黄土高原风尘堆积物源研究进展

黄土高原风尘堆积是开展古环境变化研究的重要沉积物,其源区的具体位置和变化程度对于揭示东亚大气环流演化具有关键意义,而且一直被学术界广泛关注,存在较大争议.前人通过地球化学(Sr-Nd-Pb同位素、元素地球化学、碎屑锆石U-Pb年龄)、矿物学(白云石、重矿物)、物理学(释光灵敏度、电子自旋共振信号和环境磁学)、气象观测与模拟、地貌学等方法对黄土高原风尘堆积及其潜在源区(北方荒漠和戈壁以及青藏高原东北部)开展了大量示踪研究.研究表明青藏高原东北部、阿拉善高原、塔里木盆地和蒙古戈壁可能是非常重要的源区.目前存在的问题:(1)源区的具体区位;(2)源区物质供给系统是否存在时空变化;(3)第四纪以来的黄土研究居多,而更老时间尺度上风尘堆积的物源研究较少.因此,今后开展更多粉尘物源示踪方法学的研究,并加强第四纪以前黄土高原风尘堆积的物源研究,是风尘堆积物源研究的重要内容.      

青藏高原东北部湟水流域新近纪风尘堆积源区分析

对青藏高原东北部湟水流域河流阶地上的中新世厚层风成堆积与黄土高原中部新近纪红黏土堆积的地球化学元素和磁性矿物特征进行了对比分析，结果表明，湟水流域中新世风尘堆积物与黄土高原风尘堆积物的源区存在差异。位于高原季风与东亚季风交汇区的湟水流域风尘堆积物可能有一部分来源于青藏高原中-西部干旱地区的风化细粒物质。因此，中中新世以来湟水流域风尘堆积物的存在可能表明了青藏高原中西部在那时已经较为干旱。     

黄土高原风尘沉积的物质来源研究:回顾与展望

黄土高原风尘沉积是青藏高原构造隆升和东亚季风系统共同影响下的产物。由于风尘物质的来源变化,不仅反映了亚洲内陆的干旱化过程,而且同过去大气环流格局变迁关系密切,因而,风尘物质来源的示踪一直是黄土研究的热点问题之一。文章首先回顾黄土来源的示踪方法、黄土物质的可能源区以及黄土物源在构造和轨道时间尺度上的变化特征3个方面取得的研究进展,然后探讨目前物源研究存在的问题及未来的研究展望。     

晚新生代黄土高原风尘堆积与粉尘源区干旱化问题

基于黄土高原风尘堆积的岩性和磁性地层研究 ,计算了晚新生代黄土高原风尘堆积速率变化 ,并与深海沉积记录的粉尘通量变化对比 ,初步探讨了海陆风尘沉积记录的晚新生代亚洲内陆粉尘源区的干旱化过程 ,揭示出自 4 5MaB P 以来粉尘源区干燥度的逐级增加 ,尤其是在 3 6 2 6MaB P 时段黄土高原风尘沉积速率和ODP885 / 886孔粉尘通量的显著增加 ,暗示可能由于青藏高原在此时段加速隆升所造成的亚洲内陆粉尘源区干燥度的急剧加强。     

