研究论文 正式出版 版本 2 Vol 9 (6) : 589-598 2018
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石英矿物Al心和Ti-Li心ESR信号测年结果对比:以腾格里沙漠白碱湖地区BJ14钻孔中沉积物为例
Comparison of the dating results between Al signals and Ti-Li signals in quartz grains: a case from sediments of BJ14 core drilled from the Baijian Lake in the Tengger Desert
: 2018 - 09 - 01
: 2018 - 10 - 18
257 2 0
摘要&关键词
摘要:早—中更新世沉积年代的确定是第四纪研究领域亟待解决的难题,ESR测年法为该时段沉积物定年提供了可能。但已有的研究发现,石英矿物的Ti心和Al心ESR信号完全衰退“回零”或达到较稳定“残留”所需时间较长,因而其可信性备受质疑。本研究选取腾格里沙漠白碱湖地区BJ14钻孔中5个不同深度的样品,分别基于其中石英矿物的Ti心和Al心信号进行了ESR定年。测年结果显示:(1)2个样品基于Al心ESR信号与基于Ti-Li心ESR信号的测年结果在年龄误差范围内一致,其它3个样品Al心ESR信号测年结果较Ti-Li心信号测年结果偏老200—500 ka;(2)与该孔的古地磁测年结果对比表明,基于石英Ti-Li心ESR信号的测年结果相对可靠。上述研究结果表明石英Ti-Li心的ESR测年结果至少能提供中更新世更为可信的沉积年龄。
关键词:ESR测年;Al心;Ti心;腾格里沙漠
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope The determination of the depositional age of Early to Middle Pleistocene is an urgent problem for Quaternary studies, the ESR dating method provides the possibility for the dating of sediment during this period. However, previous works have found that it takes a long time for the signal associated with the titanium (Ti) and aluminum (Al) defects in detrital quartz grains to be reduced to zero or to constant residual value by sunlight exposure, which may cause the phenomenon that the ESR signal of quartz grains is incomplete bleaching prior to sediment deposition. On the other hand, when using ESR signal of quartz for dating, it is difficult to accurately determine whether the ESR signal has been reset to its constant residual value or to zero, moreover, the constant residual value of ESR signal for Al center is difficult to be estimated accurately. Therefore, the reliability by this method remains to be questioned. In this paper, we attempt to identify the best agreement between other age criteria established by Paleomagnetic dating study with observed age and to determine whether ESR dating is reliable. Materials and methods Here we have carried out ESR analyses on five samples with different depths from the BJ14 core drilled from the Baijian Lake in the present Tengger Desert based on Ti-Li signal and Al signal in detrital quartz grains. Results Our results show that: (1) this method yields agreement between the Al signal and Ti-Li signal ages for 2 samples, while Al signal ages were 200—500 ka older than Ti-Li signal for other 3 samples; (2) The dates obtained by this method based on Ti-Li signal are generally consistent with paleomagnetic dating results from BJ14 core and therefore appear to be reliable. Discussion The fact that the Al signal age is older than Ti-Li signal age is probably related to the previous recognition given Al center signal slower bleaching kinetics in comparison with the Ti center. In desert environment, the process of migration or accumulation for aeolian sand is rapid, for which ESR signal of Ti-Li center has been to reset to zero, while incomplete bleaching for ESR signal of Al center. Conclusions Finally, these results demonstrate that a great potential for using Ti-Li centres to date Early Pleistocene deposits, and the usefulness of using the Multiple Centres approach, here, although we only carried out ESR analyses based on two kinds of ESR signals (Ti-Li signal and Al signal) in detrital quartz grains. Meanwhile, we can infer that ESR optical age estimates to be reported as an accurate burial age based on Ti and Al signals should keep agreement between De values for both the Al and Ti signals. And if there is no independent age control, we obtain disagreement between the ages obtained by the two signals, and furthermore the Al signal age is less than that from the Ti signal age, then the Ti signal age can probably be taken as the age of burial. Recommendations and perspectives Our results show that the ESR dating has the potential to date much older deposits, and the importance to measure both Al and Ti centers for dating purpose. We recommend that the MC approach (the multiple center) should be finally very most tested for dating purpose.
