10Be和26Al揭示的合黎山西南部侵蝕速率初步研究

張 麗，武振坤，李 明，董國(guó)成，趙國(guó)慶，付云翀

1. 中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省加速器質(zhì)譜技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061 2. 西安加速器質(zhì)譜中心，西安 710061

在不同地貌背景下，不同時(shí)間尺度和空間尺度侵蝕速率的測(cè)量，無(wú)論對(duì)于地貌演化速率和方式的定量化研究、不同地貌過(guò)程的控制作用的理解，還是氣候變化和地貌響應(yīng)關(guān)系聯(lián)系的建立，都至關(guān)重要（Small et al，1997）。然而，由于合適的地質(zhì)時(shí)間尺度地貌改變速率數(shù)據(jù)的缺乏，對(duì)地貌演化的認(rèn)識(shí)受到諸多限制（Beaumont et al，1999）。近年來(lái)迅速發(fā)展的宇宙成因核素10Be和26Al測(cè)年可以直接測(cè)定（＞103— 104a）地表平均侵蝕速率（Lal，1991），更能揭示第四紀(jì)（尤其是第四紀(jì)晚期）地貌演化的真實(shí)情況。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著高精度加速器質(zhì)譜儀的出現(xiàn)，宇宙成因核素10Be和26Al的快速、高精度、低探測(cè)極限常規(guī)測(cè)量成為可能（Elmore and Phillips，1987；Granger et al，2013）。Nishiizumi et al（1986）首次將原地宇宙成因核素10Be和26Al應(yīng)用于基巖侵蝕速率的研究。目前這一方法已經(jīng)在地表過(guò)程研究中得到廣泛應(yīng)用（Bierman and Turner，1995；Small et al，1997；Bierman and Caffee，2002；Lal et al，2003；Kong et al，2007）。由于我國(guó)之前還沒(méi)有開(kāi)展10Be常規(guī)測(cè)量的質(zhì)譜儀，所以在10Be的環(huán)境示蹤和年代測(cè)定/侵蝕速率方面起步較晚。新建的西安加速器質(zhì)譜中心擁有一臺(tái)多核素（10Be、14C、26Al 和129I）加速器質(zhì)譜儀，其10Be的探測(cè)靈敏度可達(dá)10-15，10Be和26Al測(cè)量精度分別為優(yōu)于1.4%（10-12）和 1.14%（10-11）（Zhou et al，2007）。目前已在中國(guó)黃土10Be示蹤高分辨率古地磁場(chǎng)變化研究中取得重要進(jìn)展 （周衛(wèi)健等，2010；Zhou et al，2014），并且建立了10Be和26Al暴露測(cè)年方法（Zhang et al，2016）。青藏高原是一個(gè)重要的研究區(qū)域，國(guó)內(nèi)已見(jiàn)報(bào)道的基巖侵蝕速率研究主要集中在青藏高原，如孔屏和那春光（2007）、許劉兵和周尚哲（2009）等，而青藏高原東北緣的研究較少。

本文基于本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立的10Be和26Al樣品制備和測(cè)量方法，選擇青藏高原東北緣的合黎山西南部露頭基巖進(jìn)行研究，通過(guò)測(cè)試10Be和26Al濃度，計(jì)算獲得其侵蝕速率，并與已見(jiàn)報(bào)道結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并嘗試對(duì)其基本成因進(jìn)行初步探討。

1 宇宙成因核素10Be-26Al方法簡(jiǎn)介

次級(jí)宇宙射線粒子與組成地表或近地表物質(zhì)的O、N發(fā)生核反應(yīng)，在其物質(zhì)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生積累原地宇宙成因核素10Be、26Al（Goesse and Phillips，2001）。因而地表物質(zhì)在地表環(huán)境停留的時(shí)間越長(zhǎng)，其中累積的宇宙成因核素濃度就越高。宇宙成因核素生成率隨深度呈指數(shù)衰減，其濃度是暴露時(shí)間和侵蝕速率的函數(shù)：

式中：N是宇宙成因核素的濃度（atom ? g-1SiO2），P 是生成速率（atom ? g-1? a-1），λ是核素衰變常數(shù)，ρ是巖石密度（g ? cm-3），Λ是石英中宇宙射線衰減系數(shù)（g ? cm-2），T為巖石自暴露于宇宙射線以來(lái)的時(shí)間，N0為繼承濃度，無(wú)核素繼承時(shí)這一值為0（Lal，1991；Brown et al，1992）。