赣北风沙-粉尘堆积体系元素地球化学变化特征及其对黄土物源示踪意义

粉尘的搬运与堆积过程,理论上是不同粒径的岩屑与矿屑颗粒被风力分选并依次沉降的过程,而元素在不同粒级的岩屑与矿屑的富集程度有所差异;因此,对岩屑与矿屑颗粒分选,在一定程度上是对地球化学元素的分选。因此,基于元素地球化学对黄土粉尘示踪研究中,单一节点或(和)剖面均不具有对粉尘源区的严格代表性,通过比较单一节点或剖面的元素地球化学而进行物源示踪的方法往往存在较大的不确定性。本文通过对中亚热带赣北鄱阳湖地区芙蓉-周溪一带的风沙-粉尘堆积体系常量和微量元素的多维度统计分析,发现地球化学元素及其元素对均存在系统性的分选与分异特点。稳定元素(如Al、Ti、Zr、Nb、Lu、Hf、Ta)及其元素对随距物源区的远近呈现线性、指数或对数等的单向变化特点,其变化幅度在沉积体系中可达31%~42%;在二维和三维散点图中其元素对的投影轨迹,是一个有方向的线状或者带状区域。这表明,风沙-粉尘堆积体系内元素地球化学从上风向到下风向是单调变化的,传统上基于元素地球化学的黄土粉尘物源示踪,通过判断投影区域的远近而进行示踪分析,在理论上有一定缺陷。初步建议,未来的元素地球化学示踪应避免单一剖面元素示踪的方法,而应根据粉尘堆积体系的分布情况系统采样,通过揭示粉尘堆积体系元素地球化学的系统特征来开展基于地球化学元素的黄土粉尘物源示踪研究。     

西宁黄土碎屑锆石年龄特征及其对黄土高原黄土物源的指示意义

物源研究是理解黄土高原风成沉积物中古环境记录的关键一环.众多证据表明,黄土高原西北部的阿拉善高原及其周边广袤干旱地区是黄土高原黄土的主要风尘源区.但是,基于锆石U-Pb同位素地质年代学的证据对此提出了质疑.黄土高原黄土与青藏高原北部物质中的锆石具有相似的年龄分布,预示黄土高原风尘主要以西风搬运的方式来自青藏高原北部,特别是柴达木盆地.本研究通过分析西宁黄土的锆石年龄特征验证此假说.西宁处于在从青藏高原北部到黄土高原的假想搬运路线上.西宁黄土主要来自青藏高原北部的干旱区.西宁黄土中锆石的主要年龄分布与黄土高原黄土相似,反映青藏高原北部确实为黄土高原黄土的主要物质来源.但是,与黄土高原黄土相比,西宁黄土缺少年龄在360Ma左右和年龄小于100Ma的锆石.这两组年龄的锆石可能来自其他地区,例如处于中亚造山带.由于阿拉善于旱区也通过河流搬运接收来自青藏高原北部的物质,锆石U-Pb年龄证据并不能排除阿拉善干旱区作为主要风尘物源的可能.相反,阿拉善干旱区还接受来自其北部中亚造山带和其本身华北克拉通的物质,来自阿拉善干旱区的风尘可能更好地解释黄土高原黄土中的锆石年龄特征.     

中国东部的第四纪风尘堆积与季风变迁

历史时期的雨土及近代尘暴的研究证实,风尘堆积与冬半年强冷气流活动有关。中国东部第四纪风尘堆积(黄土和下蜀土)分布的时、空变化及其粒度的不断增粗表明,第四纪以来冬季风强度是不断增加的。季风强度的变化主要与青藏高原越来越快的整体隆升有关。青藏高原上升产生了高原季风,并对西风气流和蒙古冷高压发生影响,即从三方面对季风起到增强作用。另一方面是中新生代以来地球气候变冷,使中、高纬地带的海陆分布和地形对大气环流有更大的影响。     

8Ma以来黄土高原风尘堆积的物源变化与上地壳演化的关系

第三纪的红粘土和第四纪黄土同为风成沉积,二者是否有相同的物质来源?长尺度风尘的加积与上地壳演化之间有怎样的联系?二者均是非常重要的科学问题.由于Sr, Nd同位素可以有效示踪沉积岩的物质来源,我们近年研究了8Ma以来黄土高原泾川剖面红粘土-黄土序列《20靘的细粒硅酸盐组分的Sr, Nd同位素变化.结果表明:1)黄土高原的黄土与北太平洋中部的硅酸盐组分的Nd同位素组成非常接近,二者应在一定程度上具有相似的物质来源,即来自蒙古国南部及中国境内的戈壁、沙漠地区,所不同的是前者由近地面风搬运,而后者为远距离输送的风尘;2)Sr同位素在8.00～2.58Ma期间呈现略为增加的趋势,应当与红粘土的来源物质经受了较长时间的化学风化有关,而Sr同位素自2.58Ma以来的显著降低趋势与第四纪时期黄土-古土壤的物质来源和第三纪红粘土不同有关,新构造运动使更多相对年轻的造山带褶皱成山,第四纪冰期来临使更多高海拔的年轻造山带遭受剥蚀而成为黄土的来源物质,这是导致黄土、红粘土物源不同的重要原因.     

