通过获取地貌要素、水力学参数、侵蚀速率、沉积通量等信息,建立"源""汇"之间的定量关系,进而重建盆地沉积充填演化史。通过系统介绍不同方法的基本原理、相关参数,对比其优越性及局限性,认为地质年代学法应用较广,核心在于物源示踪;将今论古法关键是地质背景的类比及地质参数的选择;沉积学法受多变量控制,需兼顾构造-气候背景及研究尺度。最后对深时源-汇系统定量分析的发展进行了展望,在"将今论古"这一重要思想指导下,需着眼于物源体系、沉积物搬运路径、沉积物分配关系、系统内的各要素及其耦合作用,需注重多时间尺度的定量表征、多学科交叉的动态研究。而相较于大陆边缘源-汇系统,陆相湖盆源-汇系统模式与预测模型有待进一步完善。
Abstract:Significane The analysis of source-to-sink system is a comprehensive study of tectonic geology, sedimentology, and sequence stratigraphy. Because of its integral, dynamic, and semiquantitative-quantitative characteristics, it has attracted widespread attention.
Progress This review first introduces the key issues of the deep-time source-to-sink systems (pre-Quaternary systems), which include the quantitative characterization of sediment mass balance and the control of the transport process on the sediment. Due to the lack of stratigraphic records and the difficulty in obtaining parameters, the research is still challenging.Second, it reviews the quantitation methods of deep-time source-to-sink systems that can be classified into three categories, namely, geochronology, uniformitarianism, and sedimentology. By obtaining information such as geomorphological parameters, hydraulic parameters, erosion rates, and sediment flux, various methods establish the quantitative relationships between "sources" and "sinks" and then rebuild the sedimentary basin infilling history. This article introduces the principles and related parameters of different methods and then compares the advantages and limitations to provide a reference for future research. It is believed that geochronology is widely used, and the core lies in provenance analysis. The key to uniformitarianism is the analogy of geological background and the selection of geological parameters. The sedimentology is controlled by multiple variables, and the tectonic-climate background and research scale need to be considered comprehensively.
Conclusions and Prospects Finally, this review states the development of quantitative analysis of deep-time source-to-sink systems. Under the guidance of the important idea of "the present is the key to the past", the research needs to focus on the provenance systems, sediment routing systems, sediment dispersal, and redistributive process, and coupling relationship between various parameters. Research also needs to pay attention to quantitative analysis at multiple timescales and multidisciplinary dynamic analysis. Compared with continental margin source-to-sink systems, continental lacustrine source-to-sink system patterns and prediction models need to be further improved.
