青藏高原東部青藏高原龍擔(dān)剖面黃土古地磁學(xué)特征及其對黃土年代歸屬的制約

青藏高原東部青藏高原龍擔(dān)剖面黃土古地磁學(xué)特征及其對黃土年代歸屬的制約

1東方有關(guān)龍擔(dān)動物及動物群甘肅臨夏盆地是青藏高原東北緣雷積山深斷裂、秦嶺北深斷裂、耳山東伸剩余馬鞍山環(huán)繞的盆地。它長期記錄了青藏高原的高度運動和環(huán)境影響。位于東風(fēng)區(qū)、西北干旱地區(qū)和青藏高原冷氣區(qū)氣候敏感的風(fēng)角點，因此對氣候變化非常敏感。研究者近年來在地貌和年代綜合測試方面對臨夏盆地做了大量扎實的工作,取得了青藏高原構(gòu)造隆升研究的重大進展[4~6],建立了29Ma以來有高精度年代控制的較連續(xù)的沉積序列。晚新生代青藏高原的隆升對其周圍地貌格局和沉積產(chǎn)生了重大影響,地處高原東北構(gòu)造邊界的六盤山受其影響產(chǎn)生明顯的地貌分異,造成黃土高原東西兩部分巨大的風(fēng)成沉積差異。Li將臨夏盆地下更新統(tǒng)下部地層命名為東山組,其主要為含大量鈣質(zhì)結(jié)核的湖相粉砂巖,產(chǎn)三趾馬(Equus)等化石。但在臨夏盆地東部,與東山組下段相當(dāng)?shù)膶游皇屈S土堆積,為同期異相沉積,其時代相當(dāng)于中國中、東部黃土高原的午城黃土,龍擔(dān)哺乳動物化石群主要產(chǎn)于臨夏盆地早更新世“午城黃土”中[10~14]。位于臨夏盆地的和政地區(qū)(包括和政縣、廣河縣和東鄉(xiāng)族自治縣等3縣的部分地區(qū))盛產(chǎn)鏟齒象和三趾馬動物群化石,是世界上目前發(fā)現(xiàn)最早的披毛犀化石地點之一。在龍擔(dān)黃土底部發(fā)現(xiàn)松鼠一新亞科———高冠松鼠亞科,該亞科以其單面高冠的脊形齒成為世界上惟一的具高冠齒的松鼠,也是世界上惟一的具高冠齒的松鼠———高冠松鼠亞科的發(fā)現(xiàn)地。邱占祥等在和政地區(qū)調(diào)查和鑒定收集到的化石時,發(fā)現(xiàn)了一批產(chǎn)于在龍擔(dān)地區(qū)黃土中的大型哺乳動物化石。動物群在組成上很特殊,小哺乳動物特別少,食肉目化石種類特別多。因為此前我國早更新世的哺乳動物化石大多發(fā)現(xiàn)在河-湖相地層中,在黃土中極少發(fā)現(xiàn),且主要在六盤山以東。龍擔(dān)哺乳動物化石相當(dāng)豐富,其中有不少新的種類,還發(fā)現(xiàn)了靈長類化石,這在我國西北地區(qū)尚屬首次。龍擔(dān)動物群與泥河灣動物群具有可比性,龍擔(dān)動物群在形態(tài)上及進化水平上比泥河灣動物群稍更原始些,一般認(rèn)為泥河灣動物群(狹義)的時代為1.8Ma。邱占祥等根據(jù)古地磁極性測定表明,龍擔(dān)剖面的上、下化石層分別位于Matuyama-Gauss界線之上和Reunion亞帶之下的反向期內(nèi),年齡在2.55~2.16Ma之間,這與哺乳動物進化程度判斷所得出的時代有些差異。鄧濤在研究龍擔(dān)剖面所產(chǎn)目前已知最早的披毛犀動物化石時,發(fā)現(xiàn)東山組下段黃土中含化石的層位位于Matuyama-Gauss界線之上,從而得出龍擔(dān)動物群的年齡約為2.5Ma。對于動物群的年代說法不一,單純從哺乳動物化石的進化程度判斷,有失一定的論據(jù),因此可以通過研究該地區(qū)含哺乳動物化石的黃土-古土壤序列的年齡,從而得出該動物群的年代。隨著古地磁學(xué)理論的日趨成熟和完善,高精度與高分辨率的磁性地層學(xué)測年技術(shù)越來越為人們所接受。