王苗苗,弓虎軍

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系, 陜西 西安 710069)

第四紀(jì)以來，黃土高原上形成了大量風(fēng)成的粉塵堆積物。該黃土以其沉積厚度大、沉積層序連續(xù)且完整為特征，與極地冰芯、深海巖心共同成為研究全球變化的三大支柱[1]。以往學(xué)者利用不同指標(biāo)，對(duì)黃土的古地磁學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)、礦物學(xué)、沉積學(xué)等特征進(jìn)行了比較系統(tǒng)研究，但就黃土物源而言，一直存在比較大的爭(zhēng)議。中國黃土高原覆蓋面積超過440 000 km2，是記錄新近紀(jì)以來古環(huán)境與古氣候信息重要的天然檔案庫[2-4]。揭示其粉塵來源以及粉塵搬運(yùn)途徑有利于了解粉塵的成因機(jī)制以及源區(qū)的一些物質(zhì)演化信息。

劉東生等[1]認(rèn)為，黃土高原北部周圍的戈壁沙漠，還有一些內(nèi)陸盆地，如準(zhǔn)格爾盆地、塔里木盆地等是黃土的主要物質(zhì)來源。Pullen等[5]利用鋯石U-Pb年齡對(duì)比了黃土高原的黃土-古土壤與柴達(dá)木盆地的上新世—更新世湖相沉積物，認(rèn)為柴達(dá)木盆地是黃土的重要源區(qū)，并且認(rèn)為，在間冰期與冰期不同的時(shí)期內(nèi)，黃土物源是不同的。Che等[6]基于黃土-古土壤鋯石U-Pb數(shù)據(jù)研究，認(rèn)為黃土高原的黃土主要來自于青藏高原北部和戈壁阿爾泰山脈，并且認(rèn)為黃土高原的物源在冰期—間冰期時(shí)期的物源是不變的。Sun[7]將塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、柴達(dá)木盆地的樣品與黃土高原的樣品就Sr同位素、稀土元素及其他微量元素和礦物成分方面進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其特征明顯不同，并且認(rèn)為蒙古國南部以及附近的戈壁沙漠是黃土高原的主要源區(qū)。李云等[8]基于鋯石U-Pb年齡研究方法得出，黃土高原黃土碎屑鋯石主要來源于北部的戈壁沙漠及臨近沙漠，而并不是之前認(rèn)為的其主要來源于青藏高原北部及柴達(dá)木盆地。陳駿等[9]通過大量地球化學(xué)證據(jù)進(jìn)行物源示蹤，發(fā)現(xiàn)亞洲粉塵最終源區(qū)是青藏高原北緣以及中亞造山帶，并且指出中國黃土具有近源性特征，搬運(yùn)方向與近地表盛行風(fēng)方向一致。還有一些學(xué)者認(rèn)為，阿拉善地區(qū)是黃土的主要物源區(qū)[6,9-11]。Stevens等[12]在2010年利用鋯石測(cè)年方法對(duì)末次冰期的黃土進(jìn)行了初步的分析，并根據(jù)鋯石年齡的分布特征推斷,祁連山和塔克拉瑪干沙漠很有可能是末次冰期黃土的潛在源區(qū)。后來，Stevens等[13]在2013年通過對(duì)毛烏素沙漠東、西部鋯石U-Pb年代學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，西毛烏素沙漠與黃土高原的物源一致，主要由黃河從青藏高原北部運(yùn)輸物質(zhì)到達(dá)附近沙漠，后又通過風(fēng)力搬運(yùn)、沉積物再循環(huán)到達(dá)黃土高原之上。而東毛烏素沙漠則明顯不同與此，其主要來源于周圍地區(qū)和下伏白堊紀(jì)砂巖。而Sun等[10]認(rèn)為，至少在最后一個(gè)冰期—間冰期周期內(nèi)，黃土高原的細(xì)粒粉塵沉積物主要來自蒙古南部的戈壁沙漠和中國北部的沙漠(主要是巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠)，而不是來自中國西部的塔克拉瑪干沙漠。還有，Chen等[14]認(rèn)為，亞洲粉塵源區(qū)存在明顯的空間與時(shí)間上的差異，這種差異主要是由源區(qū)物質(zhì)演化以及粉塵搬運(yùn)過程發(fā)生的物質(zhì)交換引起的。Che等[6]通過鋯石U-Pb定年對(duì)比發(fā)現(xiàn)，黃土高原上的西峰、曹峴、洛川黃土樣品具有相似的年齡模式，除此之外，并未發(fā)現(xiàn)西峰黃土與古土壤之間存在差異變化，這與之前黃土?xí)r空非均質(zhì)性的結(jié)論相矛盾[15]。綜合以上研究可知，關(guān)于黃土物源的討論可以總結(jié)為兩個(gè)問題，一是黃土物源究竟在哪里？二是黃土物源區(qū)是否在地質(zhì)歷史時(shí)期發(fā)生了演變？就此問題，本文選取研究深入、層序完整的洛川黑木溝剖面進(jìn)行系統(tǒng)的、從下到上的鋯石U-Pb定年的研究方法，并與周圍潛在的物源區(qū)進(jìn)行鋯石年齡組合的對(duì)比，以探究第四紀(jì)以來黃土物源變化的整個(gè)過程。

