（矿产普查与勘探专业论文）萨拉乌苏地层古地磁学研究.pdf

太原理1 大学硕士研究生学位论丈 摘要 学者们运用传统地质理论和方法进行的我国北方晚更 新髓河湖相标准地层一萨拉乌苏地层第四纪研究取得了一些 共识，但在年代归属、沉积环境及沉积机理等方面仍然存 在：者分歧，研究程度还很不够。随着古地磁学及其分支学 科的发展和成熟，以及在一些古人类遗址研究中的成功运 用，对萨拉乌苏地层进行系统的地磁学研究，从磁学的角 度提供一些年代归属、地层划分与对比、古环境、古气候 方面的成果，对近年来的研究成果进行印证或检验，为研 究的焦点问题提供古地磁学依据很有必要。 本文进行的系统古地磁学研究表明，萨拉乌苏剖面具 有如下磁学特征：磁化率值相对较高而其曲线整体波动不 大；携带的主要磁性矿物为磁铁矿；磁化率椭球体为压扁 状，磁面理发育；磁化率各向异性不明显；天然剩磁在赤 平投影图上聚集度较好，偏角平均9 “倾角平均4 2 o ， 都集中在北半球，与现在地磁场方向基本一致；q 值的低 高低变化和氧同位素冷暖冷变化有着较好的对应关系；i 。 均为f 值，平均8 2 ，没有极性变化，表示最小磁化率轴 的点比较集中地落在了投影圆的中心，表明最小磁化率轴 与沉积面近垂直，最大磁化率轴分布均匀；交变退磁结果 i a 示，大多数样品只有一个古地磁分量；作者运用古地磁 学婵论分析这些磁学特征后认为：萨拉乌苏沉积物是在温 暖湿洞的环境中形成，属 - j - 湖相，其沉积环境相对稳定， 测得的天然剩磁基本指示了当时地磁场的方向。分析q 曲 线与氧同位素曲线的一致性以及以上研究结果，包含萨拉 乌苏地层的这套沉积物的沉积时代为：顶部湖沼相沉积 物：全新世；上部具交错层理的细砂：晚更新世晚期；中 部粉砂质粘土：晚更新世中期至早期；下部粘土质粉砂： 中更新世晚期。萨拉乌苏动物群的脊椎动物化石及石器发 现_ j 距河床6 10 米的底层位，应形成于倒数第二次冰期， 初步断定其年代范围在l 3 一l9 万年之问，属中更新世晚 太原理工大学硕士研究生学位论文 期。 关键词萨拉乌苏磁化率古地磁沉积环境a m s 塑墅坚查堂堕主塑壅生堂焦笙塞 a b s t r a c t s c h o l a r sh a v es t u d i e dt h e s a l a w u s us t r a t u mw h i c hi s r e g a r d e d a sl a t e p l e i s t o c e n e r i v e r l a k es t a n d a r d s t r a t u mi n n o r t ho fc h i n a b yt r a d i t i o n a l g e o l o g i c a lm e t h o d ，a n dh a v e a c q u i r e ds o m eb a s i co p i n i o n s b u tt h e r ea r es o m ed e f t e r e n t o p i n i o n s i n a g er a n g e 、s e d i m e n te n v i r o n m e n t 、s e d i m e n t m e c h a n i s m ，a tt h es a m et i m e ，s t u d y i n gd e g r e ei sn o te n o u g h e i t h e r i ti s i m p o r t a n t t o s t u d y s a l a w u s us t r a t u m u s i n g p a l e o m a g n e t i s mm e t h o d ，t og i v es o m em a g n e t i cp r o o fi na g e r a n g e 、 s t r a t u m c o r r e l a t i o n 、p a l e o e n v i r o n m e n t a n d p a l e o c l i m a t e ，t ot e s tf o r m e r r e s e a r c hr e s u l t t h i sp a p e rh a sd o n es y s t e m i cp a l e o m a g n e t i s m i n v e s t i g a t i o n ， a t d i s h a o g o u w a n s e c t i o ni t s m a g n e t i c c h a r a c t e ri s s u s c e p t i b i l i t y v a l u ei s r e l a t i v e l yh i g h a n di t sc u r v e f l u c t u a t e sl i t t l e m a g n e t i cm i n e r a li sm a i n l ym a g n e t i t e s t h es u s c e p t i b i l i t ya m s e l l i p s e is o b l a t e