基于碎屑鋯石的黃土高原—毛烏素交界區(qū)石峁黃土粉塵物源估算*

安 宇 范念念 徐志偉 劉興年

1 四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610064 2 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210023

1 概述

黃土高原位于中國(guó)中部偏北，是世界上黃土覆蓋面積最大的高原。其風(fēng)成黃土分布廣泛并且沉積相對(duì)連續(xù)，記錄了晚新生代以來(lái)的氣候變化(劉東生，1985；安芷生等，1991)。因此，對(duì)黃土的研究，一直是國(guó)內(nèi)外氣候重建的熱點(diǎn)(劉東生，1985；George，1987；Guoetal.， 2002)。近幾十年來(lái)，在黃土—古土壤沉積序列(劉東生，1985)和長(zhǎng)尺度東亞季風(fēng)演化(Anetal.， 2001；Fangetal.， 2020)等方面已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。

目前，對(duì)于黃土物源及其形成模式的認(rèn)識(shí)仍存在爭(zhēng)議。如劉東生(1985)認(rèn)為黃土粉塵來(lái)源于包括西北三大內(nèi)陸盆地(塔里木、柴達(dá)木和準(zhǔn)噶爾盆地)在內(nèi)的沙漠和戈壁地區(qū)； 孫繼敏(2004)結(jié)合鍶同位素和稀土元素指標(biāo)，提出蒙古國(guó)與中國(guó)接壤的巴丹吉林、騰格里和烏蘭布和等沙漠戈壁地區(qū)是黃土的物源區(qū)； Sun等(2008)則指出黃土高原中部細(xì)粒粉塵主要來(lái)自蒙古國(guó)南部戈壁沙漠和中國(guó)北部的沙漠(騰格里和巴丹吉林沙漠)，且2個(gè)源區(qū)在不同的氣候背景下貢獻(xiàn)量存在著變化； Xu等(2018)則指出受到毛烏素沙地邊界擺動(dòng)的影響，沙地與黃土高原過(guò)渡帶在冰期受到強(qiáng)烈風(fēng)蝕，可能為黃土高原中部釋放了粉塵。近些年來(lái)，一些學(xué)者開(kāi)始關(guān)注河流對(duì)黃土的作用。如Smalley等(2009)在分析全球黃土?xí)r，發(fā)現(xiàn)黃土總與河流伴生，認(rèn)為河流系統(tǒng)在黃土的形成中可能起著重要作用； Zheng等(2007)指出河南邙山20萬(wàn)年以來(lái)黃土沉積迅速加快源于黃河貫通后河流沖積扇的貢獻(xiàn)； 林旭等(2021)認(rèn)為山東中部山地黃土可能受到了黃河漫灘物質(zhì)的供給。

圖 1 黃土高原—毛烏素交界區(qū)數(shù)字高程圖及采樣點(diǎn)位置Fig.1 Digital elevation map of Loess Plateau-Mu Us junction area and sampling point locations

圖 2 黃土高原—毛烏素交界區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.2 Simplified geological map of Loess Plateau-Mu Us junction area

碎屑鋯石的單顆粒U-Pb測(cè)年作為指示沉積物物源的有力手段，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用在黃土的研究中(Pullenetal.， 2011；Stevensetal.， 2013；Nieetal.， 2015；徐杰和姜在興，2019；林旭等，2021；楊光亮等，2021)。Pullen等(2011)對(duì)比黃土與潛在源區(qū)的鋯石年齡圖譜，指出柴達(dá)木盆地和藏北地區(qū)是黃土高原黃土的重要物源。Stevens等(2013)對(duì)比了黃河河沙、毛烏素沙和黃土高原黃土的鋯石年齡圖譜，認(rèn)為黃河在毛烏素沙地和黃土的形成中起著粉塵運(yùn)輸?shù)淖饔茫?Nie等(2015)進(jìn)一步指出黃河搬運(yùn)的藏北碎屑為黃土粉塵的堆積提供了物源。

本研究將單顆粒碎屑鋯石U-Pb測(cè)年應(yīng)用于毛烏素沙地和黃土高原交界處的石峁剖面，結(jié)合周圍潛在源區(qū)數(shù)據(jù)對(duì)黃土進(jìn)行物源的分析計(jì)算，探討石峁黃土的形成并研判河流系統(tǒng)對(duì)黃土物源的貢獻(xiàn)。