本文主要對龍擔(dān)剖面含哺乳動物化石的層位進行高分辨率的古地磁極性及粒度分析,所得龍擔(dān)剖面的極性與地磁極性年表(CK95)進行對比,闡述該剖面的極性歸屬問題,確定含化石層位的極性年代,獲得積石組礫巖之上的黃土-古土壤序列的確切年代,并重新厘定龍擔(dān)動物群的年齡。2積石組巖結(jié)構(gòu)龍擔(dān)剖面(35°31′31.6″N,103°29′0.6″E)(圖1)位于甘肅省臨夏回族自治州東鄉(xiāng)自治縣那勒寺鄉(xiāng),距那勒寺約3~4km,區(qū)域地質(zhì)上屬于臨夏盆地晚新生代沉積盆地的中央部分。龍擔(dān)剖面平行不整合于積石組礫石層之上,頂部為晚更新世馬蘭黃土披蓋,中部是黃土-古土壤序列,下伏積石組礫巖。具體剖面巖性如下(自上而下):21.晚更新世馬蘭黃土:疏松多孔,根蟲孔較多,含大量碳酸鹽斑點,夾有石灰質(zhì)結(jié)核,垂直節(jié)理發(fā)育。本剖面厚度3m,而至山頂處的視厚度為65m~~~~~~不整合~~~~~~20.黃色灰綠色條帶,鐵錳斑點,菌絲較多,較疏松,根蟲孔較多。厚1.0m19.灰白色黃土,呈鱗片狀,鐵錳斑點,少量蝸?；?。厚2.2m18.紅棕色古土壤,鐵錳斑點呈簇狀,菌絲較多。厚1.2m17.黃土狀物質(zhì),鐵錳斑點較大,含零星菌絲、少量小化石,中間幾十厘米較疏松,5層結(jié)核。厚11m16.淺紅棕色古土壤,鐵錳較集中,少量菌絲,少量蝸?；?結(jié)核。厚2.2m15.灰黃色黃土狀物質(zhì),鐵錳斑點有的呈柱狀,少量菌絲。厚3.2m14.紅棕色古土壤,鐵錳斑點呈柱狀,較硬,少量菌絲,零星結(jié)核。厚4.0m13.黃土狀物質(zhì),鐵錳包膜較集中,少量菌絲,5層結(jié)核,有零星小化石,有的層較硬,有的較疏松,產(chǎn)大量哺乳動物化石(上化石層)。厚4.9m12.淺紅棕色古土壤,鐵錳包膜,較硬,粘性較大,少量菌絲,結(jié)核。厚1.9m11.黃土狀物質(zhì),鐵錳包膜,零星結(jié)核,少量菌絲,少量蝸?；?。厚3.1m10.古土壤,鐵錳包膜有的呈同心圓狀,少量蝸牛化石,結(jié)核。厚0.9m9.黃土狀物質(zhì),少量鐵錳包膜呈圓狀,較疏松。厚1.3m8.淺黃色古土壤,鐵錳包膜,少量菌絲,少量蝸?；?。厚0.9m7.黃色土狀物質(zhì),表面干燥堅硬,少量鐵錳斑點,少量蝸?；?根蟲孔,結(jié)核發(fā)育,發(fā)現(xiàn)有大量化石(下化石層)。厚3.7m6.淺紅色古土壤,鐵錳包膜有的呈柱狀,少量結(jié)核,蝸?；：?.6m1.黃土狀物質(zhì),鐵錳包膜,少量碳酸鹽菌絲,結(jié)核發(fā)育。厚1.1m~~~~~~不整合~~~~~~晚上新世積石組:總體為灰黑色,鈣質(zhì)膠結(jié)堅硬,表面常被鈣質(zhì)殼包裹。頂部礫石膠結(jié)疏松,礫徑較小,最大礫徑5cm,以1~2cm直徑的礫石為主,夾有粗砂。下部礫石直徑較大,磨圓和滾圓較好,局部含紅棕色粉砂巖透鏡體。厚13~17m在龍擔(dān)剖面積石組礫巖之下還出露了新近紀(jì)的何王家組橘黃色塊狀泥質(zhì)粉砂巖及底部的薄層砂礫巖,大約厚15m;柳樹組黃棕色泥質(zhì)粉砂巖及底部的厚層灰色和黃色砂礫巖,厚約46m;東鄉(xiāng)組上部的棕紅色塊狀泥巖夾灰綠色泥灰?guī)r條帶,可見厚度約60m。3湖相充填材料中粒度礫石層以上黃土-古土壤序列采集樣品的厚度約51.6m(其中包括頂部1.6m的晚更新世馬蘭黃土),共972塊散樣,間隔0.05~0.10m,用以質(zhì)量磁化率及粒度測量。