a n i s o t r o p y i sn o to b v i o u si ns t e r e n e t p r o j e c t i o n n a t u r a l i j 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e m a n e n t m a g n e t i z a t i o n i s c o n g r e g a t e ，l o c a t e s t h e n o r t h e r nh e m i s p h e r e ，a n di s b a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t h p r e s e n tg e o m a g n e t i c f i e l d t h e a v e r a g e d e ci s 9 4 0 i n ci s 4 2 。q v a l u e s l o w h i g h l o wc h a n g e i s c o r r e s p o n d w i t h o x y g e ni s o t o p y c u r v e sc o l d w a r m c o l d c h a n g e i 3 i s p o s i t i v e a n di t s a v e r a g ev a l u ei s 8 2 。m o s to fm i n i m u ma m s c o m p o n e n t s a r e p r o j e c t e d o nt h ec i r c l e sc e n t e r m a x i m u na m s c o m p o n e n t s d i s t r i b u t e e v e r y w h e r e d e m a g n e t i z i n g ， m o s to f s a m p l e s a f t e ra f s h o wo n e p a l e o m a g n e t i cc o m p o n e n t ；a n a l y z i n g t h e s e m a g n e t i c c h a r a c t e r su s i n gp a l e o m a g n e t i s mt h e o r y ，t h ec o n c l u s i o ni s s a l a w u s us e d i m e n t s w e r ef o r m e di nw a h n h u m i d i t y e n v i r o n m e n t ，i t ss e d i m e n te n v i r o n m e n t i sr e l a t i v e l ys t a b l e t h e d i r e c t i o n a ld i s t r i b u t i o no fn r m i s b a s i c a l l y t h es a m ea s t h e p r e s e n tg e o m a g n e t i c f i e l d t h e t i m e c o r r e s p o n d i n gt o t h ef o u rp a r t sa l o n gt h e s e c t i o na r e a sf o l l o w s ：t h et o pl a k e s w a m ps e d i m e n t s ：h o l o c e n e ； v 一 奎堕堡! ：奎兰堡主堑塞生堂垡丝塞 t h e u p p a r t f i n es a n d ：l a t e r l a t e p l e i s t o c e n e ；t h e m i d d l e p a r ts a n d yc l a y ：m i d d l e - e a r l yl a t ep l e i s t o c e n e ； t h el o w p a r t c l a y e rs i l t ：l a t e r m i d d l e p l e i s t o c e n e t h e f o s s i l sa n ds t o n ea r t i f a c t sf o u n di n s a l a w u s us i t e s h o u l db ef o r m e dd u r i n gt h el a s tb u to n eg l a c i e r ，i t s a g er a n g e i sa b o u t0 1 3 - 0 19m a ，a n d b e l o n g s t o l a t e rm i d d l e - p i e i s t o c e n e k e yw o r d s ：s a l a w u s u s u s c e p t i b i l i t y p a l e o m a g n e t i