基于锆石U-Pb年龄的黄土高原红黏土沉积序列物源示踪

谢文斌，弓虎军

(西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

0 引 言

晚中新世以来，中国北方广泛发育红黏土沉积。大量研究表明其与黄土-古土壤沉积序列相似，红黏土沉积是在西风和东亚冬季风的作用下沉积而成[1-2]，风成沉积序列的物源研究对揭示古环境具有重要意义[3-5]。红黏土作为风动力沉积的产物，其沉积受搬运介质和粉尘物质两个方面的控制，因此，红黏土物源研究一方面能确定搬运介质及其演化状况，另一方面粉尘物质的起源可以指示物源区的环境状况以及黄土高原和周边区域的气候及其演化规律[6-8]。20世纪末开始，红黏土已被作为重要的研究介质进行古环境的重建工作。一方面，一大批典型的沉积剖面被发现，从而圈定了中国北方红黏土沉积的范围；另一方面，对各剖面进行了相关磁性地层学、磁化率及其他环境参数的研究，不仅将底界推至约25 Ma[9]，还获得了一些重要的古气候信息。Shang等对山西保德、陕西蓝田和甘肃董湾红黏土剖面进行碎屑锆石U-Pb年龄对比，说明红黏土沉积存在空间上的不一致性[10]。Pan等对比阿尔金红黏土和山西石楼红黏土若干层位的碎屑锆石年龄特征，证明阿尔金红黏土和黄土高原红黏土不是同一来源[11]。Nie等通过对甘肃朝那红黏土剖面8.0 Ma以来4个层位锆石年龄的对比及物源示踪分析，认为红黏土沉积可划分为3个阶段：第一阶段(8.0 Ma及以前)来自六盘山和柴达木盆地；第二阶段(4.0～5.5 Ma)主要来自塔克拉玛干沙漠；第三阶段(3.0 Ma以后)主要来自祁连山和柴达木盆地[12]。前人研究提供了重要的古环境线索，促使人们对红黏土研究的进一步思考：一方面，红黏土粉尘物源及物源区的变迁能否反映西风和季风的演化；另一方面，作为风成沉积的产物，红黏土物源区的演变能否反映中亚和东亚干旱化进程。因此，本文将通过黄土高原红黏土碎屑锆石U-Pb年龄来进行物源示踪研究，并解释其气候意义。

1 样品采集及分析方法

本次研究选取位于中国北方红黏土主沉积区的甘肃灵台红黏土剖面(图1)，该剖面位于六盘山东侧，行政区划属于甘肃省灵台县(35°04′N,107°39′E)。根据甘肃灵台红黏土剖面磁性地层、磁性参数变化研究[13-14]，在该剖面自上而下选取约3.2 Ma样品LT-3.2、约5.5 Ma样品LT-5.5、约6.5 Ma样品LT-6.5和约7.0 Ma样品LT-7.0，其对应深度分别为195、250、290、305 m(图2)；同时，为了补充本次研究红黏土沉积的时间序列，并开展剖面间的相互对比，本文还引用Shang等在山西保德红黏土剖面中使用过的3.50 Ma样品BD-3.50、5.24 Ma样品BD-5.24和6.56 Ma样品BD-6.56[10]。

图中箭头代表粉尘来源及搬运路径图1 甘肃灵台和山西保德红黏土剖面及潜在物源区位置Fig.1 Location of Lingtai Red Clay Section in Gansu and Baode Red Clay Section in Shanxi and the Potential Provenance Regions

将采集到的样品送至河北省区域地质调查大队实验室采用淘洗、重液、电磁仪等方法进行锆石挑选，每个样品挑选出1 000粒以上的锆石进行定年。锆石U-Pb定年在西北大学大陆动力学国家重点实验室193 nm激光剥蚀等离子质谱仪(LA-ICP-MS)上进行，激光斑束和剥蚀频率分别为30 μm和10 Hz，氦气作为载气，用高纯氢气消除204Hg的干扰，直接采集计数29Si、204Pb、206Pb、207Pb、208Pb、232Th、238U等的信息。U、Pb和Th含量的计算采用29Si和NIST610分别作为内标和外标进行校正，并以Harvard锆石91500作为元素分馏效应的外部校正标准，每5组分析间隔2组91500锆石标样，每分析20个点间隔2组NIST610标样。用Glitter 4.0软件进行仪器质量歧视校正和元素深度校正，尽量选择信号稳定的区间，微量元素取值区间与年龄取值区间一致，最后用Isoplot软件计算锆石U-Pb年龄，并做出图件。其中，高于1.0 Ga的年龄采用207Pb/206Pb年龄，低于1.0 Ga的年龄选取206Pb/238U年龄。本次研究对每个样品随机选择120粒进行分析，尽量满足最大样品需求数量，保证数据真实可靠，从而具有数理统计意义。

