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中国沙漠, 2023, 43(3): 69-85 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00136

腾格里沙漠两万年以来典型沉积物钾长石和石英光释光测年对比研究

王颖,, 弋双文,, 徐志伟, 张昊辰, 李徐生

南京大学 地理与海洋科学学院,江苏 南京 210000

Quartz OSL and K-feldspar pIRIR dating of typical sediments over the past 20 000 years from the Tengger Desert, northern China

Wang Ying,, Yi Shuangwen,, Xu Zhiwei, Zhang Haochen, Li Xusheng

School of Geography and Ocean Sciences,Nanjing University,Nanjing 210000,China

通讯作者: 弋双文(E-mail: ysw7563@nju.edu.cn

收稿日期: 2022-08-31   修回日期: 2022-11-10  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42122001.  41877451
中国科学院“西部之光”交叉团队项目
中央高校基本科研业务费项目.  0209-14380091

Received: 2022-08-31   Revised: 2022-11-10  

作者简介 About authors

王颖(2000—),女,江苏盐城人,硕士研究生,研究方向为光释光年代学E-mail:mg21270024@smail.nju.edu.cn , E-mail:mg21270024@smail.nju.edu.cn

摘要

沙漠内部保存的晚第四纪沉积序列,是重建过去气候环境变化的重要材料。近年来,不同测年方法被用于测定风成、湖相等各类沉积物的年龄,特别是光释光测年技术在沙漠地区的应用越来越多。然而,对不同光释光测年技术能否获得相对年轻样品的可靠年龄等问题,仍存在一些不确定性。本研究在腾格里沙漠不同点位采集了沉积物样品,开展了石英单片再生剂量法(SAR-OSL)和钾长石红外后释光法(pIRIR150)对比测试,尤其是针对钾长石pIRIR150进行了剂量恢复实验、衰退系数(g-值)以及残余剂量测定,进而探究钾长石pIRIR150技术在该地区沉积物测年中的适用性与可靠性。结果表明:钾长石pIRIR150释光信号总体晒退良好,30 h晒退后的残余剂量仅为0.07~0.27 Gy,并且在60 Gy的剂量范围内(对应研究区约两万年以内的样品),剂量恢复比率基本为1。经g-值校正后的钾长石pIRIR150年代结果总体上出现高估,而未校正的年代则与石英SAR-OSL年代结果具有较好的一致性,表明研究区沉积物样品的g-值校正可能存在一定的不确定性。在建立年代控制的基础上,本文发现不同点位重建的局地地貌格局变化具有强烈的异质性,但在冰期-间冰期尺度上,与大范围的气候环境格局变化基本一致。在末次盛冰期及冰消期,沙丘活跃,植被退化,湖泊和绿洲面积相对缩小;而在早中全新世,沙丘流动性减弱,植被增多,湖泊和绿洲面积相对扩大。过去几百年以来,不同点位的沙丘也经历了多次活化与固定的转换,这与局地的环境变化和其他扰动等因素有关。

关键词: 光释光测年 ; pIRIR150 ; 地貌格局重建 ; 风沙环境变化 ; 腾格里沙漠

Abstract

Sedimentary records of the late Quaternary preserved in the deserts are important archives to reconstruct the paleoclimate and paleoenvironmental change. In recent years, different dating methods have been used to establish chronologies of aeolian and lacustrine sediments in the deserts, especially the Optically Stimulated Luminescence (OSL) dating technology. However, it still has some uncertainties whether the luminescence dating techniques could provide reliable ages for relatively young samples. In this study, several sediments were collected from different sites in the Tengger Desert, and their ages were measured by quartz SAR-OSL and K-feldspar pIRIR150 dating methods. A set of tests, such as the dose recovery, fading and residual tests, were carried out to explore the applicability and reliability of the K-feldspar pIRIR150 dating protocol in this area. The results suggest that the K-feldspar samples were well bleached before deposition. Residual doses of pIRIR signals are between 0.07-0.27 Gy and the dose recovery ratio is basically equal to 1 within the dose range of 60 Gy (equal to about 20,000 years). The corrected K-feldspar pIRIR150 ages are generally overestimated, while the uncorrected pIRIR150 ages are in good agreement with the quartz SAR-OSL ages, indicating the uncertainties of g-value correction. Based on the quartz SAR-OSL and K-feldspar pIRIR150 ages, it is found that the geomorphological evolution at different sites in the study area show strong heterogeneity at local scales, while at glacial-interglacial time scales, their changes are broadly consistent with regional climatic changes. During the Last Glacial Maximum and Deglacial period, the dunes were mostly active and vegetation was degraded, and the areas of lakes and oases were relatively decreased. In contrast, dune activity was restricted and vegetation coverage was increased during the Early and Middle Holocene, and the lakes and oases were relatively expanded. During the past few hundreds of years, different sites in the Tengger Desert have probably undergone multiple phases of dune activation and stabilization, which may be related to not only regional environmental changes but also local disturbances.

