青藏高原東緣湖相沉積和黃土高原黃土沉積磁化率與粒度相關(guān)性對比*

時 偉 蔣漢朝

1 中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

作者以構(gòu)造活躍地區(qū)青藏高原東緣新磨村和理縣湖相沉積以及構(gòu)造穩(wěn)定地區(qū)黃土高原藍田晚更新世黃土沉積的粒度和SUS為研究對象，利用SPSS軟件進行SUS與粒度組分相關(guān)性分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和地貌特征，分析構(gòu)造活躍地區(qū)和構(gòu)造穩(wěn)定地區(qū)磁化率與粒度相關(guān)性特征，探討不同構(gòu)造背景下粉塵沉積中磁化率變化的控制因素。

A—岷江上游流域地質(zhì)簡圖(據(jù)Zhang et al.，2006)；B—新磨村湖相沉積剖面；C—理縣湖相沉積剖面；D—藍田黃土剖面B和C中的白框與數(shù)字代表樣品位置與采樣深度圖1 青藏高原東緣2個湖相沉積剖面和藍田剖面巖性柱Fig.1 Two profiles of lacustrine deposits in eastern margin of the Tibet Plateau and lithology column of Lantian section

1 概況

黃土高原連續(xù)的黃土堆積受到流水和風(fēng)力的持續(xù)侵蝕作用，形成了塬、梁、峁為主的地貌特征。藍田黃土剖面(34.15°N，109.27°E，1720 m a.s.l.)位于黃土高原的最南端，距離西安市約40 km，其南側(cè)緊鄰秦嶺山脈。藍田剖面的紅褐色古土壤S1、黃色黃土L1以及暗褐色全新世古土壤S0分層清楚，區(qū)域上容易對比。其中，L1黃土層可細分為5層：L1-1，L1-2，L1-3，L1-4和L1-5(圖1-D)。L1-2和L1-4為弱發(fā)育古土壤層。黃土高原主要受到東亞夏季風(fēng)和東亞冬季風(fēng)控制(Wangetal.，2005)。區(qū)域年平均氣溫為13 ℃，年平均降水量為720 mm(Jiang and Ding，2005)。

2 材料和方法

為了探討湖相沉積中事件層和非事件層粒度的變化特征、磁化率變化特征及它們之間的相關(guān)性，作者仔細分析了這2個剖面的粒度和磁化率變化數(shù)據(jù)，分別在新磨村剖面和理縣剖面的上部和下部選取2段連續(xù)的代表性特征事件樣品(圖1-B，1-C)，同時在陜西藍田剖面的黃土和古土壤樣品中挑選一部分代表性特征樣品(圖1-D)作對比分析。最后對挑選出來的樣品開展粒度和磁化率測量。

根據(jù)新磨村湖相沉積剖面的粒度變化特征(Jiangetal.，2014)，在剖面下部挑選的樣品深度為7.3～8.4 m(16.1～15.1 ka，冰消期)，樣品號XMC758-770，XMC777-785和XMC817-826分別對應(yīng)事件10、事件9和事件8，共32個樣品(圖2-A)。這3個事件層相鄰的非事件層樣品一共挑選了78個。剖面上部樣品深度為1.71～3.10 m(13.3～12.1 ka，冰消期)，樣品號XMC180-236，XMC254-260，XMC272-292分別對應(yīng)事件20、事件19和事件18，一共85個樣品(圖2-A)。這3個事件層相鄰的非事件層樣品一共挑選了55個。

根據(jù)理縣湖相沉積剖面的粒度和磁化率變化特征(Jiangetal.，2017)，在剖面下部挑選的樣品深度為15.71～17.40 m(15.4～14.7 ka，冰消期)，樣品號LX1591-1627、LX1671-1682、LX1688-1698、LX1709-1718和LX1729-1738分別對應(yīng)事件層25到事件層29共5個事件層，共80個樣品(圖2-B)。其中，事件層29為厚層事件。這些事件層相鄰的非事件層樣品共計挑選了90個。剖面上部深度為3.01～5.00 m(9.0～8.6 ka，全新世)，樣品號LX317-331、LX345-371、LX382-400、LX421-452和LX471-490分別對應(yīng)事件57到事件61共5個事件層，共挑選113個樣品(圖2-B)。其中，事件58和事件60為厚層事件。這些事件層相鄰的非事件層樣品共挑選了87個。

根據(jù)藍田黃土—古土壤剖面粒度和磁化率變化特征(Jiang and Ding，2005)，在藍田剖面上部依次挑選了S0(28個)、L1(100個)和S1(52個)3組樣品(圖1-D，圖2-C)，共180個，進行了粒度和磁化率測量。

最后，運用統(tǒng)計學(xué)軟件SPSS中的Pearson相關(guān)系數(shù)，對3個剖面的SUS和不同粒級的粒度組分開展相關(guān)性分析。

A—黃土和古土壤全部樣品的粒度組分統(tǒng)計；B，C—代表性樣品的粒度組分統(tǒng)計和頻率累計曲線；D—磁化率與粒度組分相關(guān)系數(shù)變化曲線圖3 藍田剖面末次冰期以來黃土—古土壤粒度特征分布圖Fig.3 Characteristics of grain-size distribution of loess sediments-ancient soil in Lantian section since the last glacial period