1 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

本研究選取經(jīng)典的洛川—黑木溝黃土-古土壤剖面(見圖1)作為研究對(duì)象[17-19]。洛川—黑木溝黃土剖面是中國黃土研究最深入的標(biāo)準(zhǔn)剖面之一,Heller等首次對(duì)洛川剖面進(jìn)行了古地磁研究,正確地建立了中國黃土磁性地層柱[20]。該剖面總厚度大約140 m,上130 m沉積的是第四紀(jì)黃土-古土壤,下10 m沉積的是新近紀(jì)紅黏土。剖面底界年齡為3.4 Ma,記錄了2.58 Ma以來第四紀(jì)黃土-古土壤與2.58～3.4 Ma新近紀(jì)紅黏土沉積序列(見圖2)。在前人劃分好的地層剖面上[18,24],選取黑壚土層S0(0.076 9 Ma±0.02 Ma),馬蘭黃土層L1(0.12～0.08 Ma)與L2(0.196～0.12 Ma),第二層古土壤層S2(0.246～0.196 Ma),第二粉砂層L15(1.25～1.1 Ma)、L18(1.32 Ma)、L22(1.46 Ma)、L24(1.6 Ma)、L29(1.87 Ma),最底層黃土L33(2.5 Ma)等10個(gè)層位進(jìn)行樣品采集。

注：毛烏素沙漠沉積(E-MUS, W-MUS)和黃河河床沉積(YR)[12-13];松潘三疊紀(jì)砂巖(Songpan)和柴達(dá)木盆地沉積物(Qaidam)[16];騰格里沙漠的沙質(zhì)沉積物(TD)[12];西寧黃土古土壤(Xining)[15];阿爾泰山脈沖積扇沉積(YG02)和弱水河河床沉積(RSH01)[6]；紅點(diǎn)代表研究區(qū)，綠點(diǎn)代表潛在源區(qū)。圖1 洛川黃土古土壤剖面及潛在物源區(qū)位置Fig.1 Distribution of Chinese loess-paleosol deposits in Luochuan and potential source regions

野外每個(gè)層位采集足量(>10 kg)的樣品。 將采集到的樣品送至河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鋯石挑選作業(yè), 每個(gè)樣品挑選出2 000粒以上的鋯石用做實(shí)驗(yàn)。 依據(jù)Vermeesch提出的， 碎屑鋯石U-Pb要想具有數(shù)理統(tǒng)計(jì)意義必須達(dá)到90粒以上有效鋯石的論斷[25], 本研究對(duì)每個(gè)樣品隨機(jī)選擇90～120粒碎屑鋯石進(jìn)行試驗(yàn), 盡量滿足最大樣品需求數(shù)量， 使其具有數(shù)理統(tǒng)計(jì)意義。