新近纪以来中国黄土高原的风尘记录

通过对黄土高原中部两个典型的风尘堆积序列的岩性和磁性地层研究 ,认为中国黄土高原风尘堆积的开始发育年龄至少约为 7.2 Ma B.P.。以红粘土和黄土—古土壤交互出现的风尘沉积 ,不仅真实地记录了东亚季风气候的形成演化 ,而且可能包含了青藏高原的阶段性隆升、北半球冰盖形成演化及大冰期发生等构造气候事件的印记。反映粉尘源区的干燥度及携带粉尘的大气环流强度的风尘沉积速率自 7.2 Ma B.P.开始、尤其是 4.5 Ma B.P.以来逐渐增大 ,似乎暗示了自新近纪以来亚洲内陆粉尘源区干旱化的逐级发展和东亚冬季风环流强度的逐渐增加     

第四纪黄土物源的时空差异研究现状及展望

黄土物源研究对揭示第四纪以来东亚大气环流格局的演化和构造—气候之间的相互作用具有重要意义。目前已应用多种物源示踪方法对黄土物源开展了大量研究,但对黄土物源时空差异规律及其动力学机制尚未取得较为一致的认识。在综合分析黄土物源研究现状的基础上,重点从影响~(87)Sr/~(86)Sr值和~(143)Nd/~(144)Nd值组成及单颗粒碎屑锆石U-Pb年龄谱构成的因素角度,分析了第四纪黄土的物源及可能变化,获得以下认识:(1)第四纪黄土沉积物的~(87)Sr/~(86)Sr值变化幅度可达0.002 580～0.004 949,远远超出实验室分析测试误差(0.000 018)或由Sr同位素衰变带来的影响(2.6 Ma时段小于0.000 026,1个冰期旋回小于0.000 001);~(143)Nd/~(144)Nd值亦发生了较显著变化(0.000 095～0.000 240),其变化幅度远大于实验室的分析测试误差(0.000 010)及衰变导致的~(143)Nd/~(144)Nd值(0.000 013)变化。因此,在黄土中检测到的Sr-Nd同位素组成的变化应具有较明确的地质意义。(2)第四纪黄土沉积物中无论全岩还是主要粒径组分的~(87)Sr/~(86)Sr值和~(143)Nd/~(144)Nd值的变化都与气候代用指标变化不同步,难以从气候变化角度进行解释,可能更多地反映了源区的变化。(3)与Sr-Nd同位素示踪体系相比,单矿物或单颗粒的物源示踪体系对物源区变化的响应更为敏感,在追踪第四纪黄土沉积物源区时空差异方面具有较明显的优势。(4)基于碎屑锆石U-Pb年龄谱对黄土物源的有限研究揭示黄土高原的黄土在地质历史时期可能发生了原始物源区显著的时空分异,特别是不同剖面都反映出了1.2 Ma前后黄土主要源区的变化,表明通过锆石U-Pb年龄谱研究黄土物源时空差异规律具有揭示岩石圈、大气圈、水圈耦合作用过程及历史的巨大潜力。     

新世纪亚洲风尘系统地球化学研究进展

简要评述了20世纪亚洲风尘沉积地球化学研究的主要成果,总结了新世纪以来亚洲风尘沉积地球化学在研究内容、方法、时间尺度及年代学方面的主要进展.较详细概述了最近十余年风尘沉积物在环境与气候替代性指标研究方面获得的新成果,并从矿物特征、元素地球化学、同位素和单矿物地球化学指标方面示踪风尘沉积物源研究进行了总结.指出亚洲风尘地球化学研究应在空间上从黄土-沙漠区向中亚内陆、西北太平洋扩展;在时间上拓展到中新世以来的风尘沉积;方法上应结合大气环流、地貌过程等,进行综合分析,并开拓新的测试手段.此外,应加强现代风尘过程的研究.亚洲风尘与风尘沉积地球化学研究的目的是解决风尘的产生、搬运和沉积的地球化学过程与环境变迁.     

