哈尔滨居仁砂砾石剖面沉积特征及其环境意义

前人将黑龙江宾县居仁镇的砂砾石层（居仁剖面）视为罗家窝棚组,成因类型为早更新世早期的冰碛物堆积。然而,居仁剖面和罗家窝棚组的研究极为薄弱,极大限制了该地层所记录的区域构造—地貌—气候—水系演化信息。选择居仁剖面为研究对象,对其沉积学、矿物学和元素地球化学特征进行研究。结果表明,居仁剖面砾石风化程度较低、分选差、磨圆较好、无定向性,砾石成分以陆源碎屑岩（43%）、花岗岩（28%）和石英质（26%）为主,凝灰岩和流纹岩少量出现。重矿物组成以绿帘石（42%）和锐钛矿（9.9%）占绝对优势,其次为白钛石（8.7%）,重晶石（15.2%）、黄铁矿（14.5%）和萤石（11.3%）在个别样品中大量出现,其他重矿物含量较少。元素地球化学揭示了居仁剖面沉积物弱—中等的化学风化程度,大部分沉积物经历了首次循环以及其长英质的母岩属性。与罗家窝棚组标准地层的沉积学特征对比,沉积物的颜色、固结程度、沉积物结构、地层结构、沉积物成因类型以及地貌特征等都存在显著差异。因此,居仁剖面不是罗家窝棚组,成因类型为湖滨或河流入湖三角洲沉积。上述研究对于哈尔滨地区第四纪地层的划分和早更新世区域环境的重建有重要意义。     

科尔沁沙地粗—细组分的碎屑锆石U- Pb年龄特征：对定量物源及区域构造- 岩浆演化事件的指示

追踪干旱—半干旱地区大型沙地的物源和风- 河流相互作用机制对于理解陆地景观格局演变、地表过程与地貌动态以及大气圈和岩石圈之间的联系至关重要。然而,目前科尔沁沙地的物源仍存在较大争议,且缺乏具有统计意义的锆石U- Pb年龄数据库。因此,本研究对科尔沁沙地地表风成沙进行多点取样,根据不同粒级(＜63 μm和＞63 μm)选取1500颗碎屑锆石进行U- Pb测年分析,并利用逆向蒙特卡罗模型对其物源进行定量约束。结果表明,从目视定性的角度看,科尔沁沙地的碎屑锆石U- Pb年龄谱特征非常相似。但定量重建结果显示沙地的物源整体上以中亚造山带的贡献为主(50. 5%~61. 3%),然而东南部体现出华北克拉通的绝对优势(~75. 8%)。科尔沁沙地的物源存在空间异质性,沙地西部和北部的锆石年龄谱极为相似,与南部锆石年龄特征显著不同。科尔沁沙地的碎屑锆石U- Pb年龄特征基本不受粒度分异的影响,但沙地东南部除外。本文认为,风与河流的协同作用及其由此导致的沉积分异和再循环作用解释了科尔沁沙地碎屑锆石的U- Pb年龄特征。结合区域构造演化历史,科尔沁沙地在~2. 5 Ga和~1. 85 Ga的U- Pb年龄峰值分别是前寒武纪华北克拉通的生长、拼合与碰撞过程中的两期构造事件的产物。此外,~1. 7 Ga的锆石年龄可能是对Columbia超大陆聚合与裂解的综合响应。古生代以来的锆石年龄峰值(500~400 Ma、300~250 Ma、130~110 Ma)记录了在古亚洲洋的俯冲闭合、蒙古- 鄂霍次克海俯冲碰撞和古太平洋的俯冲、回退的区域构造背景下多期区域构造- 岩浆事件。     