這一等式通常被用于計(jì)算暴露年齡或侵蝕速率。如果一巖石表面自暴露以來(lái)從未被侵蝕且不含有繼承性的宇宙成因核素，那么等式(1)簡(jiǎn)化為：

由這一等式可以計(jì)算暴露年齡T。由于原地宇宙成因核素的含量是隨樣品暴露時(shí)間的增加而增加的，當(dāng)巖石表面暴露相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間（幾個(gè)核素半衰期），核素的含量會(huì)趨于穩(wěn)定，即生成的核素量與由于侵蝕衰變而損失的量平衡。從而，測(cè)定表面巖石中原地宇宙成因核素含量就可以計(jì)算其暴露期間的平均剝蝕速率（Lal，1991）。那么等式（1）可轉(zhuǎn)化為：

由測(cè)定的核素濃度，即可計(jì)算出侵蝕速率。運(yùn)用等式(2)或(3)，必須滿足兩個(gè)條件。一是巖石表面的宇宙成因核素生成速率P為常數(shù)，不隨時(shí)間變化，二是巖石表面持續(xù)暴露于宇宙射線并且自暴露以來(lái)未被埋藏過(guò)。然而，在許多實(shí)際的地質(zhì)問(wèn)題研究中，很難通過(guò)野外調(diào)查來(lái)判斷這些假設(shè)是否成立。那么計(jì)算所獲得的是暴露年齡最小值和侵蝕速率最大值。

近年來(lái)，宇宙成因核素方法被廣泛用于山脈平均侵蝕速率的測(cè)定。這一方法選用自然界廣泛分布的石英作為目標(biāo)礦物，經(jīng)過(guò)化學(xué)處理提取其中的Be和Al，由加速器質(zhì)譜儀測(cè)得樣品中原地宇宙成因核素10Be和26Al的含量，用于計(jì)算地表的暴露時(shí)間或侵蝕速率。

2 樣品采集與樣品制備

本研究選擇河西走廊北緣的合黎山進(jìn)行采樣（圖1）。該區(qū)與北山（安西以北的馬鬃山區(qū)）和龍首山組成了北山山地。大體呈北西 — 南東走向，由西北向東南島狀分布，海拔在1400 — 1900 m。由于氣候干燥，風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，山地巖石與山麓礫石裸露，常形成“巖漠”與“礫漠”景觀（國(guó)家地震局地質(zhì)研究所和國(guó)家地震局蘭州地震研究所，1993）。二疊紀(jì)花崗巖，山前分布白堊紀(jì)山麓相碎屑巖并零星分布侏羅紀(jì)山麓相碎屑巖。該區(qū)屬溫帶干旱區(qū)，年均降水量100 — 200 mm。考慮到暴露測(cè)年物質(zhì)為石英，本研究采集了露頭上富含石英礦物的巖石樣品。并且為盡可能減少宇宙射線穿過(guò)樣品引起的不確定性，本研究中所采集樣品厚度均小于5 cm。使用手持GPS記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔（表1）。使用測(cè)斜儀測(cè)量采樣點(diǎn)與周圍山脈間的仰角，以計(jì)算地形屏蔽系數(shù)?；谝陨喜蓸右?，共采集3個(gè)樣品。圖1為采樣點(diǎn)的地理位置和照片。

圖1 a：標(biāo)示采樣點(diǎn)的合黎山地貌圖（基于Zheng et al（2013）修改）；b：HLS-4-2照片；c：HLS-1-4照片；圖中還標(biāo)出了Palumbo et al（2011）的采樣點(diǎn)Fig.1 a: Map of the studied area (modif i ed from Zheng et al (2013)), the sampling site of Palumbo et al (2011) is also marked; b: sampling site HLS-4-2; c: sampling site HLS-1-4

表1 合黎山露頭基巖樣品的10Be和26Al數(shù)據(jù)及暴露年齡和侵蝕速率結(jié)果Tabl.1 Dating and erosion rate results of bed rock from Helishan using 10Be and 26Al