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Key words:
- source-to-sink system /
- deep-time /
- quantitative analysis /
- mass balance /
- sediment flux
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“源”“汇”的概念最初由MEADE[1]提出并应用于沉积学。美国国家科学基金会(NSF)于1998年将“源-汇系统”列为“大陆边缘科学计划”的一个重要子课题,主要研究构造活动、气候变化等因素对源-汇系统的调节、控制作用及其与沉积记录保存之间的关系[2]。ALLEN[3]提出了“沉积物路径系统”(sediment routing system,简称SRS),强调其与地貌特征的联系,旨在通过对地表动力学过程的理解,揭示深层动力学过程的影响,从而解释整体动力学过程[4-5]。WELTJE[6]提出了“沉积物产生”(sediment generation,简称SG),是物源区沉积物的产生和搬运的动力学过程,旨在通过剥蚀产物成分中的信息重建沉积物扩散系统的演化,预测沉积物总量、组成、结构特征。PAOLA等[7]将“沉积物物质平衡”应用于沉积盆地填充的定量分析,以便于通过地层记录估算沉积通量。此后的研究开始量化和表征不同时间尺度的沉积物物质平衡,通过恢复沉积通量重建古地理、预测沉积体规模[8-10]。
国外学者的源-汇系统研究多聚焦于大陆边缘,近年来,我国学者开始将其研究思路及方法应用于陆相源-汇系统。徐长贵[11]提出陆相断陷盆地源-汇时空耦合控砂原理,有效物源体系、高效汇聚体系和基准面转换体系共同控制了砂体的分布。林畅松等[12]认为内陆湖盆以近源-多源、构造差异活动明显、沉积区范围小、沉积物类型对气候变化响应敏感等为特征。龚承林等[13]比较了不同深水源-汇系统的沉积物搬运分散系统对多尺度气候变化的过程响应,揭示了迟滞和瞬态2种反馈机制。
笔者拟通过梳理国内外源-汇系统相关文献中的定量研究方法,阐述深时源-汇系统的关键问题及定量分析过程中可能产生的误差,通过对比不同方法优越性及局限性,以期为相关研究的方法选择提供参考。
1. 深时源-汇系统的概述
源-汇系统的地貌单元组成包括一系列相互联系的物源区、搬运区和沉积区。按研究时间尺度可划分为现代系统(100~103 a)、第四纪系统(103~2.5×106 a)及前第四纪系统(即深时系统,2.5×106~108 a)[14-15]。
现代和第四纪系统主要受控于海平面变化、气候变化[16]和构造运动[14],其地层记录保存较完整,构造格局、古地貌继承性好,参数获取较简便,因此,国内外学者大多聚焦于此时间尺度。
深时源-汇系统主要受控于长周期的构造运动及重大气候变化[14-15](图 1)。由于物源区保存不完整或根本未保存、边界条件的不确定性及地层记录不完整[17],使得深时源-汇系统的定量分析面临诸多挑战。
1.1 深时源-汇系统的关键问题
深时源-汇系统的一个关键问题是物质平衡的定量表征,体现在各地貌单元之间沉积物侵蚀、搬运和沉积的物质守恒。其中不同风化类型(主要是物理、化学风化)及其产物(颗粒沉积物、溶质)的表现形式有较大差异,物质守恒涉及表现形式的转换[4-5]。现今研究主要通过沉积通量建立联系,侧重于沉积物物质平衡,被ALLEN等[8]称为“Qs问题(sediment supply problem)”。源-汇系统研究的本质是地质信号的提取,分析在不同时间及空间尺度下地质信号的传递及耦合关系[18-19]。解析地球化学信号有较大困难,但有必要将颗粒沉积物与溶质及其他(生物)地球化学信号进行整合解读[15]。实际情况中,受搬运区滞留沉积、沉积区不封闭、沉积物扩散及改造作用等影响,整个源-汇系统过程中沉积通量不可避免地存在差异。沉积物物质平衡的分析重点是对比沉积通量的估算值与沉积区沉积体的发育规模,以建立“源”与“汇”之间的定量关系,完整分析源-汇系统中沉积物的产生、搬运及损失,确定扩散模式及分配过程。定量表征沉积物物质平衡有助于重建古水系和古地貌演化,定量预测沉积物的空间分配与沉积体展布特征。深时源-汇系统无法保存侵蚀区和搬运过程,因此必须通过沉积盆地的地层记录来重建地表沉积通量[15]。
搬运区对沉积物的缓存和分配的控制作用是另一关键问题。搬运区是物源区和沉积区的连接纽带,事实上每个区域均会发生侵蚀、搬运与沉积作用,但通常以一种为主[20],且划分界限是动态变化的[2]。在较短的时间尺度上,沉积物沿搬运路径扩散,中途可在冲积平原卸载沉积;地质历史时期(>106 a)沉积物可能大量搬运到沉积区,也可能永久在搬运区滞留[9]。
1.2 源-汇系统研究的特征
源-汇系统研究是构造地质学、沉积学和层序地层学的综合,因其整体性、动态化和半定量-定量的特点受到了国内外学者的广泛关注[21-26]。
强调研究体系的整体性:研究区域不再局限于沉积区,而是扩展到剥蚀区和搬运区,形成了由物源剥蚀体系、汇聚搬运体系、沉积分配体系构成的成因上有联系的有机组合体。
(1) 动态化的研究思路 通过研究沉积物“剥蚀-搬运-沉积”的整个过程,聚焦“动态化”、“过程化”和“机制化”,重建物源区的演化历史及物源供给响应,重塑沉积物从源到汇的动态过程,解析气候和构造对整个系统的影响,揭示系统内的各主控因素之间的耦合作用,更深刻地揭示沉积成因机制。
(2) 注重半定量-定量分析 为了重塑物源区古地理,形成了地质年代学、地貌学、水力学、沉积学和层序地层学结合的定量研究方法,可获取侵蚀速率、沉积通量等信息。沉积物物质平衡的思路贯穿整个研究过程,使结果更具准确性及预测性。
