蘭州東盆地棗溝黃河第四級黃土古土壤s11的形成時代

蘭州東盆地棗溝黃河第四級黃土古土壤s11的形成時代

800年前和之后，地球環(huán)境發(fā)生了重大變化，這是自第四紀冰川作用以來世界上最重要的環(huán)境變化。深海沉積記錄和陸地沉積記錄同時反映出該時期氣候波動頻率和振幅的改變,全球進入第四紀冰期最盛期。當時全球冰量猛增了約15%,Berger等稱此事件為“更新世中期革命”(MPR)。而在我國同時期則發(fā)生了對我國自然地理格局有重要影響的昆侖-黃河運動,至此青藏高原隆升至3000m以上,高原整體開始進入冰凍圈。河流階地是研究流域范圍內古氣候變遷、古水文變化和新構造運動以及河流侵蝕基準面升降的最豐富的史冊。由于河流系統(tǒng)是一個相當敏感的系統(tǒng),區(qū)域或局部的氣候變化或構造運動都有可能引起河流水量和泥沙量的變化,進而在地貌上反映出來。據(jù)前人河流階地的研究資料,一些河流也相繼發(fā)現(xiàn)了800kaB.P.前后的階地。長江三峽段,高級階地的古地磁年齡或ESR年齡主要集中于730～860ka。渭河寶雞段T4的古地磁年齡約為800ka。祁連山東段沙溝河同樣存在古地磁年齡為830ka的階地。泰晤士河階地研究也顯示,早中更新世之交(870kaB.P.前后)流域范圍發(fā)生了重要改變,泰晤士河廢棄了自倫敦向北至諾福克的河道,改道向東穿過艾塞克斯直接注入英吉利海峽。蘭州黃河階地是國內研究最為深入的階地,素有“蘭州式階地”之稱,其研究程度在國際上堪與倫敦泰晤士河階地相媲美;但就現(xiàn)有的研究資料而言,蘭州并沒有發(fā)現(xiàn)800kaB.P.前后的黃河階地。是事實本就如此、還是研究工作上的疏漏?這是一個亟待解決的問題。1研究區(qū)域和分類1.1實際區(qū)域的選擇青藏高原東北邊緣的祁連山脈向東延伸入黃土高原,斷斷續(xù)續(xù)地突兀于黃土高原之上,其間則分布著大大小小的一些斷陷盆地。蘭州盆地就是其中偏南的一個盆地,其北至寶泉山-虎南山-米家山一線,南以務宿山-七道梁-馬銜山一線為界,而東西則分別與隴西-靜寧盆地和西寧盆地相鄰。本文所研究的實際區(qū)域是蘭州東盆地的黃河北岸部分(圖1)。研究區(qū)處于我國三大自然區(qū)域的交匯地帶,即東部季風濕潤區(qū)、西北內陸干旱區(qū)和青藏高原高寒區(qū)的交匯地帶。李吉均曾指出該地是我國“季風三角”的樞紐地區(qū)。這種特殊的地理位置決定了該區(qū)對環(huán)境變化事件的響應較其它地區(qū)更為敏感。1.2土壤條件、粒度與光釋光osl年代研究本文研究的黃河階地,是蘭州東盆地棗樹溝(36°05′17″N、103°51′51″E)的第四級黃河階地(圖1),該級階地為典型的基座型階地,階地基座拔河80m(圖2)。礫石層厚約4m,礫石磨圓度高,以次圓、次棱角為主,礫石直徑一般5～10cm,且含砂質較多,為典型黃河河床相沉積。礫石層之上具有明顯水平層理的河漫灘相粉沙層厚約6m,再上是64m厚的風成黃土堆積。野外鑒定出風成黃土部分含有八層古土壤,擬定為古土壤序列S1～S8,且最底部發(fā)育了古土壤S8(圖2)。為了對黃土剖面的黃土古土壤序列有一個更為準確的認識,我們對黃土剖面進行了粒度樣品和光釋光(OSL)年代樣品的采集。粒度樣品采用20cm等間距采樣,共得粒度樣品300個;光釋光(OSL)年代樣品采自S1古土壤頂部,即剖面59m處(圖4)。粒度樣品分析,在蘭州大學西部環(huán)境教育部重點實驗室沉積物與粒度實驗室完成。由英國Marlvern公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀進行測量。中值粒徑(Md)顯示,古土壤層位粒度較細,黃土層位粒度較粗,其結果與野外地層描述基本一致(圖4)。光釋光年代樣品在中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所釋光測年分析室完成年齡測定工作。測年結果為70.4±7.6ka。黃土高原地區(qū)古土壤的軌道調諧年齡,古土壤S1形成于128～73kaB.P.,那么光釋光樣品年齡與S1頂部年齡相近。2磁體測量年齡2.1熱退磁實驗結果我們對棗樹溝T4黃土剖面同時進行了古地磁年代樣品的采集。為便于準確捕捉到古地磁極性轉換界面,黃土剖面下部17m采用0.5m等間距密集采樣,而剖面其余部分采樣間距則為1～2m。共得樣本58組,皆為水平正北定向樣本。然后,每組樣本在實驗室加工成2cm×2cm×2cm立方體樣品3塊,獲得三套樣品共174塊。