兰州东盆地枣沟黄河第四级黄土古土壤s11的形成时代

兰州东盆地枣沟黄河第四级黄土古土壤s11的形成时代

800年前和之后，地球环境发生了重大变化，这是自第四纪冰川作用以来世界上最重要的环境变化。深海沉积记录和陆地沉积记录同时反映出该时期气候波动频率和振幅的改变,全球进入第四纪冰期最盛期。当时全球冰量猛增了约15%,Berger等称此事件为“更新世中期革命”(MPR)。而在我国同时期则发生了对我国自然地理格局有重要影响的昆仑-黄河运动,至此青藏高原隆升至3000m以上,高原整体开始进入冰冻圈。河流阶地是研究流域范围内古气候变迁、古水文变化和新构造运动以及河流侵蚀基准面升降的最丰富的史册。由于河流系统是一个相当敏感的系统,区域或局部的气候变化或构造运动都有可能引起河流水量和泥沙量的变化,进而在地貌上反映出来。据前人河流阶地的研究资料,一些河流也相继发现了800kaB.P.前后的阶地。长江三峡段,高级阶地的古地磁年龄或ESR年龄主要集中于730～860ka。渭河宝鸡段T4的古地磁年龄约为800ka。祁连山东段沙沟河同样存在古地磁年龄为830ka的阶地。泰晤士河阶地研究也显示,早中更新世之交(870kaB.P.前后)流域范围发生了重要改变,泰晤士河废弃了自伦敦向北至诺福克的河道,改道向东穿过艾塞克斯直接注入英吉利海峡。兰州黄河阶地是国内研究最为深入的阶地,素有“兰州式阶地”之称,其研究程度在国际上堪与伦敦泰晤士河阶地相媲美;但就现有的研究资料而言,兰州并没有发现800kaB.P.前后的黄河阶地。是事实本就如此、还是研究工作上的疏漏?这是一个亟待解决的问题。1研究区域和分类1.1实际区域的选择青藏高原东北边缘的祁连山脉向东延伸入黄土高原,断断续续地突兀于黄土高原之上,其间则分布着大大小小的一些断陷盆地。兰州盆地就是其中偏南的一个盆地,其北至宝泉山-虎南山-米家山一线,南以务宿山-七道梁-马衔山一线为界,而东西则分别与陇西-静宁盆地和西宁盆地相邻。本文所研究的实际区域是兰州东盆地的黄河北岸部分(图1)。研究区处于我国三大自然区域的交汇地带,即东部季风湿润区、西北内陆干旱区和青藏高原高寒区的交汇地带。李吉均曾指出该地是我国“季风三角”的枢纽地区。这种特殊的地理位置决定了该区对环境变化事件的响应较其它地区更为敏感。1.2土壤条件、粒度与光释光osl年代研究本文研究的黄河阶地,是兰州东盆地枣树沟(36°05′17″N、103°51′51″E)的第四级黄河阶地(图1),该级阶地为典型的基座型阶地,阶地基座拔河80m(图2)。砾石层厚约4m,砾石磨圆度高,以次圆、次棱角为主,砾石直径一般5～10cm,且含砂质较多,为典型黄河河床相沉积。砾石层之上具有明显水平层理的河漫滩相粉沙层厚约6m,再上是64m厚的风成黄土堆积。野外鉴定出风成黄土部分含有八层古土壤,拟定为古土壤序列S1～S8,且最底部发育了古土壤S8(图2)。为了对黄土剖面的黄土古土壤序列有一个更为准确的认识,我们对黄土剖面进行了粒度样品和光释光(OSL)年代样品的采集。粒度样品采用20cm等间距采样,共得粒度样品300个;光释光(OSL)年代样品采自S1古土壤顶部,即剖面59m处(图4)。粒度样品分析,在兰州大学西部环境教育部重点实验室沉积物与粒度实验室完成。由英国Marlvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪进行测量。中值粒径(Md)显示,古土壤层位粒度较细,黄土层位粒度较粗,其结果与野外地层描述基本一致(图4)。光释光年代样品在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所释光测年分析室完成年龄测定工作。测年结果为70.4±7.6ka。黄土高原地区古土壤的轨道调谐年龄,古土壤S1形成于128～73kaB.P.,那么光释光样品年龄与S1顶部年龄相近。2磁体测量年龄2.1热退磁实验结果我们对枣树沟T4黄土剖面同时进行了古地磁年代样品的采集。为便于准确捕捉到古地磁极性转换界面,黄土剖面下部17m采用0.5m等间距密集采样,而剖面其余部分采样间距则为1～2m。共得样本58组,皆为水平正北定向样本。然后,每组样本在实验室加工成2cm×2cm×2cm立方体样品3块,获得三套样品共174块。