为了进行红黏土沉积的物源示踪，本文收集了前人发表的古尔班通古特沙漠沉积物样品Junggar[15]、塔克拉玛干沙漠沉积物样品TKD[15]、天山沉积物样品Tianshan[15]、柴达木盆地沉积物样品Qaidam[16]、西昆仑山沉积物样品WKL[17]、帕米尔高原沉积物样品Pamir[17]、东毛乌素沙漠沉积物样品E-MUS[18-19]、西毛乌素沙漠沉积物样品W-MUS[18-19]、腾格里沙漠沉积物样品TD[18-19]、阿拉善区域混合物样品RSH01[20]、阿尔泰山脉山前河流沉积物样品YG02[20]、黄河所携带的青藏高原物质YR[21]以及六盘山侵蚀产物LP[12,22]等代表潜在物源区(表1)。

2 锆石U-Pb年龄

本文采集和收集了甘肃灵台和山西保德红黏土剖面共7个锆石U-Pb年龄样品，代表3.2～7.0 Ma红黏土沉积序列。基于PDP(Probability Density Plot)统计和KDE(Kernel Density Estimation)统计[23]的锆石U-Pb年龄分布见图3。甘肃灵台和山西保德红黏土剖面位于中国北方红黏土主沉积区黄土高原内，两地沉积物碎屑锆石年龄组合表现出空间一致性。同期沉积物碎屑锆石年龄具有较好的一致性， 样品LT-6.5和样品BD-6.56的锆石年龄分布除了很典型的200～550 Ma双峰值，还表现出明显的以900 Ma、1 800 Ma和2 500 Ma为中心的峰值。但从沉积的时间序列来看，不同沉积时段的沉积物碎屑锆石年龄存在一定的差异性。从剖面下部样品LT-7.0到剖面上部样品LT-3.2和样品BD-3.50，锆石U-Pb年龄表现出多次明显的变化。

表1 潜在物源区锆石年龄样品Tab.1 Zircon U-Pb Age Samples from Potential Provenance Regions

图件引自文献[14]图2 甘肃灵台红黏土剖面磁性地层及采样位置Fig.2 Magnetostratigraphy of Lingtai Red Clay Section in Gansu and the Sampling Position

(1)6.0～7.0 Ma的沉积物年龄分布具有不同于其上部沉积层的特征，150～600 Ma为双峰值结构，且150～350 Ma为主分布段，峰值最高，350～600 Ma为次分布段，其余较明显的峰值为以900 Ma、1 800 Ma和2 500 Ma为中心的年龄分布段。

(2)3.5～5.5 Ma的沉积物具有年龄结构的一致性。200～550 Ma出现典型的双峰值，且350～550 Ma为主峰值，占比最高，200～350 Ma为次峰值，其余较明显的年龄分布段为900～1 200 Ma、1 800 Ma和2 500 Ma。

(3)3.2 Ma的沉积物样品LT-3.2在150～600 Ma表现出明显的双峰值，900～1 200 Ma出现次峰值，其余较低的峰值出现在1 800 Ma和2 500 Ma左右。另外，3.2 Ma的沉积物含有年龄为50 Ma的物质。

综上所述，各红黏土样品所表现出的年龄分布差异表明红黏土沉积序列在时间上具有物质来源的不一致性，红黏土沉积在5.5～6.5、3.2～3.5 Ma间发生过物源的改变。

3 物源示踪结果分析

通过对甘肃灵台、山西保德红黏土剖面锆石年龄的对比，证明红黏土沉积存在3个物源差异的沉积阶段。通过对比表1中13个潜在物源区锆石年龄(图4)与各红黏土锆石U-Pb年龄，可将黄土高原红黏土沉积依据物源差异划分为3个沉积阶段。

实线和虚线分别代表PDP法锆石年龄统计曲线和KDE法锆石年龄统计曲线图3 甘肃灵台和山西保德红黏土剖面碎屑锆石U-Pb年龄分布Fig.3 Distributions of Detrital Zircon U-Pb Ages for Lingtai Red Clay Section in Gansu and Baode Red Clay Section in Shanxi

图4 潜在物源区碎屑锆石U-Pb年龄分布Fig.4 Distributions of Detrital Zircon U-Pb Ages in Potential Provenance Regions