古地磁樣品的測量在中國科學院地質與地球物理研究所2G-755超導磁力儀上完成。測量時采用熱退磁方法對樣品進行退磁。在測量了樣品的天然剩磁(NRM)之后,對全部樣品都進行了系統(tǒng)退磁,退磁檔次分別為50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、580℃和600℃。結果表明,熱退磁實驗中大多數(shù)樣品均表現(xiàn)出一致的變化趨勢,即在200～300℃間剩磁矢量強度和方向都發(fā)生了較大轉折,代表了粘滯剩磁的去除。約350℃以后,剩磁方向隨溫度升高表現(xiàn)出穩(wěn)定的原點趨向,強度緩慢減小。在580℃以后,剩磁強度又有一個小的下降,這一點在典型黃土樣品上表現(xiàn)尤為明顯。到600℃時,剩磁強度進一步變弱,表明這一剩磁成分應為特征剩磁。圖3顯示了棗樹溝T4黃土剖面中四個代表性樣品的逐步熱退磁曲線。棗樹溝T4黃土剖面的磁性地層學研究結果顯示,該黃土剖面包括兩個磁性地層極性帶。剖面下部15m黃土的極性為負極性,其上黃土部分的極性為正極性,極性倒轉發(fā)生在距礫石層頂15m處。將這一古地磁極性測量結果與Cande等人發(fā)表的標準古地磁年表對比,我們認為距礫石層頂15m處為B/M界限的位置所在(圖4),該界線位于黃土L8的上部,這與黃土高原其他地區(qū)的黃土磁性地層學研究結果基本一致。2.2軌道調諧年齡通過對棗樹溝T4黃土剖面的黃土古土壤序列和磁性地層學研究,我們認為棗樹溝T4上覆黃土的堆積年代(即風成黃土的堆積年代)與風成黃土底部古土壤S8年代相近。黃土高原地區(qū)古土壤的軌道調諧年齡,古土壤S8形成于865～819kaB.P.,因此剖面風成黃土的堆積年齡為865ka。如果按照B/M界限以上黃土堆積速率外推,風成黃土的堆積年齡約為900ka,因為該黃土剖面頂部地層缺失,因此這個年齡顯然偏老。考慮到蘭州地區(qū)風成黃土堆積至少開始于1.78MaB.P.,我們有理由相信一旦河流開始下切并脫離流水環(huán)境,階地面即開始接受風成黃土堆積,那么河流階地的年齡與上覆風成黃土的堆積年齡基本一致。因此本文認為棗樹溝T4的年齡至少為865ka。3高原較新世以來蘭州盆地隆升事件800kaB.P.前后青藏高原發(fā)生了一次強烈的構造隆升事件。該隆升事件不僅在祁連山東段表現(xiàn)強烈,而且在中、西段也有強烈的記錄,并形成玉門礫巖和酒泉礫巖的不整合面。除祁連山外,該隆升事件在黃河上游的循化盆地、西寧盆地以及昆侖山埡口盆地等青藏高原地區(qū)都有清楚的記錄,可見其強度之大和影響之廣。蘭州盆地西臨青藏高原東北部,根據(jù)前人黃河階地的研究成果,蘭州階地的形成能很好的反映青藏高原更新世以來的隆升過程。但是,蘭州過去的研究并沒有發(fā)現(xiàn)黃河800kaB.P.階地。李吉均對此提出了自己的理論推測,他通過對比循化盆地和蘭州盆地黃河階地的發(fā)育特征,認為相對于循化盆地800kaB.P.以來的抬升量,蘭州盆地該期抬升不足以形成階地,即蘭州盆地構造運動強度不夠是造成黃河沒有發(fā)育該級階地的原因。鄔光劍在其博士論文中也涉及了該問題的討論,他認為三種原因可能造成蘭州盆地沒有發(fā)現(xiàn)黃河800kaB.P.階地,即:①河流的后期改造作用,可能完全破壞了以前形成的階地;②構造隆升在各處可能不一致,盡管800kaB.P.前后的隆升事件在其它地方表現(xiàn)強烈,但在蘭州盆地可能沒有表現(xiàn)或表現(xiàn)很弱;③可能是測年差異造成的。我們通過對棗樹溝T4的古地磁測年,得出蘭州盆地存在黃河800kaB.P.階地的事實。因此,本研究結果不支持有關800kaB.P.階地被河流后期侵蝕作用完全破壞的推測;同時得出高原800kaB.P.的隆升對蘭州盆地的構造運動產(chǎn)生過深刻影響,盆地該期構造抬升強度雖較高原內部的循化盆地為小,但黃河至今下切了近80m,盆地的構造抬升強度至少達到了黃河開始下切并形成階地的臨界水平;至于是否是測年問題造成了過去沒有發(fā)現(xiàn)800kaB.P.階地的推測,則有待于研究工作的進一步深入。4樹溝t4和經(jīng)典蘭州階地t4的關系1)通過對蘭州盆地棗樹溝T4的古地磁測年,本文發(fā)現(xiàn)了蘭州盆地存在黃河800kaB.P.階地的事實。該級階地的發(fā)現(xiàn)是對蘭州階地研究成果的有益補充,也使一些理論推測得以澄清;但是一個新的問題也隨之而來,就是棗樹溝T4和經(jīng)典蘭州階地T4(五一山階地)是什么關系?它們是分屬兩級不同階地、抑或根本就是同一級階地,這個問題的解決則有待于研究工作