鋯石U-Pb年齡測(cè)定在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的激光剝蝕等離子質(zhì)譜儀(LA-ICP-MS)上進(jìn)行,激光束斑直徑設(shè)定為30 μm,頻率為10 Hz,采用He作為剝蝕物載氣。鋯石年齡采用29Si和NISI610分別作為內(nèi)標(biāo)和外標(biāo),以Harvard鋯石91500作為元素分餾效應(yīng)的外部矯正標(biāo)準(zhǔn)。年齡計(jì)算以及諧和圖用Isoplot完成,其中,>1.0 Ga的年齡采用207Pb/206Pb的值,<1.0 Ga的年齡選取206Pb/238U的年齡值。經(jīng)過鋯石的挑選、激光剝蝕定年及數(shù)據(jù)處理之后,首先將得到的鋯石年齡數(shù)據(jù)以柱狀直方統(tǒng)計(jì)、PDP(probability density plots)以及KDE(kernel density estimation)[26]統(tǒng)計(jì)圖形呈現(xiàn)，并進(jìn)行視覺分析。因本研究的數(shù)據(jù)量大,增加了數(shù)據(jù)分析的難度,為了進(jìn)一步驗(yàn)證洛川黃土-古土壤與潛在源區(qū)的鋯石U-Pb年齡分布的相似度，選用MDS(multi-dimensional scaling)[13,27]非矩陣多維標(biāo)度統(tǒng)計(jì)分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。

2 潛在物源區(qū)

由前人研究可知,自從2.6 Ma以來,黃土的形成是在以高空西風(fēng)環(huán)流為主導(dǎo)，結(jié)合低空季風(fēng)環(huán)流作為搬運(yùn)動(dòng)力而形成的[28]。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)黃土沉積中心位于山前凹陷地帶。綜上可知，黃土的潛在源區(qū)應(yīng)位于黃土高原周邊的造山帶和沙漠。本研究選取的潛在源區(qū)包括阿拉善區(qū)域、毛烏素沙漠、青藏高原(見圖1)。阿拉善區(qū)域主要指青藏高原與阿爾泰山脈之間的低洼干旱區(qū),包括弱水河下游沖積扇、巴丹吉林沙漠、河西走廊、騰格里沙漠等。

圖2 洛川黃土-古土壤剖面樣品磁性地層(據(jù)參考文獻(xiàn)[22-24]修改)Fig.2 The magnetic poperties of the Luochuan loess-paleosol profile

為與研究區(qū)沉積物進(jìn)行鋯石年齡對(duì)比,選取了一些已經(jīng)發(fā)表的、代表潛在源區(qū)的沉積樣品,包括阿爾泰山脈沖積扇樣品YG02、發(fā)源于北祁連山的弱水河下游河床沉積物樣品RSH01(代表混合青藏高原北部祁連山與戈壁阿爾泰山的阿拉善混合物)、騰格里沙漠沉積物樣品TD、東毛烏素沙漠沉積物樣品E-MUS、西毛烏素沙漠沉積物樣品W-MUS、西寧沉積物樣品Xining、黃河沉積物樣品YR、柴達(dá)木盆地沉積物樣品Qaidam、松潘三疊紀(jì)砂巖樣品Songpan等(見表1)。

表1 潛在物源區(qū)鋯石年齡樣品

3 鋯石U-Pb年齡

鋯石作為封閉溫度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、分布廣泛的副礦物[29],一直以來深受年代地質(zhì)學(xué)學(xué)者的重視[30],尤其是單顆粒鋯石U-Pb年齡，是目前研究沉積物源區(qū)有效的手段[31-32]。鋯石U-Pb年齡不受后期沉積作用的影響,可以較好地保留源區(qū)的信息。得到沉積區(qū)剖面特定層位的鋯石U-Pb年齡信息后,與周圍毗鄰的山脈巖體年齡進(jìn)行對(duì)比,檢查是否一致,從而確定源區(qū)。較其他物源示蹤方法,利用鋯石U-Pb年齡組合分析物源變化情況更能有效地區(qū)分混合源區(qū)[33]。