松嫩沙地Sr?Nd同位素组成特征

作为亚洲风尘源区的中国北方干旱—半干旱地区的Sr?Nd同位素组成已得到很好的研究，但位于欧亚黄土带最东端的松嫩沙地尚是空白，这影响了对该地区风尘系统的深入理解。为此，系统采集了松嫩沙地19个区域90个河流沙和风成沙样品，并对这些样品进行了分粒级处理（<63 μm、63~30 μm、30~10 μm、<10 μm和<30 μm）。对116个分粒级子样的酸不溶物（硅酸盐组分）进行了Sr?Nd同位素组成的测定。研究结果表明，松嫩沙地可划分出两个大区（嫩江水系和松花江水系）和七个小区，嫩江水系沉积物的Nd同位素组成显著高于松花江水系，而Sr同位素组成明显偏低。松嫩沙地8个剖面纵向上的同位素特征显示，Sr?Nd同位素组成存在“时间效应”，即随时间发生了明显变化，表明了源区地球化学组成的不稳定性。分粒级组成表明，粒度对87Sr/86Sr比值的影响很小，但对Nd同位素组成有明显影响，且存在Nd同位素比值富集在粗颗粒组分中的趋势，这与以往的研究结果不同。无论是地质历史时期还是现在，嫩江水系沉积物（大庆、杜蒙、齐齐哈尔、泰来、白城）对哈尔滨粉尘的贡献都很小。哈尔滨黄土与现代尘暴粉尘有不同的物源，哈尔滨黄土是春季尘暴天气作用的产物，有一个混合源，松花江水系沉积物（扶余、德惠、榆树等地）是哈尔滨黄土的主要粉尘源区，内蒙古中东部的沙地也为哈尔滨黄土贡献了部分的细颗粒粉尘。     

哈尔滨荒山黄土的成因——粒度、地球化学、磁化率、沉积和地貌特征的整合记录

哈尔滨荒山黄土位于欧亚黄土带的最东端,毗邻亚洲大陆干旱带的东部边缘,对它的成因机制研究有助于我们深层次理解松嫩平原地貌-气候-粉尘堆积的耦合关系。然而,目前荒山黄土成因还存在认识上的不统一。我们通过野外观察及对哈尔滨荒山钻井岩芯进行粒度、元素地球化学组成和磁化率分析,进而探讨荒山黄土的成因机制。结果表明:荒山黄土的粒度组成以粗粉砂级(16～63μm)为主,粒度参数特征(平均粒径、中值粒径、标准偏差、偏度和峰态)、粒度像特征(C-M、A-M和L-M)、判别式函数及Kd值对荒山黄土风成成因的指示不明显; L1-L5黄土的元素地球化学组成也没有与受流水改造的L5次生黄土和黄土-古土壤序列下伏的河湖相沉积(荒山组)区分开;荒山黄土-古土壤序列的磁化率呈现出周期性高低变化的特征,与黄土高原典型风成黄土剖面具有较好的一致性;结合野外观察,荒山黄土具有均一沉积和垂直节理发育等风成黄土典型特征。本文运用整合的方法确定哈尔滨荒山黄土为风积成因。黄土的粒度和地球化学指标作为黄土成因机制的替代性指标存在一定的局限性,在实际应用中应当结合野外观察和磁化率等其他替代性指标共同使用,才能够从中提取正确的成因机制信息。     

中更新世以来哈尔滨黄土有机碳同位素组成及其古气候意义

研究黄土-古土壤序列有机碳同位素组成与古植被和古气候的关系,对于重建第四纪环境变化过程有重要意义。然而,东北地区黄土有机碳同位素组成的研究尚未展开。本文对哈尔滨荒山岩芯开展了黄土-古土壤序列的有机碳同位素组成和磁化率分析。结果表明,中更新世以来有机碳同位素组成在古土壤层和黄土层的均值分别为–24.8‰和–25.1‰,整体上古土壤层有机碳同位素组成较黄土层偏正,而S0和S2古土壤层相对偏负。利用端元法恢复过去C_3/C_4植物的相对丰度,揭示出中更新世以来研究区C_3植物占绝对优势地位。通过与海面温度和深海氧同位素以及东北地区赤峰黄土的有机碳同位素进行耦合对比,发现荒山岩芯的有机碳同位素组成变化与温度呈正相关,表明温度是植物碳同位素组成变化的主控因素。然而在某些间冰期时期,比如S0、S2层以及S3古土壤层中部,降水可能成为主要因素。上述研究表明东北地区植物生长对气候响应具有复杂性。这些认识对于理解哈尔滨地区C_3植物的生长因子具有重要的借鉴意义。     