樣品制備在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所西安加速器質(zhì)譜中心完成。野外采集的巖石樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行初步清洗、烘干、粉碎，篩選0.25 —0.50 mm粒徑組分。使用磁選儀去除磁性礦物（雜質(zhì)）。再使用4 — 5次1% HF+1% HNO3處理，去除長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽和大氣成因10Be（Kohl and Nishiizumi，1992；http://www.physics.purdue.edu/primelab/MSL/Flowchart%20copy.jpg.）并提取純凈石英。ICP-AES（電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀）分析，測(cè)試Al含量，以檢測(cè)石英純度。純凈石英樣品中加入0.3— 0.5 mg9Be載體溶液和27Al載體（其加入量依ICP-AES測(cè)試結(jié)果確定），使用HF和HNO3消解，高氯酸去除氟化物。使用陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分離Be和Al（1 mol ? L-1HCl將Be2+從陽(yáng)離子交換樹(shù)脂洗脫，H2C2O4-HCl混合溶液將Al3+從陰離子交換樹(shù)脂洗脫）。之后，分別加入氨水獲得Be(OH)2和Al(OH)3沉淀，轉(zhuǎn)至石英坩堝并置于馬弗爐于900℃灼燒生成BeO和Al2O3，再分別與鈮粉、銅粉混合，壓制靶樣進(jìn)行AMS測(cè)量（圖2）。

圖2 從石英提取Be和Al的實(shí)驗(yàn)流程圖（根據(jù)Zhang et al（2016）修改）Fig.2 Experimental procedure of Be and Al extraction from pure quartz (modif i ed from Zhang et al (2016))

所溶解石英樣品的總鋁含量在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所ICP-AES測(cè)試，10Be和26Al測(cè)量在西安加速器質(zhì)譜中心 3 MV AMS進(jìn)行（Zhou et al，2007）。樣品的10Be /9Be由 NIST的AMS標(biāo) 準(zhǔn) SRM-4325校 正（10Be /9Be = 2.68×10-11），26Al /27Al由ICN AMS標(biāo)準(zhǔn)（26Al /27Al = 1.065×10-11）校正（Nishiizumi et al，2007）。

3 結(jié)果與討論

3.1 侵蝕速率的結(jié)果與分析

根 據(jù) AMS測(cè) 得10Be /9Be、26Al /27Al比 值、樣品質(zhì)量及Be、Al載體質(zhì)量，計(jì)算得到石英樣品中的10Be和26Al濃度。然后根據(jù)CRONUSEarth在線侵蝕速率計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算（Balco et al，2008）。需要指出的是，如果過(guò)去侵蝕速率變化很大，那么由核素濃度所獲得是有效暴露時(shí)間內(nèi)的平均侵蝕速率。使用的高緯度海平面10Be 和26Al 產(chǎn) 率 分 別 為 4.76 atoms ? g-1? a-1和30.6 atoms ? g-1? a-1， 產(chǎn) 率 校 正 選 用 Lal（1991） 和Stone（2000）的time-independent校正方法（Balco et al，2008；http://hess.ess.washington.edu/ ）。 進(jìn)行侵蝕速率計(jì)算時(shí)考慮此區(qū)域植被蓋度低，季節(jié)性積雪影響小，故忽略了季節(jié)性積雪和植被遮蔽的影響。CRONUS方法中包括了緯度、海拔、樣品厚度和樣品密度（2.65 g ? cm-3）校正。為便于比較，本文也給出了樣品的最小暴露年齡。樣品的測(cè)試分析結(jié)果、最大侵蝕速率、最小暴露年齡及其它參數(shù)見(jiàn)表1。

樣品的暴露歷史（樣品在初次暴露之后是否有過(guò)埋藏或再暴露的情況）對(duì)于運(yùn)用宇宙成因核素獲得侵蝕速率或地表暴露年代有重要影響。通?？梢酝瑫r(shí)測(cè)量?jī)煞N半衰期不同的核素來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)（Lal，1991）。由于同時(shí)測(cè)定了10Be和26Al濃度，為此，將數(shù)據(jù)投射在穩(wěn)態(tài)侵蝕島曲線上（Lal，1991）（圖3）。樣品HLS-1-4和HLS-1-3基于10Be、26Al的侵蝕速率在誤差范圍內(nèi)基本一致，并且圖3顯示二者均落在穩(wěn)定侵蝕島內(nèi)。這表明這兩個(gè)樣品的暴露歷史簡(jiǎn)單。HLS-1-4的最大穩(wěn)態(tài)侵蝕速 率 是 (23 ± 2) mm ? ka-1（Be） 和 (24 ± 2) mm ? ka-1（Al）。HLS-1-3的最大侵蝕速率與之基本相當(dāng)，為(33 ± 13) mm ? ka-1（Be）和(24 ± 2) mm ? ka-1（Al）。HLS-4-2落在了穩(wěn)態(tài)侵蝕島下方。這說(shuō)明其暴露歷史復(fù)雜，可能曾經(jīng)被暴露 — 埋藏 — 暴露。