在實驗室分析中,質(zhì)量磁化率采用英國Bartington公司的MS-2型磁化率儀測量,粒度測量儀器采用英國Malvern儀器公司的Mastersizer2000型激光粒度儀(量程0.02~2000μm),重復(fù)測量的相對誤差<1%。磁化率作為一種古氣候代用指標(biāo),最終目的是要把磁化率的變化轉(zhuǎn)化為定量或半定量的氣候參數(shù)[18~20]。中國黃土-古土壤的磁化率變化主要由東亞夏季風(fēng)強度控制,因此它可作為夏季風(fēng)強度的代用指標(biāo)[20~34]。在我國北方風(fēng)塵堆積的研究中,粒度常被作為冬季風(fēng)強度變化的替代性指標(biāo)[35~43],通常粒度以中值粒徑表示。龍擔(dān)剖面散樣的質(zhì)量磁化率分析表明(圖2),黃土具有低的磁化率值,古土壤對應(yīng)磁化率的高值帶,與野外確定的古土壤具有較好的一致性,其特征與中國黃土高原的其他典型黃土剖面[18,19,20,22,44,45]相似,但龍擔(dān)剖面的質(zhì)量磁化率值基本上小于30×10-8m3/kg,比六盤山東部黃土高原典型的L9和L15砂黃土的值還要低。除了頂部馬蘭黃土的磁化率較高外,5.80m與25.35m處磁化率值最高,對應(yīng)的中值粒徑是較細(xì)的,其中底部粉砂層的值最低。楊小強等研究泥河灣盆地所得湖相沉積物磁化率與粒徑0.2~35.0μm區(qū)間的細(xì)粒物含量,特別是0.2~7.5μm之間的懸浮物含量反相關(guān),頂部風(fēng)成黃土堆積的細(xì)粒含量與磁化率的相關(guān)系數(shù)為正值。龍擔(dān)剖面細(xì)粒物質(zhì)含量與磁化率正相關(guān)(見圖2)。根據(jù)磁組構(gòu)的測定,龍擔(dān)剖面基本保持了原始的沉積狀態(tài),表現(xiàn)了風(fēng)成沉積的特征[49~58],但該剖面的表層有水流作用的痕跡,發(fā)育有微弱的水平層理,所以該沉積序列并非典型的風(fēng)成沉積物,暫定為加引號的早更新世“午城黃土”。黃土-古土壤沉積序列反映了冰期與間冰期的氣候旋回,黃土是在冰期中處于冬季風(fēng)環(huán)境下堆積形成的,粒度較粗,代表干冷的氣候時期;古土壤形成于間冰期,是溫濕氣候條件下的產(chǎn)物。黃土作為風(fēng)成沉積的產(chǎn)物,可以認(rèn)為其粒度大小直接反映了風(fēng)力的強弱[59~61]。龍擔(dān)剖面中古土壤層的中值粒徑一般在10~15μm之間,黃土層中的中值粒徑大約為20~25μm,其粒度特征與黃土高原其他黃土剖面相似,表明龍擔(dān)地區(qū)當(dāng)時氣候更干冷。而六盤山以東寶雞剖面的早更新世黃土-古土壤序列的中值粒徑在5~10μm之間,其粒徑較龍擔(dān)剖面細(xì),這與黃土-古土壤序列的粒度自西北向東南逐漸變細(xì)的結(jié)論一致。磁化率及粒度分析表明,龍擔(dān)剖面含哺乳動物化石層的黃土-古土壤序列是風(fēng)成沉積,但發(fā)育有微弱的水平層理,有流水作用的痕跡,并非典型的風(fēng)成黃土堆積。4古地磁序列及古土壤序列特征古地磁樣品采集401塊,采樣間隔0.1~0.2m,在實驗室內(nèi)統(tǒng)一加工成2cm×2cm×2cm的定向樣品,實驗室中采用英國MMTD-80熱退磁儀和美國2G公司的2G-760U-Channel超導(dǎo)磁力儀測定,整個退磁過程在零磁空間中完成,以10~50℃間隔進行系統(tǒng)退磁,最高退磁溫度為690℃,系統(tǒng)退磁在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁學(xué)與地質(zhì)年代學(xué)實驗室完成。