2. 深时源-汇系统的定量分析方法
沉积区定量分析随着层序地层学、沉积学的发展已逐步完善[27],而物源区、搬运区的定量分析仍在待深入研究[14, 28]。目前深时源-汇系统较成熟的定量分析方法根据原理可归为3类,分别是地质年代学法、将今论古法、沉积学法。
2.1 地质年代学法
地质年代学是深时源-汇系统定量分析最常用的原理之一,主要利用放射性同位素的衰变定律对碎屑矿物进行测年。不同的碎屑矿物和同位素体系,记录了不同的封闭温度范围及冷却年龄[29],可约束地层年龄,恢复古地形,识别潜在物源区、揭示母岩性质,确定造山带抬升剥露的持续时间和速率[30-31],重建物源区构造演化史[32-33]。
最常用的方法是通过对比碎屑矿物年龄分布与潜在物源区母岩年龄,结合区域地质资料,可寻找潜在物源区,判断沉积物搬运路径,从沉积记录中恢复构造运动对盆地充填的控制作用[15](图 2a)。同位素测年法的应用要求物源区由具有不同构造历史、结晶年龄和冷却年龄的岩石组成,且岩石中含有可测年矿物[35]。
图 2 准噶尔盆地西北缘玛湖-中拐地区中二叠统下乌尔禾组沉积区与潜在物源区的锆石U-Pb年代学特征对比a.利用碎屑锆石U-Pb年龄进行物源分析的方法示意图(改自文献[15])。其中,沉积区沉积岩的碎屑锆石年龄分布可与潜在物源区的结晶基底年龄对比,从而确定物源区,同时还可大致判断物源区C的供给影响更大; b.西准噶尔地区潜在物源区岩浆锆石年龄分布特征; c.准噶尔盆地沉积区碎屑锆石年龄分布特征(改自文献[34])Figure 2. Comparison of zircon U-Pb geochronological characteristics between the sink area and potential source area of the Middle Permian Lower Wuerhe Formation in the Mahu-Zhongguai area, northwestern margin of the Junggar Basin笔者利用碎屑锆石U-Pb年代学对准噶尔盆地西北缘玛湖-中拐地区中二叠统下乌尔禾组进行物源分析,并与西准噶尔潜在物源区岩性与年龄特征进行对比分析,示踪物源体系分布,综合分析源-汇系统演化过程。根据构造活动、岩浆作用和地层分布,可将潜在物源区划分为5个单元:西准噶尔北部的扎尔玛-萨吾尔岩浆弧、博什库尔-成吉斯岩浆弧,西准噶尔中部,西准噶尔南部及位于准噶尔盆地西北缘盆地内部的岛弧。总结不同地区已发表的岩浆岩同位素年龄数据,年龄分布具有明显差异(图 2b)。根据沉积区陆源碎屑物质的来源及其沉积范围,下乌尔禾组时期,玛湖-中拐地区沉积物主要来自西准噶尔的临近山系,可划分为四大源-汇系统(图 2c)。其中,玛湖凹陷北部源-汇系统的碎屑锆石年龄主要为二叠纪-石炭纪,由邻近的西准噶尔中部、西准噶尔北部共同提供物源。玛湖凹陷中部源-汇系统的物源最为简单,大部分为二叠纪-晚石炭世的锆石,物源较为局限,主要来自西准噶尔中部。玛湖凹陷南部源-汇系统的锆石年龄单一且集中在石炭纪,志留纪有少许分布,为混源输入,来自西准噶尔中部的沉积物较多,还有少量沉积物来自西准噶尔北部。中拐凸起源-汇系统的锆石年龄分布较广且有多个峰值,同时受西准噶尔中部与西准噶尔南部的影响,且西准噶尔中部的沉积供给多于西准噶尔南部,物源区向西准噶尔南部延伸[34]。
2.1.1 单矿物多重测年法
单一的同位素测年方法具有多解性和不确定性,例如锆石U-Pb年龄无法区分具有相似结晶年龄的不同物源区[36]。因此,对单颗粒碎屑矿物同时采用多种同位素测年,有助于区分较老的剥露区和较年轻的物源区[37]。不同年龄与埋藏历史的时间-温度模型相结合,可以极大地提高单矿物所记录的物源区信息的分辨率,限制造山旋回,提高物源分析的准确性[38]。单矿物多重测年法可重建古水系的连通性和演化史,追踪深时(≥107 a)沉积物供给变化[30, 39-40]。
目前较成熟的方法是单颗粒碎屑锆石U-Pb结晶年龄和(U-Th)-He冷却年龄结合[37, 41-42]。该方法的优点是[42]:①更精确的母岩年龄分布有助于辨别潜在物源区,尤其是区分具不同期次岩浆结晶基底和不同冷却年龄的物源区(图 3);②更好地了解物源区造山带的地质热史;③区分经过多期风化-剥蚀-搬运-沉积的多旋回锆石和仅在最近一次造山运动中遭受剥蚀、初次进入源-汇系统中的单旋回锆石,确定单旋回火成岩锆石的最小年龄,严格限制沉积年龄[37, 40]。
图 3 碎屑锆石(U-Th)-He和U-Pb双重测年法进行物源分析的原理示意图(改自文献[42])图a表示沉积区的碎屑矿物来自1个火山A和4个冷却年龄不同的地形BCDE,每个物源区可能具有相似的U /Pb或(U-Th)-He年龄,但是它们的组合却截然不同。由于地形B和C的U/Pb年龄是无法区分的,因此仅通过结晶年龄无法确定碎屑矿物的来源(相同的结晶年龄,不同的冷却年龄)。类似地,由于地形A和B,D和E的(U-Th)-He年龄相似,因此仅靠冷却年龄无法将A与B、D与E区分。根据图b的双重测年结果可区分所有的碎屑物源来源Figure 3. Illustration of one of the principal motivations behind the development of He-Pb double dating of detrital zircon2.1.2 多矿物组合分析法
碎屑锆石多来自中酸性火成岩且封闭温度较高,无法记录后期构造运动、变质作用及流体活动的信息,给物源区的辨别带来不确定性[35]。因此需要对多种矿物同时开展测年,进一步限定物源区[33]。例如,碎屑独居石对变质作用更敏感,能反映构造事件对矿物颗粒和物源分布的影响,因此利用碎屑锆石U-Pb测年,结合碎屑独居石Th-U-Pb测年,能区分具多组变质带的物源区[43]。
