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中国沙漠, 2024, 44(6): 26-36 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00042

黄河流域现代沉积物的石英光释光残余剂量特征

刘霞,1,2, 刘剑刚1, 安萍2, 安琪3, 王昌盛2, 吕荫1,2, 徐德华2,4, 于禄鹏,2

1.辽宁师范大学 地理科学学院 光释光实验室,辽宁 大连 116029

2.临沂大学 资源环境学院 释光年代学实验室,山东 临沂 276000

3.青海省水文地质工程地质环境地质调查院,青海 西宁 810000

4.太原师范学院 地理科学学院,山西 晋中 030619

Residual dose of quartz Optically Stimulated Luminescence signals in modern sediments of the Yellow River Basin

Liu Xia,1,2, Liu Jiangang1, An Ping2, An Qi3, Wang Changsheng2, Lv Yin1,2, Xu Dehua2,4, Yu Lupeng,2

1.Luminescence Research Laboratory,School of Geography,Liaoning Normal University,Dalian 116029,Liaoning,China

2.Luminescence Research Laboratory,College of Resources and Environment,Linyi University,Linyi 276000,Shandong,China

3.Qinghai Institute of Hydrogeology,Engineering Geology and Environmental Geology,Xining 810000,China

4.School of Geography Science,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619,Shanxi,China

通讯作者: 于禄鹏(E-mail: yulupeng319@126.com

收稿日期: 2024-02-06   修回日期: 2024-03-13  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  41761144073.  42371020
山东省高等学校“青创人才引育计划”建设团队项目.  鲁教科函2021-51

Received: 2024-02-06   Revised: 2024-03-13  

作者简介 About authors

刘霞(1999—),女,江西赣州人,硕士研究生,主要从事古洪水与释光年代学研究E-mail:lxmjzjy@163.com , E-mail:lxmjzjy@163.com

摘要

现代河流沉积物的光释光残余剂量对于准确测定其光释光年代以及认识河流地貌演化及侵蚀-沉积过程具有重要意义。黄河泥沙来源广、沉积过程复杂,为系统了解黄河全流域现代沉积物释光残余剂量的基本特征,对黄河流域多个河段、多种粒径的现代沉积物进行了石英光释光等效剂量测试。结果表明:不同粒径石英的残余剂量存在明显差异。粗颗粒石英整体晒退较好(平均5.0 Gy),细颗粒石英的晒退最差(平均14.6 Gy),最大残余剂量可达52.8 Gy(约相当于20 ka)。不同粒径石英的晒退情况存在区域差异,黄河源区和潼关-花园口段的粗颗粒石英(1.5~6.9 Gy)比中颗粒(2.6~23.9 Gy)残余剂量小;而兰州-晋陕峡谷段(0.4~1.0 Gy)和济南-黄河口段(~1.2 Gy)的中颗粒石英残余剂量则最小。黄河下游河段不同粒径的残余剂量呈现随搬运距离增加而减少的趋势。这些结果表明黄河流域现代沉积物的残余剂量可能受物源供应、搬运方式和搬运距离的控制,其复杂的机制反映了针对具体河段和测试粒径进行残余剂量分析的必要性。

关键词: 现代沉积物 ; 残余剂量 ; 石英 ; 释光测年 ; 黄河

Abstract

The Optically Stimulated Luminescence (OSL) dating of modern fluvial sediments is important for building of accurate luminescence chronology and understanding fluvial geomorphological evolution and erosion-deposition processes. The complex sediment sources and deposition processes of the Yellow River highlight the systematic understanding of the modern OSL residual doses throughout the entire river basin. Here,equivalent doses of modern quartz of different grain sizes and from different reaches of the Yellow River were measured. The results showed distinct residual doses among different grain sizes of quartz. Coarse-grained quartz exhibited most sufficient bleaching (average 5.0 Gy), while fine-grained quartz showed the poorest bleaching (average 14.6 Gy), with a maximum residual dose of 52.8 Gy (approximately equivalent to 20 ka). Moreover, regional variations were observed in the bleaching levels of quartz of different grain sizes. In the source region of the Yellow River and Tongguan-Huayuankou reaches, the residual doses of coarse-grained quartz (1.5-6.9 Gy) were smaller than that of medium-grained quartz (2.6-23.9 Gy). However, the residual doses of medium-grained quartz in reaches between the Lanzhou to Jin-Shaan Gorge reach (0.4-1.0 Gy) and Jinan to Yellow River Estuary (about 1.2 Gy) were smaller. Furthermore, the residual doses of different grain sizes tended to decrease with increasing transport distance in the lower reaches of the Yellow River. These results indicate that the residual doses of modern sediments in the Yellow River Basin may be controlled by factors such as sediment source, transport mode, and transport distance. Such complex mechanisms highlight the necessity of residual dose analyses for specific river reaches and grain-size fractions.