2 區(qū)域概況

石峁剖面位于黃土高原東北緣(圖 1)，地處毛烏素沙地與黃土高原過(guò)渡帶，區(qū)域內(nèi)毛烏素沙地風(fēng)沙活動(dòng)劇烈(孫同興等，2004)，地表多覆蓋第四紀(jì)風(fēng)成沉積物(圖 2)。由于河流侵蝕，溝道底部多有中生代砂巖出露(圖 2)。區(qū)域地勢(shì)西北高、東南低，冬季盛行西北風(fēng)(Kappetal.， 2015)，地貌上為半固定風(fēng)成沙丘與黃土梁峁的過(guò)渡區(qū)。

3 研究材料與方法

3.1 研究材料

石峁黃土剖面(圖 3)位于陜西省神木市高家堡鎮(zhèn)石峁村，由禿尾河支溝切出，上游集水面積約0.7 km2。剖面上層堆積約4 m厚黃土，未見(jiàn)鈣質(zhì)結(jié)核； 中夾棕黃色沙卵石層，為沖洪積物，厚1 m，次圓狀(次棱角狀)，中見(jiàn)河沙透鏡體； 下層為黃色細(xì)沙層，屬河流沉積物，見(jiàn)水平層理，向下未見(jiàn)底。為確定石峁黃土的潛在源區(qū)，結(jié)合剖面信息以及前人研究成果，采集了石峁黃土(SM01)、石峁卵石(SM02)、石峁基巖(SM02′)、石峁古河沙(SM03)和石峁現(xiàn)代河沙(SM04)沉積物樣品進(jìn)行分析，并收集中寧、巴彥、億利、騰格里、巴丹吉林和紅墩界砂巖等6個(gè)點(diǎn)位的沉積物樣品資料(Nieetal., 2015)，具體信息見(jiàn)表 1。

a—石峁剖面巖性柱； b—石峁剖面野外照片圖 3 黃土高原—毛烏素交界區(qū)石峁剖面特征Fig.3 Characteristics of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area

表 1 黃土高原—毛烏素交界區(qū)石峁剖面 及其他對(duì)比點(diǎn)位樣品信息Table1 Sample details of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area and other points for comparison

3.2 研究方法

3.2.1 鋯石U-Pb測(cè)年

3.2.2 光釋光測(cè)年

光釋光測(cè)年(Optical Stimulated Luminescence Dating，OSL)共采集石峁剖面中的黃土(SM01)、卵石層(SM02)和古河沙(SM03)3個(gè)樣品。其中，在石峁卵石層采樣時(shí)，取其中的河沙透鏡體做測(cè)年。樣品采集時(shí)，將長(zhǎng)30 cm、直徑5 cm、一端密封的鋼管水平打入取樣位置。采樣完成后用錫紙纏繞以避免曝光，并用黑色塑料袋密封防止水分散失。

表 2 黃土高原—毛烏素交界區(qū)石峁剖面OSL測(cè)年結(jié)果Table2 OSL dating results of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area

在OSL測(cè)年中，常用礦物主要是石英和鉀長(zhǎng)石，石英由于其釋光信號(hào)曬退快且飽和劑量低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小于50 ka的測(cè)年； 而鉀長(zhǎng)石紅外信號(hào)飽和劑量高，可應(yīng)用在50～200 ka的沉積物定年。對(duì)于樣品，先測(cè)試石英光釋光信號(hào)，如果石英光釋光信號(hào)飽和，再對(duì)鉀長(zhǎng)石進(jìn)行測(cè)試，所有樣品的測(cè)年在泰山學(xué)院完成。3個(gè)樣品中，石峁黃土的OSL年齡由石英獲得，而石峁卵石和石峁古河沙的OSL年齡由鉀長(zhǎng)石獲得。所測(cè)試的石英(長(zhǎng)石)顆粒粒徑，石峁黃土和石峁古河沙為90～125 μm，而石峁卵石層中的河沙為64～90 μm。

3.2.3 粒度分析

首先稱取0.2～0.3 g的樣品，置于燒杯中，加入10 mL濃度10%的雙氧水，水浴加熱4 h，以去除有機(jī)質(zhì)，重復(fù)上述步驟至完全去除有機(jī)質(zhì)且保證水溶液呈中性。后加入濃度10%的鹽酸溶液，水浴加熱4 h，用以去除碳酸鈣，重復(fù)該步驟直至碳酸鈣被完全去除，重復(fù)步驟至水溶液呈中性。在燒杯中加注清水，靜置12 h，吸管吸出上層清液，重復(fù)步驟至水呈中性。在溶液中加入1%濃度的(NaPO3)6，對(duì)樣品超聲波振蕩，用Mastersizer2000型粒度分析儀上機(jī)測(cè)試，粒度測(cè)試范圍為0.01～2000 μm，重復(fù)3次測(cè)量，誤差控制在2%。