Keywords: ESR dating; Al center; Ti-Li center; Tengger Desert
第四纪沉积物年代学研究中常用的测年方法有14C、热释光(TL)、光释光(OSL)、铀系(U-series)或电子自旋共振(ESR)等。其中,ESR的测年原理与OSL、TL相似,但ESR信号的饱和速率相对于OSL及TL信号更慢,其测年上限甚至大于5 Ma(Rink et al,2007),因此,采用ESR测量较老沉积物的年龄更具优势。而且ESR法测年材料相对丰富,包括碳酸盐沉积,各种生物化石、湖相石膏、火山岩、沉积物中石英矿物等。对于石英矿物可供ESR信号测定的顺磁中心包括E′心、OH心、Ge心、Al心和Ti心等。
在最后一次埋藏前,石英矿物的ESR信号是否完全“回零”是获取沉积物可靠年龄的关键(Liu et al,2010,2014)。前人利用实验室人工模拟太阳光源和自然光源开展了石英矿物不同顺磁中心ESR信号晒退实验,结果发现,实验的晒退条件、样品性质和来源都会影响ESR信号晒退结果和“回零”的时间,但一般情况下Ti心ESR信号在经过数十至上百小时可以完全衰退“回零”,而Al心ESR信号需要数百至上千个小时才能衰退到稳定“残留值”(根据石英样品性质不同一般为初始值的50%—80%)(高璐等,2009;Toyoda et al,2000;Tissoux et al,2007,2008;Gao et al,2009;Duval et al,2017),因此在利用Al心ESR法测年时需要扣除Al心的残余信号。在自然光照条件下,Ti心和Al心ESR信号完全晒退所需的时间可能更长,例如:Duval et al(2017)认为在排除各种对ESR信号晒退不利影响的情况下,如云量,阴雨天气等,在自然界Al心信号完全晒退到稳定“残留值”至少需要8个月,这可能造成沉积物在最后一次沉积时石英矿物ESR信号未完全晒退的现象;另一方面,在利用石英ESR信号开展测年时很难准确判断ESR信号是否已经完全“回零”或者达到了稳定“残留值”;并且Al心ESR信号的稳定“残留值”的大小也很难被准确估计。虽然目前石英ESR测年利用Al心和Ti心两种顺磁中心的ESR信号在河流阶地、河湖相沉积物及海岸风成沉积物的测年中都得到广泛应用(Beerten and Stesmans,2006;Rink et al,2007;Tissoux et al,2007;Liu et al,2010,2014;Rosina et al,2014),但测年结果都是基于沉积物在最后一次埋藏前,石英矿物的ESR信号已经完全“回零”或达到了稳定“残留值”的假设。
因此,部分学者对ESR测年的可靠性提出了质疑(Olley et al,2004;Sun et al,2011; Li et al,2014)。例如:Yin et al(2006)利用石英Al心再生剂量法对洛川黄土古土壤序列不同层位的黄土进行埋藏年代测试,发现样品的ESR年龄普遍比古地磁年龄低50%。Sun et al(2011)和Li et al(2014)对塔克拉玛干沙漠和腾格里沙漠钻孔石英样品利用Ti-Li心ESR信号测年,发现ESR测年结果线性关系并不明显,与古地磁测年存在较大偏差,认为在沙漠地层中ESR所测得的年代只能为古地磁年代框架提供约束,并不能确定所测地层的绝对年龄。
本文在腾格里沙漠白碱湖地区BJ14钻孔中选取5个不同深度的石英样品进行了ESR信号的测定,分别基于Ti-Li心和Al心信号计算了测年结果,并与该孔的古地磁结果进行比对,以期验证石英矿物Al心和Ti-Li心ESR测年的可靠性。
1   研究区概况及样品采集
腾格里沙漠南北长约240 km,东西长约160 km,总面积达4.3×104 km2,为我国第四大沙漠。其西南部临近青藏高原,东南部临近黄土高原,西部、西南部和东部分别被雅布赖山、祁连山和贺兰山所包围(Zhang et al,2004)。BJ14钻孔位于腾格里沙漠西北部白碱湖的现代湖岸地区(图1),钻孔地理坐标为39°05'23.89"N,104°11'50.82"E,总长度为104 m,取芯率达90%以上。钻孔地层整体以青灰色及灰黑色砂质沉积为主,棕色及灰绿色粘土质沉积次之,无砾石层,部分层位出现钙质胶结,根据钻孔地层特征,可划分为6个沉积单元(Fan et al,2018)。第1—2单元(103.8—64.19 m)以棕色粘土、粉砂质粘土及青灰色细砂沉积为主,其中粘土层夹有青灰色、棕色细砂,多段细砂具水平层理及明显斜层理,为深湖沉积环境。第3—6单元(64.19—0 m)主要以青灰色的细砂层夹有薄层的灰黑色细砂及棕色粘土层沉积为主,其中风成沙组分含量自64.19 m以上明显增加,沉积环境也从深湖环境逐渐向浅湖环境过渡(Fan et al,2018)。岩芯管从钻孔中提出后立即封口并装入遮光罩。岩芯运回实验室后,在暗室内微弱红光条件下采集样品。本文用于ESR定年的5个样品的深度分别为33.35 m、41.70 m、50.71 m、58.97 m、73.28 m。