单矿物多重测年法及多矿物组合分析法可获得结晶年龄、冷却年龄、沉积年龄、不同封闭温度及等温面深度之间的时滞tlagA、冷却年龄和沉积年龄之间的时滞tlagB(图 4)[15, 37, 44]。根据理论模型,通过冷却年龄与沉积年龄的时滞的变化可推断造山带剥露速率的变化[31],利用基岩冷却年龄和高程之间的关系可获得平均侵蚀速率[45-46]。
图 4 使用冷却年龄和沉积年龄计算2种不同类型时滞的概念图(改自文献[15])a.矿物颗粒“冷却-剥露-侵蚀-搬运-沉积”的轨迹;b.时滞tlagA是高温冷却年龄(如结晶年龄)和低温冷却年龄之差,代表单个矿物颗粒(如碎屑锆石)从深处结晶后冷却剥露至更浅深度的低温封闭温度等温面;c.时滞tlagB是冷却年龄和沉积年龄之差,表示矿物颗粒从有效封闭温度等温面深度剥露至地表,随后经侵蚀在源-汇系统中搬运并临时储存Figure 4. Conceptual diagrams of two different types of lag times to be calculated with combinations of cooling ages and depositional ages近年来,地质年代学与统计学和数学方法的综合应用有助于重建沉积物搬运路径[47-48]。当样品数量较多时,常用统计学方法对数据体的相似性进行定量分析,例如Kolmogorov-Smirnov检验、Kuiper检验、互相关系数分析、多维定标分析(multidimensional scaling, MDS)等[49-51]。当潜在物源区母岩成分复杂、沉积区为多源多次混合、样品数据量足够时,通过模拟不同物源区对沉积区沉积物的贡献率,将多组计算结果与实际测试结果进行相似性对比,可以确定锆石年龄组合的相关性,从而获得最佳物源混合配比,反映当时物源混合的情况[50, 52-56]。流域面积的差异会导致物源区年龄信号在下游沉积物中的权重表现不同,一定程度上可以反映不同物源区的物源供给比例及相对面积大小[57]。特别地,若物源区和沉积区的样品数据量足够充分(样本量>100)且有代表性,有助于准确解释沉积物来源,从而阐明构造、气候和物源之间的联系[56]。
2.2 将今论古法
现代地貌学、水力学研究可以为深时源-汇系统研究提供一种新的思路,通过将今论古的方法,对物源区侵蚀速率、流域面积、地形高程差及河流输沙量进行定量约束,有利于理解从源到汇的动力学过程,了解区域演化历史和沉积作用机理。
2.2.1 地貌要素比例关系法
地貌要素比例关系法将现代“物源区-搬运区-沉积区”每组地貌单元之间的经验公式应用于深时源-汇系统地貌要素的预测。存在比例关系的地貌要素有很多对,例如河道长度与流域面积[58]、盆底扇面积与陆坡长度[28, 59]、山地流域出口间距与河流长度[60-62]、线性山脉流域出口间距与山脉半宽(主山脉分水岭到山前流域出口的水平距离)[63-64]等。
S∅MME等[65]通过统计不同空间尺度、构造背景、气候特征下的流域面积、陆架长度与宽度、陆坡坡度、盆底扇面积等参数,结合沉积供给量和沉积速率等数据,比较源-汇系统内部和系统之间的地貌学和沉积学要素,建立了现代源-汇系统地貌单元参数之间的比例关系。研究发现流域面积、河道长度分别与陆架面积、陆架宽度相关,盆底扇面积与长期沉积速率和陆坡长度有关,陆坡长度是连接物源区地貌学参数和沉积区沉积物扩散参数的关键参数(图 5)。
图 5 流域、陆架、盆底等地貌要素与陆坡长度的比例关系(改自文献[65])图中源-汇系统为活动大陆边缘或被动大陆边缘系统。从左至右随着空间规模变大,河流系统在整个系统中所占的比例增大,而陆架与陆坡之比则保持相对稳定。垂直虚线代表地貌单元的边界Figure 5. Geomorphological scaling relationships for catchment, shelf, and basin-floor segments relative to slope length地貌要素比例关系法适用于“单一物源区-封闭沉积区”,不适用于具有多个流域的源-汇系统。虽然地貌比例关系的建立依托于现代大陆边缘、山地源-汇系统,但可以推断源-汇系统各段之间的关系在时间和空间上具有全球适用性,可应用于深时源-汇系统[66]。应用时需重新评估经验公式中的比例系数,同时误差会通过比例关系进行累积并放大。此外,现代地球系统处于间冰期、海平面较高,因而在评估冰期或海平面低位的深时源-汇系统时,可信度可能会降低。值得注意的是,地貌单元的边界是动态变化的[2],控制因素的多变性和复杂性会影响源-汇系统内部和相邻的地貌要素的形态和比例关系,所以需要同时考虑构造、海平面和沉积作用[66]。
2.2.2 BQART模型法
学者们一直试图建立沉积通量与地貌、构造和气候之间的联系,对缺乏数据的区域或资料记录以外的年代建立预测模型[67-70]。
SYVITSKI等[71]对近500条现代河流系统进行多元回归分析,得到河口处沉积通量Qs、流量Q、环境参数B(与人类因素、岩性和冰川作用有关)、流域面积A、流域地形最大高程差R、年平均气温T之间的经验公式Qs=0.000 6 BQ0.31A0.5RT(T≥2℃),建立了BQART模型。模型较好地解释了全球96%沉积通量变化,通过沉积通量可有效预测物源区未知的古地貌。
ZHANG等[72]结合BQART模型和蒙特卡罗模拟(MCS),重建了墨西哥湾古新世到始新世的沉积物供给。这一模拟结果和前人利用砂体厚度计算的结果基本保持一致。利用BQART-MCS模型重建的总沉积通量与下游记录的沉积物估计总值都在模型预测的可信范围之内。BQART模型在估算深时洋-陆源-汇系统沉积通量时展现了优势。后续多位学者应用BQART-MCS方法重建了陆相源-汇系统的沉积通量和古地势[61-62, 73-74]。