3.2 與全球已見(jiàn)報(bào)道侵蝕速率結(jié)果的比較

本研究所獲得的侵蝕速率為18—24 mm ? ka-1，平均值為22 mm ? ka-1。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用宇宙成因核素和裂變徑跡等方法得到的地表侵蝕速率從每千年數(shù)厘米到數(shù)米不等（Bierman and Turner，1995；Small et al，1997；Bierman and Caffee，2002；Lal et al，2004；Kong et al，2007）。使用這一方法，已見(jiàn)報(bào)道的山區(qū)剝蝕速率 10 m ? Ma-1（S c hIferet al，2002），美國(guó)猶他州早更新世河流階地剝蝕速率 14 m ? Ma-1。Portenga and Bierman（2011）對(duì)全球450個(gè)露頭樣品數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)表明，其平均侵蝕速率為 (12 ± 1.3) mm ? ka-1。本研究結(jié)果與這些已見(jiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)基本一致。

圖3 合黎山基巖樣品的 26Al/10Be-10Be圖Fig.3 Diagram of the 26Al/10Be ratios vs 10Be concentrations for Helishan bed rock samples

3.3 與干旱區(qū)長(zhǎng)期侵蝕速率的比較

表2是干旱地區(qū)由宇宙成因核素獲得的侵蝕速率的對(duì)比。南極、澳大利亞和納米比亞沙漠基巖侵蝕速率很低，為 0.1 — 1 mm ? ka-1（Nishiizumi et al，1991；Bierman and Caffee，2002；Van der Wateren and Dunai，2001），而亞利桑那的Yuma Wash和以色列的Nahal Yael則相當(dāng)高，約為30 mm ? ka-1（Clapp et al，2002）。青藏高原西北部的為 12.3 mm ? ka-1（Kong et al，2007），本研究結(jié)果與此基本一致。這一結(jié)果與非干旱地區(qū)的基巖所得侵蝕速率也基本一致（Small et al，1997），但是顯著高于干旱的南極地區(qū)和半干旱的澳大利亞。很顯然南極、澳大利亞和納米比亞沙漠較低的侵蝕速率不能僅僅歸因于之前所認(rèn)為的水的缺乏或低的年均降水量（Nishiizumi et al，1991；Bierman and Caffee，2002）。Riebe et al（2001）結(jié)合加利福尼亞Sierra Nevada侵蝕速率的研究及其溫帶氣候環(huán)境，認(rèn)為氣候變化似乎不太可能顯著影響多山的花崗巖地區(qū)的冰川侵蝕。除了氣候，構(gòu)造活動(dòng)是地貌侵蝕中另一個(gè)重要控制因子。表2似乎顯示高侵蝕速率的干旱地區(qū)都是構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域。這表明構(gòu)造活動(dòng)可能在控制地貌侵蝕速率中扮演著重要角色（Kong et al，2009）。Riebe et al（2001）、Bierman and Nichols（2004）也都指出過(guò)構(gòu)造活動(dòng)在侵蝕速率控制中的重要性。

3.4 基巖侵蝕速率和流域平均侵蝕速率的比較

Bierman（1994）指出宇宙成因核素測(cè)定的基巖侵蝕速率小于同一環(huán)境背景下的流域侵蝕速率。Small et al（1997）和 Quigley et al（2007）的研究也顯示了類似的差別。Portenga and Bierman（2011）對(duì)已見(jiàn)報(bào)道的22個(gè)同時(shí)測(cè)定了露頭基巖和盆地流域侵蝕速率的地點(diǎn)或區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中有12個(gè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析表明盆地流域比露頭侵蝕更快；而其余10個(gè)地點(diǎn)，盆地流域和露頭的侵蝕速率沒(méi)有統(tǒng)計(jì)分析上的顯著差別；沒(méi)有一個(gè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)的T檢驗(yàn)表明露頭基巖比附近的流域侵蝕快。Bierman and Nichols（2004）對(duì)9個(gè)地點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)，整體來(lái)講，較于匯水盆地，