3.2.4 基于碎屑鋯石年齡的物源定量計(jì)算

Sundell和Saylor(2017)開(kāi)發(fā)的基于碎屑鋯石年齡的逆蒙特卡羅模型，可用于確定混合物的物源貢獻(xiàn)，該模型不需要任何源區(qū)的先驗(yàn)信息就可以估算各源的貢獻(xiàn)。其通過(guò)生成一組隨機(jī)的百分比貢獻(xiàn)(和為1)來(lái)縮放物源，并將這些隨機(jī)比例求和，以形成單一的分布模型。使用包括相關(guān)系數(shù)(R2)在內(nèi)的多種方法進(jìn)行檢驗(yàn)，與混合物進(jìn)行定量比較，從而確定出各源的最優(yōu)組合。目前，在第四紀(jì)黃土(Zhangetal.， 2021)、河流泥沙(Shangetal.， 2021)的物源分析中，該模型已被用于源區(qū)貢獻(xiàn)的定量計(jì)算。因此，本研究選用該模型來(lái)定量計(jì)算源區(qū)的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)果

4.1 OSL年齡

石峁剖面中，SM01、SM02和SM03的OSL年齡分別為16.30±1.20 ka、137.20±8.30 ka和137.50±7.60 ka(表 2)。由OSL年齡可知，石峁黃土(SM01)大致沉積于末次冰消期，而石峁卵石(SM02)、石峁古河沙(SM03)則沉積于倒數(shù)第2次冰消期，在剖面上存在120 ka的沉積間斷。

圖 4 黃土高原—毛烏素交界區(qū)石峁剖面黃土粒度分布Fig.4 Particle size distribution of Shimao section loess in Loess Plateau-Mu Us junction area

4.2 石峁黃土粒徑分布

石峁黃土的粒徑分布結(jié)果見(jiàn)圖 4，中值粒徑為60.1 μm，為典型風(fēng)成沉積。相對(duì)與其他L1黃土(劉東生，1985)，粒徑偏粗； 其中，大于40 μm的部分占63%，40 μm以下占37%。

4.3 碎屑鋯石陰極發(fā)光(Cathodoluminescence，CL)圖像

a—樣品SM02′(石峁基巖)；b—樣品SM04(石峁現(xiàn)代河沙)；c—樣品SM01(石峁黃土)圖 5 黃土高原—毛烏素交界區(qū)石峁剖面鋯石CL圖像Fig.5 CL images of zircon from Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area

a—石峁剖面樣品SM01(石峁黃土)；b—石峁剖面樣品SM02′(石峁基巖)；c—紅墩界砂巖； d—石峁剖面樣品SM04(石峁現(xiàn)代河沙)； e—騰格里沙漠風(fēng)沙； f—巴丹吉林沙漠風(fēng)沙； g—中寧黃河河沙； h—巴彥黃河河沙； i—億利黃河河沙。灰色陰影為核密度分布(KDE)； 空心矩形為年齡直方圖； n為諧和年齡個(gè)數(shù)。c、e～i數(shù)據(jù)來(lái)自于Nie et al., 2015圖 6 黃土高原—毛烏素交界區(qū)石峁剖面及其他對(duì)比點(diǎn)位碎屑鋯石U-Pb年齡圖譜Fig.6 Detrital zircon U-Pb age spectra of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area and other points for comparison

圖 7 黃土高原—毛烏素交界區(qū)石峁剖面源區(qū) 鋯石U-Pb年齡圖譜Fig.7 Zircon U-Pb age spectra of source of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area

圖 8 黃土高原—毛烏素交界區(qū)沉積物來(lái)源逆蒙特卡羅模型模擬結(jié)果Fig.8 Inverse Monte Carlo model simulation results of source of sediments in Loess Plateau-Mu Us junction area

4.4 碎屑鋯石年齡圖譜

在鋯石U-Pb年齡圖譜中(圖 6)，9個(gè)樣品大致存在著4個(gè)主峰。石峁剖面的黃土以及小流域內(nèi)的現(xiàn)代河流沉積物出現(xiàn)190～300 Ma、1700～1900 Ma和2300～2600 Ma等年齡值段為主峰，次峰在300～600 Ma；周邊的基巖——石峁基巖和紅墩界砂巖主峰在190～300 Ma，次峰為2300～2600 Ma和1700～1900 Ma，但兩者在2300～2600 Ma與1700～1900 Ma年齡值段上的比值卻不同。