熱退磁結(jié)果(圖3)分析采用Zijderveld圖解法,特征剩磁方向分析采用主向量分析法(Kirschvink,1980),樣品特征剩磁方向的確定一般至少采用3個溫度控制點。由Z矢量圖可以看出,部分樣品在200℃左右,顯示了兩個穩(wěn)定的剩磁方向,其一是在200℃至525℃之間,另一個是在630~650℃之間,這兩個分量分別可能是磁鐵礦和赤鐵礦攜帶的(見圖3a)。還有部分樣品加熱到150℃左右時,即可除掉粘滯剩磁等軟磁成分,獲得單一穩(wěn)定的剩磁分量,在正交投影圖上表現(xiàn)為方向基本不變,在585℃時剩磁強度幾乎降為零,表明該載磁礦物為磁鐵礦(見圖3b)。另一部分樣品則要加熱到690℃左右,剩磁強度才降為零,剩磁方向穩(wěn)定指向原點,表明載磁礦物中可能含有赤鐵礦(見圖3c和3d)。這與徐先海等分析臨夏盆地新生代沉積物的載磁礦物類型一致。樣品的熱退磁結(jié)果表明,從剖面頂部0.3m至底部51.6m,由5段正極性(N1,0.3~2.2m;N2,5.2~6.8m;N3,10.9~33.0m;N4,37.7~39.3m;N5,45.1~47.7m)和5段負(fù)極性(R1,4.8~5.0m;R2,9.5~10.6m;R3,33.1~37.6m;R4,39.4~45.0m;R5,47.8~51.6m)組成(圖4)。頂部0.3m至1.6m為晚更新世馬蘭黃土,所以N1為Brunhes正極性時的古地磁記錄。1.6m至2.2m為黃色亞砂土,疏松多孔,顯示了正極性時期的沉積。在2.2~4.8m松散的灰綠色河湖相沉積和6.8~9.5m處的鈣板兩個層段沒能采集古地磁樣品,尚未得出這兩段地層的極性。剖面中N4處樣品退磁結(jié)果較亂,穩(wěn)定分量的方向偏差值MAD(MaximumAngularDeviation)較高,大于15°則不計作特征方向,故沒有得到特征剩磁分量與連續(xù)的極性(見圖4問號“?”處),這可能由于N4處為下化石層,鈣結(jié)核較多,與堆積時受到部分?jǐn)_動有關(guān)。圖5顯示龍擔(dān)剖面古地磁極性結(jié)果與地磁極性年表(CK95)的對比關(guān)系。由于距剖面頂部10m處至底部是連續(xù)沉積,N3極性一旦確定,其他極性也就可知,現(xiàn)就N3的3種可能對比方案分析如下:(1)如果將N2與N3解釋為Brunhes正極性時(見圖5a),剖面中的早更新世黃土-古土壤序列是連續(xù)沉積,且沉積速率比較均一,對比地磁極性年表(CK95),則N4應(yīng)為Jaramillo極性亞時,其時間跨度為0.99~1.07Ma,N5為1.77~1.95Ma的Olduvai極性亞時。上、下化石層分別位于距頂部27.4m和39.4m,據(jù)沉積速率計算所得含哺乳動物化石層的年代分別為0.55Ma與1.12Ma,這與邱占祥等所得哺乳動物群的地質(zhì)時代不相符。(2)如果從古地磁極性序列組合關(guān)系分析,N3對應(yīng)于Gauss正極性時上部(見圖5b),其深度為10.9~33.1m,時間跨越2.58~3.04Ma,由于剖面中的黃土-古土壤序列是連續(xù)沉積,R3和R4分別為Kaena和Mammoth負(fù)極性亞時,其時間跨度分別為3.04~3.11Ma與3.22~3.33Ma,R5則進入Gilbert負(fù)極性時。從沉積速率解釋較為合適,即整個巖層段沉積速率比較均一,根據(jù)沉積速率計算所得化石的年齡分別為2.98Ma與3.25Ma,這與化石層的年齡有差異,所得哺乳動物化石為上新世時期的沉積。