山东青州黄土的地层年代及其物质来源研究-彭淑贞

山东青州黄土的地层年代及其物质来源研究＊彭淑贞1,2,　朱丽君2,　肖国桥3,　乔彦松4,　高志东2,　陈栋栋2(1　泰山学院旅游与资源环境学院,山东　泰安　271021;　2　山西师范大学城市与环境科学学院,山西　临汾　041000;3　中国地质大学生物与环境地质教育部重点实验室,湖北　武汉　430074;　4　中国地质科学院地质力学研究所,北京　100081)摘　要:　为探讨山东青州黄土的地层年代,对傅家庄黄土剖面进行了系统的磁性地层学研究,并对剖面上部进行了光释光测年和粘土矿物分析。结果表明:青州黄土发育的年代未达到布容/松山界限,结合光释光测年推断,其底界年龄大致在500前后,与长江下游地区的下蜀黄土起源时代接近,均对应于中更新世全球急剧变冷的时期;粘土矿物的分析结果进一步支持青州黄土主要来源于冰期裸露的渤海湾陆架和黄泛平原的松散堆积物。上述结果表明,青州黄土的起源时代不仅与区域性环境条件有关,而且与中更新世以来全球环境变化的背景具有密切联系。关键词:　黄土;磁性地层学;沉积学;物源;青州中图分类号:　931.6　　　文献标识码:　　　文章编号:1000-6060(2010)06-0947-07(947～953)　　中国黄土大致沿昆仑山、秦岭以北,阿尔泰山、阿拉善和大兴安岭一线以南分布,构成北西西-南东东走向的黄土带〔1-2〕。位于黄土带东端的山东地区也普遍发育黄土,按其分布的地貌特征,该区黄土可分为两大部分:渤海湾滨海与岛屿区和鲁中山前区〔3-8〕。其中,鲁中山前黄土呈近东西向沿鲁中山地北麓坡地分布,这些地区黄土的堆积厚度不一,多在30以内,其中以青州一带出露厚度最大,保存较完整,研究程度亦最高〔4-8〕。迄今为止,对青州一带黄土的成因、时代和物源方面已取得了一批重要研究成果〔4,6-8〕。野外观察和系统的沉积学分析证实了青州黄土的风成成因〔6-8〕。但对于青州黄土的年代学研究,由于使用的测年手段不同,已有的测年结果存在很大差异〔4,6〕。另外,对于青州黄土的物源目前比较一致的观点是主要来自冰期裸露的渤海湾陆架和黄泛平原的松散堆积物,其次是来自西北内陆荒漠区的远源粉尘〔3-8〕。但这种看法主要是来自沉积学方面的证据,其它方面的证据还没有报道。针对上述问题,本文选择山东青州傅家庄黄土剖面为研究对象,采用磁性地层学和光释光年代学对其起源时代进行了研究,并结合粘土矿物分析和已有沉积学研究〔6,8〕对该区粉尘堆积出现所指示的环境意义进行了初步探讨。1　研究区概况与剖面特征青州市位于山东半岛的中西部,属于暖温带半湿润区,年均气温为12.7℃,年均降水量为750,冬季盛行西北风,夏季盛行东南风。青州地区黄土分布于鲁中山地北麓坡地与鲁北平原的交接地带。研究剖面位于青州市西南2处的云门山下傅家庄西沟(36°40′,118°27′)(图1),为直立黄土崖,厚约28.2,下伏河流相冲积砂。清除露头的0.5～1的风化表层后,对剖面进行了详细的地层描述,按照地层特征可将该剖面自上而下划分为四段:(Ⅰ)现代耕作层,厚约0.85;(Ⅱ)全新世黄土,根据土壤发育特征可分为三层,上下两层为暗棕色土壤层,中间为颜色稍浅的黄土层,粘土质粉砂,虫孔、根孔较发育,厚约2.45;(Ⅲ)马兰黄土,浅黄色,粉砂质,垂直节理发育,零散分布着直径为1左右的钙质结核,厚约3.7;(Ⅳ)红棕色土壤和浅红棕-浅黄色黄土交替第33卷　第6期2010年11月　　　　　　　　　　　　干旱区地理　　　　　　　　　　　　　　.33　.6.　2010＊收稿日期:2009-11-21;　修订日期:2010-04-19基金项目:国家自然科学基金(41072260和40402026)作者简介:彭淑贞(1974-),男,博士,主要从事土壤学与全球变化研究.-:@...层,黄土层和古土壤层颜色反差不如黄土高原第四纪黄土和古土壤特征显著,但在野外大致可以识别出12层土壤和12层黄土,其中7.05～8.8、15.3～15.9和20.2～20.7的土壤层颜色发育较深,在野外最容易识别;另外,在15.9～16.2之间存在一些2的基岩颗粒,这可能是片流作用从附近基岩高地带来的碎屑物质。