Keywords: modern sediments ; residual doses ; quartz ; OSL dating ; Yellow River

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本文引用格式

刘霞, 刘剑刚, 安萍, 安琪, 王昌盛, 吕荫, 徐德华, 于禄鹏. 黄河流域现代沉积物的石英光释光残余剂量特征. 中国沙漠[J], 2024, 44(6): 26-36 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00042

Liu Xia, Liu Jiangang, An Ping, An Qi, Wang Changsheng, Lv Yin, Xu Dehua, Yu Lupeng. Residual dose of quartz Optically Stimulated Luminescence signals in modern sediments of the Yellow River Basin. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(6): 26-36 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00042

0 引言

河流沉积不仅是流水地貌发育、演变的直接证据,还是响应气候环境变化和人类文明演化的重要载体,对其精准定年是重建和细化地貌过程的关键环节。光释光(Optically Stimulated Luminescence, OSL)测年法以其良好的精度、准度及便利的取材,广泛应用于第四纪沉积的年代学研究1-2,其准确测年的前提是矿物的释光信号在埋藏前被完全清零3-4。然而,河流沉积物来源和搬运过程的复杂性可能造成信号晒退的不完全和不均匀,致使残余剂量偏大5,尤其对于较年轻的沉积物,高残余剂量的影响更为明显。因此,对河流现代沉积物残余剂量的准确评估及其规律和机制的认识是重要的科学问题。目前,钾长石和石英是释光测年的主要矿物,石英OSL信号相对于长石更易晒退的特点36使其更常用于河流沉积物年代的测定。目前,针对小流域或大流域部分河段河流沉积物的残余OSL等效剂量(Equivalent dose,De )的研究已有较多开展,并认为残余De 受粒径7-12、搬运距离13-14、物源815-16、搬运时间17-19等因素影响,且程度不同。

黄河发源于青藏高原,流经河套盆地、内蒙古高原、黄土高原、华北平原等重要地形区,沿岸发育了丰富的河流相、洪水相、湖相等多种沉积物20-22,为探究流域地貌学、沉积物输运、沉积物产生以及构造/气候对源-汇沉积系统的控制等基本问题提供了重要记录。释光年代学为解决黄河流域地貌和环境演化等重要问题提供了测年方案;同时,黄河广阔的流域和复杂的沉积过程也为释光年代学研究提供了极佳的素材。为了增加OSL测年的准确性,黄河沉积的残留De 已受到重视,但现有研究已经初步揭示了该问题的复杂性14。Hu等5对黄河中游晋陕峡谷河段5个现代河漫滩沉积物进行石英光释光年代研究,发现细颗粒De (3.1~14.6 Gy)明显高于粗颗粒(1.6~6.4 Gy),李兆宁等23在此河段测得的河流悬移质细颗粒石英的De 值为0.6~1.6 Gy。Zhang等15报道了黄河中游阶地上高含沙水流沉积物细颗粒年代(82~94 ka)存在明显残余,远高于粗颗粒(30~33 ka)。Li等14测定的黄河内蒙古段14个现代河流沉积物样品的中颗粒石英OSL残余剂量仅为0.2~1.0 Gy,小于粗颗粒(0.4~3.7 Gy)。这些结果表明,不同河段、不同粒径的残留De 可能存在较大差异,其规律尚不明确。此外,这些研究主要基于不同河段,采用不同的研究方法和标准,间接影响了结果间的可比性。因此,目前黄河流域系统的OSL残留De 研究尚未开展,未能在系统考虑全流域水文、物源、地貌等基础上明确黄河在不同河段、不同粒径的OSL残余De,分析黄河现代河流沉积物的残余剂量特征以及影响流域残余剂量变化特征的驱动机制。