极端干旱区黄土土壤容重的测量及其古气候意义

黄土和古土壤的容重,不仅可以反映东亚冬、夏季风强度的变化,而且还是计算粉尘沉积通量的基础,因此,在古气候研究以及亚洲内陆干旱化重建过程中具有重要的意义。目前,黄土土壤容重的研究大都集中在黄土高原地区,而作为黄土高原主要源区的中国西北内陆极端干旱区,关于土壤容重的测量方法以及古气候意义涉及的较少。在前人研究的基础上,提出了适合亚洲内陆极端干旱区黄土容重测量的理想方法,并发现该区的黄土容重值同粒度以及磁化率的变化均呈明显的负相关关系,这与黄土高原有很大的不同。进一步的分析表明,在极端干旱区,黄土容重的变化主要反映了源区干旱程度的变化,季风强度对容重的影响微弱。     

不同实验条件对早新生代沉积物有机碳同位素的影响

利用沉积物中有机质碳同位素相对丰度变化重建古环境、古植被已成为有效的方法和手段, 然而由于实验方法、所用仪器及测试环境不同, 使有机碳同位素测量结果与真实值之间存在较大偏差。对于年代较老地层的样品来说, 影响其有机质碳同位素的因素更为复杂, 而实验条件的研究相对较少, 从而限制了有机碳同位素在老地层中的应用。为此, 我们以早新生代沉积物为对象, 针对实验材料、不同仪器和实验温度等可能影响实验结果的因素进行了系统的对比实验分析。结果表明: (1)PC离心管在低温环境下对样品δ¹³C值无影响, 与利用玻璃烧杯的结果没有差别。(2)EA-IRMS在线技术整体比MAT-252离线技术δ¹³C值高2‰~4‰, 氧化温度和仪器测试环境的不同是导致偏差的关键。(3)对于老地层样品来说, 850℃的氧化温度不能使其完全氧化, 平行样品结果的重现性较差, 说明样品氧化没有达到稳定状态, 随着氧化温度的升高, δ¹³C值有偏正的趋势; 1020℃能使其完全氧化, 平行样品测试结果重现性较好, 达到稳定状态。(4)含石膏样品进行测试时, 应注意及时去除石膏加热时产生的水汽, 以减少水汽的不利影响。     

基于人工和TIMA自动化方法的松花江水系重矿物组成：对源-汇物源示踪的指示

松花江水系作为中国东北地区最主要的河流系统,其重矿物组成对于揭示其沉积环境、沉积物源-汇过程和水系演化等地表过程具有重要意义。但目前对松花江水系重矿物组成了解有限,对影响其重矿物组成的控制因素尚不明晰。为此,在松花江干流和10个主要支流的边滩采集河流沙样品,在通河获取2个松花江T3阶地样品,分别采用TESCAN Integrated Mineral Analyzer(TIMA)自动化矿物识别技术和人工方法,对63～250μm粒级组分进行重矿物分析,旨在给出松花江水系的重矿物组成,并分析物源、河流过程和化学风化等因素对重矿物组成的影响和控制,以及评估人工和TIMA方法在重矿物鉴定中的应用情况。结果表明,发源于不同山岭(大兴安岭、小兴安岭和长白山)的各支流具有显著不同的重矿物组成,角闪石、榍石、绿帘石、白钛石、辉石、钛铁矿和赤、褐铁矿是区分各物源的指示性矿物。源自大兴安岭的嫩江支流具有显著高含量的辉石(诺敏河)、钛铁矿(甘河、多布库尔河和阿伦河)和赤、褐铁矿(甘河、多布库尔河和雅鲁河),显示了基性火成岩物质对重矿物组成的控制,这在现代河床砾石的岩性中得到证明。然而,在松花江干流中,这些重矿...     