NYBERG等[70]对BQART模型应用于深时源-汇系统的敏感度和不确定性进行了分析,认为流域面积和地形高程差是最难约束的参数,而温度对沉积通量的估算影响最大。BQART模型更适用于古地理稳定、温度较冷(< 2℃)或较温暖(>8℃)的大陆尺度(>10 000 km2)的源-汇系统,误差范围大约为一个数量级内。流量Q经改进后可建立简化模型RoBART,其中,Ro为地表径流量。
综上所述,BQART模型基于不到30年的悬移质输沙量测量结果建立,因此应用于深时源-汇系统时存在较大挑战:①深时源-汇系统的某些参数(如流域面积、地形高程差、古温度等)获取困难;②在几十年内,现代河流系统可能未发生大规模的沉积物搬运事件,而在深时时间尺度上,地质事件(周期短、强度高的沉积信号)会造成沉积通量急剧增加,导致平均沉积速率骤增[75-76]。地质事件对“搬运区短-沉积区深”的源-汇系统的影响比“搬运区宽”的源-汇系统更大[77]。因此该模型应用于大陆尺度的源-汇系统效果更好[62, 70]。
2.2.3 水力学参数比例关系法
与地貌要素比例关系法类似,水力学参数比例关系法利用现代河流系统各水力学参数之间的线性拟合关系[78],通过地层记录恢复深时源-汇系统参数,估算流域面积、古河道规模及沉积通量(图 6)[79],如流域面积[73]、沉积通量[61-62]、平滩深度[80-81]、粒径[82]、点坝厚度[79]、河床坡度[9]、河道带厚度[83-85]、输沙量等。
图 6 源-汇系统不同构成要素之间的比例关系(改自文献[79])Figure 6. Scaling relationships in modern fluvial systemsXU等[83]对美国墨西哥湾早中新世的冲积平原进行研究,利用地球物理测井测量了河道带厚度和平滩厚度,估算了河道深度和平滩深度,并利用全球现代和第四纪河流数据建立的水力学比例关系,建立了深时流域面积与河道几何参数(如河道深度)之间的比例关系,估算了多条早中新世河流系统的流域面积,证明了点坝厚度与盆底扇长度、扇体面积之间存在比例关系,河道平滩厚度与流域面积的相关性最好,是预测古河道深度和计算流域面积的更优选择。
需要注意的是,水力学参数之间并非简单的对应关系,考虑该方法的应用条件及水力学内在的自然性质,应用到深时地层时涉及诸多不确定性因素,包括河道带厚度的自然变化、河道沉积保存不完整、河道砂体的叠置对单层砂体厚度统计的影响、河道带厚度的主观解释和测量、压实作用、水力学过程的差异、构造和气候变化等。然而,这些不确定性是源-汇系统本身所固有的,并不是研究方法的缺陷。河流沉积特征及几何参数(如河道带厚度)能够应用于物源区记录特征被改造或缺失的地层,预测未保留的流域面积,评价物源区地貌,反映物源区变化。
现代河流的排放量、输沙量与平滩深度、流域面积的关系,随降水量、径流模式、植被覆盖、基岩类型、纬度、地貌和地质条件的变化而变化[76],即不同流域具有不同的区域水力学几何曲线。针对水力学比例关系的不确定性,为了减小现代经验公式应用于深时源-汇系统产生的误差,DAVIDSON等[82, 86]考虑古气候、古纬度、古地理和古水力学过程的差异,对深时河流系统(如泥盆纪老红砂岩组)进行研究,筛选具有类似环境条件的现代河流系统,建立最匹配的区域水力学几何曲线,流域面积估算结果与露头重建结果有很好的一致性,表明使用特定地区的水力学几何曲线能有效重建古代河流系统。在统一且稳定的构造和气候条件下,该方法适用于小型盆地,但尚未在跨越不同气候、构造、地形、岩性和地貌带的被动大陆边缘中得到验证。
2.3 沉积学法
从沉积学、层序地层学的角度出发,基于沉积地层的特征分析,通过支点法、物源分析法和地层沉积通量法等方法可估算沉积通量,进而预测沉积体规模。
2.3.1 支点法
支点法利用主干河道的沉积特征和几何参数,结合其他水力学参数,估算流域面积和地形高程差、搬运和沉积的沉积量,计算物源区供给速率[9, 80, 87-89]。
支点法的理论基础是沉积物物质平衡,即一定时间内,搬运区主干河道任意横截面的沉积通量与物源区的沉积供给量、沉积区的沉积量相等。源-汇系统中的绝大部分沉积物都是经由最大规模的主干河道搬运的,因而主干河道起着“支点”的作用,可用来平衡物源区、搬运区和沉积区之间的总质量[17, 79]。
SHARMA等[88]利用野外实测数据获取了白垩系砂岩中主干河道的几何参数(如,平滩深度、平滩宽度等)和沉积特征,利用水力学公式及比例关系估算古坡度、流动速度等参数[87],并根据上述参数计算瞬时古流量和输沙量,进而估算沉积通量。
支点法的研究对象需要具备识别和描述主干河道的条件,且能够与下游的沉积层序关联。支点法无需考虑物源区性质,不关心支点上游的沉积通量,不要求封闭的沉积区。相较其他方法,支点法所需参数获取较简便,操作性较强。
然而,支点法也涉及多种不确定性因素。从工作流程的角度,影响输沙量估值准确性的主要因素包括野外测量的误差、估算水力学参数的方法、古地貌动力学分析、现代经验公式的适用性、地层记录持续时间的估算等。从方法应用条件、研究对象本身的角度出发,缺少地貌和气候信息(特别是洪水事件影响年总输沙量),缺乏对流域面积和沉积物搬运路径的认识,Sadler效应使沉积区保留的沉积量与物源区的沉积供给量的比值较低[90](在米兰科维奇旋回的时间尺度下,沉积物有效堆积率平均值为10%~20%)。另外,从方法设计原理的角度,简单地把瞬时沉积通量累加以估算长期沉积通量也可能不具可行性,通过衡量短期高强度沉积物搬运的峰值浓度在年总输沙量中的占比,假设了一个恒定的年平均输沙量[91]。这些因素共同制约了沉积通量计算的准确性。
HOLBROOK等[87]通过蒙特卡罗模拟对主要变量的敏感性进行分析,显示误差最大的是瞬时输沙量向年平均输沙量的转换,可达一个数量级(图 7)。年平均输沙量的估算取决于洪水事件的持续时间、回落期长短、发生频率、沉积物搬运能力,还有沉积物供给、流域面积、河流扩散能力、河流的流动状态以及高速水流的频率和强度。在深时源-汇系统内洪水等地质事件难以通过现代系统的类比进行约束。