Keywords: OSL dating ; K-feldspar pIRIR150 dating ; geomorphological reconstruction ; aeolian environmental change ; Tengger Desert

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本文引用格式

王颖, 弋双文, 徐志伟, 张昊辰, 李徐生. 腾格里沙漠两万年以来典型沉积物钾长石和石英光释光测年对比研究. 中国沙漠[J], 2023, 43(3): 69-85 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00136

Wang Ying, Yi Shuangwen, Xu Zhiwei, Zhang Haochen, Li Xusheng. Quartz OSL and K-feldspar pIRIR dating of typical sediments over the past 20 000 years from the Tengger Desert, northern China. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(3): 69-85 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00136

0 引言

中国北方干旱-半干旱气候区分布有多个沙漠和沙地,其生态环境脆弱,对气候变化和人为干预等外部胁迫有敏感响应1-3。理解这些地区风沙环境变化及其对气候变化的响应过程与机制,对于应对全球变化、保护区域生态环境和防治荒漠化等有积极意义4-6。位于中国北方的腾格里沙漠,风沙活动剧烈,生态环境具有较强的敏感性和脆弱性7。该区域分布有大面积的流动沙丘、固定与半固定沙丘,是东亚地区重要的沙尘源区8-12。重建腾格里沙漠的形成演化过程和环境变化历史,是近年来相关研究的热点13-22

沙漠和沙地内部广泛发育的风成沉积物和河湖相堆积等,是揭示晚新生代以来沙漠变迁与环境变化的良好载体23-34。利用腾格里沙漠内部及周边保存较好的沉积记录,研究者重建了区域环境演化过程及沙漠扩张与收缩的历史35-39,论述了“腾格里古湖”的发育时间与驱动机制等40-43。早期对腾格里沙漠地区风沙沉积物定年大多采用14C测年3544-46。考虑到14C测年在沙漠地区可能会受到“年轻碳”与“老碳”的污染,同时富含有机碳的测年材料难以获得,因此该地区使用14C测年开展环境重建研究受到一定限制47

近年来,光释光测年技术被广泛应用于沙漠地区晚第四纪沉积地层的年代测定,进而重建过去几万乃至几十万年的环境变化历史。就腾格里沙漠而言,目前的研究大多使用石英对不同类型的沉积物进行定年14-1518-193748。然而,该地区样品的石英信号总体上不是很强,并且常因存在包裹体等,很难消除长石的影响。尤其是对于部分年轻风沙沉积样品,石英信号非常弱,这可能导致测年结果的精度和可靠性存在一定的不确定性192249。钾长石信号通常比较强,具有较高的信噪比,为解决这一问题提供了可能途径50-52。但是,受释光信号异常衰退等影响,常规钾长石红外技术的应用受到一定的限制。钾长石红外后释光技术(post-IR IRSL,简称pIRIR)可以有效地克服传统红外信号异常衰减的问题53-55,由此发展的两步56-58和多步(MET-pIRIR)钾长石红外后测试技术55,被证明可以获得至少250 ka以来沉积物的可靠年龄。近期,有研究利用钾长石pIRIR290技术,对腾格里沙漠达到石英测试上限的较老沉积物样品进行测定,得到了较好的结果162139。对于年轻样品而言,高温(如320 ℃)的红外激发可能会导致较高的剂量残余,从而使测年结果出现高估59-60。而低温(如200 ℃/180 ℃)钾长石pIRIR可以有效地减少信号剂量残余5261-63,从而在包括全新世样品在内的相对年轻样品测年方面表现出较大的应用潜力63-65

目前,鲜有研究利用低温钾长石pIRIR技术对中国北方沙漠相对年轻的沉积物样品开展测年研究。针对这一问题,本研究通过对腾格里沙漠不同点位风沙沉积和绿洲相沉积物样品进行释光测年研究,重点对比石英单片再生剂量法(SAR-OSL)和钾长石红外后释光技术(pIRIR150)两种测年方法的矿物释光特征及年代结果,检验钾长石pIRIR150测年技术在相对年轻的沙漠样品测年中的可行性与适用性,并为探讨腾格里沙漠近两万年以来环境重建提供新的年代学证据。

1 研究区概况与样品

1.1 研究区概况

腾格里沙漠(37°30′—40°00′N,102°30′—106°00′E)西南临近祁连山北麓,西北至雅布赖山,北部以哈拉乌山为界,东部与贺兰山及黄土高原相毗邻,总面积约4.6万km2,为中国第四大沙漠11343图1A)。研究区地势西南高、东北低,多年平均气温为7.0~9.7 ℃66。腾格里沙漠位于东亚夏季风影响的边缘区,年均降水量小于200 mm,年均潜在蒸发量大于2 000 mm1549。受东亚季风影响,降水集中在夏季。夏季盛行东南风,冬春两季盛行西北风,风力强劲,沙尘暴频发67。沙漠内部地表景观以流动沙丘为主,丘间地和洼地内分布有许多大小不等的湖沼、干盐湖或植被斑块(草滩),植被盖度相对较低、物种组成较为简单,以草本植物和灌木为主。

图1

图1   研究区及剖面位置示意图及局地遥感影像

Fig.1   The location of the study area and the sampling sites


1.2 样品采集、沉积相与沉积环境

基于遥感影像解译与野外考察,我们分别在腾格里沙漠东部边缘、南缘、西部以及中部腹地的4个点位采集了6个剖面、13个光释光年代样品(图1A)。采样时去掉剖面至少30 cm厚的表层,将长约25 cm的不锈钢管水平打入剖面,取出采样管后迅速用黑色避光塑料袋塞紧采样管两端,避免曝光与水分散失,用胶带密封并编号。