古地磁样品的测量在中国科学院地质与地球物理研究所2G-755超导磁力仪上完成。测量时采用热退磁方法对样品进行退磁。在测量了样品的天然剩磁(NRM)之后,对全部样品都进行了系统退磁,退磁档次分别为50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、580℃和600℃。结果表明,热退磁实验中大多数样品均表现出一致的变化趋势,即在200～300℃间剩磁矢量强度和方向都发生了较大转折,代表了粘滞剩磁的去除。约350℃以后,剩磁方向随温度升高表现出稳定的原点趋向,强度缓慢减小。在580℃以后,剩磁强度又有一个小的下降,这一点在典型黄土样品上表现尤为明显。到600℃时,剩磁强度进一步变弱,表明这一剩磁成分应为特征剩磁。图3显示了枣树沟T4黄土剖面中四个代表性样品的逐步热退磁曲线。枣树沟T4黄土剖面的磁性地层学研究结果显示,该黄土剖面包括两个磁性地层极性带。剖面下部15m黄土的极性为负极性,其上黄土部分的极性为正极性,极性倒转发生在距砾石层顶15m处。将这一古地磁极性测量结果与Cande等人发表的标准古地磁年表对比,我们认为距砾石层顶15m处为B/M界限的位置所在(图4),该界线位于黄土L8的上部,这与黄土高原其他地区的黄土磁性地层学研究结果基本一致。2.2轨道调谐年龄通过对枣树沟T4黄土剖面的黄土古土壤序列和磁性地层学研究,我们认为枣树沟T4上覆黄土的堆积年代(即风成黄土的堆积年代)与风成黄土底部古土壤S8年代相近。黄土高原地区古土壤的轨道调谐年龄,古土壤S8形成于865～819kaB.P.,因此剖面风成黄土的堆积年龄为865ka。如果按照B/M界限以上黄土堆积速率外推,风成黄土的堆积年龄约为900ka,因为该黄土剖面顶部地层缺失,因此这个年龄显然偏老。考虑到兰州地区风成黄土堆积至少开始于1.78MaB.P.,我们有理由相信一旦河流开始下切并脱离流水环境,阶地面即开始接受风成黄土堆积,那么河流阶地的年龄与上覆风成黄土的堆积年龄基本一致。因此本文认为枣树沟T4的年龄至少为865ka。3高原较新世以来兰州盆地隆升事件800kaB.P.前后青藏高原发生了一次强烈的构造隆升事件。该隆升事件不仅在祁连山东段表现强烈,而且在中、西段也有强烈的记录,并形成玉门砾岩和酒泉砾岩的不整合面。除祁连山外,该隆升事件在黄河上游的循化盆地、西宁盆地以及昆仑山垭口盆地等青藏高原地区都有清楚的记录,可见其强度之大和影响之广。兰州盆地西临青藏高原东北部,根据前人黄河阶地的研究成果,兰州阶地的形成能很好的反映青藏高原更新世以来的隆升过程。但是,兰州过去的研究并没有发现黄河800kaB.P.阶地。李吉均对此提出了自己的理论推测,他通过对比循化盆地和兰州盆地黄河阶地的发育特征,认为相对于循化盆地800kaB.P.以来的抬升量,兰州盆地该期抬升不足以形成阶地,即兰州盆地构造运动强度不够是造成黄河没有发育该级阶地的原因。邬光剑在其博士论文中也涉及了该问题的讨论,他认为三种原因可能造成兰州盆地没有发现黄河800kaB.P.阶地,即:①河流的后期改造作用,可能完全破坏了以前形成的阶地;②构造隆升在各处可能不一致,尽管800kaB.P.前后的隆升事件在其它地方表现强烈,但在兰州盆地可能没有表现或表现很弱;③可能是测年差异造成的。我们通过对枣树沟T4的古地磁测年,得出兰州盆地存在黄河800kaB.P.阶地的事实。因此,本研究结果不支持有关800kaB.P.阶地被河流后期侵蚀作用完全破坏的推测;同时得出高原800kaB.P.的隆升对兰州盆地的构造运动产生过深刻影响,盆地该期构造抬升强度虽较高原内部的循化盆地为小,但黄河至今下切了近80m,盆地的构造抬升强度至少达到了黄河开始下切并形成阶地的临界水平;至于是否是测年问题造成了过去没有发现800kaB.P.阶地的推测,则有待于研究工作的进一步深入。4树沟t4和经典兰州阶地t4的关系1)通过对兰州盆地枣树沟T4的古地磁测年,本文发现了兰州盆地存在黄河800kaB.P.阶地的事实。该级阶地的发现是对兰州阶地研究成果的有益补充,也使一些理论推测得以澄清;但是一个新的问题也随之而来,就是枣树沟T4和经典兰州阶地T4(五一山阶地)是什么关系?它们是分属两级不同阶地、抑或根本就是同一级阶地,这个问题的解决则有待于研究工作