图 7 支点法误差因子和不确定性因素的旋风图(改自文献[87],误差因子是极值与均值的比值)Figure 7. Tornado chart indicates the magnitude of errors and uncertainties in the fulcrum approach2.3.2 物源分析法
作为沉积通量变化的指标,沉积物可提供物源区的第一手信息[92],是构造和气候控制的侵蚀和沉积的响应。物源分析涉及沉积物的矿物学、岩石学、地球化学特征,通过与潜在母岩的对比,厘清沉积路径、搬运距离和物源区性质[93],重建古地理格局[94],解释沉积-构造响应关系[15],是源-汇系统研究中不可或缺的部分。
物源分析研究出现较早,更多关注较长时间尺度的地质记录,研究重点在物源区、沉积区2个地貌单元。研究方法包括碎屑成分分析(砾石成分、砂岩组分)、全岩地球化学分析(主量元素、微量元素、稀土元素、同位素)、矿物学分析(轻矿物、重矿物组合[95]、单矿物地球化学[96-97])等。不同的物源分析方法各有优劣,采用单一研究方法时,沉积环境、搬运作用、埋藏成岩作用、化学风化、沉积再循环等因素可能对解释结果造成影响,而多元化的分析手段能够排除多解性、不确定性,重建较高分辨率的物源演化史、古水系分布[22, 47, 98]。
总体而言,物源分析逐渐由“单方法”过渡到“多方法综合应用”,从“确定沉积物来源”过渡到“恢复物源区古地理演化”。
2.3.3 地层沉积通量法
沉积速率能够反映物源区沉积物的产生情况,当已知沉积持续时间时,利用沉积物体积可估算物源区侵蚀速率[14]。
PETTER等[99]介绍了一种通过层序地层学估算陆坡沉积通量的反演方法(图 8)。陆坡地层保留了沉积物对盆地沉降和海平面变化的响应及陆坡向盆内进积的轨迹。几何形状固定的陆坡的迁移速率等于沉积速率。因此,可以根据陆坡的迁移速率、地层沉降速率、海平面变化速率和陆坡地形来估算沉积通量。
图 8 地层沉积通量法估算陆坡沉积通量的流程图(改自文献[99])P为进积速率;A为沉积速率;公式内T为沉积时间;L为陆坡沉积的总长度;T0为陆坡远端尖灭处的陆坡厚度;图表中T为陆坡厚度;xd为陆坡远端尖灭处的距离;qs为沉积通量;η为陆坡的高度Figure 8. Calculation steps during the sediment flux estimation of the shelf-edge该方法仅需二维地层剖面就可估算三维体积[100],可以预测数据范围之外的沉积通量,因此非常适合数据和露头资料受限或面积有限的研究区。许多学者利用地层资料恢复深时源-汇系统的沉积通量和侵蚀速率[9, 101]。
利用陆坡地层计算沉积通量时,有一定的局限性[99]:①陆坡地形参数的误差和持续时间的测算具较大不确定性,且在较长的时间尺度内,利用地层记录计算所得的沉积速率远小于短期沉积速率的现象(即“Sadler效应”)不可避免[25, 102];②仅适用于构造稳定且陆坡地层叠置样式自相似的情况;③无法估算沉积物过路大陆边缘时的沉积通量。
3. 讨论
3.1 深时源-汇系统定量分析方法的选择
通过物源区的供给量和沉积区的沉积量来表征深时源-汇系统的沉积物物质平衡是当今研究的理论重点和定量分析方法的主要目的[4, 8]。在本研究的例子中,沉积通量的计算和沉积物体积的测算存在显著的一致性,表明源-汇系统的定量分析方法是可靠的且可以应用于深时源-汇系统。古地理重建与物源供给研究需要对沉积区资料进行反演,相关的研究方法较为丰富。潜在物源区的母岩性质可通过物源分析法获得,物源侵蚀速率可通过地质年代学方法获得,古流域的水系几何形态、流域面积、地形高程差等古地理要素可通过沉积体积回填[61, 103-104]、地貌要素比例关系法[61, 63, 65-66, 105]、BQART模型法[61, 71-73]、水力学参数比例关系法[61, 73, 79, 83-84, 106]等方法获得,搬运区的沉积路径可通过物源分析法、沉积相变及高精度地震解析获得,沉积通量可通过BQART模型法、水力学参数比例关系法、支点法[9, 80, 87-88]和地层沉积通量法[99, 101]测算。
BREWER等[10]应用3种不同方法对始新世前陆盆地及第四系裂谷盆地的沉积物通量进行了估算。研究认为BQART模型法需要输入古气候和古流域参数,而沉积通量对流域面积、温度和降水等古气候参数最敏感,因此该方法应用于深时源-汇系统时,不确定性较大。支点法需要输入水力学参数,而沉积通量对古河道尺寸(特别是平滩持续时间)敏感,在深时源-汇系统中,总是很难精确约束相关参数,因此该方法会导致沉积通量的估算范围增大。当深时源-汇系统的各地貌单元可识别时,地貌要素比例关系法的精度较高,可达数量级,但当源-汇系统的规模较小时,该方法的误差较大。
“将今论古”是深时源-汇系统研究的重要手段,如地貌要素比例关系法、BQART模型法、水力学参数比例关系法等由现代系统得出的理论认识及经验关系,能够为重建深时源-汇系统的沉积通量、地形高程差、流域面积、水力学参数和温度等提供重要线索。同时“将今论古”方法应用于深时源-汇系统具有类似的局限性:主要受构造和气候等因素的影响,且无法衡量在深时尺度下,地质事件对物源区沉积供给量、河流搬运能力的影响。因此在厘清物源区、沉积区基本情况前,不能直接僵化套用现代系统的经验公式。如第2.2.3节提到的事例,“区域水力学几何曲线”在“水力学参数比例关系法”的基础上对古气候、古纬度、古地理和古水力学过程进行约束,是对“水力学参数比例关系法”的拓展延伸。
