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汉江上游二级阶地庹家州剖面沉积地层光释光测年及气候变化研究

【摘要】:第四纪冰期与间冰期旋回下形成的黄土-古土壤序列是重建古气候变化、预测未来环境变化趋势的良好载体。汉江上游地区地处亚热带季风气候区北部边缘地带,对气候变化非常敏感,该地区发育的多级河流阶地上大多分布着厚层黄土-古土壤沉积序列。近年来对于汉江上游地区河流阶地的研究大多集中于一级阶地与三级及以上阶地,一级阶地黄土沉积物的年龄容易通过石英颗粒的释光测年技术测得,三级及以上阶地的沉积物年龄则可以采用古地磁测年技术测得。由于二级阶地沉积物的年代相对于三级及以上阶地而言年轻得多,全部处于布容正极性时,故古地磁测年技术无法确定其准确年龄;而且,采用常规的石英光释光技术对二级阶地部分层位的石英颗粒进行测年时,其释光信号已达到饱和,会致使测年结果偏小;钾长石相对于石英来讲测年上限相对较大,但同时存在释光信号异常衰退的现象,不易获得可靠的年龄数据。正是由于测年方法的限制,一直以来对于汉江上游二级阶地的形成时间、形成机制以及阶地形成后的气候变化方面的研究较少。当前,不同学者利用不同方法所取得的年龄数据争议较大,且大部分研究中用到的地层对比法、古地磁测年法等均为相对测年法,缺少可靠的绝对测年结果。沿汉江河谷地带进行广泛的实地考察后,选取具有厚层黄土-古土壤沉积序列的庹家州(TJZ)二级阶地剖面作为研究对象,以石英颗粒和钾长石颗粒作为测年矿物,分别采用BLSL SAR法/Post-IR SAR法和pIRIR SAR法测定样品的等效剂量,分析样品OSL信号的晒退程度,结合环境剂量率,相互对比补充,最终确定阶地沉积序列的光释光年龄。将年代结果与气候替代性指标相结合,通过与全球其它地区同一时期的气候记录的对比,分析汉江上游二级阶地的形成时间、形成机制以及中更新世以来该地区的气候演变规律。对二级阶地上的黄土-古土壤沉积序列进行研究,对于填补汉江上游地区中更新世以来古气候变化规律的空白、完善我国古气候恢复研究乃至全球性的气候变化研究工作都具有极其重要的科学价值。主要结论如下:(1)用石英颗粒测年可准确获得小于170 ka左右沉积地层的年龄,所测得的等效剂量上限约为550 Gy。采用蓝光激发/红外后蓝光激发的方式进行等效剂量测定,通过预热坪区检验、剂量恢复试验、循环比等最终选取预热温度Pre-heat 260℃、Cut-heat 220℃作为本文等效剂量值的最终测试条件;用释光信号晒退曲线、等效剂量值的频率分布直方图及等效剂量值与感量变化校正后的自然释光信号的相关关系三种方法对石英样品OSL信号的晒退程度进行分析后,对于OSL信号晒退不是很好的样品,利用一阶动力学公式对持续激发的光释光信号晒退曲线(CW-OSL)进行多组分拟合拆分,得到快速、中速、慢速三种组分,依据分离出的快速组分确定最终的等效剂量值。用石英颗粒测年最终得到三个石英样品的OSL年龄分别为 55.89±2.93ka,116.39±5.56ka 和 166.47±6.66ka,误差均10%。(2)用钾长石颗粒测年获得了至少260 ka左右沉积地层的年龄,所测得的等效剂量上限约为797 Gy。采用红外激发的pIRIR法测定从石英颗粒释光信号生长曲线已经饱和的样品中分离出的钾长石颗粒的等效剂量。通过50℃低温条件和200℃高温条件测试后,得出两种温度测试条件对于同一个样品的等效剂量值的影响几乎可以忽略,最终选择200℃高温条件作为钾长石颗粒等效剂量的测试条件。由于采用指数拟合时钾长石样品的生长曲线已接近饱和状态,故将直线拟合所对应的等效剂量值作为样品等效剂量的最小值。用钾长石颗粒测年所得到的黄土层底部砂黄土层和河漫滩相砂层的OSL年龄分别为254.44±4.80 ka和258.67±4.95 ka。(3)由于TJZ剖面河漫滩相砂层的OSL年龄(258.67±4.95ka)为阶地形成的最早年龄,黄土层底部砂黄土层的OSL年龄(254.44±4.80 ka)为阶地形成的最晚年龄,最终确定汉江上游二级阶地开始形成的时间不晚于260 ka。结合研究区中更新世以来的构造抬升运动及河流下切作用历史,在至少260ka之前,研究区气候整体冷干,阶地面在构造抬升、河流下切的作用下虽脱离丰水期河流水面的影响但高度较低,在河谷风风力较大的时期,阶地面以接受粒径较大的砂粒堆积为主,在风力较小的时期又堆积粒径相对较小的细砂-粉砂颗粒,在这种气候波动的过程中,河漫滩相砂层上便堆积了砂黄土和风成砂的交互层,之后,随着河流下切作用的加强,堆积厚层风成黄土。(4)阶地沉积序列记录了至少260 ka以来的气候变化过程。依据磁化率、粒度、化学元素含量、石英微形态等气候替代性指标,与全球其他地区同一时期其它气候载体进行对比后得出,自至少260 ka左右汉江上游二级阶地形成开始稳定接受连续的风成堆积以来,阶地面先后堆积了在气候较为冷干的倒数第二次冰期发育的黄土层(L2)和在气候逐渐暖湿的末次间冰期发育的古土壤层(S1),期间发生过多次气候波动。故二级阶地面上的沉积序列从下向上依次为:河床相砾石层→河漫滩相砂层→砂黄土层→风成砂层→砂黄土层→黄土层(L2)→古土壤层(S1)→表土层(MS)。

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