N01B和N01A剖面位于腾格里沙漠东部阿拉善左旗巴彦浩特镇西南方向的沙漠内部(图1B)。N01B剖面处于流动沙丘之间的丘间地,周边为活跃的横向沙丘,出露的地层厚约1 m。其中,上部约0.7 m主要为湖相地层,顶部为弱发育的土壤,0.7 m以下为风成沙层(图2A、图3)。对该剖面出露的地层进行样品采集,深度分别为0.15 m和0.6 m。在剖面旁,对未出露地层进行打钻取样。剖面以下至5 m处均为风成沙层,分别在1.8、3、4.2、5 m处采集4个沉积物样品。N01B下部0.7~5 m的风成沙层,指示沙丘活跃,代表了相对干旱的沙漠环境。而上部0~0.7 m的湖相层和弱发育土壤层指示相对湿润的环境,丘间洼地积水,形成局地湖泊,之后可能发育沼泽湿地,并逐渐形成土壤,代表了局地的绿洲环境。另外,在N01B剖面附近流动沙丘的迎风坡进行打钻取样,命名为N01A剖面,在4 m深度范围内均为风成沙,在深度3.8 m处采集一个年代样品。

图2

图2   野外采样和地层剖面照片

Fig.2   Picture of field sampling profiles in N01B(A),YWQ2(B) , NHN(C), and XJZ (D)


图3

图3   研究点位地层剖面及光释光年代

Fig.3   The lithology and luminescence dating results of the newly obtained sections


YWQ1和YWQ2剖面位于腾格里沙漠南部边缘一碗泉以北的沙漠腹地(图1C)。其中,YWQ1剖面为现代沙丘迎风坡侵蚀出露的灰白色湖相层,厚度约为50 cm,其下为风成沙层。对该湖相层进行样品采集,深度分别为20 cm和50 cm。YWQ2剖面出露的地层厚度约为1 m,上部为约40 cm厚的古土壤层,质地相对坚硬,有虫洞、植物根系;下部为风成沙层,质地相对疏松,未见底(图2B、图3)。对出露的古土壤和风成沙层进行样品采集,深度分别为20 cm和75 cm。YWQ2剖面下部的风成沙层,指示沙丘活跃,代表了相对干旱的沙漠环境;而湖相层或古土壤层指示相对湿润的环境,代表了局地的绿洲(或丘间地)环境。

NHN剖面位于腾格里沙漠南部南湖绿洲以南(图1D)。剖面处于流动沙丘之间的丘间地。剖面出露的地层为浅灰黄色次生黄土层,厚约1.5 m,质地致密、较为坚硬,发育明显的垂直节理,见有虫洞、植物根系(图2C、图3)。次生黄土层应为气候相对暖湿时期,粉尘在此处堆积形成,但沉积环境可能仍为局地湖沼(绿洲)环境,并在气候变干、湖沼干涸后出露地表。黄土层之下为风成沙层,指示沙丘活跃,代表了相对干旱的沙漠环境。

XJZ剖面位于腾格里沙漠中部腹地阿拉善额尔克哈什哈苏木召兔子井附近,为被侵蚀出露在沙丘迎风坡下部的一层灰白色湖相层(图1E)。该湖相层较薄,质地较为致密,其下为风成沙层(图2D、图3)。在湖相地层中部采集一个年代样品。

2 研究方法

2.1 样品前处理

所有光释光样品的前处理均在微弱红光的暗室里进行。首先去除采样管两端2~3 cm可能曝光的样品,用于含水量和环境剂量率测定。采样管中间未曝光部分样品过湿筛得到所需粒径(63~90/90~150 μm);之后,加入30%的双氧水(H2O2)和10%的盐酸(HCl)分别去除样品中的有机质和碳酸盐类矿物。充分离散后的样品,首先用10% 的氢氟酸(HF)溶蚀15 min,以去除样品表面杂质以及受α辐射影响的颗粒表层,其后加入10% 的盐酸(HCl)去除生成的氟化物。然后,分别用密度为2.58、2.62、2.70 g·cm-3的多钨酸钠(SPT1,3Na2WO4·9WO3·H2O),分离出钾长石、石英和长石混合矿物以及重矿物组分。最后,对烘干后的石英和长石混合矿物组分样品,用40% 的氢氟酸(HF)进行约40 min的溶蚀,以去除可能残留的钾长石颗粒,并用10% 的盐酸(HCl)去除生成的氟化物,完成后洗净烘干,进行红外检测(IR-test),如钾长石/石英信号比超过10%,则重复HF溶蚀步骤,一般不超过3次。

2.2 等效剂量( De )测试

等效剂量(De )的测试在南京大学地理与海洋科学学院释光测年实验室完成,仪器为装置有90Sr/90Y人工β辐射源的Risø TL/OSL DA-20C/D全自动释光仪。石英释光信号的激发光源为蓝光LEDs(470 nm,~80 mW·cm-2),钾长石释光信号的激发光源为红外LEDs(870 nm,~135 mW·cm-2),石英OSL信号通过7.5 mm Schott U-340(UV)滤光片检测,钾长石红外后红外释光信号使用Corning 7-59和Schott BG-39滤光片组合检测,释光信号通过9235QB光电倍增管测量。提取的石英和钾长石颗粒,分别以大片(~5~8 mm)和小片(~2 mm)用硅油均匀粘在直径~10 mm不锈钢片和不锈钢杯上进行测试。

石英De 值测试采用单片再生剂量法68-69(SAR-OSL,表1)。对于部分未通过红外检验(IRSL/OSL>10%)的样品,De 值的测试采用改进后的单片再生法70(Double SAR-OSL),在蓝光OSL激发前插入一步红外(IR)激发。释光信号选择前0.32 s(1~2通道)的积分信号减去随后的0.8 s(3~7通道)的积分信号获取净信号值71。在De 测试前,为了获得合适的测试条件,选择典型样品在180~280 ℃温度区间,以20 ℃为间隔,进行不同预热温度下的剂量恢复检验6972-73