(1)第一阶段(5.7～7.0 Ma)的红黏土锆石年龄表现为5个明显的分布段：200～350、350～500、800～950、1 800、2 500 Ma。200～350 Ma和350～500 Ma为两个主要峰值分布段，占比最高。对比所有潜在物源区锆石年龄分布，200～500 Ma存在典型双峰值的只有塔克拉玛干沙漠，塔克拉玛干沙漠锆石年龄在200～350 Ma为次峰值，占比较低。350～500 Ma为主峰值分布段，与6.0～7.0 Ma红黏土沉积物中的锆石年龄分布不一致，说明塔克拉玛干沙漠不是该阶段红黏土沉积的源区物质提供者。因此，5.7～7.0 Ma红黏土沉积可能具有混合物源。在所有潜在物源区中，西昆仑山具有350～600 Ma的主分布段，以950 Ma、1 800 Ma和2 500 Ma为中心的次分布段；帕米尔高原具有200～350 Ma的主分布段，以950 Ma、1 800 Ma和2 500 Ma为中心的次分布段。两种物质的混合正好满足第一阶段红黏土沉积中5个峰值的年龄分布特征[图3(e)～(g)以及图4中样品Pamir、WKL]。西昆仑山和帕米尔高原位于塔里木盆地西部，地理位置相连(图1)，具备物质混合的可能，而且两地位于西风的搬运路径上，为其成为红黏土物源提供可能，同时也一直被认为是北半球粉尘物源源区之一[10,24-26]。34 Ma以来塔里木盆地的海退以及7～8 Ma副特提斯洋、地中海和印度洋之间关键水道的关闭，使得海水面积显著减少，导致同时期亚洲内陆形成干旱环境[27-29]；加之7～8 Ma阿尔金山、西昆仑山、帕米尔高原以及天山的快速隆升[30-35]，导致塔里木盆地和柴达木盆地沉积速率增加[31-32]；且山体东侧位于西风的背风坡，形成明显的雨影区[35-36]，导致西昆仑山、帕米尔高原东侧形成干旱环境；帕米尔高原及西昆仑山山前区域大量粉尘物质的产生，加上西风的搬运作用，为该阶段红黏土的形成准备了物质条件和动力条件。

(2)第二阶段(3.4～5.7 Ma)的红黏土碎屑锆石年龄对比其他阶段表现为以下特征：200～550 Ma出现典型的双峰值，且350～550 Ma为其主峰值分布段，占比最高，200～350 Ma为次峰值分布段；其余较明显的年龄分布段为900～1 200 Ma、1 800 Ma和2 500 Ma。潜在物源区中满足以上特征的物源区只有塔克拉玛干沙漠[图3(b)～(d)以及图4中样品TKD]，说明该阶段红黏土沉积物可能来自于塔克拉玛干沙漠。塔克拉玛干沙漠位于红黏土主沉积区西部，靠近中亚，位于西风影响范围内，5.7 Ma发生的墨西拿盐度危机使得地中海由海洋环境转变为沙漠环境，是一个重要的气候变化节点[37-38]，这次事件使近地表西风变干，减少了欧亚大陆内部尤其是亚洲中部水汽的通量[27,39]，加剧盆地内部及周边干旱[40-41]。至少5.7 Ma塔里木盆地内塔克拉玛干沙漠开始发育[41-42]，盆地周缘的帕米尔高原、西昆仑山、阿尔金山及青藏高原西北部边缘山地产生大量碎屑物质并沉积至盆地内[15]，致使5.7 Ma后盆地内出现大规模砂质沉积，为这一阶段的粉尘搬运准备了物质条件。西昆仑山、帕米尔高原以及阿尔金山为塔克拉玛干沙漠的物源区之一[15]，这也解释了为什么第一阶段红黏土沉积与塔克拉玛干沙漠有一定的锆石年龄相似性。综合分析得出这一阶段的粉尘来源为塔克拉玛干沙漠。

(3)第三阶段(2.6～3.4 Ma)的样品LT-3.2与样品YG02、RSH01对比发现，潜在物源区具有年龄分布的一致性[图3(a)以及图4中样品RSH01、YG02]，具体表现为150～350 Ma主峰值分布段以及350～600 Ma次峰值分布段，其余年龄段占比均较低。样品YG02、RSH01是代表黄土高原西北部阿拉善区域的样品[20]，这表明阿拉善区域为此阶段可能物源区。距今3.4 Ma，青藏高原开始新一轮的快速隆升[13,43-46]，这次隆升加剧了其自身和周围区域干旱化程度，对红黏土和黄土沉积产生了重要影响：第一，由于高原的隆升，冰盖发育，外部水汽难以进入，气候干冷，加剧了中国内陆干旱化，青藏高原及周边区域大量碎屑物质发育；第二，由于高原的隆升，近地表西风被阻挡至高原以西，出现南北绕行，其搬运能力大大减弱，塔里木盆地及其周边山体不能作为红黏土沉积粉尘的提供者[47]；第三，由于该阶段内青藏高原的隆升以及之后的持续，东亚季风随之不断增强，位于冬季风盛行路径上的阿拉善区域成为红黏土沉积粉尘新的贡献者。Che等对黄土高原黄土物源研究认为，粉尘主要来自于阿拉善区域[20]，这说明3.4 Ma之后，黄土高原粉尘物源区主要为阿拉善区域，且冬季风为粉尘搬运的主要动力，至2.6 Ma，中国北方新近纪红黏土沉积结束，进入第四纪黄土沉积阶段。由此认为2.6～3.4 Ma为红黏土沉积的最后一阶段，其物源为阿拉善区域。