对大型河流全流域的残余剂量特征研究有助于对河流沉积物释光信号晒退规律、物源供应、沉积物侵蚀-搬运-沉积过程等问题的深入认识。基于以上问题,本文在整个黄河流域内尽可能多地选取代表性干、支流(渭河)河段,采用相同的采样、测试和分析标准对现代河流相沉积物中石英OSL的残余De 进行系统研究,以掌握其基本特征和差异,探讨其控制因素,同时为获得更准确的释光年代学结果研究提供参考。

1 区域概况与样品采集

1.1 区域概况

黄河全长5 464 km,发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地,自西向东跨越三级阶梯,流经多个地貌单元后于山东省垦利县汇入渤海,年径流量约为5.8×1010 m3,流域面积达7.5×105 km2(32°—42°N、96°—119°E)24,是中国的第二长河、世界第六长河(图1)。以内蒙古河口镇、河南桃花峪为界,黄河干流可分为上、中、下游三段,龙羊峡以上属于黄河源区。黄河上游在青藏高原及其东北缘主要流经扎陵湖-鄂陵湖、若尔盖、贵南、共和、贵德、循化、兰州、中卫等山间盆地和龙羊峡、李家峡、积石峡、刘家峡等深切峡谷,之后进入平缓的河套盆地并经过乌兰布和、库布齐等沙漠边缘。中游主要分为晋陕峡谷段、汾渭平原段和三门峡至桃花峪河段。其中,晋陕峡谷段落差大,入黄支流众多,每年平均向干流输送泥沙量为9×108 t,占黄河年总输沙量的一半以上25;汾渭平原段属游荡型河道,冲淤变化剧烈。下游河段落差仅为89.1 m,平均比降为0.116‰24,该段泥沙显著淤积形成了地上河床。流域气候以青藏高原亚寒带半干旱半湿润气候和暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候主导,降水集中于6—9月,流域多年平均降水量为472 mm,其中上、中、下游地区的平均年降水量分别为384.4、500.2、588.4 mm26

图1

图1   黄河流域地貌及采样点分布(DEM数据下载于地理空间数据云平台http://www.gscloud.cn,数据类型为SRTMDEM原始高程数据,分辨率为90 m)

注:基于自然资源部标准地图服务网站标准地图(审图号:GS(2023)2767号)制作,底图边界无修改

Fig.1   Geomorphology and distribution of sampling sites in the Yellow River Basin (DEM data is downloaded from the Geospatial Data Cloud (http://www.gscloud.cn), and the data type is SRTMDEM with a resolution of 90 m)


1.2 采样情况

采用钢管或避光袋取样方式,共采集16个OSL样品(表1)。上游段8个样品采自扎陵湖乡(ZLHX-0)、玛曲(MQ-0)、军功(JG-0)、兴海(XH-0)、兰州(LZ-0)、乌海(WH1-0,WH1-2)、包头(BT-0)。中游段4个样品采自准格尔(SSG-YR-0)、风陵渡(TGS-0,TGX-0),以及渭南(WN-0)。下游段4个样品采自花园口(HYK-0)、济南(JNH1-0,JNH2-0)和黄河口(HB-10-0)。样品MQ-0、JG-0、XH-0、LZ-0、BT-0、JNH1-0和JNH2-0采自河道弯曲处,样品WH1-0、WH1-2、SSG-YR-0、HYK-0、WN-0取采自河道平直处。为探讨支流汇入对现代黄河沉积物残余剂量的影响,ZLHX-0、TGS-0、TGX-0采自支流(或冲沟)与干流的交汇处,WN-0取自渭河边滩。采样深度通常为地表5 cm以内。