图1　研究剖面的地理位置(根据文献〔7〕修改).1　(〔7〕).2　样品采集与实验分析2.1　古地磁样品采集与测试对青州一带黄土剖面进行详细的野外考察基础上,2007年3月我们对研究剖面以5间距采集散样564个磁化率测试,以30间距采集古地磁定向样品92块用于磁性地层研究。在室内,将所有散样自然风干后采用2型磁化率仪进行了磁化率测定。古地磁样品加工成2×2×2立方体小块后在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室进行测试。全部样品采用系统热退磁,退磁步骤为:天然剩磁(),150,200,250,300,350,400,450,500,525,550,585℃,共12步。热退磁仪为英国公司生产的80型全自动热退磁仪,剩磁测量在美国2公司生产的2-760-超导岩石磁力仪上进行,其灵敏度为10-122。整个实验过程在零磁空间(300)完成。古地磁数据分析采用主成分分析法〔9〕,至少用5个连续的温度点进行统计得到其特征剩磁方向。代表性样品的剩磁矢量正交投影图如图2。从图中可看出,大部分样品显示两个剩磁方向,第一分量与现代地磁场方向一致,在150～200℃下就可洗去,此分量为次生粘滞剩磁分量;第二分量在200℃以后保持稳定,并逐步趋向原点,代表了原生特征剩磁的方向。退磁结果显示,几乎所有样品均在200～550℃获得稳定的特征剩磁,至585℃,剩磁基本衰减到零(图2-),说明沉积物中特征剩磁载体为碎屑成因的磁铁矿。只有2个样品在退磁过程中方向不稳定,未能分离出其特征剩磁方向。2.2　光释光和粘土矿物样品采集与测试光释光测年在黄土年代学研究中已有较成熟的应用〔10-11〕。其原理是在实验室用已知剂量的人工辐照产生的释光信号与自然释光信号对比,得到古剂量或等效剂量,然后除以每年积累的辐射剂量,便可得到沉积物被埋藏的时间。我们在剖面的上部10.5采集了3个光释光测年的样品,并迅速用黑色塑料薄膜包裹、密封,以防爆光和水分散失,在中国科学院地球环境研究所光释光年代学实验室进行测试。沉积物的粘土矿物组成被广泛用来示踪源区和探索沉积区环境演化〔2,12-13〕。为进一步研究青州黄土的物质来源,我们在剖面中选择基本未经历风化作用的黄土层中选择两个样品进行粘土矿物分析,试验步骤与数据处理详见文献〔13〕。测试在中国科学院地球环境研究所的衍射仪上进行。3　结　果3.1　青州黄土的地层年代光释光测年结果如表1和图3所示,全新世土壤1底界以下0.4处(剖面深度为2.1)的年龄约为9.7,前人〔6〕通过热释光对02的测年结果为12.2,这两个结果大致吻合;马兰黄土与下伏第一层古土壤的界限年龄为74.8左右,这和黄土高原地区马兰黄土底界年龄比较接近〔14〕,表明下伏古土壤可能是末次间冰期发育的古土壤。另外,剖面上部深度10.5处的年龄约为185(图3)。磁性地层结果显示,整个剖面均为正极性,未到948　　　　　　　　　　　　　　　　　　　干旱区地理　　　　　　　　　　　　　　　　　33卷图2　青州黄土代表性样品的退磁正交矢量投影图(○水平分量★垂直分量).2　表1　青州黄土剖面的光释光年龄表.1　深度//10-6/10-6/%含水量/%剂量率/等效剂量/年龄/2.12.09±0.2110.64±0.232.1822.03.40±0.1133.0±1.09.7±0.47.11.92±0.2010.17±0.221.7622.02.93±0.10219.4±11.274.8±4.610.52.06±0.2211.55±0.252.0422.03.29±0.11608.0±3.0185.1±6.5图3　青州黄土剖面的岩性及磁性地层(*为本文所测热释光年代数据,☆引自文献〔6〕).3　9496期　　　　　　　　　　　　　彭淑贞等:山东青州黄土的地层年代及其物质来源研究　　　　　　　　　　　　　　达布容/松山界限(图3),表明该剖面的底界年代小于780,由此可见本研究获得的较高分辨率的古地磁测年结果与前人〔6〕研究结果是一致的。