瑪納斯河流域低洪積扇臺地上黃土沉積的年齡與粒度特征

哈元琪　葛本偉　皮乙秀　王艷　李談?wù)劇埩紜?/p>

摘要通過對天山北麓瑪納斯河流域低洪積扇臺地上的黃土剖面進(jìn)行粒度分析和光釋光測年分析，結(jié)果表明，該地區(qū)的黃土物質(zhì)組成以粉沙為主，平均含量為61.62%。粘粒的平均含量為18.99%。剖面中平均粒徑、中位數(shù)、粘粒含量、細(xì)沙含量在剖面中的變化反映了沙塵暴的活動及粉塵堆積的變化。光釋光測年的結(jié)果表明，該地區(qū)的黃土沉積始于7 000 aBP左右，屬于全新世時期的黃土堆積。

關(guān)鍵詞黃土；粒度；瑪納斯河；洪積扇；天山北麓

中圖分類號S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）12-03635-04

基金項目石河子大學(xué)高層次人才科研啟動基金（RCZX201001）資助。

作者簡介哈元琪（1993- ），女，新疆塔城人，本科生，專業(yè)：資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理。*通訊作者，博士，從事環(huán)境演變研究。

天山北坡的黃土是干旱草原環(huán)境下的粉塵堆積物，也是風(fēng)力搬運、沉積的產(chǎn)物。黃土的物質(zhì)源區(qū)主要是準(zhǔn)噶爾盆地中的古爾班通古特沙漠，也是該沙漠的同源異相沉積物。晚新生代時期，隨著印度板塊向亞洲板塊的俯沖，青藏高原及周邊山地也在不斷地隆起、抬升[1]。發(fā)生在1.2～0.6 Ma期間的昆黃運動使得青藏高原進(jìn)入了冰凍圈，同時也使天山山地的海拔到達(dá)了3 000 m或以上的高度[2]。從而導(dǎo)致了西北地區(qū)的大氣環(huán)流模式產(chǎn)生了極大的變化，減弱了濕潤的西南季風(fēng)的影響，使北疆環(huán)境趨于干旱化和沙漠化。從而為天山北坡的黃土提供了豐富的粉塵物源。在翻越準(zhǔn)噶爾盆地西部山地的氣流及蒙古高壓的影響下，沙漠中的部分粉塵物質(zhì)被搬運，并沉積在天山北麓森林線以下不同高度的地貌面上，形成厚度不均的黃土分布區(qū)。如在河流的不同階地面、古洪積扇的頂部、天山北坡的緩傾斜平原上均分布厚薄不均的黃土物質(zhì)，薄可為20～30 cm左右，厚可達(dá)50 m以上。這些黃土沉積物記錄了粉塵堆積時期環(huán)境信息，也可用于分析源區(qū)沙漠的環(huán)境變化，是研究北疆史前氣候、環(huán)境演化的良好信息載體。

粒度是用于研究沉積物沉積過程和沉積環(huán)境的常用指標(biāo)，這在黃土高原、隴西黃土分布區(qū)、下蜀黃土分布區(qū)黃土的研究中均得到了良好的應(yīng)用[3-10]。新疆地區(qū)的黃土粒度特征也有研究成果發(fā)表，如李志忠等通過分析新疆伊犁河谷可克達(dá)拉剖面全新世沉積物粒度組成，討論了沉積序列所代表的氣候意義[11]。方小敏等[12]、史正濤等[13-14]對天山北坡沙灣縣東灣鎮(zhèn)一厚達(dá)71 m的風(fēng)成黃土剖面進(jìn)行了粒度及磁化率分析，討論該剖面黃土沉積所記錄的環(huán)境演變和沙漠演變的過程與趨勢，并將其粒度特征與伊犁地區(qū)的西風(fēng)帶黃土粒度特征進(jìn)行了對比。宋友桂等對伊犁地區(qū)的黃土分布與磁學(xué)性質(zhì)也進(jìn)行了探索[15-16]。葉瑋等也對新疆地區(qū)的黃土分布規(guī)律、黃土與古土壤磁化率變化特征、黃土的粒度特征、黃土礦物特征與沉積環(huán)境、黃土與古土壤微結(jié)構(gòu)、黃土的形成條件等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[17-23]。該研究則主要報道天山北麓低洪積扇臺地上黃土沉積的年齡和粒度特征，試圖對天山北麓黃土沉積的研究成果略作補充。