表1   采样信息

Table 1  Information of the sampling sites

样品编号采样点位置海拔/m采样深度/cm采样环境河段平均粒径/μm沉积组分类型
ZLHX-0扎陵湖乡35.11°N、97.78°E4 2785河漫滩上游501粗砂、砾石
MQ-0玛曲34.00°N、102.07°E3 4795河漫滩上游粗砂
JG-0军功34.69°N、100.65°E3 0795河漫滩上游103极细砂、细砂
XH-0兴海35.55°N、100.16°E2 6955河漫滩上游320中砂
LZ-0兰州36.08°N、103.78°E1 5195河漫滩上游340中砂
WH1-0乌海39.68°N、106.79°E1 0665心滩上游336中砂、粗砂、砾石
WH1-2乌海39.68°N、106.79°E1 0685一级阶地上游67粗粉砂、极细砂
BT-0包头40.51°N、110.02°E1 0035河漫滩上游61粗粉砂、极细砂
SSG-YR-0准格尔40.00°N、111.42°E9845河漫滩中游95极细砂、细砂
WN-0渭南34.55°N、109.46°E3495边滩渭河34粉砂
TGS-0风陵渡34.62°N、110.30°E3375河漫滩中游39粉砂
TGX-0风陵渡34.62°N、110.30°E33750河漫滩中游38粉砂
HYK-0花园口34.92°N、113.64°E935河漫滩下游29粉砂
JNH1-0济南36.57°N、116.67°E365河漫滩下游71粗粉砂、极细砂
JNH2-0济南36.58°N、116.67°E335河漫滩下游22粉砂
HB-10-0黄河口37.69°N、118.84°E15潮滩下游42粉砂

注:因样品MQ-0全样已用完,未能进行粒度分析。

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2 方法

2.1 粒度分析

本研究对采集的15个黄河现代沉积物进行了粒度测试与分析,样品前处理及测试在临沂大学释光年代学实验室完成,测试仪器为Bettersize 2600激光粒度仪(测量范围为0.02~2 600 μm,重复测量误差≤0.5%)。样品的前处理和粒度分级分别参考刘增琦等27和乌登-温特沃斯粒度分级标准28。样品的粒度频率分布曲线如图2所示。

图2

图2   黄河流域现代沉积物粒度频率分布曲线

Fig.2   Grain size frequency distribution curves of modern sediments in the Yellow River Basin


2.2 光释光测年

2.2.1 光释光样品处理与制备

所有样品的前处理和等效剂量测试在临沂大学释光年代学实验室和辽宁师范大学光释光实验室完成。本研究对粗颗粒(90~125 µm极细砂或63~90 µm极细砂)、中颗粒(38~63 µm粗粉砂)、细颗粒(4~11 µm极细粉砂-细粉砂)均进行了测试。提取中、粗颗粒石英时,将样品先后与10% HCl、30% H2O2充分反应以去除碳酸盐和有机质;湿筛分选出所需的90~125、63~90、38~63 µm的混合矿物;用多钨酸钠重液(2.62~2.70 g∙mL-1)提取石英矿物;之后,用40%的氢氟酸溶液将90~125、63~90 µm的石英刻蚀约40 min以溶蚀受α射线影响的石英颗粒表层以及残留的长石,38~63 µm的石英则用35%的氟硅酸浸泡5 d以溶蚀残留长石;之后,再用10% HCl去除氟化物沉淀;最后,对提纯样品做磁选处理并再次过筛7。提取细颗粒(4~11 µm)石英时,采用静水沉降法获取混合矿物29并由氟硅酸溶蚀3天,再经10% HCl去除氟化物。本研究主要目的是掌握黄河流域石英释光信号残留剂量的总体情况,因此采用大测片(中颗粒、粗颗粒为5 mm,细颗粒为9.7 mm)进行测试。

2.2.2 等效剂量测试

等效剂量测试采用配有β辐射源(90Sr/90Y)的Risø TL/OSL-DA-20全自动释光仪进行。石英的测试采用波长为470±40 nm的蓝光作为激发光源,使用厚7.5 mm的Hoya U-340滤光片(检测窗口275~390 nm)来检测石英信号。由于测试区域广泛,未进行逐一的预热坪实验,而采用青藏高原和中国北方地区常用的260 ℃作为预热温度30。采用在单片再生剂量法31-32和标准生长曲线法33的基础上改进的程序(表2)进行测试7。该方法的优势在于对所有测片进行自然信号测试后先进行红外和热转移检验,再对合格的测片进行正式测试或计算,以提高De 的可靠性和测试效率。

表2   改进的石英SAR法测试流程7

Table 2  The IRSL and Recuperation Checked SAR/SGCIRC-SAR/SGCprocedure of quartz7

