黃土高原中部全新世沉積物輻射劑量率研究

米小建

(1.湛江師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,中國 湛江 524048；2.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院,中國 西安 710062)

為了解過去環(huán)境的氣候變化,高精度的年代確定顯得格外重要.國內(nèi)外學(xué)者對年代學(xué)做了大量研究,光釋光測年是目前用于測定年代的很好手段之一．光釋光測年由兩部分組成,其一為樣品環(huán)境劑量率,其二為樣品等效劑量率,本文主要研究黃土高原中部全新世以來黃土土壤和古洪水滯留沉積物中的輻射劑量率的變化,及其環(huán)境的影響因素．

圖1 研究地點(diǎn)圖

1 研究剖面概況

在野外考察的基礎(chǔ)上,采集樣品20個(gè),采樣地點(diǎn)及相對位置如圖1．采集寧夏彭陽縣長城塬黃土土壤剖面樣品8個(gè),地理位置為35°52′0.8″N,106°46′43.9″E,海拔1 678 m；陜西渭南市白水堯禾黃土土壤剖面樣品8個(gè),地理位置為35°15′57.3″N,109°29′4.7″E,海拔為960 m；甘肅天水華南村古洪水滯留沉積物樣品4個(gè),地理位置為34°37′39.4″N,105°45′0.4″E,海拔1 116 m．均位于黃土高原中部,屬溫帶半干旱區(qū),為大陸性季風(fēng)氣候．

2 研究方法

本文的所有樣品均為光釋光測年樣品,樣品處理均在陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院光釋光斷代實(shí)驗(yàn)室完成．將光釋光樣品易曝光兩端部分取出,用于做樣品含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)和樣品元素含量的測定,即U、Th、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定．將所采集的樣品測含水量后,常溫37 ℃下烘箱烘干,將樣品在研磨機(jī)中研磨,取樣品約10 g,送中國原子能科學(xué)研究院,利用中子活化分析法測定樣品中的U、Th、K元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)．然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,結(jié)合文獻(xiàn)資料進(jìn)行討論分析．

3 結(jié)果分析

3.1 U、Th、K元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

從表1中可以看出,古洪水滯流沉積層中U、Th、K質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于黃土土壤層,黃土古土壤層中K和Th表現(xiàn)為在古土壤層中富集,U在古土壤層表現(xiàn)為淋失．放射性元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化影響著環(huán)境輻射劑量率的變化．

表1 樣品中U、Th、K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω

3.2 輻射劑量的計(jì)算

根據(jù)U、Th、K對α、β、γ輻射劑量的貢獻(xiàn)計(jì)算各輻射分量的劑量．依據(jù)Aitken在1998年提出的環(huán)境中U、Th、K含量與石英、長石等礦物接受的劑量率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[1],按照下面的計(jì)算公式得出樣品中各輻射分量的劑量率Dα、Dβ、Dγ值．

各輻射分量的計(jì)算公式為:

Dα=2.31ωU+0.644ωTh,Dβ=0.145ωU+0.027 3ωTh+0.782ωK,Dγ=0.113ωU+0.047 8ωTh+0.243ωK,

Dy細(xì)顆粒=ηDα+Dβ+Dγ+DC,Dy粗顆粒=0.95Dβ+Dγ+DC.

其中:Dα、Dβ、Dγ分別表示α、β、γ各輻射劑量,Dc為宇宙射線提供的環(huán)境輻射劑量,ωU、ωTh、ωK分別表示樣品中U(10-6)、Th(10-6)、K(%)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),Dy為總輻射劑量率,η為α輻射提供的釋光效率,即為α系數(shù)．

3.2.1 輻射劑量的校正 沉積層中的含水量會減弱輻射劑量率,所以含水量的不同也會影響輻射劑量率,含水量對各輻射分量的劑量率的校正公式為[2]:

Dα′=Dα/(1+1.50R′)，Dβ′=Dβ/(1+1.25R′)，Dγ′=Dγ/(1+1.14R′).