总结3类方法后,深时源-汇系统的定量分析流程大致如图 9所示。选择方法时,应考虑研究区地质资料的获取度、地层记录的保存程度、所需参数类型及数据精度,根据研究目的及需求、分析方法的优越性及局限性(表 1),为特定的源-汇系统选择估算沉积物通量的方法,最后需要进行误差分析并估算误差范围,评估沉积物物质平衡。最常用的评估沉积物物质平衡的方法是,对比分析从物源区搬运到沉积区的沉积通量和沉积区的沉积量。在深时源-汇系统输入参数高度不确定的情况下,可以假设不同变量的概率分布形态,利用蒙特卡洛模拟计算沉积通量的概率分布,进行误差分析[10]。通常情况下,不同方法误差大致为一个数量级内。通过沉积正演对沉积体系及其沉积过程进行模拟,探讨影响因素的控制作用,或验证沉积理论的假设[107]。
表 1 深时源-汇系统要素的定量分析方法总结Table 1. Quantitation methods of source-to-sink system parameters in deep time具体来说(表 1),当研究对象为空间尺度较大的源-汇系统时,除水力学参数比例关系法(尤其是区域水力学几何曲线) 外,其他方法在深时系统中均有较好的应用。当源-汇系统的空间尺度较小时,BQART模型法、地貌要素比例关系法误差较大,可考虑采用其他方法。若不确定源-汇系统是否封闭或地貌单元难以厘定时,不建议采用地貌要素比例关系法。当古河道参数易于获取且精度较高时,水力学参数比例关系法、支点法能够取得较好效果。若采用地层沉积通量法,要求陆坡地震剖面具有较高精度,且通常无法估算过路不沉积的沉积通量,致使估算值偏小。物源分析法及地质年代学法是源-汇系统研究中应用最广泛的方法之一,常常服务于“物源区-搬运区-沉积区”的衔接、匹配,在选择具体实验方法时,需要考虑研究目的、时间尺度及测年精度、样品岩性。
三大半定量-定量分析方法,总体来说,地质年代学法的核心在于物源示踪,多侧重于物源方向与物源体系转换时间点的判断,但对混源比例及沉积物物质平衡的表征有限[108];将近论古法相对可行、可信,关键在于地质背景的类比、地质要素选择的合理性与有效性;沉积学法较为直接,受多个沉积变量的控制,因此地质参数的选取及组合的有效性需兼顾构造-气候背景及研究尺度。
3.2 大陆边缘与陆相湖盆源-汇系统的对比
通常来说,大陆边缘源-汇系统的地貌单元、沉积体系规律性较强,“物源区-搬运区-沉积区”分区较为明显[109-112],地貌主要受板块运动控制,沉积区呈现台阶状多级分布;空间尺度、时间尺度较大,搬运距离较长[22],物源区对沉积区的影响经由搬运区对沉积物的缓存和分配作用进行控制调节;沉积物搬运分散过程主要受到可容纳空间的驱动,而海平面主要受全球气候控制,通常对多尺度气候变化的过程响应迟滞[13]。
而陆相源-汇系统的地貌单元、沉积体系呈现多样性,地貌主要受局部构造背景控制,物源区山脉走势决定流域总体特征,“物源区-搬运区-沉积区”的分区较为模糊,呈现多级次复合源-汇系统[113],单源多源-单汇多汇混杂分布[22];空间尺度、时间尺度较小,搬运距离较短,搬运区较为局限[13],因此沉积物搬运分散过程对物源供给更为敏感,沉积区常由物源区直接控制;局部气候、区域内降水及物源区特征控制湖平面波动,湖平面被动变化,断陷湖盆对多尺度气候变化呈瞬态响应[13]。
上述深时源-汇系统定量分析方法在大陆边缘有较好的应用,近年来,我国部分学者将其应用于陆相盆地。张自力等[81]、LIU等[85]、刘炳强等[89]、XU等[114]、LI等[115]尝试利用水力学参数比例关系法及支点法对深时陆相湖盆源-汇系统的沉积通量进行定量估算。WANG等[61]、王学天等[62]、TAN等[73]、王新航等[74]通过BQART模型重建陆相盆山源-汇系统的沉积通量,重建古地貌格局。
通过对现代大陆边缘源-汇系统的研究,关键地质参数之间存在规律性吻合较好的经验公式和预测模型。对于陆相湖盆源-汇系统,现研究多聚焦于地质要素的刻画及多元统计分析,以便更好地揭示盆地地质演化和沉积动力学过程。LIU等[116]通过地震相计算了古近纪渤海湾盆地古斜坡参数和沉积通量,并综合多元信息对沉积体系的主控因素进行分析。LIU等[117]后续对断陷湖盆构造活动强度与源-汇系统参数进行了定量计算,揭示了两者之间的内在联系及构造活动控制下的源-汇系统发育样式。谈明轩等[118]通过地层正演数值模拟对陆相湖盆的层序地层发育样式及地貌演化、沉积物通量变化等进行了定量表征,以评估沉积体系的控制因素。LIU等[119]定量探讨了始新世渤海湾断陷盆地控制因素的相关性和重要程度,如构造沉降速度、流域面积、地形高程差等,重建了扇三角洲的沉积物扩散模式。LIU等[120]以位于亚热带的全新世洱海盆地和始新世渤海湾盆地为研究对象,建立了不同基岩类型条件下的断陷湖盆源-汇系统模式。
4. 展望
(1) 完整的源-汇系统分析需着眼于物源体系、沉积物搬运路径、沉积物分配关系、系统内的各要素及其耦合作用,需注重多时间尺度的定量表征、多学科交叉的动态研究。
(2)“将今论古”是深时源-汇系统的重要思想指导,其关键在于细化约束条件以进行古今对比,即类比、构建现代源-汇系统地质要素的多元统计数值模型,对深时源-汇系统的研究提供指导。因此,深时源-汇系统的研究过程是古物源、古地貌、古地势、古气候、古流域、古水系、古岸线、古水深、古环境等多参数的定量化分析,地质学、地貌学、气候学、水力学、计算机科学及统计学等多学科的融合,定性、定量等多维度多方法的交叉。深时源-汇系统较现代和第四纪系统有待更进一步研究。
(3) 源-汇系统是一个动态变化的整体,因此用静态的古地理重建较长地质时间内的古地理并估算平均沉积物供给速率的思路和方法,不足以反映源-汇系统的演化过程,亟需在此方面进行攻关。地质演化(特别是动态的沉积物供给)受地质事件的影响较大,对时间尺度超过106年的沉积供给量进行平均,显然无法捕获短期内供给量的波动变化。