s m s e d i m e n te n v i r o n m e n ta m s v 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 i 、a m s ：磁化率各向异性 2 、k ：平均磁化率 3 、p 1 ：磁线理 4 、p 2 ：磁化率各向异性度 5 、p 3 ：磁面理 6 、e ：磁化率椭球的扁率 7 、n ：北向 8 、s ：南向 9 、u p ：向上 1 0 、w ：西向 1 1 、n r m ：天然剩磁 1 2 、6 ”o ：氧同位素 1 3 、t l ：热释光 1 4 、i n t ：剩磁强度 1 5 、d e c ：偏角 1 6 、i l l c ：倾角 奎璺堡三查堂堡主塑窒圭兰垡堡塞 第一章绪论 2 0 世纪仞，一些西方学者根据第三纪以来哺乳动物进 化与自然环境变迁的情况，推论认为中亚( 包括中国西北 部以及蒙古) 这块当今干旱、贫瘠的广阔原野在遥远的过 去却是曾经孕育人类的“伊甸园”。因此，许多国家纷纷组 织考察团进入中亚地区，试图找到人类远祖的线索。一时 间，“中亚热”席卷世界古人类学界和古生物学界。 自i 9l 4 年始，天津北疆博物院( 现天津自然博物馆 的前身) 创始人、法国著名采集家桑志华神父在黄河流域 进行了10 年的考察活动。他于l9 20 年在陇东黄土高 原地区发现了丰富的三趾马动物群化石，在甘肃庆阳北面 的更新世晚期( 距今l3 万年至i 万年前) 黄土堆积中发 现了3 件古人类打制的石制品、1 件石英岩石核、两件石 英石片。这是在中国土地上发现的第一批旧石器，意义非 常重大。这一发现不仅纠正了“中国无石器时代人类”的 偏见，而且进一步激起了人类学界在中国寻找人类远祖化 石的梦想。 i922 年，桑志华根据一位名叫旺楚克的蒙古族老乡 提供的线索，在鄂尔多斯高原的东南角发现了闻名于世的 萨拉乌苏遗址( 位于现在内蒙古自治区伊克昭盟乌审旗境 内) 。i9 23 年，桑志华和德r 迸一起先后两次对这个遗 址作了进一步的调查和发掘，发现了非常丰富而且保存良 好的披毛犀、河套大角鹿、旺氏水牛、野驴、羚羊、骆驼 等33 种哺乳动物以及鸵鸟等11 种鸟类化石，同时还发 现了一批旧石器和一颗人类的上门齿化石。发现的动物化 石组合说明萨拉乌苏遗址的时代应为更新世晚期( 同位素 方法年龄为距今3 50 00 年左右) 。他们把盛产化石和石 器的河湖相地层称为萨拉乌苏组，l 9 5 6 年，我国出版的 中国隧域地层表萨式采用此划分方案。自此，萨拉乌 苏组作为我国北方晚更新世河湖相标准地层就被一直采 用，以此为契机，开始了萨拉乌苏地层的研究。但长期以 太原理i ：人学硕十研宄生学位论文 束，在时代归属、第四纪沉积与环境、岩石磁学对年代的 指示方面一直存在分歧。苏志珠、董光荣等于19 9 3 年初步 建奇：了可以与黄土、深海沉积记录、冰期气候波动对比的 萨拉乌苏地层序列，并确定其时代为14 0 7 0 k a b p ；孙继 敏、丁仲礼等于l9 9 5 年确定该区沉积物为中更新世一全新 世沉积并讨论了其沉积环境；贾铁飞于i9 9 j 年对该区第 四纪沉积与环境问题进行了研究：苏朴、樊行昭f19 9 8 年 对该区进行了古地磁研究( 拉尚反极性偏移在萨拉乌苏的 追踪研究国家基金委) 。长期以来，萨拉乌苏第四纪的 研究一直在进行。 j 二世纪血六十年代，质子磁力仪问世，磁力勘查成为探 查古遗存空间分布的主要地球物理方法之一，古地磁学的 发展同时也使磁性地层学成为确定古遗存、古人类化石时 代的重要手段。随着第四纪沉积物磁性特征研究的深入， 磁组构又为环境考古提供了新的途径。这些地球物理方法 具有准确、多信息、无损、高效的优点，很快应用于考古 学领域，这样，以古遗存本身及所处的地层的磁性特征为 基础，从磁学机制出发，将上述空间、时间、环境考古诸 方面有机结合起来，就形成了一门新兴的学科一考古磁 学。其机制是：史期、史前期的古遗存( 古遗址、墓葬、建 筑等) 或古人类化石本身及所处地层与周围环境在磁性、磁 化率、磁化率各向异性、剩余磁化强度等方面存在差异， 这种磁性差异就是磁学考古的依据。古遗存本身及所处地 层的磁性特征通过沉积物的天然沉积过程、火的烧烤、人 为活动、有机质腐烂等不同的方式获得。研究较多的是时 删考古，即常浣的断代问题，它主要应用磁性地层学及磁 性调查方法确定古遗存、古人类化石生产或保存时代，即 存时问领域的分仰状态，是通过采集古人类化石等所处地 层剖面的第四纪沉积物样品，测出该地层剖面的地磁极性 变化柱( 剖面) ，然后将此地磁极性柱与已知的国际地磁年 表对比，来确定地层剖面的地质时间区段，及其古遗存所 处的时间位置的。 磁组构技术作为一种快速、经济和无损测量岩石磁性的 方法，已被广泛用于地质和古今环境研究随着测试仪器 和磁学理论的不断完善，除磁化率各向异性( a m s ) 测量外， 太原理工大学硕七研究生学位论文 近几年对非磁滞剩磁各向异性( a a r ) 和等温剩磁的各向异性 ( a ir ) 的研究较多，同时，随着扫描电镜等非磁方法研究与 岩石磁性参数测量的相互结合，人们认识到磁性矿物组成 对磁各向异性具有重要的控制作用，因而，岩石应变磁组 构测量在过去几年得到较大发展，第四纪沉积物磁组构研 究已显示出其在古今环境研究中的前景磁化率各向异性 适用于各种松散沉积物和固结岩石，能够高灵敏度地揭示 以往被视为各向同性岩石磁组构，对岩石组构和变形尺度 进行半定景或定量分析。 