毛烏素沙地與渾善達克沙地的年代變化

沙漠不僅是灰塵的起源地區(qū)，也是灰塵的沉降地區(qū)。沙的固定和激活直接影響到人類的棲息地和環(huán)境質(zhì)量。毛烏素沙地和渾善達克沙地生態(tài)環(huán)境脆弱,處于氣候變化的敏感地帶,廣泛發(fā)育著固定-半固定沙丘和風(fēng)蝕殘丘,它們的形成和演化是沙區(qū)氣候變化過程的直接反映。前人已對毛烏素沙地和渾善達克沙地的第四紀(jì)地層、時空演化、古氣候變化及沙漠化作過研究[3,4,5,6,7,8,9,10,11],取得了許多有意義的成果,其中董光榮等、Bush等對末次間冰期以來特征時期及中全新世沙漠-黃土邊界帶移動及氣候變化做的研究、Sun等通過粒度、磁化率等替代性質(zhì)指標(biāo)及古地磁、熱釋光定年重建580kaBP以來毛烏素沙地沙漠-黃土邊界帶古環(huán)境變化,這些工作的地層年代確定主要建立在14C和熱釋光定年的基礎(chǔ)上,較多是對長時間尺度的研究,通過地層、沉積速率的線性內(nèi)插和替代性氣候指標(biāo)的對比來確定沙地形成及演化的時間框架。但是,在沙地特殊的地理環(huán)境下,由于強烈的風(fēng)蝕作用,使得地層的連續(xù)性在不同地區(qū)甚至同一地區(qū)不同地貌部位都有很大的差異(地層的缺失和厚度的不同等),因此需要更多的絕對年代數(shù)據(jù)來研究兩個地區(qū)高分辨率的古氣候記錄。系統(tǒng)可靠的高精度測年是反演沙地演化和氣候變化的重要前提,必須通過適宜于研究的沉積物和適宜于該沉積物的測年方法來獲得。光釋光定年技術(shù)(OSL)在沙漠演化的研究中已被廣泛應(yīng)用,它的測年范圍從數(shù)十年到幾十萬年,為短時間尺度準(zhǔn)確定年提供了可能。光釋光定年技術(shù)解決了測量無炭樣品年代及熱釋光殘留值導(dǎo)致年代偏老等問題,是沙漠第四紀(jì)沉積物定年最有效的方法之一。近年來,雖對這兩個沙地的OSL年代學(xué)研究有了一定的進展,但系統(tǒng)測定晚第四紀(jì)以來風(fēng)成沉積物的年代數(shù)據(jù)較少,需進一步加強。筆者利用光釋光定年技術(shù),測定了7個風(fēng)成沉積物剖面,結(jié)合沙丘動態(tài)過程分析,嘗試重建毛烏素沙地和渾善達克沙地最近60ka以來沙丘固定與活化過程的高精度片斷。1研究區(qū)域的地質(zhì)背景1.1夏季不同部位變化的能源毛烏素沙地和渾善達克沙地處于溫帶季風(fēng)半干旱氣候區(qū),年平均氣溫分別為6.0~9.0℃和0~3℃?，F(xiàn)代植被主要為半干旱草原-荒漠草原,廣泛發(fā)育固定、半固定沙丘,在部分地區(qū)發(fā)育有流動沙丘。年平均降水量分別在250~400mm和200~350mm之間變化,主要集中在夏季。筆者文中所選用的7個代表性剖面:DBY剖面(38°48.548′N,110°23.283′E)、SDG剖面(38°48.005′N,110°24.107′E)、YYC剖面(38°13′N,109°45′E)、CJG剖面(38°08.223′N,109°47.471′E)、HSHN剖面(43°15.012′N,116°07.992′E)和MJZ剖面(43°14.818′N,117°30.406′E)分別位于毛烏素沙地和渾善達克沙地的外緣(圖1),具有生態(tài)脆弱性和氣候敏感性的雙重特點,是研究晚第四紀(jì)沙漠固定與活化演化過程的理想地區(qū)。