南京下蜀土的地球化学特征及其物源指示意义

风尘堆积的物源研究对于揭示物源区的环境演化状况、重建古风场强度和古大气环流格局等都具有重要的意义。目前长江下游地区下蜀土的物质来源问题仍然存在争议。为了解决这一争议问题,本文以南京泰山新村下蜀土剖面为研究对象,开展了系统的地球化学研究。通过对南京下蜀土的常量元素、微量元素、Nd同位素进行测试,并与黄土高原同期黄土进行对比分析,探讨其对长江下游下蜀土的物源指示意义。南京下蜀土与北方黄土具有相似的常、微量元素UCC标准化曲线和稀土元素球粒陨石标准化曲线,但是它的Zr、Hf含量较高,Tl、Pb含量较低,且具有较高的SiO2/Al2O3、TiO2/Al2O3、Nb/Ta和GdN/YbN,较低的SiO2/TiO2、Zr/Hf、Y/Ho、Lu/Hf和εNd(0)值,说明南京下蜀土的物质来源明显有别于黄土高原黄土。南京下蜀土与长江中游下蜀土在地球化学特征方面有较多的相似性,指示其物质来源与中游下蜀土的物质来源相似,主要来源于长江中下游地区的松散沉积物。     

第四纪黄土物源的时空差异研究现状及展望*

黄土物源研究对揭示第四纪以来东亚大气环流格局的演化和构造—气候之间的相互作用具有重要意义。目前已应用多种物源示踪方法对黄土物源开展了大量研究,但对黄土物源时空差异规律及其动力学机制尚未取得较为一致的认识。在综合分析黄土物源研究现状的基础上,重点从影响⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和 ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 值组成及单颗粒碎屑锆石U-Pb年龄谱构成的因素角度,分析了第四纪黄土的物源及可能变化,获得以下认识: (1)第四纪黄土沉积物的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值变化幅度可达0.002 580~0.004 949,远远超出实验室分析测试误差(<0.000 018)或由Sr同位素衰变带来的影响(2.6 Ma时段小于0.000 026,1个冰期旋回小于0.000 001); ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 值亦发生了较显著变化(0.000 095~0.000 240),其变化幅度远大于实验室的分析测试误差(<0.000 010)及衰变导致的 ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 值(<0.000 013)变化。因此,在黄土中检测到的Sr-Nd同位素组成的变化应具有较明确的地质意义。(2)第四纪黄土沉积物中无论全岩还是主要粒径组分的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和 ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 值的变化都与气候代用指标变化不同步,难以从气候变化角度进行解释,可能更多地反映了源区的变化。(3)与Sr-Nd同位素示踪体系相比,单矿物或单颗粒的物源示踪体系对物源区变化的响应更为敏感,在追踪第四纪黄土沉积物源区时空差异方面具有较明显的优势。(4)基于碎屑锆石U-Pb年龄谱对黄土物源的有限研究揭示黄土高原的黄土在地质历史时期可能发生了原始物源区显著的时空分异,特别是不同剖面都反映出了1.2 Ma前后黄土主要源区的变化,表明通过锆石U-Pb年龄谱研究黄土物源时空差异规律具有揭示岩石圈、大气圈、水圈耦合作用过程及历史的巨大潜力。     