环境磁学是应用岩石磁学和矿物磁学技术去恢复环境过 程、重塑环境演化历史的一门边缘科学。沉积环境中磁性 矿物的形成、搬运、沉积和演化受气候变化和环境过程的 控制，因此，岩石和矿物磁学性质可作为环境和气候变化 的代用指标，通过地质记录中的磁性矿物组合研究沉积环 境的物理过程，研究沉积环境中导致磁性矿物变化的物理 和化学作用，研究沉积环境中磁性矿物的变化和转化，可 为重建古环境、恢复古气候提供可靠的依据，将天然物质 的磁学性质应用于环境研究已有很长的历史， e n v i r o n m e n t a lm l t e l e t i s m 一书在8 0 年代初的出版，标 志着环境磁学作为个相对独立的分支学科正式建立。此 后，利用沉积物磁学性质解决环境问题的研究就在全球范 围内广泛丌展起来，其研究涉及大气圈、水圈和岩石圈中 的磁性颗粒，能为当前国际古全球变化研究的热点如全球 上不境变化、气候过程和人类活动对环境的影响等研究提供 有价值的资料。环境磁学方法在气候学、生态学、湖泊科 学、海洋科学、沉积学、土壤学等领域发挥了重要作用。 这种方法具有样品用量少、灵敏度高、方法简单、快速、 无破坏性、费用较低的优点，更重要的是，由于大多数沉 积物中磁性矿物含量很低，常规的物理化学方法对阐明磁 现成磁发研、 显的石，源用便目岩比物作点瞩将对的菌 优人到域物细的令展区矿磁 度了扩于性到 敏得速重磁识 灵取迅侧对认高究，从，步法研的：究逐方学目系研， 学磁为联化源 。 磁境比相变来，环对程球屑力，柱过全碎为来芯化和于 能年岩变应限无几以境晌局 质十的环候仅性近初的气仞的最最在域最物。从潜区从 矿来：同到；陆出果学展究 太原理，】= 大学硕j ：研究生学位论文 沉积后还原条件下的磁性矿物的溶解作用、原地磁性矿物 的f = j 生或成岩作用、生物与人类活动的影响等。正是这些 受不同环境过程控制的磁性矿物共生在一起，使得磁性矿 物鉴定、剩磁获得过程、磁性特征对环境变化响应等问题 复杂化。通过分析全球不同地区湖泊沉积物磁学性质的变 化，可以认识湖泊沉积物磁学参数与沉积环境和气候变化 的相互关系，进而为湖泊环境磁学工作中遇到的一些实际 问题提供可能的研究途径。 湖泊沉积物磁学性质环境指示意义的研究也有一定的进 腱，许多学者对湖泊沉积物磁性矿物的来源及其鉴别方法 进行了较为深入系统的分析，发现不同湖泊沉积物的磁学 参数具有不同的气候响应过程，详细的岩石磁学和土壤磁 学研究是认识湖泊沉积物磁学性质及其环境意义的基础， 在详细研究的基础上能够恢复古气候和古环境的变化过 程，湖泊沉积物的磁性特征不仅可以用来进行地层对比， 还是反映古环境变化有用的代用指标。但是，要认识湖泊 沉积物磁学性质的环境意义，必须理解磁性矿物的来源， 识别成岩作用对磁性记录的影响，并考察单个磁性组分对 气候驱动发生变化的反应。近几年来，在磁气候学 ( m a g n e t i cc 1 i m a t o lo e y ) 领域的研究中，已经积累了丰富 的经验。已有的湖泊沉积物环境磁学研究表明，特定湖泊 的磁指标受多种因素中的某种或某几种因素共同控制，不 同的湖泊磁参数对气候变化的响应不尽相同，因此，加 强磁指标的环境机理研究十分重要，这同时也是开展磁性 指标定量化研究的基础。 从1 9 6 9 年考克斯( c o x ) 编制发表第一个4 5 兆年以 来的极性时间表至今的这几十年时间里，磁性地层学有了 一个很大的发展。这是一门新的学科，也是一种新的地层 研究方法，由于利用了k a r 年龄测定法，特别是超导物 理研究方法的突破，即研制成功了超导磁力仪，就能更精 确丽快速地测定样品，特别是弱磁性样品。与以往使用的 仪器相比其灵敏度要提高1 0 0 倍，速度提高1 0 倍。磁性地 层学在地球科学的许多方面已展现出相当大的重要性，从 海底扩张假说的海洋磁异常分析应用到为广泛变化的地层 研究领域提供年代表，实际上磁性地层学本身己发展成为 太原理1 人学硕十 究生学位论史 用第四纪样品进行同位素定年是一个常见的较困难的地 质问题。近十几年来，由于质谱分析、热电离质谱计，加 速器质谱汁和样品分离技术的迸步，第四纪地质年代学及 定年方法发展非常迅速，k a r 和a r a r 定年、1 c 、铀 系、f t 、t l 和e s r 定年等已能够为地球演化及第四纪以来 占气候及古环境的变化提供准确的时间标尺，宇宙成因核 素，例如b e 、a 1 ，c l 和a r 可以用于地球表面的侵蚀定 年、冰j i i 作用与冰川消退定年、地下水年龄测定、地球物 质形成年龄和暴露年的测定，大大提高了测量灵敏度、精 度和速度。这些定年方法在第四纪地质年代学和同位素地 质科学中获得了很大进展，其方法的实现及潜在的应用为 磁性地层学定年提供了绝对年龄点。 古地磁各分支学科正逐步发展和成熟，实验仪器也在不 断改进，运用上述磁性地层学、岩石磁学、环境磁学方 法，对传统的萨拉乌苏组进行系统的古地磁学研究，为我 国北方晚更新统河湖相标准地层萨拉乌苏组的研究在定 年、古环境、古气候的推演方面提供可靠的磁学依据，是 一项很有必要、很有意义的研究工作，将会大大提高萨拉 乌苏组的研究程度，为彻底搞清含河套人遗迹的地层沉积 规律提供有力的古地磁学证据。