步骤实验过程、条件备注
1自然信号或再生剂量Di (i=0, 1, 2, 3…)
2预热(260 ℃, 10 s)
3蓝光激发(125 ℃, 40 s)Li
4辐照实验剂量Dt (100 s)
5预热(220 ℃, 10 s)
6蓝光激发(125 ℃, 40 s)Ti
(步骤7~10用于IRSL检测)
7辐照实验剂量Dt' (100 s)
8预热(220 ℃, 10 s)
9红外激发(50 ℃, 40 s)TIRSL'
10蓝光激发(125 ℃, 40 s)TpIR-OSL'
11红外检测通过则重复步骤1~6

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研究区跨度较大,样品性质差异大,对于大部分以快组分为主的样品(如ZLHX-0的石英OSL信号在1~2 s内衰减到背景值)按常规方法选择1~4通道作为信号积分区间,200~250通道作为背景值区间来计算De 值(图3A);大部分受慢组分影响的测片在筛选过程中被淘汰;对于个别样品量不充足并且受慢组分影响不严重的测片予以保留(图3B)。采用早期背景信号扣除法(1~4通道为信号积分区间,5~25通道为背景值)34-36计算De 值。即便使用较大的测片,样品的De 值大多较为分散(图3C),说明现代河流沉积物晒退不均匀。为了解流域残余剂量的总体变化情况和提供小组分的残余剂量参考,本研究使用平均剂量模型37、最小年龄模型(MAM)38或有限混合模型(FMM)39计算不同粗粒径石英的De 值;对于颗粒数众多的中颗粒和细颗粒,使用MAM和FMM的意义不大,仅使用平均模型计算。

图3

图3   粗颗粒石英(A为快组分为主的样品,B为受慢组分影响的样品)OSL的衰减曲线、标准生长曲线(黑色实线)和De 分布图(C,中浅色条和深色条分别代表FMM和平均剂量模型的结果)

Fig.3   Decay curves, growth curves (dots) and SGC (black lines) of coarse-grained quartz samples (ZLHX-0 and LZ-0) (A is the sample signals mainly from the fast components; B is the sample affected by the slow components), and De distribution of LZ-0 dated with coarse-grained quartz (C, medium and dark gray bars present the results of FMM and the average dose model, respectively)


3 结果

部分样品(ZLHX-0、MQ-0、XH-0、LZ-0)因未提取出足够的细颗粒样品而未能进行测试;个别样品(TGS-0、TGX-0、JNH2-0)因粗颗粒样品量不足,不足以支持MAM或FMM计算。从平均模型结果来看,全流域现代石英样品均有明显的OSL信号残留。其中,残留最为严重的是TGS-0、TGX-0、WN-0样品,具体表现为不同粒径的De 均较高(表3),总体晒退较差,最大残留De 为69±7.2 Gy,约相当于25 ka。晒退最好的样品位于黄河口(HB-10-0),各粒径残留De 均为1~2 Gy。此外,粗颗粒石英的De 总体稳定,波动较小,为1.2~16.0 Gy(除TGS-0外),其次是中颗粒石英,De 为0.4~30.8 Gy;细颗粒石英的De 波动最大,De 为1.6~52.8 Gy(表3)。

表3   不同粒径石英OSL信号 De

Table 3  De values of different grain sizes quartz of luminescence signals

样品名石英OSL信号De 值 /Gy
粗颗粒中颗粒细颗粒
平均剂量模型MAM(σb=0.1)/FMM平均剂量模型平均剂量 模型
ZLHX-06.9±0.94.3±0.623.9±2.9
MQ-01.5±0.30.8±0.22.6±0.4
JG-06.7±1.15.4±0.3ª7.7±1.49.3±0.5
XH-03.7±0.63.5±0.3ª3.5±2.2
LZ-06.5±0.84.6±0.2ª5.1±1.5
WH1-01.2±0.30.5±0.11.0±0.231.7±3.2
WH1-23.1±0.71.3±0.21.0±0.14.2±0.1
BT-03.9±0.91.3±0.20.4±0.03.1±0.5
SSG-YR-05.1±0.72.0±0.40.7±0.130.2±3.8
WN-016.0±2.45.3±1.030.8±5.552.8±0.4
TGS-069.0±7.219.5±2.519.7±0.1
TGX-06.5±2.817.8±2.17.2±0.0
HYK-04.1±2.5*0.7±0.1*15.0±2.1610.8±1.5
JNH1-05.9±1.81.7±0.31.2±0.23.6±0.0
JNH2-02.6±0.5*1.2±0.11.6±0.0
HB-10-01.7±0.3*0.4±0.1*1.2±0.21.8±0.1