本研究采集的洛川剖面10個(gè)層位鋯石年齡分布圖(見圖3)顯示,各層年齡的同一性主要表現(xiàn)在200～600 Ma主要峰值分布段,差異性則表現(xiàn)在次年齡段上。很明顯,以L15為界,可以清楚地分為兩個(gè)沉積階段：上沉積層S0、L1、L2、S2,包括L15,都是以900 Ma和1 800 Ma為中心的次年齡分布段；下沉積層L18、L22、 L24、 L29、 L33, 以1 800 Ma和2 500 Ma為中心的次年齡分布段,并且存在較好的一致性。同時(shí)，詳細(xì)分析S0,L1,L2,S2,L15年齡分布圖可以發(fā)現(xiàn)，它們之間有較好的相似性,這主要表現(xiàn)在L15與L2有相似的分布形態(tài),S2與L1有相似的分布形態(tài),說明S0、L1、L2、S2、L15有著一致的年齡分布。

圖3 洛川黃土古土壤樣品碎屑鋯石U-Pb年齡分布圖Fig.3 Distribution of detrital zircon U-Pb ages for Luochuan Loess Paleosol samples

根據(jù)圖3對(duì)各層位的主要年齡分布段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。

表2 洛川剖面各層位主要年齡分布段及所占比重Tab.2 Main age distribution and proportion of each layer in Luochuan profile Ma

由表2可知,洛川黃土-古土壤剖面主要表現(xiàn)出5個(gè)主要的年齡分布段。各段分布大致表3所示。

表3 主要年齡分布段Tab.3 Main age distribution

通過對(duì)各層位5個(gè)主要年齡段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明:① 從年齡分布段來看,第一段、第二段和第三段在各層位均有分布,各層位表現(xiàn)出較好的同一性;第三段在L1、L22、L24、L29三層中缺失,在剩余的S0、L2、S2、L18、L15、L33各層位中表現(xiàn)的較為一致;第五段在S0、L1、L18、L22、L24、L29、L33中有分布,但S0、L1中的第五段主要為2 000～2 300 Ma,而L18、L22、L24、L29、L33中的第五段主要為2 200～2 650 Ma,兩者有較大差異,所以,就第五段而已,S0、L1具有同一性,L18、L22、L24、L29、L33具有同一性。② 從各年齡段比重來看,第一段為各層位的主要分布段,比重大且統(tǒng)一,各層位在此段上表現(xiàn)出一致性;第二段中，S0、L1、L2、L15比重較大,表現(xiàn)出同一性,L22、L24、L29、L33比重較小,表現(xiàn)出一致性,兩者之間差異明顯;第三段中,L15比重最大,其余各層位小且有缺失;第四段中,各層位比重較為一致,表現(xiàn)出同一性;第五段中,L18、L22、L24、L29、L33所占比重都較大,而其余各層位所占比重小且出現(xiàn)缺失,L18、L22、L24、L29、L33表現(xiàn)出一致性且與其余層位差異明顯。

利用MDS(multi-dimensional scaling)非矩陣多維標(biāo)度統(tǒng)計(jì)技術(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[27],繪制出各沉積層鋯石U-Pb年齡與潛在源區(qū)鋯石年齡的相似/相異程度對(duì)比圖(見圖4)，發(fā)現(xiàn)S0、L1、L2、S2、L15鋯石U-Pb年齡相似,并且區(qū)別于鋯石年齡相似的L18、L22、L24、L29、L33下沉積層。