本文作为攻读硕士学位毕 业论文，运用上述理论与研究成果，系统地研究了萨拉乌 苏地层，对其沉积环境、遗址年代、地层划分等进行了磁 学解释，从磁学的角度研究了该地层，力图为萨拉乌苏地 层的研究填补古地磁学内容。 层磁以以地地期性和为长时家困些同学，某球 物力决全 生能解的古在够限，潜能界此的学代 如学层时w 层地质m 地性地 ，性磁括 具磁使包系丁到，羡 比意性题七 对注时问时 层始同歧旧 地丌球分磕 的在全的海效一的上的 仃们转层确种家倒地准学场来及 ! 塑望! ：叁堂堡主堕塞生兰垡堡塞 第二章地质概况 第一节位置及交通 萨拉1 。苏遗址位于山西、陕西、内蒙古三省交界，内蒙 r 与自治乌审旗境内萨拉乌苏河( 又名红柳河) 两岸，北 起曲家沟湾，南到清水河湾，绵延2 0 余公罩，有9 个地 点。本研究采样地点是在内蒙古自治区乌审旗河南乡大沟 湾村滴哨沟湾、城川至榆林公路与萨拉乌苏河的交汇处， 从山西、陕西、宁夏、北京均可方便地进入本研究区( 图 2 i ) 。 银川 羹 _ 弋 宁一 夏 图2 1 萨拉乌苏遗址交通位置图 第二节自然地理概况 萨拉乌苏属内蒙古自治区西南部鄂尔多斯高原上的 毛乌素沙地，年降水量较少，约3 5 0 2 0 0 毫米，蒸发强 奎璺堡兰盔兰堡主婴壅竺堂堡堡塞 烈。1 月平均温度一7 一l5 ”c ，无霜期l 5 0 2 0 0 天以上，日 均温度10 c ，积温2 4 0 0 3 4 0 0c 。主要植被土壤为干草 原钙土、荒漠草原棕钙土、以及能碱土、沙土等。鄂尔多 斯高原位于黄河大湾以南，西北东三面为黄河环绕，南以 长城为界，海拔高度约为1l0 0 一l5 0 0 米之间，西北部略 高，向东南缓缓倾斜，地表起伏不大，呈近似方形的台 状干燥剥蚀高原。内部河流稀少，盐湖众多。西部为桌子 k h ，地势高峻，平均海拔再15 0 0 2 0 0 0 米左右，主峰高达 2 14 9 米，南部为毛乌素沙地，其大部分沙丘已固结或呈半 固结状念，丘问洼地，水草丰美，是我国沙漠中水源丰富 的地区之一。本区沙的来源，一是就地取沙，二是来自 黄河两岸和河滩上的冲积沙层。总之，鄂尔多斯高原的自 然条件具有气温较高、阳光充足、地下水丰富的优点，有 利于农牧业的发展。 图2 2 萨拉乌苏河位置图 流经本区的河流是萨拉乌苏河，发源于内蒙古自治区 与陕西省的交晃地带，经黄土高原北部与鄂尔多斯高原南 部交接，在穿行过黄土丘陵、毛乌素沙地等不同的地貌区 后，与榆溪河共同汇集为无定河( 图2 2 ) ，在更新世中， 萨拉乌苏河流域沉积了一套在华北地区具有代表意义的 太原理工大学硕十研究生学位论文 河、湖相沉积( 萨拉乌苏组) 。本文论及的萨拉乌苏河是无 定河的上游，发源于黄土高原：【e 部的白于山，流经毛乌素 沙地东南部，其两岸发育厚层的第四纪湖相与风成沉积系 列。 第三节地质背景 一概述 本区属欧亚大陆中国板块中华北地块的北部，其古陆 基底为太古代变质岩系。吕梁运动以后即成为陆地。漫长 的地质年代里，在海浸海退的周期作用下，形成了海陆相 交替沉积的地层。之后喜马拉雅运动使高原区迅速抬升， 阴山山地沿构造线隆起，在第四纪上更新世时期，由于气 候逐渐变为干燥，山前冲积，洪积物开始堆积，形成冲积一 洪积扇群，并逐步发展，构成山前洪积平原。在山地上升 速度相对加快的情况下，迫使黄河数次改道。随着黄河的 迁徒，大量的冲积物质遗留下来，逐渐形成黄河冲积平 原。使黄河河套段原有湖积层上普遍覆盖着黄河冲积层， 沉积物质以砂土和粘土为主。山前洪积平原与黄河冲积平 原在发展过程中逐步连在一起，构成广大的河套平原。至 i 二更新世晚期，由于河套平原区域沉降幅度不同。产生了 阶梯式断裂，造成了数级构造阶地。目前，河套地区已堆 积了近千米厚的沉积物，基岩出露极少。沉积物多由各种 颗粒大小不等的砾石、砂及粘土层组成上部为冲积、洪 积、风积层，下部为巨厚的新老第四纪湖相淤泥层，与河 套平原相接的是毛乌素沙地，位处温带干草原地带，西北 部过渡为温带荒漠草原带。全新世以来，区内气候有过多 次丁二湿冷暖的嬗递( 陈渭南，19 9 0 ) ，风沙活动程度强弱交 替，该沙地是发育在鄂尔多斯高原东南部与黄土高原毗邻 的次级自然地理单元，鄂尔多斯高原自西北往东南缓倾， 南测黄土高原长城沿线突兀高耸，与毛乌苏沙地高差5 0 一 10 0 m ，晚更新世之前大部分时期以剥蚀为主，发育了一个 奎垦型! ：查兰堕主堕壅圭堂垡堡茎 平缓波状起伏的浅凹衙地，晚更新世时期堆积旺盛，发育 j 厚达数十米至上百米的河湖相堆积。末次冰期的干燥 时，风沙活动强烈，这套堆积物遂被风力所改造，发育了 规模空前的风沙堆积。冰后期流水侵蚀复活，该堆积物遂 断续遭受侵蚀。此外，在毛乌素沙地内部广大地区和东南 部河流锰地及河间地带发育有厚度不等的全新世地层，厚 度一般为2 5 i l l ，最厚可达2 0 m ，是研究i 亥区沉积环境的丰 富物质基础。河湖、沼泽相堆积呈岛状分布于沙地内部宽 缓湖彷凹地、丘问地及河流谷地，河流相堆积主要由砂砾 石、砂、亚砂土或砂质淤泥组成，沼泽相堆积主要由泥 炭、砂质泥炭或泥质砂炭组成，风化剥蚀残积物主要分布 于沙地西北部往鄂尔多斯基岩剥蚀梁地过渡的地带，多为 粗质碎屑堆积，分布零散。 