注:*表示使用63~90 μm粒径测试,其余使用90~125 μm;a代表采用FMM计算结果,其余为MAM计算结果。

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4 讨论

4.1 黄河现代沉积物的石英残余剂量规律

不同粒径的石英残余剂量在黄河流域存在明显差异(图4)。在全流域范围内,粗颗粒石英的OSL信号De 值相对稳定,为1.2~6.9 Gy(TGS-0除外)。相比之下,中、细颗粒石英在流域内的De 值波动较大,表明其晒退不均匀,尤其是细颗粒,晒退情况最差。此前在黄河中游晋陕峡谷河段的研究表明粗颗粒石英(180~250 μm)晒退较细颗粒好,残留De 的算术平均值为1.6~6.4 Gy,年龄为0.6~2.6 ka,个别样品细颗粒De (约15 Gy)远高于粗颗粒5,与本文发现的细颗粒晒退较差的结果一致。但也有研究表明细颗粒作为河流沉积物OSL测年材料展现出良好的晒退情况,如德国易北河现代洪水沉积物的细颗粒和粗颗粒石英的残余De 值均较低,为0.5~2.3 Gy40,这说明与其他现代河流沉积物相比,黄河现代河流沉积物中的细颗粒石英的残余剂量较大(1.6~31.7 Gy)。

图4

图4   不同粒径石英释光信号De 值变化趋势(WN-0的距离不代表实际距离,仅供呈现De 使用)

Fig.4   Variation trend of De values for different grain sizes in quartz luminescence signals (The distance of WN-0 on the figure does not represent its actual distance and is only used for rendering De


黄河不同河段现代沉积物中的石英残余剂量存在显著差异,晒退不均匀(图4)。在黄河源区,粗颗粒石英残余剂量为1.5~6.9 Gy,比中颗粒小,粗颗粒的晒退相对更好。在兰州至晋陕峡谷段,中颗粒石英在沉积前晒退相对较好,其残留De 值为0.4~1.0 Gy(除了兰州的5.1 Gy),远低于粗颗粒(1.2~6.5 Gy),该现象在黄河内蒙古段也同样存在14。在潼关至花园口段,中颗粒石英晒退较差,平均残余剂量为17.4 Gy。而在济南至黄河口段,中颗粒的残余剂量仅~1.2 Gy,比粗颗粒晒退更好。此外,细颗粒石英在黄河上、中游的残余剂量分别为3.1~31.7 Gy和7.2~30.2 Gy,远高于黄河下游残余剂量(1.6~10.8 Gy),表明细颗粒石英在黄河下游的晒退情况更好。

4.2 残余剂量的影响因素

4.2.1 残余剂量与物源、搬运方式

在黄河源区,粗颗粒石英比中颗粒显示出更好的晒退,但仍存在明显的剂量残余(1.5~6.9 Gy),这可能是由于在入河之前部分粗颗粒已经历充足的晒退,比如在源区侵蚀过程中、在河漫滩或季节性支流停留过程5151941。然而,ZLHX-0的中、粗颗粒石英残余剂量均较高(6.9 Gy),且中颗粒残余剂量远高于粗颗粒,这可能是由于采样点附近有冲沟汇入(图5A),带来了大量晒退较差、搬运距离较短的冲积物。冲沟或支流汇入对残留剂量的影响在黄河中游也有体现。在潼关-花园口段,中、细颗粒晒退相对较差,这可能是由于黄河流经黄土高原时侵蚀作用强40,渭河、汾河、无定河等支流汇入了大量由近源黄土1542-43和来自秦岭的冲积物组成的泥沙44-48。WN-0各粒径石英的残余剂量均较高(16 Gy),进一步验证了渭河等支流泥沙的汇入是该段黄河干流残余剂量较高的重要因素。

图5

图5   采样点扎陵湖乡、乌海、包头、准格尔周边环境概况(卫星影像来自Google Earth)

注:基于自然资源部标准地图服务网站标准地图(审图号:GS(2023)2767号)制作,底图边界无修改

Fig.5   Overview of the surrounding environment of Gyaring Lake Township, Wuhai, Baotou, Jungar Banner (The satellite image are obtained from Google Earth)