裸露基巖上沉積物生成更慢。將本文研究獲得的基巖侵蝕速率與Palumbo et al（2011）對(duì)于合黎山西側(cè)一個(gè)流域的流域盆地平均侵蝕速率的對(duì)比（99 mm ? ka-1， 見(jiàn) Palumbo et al（2011） 表 2） 顯示了類似的差別。目前對(duì)于這一對(duì)比結(jié)果并沒(méi)有非常明確的解釋。一方面可能是露頭基巖和流域盆地侵蝕速率受控于不同的過(guò)程，并且發(fā)生于不同的物理、化學(xué)和水文環(huán)境下。露頭基巖位置高于周圍的地貌，暴露的環(huán)境極大地影響近地表侵蝕過(guò)程（物理的和化學(xué)的）對(duì)所暴露巖石的沖刷（Twidale，1982）。其穩(wěn)定性很可能是干旱的局部氣候?qū)е碌慕邓焖贈(zèng)_刷掉暴露的巖石表面（Portenga and Bierman，2011）。Granger et al（2001）通對(duì)基巖、殘留巖石和流域沉積物10Be的測(cè)量研究，表明在減緩風(fēng)化層侵蝕速率上坡面覆蓋的重要性。顯然，仍需更多的不同環(huán)境下的研究，以闡明風(fēng)化層和土壤覆蓋在巖石風(fēng)化速率方面的作用。

表2 干旱區(qū)長(zhǎng)期侵蝕速率的對(duì)比Tab.2 Comparison of long-term erosion rate in arid regions

3.5 侵蝕速率控制因子初步分析

Portenga and Bierman（2011）對(duì)于已見(jiàn)報(bào)道的22個(gè)同時(shí)測(cè)定了露頭基巖和盆地流域侵蝕速率的地點(diǎn)或區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量全球?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，露頭基巖侵蝕速率與緯度、海拔或地震活動(dòng)沒(méi)有相關(guān)性。從全球來(lái)看，露頭基巖侵蝕速率隨地形起伏和平均年降水量變化不大。Lal et al（2003）運(yùn)用宇宙成因核素10Be對(duì)青藏高原內(nèi)部多個(gè)地區(qū)的剝蝕速率進(jìn)行了研究，認(rèn)為主要是構(gòu)造活動(dòng)在制約著高原的剝蝕速率。Kong et al（2007）認(rèn)為，氣候條件和構(gòu)造活動(dòng)對(duì)青藏高原的剝蝕速率均有一定影響，但構(gòu)造活動(dòng)的制約更甚于氣候變化。本研究區(qū)地處青藏高原東北緣河西走廊北緣的合黎山南緣斷裂，與龍首山南緣斷裂共同構(gòu)成了河西走廊中段張掖-民樂(lè)盆地的北部邊界，是其南部青藏高原最新活動(dòng)的動(dòng)力向北部的阿拉善塊體傳遞和過(guò)渡的最為敏感的地區(qū)之一（鄭文俊等，2009）。Zheng et al（2013）通過(guò)地形剖面、地貌影響解譯和OSL測(cè)年，認(rèn)為合黎山西段被斷錯(cuò)的洪積扇形成于9 — 19 ka，垂直滑動(dòng)速率為0.18 — 0.2 mm ? ka-1；1— 4 Ma，很可能是自 2 Ma以來(lái)，合黎山開(kāi)始抬升。那么合黎山西南部的侵蝕速率在一定程度上受到構(gòu)造活動(dòng)的影響。侵蝕速率高的干旱地區(qū)基本都對(duì)應(yīng)構(gòu)造活動(dòng)活躍的區(qū)域。這可能表明對(duì)于地貌侵蝕速率，構(gòu)造活動(dòng)似乎起著更重要的作用。

4 結(jié)論

運(yùn)用宇宙成因核素10Be-26Al技術(shù)，計(jì)算獲得了位于青藏高原東北緣合黎山30 ka以來(lái)的穩(wěn)態(tài)侵蝕速率。10Be和26Al獲得的侵蝕速率的良好一致性表明本研究中所用侵蝕模式的有效性。基巖侵蝕速率小于已見(jiàn)報(bào)道同一研究區(qū)域的平均流域侵蝕速率。這可能是由于露頭和流域盆地侵蝕速率受控于不同的過(guò)程，并且發(fā)生于不同的物理、化學(xué)和水文環(huán)境下所造成。

致謝：感謝周衛(wèi)健院士對(duì)此項(xiàng)工作的指導(dǎo)和支持。常宏研究員指導(dǎo)并參與了野外探勘和樣品采集，熊曉虎助理研究員幫助測(cè)量了總鋁含量，在此一并表示感謝。

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