乌兰布和沙漠钻孔岩芯记录的释光年代学和晚第四纪沙漠—湖泊演化研究

【摘要】沙漠作为中国干旱-半干旱区一种特殊地貌景观,是内陆区域干旱化的结果。更新世沙漠形成演化主要受到气候变化控制。进入全新世以后,沙漠的演化过程受气候和人类活动的双重影响。因此深入研究典型区域沙漠晚第四纪的环境变化,可以为探讨全球气候变化的区域响应、认识人类活动和环境变化之间的关系提供科学依据。本文选择位于季风区和西风区过渡地带的乌兰布和沙漠和河套平原西部作为研究区域,该地区生态环境脆弱,对气候变化敏感,是开展晚第四纪气候环境变化的典型区域。2007年9月到2011年2月课题组在乌兰布和沙漠先后6次野外考察,研究了湖泊-沙漠演化剖面6处,并使用差分GPS测量了这些湖相沉积物的准确高程,研究了古屠申泽河流-湖泊-沙漠剖面2处,在乌兰布和沙漠北部开展了沙漠钻探工作,获午35m的钻孔WL10ZK-1岩芯和32m的钻孔WL10ZK-2岩芯。主要使用钾长石红外释光(IRSL)测年和石英光释光(OSL)测年建立了不同研究点的年龄框架,结合古环境代用指标(粒度,碳酸盐含量,有机质含量,孢粉)分析,重建了晚第四纪150ka以来乌兰布和沙漠地区环境变化。为了建立晚第四纪沙漠钻孔岩芯的年龄框架,对粗颗粒钾长石多步红外后高温红外释光(Met-pIRIR)测年进行了详细的方法学研究,建立了Met-pIRIR测年的实验室测量流程并对该方法的可靠性进行了讨论。结合粗颗粒石英OSL测年对比分析,建立了150ka以来乌兰布和沙漠钻孔岩芯的年龄框架。为了解决部分全新世样品粗颗粒石英测年无法获得可靠年龄的问题,详细研究了不同粗颗粒钾长石测年方法在全新世样品的可靠性。粗颗粒钾长石的单片再生剂量法(SAR)、g值校正法和等时线测年法被用于全新世样品,并与粗颗粒石英SAR方法获得的独立年龄进行了对比。结果表明,对于全新世年轻样品,g值校正法获得的钾长石年龄因g值测量引入的误差很大,无法用来建立全新世年代框架；等时线方法对外剂量率存在问题的样品可以得到可靠的年龄,但个别粒径的实验室测量误差对等时线年龄影响较大,造成测年结果偏差较大。钾长石等时线年龄精确度较低,该方法可以用来建立分辨率较低的年代框架；钾长石SAR法获得的表征年代可以建立比较可靠的全新世样品年代框架,虽然存在不规则衰退造成的释光年龄低估,但是钾长石表征年龄与石英年龄相比相对偏差<10%,能较好的区分全新世沉积事件,对于无法获得有效石英年龄的全新世样品,钾长石表征年龄可以建立分辨率较高的全新世年代框架。晚更新世中国西部高湖面出现在MIS3阶段还是MIS5阶段实际上一直存在争议,主要原因是由于14C测年无法测量老于5万年的样品,而传统粗颗粒石英OSL测年在测量老于8万年的样品时部分样品由于石英信号接近饱和区测年结果存在较大误差或者无法获得可靠的年龄结果。本研究对钻孔WL10ZK-1岩芯和钻孔WL10ZK-2岩芯使用钾长石Met-pIRIR测年方法和多环境代用指标分析,结果表明乌兰布和沙漠在晚更新世出现了多次沙漠-湖泊环境变化。钻孔WL10ZK-1岩芯中下部～10m厚的湖湘沉积形成年龄介于MIS5c至MIS5e之间,表明乌兰布和沙漠地区在MIS5c-5e阶段发育了稳定持续存在的古湖泊,应对应于“吉兰泰-河套”古大湖1080-1070m最高湖面(Chenetal.,2008)时期的古湖,即“吉兰泰-河套”古大湖高湖面出现在MIS5c-5e阶段。晚第四纪鄂尔多斯高原强烈的构造抬升可能导致了“吉兰泰-河套”古大湖的形成,而末次间冰期该地区温暖湿润的气候使得“吉兰泰-河套”古大湖能够持续稳定存在较长时间并发育高湖面,“吉兰泰-河套”古大湖在末次冰期时解体,乌兰布和沙漠沙漠环境在末次间冰期逐渐形成。LGM时期该地区发育了持续时间很短的积水环境,但周围仍然以沙漠环境为主。乌兰布和沙漠全新世以来的湖泊-沙漠演化过程存在争议,主要原因是缺乏可靠的湖相沉积记录和年代学证据。本研究使用OSL测年和差分GPS测量对乌兰布和沙漠北部广泛分布的湖相沉积-风成砂序列进行研究,结果表明乌兰布和沙漠北部和河套平原西部地区在早全新世主要发育风沙地貌;乌兰布和沙漠早中全新(8-7ka)形成了覆盖了乌兰布和北部大部分地区的湖泊(“乌兰布和”古湖),中全新世早期东亚夏季风增强,降雨量增多可能是湖泊发育的主要原因；约7-6.5ka统一的“乌兰布和”古湖解体,乌兰布和沙漠沙丘再次开始堆积,此时人类活动在乌兰布和沙漠地区的影响还很有限,沙漠发育是自然因素主导的；此后5-2ka,乌兰布和沙漠北部可能环境适宜,以古土壤发育和沙丘固定为特征,以至于西汉时期可以在该地区大规模发展农业60多年：晚全新世～2ka左右,汉代政府出于军事目的在乌兰布和沙漠、河套平原、鄂尔多斯高原地区的屯垦弃荒加剧了该地区的沙漠化,导致新的沙丘在乌兰布和沙漠东部沙带区形成。西汉王朝在乌兰布和沙漠北部屯垦弃荒以及匈奴民族大规模放牧可能导致了现代乌兰布和沙漠北部地区沙漠地貌的形成,人类活动可能导致了乌兰布和沙漠北部沙漠环境的形成。位于河套平原西部地区的古屠申泽演化与“乌兰布和”古湖具有一致性。早全新世河套平原西部地区主要发育风沙堆积地貌,测年结果和粒度分析结果表明,-7.6ka古屠申泽达到鼎盛期,在～6.5ka时已经萎缩,河套平原西部地区逐渐出现风沙堆积物,此时的河套平原西部地区与乌兰布和沙漠地貌仍然有很大不同,乌兰布和沙漠地区发育大规模风沙地貌,而河套平原西部很可能只是局部地区有流沙堆积,并没有发育沙漠地貌。
【作者】李国强；
【导师】陈发虎；赵晖；GeorgeA.Brook；
【作者基本信息】兰州大学，自然地理，2012，博士
【关键词】乌兰布和沙漠；晚第四纪；湖泊-沙漠演化；光释光测年；钾长石测年；钻孔岩芯；

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