假设该剖面沉积速率恒定,则根据光释光测年结果线性外推可得到该剖面的底界年代为500左右,这与古地磁年代并不矛盾,进一步证明前人认为青州黄土大致是在中更新世以后沉积的,并且与长江下游地区下蜀黄土〔15-16〕起源的时代亦较为接近。3.2　粘土矿物记录图4出示了青州黄土样品的射线衍射曲线。对比每个样品在不同处理条件下的衍射图谱可以发现,青州黄土的粘土矿物主要以伊利石为主,其次是蒙脱石、绿泥石和高岭石。半定量的结果(表2)同样显示了青州黄土以伊利石为主的组合类型,这与黄土高原中更新世晚期以来沉积的黄土的粘土矿物组合特征〔2,13〕基本相同。但与西峰马兰黄土〔13〕相比,青州黄土样品中蒙脱石含量较高,绿泥石和高岭石含量相对较低,伊利石和高岭石的含量比值分别为15.9和20.2,而西峰黄土沉积仅为8.8,远低于青州样品。图4　青州黄土样品的粘粒(2)射线衍射曲线=2,=2+乙二醇,=2+甘油,=2+400,=2+550.4　2表2　青州黄土样品的粘土矿物含量(%)及其与西峰马兰黄土〔13〕对比.2　(%)〔13〕样品号深度/伊利石蒙脱石绿泥石高岭石伊利石/高岭石2456.169.219.66.94.415.946011.573.718.63.83.919.5西峰马兰黄土(=5)67.25.818.28.88.84　讨　论目前,关于青州黄土的物源,学术界普遍认为其是风成起源的,主要来源于沉积区以北的渤海湾陆架和黄泛平原松散堆积物,其次是西北内陆的粉尘颗粒,另外还有少量近源的基岩风化物。上述观点主要依据青州黄土与黄土高原黄土的粒度特征对比分析获得。从我们的粘土矿物测试结果来看,青州黄土与黄土高原黄土均呈现以伊利石为主的组合特征。但青州黄土比西峰黄土含有更多的蒙脱石,并且青州黄土的伊利石/高岭石比值明显高于西峰黄土,表明青州黄土与黄土高原黄土粘土矿物成分上的差异性。由于我们选择的样品基本上未经风化成壤作用的影响,可以反映原始风尘物质的粘土矿物成分,因此,二者的差异性支持以前沉积学对青州黄土主要来源于渤海湾陆架和黄泛平原的认识。本文的年代学研究结果显示青州黄土底界年龄在500左右。到目前为止,该区还没有更老的风尘堆积报道,我们在整个山东地区的野外考察也没有发现更老的风尘堆积,表明该青州一带风尘堆积起始于中更新世以后。以前对渤海湾沿岸晚更新世950　　　　　　　　　　　　　　　　　　　干旱区地理　　　　　　　　　　　　　　　　　33卷末期黄土的研究〔3,17,19〕认为,冰期时海平面下降,渤海湾陆架出露,我国干旱和半干旱地区的范围可能扩展到该地区,海相地层风化解体成为其主要的物质来源。青州黄土底界年龄在500左右表明自中更新世以来冰期时裸露的渤海湾陆架和黄泛平原就具备了为青州地区黄土提供物质来源的条件。并且,一些钻孔资料〔20-22〕亦表明自中更新世以来该区发生数次规模较大的海侵和海退,沉积了大量的海相沉积物。青州黄土底界年代与渤海湾一带大规模海侵-海退开始发生时代的一致性,则进一步说明青州黄土的发育与渤海湾一带区域环境演化相关。值得注意的是,我们的研究结果显示,青州地区在中晚更新世开始出现粉尘堆积,而在同样距离黄土高原较远的长江中下游地区〔15-16〕,亦开始发育了下蜀黄土,二者形成时代基本一致,均对应于中更新世全球性的重大气候变化时期。最近约0.8以来,全球气候进一步变冷〔23〕,全球冰量的扩张对中高纬地区气候产生了深刻影响,东亚季风环流的不断增强,西北地区干旱化程度进一步加剧,冰期冷干的偏北气流携带的粉尘沉积南界可达长江沿岸〔24〕,因而经过高空气流携带的粉尘到达山东地区,成为青州黄土的另一个主要物源是完全可能的。因此,从这个意义上来看,青州黄土的形成不仅与区域性环境条件有关,而且与中更新世以来全球环境变化的背景具有密切联系。5　结　论