1.2環(huán)境特征結(jié)果7個剖面(圖2)所處地貌部位為風(fēng)蝕殘丘和沙丘,剖面為(灰)黑色砂質(zhì)土壤-砂黃土-砂層互層,在(灰)黑色砂質(zhì)土壤中可見蟲孔、根管、白色鈣質(zhì)膠膜,有土壤團粒狀結(jié)構(gòu);DBY剖面的棕紅色砂黃土中,有鈣質(zhì)膠膜及菌絲體狀碳酸鹽沉積,具有明顯的成壤特征;在相距80km的SDG和CJG兩個剖面中,黃色砂層和砂黃土中均有深棕褐色、條帶寬窄不一、形狀不規(guī)則的粘土薄層(lamellae)與砂的互層;MJZ剖面的淺黃色砂層中有凍融褶皺發(fā)育。以上這些特征說明,在沙丘沉積和發(fā)育的過程中,周圍環(huán)境有明顯的變化:砂層指示了相對干旱的環(huán)境,風(fēng)沙運動活躍;(灰)黑色砂質(zhì)古土壤指示了相對濕潤的環(huán)境,沙地植被覆蓋度增加;砂黃土沉積時的環(huán)境介于上述兩種氣候環(huán)境之間。1.3層位的確定在野外取樣時,首先清理剖面,使原生沉積物出露,用不銹鋼管在不同的層位垂直于剖面打進,然后用黑色塑料蓋或鋁箔密封管子兩端,并用不透明黑色塑料袋包好密封,以確保不曝光、水分不散失。2光年測量筆者所列的光釋光數(shù)據(jù)是用粒徑為90~125μm的石英作為測年礦物得到的。2.1酶系統(tǒng)的檢測的鋁片上,涂抹少許硅膠,把提純的石英單層平鋪其上,以備測試樣品的等效劑量。樣品未用重液分離長石和石英組分以及電磁法分選重礦物。2.2測年強度測試樣品等效劑量的測試采用單片再生法。此方法是用內(nèi)插法獲取等效劑量值(圖3),解決了以往困擾釋光測年技術(shù)的諸多問題,是目前適合于沙地樣品光釋光測年的較成熟的方法。測試流程見表1:制備好的石英樣片首先在特定的溫度下預(yù)熱10s,預(yù)熱溫度控制在160~300℃之間,在125℃下藍光激發(fā)40s,測量樣品的自然釋光信號強度(No),接著,給樣片輻照一個檢驗劑量Dt,檢驗劑量的大小以等效劑量的10%~20%為宜,把樣片預(yù)熱到160℃,快速冷卻至125℃,用藍光激發(fā)40s,測量由檢驗劑量產(chǎn)生的釋光信號強度(To),所測的自然釋光信號強度(No)與檢驗劑量產(chǎn)生的釋光信號強度(To)之比值即為感量校正后的自然釋光強度值;其次,給樣片輻照一個接近于等效劑量值的再生劑量Ri(i=1,2,…,5),重復(fù)上面的預(yù)熱、激發(fā)、檢驗劑量、160℃預(yù)熱、激發(fā)。其中,R3>R2>R1;R1=R5,目的是檢驗感量校正的準(zhǔn)確性,Recycling系數(shù)的變化范圍在0.9~1.1之間;R4=0。測試過程的誤差控制在10%以內(nèi);最后,通過校正后的釋光強度值對再生劑量擬合出釋光生長曲線,用校正后的自然釋光強度值在該曲線上內(nèi)插,求得樣片的等效劑量值(圖3)。2.3水分含量及環(huán)境輻射用量的確定樣品的年劑量測定采用中子活化法。測定時假定238U、235U、232Th及40K和它們的衰變子體核素處于放射平衡體系中。水分含量采用樣品采集時的水分含量,因樣品歷史時期水分含量的變化無從得知,估計誤差為±10%。宇宙射線的年劑量據(jù)Prescott和Hutton所提供的方法獲得。同時,考慮到樣品前處理時HF酸對石英表面腐蝕而導(dǎo)致的環(huán)境輻射劑量的減少,根據(jù)用HF酸處理的次數(shù)對其進行校正。