表1   等效剂量( De )测试流程

Table 1  The dating protocols used to measure De values

步骤石英 SAR -OSL钾长石pIRIR150
测试环节观测值测试环节观测值
1附加再生剂量Di*附加再生剂量Di*
2预热(Preheat,200 ℃,10 s)预热(Preheat,180 ℃,60 s)
3蓝光激发(125 ℃,40 s)LX红外激发(50 ℃,100 s)LX50
4实验剂量Dt红外激发(150 ℃,100 s)LX150
5热释光(Cutheat,160 ℃)实验剂量Dt
6蓝光激发(125 ℃,40 s)TX热释光(Cutheat,180 ℃,60 s)
7返回第一步红外激发(50 ℃,100 s)TX50
8红外激发(150 ℃,100 s)TX150
9返回第一步

*测量自然释光信号时i=0,D0=0,测试过程使用不同的再生剂量重复次数,包含一个零剂量(D5)以及一个重复剂量(D6)的测量。

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钾长石De 测试采用红外后释光技术5262(pIRIR150表1)。钾长石信号由前1 s(6~15通道)的积分信号减去后约24 s(750~990通道)的背景信号得到。为了确认所采用的pIRIR150程序是否适合样品测试,首先进行了剂量恢复检验(Dose recovery test)。为了避免残留值提取所可能导致的剂量恢复结果偏差74-75,采用附加剂量法给选择的自然样品(NJU2396,~20 Gy)辐照5~60 Gy大小不等的剂量76,检验剂量大小设定为测试剂量的30%77,然后计算剂量恢复比率。钾长石红外信号的晒退速率缓慢,可能导致在沉积前的信号不完全晒退,从而影响测年结果的准确度。为了评估样品的晒退情况,在各点位选择代表性样品(每个样品各3个测片)进行晒退实验(2022年4—5月,南京,5楼楼顶,天气晴朗自然条件下太阳光晒退30 h),之后测试样品的残余剂量。同时,选取研究点位的7个典型样品(每个样品3~15个样片),采用Auclair等78的方案测试钾长石(IR50和pIRIR150)信号的异常衰退系数(g-值)。对经过感量校正的IR50和pIRIR150两种释光信号值(LX /TX )与指数化的延长时间进行拟合,拟合线段的斜率即为该样品的衰退系数,以此评估钾长石信号的稳定性。考虑到样品总体相对比较年轻,本文采用Huntley等51的校正模型对样品的De 值进行了校正,并将校正后的年代与未校正年代进行对比。

2.3 年剂量测试

样品的U、Th、K含量在南京大学地球科学与工程学院测试,U、Th含量使用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测量得到,K含量使用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测量得到。样品NJU2401可能受地下水影响,实测含水量为13%左右。其余大部分样品的实测含水量较低,部分样品甚至小于1%,可能不能反映地质历史时期样品的真实含水量。因此,如表2所列,除样品NJU2401外,对于风成沙样品和次生黄土/湖相/古土壤样品,分别采用5.0%±2.5% 和10%±5% 作为估算含水量进行计算1979。依照Guérin等80提出的转换因子,计算样品的β和γ-剂量率。对于钾长石颗粒,内部K和Rb含量,分别取12.5%±0.5%和400±100 mg·kg-1[81-82。根据样品所在地点的经纬度、海拔和样品埋藏深度等,采用Prescott 等83的方法计算宇宙射线的贡献。最后,根据等效剂量和年剂量结果,利用DRACv1.2软件计算样品的最终年代84表3)。

表2   样品剂量率

Table 2  The environmental radioactivity and dose rates for the samples

实验编号样品名称深度 /m

地层

类型

U含量 /(mg·kg-1Th含量 /(mg·kg-1K含量 /%石英剂量率 /(Gy·ka-1钾长石剂量率/(Gy·ka-1)
NJU2395N01A-S-380cm3.8风沙层0.53±0.042.22±0.102.31±0.072.58±0.083.10±0.13
NJU2396N01B-15cm0.15湖相层1.30±0.065.31±0.181.98±0.062.65±0.113.25±0.17
NJU2397N01B-60cm0.6湖相层1.01±0.054.08±0.151.63±0.052.15±0.092.74±0.15
NJU2398N01B-180cm1.8风沙层0.71±0.042.45±0.102.10±0.062.48±0.083.02±0.13
NJU2399N01B-300cm3.0风沙层1.04±0.053.43±0.132.04±0.062.53±0.083.13±0.14
NJU2400N01B-420cm4.2风沙层0.68±0.052.06±0.092.19±0.072.48±0.083.02±0.13
NJU2401*N01B-500cm5.0风沙层0.85±0.052.45±0.102.19±0.072.33±0.102.87±0.15
NJU3665XJZ-10cm0.1湖相层1.68±0.087.55±0.381.86±0.092.82±0.133.43±0.18
NJU3666NHN-70cm0.7次生黄土2.23±0.1110.77±0.541.98±0.103.16±0.144.05±0.22
NJU4011YWQ1-20cm0.2湖相层1.15±0.065.52±0.281.88±0.092.55±0.123.17±0.17
NJU4012YWQ1-50cm0.5湖相层1.14±0.065.73±0.291.85±0.092.49±0.123.14±0.17
NJU4013YWQ2-20cm0.2古土壤2.22±0.117.64±0.381.90±0.102.93±0.133.66±0.20
NJU4014YWQ2-75cm0.75风沙层1.22±0.065.89±0.291.81±0.092.59±0.093.26±0.15