綜合以上分析可知，洛川第四紀(jì)黃土-古土壤剖面上沉積段的S0、L1、L2、S2、L15具有相似的年齡分布,為同源產(chǎn)物;下沉積段的L18、L22、L24、L29、L33也存在相同的年齡分布,為同源產(chǎn)物;上段和下段之間存在物源差異。物源變化出現(xiàn)在L15與L18之間,大致時(shí)間為1.25 Ma。

圖4 洛川剖面(S0、L1、L2、S2、L15、L18、L22、L24、L29、L33)碎屑鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)的非矩陣多維標(biāo)度(MDS)統(tǒng)計(jì)分析圖Fig.4 MDS plots of statistical analysis of detrital zircons U-Pb age data from the Luochuan profile(S0，L1，L2，S2，L15，L18，L22，L24，L29，L33)

4 物源示蹤結(jié)果分析

基于非矩陣多維標(biāo)度(MDS)統(tǒng)計(jì)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的相似/相異分析，對(duì)比剖面沉積下段與潛在物源區(qū)的鋯石年齡，結(jié)果表明(見圖5)：東毛烏素沙漠區(qū)域(E-MUS)與剖面下段的(L18、L22、L24、L29、L33)有較好的相似性，由此可認(rèn)為東毛烏素區(qū)域?yàn)槠拭嫦露纬练e(L18、L22、L24、L29、L33)提供主要的物源。

圖5 洛川剖面下段沉積(L18、L22、L24、L29、L33)以及黃土高原潛在物源區(qū)碎屑鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)的非矩陣多維標(biāo)度(MDS)統(tǒng)計(jì)分析圖Fig.5 MDS plots of statistical analysis of detrital zircons U-Pb age data from the Luochuan profile(L18,L22,L24,L29,L33) and the samples of potential provenance regionsof Loess Plateau

對(duì)比剖面下段沉積(L18、L22、L24、L29、L33)與東毛烏素區(qū)域(E-MUS)的鋯石年齡分布(見圖6)發(fā)現(xiàn)，6者都為3個(gè)峰值分布，以200～600 Ma為主要年齡分布段、 以1 800 Ma為中心和以2 500 Ma為中心的次分布年齡段。其中,主分布段都可詳細(xì)地劃分為200～360 Ma和420～600 Ma的雙峰值,6者之間的年齡結(jié)構(gòu)具有很好的一致性。由此可知，東毛烏素沙漠(區(qū)域)為剖面下段沉積(L18、L22、L24、L29、L33)的主要物源區(qū)。

東毛烏素區(qū)域較年輕的200～600 Ma和較老的18 000～2 000 Ma,2 400～2 600 Ma兩段不同的鋯石年齡分布，意味著不同的物質(zhì)來源。Lease[34]等認(rèn)為，260～290 Ma物質(zhì)與中亞造山帶有關(guān),Enkelmann[16]認(rèn)為，較老的1.9～2.5 Ga物質(zhì)與華北克拉通相關(guān)。謝靜等[35]對(duì)中國北部的渾善達(dá)克沙地的碎屑鋯石年齡研究發(fā)現(xiàn)，中國北方沙漠中年齡較老的2.6～2.3 Ga,2.2～1.6 Ga物質(zhì)來自華北克拉通,而較年輕的100～500 Ma物質(zhì)來自中亞造山帶。由此可以確定，東毛烏素區(qū)域沉積應(yīng)該是其西部中亞造山帶和東部華北克拉通侵蝕物就地沉積而成,而且,至少在第四紀(jì)以來物源穩(wěn)定。東毛烏素區(qū)域與洛川剖面下段的L18、L22、L24、L29、L33鋯石年齡的一致性表明，至少在距今2.58～1.25 Ma間,洛川黃土-古土壤沉積與東毛烏素區(qū)域有相同的物源或者直接來自東毛烏素區(qū)域。Sun等[36]和Zhao等[37]在東毛烏素沙漠邊緣的石峁剖面自上而下發(fā)現(xiàn)了S0、L1到S5等若干古風(fēng)成砂、古土壤以及黃土層沉積,并且與洛川剖面中的S0、L1到L5進(jìn)行對(duì)比,顯示出很好的一致性。這表明東毛烏素沉積和洛川黃土-古土壤沉積對(duì)氣候變化具有較一致的的響應(yīng)，也說明至少在2.58～1.6 Ma,中亞造山帶和華北克拉通侵蝕產(chǎn)物混合沉積于鄂爾多斯高原之上形成毛烏素沙漠(沙地),該混合物沉積后隨著進(jìn)一步的風(fēng)化侵蝕,產(chǎn)生大量可風(fēng)力搬運(yùn)的粉塵,在偏北的冬季風(fēng)作用下,毛烏素沙漠東部粉塵向南沉積至黃土高原(見圖7)。