1研究區(qū)與剖面

青藏高原隆起的構(gòu)造效應(yīng)使得晚古生代時期就已形成的天山地槽復(fù)活，并強(qiáng)烈抬升。在天山南北兩側(cè)的山麓地帶強(qiáng)烈凹陷，在形成的前陸盆地中，不僅堆積了巨厚的新生代沉積，而且形成了三排東西向的逆沖斷層與褶皺帶[1，24]。如山麓背斜帶，吐谷魯-瑪納斯-霍爾果斯逆斷裂背斜帶，安集海-獨山子逆斷裂背斜帶。發(fā)源于北天山的冰川的河流由南向北切穿背斜，并流入古爾班通古特沙漠南緣。在逆斷裂背斜與河流交界處多形成峽谷和多級的河流階段。巨厚的冰水洪積扇不僅分布于逆斷裂背斜以南的向斜谷中，也沖出背斜山地的缺口，形成多級的階梯狀臺地。這些臺地及河流階地上均分布著厚度不等的黃土物質(zhì)。由于該區(qū)域?qū)儆诖箨懶愿珊禋夂颍昃鶜鉁?.5～7.2 ℃，年均降水量僅在120～200 mm之間，所以黃土物質(zhì)地表多為旱生植被，且植被稀疏。

該研究選擇DFS黃土剖面作為研究對象，報道其沉積的年齡和粒度特征。該地點位于天山北麓瑪納斯逆斷裂背斜以北，瑪納斯河右岸的低洪積扇臺地上（圖1）。整個剖面厚180 cm，覆蓋于洪積扇臺地之上。洪積相沉積物由卵礫石組成，粒徑在1～20 cm之間，磨圓度較好，分選性較差，且夾有粗砂。剖面頂部較為平坦，現(xiàn)已被改造為農(nóng)田。剖面上部0～20 cm為表土層，呈濁黃色，粉沙質(zhì)地，多植物根系，質(zhì)地疏松；20～180 cm為淡黃色黃土層，質(zhì)地疏松，粉沙質(zhì)地，少見植物根系。整個剖面上未見發(fā)育顯著的古土壤層和碳酸鈣結(jié)核層，但在48～136 cm之間黃土沉積物質(zhì)地相對緊實、堅硬。

2樣品采集與分析

為系統(tǒng)研究該剖面上黃土沉積物的年齡與粒度組成特征，自上而下每4 cm連續(xù)采集黃土樣品用于粒度分析；同時在15～20 cm、114～119 cm、145～150 cm、175～180 cm處采集4個光釋光（OSL）測年樣品，用于黃土沉積年代的測定。

粒度組成分析在中國科學(xué)院新疆生地所實驗室內(nèi)完成。前處理過程是除去植物殘體后的樣品中加入10%的過氧化氫和10%的鹽酸以除去黃土中有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，充分分散后采用英國Malvern公司生產(chǎn)的MastersizerS型激光粒度儀進(jìn)行測定。

OSL測年試驗在陜西師范大學(xué)釋光斷代實驗室中完成，OSL樣品在實驗室中除去曝光的表層樣品，加入30%的過氧化氫和10%的鹽酸以除去有機(jī)質(zhì)與碳酸鈣，采用濕篩法分選出40～63 μm的組分，再加入40%的HF溶液以除去長石和石英顆粒的表層。所獲得顆粒制片后在丹麥生產(chǎn)的DA-20型釋光儀上，采用單片再生劑量法（SAR）進(jìn)行測定。

3結(jié)果與分析

3.1黃土的沉積年齡 天山北麓黃土沉積的年齡頗有爭議。早在20世紀(jì)劉東生[25]、周廷儒[26]就分析了天山北麓黃土的年代，認(rèn)為其屬于晚更新世黃土。而張云林則認(rèn)為天山北麓的黃土存在著全新世黃土、晚更新世及中更新世黃土[27]。方小敏等通過古地磁測年與TL測年，認(rèn)為天山北麓黃土的底界年為800 ka[12]。呂紅華等通過分析黃土分布與河流階地和沖洪積扇等地貌面的依存關(guān)系，并結(jié)合ESR測年，認(rèn)為天山北麓最老黃土的年代為0.54 Ma[24]。筆者則利用OSL測年技術(shù)，對DFS剖面的4個樣品進(jìn)行了測年試驗（試驗數(shù)據(jù)另行發(fā)表）。并通過AGE軟件計算了該剖面黃土的沉積年齡，結(jié)果見圖2。

圖2DFS剖面層次與OSL年齡框架測年的結(jié)果表明，DFS剖面底部的黃土沉積年齡為6 923±557 aBP， 屬于全新世中期以來的沉積物；145～150 cm、114～119 cm、15～20 cm處的黃土沉積年齡分別為4 772±418 aBP、4 391±357 aBP、1 731±187 aBP，均屬于晚全新世的沉積物。由此可知，該地點黃土沉積的時間較晚，最早可能開始于7 000 aBP左右。結(jié)合天山北麓黃土的分布特征，再結(jié)合天山北麓黃土沉積與上風(fēng)向古爾班通古特沙漠的關(guān)系，則可以認(rèn)為天山北麓的黃土沉積并非是同一時間，而是隨著北疆干旱化及沙漠化的進(jìn)程，源區(qū)物質(zhì)的增多，風(fēng)動力系統(tǒng)形成、穩(wěn)定而逐漸覆蓋于天山北坡不同的地貌面上，并且不同地貌單元接受粉塵堆積的時間可能并不一致。