其中R′表示樣品含水量,Dα、Dβ、Dγ表示校正前的輻射劑量,Dα′、Dβ′、Dγ′表示校正后的輻射劑量．

研究表明,有機(jī)質(zhì)可減弱輻射劑量,其減弱效果類似于水分對輻射劑量的改變．宇宙射線提供的輻射劑量率根據(jù)李虎侯、張家富等對黃土高原的多年研究采用0.15 Gy/ka．

沉積層中的水分會減弱輻射劑量,本文中所選取剖面中的含水量為校正后的含水量,因?yàn)闃悠凡杉瘯r(shí)受實(shí)際情況的限制,采樣剖面選在出露的陡坎或階地邊緣,因此樣品本身的含水量不能反映所處層位的真實(shí)含水量．作者根據(jù)前人的研究和實(shí)際考察情況對含水量進(jìn)行了修正[3-10],表土層的萬年尺度長期情況采用含水量:表土和L0為18%左右,S0層和粘土質(zhì)古洪水滯留沉積層(SWD)為20%左右,Lt為18%左右,L1和粉沙質(zhì)古洪水滯流沉積層(SWD)層為16%左右．

3.3 輻射劑量率計(jì)算結(jié)果

從表2和表3中可以看出在CCY剖面中古土壤層(S0)中的輻射劑量率高于表土層(L0)和馬蘭黃土層(L1),同時(shí)整個(gè)剖面中輻射劑量的最大值出現(xiàn)在古土壤層(S0)為3.06 Gy/ka,最小值出現(xiàn)在馬蘭黃土層(L1)為2.69 Gy/ka；在YHC剖面中,古土壤層(S0)中的輻射劑量率高于表土層(L0)和馬蘭黃土層(L1),剖面中的最大值出現(xiàn)在古土壤層(S0)為3.09 Gy/ka,最小值出現(xiàn)在表土層(L0)2.80 Gy/ka；古洪水滯流沉積物層(HNC)中輻射劑量率值高于黃土土壤沉積層(CCY)和(YHC),古洪水滯流沉積層中輻射劑量率最小值3.00 Gy/ka與CCY和YHC中的最大值3.06 Gy/ka、3.09 Gy/ka接近, 最大值3.38 Gy/ka遠(yuǎn)大于黃土土壤沉積層；在黃土土壤層中除表土層外,YHC剖面中相對應(yīng)的輻射劑量率值略高于CCY剖面．YHC剖面位于CCY剖面的西南部,又同為黃土風(fēng)塵沉積物,所以YHC剖面中相對應(yīng)的CCY剖面層位中沉積物粒度相對較細(xì)．

表2 輻射劑量率值

表3 剖面中各層輻射劑量率 單位：Gy/ka

4 討論

4.1 輻射劑量率與氣候

輻射劑量率與氣候之間沒有直接的關(guān)系,只是不同沉積物剖面中放射性元素含量的變化反映了沉積物形成時(shí)期的氣候環(huán)境,主要表現(xiàn)在黃土土壤剖面中,古土壤層和黃土層之間的變化反映的氣候變化,在古洪水滯流沉積物中沒有表現(xiàn)．在黃土土壤剖面中古土壤層Th、K元素的相對富集,黃土層中含量則相對減少．

全新世以來,黃土高原存在著短尺度的氣候變化[11-13],因此沙塵暴的強(qiáng)度和頻率、風(fēng)塵堆積速率與成壤強(qiáng)度和速率都存在短尺度變化．一般認(rèn)為土壤發(fā)育時(shí)期東南季風(fēng)加強(qiáng),氣候溫暖濕潤,降水量較豐沛,此時(shí)沙塵暴較弱,成壤速率大于堆積速率,所以成壤作用與風(fēng)塵的堆積同時(shí)發(fā)生．黃土發(fā)育時(shí),西北季風(fēng)加強(qiáng),氣候寒冷干旱,降水量較少,沙塵暴頻繁,風(fēng)塵堆積速率大于成壤速率．

馬蘭黃土(L0)形成時(shí)期,氣候相對干旱少雨,風(fēng)塵堆積速度大于成壤強(qiáng)度,這一時(shí)期淋溶作用較弱,剖面中U、Th、K元素的含量表現(xiàn)為粉塵源區(qū)中的含量,相對于淋溶較強(qiáng)的古土壤層(S0),輻射劑量率較?。?/p>