圖6 東毛烏素沙漠(E-MUS)和L18、L22、L24、L29、L33碎屑鋯石U-Pb年齡對(duì)比分布圖Fig.6 A comparison of the distribution of detrital zircon U-Pb ages from Eastern Mu Us Desert(E-MUS) and L18，L22，L24，L29，L33

圖7 洛川剖面下段沉積(L18、L22、L24、L29、L33)物源沉積過程(改編自參考文獻(xiàn)[38-40])Fig.7 Map of material source deposition process of the lower part (L18，L22，L24，L29，L33)of the Luochuan profile

對(duì)比潛在物源區(qū)與剖面上段沉積(S0、L1、L2、S2、L15)的年齡分布,基于MDS的相似/相異分析結(jié)果表明(見圖8):剖面上段的S0、L1、L2、L15與弱水河下游沉積(RSH01)、 騰格里沙漠(TD)具有一定的相似性。 由于弱水河下游沉積(RSH01)和騰格里沙漠(TD)具有物質(zhì)來源的一致性, 所以剖面上段的S0、 L1、 L2、 L15等4層的可能物源為以弱水河下游沉積物(RSH01)為代表的阿拉善混合物。 剖面上段的S2與西寧(Xining)、黃河(YR)、阿爾泰山脈(YG02)、西毛烏素沙漠(W-MUS)有一定的相似性。S2沉積物質(zhì)與青藏高原、阿爾泰山脈均有關(guān)系,而西毛烏素沙漠(W-MUS)沉積物本身具有黃河搬運(yùn)的青藏高原東部(西寧)物質(zhì)。另外,由于西北風(fēng)的搬運(yùn)作用,該區(qū)域可能還有阿爾泰山脈物質(zhì)(YG02)的混入。所以研究認(rèn)為，西毛烏素沙漠(W-MUS)為可能的物源區(qū)。為了進(jìn)一步證明以上推斷，可進(jìn)行以下推論。

1)S0、L1、L2、L15與弱水河下游河床沉積(RSH01)有較好的一致性,來自弱水河下游的阿拉善混合物質(zhì)可能給S0、L1、L2、L15提供了大量的粉塵。對(duì)比弱水河下游(RSH01)和S0、L1、L2、L15的年齡分布圖可知(見圖9),RSH01和S0、L1、L2、L15主分布段有兩段:200～360 Ma和360～600 Ma,比重較高且明顯,其余年齡分布段(中心)分布較分散,無明顯的次分布段(中心)。所以,RSH01和剖面上段的S0、L1、L2、L15具有年齡結(jié)構(gòu)的一致性。因此,可以認(rèn)為剖面上段中的S0、L1、L2、L15主要物質(zhì)來源于阿拉善區(qū)域混合物。

2)對(duì)比S2與西毛烏素沙漠的鋯石年齡分布圖可知(見圖10),S2與W-MUS的主年齡分布段均為200～360 Ma和380～600 Ma,比重較高,次分布段均為以1 800 Ma為中心和以900 Ma為中心的年齡分布段,且所占比重較一致。由此可知，S2與西毛烏素混合物具有相似的年齡結(jié)構(gòu),可將西毛烏素沙漠(區(qū)域)暫定為S2的物源區(qū)。