年劑量計算時所用的公式和參數(shù)以Aitken提供的公式和參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。3光釋光測定年的結(jié)果3.1預(yù)熱溫度對樣品釋放的影響3.2cg49的復(fù)合性試驗結(jié)果影響等效劑量離散度的因素主要有以下幾種:樣品的曬褪和接受周圍環(huán)境的輻射劑量是否均一;樣品本身的礦物特性和實驗誤差。前兩種因素的表現(xiàn)是,同一樣品各樣片的De值隨著校正后的自然釋光強度的遞增而遞增;后兩種因素主要表現(xiàn)是相關(guān)數(shù)據(jù)點的隨機分布。對于CJG04和MJZ03兩個樣品,自然釋光信號和等效劑量的離散度較大,離散度用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD表示:RSD越小,表示離散性越小(圖5、圖6),預(yù)熱溫度對等效劑量沒有出現(xiàn)風(fēng)成沉積物明顯的坪區(qū)。為了分析引起這種現(xiàn)象的原因,對CJG04進行等效劑量的恢復(fù)試驗(doserecovery):取一組樣片,在中午強烈太陽光下曬褪30min,使其自然釋光信號完全曬褪或達到一個可忽略的水平,接著用β源輻照一個人工輻射劑量,這個人工輻射劑量相當(dāng)于樣品的埋藏古劑量,相應(yīng)的釋光信號相當(dāng)于自然釋光信號,然后按照上述的單片劑量再生法,測量其等效劑量,求出等效劑量和自然釋光信號的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD(De)和RSD(OSL)。試驗結(jié)果如圖6所示:RSD(OSL)降低幅度較小,但RSD(De)幾乎減小了2/3,由此可見,樣品在接受相同的輻射劑量后,RSD(De)明顯減小;雖然在試驗過程中,樣品的礦物特性和試驗誤差對離散度有一定影響,但主要的影響因素可能是樣品所接受的環(huán)境輻射劑量不均一。同時,常規(guī)單片劑量法所得的自然釋光信號的RSD(OSL)和第一次再生劑量釋光信號(Reg.OSL)的RSD(Reg.OSL)=33.81%很接近,這說明樣品在被埋藏前已曬褪得很徹底(第一次再生劑量釋光信號是在自然釋光信號完全曬褪后給一人工再生劑量所產(chǎn)生的),也證明了上述論斷。因此,樣品CJG04等效劑量確定采用所有樣片等效劑量值的均值。樣品MJZ03除具備CJG04離散度較大的特性外,等效劑量隨校正后的自然釋光信號強度成顯著的線性增長,相關(guān)率達94.5%(圖5),第一次再生劑量的釋光信號較自然釋光信號的離散度要小得多,只有5.65%,表明樣品的曬褪程度不均一可能是造成這種現(xiàn)象的主要原因,故等效劑量的確定采用Zhang等提供的方法。3.3等效劑量值測試從野外地貌部位和沉積特征來看,筆者所用的樣品均為風(fēng)成沉積物,除樣品CJG04和MJZ03外,其他樣品在等效劑量值的測試過程中,同一樣品各樣片的等效劑量值比較集中,離散性較小(圖5),由此表明在沉積之前地質(zhì)時期積累的釋光信號可以完全回零或達到一個可忽略的水平,等效劑量值取預(yù)熱溫度坪區(qū)250℃時所測各樣片的平均值。