黄土高原黄土物源区的同位素证据

系统采集了黄土高原马兰黄土、河西走廊和青藏高原东北部黄土、河床沙和湖泥样品。用酸淋洗去除方解石后,黄土高原马兰黄土εNd(0)值从-9.2到-11.3,87Sr/86Sr比值从0.71784到0.71944,都落在同位素B区内,与青藏高原东北部、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠的值一致。黄土高原马兰黄土白云石的δ13C值从1.2‰到1.5‰,与青藏高原东北部和河西走廊黄土,巴丹吉林沙漠的白云石的值类似。这些表明青藏高原东北部、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠可能是黄土高原黄土的源区,从而排除了其他沙漠(古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠、毛乌素沙漠、库布齐沙漠、浑善达克沙地、科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地)作为黄土物源区的可能性。同位素研究结果和野外调查进一步揭示,黄土高原黄土、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠物质可能最终都是来源于青藏高原东北部。     

青海共和盆地早全新世古风向重建及其对黄土物源的指示

青藏高原东北部地处黄土与沙漠的过渡地区,在冰期-间冰期旋回中受中纬西风与东亚季风环流的交替控制,曾发生大范围的沙漠进退,是黄土高原重要的潜在物源区。恢复该区地质历史时期的大气环流格局可为重建东亚地区的环境面貌、探讨黄土高原的物源区、检验东亚地区古气候模拟结果的有效性等方面提供重要依据。但目前对高原东北部的古大气环流特征却鲜有研究。青藏高原东北部保存有一系列的古沙丘,可为古大气环流的重建提供直接依据。本文选取青海共和盆地一处代表性新月形古沙丘开展光释光测年研究,并通过其平面形态和前积层产状恢复了当时的古风向。结果表明:共和盆地的风沙活动自早全新世以来开始显著减弱,此时近地面盛行与现今风向一致的西北风。前人的研究揭示出青藏高原东北部在冰期时很可能盛行西风,并存在广泛的荒漠化,因而很可能是黄土高原冰期时重要的物源区之一。而本研究指示,该区的盛行风向在早全新世以来转变为西北风,且荒漠范围显著退缩,导致其全新世不再是黄土高原的物源区。青藏高原东北部的盛行风向和荒漠范围在冰期-间冰期旋回中的这种变化,为理解黄土高原的粉尘物源在空间和冰期-间冰期旋回上的变化提供了依据。     

晚新生代亚洲干旱气候发展与全球变冷联系的风尘沉积证据

在干旱气候背景下常常有风尘物质的释放和传输,风尘沉积被认为是干旱环境变化良好的地质记录。在亚洲中部和中国北方,大面积的干旱区被沙漠戈壁覆盖,这些地区是粉尘物质的重要源地,释放的风尘物质影响局地和区域环境,并通过参与生物地球化学循环等影响更大空间尺度的气候变化。因此,亚洲中部干旱气候的形成和演化以及发展趋势一直受到重视。长期以来,关于晚新生代亚洲中部干旱气候发展的驱动机制至少有两种解释:一是青藏高原的隆升控制着亚洲中部的干旱化过程,随着高原的阶段性隆升亚洲干旱气候逐步增强;二是晚新生代全球变冷直接驱动着亚洲变干,全球变冷是主导因素。中国黄土高原及其周边地区堆积的黄土-红粘土序列是指示亚洲干旱化过程良好的地质记录,通过对新获得的风尘堆积记录的分析,发现在晚新生代中国风尘堆积的时空演化与全球变冷有较好的对应,全球变冷可以促使亚洲中部干旱气候发展并加强粉尘活动,而青藏高原隆升的幅度和时间还不清楚,进而认为是全球变冷而不是青藏高原隆升直接驱动亚洲内陆的阶段性变干。基于这些结果,我们认为以前关于青藏高原隆升影响全球气候的结论可能高估了青藏高原在地球环境演化中的作用,关于高原隆升直接驱动亚洲干旱化的结论还需要检验。     