在兰州-晋陕峡谷河段,中颗粒(38~63 μm)的残余剂量小于粗颗粒(90~125 μm)。这可能是由于黄河内蒙古河段大多数80 μm的沉积物是通过悬浮搬运从上游及其支流进入的,这使得沉积物已积累的OSL信号有较长的时间在阳光下晒退4149;但细颗粒可能由于其部分物源较老、搬运较快1519,且形成团块的可能性较大,阻碍了内部颗粒的晒退5171950,从而导致细颗粒在黄河各河段残余剂量均较高。而80 μm的沉积物大多可能是在水流底部以跃移或蠕移形式搬运,水的高浊度限制了光线的穿透50-51,这种情况下粗颗粒的残余剂量可能会较大,但研究结果并非如此,尤其是WH1-0,其残余剂量仅为1.2 Gy,说明宁夏-内蒙古河段现代沉积物的晒退除了受搬运方式的影响外,还可能受物源的控制。该河段粗颗粒(90~125 μm)有两种潜在物源,一种是风沙活动活跃区域吹入的风成沙,另一种是支流汇流和砂质河岸侵蚀带入的沉积物。在乌海-磴口河段几乎没有大的支流汇入,而乌兰布和沙漠(图5B)每年向黄河输入的泥沙量为0.19亿~0.29亿 t52-54,是该河段粗颗粒的主要物源,这可能是乌海粗颗粒(样品WH1-0、WH1-2)晒退相对较好的原因。而在磴口-晋陕峡谷(河套盆地)河段,粗颗粒的残余剂量显著增加,原因可能是该河段粗颗粒的物源除了来自库布齐沙漠的现代风沙外(经十大孔兑年均入黄风沙量为0.24亿 t4953-55),黄河干流及十大孔兑等支流的洪水过程还会对古风沙沉积、古湖湘沉积22以及砒砂岩等较老地层(图5C)进行侵蚀,为黄河提供了一部分晒退不充分、残留剂量较高的粗颗粒(90~125 μm,细砂-极细砂)沉积物56,造成样品(BT-0和SSG-YR-0)残余剂量(3.9~5.1 Gy)增加。

4.2.2 残余剂量与搬运距离

在黄河下游河段,沉积物各粒径石英的残余剂量呈现随搬运距离增加而减小的趋势(图4)。由于黄河下游主要为地上河,支流输入的新物质极少,颗粒的晒退时间随着搬运距离的增加逐渐增长,残余剂量越来越小。Gray等57通过建立模型进一步解释了残余剂量随距离增加而衰减的现象,并指出河流沉积物的释光信号在上游应呈现指数式衰减,并随着下游距离的增加逐步达到一个恒定值。对黄河干流悬移质的残余剂量的归一化拟合也发现黄河下游样品的晒退情况随着搬运距离的增加而变好23。McGuir等58对莫哈韦河河流相沉积的长石矿物测试也表明,De 随下游方向距离的增加呈指数递减20。此外,黄河下游河流沉积物的OSL信号晒退除了受搬运体系的影响,还受搬运体系与沉积体系的物质交换过程控制2357,这种物质交换过程是指搬运过程中晒退好的部分颗粒在重力作用下沉降,同时,位于河漫滩和底部河床中高残余剂量的部分颗粒被侵蚀而重新加入搬运过程中57。济南-黄河口河段释光残余剂量的粒径差异减小,尤其是黄河口不同粒径间的残余剂量均较低且趋于一致,这可能是由于沉积物的搬运达到一定距离后,物质交换和搬运过程中的晒退形成了平衡状态57

4.3 对河流沉积物测年的启示

综合分析黄河干流及其支流渭河所有样品数据后发现,不同粒径的石英表现出不同程度的剂量残余,前人也有类似的研究报道514。研究发现细颗粒石英在不同河段均比中、粗颗粒石英OSL信号的De 值大,这可能表明细颗粒石英矿物的晒退难度较大,中、粗颗粒石英可能更容易给出更加可靠的黄河沉积物年代结果。