从气候上讲，更新世晚期，该区古气候变化较为频 繁。在晚更新世早期地层中，发现有大量的啮齿类化石， 包括拟布氏用鼠、蒙古黄鼠、中华鼢鼠、灰仓鼠、三趾跳 鼠、五趾跳鼠等。此外还有达呼尔鼠兔、捷毛犀、野马、 西伯利亚鼬等，从动物群性质看，它们属于干热的森林草 原型动物。另外从土默特左旗钻孔所含孢粉看，草本植物 篙属占3 5 、豆科占1 0 、栎屑占2 0 ，属于典型的温 带稀疏草原型的气候特征。这表明由中更新世晚期到晚更 新世早期，该区又经历了一次由冷变暖的气候坡动。从土 默特左旗、托县、呼市东郊、北郊等地的晚更新世中期地 层中，发现有哺乳动物化石，包括猛犸象、王氏水牛、披 毛犀、野马、原始牛、蕾氏羚羊、转角羚羊、盘羊、鬣 狗、啮齿类、兔形类等典型的萨拉乌苏动物群。从动物群 生活习性看绝大多数属于草原型动物，表明这一时期的 植被以草原型为主另从猛犸象、王氏水牛等喜温热的动 物看，当时气候向温暖转化。到晚更新世末期，该区古气 候发生剧烈变化，河套平原地区发现有代表冰期气候的猛 犸象化石和至少有两次以上的冰缘卷曲现象，所采集的孢 粉以藜科、蒿屑、水龙骨科为主，代表冰绿草原植被，这 均标志着古气候由暖变冷这与全球性气温变冷有关，此 时中国黄海、渤海发生最后一次海退，i f 值末次冰期的极 盛期，气温比现今低l 2 c 左右。到距今一力年前，该区生 太原理工大学硕十研究生学位论文 存的占哺乳类中，大约有3 3 3 的类群绝灭，随着古人 类的繁盛与狩猎，一些古动物迁徙它乡或急剧减少，一些 类群经人类训养出野生变为家畜，形成了现代存在的动物 群，随着气候的干燥、变冷，该区成为干旱沙漠型景观。 二构造 鄂尔多斯沉积构造盆地，是多种构造体系的复合单 位，其不仅是属内陆新华夏系沉降带的构造盆地，同时也 是祁吕一贺兰山山字型构造的东翼盾地，并为狼山系旋转构 造的旋涡部位。 鄂尔多斯是一古老的沉积盆地。基底为前寒武系的片 麻岩和片岩。自震旦纪以来就接受沉积，主要为石英岩及 石英砂岩等。在盆地西南部和西部桌子山一带有出露，所 见厚度近2 0 0 米。物探表明其深部为向中心缓倾的盆地构 造。 其出露基底岩系为太古界千里山群，属中深变质建 造。色尔腾山旋回以后，进入了稳定的地台盖层发育阶 段。自云鄂博旋回时期，本区的南北向坳陷趋势已形成， 在坳陷内沉积了中晚元古界石英砂岩建造、泥页岩建造、 镁质碳酸靛建造、冰碛碎屑岩建造等。加里东旋回和华力 西旋回时期，由于受南部祁连山加里东地槽裂开的影响， 本区产生了坳拉谷性质的张裂，并强烈坳陷。古生代鄂尔 多斯台坳沉降幅度不大，沉积建造和古生物面貌为华北区 和西北区的过渡类型。加里东旋回造山运动虽对本区产生 过一定的影响，造成局部地层的褶皱，但没有使其结束沉 降的历史；华力西旋回仍有一定的继承性沉降。印支亚旋 回一燕山亚旋回时期，由于印支板块对欧亚板块的北东向 挤压，导致阿拉善台隆东移，因受到鄂尔多斯台坳的阻 挡，造成了东西向压应力对本区地层的冲断和褶皱作用， 形成一系列褶皱轴面西倾( 部分东倾) 、西翼缓、东翼陡的 背、向斜构造及高角度西倾逆断层，从而结束了长期坳陷 的历史。从整体看来，盖层的褶皱发生于晚侏罗世末，最 明显和涉及面比较大的角度不整合发生在白垩系与侏罗系 太原理工大学硕士研究生学位论文 之1 日j 。在有上侏罗统存在的地区，还可以见到侏罗系中、 上统之间呈角度不整合接触。 根据坳陷带内东，西发展过程的差异性，尚可分为两 个次级构造单元 1 桌子山褶断束 位于坳陷带东北部，以桌子山为主体，基底岩系为太 古界干罩山群，其上被中元古界不整合覆盖。中元古界发 育黄旗口群和王全e l 群，为浅海相石英岩建造、泥页岩建 造、镁质碳酸盐建造，显示了封闭的断陷盆地的沉积环 境。寒武系和奥陶系为浅海相碳酸盐建造。其上假整合覆 盖的石炭系、二叠系为海陆交互相或陆相含煤建造，三叠 系为湖沼相含煤建造、碎屑岩建造。燕山运动所导致的东 西向挤压力在本区形成一系列轴向南北、轴面西倾的非 对称背、向斜。太古界、寒武系、奥陶系及石炭系组成两 个背斜和一个向斜并相间平行排列。沿褶曲轴常有近南北 向的走向逆断层发生，断层面西倾，形成由西向东逆冲的 叠瓦状构造。 2 贺兰山褶断束 位于三关以北的贺兰山一带。本区出露的中元古界同 桌f 山地区。其上发育震旦系镇木关组的冰碛层。因受南 部祁连加早东地槽的影响，早古生代地壳活动性增强。尤 其是奥陶纪，沉积了厚约4 0 0 0 余米的海相类复理石建造， 其厚度较桌子山地区显著增大，并具有槽台过渡性质和坳 拉谷裂陷盆地的沉积特征。晚古生代，随着祁连加里东地 槽的褶皱回返，本区也曾一度上升，地壳活动性亦相对减 弱。石炭系、二二叠系沉积厚度不及桌子山地区。 本区褶皱构造为由石炭系和侏罗系组成的相阳j 排列的 两个背斜和三个向斜，两翼对称或不对称，倾角2 0 ”一 3 0 ，次一级褶曲发育，东翼较完整，西翼被南北向逆断层 破坏，断层面西倾。喜马拉雅运动不仅造成了始新统与渐 新统、中新统与上新统的沉积间断，而且导致寒武系逆冲 渐新统之l 。 太原理i 大学硕士研究生学位论文 三 地层 传统的萨拉乌苏组地层划分为地质界线清楚、层位稳 定、时代和成因不同的地层组合，共五组。