*NJU2401样品含水量采用实测值,其余风成沙样品含水量按照5.0%±2.5%计算,次生黄土、古土壤和湖相沉积样品含水量按照10%±5%计算。

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表3   样品等效剂量及年代结果

Table 3  The equivalent dose values and dating results for the samples

实验

编号

样品

名称

深度 /m

石英OSL

等效剂量 /Gy

钾长石pIRIR150

等效剂量 /Gy

测片数

(A/B)*

石英OSL

年代 /ka

钾长石pIRIR150

未校正年代 /ka

g-值 /(%/10a)**

钾长石pIRIR150

校正年代 /ka

NJU2395N01A-S-380cm3.826.47±1.4731.47±1.9521/1010.27±0.6510.14±0.7712.56±1.59
NJU2396N01B-15cm0.1520.75±0.4524.75±0.4324/157.83±0.377.62±0.412.27±0.899.41±1.07
NJU2397N01B-60cm0.625.80±0.4732.79±0.4520/1412.02±0.5611.97±0.6714.86±1.67
NJU2398N01B-180cm1.839.99±1.0345.08±0.8819/1416.14±0.6514.91±0.7218.57±2.06
NJU2399N01B-300cm3.033.01±1.0842.98±0.6422/1413.03±0.5813.74±0.6417.09±1.86
NJU2400N01B-420cm4.234.23±0.9141.18±0.5922/1413.80±0.5713.66±0.6316.99±1.90
NJU2401N01B-500cm5.033.05±1.2240.17±1.2318/1414.19±0.8213.98±0.8517.39±2.06
NJU3665XJZ-10cm0.10.88±0.110.52±0.015/170.31±0.040.15±0.011.68±0.880.17±0.02
NJU3666NHN-70cm0.718.90±0.6223.32±0.4727/155.97±0.335.77±0.331.82±0.846.79±0.58
NJU4011YWQ1-20cm0.21.88±0.092.61±0.0514/150.74±0.050.83±0.051.56±0.850.94±0.09
NJU4012YWQ1-50cm0.52.27±0.123.09±0.2016/140.91±0.060.99±0.081.61±0.891.13±0.13
NJU4013YWQ2-20cm0.222.32±0.8231.64±0.5020/157.63±0.458.64±0.480.99±0.849.42±0.90
NJU4014YWQ2-75cm0.7519.33±1.0525.04±1.2519/137.47±0.487.69±0.531.73±0.888.99±1.02

*A=石英,B=钾长石,测片数为计算De 时实际使用的测片数。**异常衰退采用Huntley等51的模型校正,N01点位所有样品依据该点位样品NJU2396的g-值计算。

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3 年代测试结果

3.1 石英SAR-OSL测试结果

整体而言,大部分样品的石英光释光信号在最初几秒内快速衰减至本底值(图4A),其剂量响应曲线呈现指数增长(图4B),表明释光信号以快组分为主,具有良好的测年属性。然而,值得注意的是,部分年轻样品(如NJU3665)的光释光信号非常弱,几乎接近仪器信号本底(图4A),可能导致测试结果存在很大的不确定性。在180~240 ℃ 的预热温度区间内,剂量恢复检验(Dose recovery)结果呈现明显的坪区,并且恢复剂量与给定的已知剂量的恢复系数在0.9~1.1(图4C)。同时,样品的回授值(Recuperation)均<5%,测试循环比率(Recycling)在0.8~1.2,平均值为1.03±0.08(图4D)。因此,本文最终选择Preheat 200 °C/Cutheat 160 °C预热温度条件组合,采用SAR程序对样品进行De 值测试。

图4

图4   石英样品释光特征

Fig.4   Luminescence characteristics of quartz samples


所有样品的De 值计算,主要依据以下标准进行:首先,去除异常的生长曲线拟合结果;其次,去除单个样片的循环比率(Recycling)在0.8~1.2之外或者回授值>5%的测片结果。如图5,大部分样品的De 值分布整体上较为集中,并且离散度(Over-dispersion,OD)较小,在5.67%~24.56%。因此,可以认为大部分样品在沉积前晒退完全,这也与最近的一些研究结果相一致1937,表明本研究获得的石英测年结果是可靠的。样品最终的石英SAR-OSL的De 值与年龄结果显示(表3图3),N01B剖面6个样品的年代从上至下依次为7.83±0.37、12.02±0.56、16.14±0.65、13.03±0.58、13.80±0.57、14.19±0.82 ka。除样品NJU2398(16.14±0.65 ka)年代较老外,其余样品的年代在误差范围内与地层序列基本一致,整体上随着地层深度的增加而增大。对样品NJU2398而言,其年龄相比下部沙层明显偏大。结合野外描述和地层沉积特征分析(详见1.2样品采集、沉积相与沉积环境),该样品是在N01B剖面旁通过钻探采集的,并且实际钻探采集深度为地表以下1.2 m(除去剖面60 cm厚度)。考虑到该地区沙丘活跃、风沙活动频繁,侵蚀堆积可能在浅表层一定深度范围内发生。据此,本文推测该样品所代表的沙层极有可能存在一定的扰动,因而导致了地层倒置。尽管如此,其余风沙层样品的年代均指示在过去16~12 ka左右发生风沙堆积,而上部古土壤层的两个年代结果(7.83±0.37、12.02±0.56 ka)表明其发育于全新世(图3)。N01A剖面风沙样品的OSL年代为10.27±0.65 ka。YWQ1剖面的两个湖相样品年代分别为0.74±0.05、0.91±0.06 ka,而YWQ2剖面的古土壤层年代为7.63±0.45 ka,沙层年代为7.47±0.48 ka,该点位的沙层在误差范围内与上部古土壤层较为接近。本文认为,这一方面可能是由于生物扰动所导致,即之前沉积的沙层在后期土壤发育时被扰动,因而沙层的“表观年龄”与上部古土壤层较为接近;另一方面也可能反映了沙丘最后一次活化后被快速固定85,响应于中全新世的气候变化。XJZ、NHN两个点位出露地表的湖相层、次生黄土层样品年代分别为0.31±0.04、5.97±0.33 ka。