3 結(jié)果

3.1 黃土粒度組分和磁化率特征

圖3-B以藍田剖面單個特征古土壤和黃土樣品為例，其頻率累計曲線均表現(xiàn)為單峰分布模式(圖3-C)。古土壤小于 2 μm和2～10 μm組分含量明顯高于黃土。相比之下，大于 10 μm的幾個粗顆粒組分在古土壤中的百分含量明顯低于黃土。由于同一粒度組分高、低含量在全部樣品統(tǒng)計過程中相互平均抵消，所以全部樣品粒度組分統(tǒng)計并未表現(xiàn)出上述特征(圖3-A)，可能是成壤作用所致。藍田特征古土壤的磁化率略高于黃土(圖3-B)。可見，成壤作用對磁化率的貢獻普遍存在。

A，D—全部樣品的粒度組分統(tǒng)計；B，E—代表性事件層中單個樣品的粒度組分統(tǒng)計；C，F(xiàn)—代表性樣品的頻率累計曲線圖4 青藏高原東緣湖相沉積粒度組分統(tǒng)計和頻率累計曲線Fig.4 Statistical diagram of different grain-size fractions and frequency accumulation curve of the lacustrine sediments of eastern Tibet Plateau

3.2 新磨村湖相沉積物的粒度組分和磁化率特征

3.3 理縣湖相沉積物的粒度組分和磁化率特征

就事件層來說，在理縣剖面中，湖相沉積物主要以2～10 μm和32～63 μm組分為主，分別為6.7%～50.8%(平均26.3%)和2.3%～40.3%(平均21.8%)(圖4-D)。相對于新磨村剖面，理縣剖面32～63 μm組分在非事件層(11.6%)和事件層(21.8%)中的差值更大，盡管前者延緩了降低的趨勢而后者顯著增大(圖4-A，4-D)。理縣剖面非事件層SUS值(7.3～34.9，平均值為11.2)明顯小于事件層(7.6～38.3，平均值為18.9)。值得注意的是，理縣非事件層SUS遠高于新磨村剖面事件層SUS值。這可能由于理縣周邊大量出露的花崗巖體為湖相沉積提供了更多的磁性礦物所導(dǎo)致(圖1-A)。圖4-A和4-D顯示理縣剖面事件層中大于 20 μm組分含量明顯高于新磨村剖面。

4 討論

4.1 相關(guān)性分析

4.1.1 藍田黃土剖面

圖5 青藏高原東緣湖相沉積中磁化率與粒度組分相關(guān)性系數(shù)變化曲線Fig.5 Correlation coefficient between magnetic susceptibility and grain-size fractions of the lacustrine sediments of eastern Tibet Plateau

4.1.2 新磨村剖面

就事件層(N=133)來說，SUS與20～32 μm(R2=0.59)、32～63 μm(R2=0.59)2個組分均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。隨著粒度組分變粗，SUS與粒度組分的相關(guān)性呈顯著的降低趨勢(圖5-A)。圖2-A中SUS隨大于20 μm組分的突然升高緩慢降低波動特征尤為明顯。SUS與2～10 μm(R2=-0.52)和10～20 μm(R2=-0.43)2個組分均呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系，與小于2 μm(R2=-0.27)的負相關(guān)性較弱。圖2-A中SUS與小于20 μm組分呈相反的波動特征。

就非事件層(N=117)來說，SUS與各個粒度組分整體表現(xiàn)為相對較弱的相關(guān)性。其中與小于 20 μm組分呈負相關(guān)關(guān)系(R2=-0.42～-0.05)，與大于 20 μm組分呈正相關(guān)關(guān)系(R2=0.25～0.39)。

新磨村剖面特征事件20和圖5-A呈相似的SUS與各個粒度組分的相關(guān)性的變化特征(圖5-D)。其中，事件開始階段和事件結(jié)束階段的SUS與2～10 μm(R2=-0.57，-0.42)和10～20 μm(R2=-0.55，-0.30)2個組分均呈頗為明顯的負相關(guān)關(guān)系。SUS與20～32 μm(R2=0.55，0.60)、32～63 μm(R2=0.72，0.51)2個組分均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。隨著粒度組分變粗，SUS與粒度組分的相關(guān)性顯著降低，其中SUS與大于125 μm(R2=-0.82，-0.49)的相關(guān)性降低為顯著負相關(guān)關(guān)系。非事件層中表現(xiàn)為極弱的SUS與粒度組分相關(guān)性(R2=-0.11～0.18)。綜合上述分析得到，新磨村剖面事件層中SUS與32～63 μm組分的正相關(guān)性最強；與2～10 μm細顆粒組分的負相關(guān)性最強，然而非事件層呈較弱的相關(guān)性。此外，當(dāng)SUS與粒度組分的正相關(guān)系達到最高后，隨即呈現(xiàn)顯著降低的趨勢，直至降為負相關(guān)關(guān)系(圖5-A，5-D)。