该地层组合在 内蒙古乌审旗滴哨沟湾附近出露良好，并在萨拉乌苏河流 域普遍分布，其岩性由老到新描述如下： 1 ) 底部中更新统老黄土与风成沙 下部为棕黄色粘土质粉砂、较硬，含约2 c m 大的钙质结 核，可见厚度41 1 1 ；上部为棕黄色细砂，分选较好，具明 显的胍成交错层理，含大小不等的钙质结核、钙板和钙 片，厚35m 。 蕞脚挣丘 图2 3 萨拉鸟苏沉积物剖面 l 湖沼相沉积物2 具交错层理的细砂3 粉沙质粘七4 粘十质粉 沙 2 ) 下部晚更新世萨拉乌苏组 底部是厚3 m 多的灰黄色粉沙质细砂与砂砾石、钙质结 核、钙板、灰绿色泥球、老黄土块等组成的砂土砾石层； o 加 瓠 如 的 们 ” 太原理工大学硕士研究生学位论文 中下部为湖沼相的黄绿色、灰绿色细砂与粉砂质细砂互 层，咳层盛产脊椎动物化石和旧石器。 上部是湖相沉积的灰绿色与扶黑色粉砂，粘土、亚粘 土与灰黄色粉砂质细砂、粉砂互层，具明显水平层理，单 层厚度一般为2 0 2 4c m 、最大厚度达75 c m 。顶部往往 有1 2 层厚1o 一2 0c m 的棕红色粘土或亚粘土，该套地层 总厚度约4 0m 。 3 ) 中部晚更新世城川i 组 下部以风成砂为主，棕黄色细砂，质地松散、分选均 匀，具明显的风成层理，中部夹厚0 5 一1 0 m 的1 2 层湖 沼相沉积，以黑色和灰绿色粉砂、亚粘土为主，含大量螺 壳，发育融冻褶皱，该套地层厚约2 0 m ，由棕黄色的风成 细砂和中部央1 2 层狄绿色粘质粉砂、亚粘土的湖沼相组 成，黄土丘陵区对应的是马兰黄土及其间的弱发育古土壤 层。 4 ) 上部全新统大沟湾组 由湖沼相的灰绿色至黄绿色粉砂、粘土和细砂组成。 5 ) 顶部全新统滴哨沟湾组 由风成细砂、沙黑垆土、冲积黄土和现代风成沙组 成。 依据马兰黄土、城川组与萨拉乌苏地层的组合关系及 所处地貌部位，可将该区地层分布特征概括为：纵向上， 风成沙、黄土、古土壤、河湖相或湖沼相沉积交互叠覆； 横向上，风成沙与黄土、河湖相或湖沼相与古土壤处于同 一层位，相互过渡、彼此对应。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章研究历史及问题 更新世是地球上气候发生剧烈变化的时代，北半球的 高、中以及低纬度地区的一些高山，在这个时期出现过大 规模的冰川活动，冰川i 的前进和退缩，形成了寒冷冰期和温 暖问冰期的多次交替，并导致海平面大幅度升降、气候带 转移和动、植物迁徙或绝灭，这些事件对早期人类文化的 发展产生过巨大的影响。因此，许多学者主张采用冰期序 列作为更新世分期的主要标准。欧洲的冰j i i 研究基础较 好，早在本世纪初，学者们就根据阿尔卑斯山北坡冰碛地 层和相应的阶地地貌，建立了以多瑙河的支流命名的贡 兹、明德、里斯和维尔姆4 个冰期，每两个冰期之间为 f f i j 冰期。之后在贡兹冰期之前又增加了一个多瑙冰期。中 国地质学家李四光建立了可以和阿尔卑斯前3 个冰期对比 的中国东部冰期序列，依次为鄱阳、大姑和庐山冰期，每 两个冰期之间同样为间冰期。由于中国东部更新世冰川现 象不如欧洲的清楚，研究历史也短，因此目前学术界的看 法还很不一致。不过，更新世的气侯变化是全球性的，中 国自然也不例外。中国的更新世地层保存和出露状况较 好，在华北，除洞穴堆积外，更新世各个时期都有发育良 好的河流和河湖相堆积，有分布面积广、厚度大、连续沉 羊； 时f e t j 长的“黄土”；在华南，则以广泛分布于石灰岩地 区的洞穴堆积为特色。这些地层成为中国能够保存丰富的 人类化石、文化遗物和哺乳动物化石的一个重要的地质条 件。而地层和动物群又成为建立中国旧石器文化序列的重 要基础。从地层和动物群方面看，华北更新世可以分为4 个 时间单位，依次称为“泥河湾期”、 “公王岭期”、“周 fj 店期”和“马兰黄土期”。泥河湾期相当于早更新世， 公e 岭期和周口店期分别相当于中更新世的早期和晚期， 马兰黄土期则相当于晚更新世。其中，发现于内蒙古乌审 旗毛乌素沙地与黄土高原接壤的沙漠一黄土边界带的萨拉 乌苏遗址具有丰富的石制品和马兰黄土期的河套人化石， 为研究中国及东亚地区晚期智人及其文化的发展提供了非 太原理工大学硕士研究生学位论文 国的“过去全球变化研究( 简称p a g e s ) ”是非常必要的。 萨拉乌苏地区的第四纪研究有着悠久的历史，最早可 上溯到上世纪术的18 9 2 18 9 4 年，俄国著名的地质地理学 家ba 奥勃鲁契夫对陕西靖边小桥畔以北的萨拉乌苏河两 岸地层进行了考察和描述，从此揭开了该区第四纪研究的 序幕。 1 9 2 2 19 23 年，德日进和桑志华等人在今内蒙古萨拉 乌苏河地区考察时，在河湖相地层里发现并发掘了一处旧 石器时代文化遗址，同时在宁夏水洞沟相近的地层罩也发 现了一处旧石器时代文化遗址，经研究，他们把在萨拉乌 苏河找到的一颗章牙化石定为与欧洲古人时期尼人阶段相 当的鄂尔多斯人牙，两处遗址中的旧石器被定为与欧洲旧 石器时代中期的莫斯特文化期或晚期的奥瑞纳文化期之早 期相当的鄂尔多斯文化( 1 9 4 8 年裴文中分别改称为河套人 和河套文化) ，脊椎动物化石被定为晚更新世动物群，而把 盛产化石和石器的河湖相地层命名为与马兰黄土同期的萨 拉乌苏组，这一方案在我国19 5 6 年出版的中国区域地层 表中被诈式采纳，此后，萨拉乌苏组便成为我国北方特 别是华北地区晚更新统河湖相标准地层而盛名于国内外。 