图1   BJ14钻孔位置图
Fig.1 Location of BJ14 core
2   实验方法
2.1   石英颗粒提纯
石英颗粒的分离提纯在暗室环境中微弱红色灯光下进行,按照Fan et al(2010)的提纯流程,首先分别用浓度为10%的HCl和30%的H2O2溶液去除碳酸类矿物和有机质组分,用湿筛法筛选出粒径介于125—150 μm的组分,样品烘干后用磁选仪去除磁性矿物,依次过比重为2.62 g/cm3、2.72 g/cm3的多钨酸钠重液,选取2.62—2.72 g/cm3的组分,然后用浓度为40%的HF溶液溶蚀约40 min,去除残余的长石矿物及石英颗粒受α辐射贡献的表层部分,最后用浓度为10%的HCl去除样品中残余的氟化物,用去离子水清洗后得到纯净的石英颗粒。
2.2   ESR信号的测定和等效剂量(De)的获得
De值的获取方法有附加剂量法和再生剂量法。由于再生剂量法需要先将样品的ESR信号充分晒退后再进行辐照,ESR信号完全晒退相对困难、操作繁琐、测试周期也较长;而附加剂量法直接对样品进行辐照,反向外推获得相应的等效剂量,测试周期较短,所以本文石英样品的测试采用附加剂量法。首先将样品分成等质量的若干份(每份质量为(0.2±0.0002) g),然后送北京大学分子化学院钴源(60CO)实验室进行样品人工辐照,选取辐照剂量为0—11000 Gy,辐照后的样品放置一段时间(2个月左右)去除辐照后产生的短寿命干扰信号。
石英样品的ESR信号测定在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室ESR测量室完成,测量仪器采用德国Bruker公司生产的X波段EMX-6型ESR谱仪,在低温液氮77 k温度下,使用指状杜瓦对石英样品的Al心和Ti-Li心ESR信号进行测定。参照古地磁测量结果估计5个沉积物样品时代大致为中更新世至晚更新世,设定仪器的测量参数如下:测量功率5.0 mw;微波频率9.46 G Hz;中心磁场3400 G;扫场宽度320 G;转换时间20.48 ms;时间常数40.96 ms。为减少石英晶体各向异性对ESR信号的影响,每个样品测定六个方向,取平均值。测试完成后,对样品中未增加辐照剂量的组分,在实验室内利用人工模拟太阳光源持续曝光约1100 h,然后测定石英Al心残留的ESR信号,目的是确定样品Al心ESR信号充分晒退后稳定的“残留值”。
代表性石英样品的Ti-Li心和Al心ESR信号图谱如图2。石英Al心只能在低温下测量,但由于未配对电子会与附近其他顺磁中心相互作用而产生复杂的光谱,Toyoda and Falguères(2003)对Al心在77 K温度下的光谱进行了分析,认为E′心、OH心的ESR信号会与Al心第七峰到第十二峰之间的信号重叠,建议Al心ESR信号强度的测定从第一个峰(g=2.0185)峰顶到第十六个峰峰底(g=1.9928)。Ti-Li心ESR信号强度测量从g值为1.979峰顶至1.913峰底的信号部分(Rink et al,2007;Liu et al,2010)。


图2   代表性样品(16243)低温(液氮,77 K)条件下的石英矿物Ti-Li心和Al心ESR信号图谱
Fig.2 ESR signal spectrum regarding Ti-Li center and Al-center of the representative quartz sample 16243 observed at low temperature (liquid nitrogen, 77 K)
对于测量得到的Al心信号应扣除其残余值,然后进行拟合,拟合公式根据辐照的最大剂量及样品的预估年龄进行选择(Duval and Guilarte,2015)。本文选择单指数函数(SSE)拟合,拟合公式为\(\mathrm{y}=\mathrm{S}×\left(1-{\mathrm{e}}^{\left(-\mathrm{L}×\left(\mathrm{x}+\mathrm{D}\right)\right)}\))。其中,S为饱和信号强度,根据最大剂量点的Y轴坐标进行设置,可取其Y轴坐标值的2—3倍;L为饱和剂量的倒数,根据样品剂量增长曲线实际情况进行设置;D为待求De值,根据样品的估计年龄进行大致推算。样品在测试过程中受人为因素和机器运行不稳定等各种因素的影响,测量值会出现异常情况,拟合过程中,应对拟合曲线进一步调整以获得该样品真实的剂量响应曲线,将剂量响应曲线外推至x轴相交,交点的截距对应的剂量即为De值。单个样品中部分辐照剂量点获得的ESR信号出现异常值,过度偏离拟合曲线,为获得真实的剂量响应曲线,并减小等效剂量偏差,拟合回归时将对剂量曲线影响较大的异常辐照剂量点删除后再进行拟合,但所有样品的辐照剂量点均保持在9个点以上。