4 物源示踪意义讨论

根据甘肃灵台、山西保德两个红黏土剖面中不同沉积层位中碎屑锆石U-Pb年龄的差异，认为该区域红黏土沉积粉尘来源并非持续稳定的，在约5.7 Ma和约3.4 Ma发生粉尘物源的改变，由此将红黏土沉积划分为3个稳定的沉积阶段(表2)。

表2 黄土高原红黏土沉积物源变化及相应地质事件Tab.2 Variation of Sedimentary Source from Red Clay in Loess Plateau and Its Corresponding Geological Events

注：第一阶段向第二阶段沉积演变节点为5.7 Ma墨西拿盐度危机和塔克拉玛干沙漠发育；第二阶段向第三阶段沉积演变节点为3.4 Ma青藏高原的快速隆升。

红黏土沉积物源的改变是青藏高原以及中国西部山脉的隆升和板块运动控制下的特提斯洋演化所导致的，是对青藏高原隆升和特提斯洋演变所导致的中亚以及东亚干旱环境的响应[46-47]。距今2.6～7.0 Ma，甘肃灵台和山西保德红黏土沉积序列粉尘来源由西昆仑山、帕米尔高原向塔克拉玛干沙漠和阿拉善区域演变，说明东亚干旱化进程在空间上的扩展，这种扩展过程也是受特提斯洋演化和青藏高原隆升控制，且距今3.4 Ma以后，青藏高原的隆升效应成为东亚环境的主要控制者。

第一、二阶段红黏土物源位于其主沉积区的西部，第三阶段红黏土物源位于其主沉积区的西北部，不同的路径来源指示粉尘搬运动力的改变。第一、二阶段红黏土物源位于青藏高原以西，在3.4 Ma青藏高原剧烈隆升后，由于高原的阻挡，其西部粉尘搬运消失，这说明第一、二阶段红黏土沉积可能主要是在西风的主导下完成的；第三阶段的搬运为西北向动力，且物源区为阿拉善区域，这一点与第四纪黄土-古土壤沉积序列[20-21]一致，说明3.4 Ma之后西北季风在粉尘搬运中起主导作用[48]。Gong等研究认为在红黏土沉积阶段，西风起主导作用，而在黄土沉积阶段，东亚季风起主导作用[22，49]。综上所述，在3.4 Ma之前，东亚季风较弱,中国北方干旱程度相对较低，无明显可搬运的物质及动力条件，随着3.4 Ma青藏高原的剧烈隆升，红黏土沉积后期的中国北部和西北部干旱程度加深，西风搬运沉积作用减弱，东亚季风成为粉尘沉积的主要动力(图1)。

5 结 语

(1)甘肃灵台红黏土剖面7.0、6.5、5.5、3.2 Ma沉积物和山西保德红黏土剖面6.56、5.24、3.50 Ma沉积物碎屑锆石U-Pb年龄分布在空间上具有一致性，说明两剖面沉积物物源区的空间一致性。

(2)综合甘肃灵台和山西保德红黏土剖面的锆石年龄沉积序列，对比该年龄沉积序列上下各样品锆石年龄数据得出黄土高原红黏土沉积物锆石年龄分布存在时间上的差异，说明黄土高原红黏土沉积物物源存在时间上的差异。

(3)通过与周边潜在物源区碎屑锆石年龄进行对比，根据物质来源的差异，可将黄土高原红黏土沉积物划分为3个沉积阶段：第一阶段(5.7～7.0 Ma)物源主要为西昆仑山、帕米尔高原；第二阶段(3.4～5.7 Ma)沉积物主要来自塔克拉玛干沙漠；第三阶段(2.6～3.4 Ma)物源主要为阿拉善区域。

(4)红黏土沉积物物源的转移表明2.6～7.0 Ma处于西风不断减弱伴随东亚季风不断增强的过程。红黏土物源的两次变化对应于约5.7 Ma墨西拿盐度危机和约3.4 Ma青藏高原的快速隆升，说明青藏高原以及中国西部山脉的隆升和板块运动控制下的特提斯洋演化是影响黄土高原风成沉积的重要因素。

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