图5

图5   6个代表性石英样品等效剂量(De )雷达图

Fig.5   Radial plots of De distributions for the representative quartz sample


3.2 钾长石pIRIR150 测试结果

与石英相比,钾长石pIRIR150 的释光信号非常强,表明其可能具有较好的测年潜力(图6A)。在给定的5~60 Gy的剂量范围内,钾长石pIRIR150 的剂量恢复结果基本等于1(图6B),表明至少在~60 Gy的剂量范围内(相当于约20 ka),测量过程可以获得样品准确可靠的De 值。30 h晒退试验结果表明,各钾长石pIRIR150样品的残留值为0.07~0.27 Gy(图6C),平均值为0.15±0.01 Gy。按照研究区平均剂量率3.2 Gy·ka-1计算,这一结果大约相当于0.05 ka(对近地表样品NJU3665而言,残余剂量 ~0.07 Gy,可能导致约0.02 ka的误差)。因此,对千年乃至几百年样品的测年结果计算影响非常有限,可以忽略不计。同时,所有测片的循环比率(Recycling)均处于0.9~1.1(平均值为1.00±0.04),回授值(Recuperation)均在5% 以内(平均值为0.43%±0.20%,图6D),表明测试结果是可靠的。如图7所示,研究区不同点位钾长石样品pIRIR150的衰退系数(g-值)为0.55%~3.33%/10a(平均值为1.87%±0.11%/10a),远小于IR50(2.07%~4.37%/10a,平均值为2.99%± 0.10%/10a)。这表明相对于IR50,钾长石pIRIR150释光信号具有较好的稳定性5160-626486

图6

图6   钾长石pIRIR150 样品释光信号特征

Fig. 6   Luminescence characteristics of K-feldspar samples


图7

图7   钾长石pIRIR150与IR50信号衰退系数

Fig.7   G-values of K-feldspar samples using pIRIR150 and IR50 protocols


钾长石pIRIR150De 计算采用与石英SAR-OSL类似的标准,去除异常的生长曲线拟合结果、去除单个样片的恢复比率(Recycling)在0.9~1.1之外或者回授值 >5%的测片结果。如图8所示,样品的De 值分布较为集中,离散度较小,大部分样品的OD值在6% 左右,表明样品在沉积前经历了充分晒退。计算所得的钾长石样品pIRIR150 De 值与年龄如表3图3所示。与石英SAR-OSL结果类似,N01B剖面样品的钾长石pIRIR150年代从上至下依次为7.62±0.41、11.97±0.67、14.91±0.72、13.74±0.64、13.66±0.63、13.98±0.85 ka,基本符合地层序列,并且也主要分为两个部分,分别对应于古土壤层(7.62±0.41、11.97±0.67 ka)和风沙层(14.91±0.72、13.74±0.64、13.66±0.63、13.98±0.85 ka)。N01A沙层样品的年代为10.14±0.77 ka。YWQ点位两个剖面中的湖相层和古土壤层年代分别为0.83±0.05、0.99±0.08、8.64±0.48 ka,沙层的年代为7.69±0.53 ka。XJZ和NHN两个点位样品年代分别为0.15±0.01、5.77±0.33 ka。未校正的钾长石pIRIR150年龄与石英OSL年龄总体上具有较好的一致性。然而,值得注意的是,采用衰退系数(g-值)校正的钾长石pIRIR150年龄总体上较未校正的样品偏老约2~5 ka(表3图9A)。

图8

图8   6个代表性钾长石样品等效剂量(De )雷达图

Fig.8   Radial plots of De distributions for the representative K-feldspar samples


图9

图9   不同释光信号对比

Fig.9   Comparisons of different luminescence dating signals


4 讨论

4.1 石英和钾长石测年结果对比

图3所示,石英SAR-OSL和钾长石pIRIR150两种测年方法得到的年代结果总体上与地层层序相一致,随地层深度增加而增大。石英SAR-OSL和未校正的钾长石pIRIR150年龄结果在误差范围内有很好的对应(图9A)。已有研究结果表明,不同释光信号(石英OSL、钾长石IRSL和pIRIR)的衰减速率存在较大的差异,可以用来揭示样品沉积时的晒退环境87-89,由此表明石英样品在沉积前得到了充分晒退。与此同时,IR50和pIRIR150De 值位于通过原点的平滑曲线上,该条曲线位于1∶1线的下方,所有点都分布在拟合线的周围,表明钾长石pIRIR150信号在沉积前经历了充分晒退(图9B)。晒退试验结果也显示,经过30 h阳光晒退后,样品的钾长石pIRIR150信号的残余剂量几乎可以忽略不计(图6C)。这也与最近一些腾格里、古尔班通古特沙漠等沉积物光释光测年研究结果相一致18-192290。然而,值得注意的是,对于部分近地表的年轻样品(如样品NJU3665),石英SAR-OSL的释光信号非常弱(图4A)。同时,个别样品经氢氟酸溶蚀后,仍存在一定的钾长石信号干扰,部分测片的热转移效应与循环比均在误差范围之外(如样品NJU3665,测试了25个测片,只有5个测片满足等效剂量De 筛选标准),样品OSL的De 值离散度也相对较大(图5)。这表明,对于这些非常年轻的样品而言,石英SAR-OSL测试结果可能会存在一定的不确定性。相比之下,钾长石样品pIRIR150的释光信号非常强,显示具有较高的测试精度以及较好的稳定性(图6A),而且残余剂量非常小,对测年结果的影响基本可以忽略不计。考虑到钾长石对于剂量变化的反应更加灵敏,同时,绝大部分样品pIRIR150De 值分布较为集中,离散度非常小(图8)。因此,对于几千年和万年的样品而言,钾长石pIRIR150未校正年代与石英SAR-OSL年代具有较好的一致性,表明钾长石pIRIR150适用于测试全新世的沉积物样品。而对于几百年的年轻样品而言,在石英SAR-OSL释光信号不强的情况下,钾长石pIRIR150可能具有更强的测试潜力和应用潜力。