2.3   环境剂量率计算
环境剂量率指埋藏过程中石英样品在单位时间内接受周围环境及自身含有的放射性元素(主要是U、Th、K、Rb)衰变产生的α、β、γ以及宇宙射线产生的放射性剂量。而石英颗粒自身所含有的放射性元素因含量较低,衰变所产生的辐照往往可以忽略不计。本文采用中子活化法及α计数法测量了5个样品中U、Th、K、Rb的含量。然后依照Guérin et al(2011)提供的转换函数计算了α、β、γ射线所产生的剂量率,根据采样点纬度、经度、海拔以及样品的埋藏深度计算了宇宙射线对年剂量率的贡献(Prescott and Hutton,1994)。沉积物中的水分对射线有一定的吸收作用,对剂量率计算会产生重要的影响,但是样品在沉积埋藏过程中的含水量会随埋藏时间发生变化而难以准确估测,本文根据样品在实验室内实测含水量和饱和含水量估测了样品在埋藏过程中的平均含水(20%±10%),基于估测含水量计算了所有样品的环境剂量率。表1为测量得到的放射性元素含量和含水量相关数据以及计算得出的样品环境剂量率。
表1   样品环境剂量率及相关数据
样品编号
Sample number
深度
Depth /m
K/%U/ppmTh/ppmRb/ppm含水量
water content
/%
粒径
grain size /μm
剂量率
Gamma dose rate /(Gy/ka)
1624133.351.82±0.051.27±0.065.56±0.1970.1±4.9120±10125-1502.04±0.15
1624241.72.01±0.061.21±0.064.93±0.1891.5±5.3120±10125-1502.15±0.16
1624350.711.92±0.061.06±0.064.34±0.1677.8±5.0620±10125-1502.01±0.15
1624458.971.96±0.061.16±0.064.92±0.1885.3±5.2020±10125-1502.10±0.16
1624573.282.24±0.111.21±0.066.06±0.30/20±10125-1502.39±0.186
3   结果与讨论
3.1   基于Al心和Ti-Li心ESR信号的De值
图3为本研究样品De值的剂量响应曲线,所有响应曲线都较为相似。系统拟合优度是判断拟合结果可靠性的关键。根据Duval and Guilarte(2015)的研究,Ti心的De值应满足两个标准,以此确定其可靠性:系统拟合优度(R2)应大于0.98,拟合参数的相对误差应小于50%,本研究中的所有样品中除16241外,其它样品的系统拟合优度都大于0.98(表2),相对误差介于5%—16%,表明较可靠的拟合结果。关于Al心,Duval(2012)认为当系统拟合优度(R2)小于0.99,且拟合参数的相对误差大于25%时,拟合结果可能会受到质疑,本研究16241和16245两个样品的系统拟合优度(R2)介于0.98—0.99,小于0.99(表2),拟合结果可能并不令人满意,但拟合后De值的相对误差都小于25%。
ESR信号饱和性研究也是ESR测年研究领域的重点,因为ESR信号的饱和性决定测年的上限,前人的研究指出Ti-Li心信号增长在10000 Gy左右出现拐点,信号开始减小。从图3a中可以看出样品在被辐照9000 Gy时,Ti心信号依然保持增长,在被辐照到11000 Gy时样品16241信号有轻微的减少,16244信号明显减少,其他样品的信号依然保持增长的趋势,各个样品在较大剂量辐照下表现出不同剂量的饱和性,本文猜测这种现象与样品性质、经历和来源有关,而目前对于Ti心信号在大剂量辐照下信号减少的现象从ESR物理机理上仍没有一个很好的解释,其研究还有待继续。
基于Al心和Ti-Li心ESR信号获得的5个样品中石英矿物的De值都随深度呈现增大的趋势(表2),表现出良好的线性关系。在样品16241和16242中基于Al心与Ti-Li心De值在误差范围内一致,而其它3个样品(16243、16244和16245),基于Al心的De值比基于Ti-Li心的De值大400—1000 Gy。前人的研究已经指出石英矿物Al心信号较Ti心信号晒退速率要慢的多,时间差距在十倍以上(Gao et al,2009;Duval et al,2017)。本文的样品16241和16242基于Al心和Ti-Li心信号得到一致的De值,表明这两个样品在埋藏前Ti心信号已经完全晒退,而Al心信号已经晒退到稳定的“残留值”。