哈尔滨黄土的粒度与地球化学特征及其对粉尘物源的指示

哈尔滨黄土位于欧亚黄土带的最东端，对它的风尘物源研究是深层次理解风尘堆积与区域构造-地貌-气候变化耦合关系的关键。然而，对哈尔滨黄土地球化学组成的研究尚未开展，对其性质还存在认识上的不统一。为此，我们研究了哈尔滨天恒山剖面L₁黄土层的粒度和地球化学组成，并对其化学风化和物源等展开讨论。为了示踪哈尔滨黄土的物源，我们还对东北沙地（浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼伦贝尔沙地和松嫩沙地）进行了表土采样和地球化学分析。结果表明：哈尔滨黄土不含细砂组分（125~250 μm），含有极细砂组分（63~125 μm，4.8%~10.5%），粉砂（4~63 μm）和黏土组分（<4 μm）占绝对优势，分别占73%~82%和12%~18%；粒度模式为三峰态分布（众数分别为36~40、8~10 μm和0.8 μm），与黄土高原典型黄土的粒度分布模式一致，但明显粗于黄土高原中部黄土。哈尔滨黄土经历了初级的化学风化过程，具有较低的成熟度和再循环历史。单靠地球化学方法不能很好地确定哈尔滨黄土的物源，但整合的方法（包括粒度、元素和同位素组成、MDS和PCA统计方法以及自然地理要素等）很好确定了哈尔滨黄土有一个混合源，松嫩沙地松花江水系沉积物为哈尔滨黄土提供了主要的粉尘贡献，浑善达克沙地和科尔沁沙地为哈尔滨黄土提供了部分细颗粒粉尘。     

早更新世晚期松花江水系袭夺：地球化学和沉积学记录

水系演化重建是恢复区域构造历史及古环境变化的重要方法。松花江作为中国七大水系之一，其水系演化的相关研究目前还比较薄弱，尤其是第四纪松花江中- 上游是否存在流向反转尚无准确结论。沉积物是河流地质过程的直接产物，是水系演化研究的关键。为此，本研究对哈尔滨荒山钻孔岩芯(HS)进行了磁化率、古地磁和元素地球化学组成分析。结果表明，岩芯62. 3 m(0. 94 Ma B. P. )处，沉积物的岩性、磁化率及元素地球化学组成均发生显著变化。岩芯沉积物岩性在62. 3 m上下发生明显变化，是河流沉积两个沉积旋回的转折点。62. 3 m以下地层的磁化率极低，基本为0，且变化幅度极低，元素地球化学组成则急剧波动，并表现出与现在松花江哈尔滨段下游水系(岔林河、蚂蜒河和牡丹江)相近的地球化学组成；然而，62. 3 m以上地层的磁化率突然升高(99. 673×10-8 m3 kg-1)，并具有周期性的高低变化。元素组成呈现稳定的小幅变化，并表现出与拉林河、嫩江和松花江吉林段相近的地球化学组成。0. 94 Ma B. P. 沉积物物源的变化表明河流流向发生了显著变化，松花江中上游河段流向曾在此时发生反转。地球化学记录的水系反转也得到了河流阶地地貌和沉积学证据(砾石的粒径和排列方向)的支持。早更新世早- 中期，以佳- 依分水岭为界，松花江中上游(肇源- 依兰河段)河流自东向西流入松嫩湖盆，松花江下游向东流经三江平原；早更新世晚期，受构造- 地貌- 气候耦合作用的影响，佳- 依分水岭持续抬升，而三江平原一侧不断下沉，佳- 依分水岭两侧河流发生溯源侵蚀，最终导致佳- 依分水岭在0. 94 Ma B. P. 被切穿，松花江中上游水系被下游水系所袭夺，河流流向发生反向，自西向东流经依佳峡谷进入三江平原，现代松花江水系逐渐建立。本研究有助于我们加深对松嫩平原水系演化的理解，为探索东亚水系演化的一致性和区域差异性提供研究证实，同时对松花江流域自然资源禀赋的调查乃至国土空间开发利用具有重要实践意义。