圖8 洛川剖面上段沉積樣品(S0、L1、L2、S2、L15)及黃土高原潛在源區(qū)碎屑鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)的非矩陣多維標(biāo)度(MDS)統(tǒng)計(jì)分析圖Fig.8 MDS plots of the upper part samples of Luochuan profile(S0，Ll，L2，S2，L15) and the samples of potential sourceof Loess Plateau

圖9 弱水河下游河床(RSH01)與S0、L1、L2、L15鋯石U-Pb年齡分布圖Fig.9 A comparison of the distribution of detrital zircon U-Pb ages from the Alxa mixture (RSH01)and S0，L1，L2，L15

圖10 西毛烏素沙漠(W-MUS)和S2碎屑鋯石U-Pb年齡分布對(duì)比圖Fig.10 A comparison of the distribution of detrital zircon U-Pb ages from Western Mu Us Desert(W-MUS) and S2

綜上可知：①剖面下段沉積(L18、L22、L24、L29、L33)為北向物源(東毛烏素沙漠)；②剖面上段沉積中的S0、L1、L2、L15主要物質(zhì)為沉積于阿拉善區(qū)域的阿拉善混合物(阿爾泰山脈物質(zhì)+北祁連山物質(zhì)),S2的主要物質(zhì)為沉積于西毛烏素沙漠的西毛烏素混合物(毛烏素基底產(chǎn)物+黃河搬運(yùn)的青藏高原物質(zhì)+阿爾泰山脈物質(zhì))。所以可認(rèn)為，剖面上段沉積(S0、L1、L2、S2、L15)為西北向物源(阿拉善區(qū)域混合物和西毛烏素混合物)(見圖11)。

圖11 洛川剖面上段沉積(S0、L1、L2、S2、L15)物質(zhì)源區(qū)圖Fig.11 Map of material source of the upper part (S0，Ll，L2，S2，L15)of the Luochuan profile

5 物源變化的原因及意義

東亞季風(fēng)產(chǎn)生的主要原因在于亞洲與太平洋間的海陸熱力差異,在氣候干冷時(shí)期,蒙古西伯利亞一帶形成冷高壓,受地轉(zhuǎn)偏向力的作用,偏北的冬季風(fēng)南下影響著亞州東部大部分地區(qū)。正如研究所看到的,洛川黃土剖面下段沉積(L18、L22、L24、L29、L33)為北向物源(東毛烏素沙漠)。而在1.25 Ma左右,黃土高原的沉積環(huán)境乃至東亞氣候環(huán)境發(fā)生重要的變化,是一次地球軌道尺度事件[41-50],也就是中更新世轉(zhuǎn)型(Mid-Pleistocene Transition,MPT)。中更新世之后的冰蓋擴(kuò)張和CO2濃度降低,氣候轉(zhuǎn)冷,導(dǎo)致冬、夏季風(fēng)顯著增強(qiáng)。本次所研究的物源變化時(shí)間也應(yīng)該是該氣候事件的表現(xiàn)之一。Chen Zhong[46]等根據(jù)Sr與Nd同位素方法對(duì)靈臺(tái)與秦安風(fēng)成粉塵物質(zhì)進(jìn)行研究,同樣認(rèn)為，至少大約22 Ma以來,阿拉善地區(qū)是黃土高原主要的物質(zhì)源區(qū),并且發(fā)現(xiàn)自1.2 Ma左右以來,Sr，Nd組成發(fā)生明顯變化,似乎與全球氣候的中更新世全球氣候轉(zhuǎn)型有關(guān)。風(fēng)成沉積通量為指示粉塵源區(qū)干燥度有效的代用指標(biāo),孫有斌等[51]通過黃土高原靈臺(tái)剖面的最近7 Ma風(fēng)成沉積通量計(jì)算,發(fā)現(xiàn)在1.2 Ma左右至今,風(fēng)塵通量平均值與變率顯著增加，這與Xiao等[52]在洛川黃土中發(fā)現(xiàn)1.1～1.2 Ma粗顆粒含量增多,古土壤磁化率高于平均水平所反映的東亞冬、夏季風(fēng)環(huán)流顯著增強(qiáng)的結(jié)果相一致。孫東懷等[28]研究了最近2.6 Ma以來洛川黃土剖面細(xì)粒與粗粒組分百分比以及粒度分布的時(shí)間序列變化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)最顯著的變化發(fā)生在1.2 Ma前,指示了在1.2 Ma,高空西風(fēng)環(huán)流對(duì)于黃土高原風(fēng)塵貢獻(xiàn)減少,而低空季風(fēng)環(huán)流貢獻(xiàn)量逐漸增多。眾多地質(zhì)證據(jù)也表明[53],1.2～0.6 Ma的中更新世是青藏高原發(fā)生一次重要隆升的時(shí)期?？偟膩碚f,1.25 Ma左右以來,作為洛川黃土-古土壤主要物源區(qū)的阿拉善地區(qū)干燥度增加,加之青藏高原進(jìn)一步隆升,全球冰量增加,中國西北地區(qū)變得更加干旱,海陸熱力差異更大,所以剖面上段沉積中的S0、L1、L2、S2、L15轉(zhuǎn)變?yōu)槲鞅毕蛭镌础?/p>