4.2 异常衰退系数校正

一个值得注意的现象是,研究区不同点位钾长石样品pIRIR150的衰退系数(g-值)变化较大,在0.55%~3.33%/10a(平均值为1.87%±0.11%/10a)。虽然其整体上小于IR50信号(2.07%~4.37%/10a,平均值为2.99%±0.10%/10a),但是不同区域的g-值存在明显的空间差异,如腾格里沙漠东缘样品的g-值明显高于西南部样品(表3图7B)。本文推测这种空间差异可能与物源差异有关,但因样品量有限,仍需进一步研究。同时,经g-值校正后的钾长石pIRIR150年代,相比未校正前的结果整体上偏老2~5 ka(表3图9A),这与Reimann等61的研究结果相一致,可能与g-值测试的不确定性有关5791-94。例如,Li等95在对中国北方毛乌素、浑善达克、科尔沁和呼伦贝尔等沙地钾长石IRSL测年研究过程中,发现沙地样品IRSL的g-值介于2%~4%/10a,并且与石英年龄相比,经g-值校正后的钾长石年龄明显偏大。类似地,乌兰布和沙漠全新世样品g-值校正后的钾长石IRSL年龄也比石英年龄严重偏大。对于全新世样品而言,未经g-值校正的钾长石释光年龄可能更接近样品真实的沉积年龄79。综上,考虑到g-值测试以及校正结果的不确定性6195,本文认为未校正的钾长石pIRIR150年龄在研究区可能更为可靠,并且可以用来重建区域风沙环境变化。

4.3 腾格里沙漠过去20 ka以来的风沙环境变化

腾格里沙漠位于东亚夏季风影响的边缘区。前人的研究指出,腾格里沙漠的风沙沉积通常形成于气候干冷时期,是沙丘活化的产物;而古土壤层、湖相层和黄土层的出现则表明该区域受到夏季风增强的影响,气候暖湿、植被增多、土壤发育、沙丘被固定、绿洲面积扩大2496-98。本文新获取的腾格里沙漠6个剖面,沉积记录中风沙层与湖相层、次生黄土层或古土壤层的地层变化,指示了沙漠环境与局地绿洲环境的转变。基于新获得的可靠年代结果,本文重建各个点位不同时期的局地地貌格局,讨论其与气候环境变化之间的联系,可为理解腾格里沙漠环境变化提供新证据(图3)。

其中,位于腾格里沙漠东部的N01B剖面时间跨度最长,反映了过去15 ka以来该点位的地貌格局和环境变化历史。下部风沙层的年龄集中在末次冰消期(15~12 ka),指示这一时期沙丘活跃,响应于冰消期的干冷气候。这一现象与前人的研究结果有较好的对应。例如,Peng等18-19发现腾格里沙漠若干点位的沙丘在19~10 ka期间处于活跃状态。Qiang等15通过研究腾格里南缘中卫南山XS剖面,认为在20~11 ka腾格里沙漠风沙活跃,沙漠向东南方向扩展。范育新等22对多个风沙沉积剖面的测年结果也表明,16~12 ka以及10 ka前后,腾格里沙漠南部腹地发生风沙沉积。冯晗等14和Lu等24重建了末次盛冰期腾格里沙漠的空间变化,也认为在末次盛冰期和冰消期腾格里沙漠发生了显著的扩张。

12 ka以后,进入全新世,N01B剖面风沙层之上开始出现湖相沉积。与此同时,处于沙漠南部的NHN剖面和YWQ2剖面分别在风沙层之上发育次生黄土和古土壤层,年龄分别约为6 ka和8 ka,均为全新世中期。虽然3个剖面的沉积相存在差异,但是这些地层(湖相层、古土壤层和次生黄土层)均指示了在全新世中期气候相对暖湿的阶段,局地环境得到了显著改善2496-98。在全新世期间,季风增强、降水增多,局地的湖泊或植被斑块发生扩张、沙丘流动性减弱,腾格里沙漠从冰期的沙漠环境转变为局地的绿洲环境。这一现象与黄土高原末次冰期-全新世过渡阶段的气候转型相一致99,也与末次盛冰期至全新世期间中国北方沙漠面积变化过程一致24。同样,Peng等18-19认为在10~6 ka腾格里沙漠处于相对固定的阶段。在湖泊沉积记录方面,腾格里沙漠腹地的白碱湖湖面水位在11~10 ka期间处于上涨阶段,并在大约8~5 ka期间水位较高。多气候代用指标重建结果表明,腾格里沙漠在8.29~6.38 ka气候湿润100。Yang等101同样认为中国北方干旱区的气候条件在10 ka(特别是8 ka)前后开始变得湿润,从而导致腾格里沙漠石羊河流域的湖泊开始形成并扩大102。类似地,包括腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠和乌兰布和沙漠在内的阿拉善地区34组钙质根管年代分布统计结果显示, 62%的钙质根管形成于全新世中期(8.0~5.0 cal ka),与该地区其他代用指标所揭示的相对湿润气候特点相一致103。有效湿度和植被盖度的增加,可能是导致全新世中期沙丘固定、绿洲扩张的主要因素36-37