(3)如果N3為Olduvai極性亞時(見圖5c),黃土-古土壤為連續(xù)沉積序列,N4則為2.14~2.15Ma的Reunion極性亞時,深度為37.7~39.7m,N5進入Gauss正極性時,這種解釋和古生物資料更為貼近,但必須假設(shè)承認(rèn)午城黃土的底部沉積速率較上部慢,且黃土地層的下界進入Gauss期。根據(jù)沉積速率計算龍擔(dān)剖面下化石層年齡為2.25Ma,上化石層的年齡為1.9Ma。對于N3的極性歸屬問題,基于以上3種對比方案,我們再考慮龍擔(dān)動物群的特征。龍擔(dān)動物群共包含29個屬31種哺乳動物,其中小哺乳動物5種(嚙齒類4種,兔形類1種),靈長類2種,食肉類16種(犬科5種,鼬科2種,鬣狗科3種,貓科6種),奇蹄類4種,偶蹄類4種。動物群中有1個新屬,11個新種,4個鑒定為相似種。龍擔(dān)動物群與泥河灣動物群的相似度較高,如泥河灣巨顎虎相似種Megantereoncf.M.nihowanense在總的形態(tài)和大小上與泥河灣動物者非常接近,但它在形態(tài)上卻較泥河灣者稍更原始些,因此龍擔(dān)動物群進化水平稍低,可能代表較早地質(zhì)時代的動物群。泥河灣動物群是我國北方典型的早更新世的動物群,目前,主要的泥河灣動物群(廣義)的時代為0.8~2.0Ma。邱占祥認(rèn)為,狹義的泥河灣動物群與歐洲維拉方晚期的Olivola動物群在組成與相似程度上最為接近,一般認(rèn)為Olivola動物群的年齡為1.8Ma左右。邱占祥等認(rèn)為在歐洲,龍擔(dān)動物群與維拉方中期的St.Vallier動物群最為接近,St.Vallier動物群的年齡一般認(rèn)為是2.2Ma左右,且龍擔(dān)動物群中發(fā)現(xiàn)有真馬,無典型的中更新世動物群的成員,如中華碩鬣狗、扁角腫骨鹿等。根據(jù)目前的所知,真馬在泥河灣盆地中發(fā)現(xiàn)的時代為Olduvai極性亞時,其時代不超過Matuyama-Gauss界線,因此龍擔(dān)動物群相對于中國的早更新世。方小敏等對臨夏盆地新生代地層的巖層做了詳細(xì)的劃分并建立了13個新組,且根據(jù)古地磁測年手段確定下更新統(tǒng)底部的礫巖在層位上位于東山組之下,并另建一個新組———積石組,其年代為2.58~3.58Ma。積石組不含化石,但它位于有確切化石證據(jù)的早上新世和早更新世沉積之間,并在Matuyama-Gauss界線之下,因此其時代應(yīng)為晚上新世。龍擔(dān)剖面含哺乳動物化石的黃土-古土壤序列位于積石組礫巖之上,因此其年代不應(yīng)老于晚上新世。所以N3不能歸為Gauss正極性時,而只能屬于Matuyama時期,因此N3為Olduvai極性亞時較為合理。將本文所得古地磁極性與邱占祥等的結(jié)果對比(見圖4),上化石層位以下的極性對應(yīng)基本一致,即3個正極性和3個負(fù)極性,他們應(yīng)用古地磁極性分析并結(jié)合龍擔(dān)剖面的化石層年齡,得出該剖面存在的3個正向極性,從下至上分別為Gauss,Reunion和Olduvai,從而得出龍擔(dān)下化石層的年齡為2.55Ma,上化石層年齡為2.16Ma,這與本文所得結(jié)論基本一致。由于邱占祥等沒有采集剖面頂部,且只發(fā)現(xiàn)4層古土壤層,而本文采集有8層古土壤層,這或許是二者的區(qū)別所在。Olduvai極性事件在龍擔(dān)剖面中的沉積厚度大約為22.2m,厚度看起來似乎較大,這與方小敏等所得六盤山以西東山頂剖面和王家山剖面的O