在黄河源区和潼关至花园口河段,中、粗颗粒的残余剂量均大于1.5 Gy,峰值达69.0 Gy。因此,测定该区域古洪水沉积物或河流相沉积物的OSL年代时,建议考虑现代河流沉积物和河水悬移质的残余剂量23,并考虑是否需要进行校正。在兰州至晋陕峡谷河段和济南至黄河口河段,中、粗颗粒的残余剂量为0.4~6.5 Gy,均7 Gy。故对于某些较老样品根据研究的测年精度需求,可能不需要考虑残余剂量;但对于较年轻的样品,残留剂量可能会造成结果的明显高估,从而影响年代的可靠性。理论上,假设现代或近代沉积的样品和较老沉积物样品经历了相同的沉积条件,则可以利用现代沉积物来评估较老沉积物的晒退程度1459,但实际上这种类比很难得到充分的证据支持,并且即便沉积过程类似,也难以排除物源的差异。比如采自同一位置、粒径基本一致的TGS-0和TGX-0细颗粒(7.2~19.7 Gy)、粗颗粒残余剂量(6.5~69.0 Gy)均较大,说明即便同一地区的样品也可能存在差异(可能由不同的洪水事件形成)。针对河流沉积物部分晒退的问题,本研究利用MAM、FMM计算的兰州-晋陕峡谷段(0.5~2 Gy)和济南-黄河口段(0.4~1.7 Gy)粗颗粒的残余剂量均较低,但在黄河源区和潼关-花园口段除样品XH-0、HYK-0残余剂量较低(0.7~1.6 Gy)外,大部分样品仍存在较高残余剂量(3.5 Gy),说明未能达到排除残留剂量影响的效果。这可能与样品本身晒退较差有关,也应该与本研究所用的测片过大有关。因此,为了尽可能提取晒退较好的组分(图3),建议考虑采用粗颗粒、小测片或单颗粒、MAM/FMM相结合的方法791959

此外,为减少采样对残余剂量的影响,李兆宁等23提出应尽可能选择河道平直、水动力条件稳定的河段,并尽可能远离支流的汇入点且规避高阶地近源晒退较差物质的干扰。本研究通过对比不同地貌部位的残余剂量发现支流或冲沟汇入处残余剂量较高,河道平直采样点的残余剂量总体低于河道弯曲处;但位于河道弯曲处的济南、包头采样点残余剂量较低(0.4~1.2 Gy)。这说明地貌部位是影响残余剂量的因素,但物源和搬运-沉积过程的控制可能更主要。在黄河中游晋陕峡谷的河水悬移质残余剂量低于同河段河漫滩沉积物的细颗粒石英523,以及风陵渡同一区域残留剂量的巨大差异再次凸显了沉积过程和物源的影响。因此,河流沉积物的释光测年应重视河流沉积物的物源、沉积过程、采样位置、采样季节等多种因素,并结合现代沉积物残余剂量的综合分析,以提高年代的可靠性。

5 结论

黄河全流域、不同粒径均存在石英OSL信号晒退不完全的现象。细颗粒石英的残余剂量在黄河全流域均高于中、粗颗粒,达1.6~52.8 Gy,表明细颗粒的晒退情况最差,因此黄河流域河流沉积物的释光测年应优先选择中、粗颗粒。

黄河不同河段石英的残余剂量存在明显差异,兰州-晋陕峡谷段(0.4~1.0 Gy)和济南-黄河口段(~1.2 Gy)中颗粒石英的残余剂量较小,黄河源区和潼关-花园口段粗颗粒石英残余剂量较中颗粒小,但都存在明显剂量残余,建议采用粗颗粒、小测片或单颗粒、MAM或FMM相结合的方法识别晒退较好的组分年龄。

黄河现代沉积物的OSL残余剂量在黄河上游、中游主要受物源和搬运方式控制,下游则主要受搬运距离影响,但实际上影响因素十分复杂,事件依赖性较强。因此,在进行黄河沉积物释光测年时应综合考虑多种影响因素,重视不完全晒退的影响,并根据实际需求考虑是否需要进行残留剂量校正。

文中主要讨论了黄河流域石英残余剂量的总体特征、残余剂量影响因素,但不同影响因素对河流沉积物的释光信号具体晒退机制受采样数量限制还有待深入研究。未来拟对黄河流域不同河段及其可能源区进行更系统的采样,分析不同粒级、不同矿物的释光信号变化规律,进一步理解河流沉积物的晒退与搬运机制,并挖掘OSL测年在物源示踪、指示沉积物搬运过程和识别河流侵蚀能力等方面的潜力。

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