近1 ka以来,YWQ1剖面和XJZ剖面分别在1.0~0.8 ka以及0.15 ka期间发育湖相层,可能指示在这些阶段,受到气候或其他因素的影响,局地沙丘面积减少、绿洲和湖泊扩张。曹志宏104基于腾格里沙漠东南部昂格尔图湖岩芯记录,并结合历史文献分析,认为988—1383年,昂格尔图湖发育小型湖泊。这与YWQ1剖面反映的环境变化在时间上较为吻合。而XJZ剖面湖相地层所指示的气候暖湿期可能对应于历史上腾格里沙漠部分点位最近的一次沙丘固定期105。历史地理研究表明,腾格里沙漠边缘区在清朝后期相对湿度较高106,这可能是局地沙丘固定的一个重要因素,但是需要更多工作来验证。

因此,本研究6个剖面中,从风成沙层到湖相层、古土壤层或黄土层的沉积相转变,代表了局地尺度上沙漠环境与绿洲环境的转变,响应于末次冰期至全新世的区域气候转型。具体表现为:在末次盛冰期及冰消期,腾格里沙漠大部分地区沙丘活跃、植被和土壤退化、湖泊和绿洲面积相对缩小;全新世以来,季风增强、气候暖湿,腾格里沙漠部分地区丘间洼地积水,形成局地湖泊,之后可能发育沼泽湿地,并形成土壤,代表了局地的绿洲环境。尽管如此,值得注意的是,局地地貌格局响应气候变化的主要形式表现为湖泊或植被斑块相对面积的变化,但是,各点位可能仍然为与现今类似的流动沙丘与湖泊/植被斑块共存的地表景观。例如,N01A剖面显示,在全新世期间(约10 ka)该点位仍然有沙丘活动。换句话说,虽然局地的环境改善是对全新世以来区域尺度气候变化的直接响应,但是在全新世期间,该点位仍然为沙漠环境和绿洲环境共存的地表景观,沙丘未被完全固定,而是丘间地湖泊面积有所扩大。N01A和N01B这两个点位的现代地表景观表现为局地植被斑块与流沙共存的特征(图1B),也印证了这一点。同样的,XJZ剖面的湖相层年龄约为0.15 ka,YWQ1剖面的湖相层年龄为1~0.8 ka,两个剖面底部地层也是风沙层。这种地层转变同样反映了近1 ka以来,局地尺度上沙漠环境与绿洲环境的转变。当然,除了气候变化外,其他扰动(如人为干预、火灾、动物扰动等)也可能造成局地环境的快速变化632

综上,本文新获得的地层和年代结果支持腾格里沙漠在末次盛冰期及冰消期,沙丘活跃、植被和土壤退化、湖泊和绿洲面积相对缩小;而在全新世以来,沙丘流动性减弱、植被增多、土壤发育、湖泊和绿洲面积相对扩大。在冰期-间冰期尺度上,各个点位的地貌格局(如沙丘流动性、湖泊或绿洲的相对面积等)的变化基本上与大尺度的气候环境格局相一致,响应于全球温度变化驱动的东亚季风气候变化632。需要强调的是,本研究结果同样表明,不同点位重建的腾格里沙漠局地地貌格局变化具有强烈的异质性(分别表现为沙丘固定与活化、湖泊扩张与收缩、绿洲面积变化或黄土堆积变化等),并且即使在全新世的暖湿期,部分点位仍为沙漠环境和绿洲环境共存的地表景观。这启示在未来的干旱区沙漠环境研究中,需要辨析局域环境和区域环境因素的关系,关注各个点位具体的地貌过程,特别是针对年轻样品进行精细的年代学研究和对比,才能获得可靠的重建结果。

5 结论

腾格里沙漠钾长石pIRIR150释光信号在30 h晒退后的残余剂量可以忽略不计,并且在60 Gy的剂量范围内(相当于约20 ka),可以获得较好的剂量恢复比率。这表明钾长石pIRIR150适用于腾格里沙漠年轻样品的年代测定。对于几千年和万年的样品而言,钾长石pIRIR150未校正年代与石英SAR-OSL年代具有较好的一致性;对于几百年的年轻样品而言,石英样品光释光信号较弱可能导致测年结果误差较大,而钾长石pIRIR150的释光信号非常强,具有较大的测试优势。

腾格里沙漠不同点位样品的pIRIR150信号异常衰退系数(g-值)存在较大差异,经g-值校正后的钾长石pIRIR150年代总体上出现高估,而未校正的年代与石英SAR-OSL年代结果较为吻合,表明腾格里沙漠沉积物样品的g-值校正存在一定的不确定性。

腾格里沙漠不同点位重建的局地地貌格局变化具有强烈的异质性,但是在冰期-间冰期尺度上与大范围的气候环境格局变化基本一致,主要表现为在末次盛冰期及冰消期,沙丘活跃、植被退化、湖泊和绿洲面积相对缩小;而在早-中全新世,沙丘流动性减弱、植被增多、湖泊和绿洲面积相对扩大。在冰期-间冰期尺度上,沙漠环境与绿洲环境的转换与东亚季风气候变化有关,而近千年以来部分点位可能存在多期沙丘固定过程,仍需要更多工作来验证。

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