過渡層(Lt)對應(yīng)的年代為全新世早期(11 500～8 500 a B.P.),氣候從干冷的末次冰期向溫暖的冰后期過渡.由于受東南季風(fēng)所控制的降水強(qiáng)度變化和受西北季風(fēng)所控制的降塵強(qiáng)度變化的影響,全新世早期較寒冷干燥,風(fēng)塵堆積速率降低,降水量增加,植被開始恢復(fù),地表微弱的成壤改造開始出現(xiàn),沙塵在堆積過程中經(jīng)受了微弱的淋溶作用和黏化作用,輻射劑量率變化介于黃土和古土壤層之間．

全新世大暖期,即8 500～3 100 a B.P.．這個(gè)時(shí)期東南季風(fēng)長期控制黃土高原,沙塵暴很少發(fā)生,風(fēng)塵堆積速率較低．全新世大暖期氣候溫暖濕潤,植被繁茂,成壤作用極強(qiáng),降水量增幅較大、淋溶和粘化作用強(qiáng)烈,形成了古土壤層(S0),由于淋溶作用強(qiáng)烈,部分化學(xué)元素發(fā)生了淋失,而化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的Th和K相對富集,這樣導(dǎo)致古土壤層(S0)的輻射劑量率相對變大．

黃土(L0)和表土(TS)形成于全新世晚期3 100～0 a B.P.的氣候干旱期．這個(gè)時(shí)期受全球氣候變化的影響,東亞季風(fēng)格局發(fā)生突變,西北季風(fēng)勢力大大增強(qiáng)．這是一個(gè)相對干旱少雨時(shí)期,沙塵暴頻繁發(fā)生,風(fēng)塵積速率提高,土壤的發(fā)育微弱．人類活動對成壤有顯著影響,表土層或者耕作層基本都是弱成壤堆積期形成的全新世黃土(L0)的頂部．現(xiàn)代表土層(TS)形成時(shí)期,干旱氣候和不良的風(fēng)化成壤狀況有所改善,接受了微弱的成壤作用和歷史時(shí)期耕作改造,土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生了變化,但是基本上仍然表現(xiàn)出黃土的性質(zhì).所以,在全新世黃土(L0)和表土層(TS)中,化學(xué)元素淋溶作用較弱,U、Th、K元素含量變化較小,相對古土壤(S0)而言Th和K含量變小,剖面中的輻射劑量率相對古土壤層(S0)變小．

4.2 輻射劑量率與粒度

古洪水滯流沉積物通常為粉砂、粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)亞粘土和細(xì)砂等[14-15]．大量研究表明[16-18],黃土高原上黃土為風(fēng)塵沉積物,由不同氣候環(huán)境下粉塵堆積而形成.黃土形成于氣候干冷時(shí)期,冬季風(fēng)較強(qiáng),沉積作用大于成壤作用,沉積物粒度組成相對較粗.古土壤形成于濕熱時(shí)期,夏季風(fēng)較強(qiáng),再加上成壤作用強(qiáng)烈,其沉積物粒度組成中粘粒所占比例相對較大．

U、Th、K分布與沉積物中的粘土礦物有關(guān)[19-20],一般情況下,沉積物中的粘土礦物含量越高,這3種元素含量就越高,其沉積物中的輻射劑量率也就越高,粘土對放射性元素具有一定的吸附性．古洪水沉積物中輻射劑量率可能還與其組成物質(zhì)有關(guān)．

5 結(jié)論

通過數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn),對黃土高原全新世沉積物輻射劑量率有了初步的認(rèn)識．黃土高原全新世沉積物輻射劑量率的變化表現(xiàn)為,在黃土土壤剖面古土壤層(S0)輻射劑量率高于黃土層(L0和L1)；在古洪水滯流沉積剖面和黃土土壤剖面之間,古洪水滯流沉積層(SWD)中輻射劑量率高于古土壤層(S0)；同時(shí)在黃土土壤剖面中,相對位于西南的YHC剖面中輻射劑量高于相對西北的CCY剖面．研究表明輻射劑量率在不同沉積物中的變化與沉積物形成時(shí)期的氣候和沉積物粒度相關(guān)．

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