中国长江的新近纪演化：基于定量碎屑锆石铀-铅（UPb）来源建模的约束

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Cenozoic evolution of the Yangtze River, China: Constraints from quantitative detrital zircon UPb provenance modeling

　　

宋奇奇|胡杰|李志武|胡胜彪|唐蓉|魏成豪|张天尧

中国四川省成都市成都理工大学油气水库地质与开发国家重点实验室，邮编610059

摘要

东海陆架盆地（ECSSB）作为东亚大陆边缘的主要新生代沉积中心，保存了来自长江及其相邻构造区域的长期沉积物供应。为了重建长江系统的来源演变，我们汇编了从古新世到第四纪ECSSB沉积物中的碎屑锆石U-Pb数据集，以及来自30个现代河流样本的2385颗锆石颗粒。我们应用了两步贝叶斯跨维度混合模型结合约束优化方法，定量解析了长江地块、华夏地块和朝鲜半岛的贡献。研究结果揭示了长江的多阶段整合历史：最初的三峡地区侵蚀始于始新世-渐新世，随后长江地块的贡献逐渐增加；第二次重大重组发生在上新世晚期，西部来源的年龄成分显著增加，表明上游与下游之间的完全连通性建立。这些来源转变反映了青藏高原抬升、秦岭-大别山剥露以及亚洲季风环流加剧的耦合影响，共同驱动了中国东部的排水系统重构和沉积物路径变化。这些发现为长江系统的逐步整合提供了新的时间约束，并深入揭示了东亚大陆边缘的构造-地貌耦合机制。

引言

作为世界主要河流之一，长江在连接构造活跃的青藏高原与西太平洋方面起着关键作用（Gourbet等，2020；Xu等，2020）。其形成和演化历史与青藏高原的逐步抬升（Clark等，2004；Clift等，2008；Zheng等，2013）、亚洲季风系统的加强（Lin等，2024；Nie等，2007；Wang，2004）以及东亚边缘盆地的构造重组（Clift等，2020；Fu等，2021；Zhu等，2020）密切相关。东海陆架盆地（ECSSB）位于欧亚大陆的东南边缘（图1a），是新生代期间接收长江及其相邻地块碎屑沉积物的主要沉积中心（Wang等，2017；Zhu等，2024）。其保存完好的沉积记录为研究长江演化提供了重要依据，并有助于理解东亚地区的构造-气候耦合关系（Zhang等，2021；Zhao等，2024）。

尽管通过碎屑锆石U-Pb地质年代学、粘土矿物组合和同位素地球化学取得了显著进展，但长江系统最终整合的时间仍存在争议（Barbour，1936；Guo等，2024；Yang等，2019；Yang等，2024）。对比ECSSB与潜在上游来源地区的碎屑锆石年龄谱表明，长江物质可能早在渐新世就已到达东海（Zhang等，2021）。然而，江汉盆地的地球化学和矿物学证据支持更晚的整合时间——可能直到更新世早期（Li等，2021）。此外，玄武岩Ar-Dating与碎屑锆石来源分析的结果表明，长江可能在上新世早期就已经形成了类似现代系统的排水格局（Zheng等，2013）。综合钾长石Pb同位素和锆石U-Pb数据，三峡地区的贯通发生在上新世晚期至更新世晚期（Sun等，2021；Zhang等，2021）。

为了更精确地约束长江系统的沉积和地貌演化，本研究整合了ECSSB从古新世到第四纪沉积物中的碎屑锆石U-Pb年龄数据（Cui等，2024；Fu等，2022；Fu等，2024；Huang等，2020；Xu等，2017；Xu等，2025）（表S1），并结合贝叶斯跨维度混合模型（Hu等，2023；Jasra等，2006）进行分析。数据集包括来自该盆地的23个已发表的沉积物样本和来自长江流域及相邻构造单元的30个现代河流样本，使我们能够定义对应于长江地块和华夏地块的锆石年龄范围，并重建自晚始新世以来的相对贡献。通过将这些源-汇记录与概率模型相结合，我们的结果揭示了长江系统的逐步整合过程：最初的三峡地区侵蚀始于始新世-渐新世，而上游与下游的完全连通以及第一弯道的形成则发生在上新世晚期。观察到的来源转变进一步反映了构造抬升（如青藏高原增长和秦岭-大别山剥露）与亚洲季风相关的气候演变的共同影响。这些模式表明，渐新世之后河流侵蚀逐渐增强，最终在更新世形成了接近现代的长江系统。

章节摘录

长江

长江是东亚最大的河流系统，长度约为6300公里，流域面积约为1.8×10^6平方公里（Hao等，2023；He等，2013）。其流域涵盖了多个主要构造单元，包括青藏高原、秦岭-大别造山带、长江地块和华夏地块（He等，2014；Liang等，2018）。这些构造单元记录了不同的岩浆活动、变质作用和地壳演化历史（图1b）。

潜在来源区域数据

本研究分析了从长江八大主要支流采集的20个现代河沙样本（图1a；表S1）。这些支流被选为可能来自长江流域不同地质区域的碎屑物质代表。数据集包括来自湘江、赣江和沅江的样本，这些河流流经与华夏地块相关的区域；汉江流经秦岭-大别造山带；吴江流经……

方法

本研究采用两阶段建模流程，基于碎屑锆石U-Pb年龄谱反演沉积物来源贡献。该方法结合贝叶斯框架和优化算法，实现对复杂沉积系统的动态定量反演。具体步骤如下：

阶段1：年龄谱分解和来源特征建模。

使用贝叶斯跨维度混合模型……

古新世-渐新世

古新世至渐新世的来源特征表明，这一时期的沉积物输送主要依赖于区域性的系统，而非完全连接的长江主干。古新世期间，以华夏地块和古元古代基底成分为主的锆石年龄群体表明，沉积物主要来源于相邻的大陆区域，这与裂谷盆地条件一致。

结论

本研究利用ECSSB的碎屑锆石U-Pb数据结合贝叶斯混合模型和约束优化方法，重建了长江的新生代演化过程。研究得出以下结论：

(1)

逐步排水整合：长江通过多阶段整合逐渐发展。有效的向东排水连通性在始新世-渐新世期间建立。

CRediT作者贡献声明

宋奇奇：软件开发、资金获取、数据管理、撰写与审稿编辑、初稿撰写。胡杰：监督指导、软件应用、方法论设计、概念构建、撰写与审稿编辑。李志武：数据验证、调查分析、概念构建、撰写与审稿编辑。胡胜彪：监督指导、软件支持、资源协调、概念构建、撰写与审稿编辑。唐蓉：数据验证、软件应用、撰写与审稿编辑。魏成豪：

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42302342、42074096）、四川省科学技术厅（编号：2025ZNSFSC1167）以及山东省自然科学基金（编号：ZR2024QD285）的财政支持。

未引用文献

《Mar. Pet. Geol.》，2024

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢Choi Taejin博士提供来自朝鲜半岛河流沙子的碎屑锆石U-Pb年龄数据，以及张 Xia博士分享的钱塘河沉积数据。同时，我们也感谢Liang Zheng-Wei、He Mengying、Yang Shouye和Li Xiaocong博士对长江支流碎屑锆石分析的贡献。此外，还要感谢Fu Xiaowei、Huang Xiangtong、Xu Huaizhi、Xu Changhai和Cui Yuchi博士在研究工作中的系统支持。