所以,1.25 Ma左右洛川黃土-古土壤剖面下、上段物源發(fā)生由北向西北的轉(zhuǎn)移指示了冬季風(fēng)強(qiáng)度發(fā)生由偏北向西北的轉(zhuǎn)移,是東亞古季風(fēng)演化的重要節(jié)點(diǎn)。觀察圖3中剖面各層鋯石年齡變化可以發(fā)現(xiàn)，L18具有下段沉積向上段沉積過渡的特征,表明北向物源向西北向物源轉(zhuǎn)移具有過渡性,指示冬季風(fēng)強(qiáng)度的偏移從L18開始至L15結(jié)束,是一次過渡性的轉(zhuǎn)變,而非突變。

6 結(jié)論

1)洛川第四紀(jì)黃土-古土壤剖面上段沉積(S0、L1、L2、S2、L15)具有相似的年齡分布,為同源產(chǎn)物;剖面下段沉積(L18、L22、L24、L29、L33)存在相同的年齡分布,為同源產(chǎn)物;上段和下段之間存在物源差異。

2)剖面下段沉積(L18、L22、L24、L29、L33)主要物源為北部由中亞造山帶和華北克拉通侵蝕產(chǎn)物混合沉積物形成的毛烏素沙漠的東邊,剖面上段沉積中的S0、L1、L2、L15主要物質(zhì)為沉積于阿拉善區(qū)域的阿拉善混合物(阿爾泰山脈物質(zhì)+青藏高原北祁連山物質(zhì)),S2的主要物質(zhì)為沉積于西毛烏素沙漠的西毛烏素混合物(毛烏素沙漠基底產(chǎn)物+黃河搬運(yùn)的青藏高原物質(zhì)+阿爾泰山脈物質(zhì))。由此可知,剖面上段沉積(S0、L1、L2、S2、L15)為西北向物源(阿拉善區(qū)域混合物和西毛烏素混合物)。

3)本次物源變化是1.25 Ma東亞古氣候變化的表現(xiàn)之一,是一次地球軌道尺度事件。黃土高原粉塵物源在1.25 Ma，由北向西北的演化，指示了東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度發(fā)生由北向西北偏轉(zhuǎn),且本次冬季風(fēng)的轉(zhuǎn)變從L18開始至L15結(jié)束,是一次過渡性的轉(zhuǎn)變,而非突變。