3.2粒度的組成特征黃土作為風(fēng)力搬運、堆積的產(chǎn)物，在沉積之前往往經(jīng)過了混合與分選，是由不同粒徑顆粒組成的混合物，但其絕大多數(shù)顆粒的粒徑都在100 μm以下。在粒徑的分布頻率圖表現(xiàn)為多峰非對稱分布的平滑曲線，向細(xì)粒端有一條細(xì)長的尾巴，并存在著第二個眾數(shù)，約在1 μm左右（圖3）。黃土物質(zhì)的各個組分具有不同的環(huán)境意義，通常的研究也是通過這些粒級組分的含量變化，探索氣候或環(huán)境的演變。有的學(xué)者通過分形理論，計算黃土粒度的分維值以分析其在環(huán)境演變研究中的作用[9，28]。也有的學(xué)者是通過Weibull分布函數(shù)對粒度曲線進(jìn)行擬合，從而分離出不同的粒級組分，用于分析黃土物質(zhì)沉積時的環(huán)境特征，如粗粒組分、細(xì)粒組分、超細(xì)粒組分等[29-30]。

更多的學(xué)者是通過分析黃土粒度組成中粘粒、粉砂、極細(xì)砂等粒級含量來分析它們代表的環(huán)境意義[31]。筆者也采用這種相對簡便的方法分析DFS剖面黃土的粒度特征，結(jié)果見圖4。

圖3DFS剖面黃土的粒度分布頻率曲線DFS剖面中粘粒（<5 μm）含量在12.68%～28.07%之間，平均含量為18.99%。整個剖面中以48～136 cm間黃土的粘粒含量最高，為21.18%。在136 cm以下層位中粘粒含量較低，平均含量為15.36%。在表土層底界與48 cm范圍之間也存在著粘粒含量的低值區(qū)，平均含量為16.35%。表土層中的粘粒含量也相對較高。粉沙（5～50 μm）物質(zhì)是天山北麓黃土中的主要成分，平均含量在61.62%。其中粗粉沙（10～50 μm）物質(zhì)含量相對較高。粉沙粒級在粘粒含量較高的時期也出現(xiàn)了一個峰值，含量可達(dá)70%以上，而在20～48 cm間則含量較低，平均為49.4%，似乎隨著粘粒含量的降低，粉沙組分也隨之減少。極細(xì)沙（50～100 μm）及細(xì)沙（>100 μm）的曲線與粘粒及細(xì)粉沙的曲線呈相反的變化趨勢，在48～136 cm之間出現(xiàn)低谷值，細(xì)沙含量多在6%以下；在20～48 cm之間細(xì)沙呈現(xiàn)峰值區(qū)，含量介于8.4%～15.6%之間，正對應(yīng)著粉沙及粘粒的低谷區(qū)。

根據(jù)光釋光測年的結(jié)果，粘粒含量的高值區(qū)正對應(yīng)著全新世中期，而20～48 cm之間的黃土沉積物則對應(yīng)著全新世晚期，這種對應(yīng)關(guān)系可能說明了在東部季風(fēng)區(qū)氣候較為溫暖濕潤之時，天山北麓黃土沉積物中粘粒含量增大，而在晚全新世之后，隨著季風(fēng)區(qū)氣候的惡化，天山北麓沉積的黃土物圖4DFS剖面黃土物質(zhì)的各粒級含量

質(zhì)中細(xì)沙組分增多，而粘粒含量減小。

在季風(fēng)區(qū)黃土的研究中，粘粒含量的變化往往用于指示成壤作用的強(qiáng)弱，而很多試驗也證明，古土壤層中的粘粒含量高于黃土層。對于新疆的黃土而言，由于成壤作用很弱，大多數(shù)剖面難以區(qū)分出古土壤層，盡管全新世中期的黃土層中，粘粒含量較高，但這并不意味著比全新世晚期更強(qiáng)的成壤作用，而可能是粗粒組分沉積量相對較少的原因。>100 μm的細(xì)沙在全新世晚期黃土層中的含量遠(yuǎn)高于全新世中期的黃土層，這也說明了該時期黃土沉積明顯偏粗，而且能攜帶粗顆粒的沙塵暴事件增多，可能對應(yīng)著干冷的氣候時期。這與陳惠中等在古爾班通古特沙漠南緣的研究成果相似[32]。