樣品的OSL年代計算依據(jù)Aitken所提供的公式和參數(shù),部分樣品的等效劑量和年劑量及最終的年代測試結(jié)果如表2所示:4沙區(qū)的古土壤和淺灰砂或灰砂土毛烏素沙地和渾善達克沙地位于東亞季風(fēng)區(qū)的北緣,晚第四紀(jì)風(fēng)成砂是在地表植被覆蓋度低、風(fēng)力強勁、風(fēng)蝕劇烈的條件下形成的,代表沙丘相對活化階段。古土壤和淺灰色或灰黑色砂質(zhì)土壤是在沙地氣候濕潤,植被較好,流沙被固定后發(fā)育的,代表沙丘相對固定階段。砂質(zhì)黃土介于上述兩者之間,代表沙地的半固定狀態(tài)。從所得到的釋光年代數(shù)據(jù)和沉積物序列特征,其環(huán)境指示意義如下:4.1氣候適應(yīng)期及氣候條件毛烏素沙地60kaBP以來至少在37.71kaBP、8.54kaBP、8.32kaBP、7.93kaBP、7.77kaBP、7.57kaBP、7.39kaBP前后和2.39kaBP以后處于固定階段。沙地的活化至少發(fā)生在57.08kaBP、52.50kaBP、13.65kaBP、13.13kaBP、7.20kaBP前后、2.39kaBP以前、0.29kaBP以來等幾個時段。在10.97kaBP、10.04kaBP、9.81kaBP和8.67kaBP期間沙地處于氣候干濕交替時期,但總的演化趨勢仍趨于活化。毛烏素沙地在57.08kaBP、52.50kaBP、13.65kaBP和13.13kaBP前后主要是淺黃色風(fēng)成砂沉積,尤其是13.65kaBP之前的一段時期內(nèi),沉積物幾乎全部是粗沙,平均粒徑最大可達350μm,小于16μm的顆粒百分含量幾乎為零,可能是由于當(dāng)時氣候干冷,風(fēng)力強勁,風(fēng)蝕強烈,毛烏素沙地處于活化擴張階段,這一時期剛好處于末次盛冰期后期,說明當(dāng)時的干旱寒冷氣候在毛烏素沙地也有很好的響應(yīng)。37.71kaBP前后,發(fā)育一層厚約0.7m的棕紅色砂黃土,含有鈣質(zhì)膠膜、菌絲體狀碳酸鹽,直立性好,并且粒度較其上下兩個沉積層明顯減小,成壤作用較強,表明在這一時期內(nèi),氣候溫暖,降雨充沛,沙漠已處于固定狀態(tài),同時,這一時期對應(yīng)深海氧同位素階段3,當(dāng)時氣候以暖濕為主,這在以往的研究中已得到證實。在10.97kaBP、10.04kaBP、9.81kaBP和8.67kaBP期間,毛烏素沙地在淺黃色的砂層中發(fā)育了深棕褐色粘土薄層(Lamellae),這在CJG、SDG兩個相距約80km的剖面上都有體現(xiàn),粘土薄層發(fā)育于氣候干濕交替時期,說明當(dāng)時毛烏素沙地的降水較末次盛冰期可能有所增加,使得沙丘表層的粘土和鐵質(zhì)礦物被雨水淋濾,通過物理、化學(xué)或地質(zhì)過程而在沙丘中的一定層位富集,但當(dāng)時氣溫仍然較低,沙地在總的演化趨勢上趨于活化。粘土薄層(Lamellae)的發(fā)育受多種因素諸如地貌部位、氣候條件、礦物特性、孔隙水pH值和吸力及地質(zhì)過程等的控制,所以,盡管SDG剖面和DBY剖面相距不到2km,但沉積序列卻有較大的差異,當(dāng)然,這也不排除另一個原因:即由于強烈的風(fēng)蝕作用而使粘土薄層(Lamellae)在DBY剖面中缺失。這一時期可能是氣候由干冷向相對暖濕轉(zhuǎn)變的過渡時期。