(4) 三大地貌单元“物源区-搬运区-沉积区”经由沉积物物质平衡互相联系,因此如何更好地将古物源区、搬运区的信号传播、沉积区保存的地层联系起来仍然是一个挑战。地层记录的形成受构造运动、气候条件及水平面变化影响,源-汇系统与地球动力学结合,能更好地将构造过程与沉积记录耦合在一起。
(5) 研究常通过建立源-汇系统关键地质参数之间的耦合关系,对主要控制因素进行反演解读,以探讨“构造-气候-沉积”的响应过程及动力学机制,因此需加强与正演模拟相结合的动态化研究。数值模拟和物理模拟有助于厘清“剥蚀-搬运-沉积”过程的耦合模式及系统驱动机制。数值模拟以相对真实的沉积背景为约束条件,综合参数进行模拟计算,并利用结果来验证认识的正确性。基于几何模型、扩散模型和流体流动模型的地层正演模拟可预测沉积体的分布模式,重建沉积区古地理。
(6) 内陆湖盆源-汇系统存在多个物源供给、沉积物混合的问题,复杂的构造背景及沉积体系使研究难度更高。当前研究多聚焦于大陆边缘源-汇系统,对陆相湖盆源-汇系统的定量研究仍较为匮乏,常以某一时期某个陆相湖盆为研究对象,利用多元数值统计学方法构建各系统要素之间的关系,尚未建立成熟的研究方法和通用的源-汇系统模式与预测模型,地质参数数据库还需要进一步完善。
所有作者声明不存在利益冲突。 -
图 2 准噶尔盆地西北缘玛湖-中拐地区中二叠统下乌尔禾组沉积区与潜在物源区的锆石U-Pb年代学特征对比
a.利用碎屑锆石U-Pb年龄进行物源分析的方法示意图(改自文献[15])。其中,沉积区沉积岩的碎屑锆石年龄分布可与潜在物源区的结晶基底年龄对比,从而确定物源区,同时还可大致判断物源区C的供给影响更大; b.西准噶尔地区潜在物源区岩浆锆石年龄分布特征; c.准噶尔盆地沉积区碎屑锆石年龄分布特征(改自文献[34])
Figure 2. Comparison of zircon U-Pb geochronological characteristics between the sink area and potential source area of the Middle Permian Lower Wuerhe Formation in the Mahu-Zhongguai area, northwestern margin of the Junggar Basin
图 3 碎屑锆石(U-Th)-He和U-Pb双重测年法进行物源分析的原理示意图(改自文献[42])
图a表示沉积区的碎屑矿物来自1个火山A和4个冷却年龄不同的地形BCDE,每个物源区可能具有相似的U /Pb或(U-Th)-He年龄,但是它们的组合却截然不同。由于地形B和C的U/Pb年龄是无法区分的,因此仅通过结晶年龄无法确定碎屑矿物的来源(相同的结晶年龄,不同的冷却年龄)。类似地,由于地形A和B,D和E的(U-Th)-He年龄相似,因此仅靠冷却年龄无法将A与B、D与E区分。根据图b的双重测年结果可区分所有的碎屑物源来源
Figure 3. Illustration of one of the principal motivations behind the development of He-Pb double dating of detrital zircon
图 4 使用冷却年龄和沉积年龄计算2种不同类型时滞的概念图(改自文献[15])
a.矿物颗粒“冷却-剥露-侵蚀-搬运-沉积”的轨迹;b.时滞tlagA是高温冷却年龄(如结晶年龄)和低温冷却年龄之差,代表单个矿物颗粒(如碎屑锆石)从深处结晶后冷却剥露至更浅深度的低温封闭温度等温面;c.时滞tlagB是冷却年龄和沉积年龄之差,表示矿物颗粒从有效封闭温度等温面深度剥露至地表,随后经侵蚀在源-汇系统中搬运并临时储存
Figure 4. Conceptual diagrams of two different types of lag times to be calculated with combinations of cooling ages and depositional ages
图 5 流域、陆架、盆底等地貌要素与陆坡长度的比例关系(改自文献[65])
图中源-汇系统为活动大陆边缘或被动大陆边缘系统。从左至右随着空间规模变大,河流系统在整个系统中所占的比例增大,而陆架与陆坡之比则保持相对稳定。垂直虚线代表地貌单元的边界
Figure 5. Geomorphological scaling relationships for catchment, shelf, and basin-floor segments relative to slope length
图 6 源-汇系统不同构成要素之间的比例关系(改自文献[79])
Figure 6. Scaling relationships in modern fluvial systems
图 7 支点法误差因子和不确定性因素的旋风图(改自文献[87],误差因子是极值与均值的比值)
Figure 7. Tornado chart indicates the magnitude of errors and uncertainties in the fulcrum approach
图 8 地层沉积通量法估算陆坡沉积通量的流程图(改自文献[99])
P为进积速率;A为沉积速率;公式内T为沉积时间;L为陆坡沉积的总长度;T0为陆坡远端尖灭处的陆坡厚度;图表中T为陆坡厚度;xd为陆坡远端尖灭处的距离;qs为沉积通量;η为陆坡的高度
Figure 8. Calculation steps during the sediment flux estimation of the shelf-edge
表 1 深时源-汇系统要素的定量分析方法总结
Table 1. Quantitation methods of source-to-sink system parameters in deep time
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