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柴达木盆地雅丹释光年代学及其环境意义

【摘要】:雅丹是一种主要由风力侵蚀形成的地貌类型,它是区域气候与地貌演化的良好记录与体现者,也是类火星地貌之一。作为火星研究基地的柴达木盆地,其1/3面积为雅丹地貌所覆盖,雅丹的形成时间是地貌演化的关键问题,却受到了测年方法的限制。盆地内雅丹主要由湖相地层组成,湖泊沉积结束即为雅丹发育开始,因此可以通过古湖相物质的测年推测雅丹的形成年龄。本研究首先应用光释光测年方法建立年代框架;其次,在年代学基础上分析雅丹的演化规律和过程,揭示与黄土高原物源之间的关系;最后,综合全球雅丹的分布、年代、气候和地层概况,探索雅丹分布区地貌演化的驱动机制和模式,为火星雅丹地貌研究提供借鉴。柴达木盆地古湖相物质的长石光释光年代学研究目前仍是空白,本文通过实验性研究验证了长石光释光年代学方法对柴达木盆地古湖相物质测年的有效性。研究结果表明:(1)MET-p IRIR_(250)信号晒褪情况良好,且不受异常衰退影响,粗颗粒钾长石和细颗粒混合矿物均可以用作测年材料,在1200 Gy范围内提供可靠的年代结果。(2)p IR_(50)IR_(250)信号,即使在经过500秒的IRSL_(50)之后,仍受到异常衰退的影响,但其较正方法,尤其是对于老样品(实测剂量700-800 Gy时)的较正方法仍需要进一步研究。(3)p IR_(200)IR_(250)和MET-p IRIR_(250)对比结果良好,且其古湖相物质的信号在沉积前已经晒褪。综合考虑信号强度和测年范围,最终选用MET-p IRIR_(250)、pIR_(200)IR_(250)和石英OSL的结果建立年代框架。柴达木盆地的光释光年代学结果显示,盆地东部雅丹的湖相地层形成于~350-100 ka之间,雅丹之后的风沙堆积时间为~10-7 ka。结合雅丹形态的空间格局,柴达木盆地中晚更新世以来雅丹地貌演化特征和区域环境意义如下:(1)空间差异:盆地西部雅丹较东部发育早,但其体型高大、间距较小,表示仍处于青-壮年阶段;而东部雅丹起步晚却已经步入体型矮小、间距较大的壮年-消亡期。这是由于盆地西部强盛的风力提供了持续不断的下蚀动力,为雅丹长脊不断更新“基底”,形成高大且均匀分布的长垄;而盆地东部风力减弱,下蚀受限,以侧蚀(顶部剥蚀)为主的过程导致雅丹走向消亡。(2)时间规律:雅丹主要发育于冰期,间冰期则以湖泊发育为主。冰期时,气候干旱,湖泊萎缩,被加强的西风带南移至柴达木盆地上空,导致雅丹在干涸的湖床之上加速发育;间冰期时,增强的亚洲夏季风为盆地带来丰沛的降水,维持古湖发展。(3)盆地东部地貌演化:察尔汗地区雅丹于海洋同位素阶段(MIS)6,尤其是MIS 4时期发育,MIS 2时已具有成熟流线形态,MIS1时风积地貌发育。盆地MIS 5时期的湖泊将淹没部分MIS6时期形成的雅丹;在MIS 4时,当湖泊萎缩至极小规模甚至完全干涸时,盆地全面进入雅丹发育。稳定的单向风、高盐的环境、持续的侧蚀作用促使线形雅丹形成;MIS 1时,风沙堆积并继承雅丹的线形形态(一侧侵蚀,一侧堆积),发育成线形沙丘。(4)对黄土高原物源探究的意义:“冰期雅丹发育,间冰期湖泊发育”的模式,为柴达木盆地成为黄土高原重要物源提供了新证据。雅丹发育过程中将释放大量粉尘,冰期时强大的西风为这些粉尘物质搬运出盆地提供了动力;而盆地内蓄积的丰富的湖相沉积为粉尘的释放提供了源源不断的物质供应。结合柴达木盆地的研究成果和全球雅丹统计,雅丹分布区地貌演化的驱动机制和模式得以被揭示。冰期时向赤道移动的干燥且强劲的西风带为雅丹形成提供动力条件;间冰期时,西风带或者带来了更为丰沛的降水或者让位于更加湿润的气候系统(如亚洲夏季风势力向中亚地区深入并挤占西风控制区),雅丹发育被湖泊演化所中断。在此过程中,雅丹分布区存在如下地貌演化模式:冰期时,雅丹地貌发育释放大量粉尘物质进入全球粉尘传输,导致洼地形成(或者原有洼地扩大);间冰期时,洼地汇水演变成湖泊,湖泊沉积又为下一期雅丹演化提供了物质基础,形成新的雅丹。该地貌演化模式及其基于形态的雅丹发育模式,有助于火星雅丹发育阶段的判断和地貌-气候过程的研究,这对于无法取得实地考察的火星地貌研究意义重大。

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