长期以来，中外学者围绕萨拉乌苏地层的划分、形成时 代、与冰期气候的对比、与马兰黄土的对比、沉积环境等 方面的重大问题展开了研究，在第四纪地层划分、考古、 古人类、古生物、古环境和古气候方面取得了一些新的进 展： 1 划分了地层沉积相、建立了完整的沉积序列 系统地研究了该区第四纪地层的沉积相特征并进行了 层位对比，将传统的萨拉乌苏组地层划分为地质界线清 楚、层位稳定、时代和成因不同的地层组合。 2 初步建立了萨拉乌苏地层年代序列 在沉积相及层位对比基础上，采用绝对年龄的控制， 并结合近年来黄土一古土壤序列的研究成果，初步建立了 拉为期中萨成时展已质开一石地对 地化纪， 祥物四境 发动第环 。椎究积人脊研沉套的。其河富据解。丰限了 的与要、 名面重层著剖的地 ，层境积此地环沉因的存的，续生域料连类流资域人河的流时苏贵河当乌珍嚣原拉 常鸟复萨 太原理： ：大学硕士研究生学位论文 与黄土、深海沉积记录、冰期气候波动可以对比的萨拉乌 苏地层年代序列。并指出：萨拉乌苏组约形成于l4 0 0 0 0 7 0 0 0 0 a b p 的末次冰期，大致与深海氧同位素第5 阶段对 应、与黄土高原古土壤s 。发育同期；城川组沙质沉积约形 成_ f 二7 00 0 0 10 0 0 0 a b p 的末次f j 冰期，相当于深海 氧同位素第2 4 阶段，可与马兰黄土对应；其问约在3 0 oo 【) 2 8 0 0 0 a b p 前后气候转温湿，发育了城川组中部 的l 一2 层湖招相沉积，可和马兰黄土中弱发育古土壤对 心： 大沟湾组约形成于9 7 0 0土l2 0 0 3 h 0 0 + 10 0 a b p 问，属全新世，气候转温湿，发育湖沼相 或黑色古土壤，和黄土高原古土壤s o 发育同期；滴哨沟湾 组距今38 0 0 土1 0 0 年至现代，以次生黄土和风成沙为 主。从而，该区第蹬纪地层的研究由以前岩性地层对比阶 段进入有年代标尺的崭新阶段。 3 讨论了萨拉乌苏组与马兰黄土的关系 对困绕中国地学界多年的这一问题，在本世纪6 0 年 代，我国著名地质学家刘东生指出：黄土相与河湖相沉积 ，1 ：是“同期相变”的，是上下叠覆关系，其中尤以晚更新 统马兰黄土与萨拉乌苏组地层的关系更为明显。近年来， 根据野外地层的层位接触关系，结合地层沉积相特征、粒 度分析，古脊椎动物化石特性等研究，表明城川组、马兰 黄土与萨拉乌苏组是上下叠覆关系；城川组与马兰黄土则 是木次冰期风营力作用下的沙相和黄土相堆积，即同期异 州沉积，特别是最近萨拉乌苏组与马兰黄土、城川组地层 f 界的绝对年代的测定，迸一步证实了这种关系。至此， 萨拉乌苏组与城川i 组、马兰黄土地质时代上的先后关系已 成定沦。 4 恢复了末次间冰期以来该区气候与环境变化过程 根据该区地层的沉积相、粒度、孢粉、脊椎动物化 n 、地球化学元素、碳酸钙、粘土矿物、古冰缘现象等地 质记录的对比分析，复原了该区木次间冰期以来的气候与 环境演化过程，研究表明：不同的沉积物对应不同的沉积 坏境，河湖相的萨拉乌苏组为暖湿的森林草原环境；马兰 黄土和城川组的上下部分别为干冷多风的干草原和荒漠草 原共至荒漠环境，马兰黄土中的剥蚀面、黑垆土型古土壤 太原理工大学硕士研究生学位论文 及与之对应的城川组中部的湖沼相沉积是以松、云杉、冷 杉、针叶林为主的森林草原环境，是末次冰期间冰段温凉 偏湿气候的反映，这在本区甚至整个中国北方都具有普遍 意义。冰盛期的马兰黄土或风成沙堆积结束以后，基本上 进人了全新世( 约1 0 0 0 0 a b p 到现在) ，即冰后期气候回暖 期。该区发育的湖沼相沉积大沟湾组底部t l 测年和“c 测年分别为97 0 0 土 l 2 0 0 a b p ，和96 0 0 土 l6 0 a b p 、95 0 0 土1 0 0 a b p ，就目前掌握的测年资料来 看，全新世底界从未超过10 0 0 0 年，因此可以认为，全球 气候转入冰后期阶段，直到约97 0 0 土l2 0 0 a b p 才对 本区产生明显影响，约比黄土高原1 10 0 0 a b p 开始发育 古土壤s 。的时间晚1 0 0 0 多年。该区的黑色古土壤或湖沼 相沉积主要发育于全新世气候最佳期，最晚结束于约2 3 0 0 9 0 a b p 左右，之后气候渐趋干旱，接近现代气候条 件。 5 探讨了古气候与全球气候变化的关系以及气候环境变 迁的原因 末次冰期旋回以来，该区气候与环境演化过程同我国 和北半球术次问冰期以来的各个气候阶段，以及由此引起 的海水迸退期基本同步。表明本区气候变化主要是由冰期 气候波动引起的，同时也与本区所处的大气环流位置有 关，特别是与晚第三纪以来喜玛拉雅山脉上升和青藏高原 隆起导致的大气环流变化加剧有关，这使得本区气候变化 愈加趋于干冷。依据全球冰期气候波动理论，并分析萨拉 乌苏地层中气候环境代用指标所揭示的古气候变化规律， 可以认为：萨拉乌苏河地区气候与环境变迁受全球冰期气 候波动的影响，并通过冬夏季风强弱变化所导致的水平生 物气候带的南北摆动来实现。 6 确认了河套人的生活时代 据河套人化石特征，结合地层和萨拉乌苏动物群的生 态习性，推断河套人、旧石器时代文化遗址、萨拉乌苏动 物群、处于河湖相的萨拉乌苏组地层均为术次问冰期的产 物，参照绝对测年数据，将其置于