黃河河沙與戈壁沙漠的樣品表現(xiàn)出完全不同的分布模式： 代表中源的中寧、巴彥和億利3個(gè)現(xiàn)代黃河河沙樣品，其主要的峰值在190～300 Ma和300～600 Ma，次峰為800～1000 Ma、1700～1900 Ma和2300～2600 Ma；而代表遠(yuǎn)源的騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠的2個(gè)風(fēng)成沙樣品，其年齡只有190～300 Ma，其余年齡峰值幾乎不可見(jiàn)。

鋯石主要峰值(圖 7)指示出石峁黃土(SM01)來(lái)自多個(gè)源區(qū)。在190～300 Ma段上，近、中和遠(yuǎn)源對(duì)石峁黃土都有貢獻(xiàn)； 而1700～1900 Ma和2300～2600 Ma 2個(gè)較老的年齡峰，近源砂巖似乎占據(jù)重要地位，現(xiàn)代黃河河沙次之，沙漠風(fēng)沙則完全沒(méi)有這2個(gè)年齡峰值； 在另一個(gè)重要的峰值300～600 Ma內(nèi)，黃河河沙顯示更大的優(yōu)勢(shì)，沙漠風(fēng)沙似乎影響甚微。因此，石峁黃土的潛在源區(qū)可大致劃分為： 近源(當(dāng)?shù)鼗鶐r碎屑，0～150 km)、中源(黃河河沙，150～400 km)和遠(yuǎn)源(阿拉善高原沙漠風(fēng)沙，400～1000 km)3個(gè)區(qū)域。

在石峁黃土的源區(qū)考慮中，近源未采用禿尾河支流的河流泥沙，而是采用溝道出露的中生代砂巖，是因?yàn)楹恿髂嗌辰K來(lái)源于流域內(nèi)黃土和基巖的侵蝕，且可能存在著多次搬運(yùn)。另外也未采用毛烏素沙地風(fēng)沙，是因?yàn)槊珵跛厣车嘏c研究區(qū)黃土可能存在物源上的相似(Stevensetal.， 2013；Nieetal.， 2015)，進(jìn)而影響物源的計(jì)算。研究區(qū)地質(zhì)圖(圖 2)顯示，石峁一帶基巖以中生代砂巖為主，因此，石峁黃土的近源選擇了中生代砂巖。

野外考察發(fā)現(xiàn)石峁現(xiàn)代河沙多卵石，表明了河流對(duì)于基巖的強(qiáng)烈侵蝕； 而在鋯石年齡圖譜上，石峁現(xiàn)代河沙(SM04)在190～300 Ma、1700～1900 Ma和2300～2600 Ma年齡值段上與基巖和黃土相似； 在300～600 Ma值段，顯示僅有黃土的貢獻(xiàn)。這意味著，禿尾河支流的沉積物物源可能包括了局地的基巖侵蝕與黃土侵蝕，因此表現(xiàn)出與石峁剖面黃土相似的鋯石U-Pb年齡譜特征。故對(duì)石峁現(xiàn)代河沙，其不止源于基巖的侵蝕，流域內(nèi)黃土的侵蝕也是其泥沙的重要物源。

4.5 基于碎屑鋯石年齡的物源計(jì)算

基于以上分析，石峁黃土作為風(fēng)成沉積，考慮遠(yuǎn)源、中源和近源三者為潛在源區(qū)。石峁現(xiàn)代河沙為河流沉積，考慮流域內(nèi)的石峁基巖和石峁黃土為潛在物源。

在逆蒙特卡羅模型中，設(shè)置核密度(KDE)圖譜帶寬為30，每次分析進(jìn)行10 000次模擬，使用相關(guān)系數(shù)(R2)作為評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示(圖 8)，石峁黃土(SM01)中近源碎屑貢獻(xiàn)71%，中源貢獻(xiàn)21%，而遠(yuǎn)源貢獻(xiàn)占比為8%。在石峁現(xiàn)代河沙(SM04)計(jì)算結(jié)果中，石峁基巖和石峁黃土分別貢獻(xiàn)14%和86%的泥沙物源。

5 討論

5.1 石峁剖面的侵蝕事件

由石峁剖面的OSL測(cè)年結(jié)果可知，在河流沖洪積物與風(fēng)成沉積物之間有著120 ka的沉積間斷，我們推斷在此期間發(fā)生了1次明顯的侵蝕事件。