4.1.3 理縣剖面

理縣湖相沉積剖面跨越冰消期和全新世2個時期。事件層在冰消期和全新世期間SUS與各個粒度組分呈相似的相關(guān)性特征，而非事件層在冰消期和全新世期間的相關(guān)性存在顯著的差別(圖5-B，5-C)。

圖6 青藏高原東緣湖相沉積和藍田黃土剖面中2～10 μm和32～63 μm組分含量線性關(guān)系圖Fig.6 Linear relationship between 2～10 μm and 32～63 μm grain size of the lacustrine sediments of eastern Tibet Plateau and Loess section of Lantian

4.2 SUS與粒度相關(guān)性對事件沉積的啟示

黃土高原相對于青藏高原東緣可以被認為是相對穩(wěn)定區(qū)域，構(gòu)造活動少，粉塵沉積速率慢(0.06 m/ka，Dingetal.，1994)；而青藏高原東緣構(gòu)造活動多，粉塵沉積速率快(1.4 m/ka，Jiangetal.，2014)。構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的黃土堆積以遠距離搬運的背景粉塵為主，粗顆粒當(dāng)?shù)匚镌唇M分相對較少。目前認為，古土壤中磁化率的增強與成巖作用形成的細粒亞鐵磁性顆粒的形成有關(guān)(Zhouetal.，1990;Verosubetal.，1993;Nieetal.，2010)。然而在青藏高原東緣，活躍的構(gòu)造運動加速對基巖的剝蝕，這使得基巖中的磁性礦物加速釋放，并附著于相對較粗的碎屑顆粒搬運、沉積(Jiangetal.，2014，2017)。因此構(gòu)造活躍區(qū)湖相沉積中磁性礦物變化最主要反應(yīng)了地震事件引起的局部物源變化(Jiangetal.，2017;鐘寧等，2020)。黃土高原黃土—古土壤沉積的SUS與小于20 μm粒度組分顯著正相關(guān)，揭示黃土—古土壤沉積中磁性礦物主要來自小于20 μm這一背景粉塵沉積的粒度組分(Tsoar and Pye，1987)；與2～10 μm粒度組分最強正相關(guān)，反映這一粒度組分為黃土高原連續(xù)穩(wěn)定敏感的背景沉積組分。黃土高原黃土—古土壤沉積的SUS與大于20 μm粒度組分顯著負相關(guān)，特別是與32～63 μm粒度組分最強負相關(guān)，可能不僅反映黃土高原塵暴粉塵物質(zhì)中磁性礦物的最為匱乏，也為識別黃土高原沉積中的塵暴事件提供敏感指標。

通過粒度、掃描電鏡和稀土元素分析，證明青藏高原東緣廣泛分布的湖相沉積物主要為風(fēng)力搬運(Jiangetal.，2014，2015;Liang and Jiang，2017)。理縣和新磨村湖相沉積物的SUS與大于 20 μm粒度組分顯著正相關(guān)，反映區(qū)域和局地提供的粉塵物質(zhì)為SUS增強做出了主要貢獻。特別是，SUS與32～63 μm粒度組分呈現(xiàn)最強正相關(guān)，表明32～63 μm粒度組分可以用作揭示青藏高原東緣地震事件的敏感指標。SUS與粒度組分的相關(guān)性在地震事件層開始部分高于事件結(jié)束部分，也較好地反映地震事件為研究區(qū)添加新鮮沉積物隨地形地貌恢復(fù)逐步減少的過程。值得注意的是，理縣湖相沉積剖面的SUS與各個粒度組分的相關(guān)性明顯高于新磨村剖面。這不僅與理縣湖相沉積的SUS整體偏高(Jiangetal.，2017)相一致，也與鋯石U-Pb年齡揭示的理縣與新磨村湖相沉積具有不同物源(Zhongetal.，2017)相一致。這表明SUS與粒度組分相關(guān)性受當(dāng)?shù)匚镌从绊憽?/p>

對理縣和新磨村湖相沉積物來說，SUS除了與32～63 μm粒度組分呈現(xiàn)最強正相關(guān)，也與2～10 μm粒度組分呈現(xiàn)最強負相關(guān)(圖5)。這與黃土高原藍田剖面黃土—古土壤記錄相反，反映2～10 μm組分在亞洲干旱—半干旱地區(qū)可能連續(xù)穩(wěn)定存在，可以用作背景粉塵沉積的敏感指標。另一方面，2～10 μm與32～63 μm粒度組分的相關(guān)性分析顯示，無論是構(gòu)造穩(wěn)定的黃土高原地區(qū)(黃土：0.92；古土壤：0.89)，還是構(gòu)造活躍的青藏高原湖相沉積(事件層：0.93～0.99；非事件層：0.86～0.98)，都顯示了很高的相關(guān)性(圖6)。這表明在亞洲干旱—半干旱地區(qū)，持續(xù)穩(wěn)定沉積的2～10 μm粒度組分與揭示事件性沉積的32～63 μm敏感粒度組分形成了此消彼長的堆積關(guān)系。這對于認識亞洲粉塵堆積具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

5 結(jié)論