<2 μm和>63 μm的粒級含量常用于研究所指示的環(huán)境演變意義。通常情況下<2 μm顆粒含量的增高被視為成壤作用。但汪海斌等在2002年的文獻(xiàn)中曾對此予以否定，他在黃土高原西部的黃土研究中，通過聚類分析和主成分分析，認(rèn)為<2 μm的顆粒含量與成壤關(guān)系不大[5]。DFS剖面中<2 μm顆粒的含量介于5.7%～11.4%之間。在48～136 cm的黃土層中相對略高。相比之下，>63 μm粒級含量與極細(xì)沙、細(xì)沙及>125 μm的顆粒含量變化曲線相似，均是在全新世中期的黃土層中出現(xiàn)低谷，而在全新世晚期黃土層中出現(xiàn)峰值，這說明了該時期北疆干旱化及大氣環(huán)流的增強(qiáng)。

3.3粒度的參數(shù)特征粒度的參數(shù)特征是對粒度分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析，用于指示沉積樣品的粒度集中分布趨勢、粒度的離散程度和粒度的分布形態(tài)[33]。該研究通過圖解法，即FolkWord公式計算了平均粒徑（Mz），中位數(shù)（Md），分選系數(shù)（Sd），偏度（SK），峰態(tài)（Kg）等粒度參數(shù)值（均用φ值表示），結(jié)果見圖5。

DFS剖面黃土的平均粒徑和中位數(shù)曲線變化相似。平均粒徑（Mz）值介于4.48～6.6之間，平均值為5.64。中位數(shù)介于4.85～6.70之間，平均值為5.92。整個剖面中全新世中期黃土層的平均粒徑與中位數(shù)的φ值略大于全新世晚期黃土層，說明全新世中期黃土沉積物質(zhì)相對偏細(xì)。

分選系數(shù)（Sd）用來表示沉積物顆粒大小的均勻程度，表明其分選的好與壞。DFS剖面中分選系數(shù)在1.14～1.40之間，平均值為1.24。在整個剖面中分選系數(shù)變化并不顯著，圖5DFS剖面黃土物質(zhì)的粒度參數(shù)曲線表明天山北坡的黃土沉積物質(zhì)的分選性較好。

偏度（SK）用于來反映沉積物粒度頻率曲線對稱性，即粒度分布的不對稱程度。DFS剖面中偏度參數(shù)值介于0.06～0.36之間，屬于正偏態(tài)。峰度（Kg）指示了頻率曲線兩頭與中間分選性之間的比率，用來表示分布頻率曲線的寬與窄。DFS剖面的峰度值介于0.85～1.19，平均值為1.04。樣品頻率曲線峰態(tài)均屬于中等到窄峰態(tài)。

由此可見，天山北麓低洪積扇臺地上堆積的黃土物質(zhì)，其粒度分布呈現(xiàn)正偏態(tài)，分選性好，頻率曲線多屬于中等至窄峰的特征。與史正濤等計算的結(jié)果相似[14]。

4結(jié)論

通過對天山北麓低洪積扇臺地上的黃土沉積剖面進(jìn)行沉積年齡和粒度特征的分析，得出以下幾點結(jié)論。

（1）該地黃土的沉積始于7 000 aBP左右，屬于全新世黃土。再結(jié)合天山北麓不同地區(qū)黃土的分布特征，及前人關(guān)于黃土沉積年齡的研究成果，認(rèn)為天山北麓黃土沉積的初始年代可能并不統(tǒng)一，而是隨著北疆干旱化及沙漠化的進(jìn)程，逐漸開始沉積黃土。至于沉積秩序在空間上的分布，則需更多的測年數(shù)據(jù)支撐。

（2）天山北麓的黃土沉積物中粉沙含量平均在60%以上，是黃土物質(zhì)的主要組成部分。粘粒含量，細(xì)沙含量，<2 μm和>63 μm的粒級含量在剖面中的變化均反映了黃土沉積的粒徑變化。全新世中期沉積的黃土物質(zhì)相對偏細(xì)，而晚全新世時期堆積的黃土物質(zhì)偏粗。這種變化趨勢也反映了北疆在全新世時期內(nèi)的干旱化、沙漠化及地區(qū)大氣環(huán)流的變化。而成壤作用則在剖面上表現(xiàn)不明顯，可能對粒度的變化作用有限。

（3）天山北坡的黃土在粒度分布頻率曲線上表現(xiàn)為單峰態(tài)，具有第一眾數(shù)和第二眾數(shù)。第二眾數(shù)多位于1 μm左右。并且頻率曲線多呈正偏態(tài)分布，沉積物質(zhì)分選性較好，峰態(tài)多屬于中等至窄峰。

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