石峁剖面沖洪積層的年代約為137 ka，屬于氣候由干冷向暖濕轉(zhuǎn)換的倒數(shù)第2次冰消期。卵石層的存在標(biāo)志著較強(qiáng)的水力侵蝕，而卵石層之上缺少沙質(zhì)河流相沉積或漫灘相沉積。卵石層之上的黃土沉積于16 ka之后，這表明剖面缺失了末次間冰期和末次冰期的沉積。結(jié)合周邊環(huán)境演變過(guò)程，我們推測(cè)，進(jìn)入末次冰期，氣候干旱，風(fēng)力強(qiáng)勁，這可能導(dǎo)致在該區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)烈風(fēng)蝕，并使得卵石層之上的河灘物質(zhì)被侵蝕，從而該點(diǎn)位形成了潛在的局地塵源。毛烏素沙地與黃土高原的過(guò)渡帶出現(xiàn)風(fēng)成沙堆積，這也代表了當(dāng)時(shí)氣候干冷、風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)烈(Xuetal.， 2015)。另一方面，隨著末次冰消期氣候由干冷向暖濕轉(zhuǎn)變，也可能導(dǎo)致更多的水力侵蝕，從而使得卵石層以上的河灘沉積物被逐漸侵蝕。而抗侵蝕能力較強(qiáng)的沙卵石層得以保留，并保護(hù)下覆沉積物免受侵蝕。同時(shí)，河流的下切侵蝕逐漸替代側(cè)向侵蝕，下切侵蝕的發(fā)展，一方面使得大量基巖碎屑進(jìn)入河流，并在溝道兩岸的漫灘上大量暴露； 另一方面使得洪水無(wú)法淹沒(méi)卵石層。因此在16 ka之后，迅速沉積的粉塵顆粒覆蓋在河流沉積物之上。

由此推測(cè)，在末次冰期至冰消期，隨著氣候由干冷向暖濕轉(zhuǎn)變，在禿尾河流域可能發(fā)生了強(qiáng)烈侵蝕，并導(dǎo)致剖面中出現(xiàn)沉積間斷(鄧成龍和袁寶印，2001；Zhangetal.， 2001；伍鐵牛，2010)。發(fā)生在石峁剖面的侵蝕事件，氣候的劇烈變遷可能是其侵蝕的主要原因。當(dāng)然，對(duì)于石峁剖面所在的毛烏素沙地與黃土高原東北緣交界一帶，末次冰期至冰消期的侵蝕事件是否普遍存在，還需要更多詳細(xì)的工作以及其他剖面驗(yàn)證。

5.2 碎屑鋯石年齡與地質(zhì)構(gòu)造事件的對(duì)應(yīng)

5.3 黃河及其支流的貢獻(xiàn)

黃河河沙作為青藏高原碎屑物質(zhì)的中轉(zhuǎn)，為黃土的形成提供了塵源(Jiangetal.， 2007；Zhengetal. 2007；Smalleyetal.， 2009；Stevensetal.， 2013；Nieetal.， 2015；林旭等，2021)。但定量計(jì)算表明，黃河河沙貢獻(xiàn)石峁黃土21%的顆粒物質(zhì)。與黃河漫灘所起的作用類似，當(dāng)?shù)睾訛┨峁┑慕椿鶐r碎屑則成為石峁黃土的重要物源，甚至超過(guò)了黃河的貢獻(xiàn)，這與Nie等(2015)對(duì)毛烏素東的黃土來(lái)源于黃河和當(dāng)?shù)鼗鶐r共同貢獻(xiàn)認(rèn)識(shí)一致。需注意的是，應(yīng)將河流漫灘物質(zhì)作為二級(jí)塵源考慮(Sunetal.， 2020)，從而建立完整的石峁黃土源匯關(guān)系。

5.4 本研究的局限性

6 結(jié)論

本研究針對(duì)毛烏素沙地與黃土高原東北緣交界處的石峁剖面，通過(guò)光釋光測(cè)年及碎屑鋯石年齡的分析計(jì)算，得出如下結(jié)論：

2)石峁剖面的年齡特征，反映了研究區(qū)內(nèi)末次冰期至冰消期期間出現(xiàn)的侵蝕事件，該侵蝕事件發(fā)生在冰期與間冰期的過(guò)渡期，表明氣候波動(dòng)可能導(dǎo)致侵蝕的增加。

3)石峁黃土沉積過(guò)程中，河流系統(tǒng)起著重要作用。不僅是黃河上游在青藏高原東北的侵蝕，也包括當(dāng)?shù)睾恿鲗?duì)基巖的侵蝕，特別是水力侵蝕將基巖侵蝕并暴露于河灘，為黃土的形成提供了重要塵源。

致謝感謝聶軍勝、張瀚之和林旭與作者的有益討論及唐曦雯在野外考察中提供的幫助。