在距今8.54ka、8.32ka、7.93ka、7.77ka、7.57ka和7.39ka以來,毛烏素沙地普遍發(fā)育淺灰-灰黑色砂質(zhì)土壤,降雨量增加,沙地植被發(fā)育良好,但可能溫度偏低,所以,沉積物中有大量的有機質(zhì)殘留,有明顯的成壤作用過程,在Yang等的研究成果中也有反映,相當(dāng)于全新世氣候適宜期。7.20kaBP前后和2.39kaBP以前,毛烏素沙地的沉積物為淺黃色砂層,沙地處于活化階段,氣候干冷。在2.39kaBP以后,毛烏素沙地發(fā)育了一層淺灰色砂質(zhì)土壤,氣候由冷干逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔錆?沙漠開始固定。0.29kaBP以來,人類活動頻繁,雖然年降水量可達到300~450mm,沙地本應(yīng)處于半固定-固定階段,而現(xiàn)在卻處于活化階段,這到底是人為因素還是自然因素起主導(dǎo)作用,還有待進一步探討。4.2渾善達克沙地凍融層渾善達克沙地在8.74ka~8.72kaBP、7.79kaBP前后,沙漠處于相對活化階段;5.06kaBP、4.06kaBP、2.74kaBP、1.53kaBP和0.71kaBP前后,沙漠處于相對固定階段。0.15kaBP以來,沙地處于相對半固定狀態(tài)。渾善達克沙地北部和東部兩個剖面記錄表明:8.74kaBP前后,淺灰黃色砂層中發(fā)育有深褐色的凍融層,位于河流相的礫石層上,但凍融層中未見河流相沉積構(gòu)造,并且釋光數(shù)據(jù)顯示出釋光信號曬褪很徹底,所以,其為風(fēng)成相沉積,與毛烏素同階段的氣候條件近似,處于全新世升溫波動期。關(guān)于凍融層的成因,一般認為與季節(jié)性的氣候變化有關(guān)。8.72kaBP和7.79kaBP前后,渾善達克沙地發(fā)育淺黃色粗砂層,植被稀少,氣候干冷,沙地處于活化階段。5.06kaBP、4.06kaBP、2.74kaBP、1.53kaBP和0.71kaBP前后,沉積物為灰黑色-淺灰色砂質(zhì)土壤,有機質(zhì)含量高,說明當(dāng)時植被發(fā)育良好,氣候冷濕,沙地固定成壤。這一結(jié)論與Li等提供的渾善達克沙地全新世地層的OSL年代可相互佐證和補充。0.15kaBP以來,發(fā)育淺黃色砂黃土,沙地處于相對半固定階段。這種地貌景觀與現(xiàn)代沙地的氣候條件基本一致。4.3毛烏素沙地的固定時間毛烏素沙地和渾善達克沙地雖然同處于東亞季風(fēng)的北部邊緣,但它們固定與活化的時間不盡相同:全新世早期基本一致,均處于活化階段;之后,毛烏素沙地在距今8.5kaBP開始多為沙漠固定階段,而渾善達克沙地從距今5kaBP左右開始多為固定階段,并且在調(diào)查的時間范圍內(nèi)較毛烏素沙地的固定時間要長。兩個沙地記錄的不同可能是由于所選剖面的數(shù)量及代表性還不完整,或許是由于兩個沙地對氣候變化的響應(yīng)存在一定的差異所致,需要進一步的研究。5討論5.1g檢驗劑量的確定在測試等效劑量時,樣片等效劑量值的恢復(fù)(recycling)系數(shù)和檢驗劑量的最大誤差為10%;所有釋光信號的強度均已排除本底的影響并經(jīng)過校正;樣品光釋光年代數(shù)據(jù)的誤差變化范圍為0~10%,所反映的OSL年代數(shù)據(jù)應(yīng)是準(zhǔn)確可靠的。5.2砂層沉積相的影響以往的研究表明:風(fēng)成沉積物釋光信號已經(jīng)徹底回零或達到一個可忽略的水平,文中的所有樣品均是風(fēng)成