中新世风尘堆积的地球化学特征及其与上新世和第四纪风尘堆积的比较

文章对秦安中新世黄土-古土壤序列中黄土层样品的常量、微量和稀土元素地球化学特征进行研究,并与西峰第四纪黄土和晚中新世-上新世的风成三趾马红土样品进行对比。结果表明,不同时代的风尘堆积具有大致相似的元素配分模式,并与上地壳平均成分高度接近,表明它们的物质均来自很广阔的物源区,经过多次循环和远距离搬运,并在搬运过程中实现了多种矿物成分高度混合,是远源风尘物质的典型特征。秦安中新世黄土与西峰第四纪黄土相比,常量元素组配特征也有一些区别,主要表现为K,Fe,Mg的轻微富集、Na元素的轻微亏损及相对较高的烧失量,与中新世黄土较细的粒度和相对温湿的气候条件有关。与世界上一些物源较近较小的黄土相比,我国北方不同时代的风尘堆积均具有Cs相对富集、Zr和Hf相对亏损的特征,与粉尘远距离传输过程中的物质分异有关,是沙漠黄土的特点。     

长江沉积物源示踪研究进展

近期物源分析方法发展较快,包括稀土元素、同位素地球化学与单颗粒碎屑矿物微区分析方法的广泛运用,以及分不同粒级组分或根据需要选择特定粒级组分进行物源分析逐渐代替了全样分析法,物源示踪效果得到明显的提高。长江作为连接青藏高原与西太平洋边缘海的最重要水系,河流沉积物从源到汇的现代与历史过程备受关注。长江沉积物源示踪研究进展包括:①建立和运用河流入海沉积物示踪端元模型,定性或定量地分析长江沉积物在海域的扩散与沉积分布规律,倾向于运用细颗粒组分矿物学、元素与同位素地球化学等方法,研究程度较高,今后需注意各端元值的时空变化,及受沉积过程的分异作用与早期成岩作用的影响;②建立和运用不同支流的物源示踪模型,研究晚新生代以来长江水系的演化历史,倾向于运用粗颗粒组分的物源分析方法,尤其是单颗粒碎屑矿物微区分析。由于长江流域面积巨大、区域地质复杂,建立支流域的精细物源分析指纹特征尚处在探索阶段,需注意运用碎屑锆石U-Pb定年与稀土元素、Hf同位素组成的综合物源分析法。综合运用多种物源分析法于长江中下游和三角洲盆地若干钻孔地层的研究,已较好地限定长江贯通的时间约在上新世晚期—早更新世之间,但仍存在较大争议,今后需在一些关键区域开展更多的深钻研究,提高物源精细示踪的效果、晚新生代地层测年的精度,并加强钻孔间的的对比研究。     

晚第四纪风尘物质成分的变化及其环境意义

对长武和宜川晚第四纪黄土-古土壤序列的高分辨率铁含量分析表明,不同时期的风尘在化学成分上具有较明显的区别。在排除成壤过程中CaCO₃淋溶和淀积的相对影响后,研究剖面的铁含量基本反映了原始风尘的铁含量。已有研究表明,西部源区的气溶胶和现代地表流沙中铁的相对含量显著高于东部源区。本文认为,风尘铁含量的变化反映了西部沙漠风尘对黄土堆积的相对贡献。由于西风带北支是西部源区风尘的主要搬运者,风尘中全铁含量可能反映了西风带北支气流的强度,并明显存在着千年尺度的变化。     

山东黄土堆积中砾石层的研究进展

山东地区黄土堆积中自西向东存在一期或多期明显的砾石层,该砾石层记录了山东地区晚第四纪以来气候环境演变的信息,对认识山东风尘堆积的环境背景具有重要的指示意义。以往山东黄土堆积中砾石层的研究比较薄弱。在地层层序、沉积特征指标、年代学等方面对该砾石层进行研究,取得其蕴含的区域的古水系—古水文—古地貌—新构造和古气候的环境信息,今后应加强其沉积年代学、物源研究及其多学科综合集成研究等。