表2   利用石英Al心和Ti-Li心ESR信号获得样品的De值结果
样品编号
Sample number
深度
Depth /m
Al心 Al centerTi-Li心 Ti-Li center
相对晒退率
Relative bleached rate /%
拟合优度
Goodness-of-fit (R2)
De /Gy拟合优度
Goodness-of-fit (R2)
De /Gy
1624133.3543.90.98271279±1490.96671154±185
1624241.743.30.99541751±1550.98491545±238
1624350.7148.90.99732219±1180.99731823±94
1624458.9742.60.99342252±2140.98771626±202
1624573.2846.10.98093262±5130.97992208±350


图3   样品Ti-Li心和Al心ESR信号的剂量响应曲线
Fig.3 Dose response curves of samples of ESR signals regarding Al center and Ti-Li center, respectively
图中单个样品中实心点代表此辐照剂量点参与了等效剂量(De)的拟合,空心点代表此辐照剂量点未参与拟合。In the figure, the solid symbol represents that the radiation dose point is used for the equivalent dose (De) fitting, while the hollow symbol represents that the radiation dose point is not used for the equivalent dose (De) fitting.
3.2   ESR年代结果
表3列出了5个样品的ESR测年结果,从表3可以看出16241和16242两个样品中Ti-Li心和Al心的ESR年龄在误差范围内一致。样品16243、16244和16245的Al心ESR年龄普遍较Ti-Li心大200—500 ka,偏差介于15%—20%。在考虑到年龄误差的情况下,除样品16244外其余4个样品中Ti-Li心和Al心年龄总体上都是随深度而增大,呈现递增趋势,符合沉积规律。样品16244年龄出现倒置,年代偏小,主要原因可能是样品环境剂量率的异常。样品16244的实测含水量高达44.88%,且该样品取自粘土层夹杂的砂层内,该层位孔隙水不易流失,在埋藏过程中含水量应该保持在相对较高的含量范围内,而本文对该样品的估测含水量仅为20%±10%,可能对埋藏过程中真实含水量存在低估的现象,计算得到的环境剂量率偏大,造成该样品年龄的低估。本文按40%±10%对该样品的含水量重新估测,得到的剂量率结果为(1.831±0.12) Gy/ka,计算得出的Al心年龄为(1230±142) ka,Ti-Li心年龄为(925±129) ka。按照样品16244重新获得的年龄,5个样品的Al心和Ti-Li心年龄随深度都未出现倒置,但16243、16244和16245三个样品Ti-Li心的年龄相对接近可能指示了该孔从73.28 m至58.97 m的沉积过程中沉积速率相对较高。
表3   利用石英Al心和Ti-Li心ESR信号获得的样品年代结果
样品编号
Sample number
深度
Depth /m
剂量率
Gamma dose rate /(Gy/ka)
Al心Al centerTi-Li心Ti-Li center
De /Gy年龄
Age /ka
De /Gy年龄
Age /ka
1624133.352.04±0.151279±149626±861154±185564±100
1624241.702.15±0.161751±155815±941545±238719±122
1624350.712.01±0.152219±1181104±1011823±94906±83
1624458.972.10±0.162252±2141075±1301626±202776±117
16245*73.282.39±0.1863262±5131363±2392208±350922±163
3.3   年龄可靠性的讨论——与古地磁极性年代的对比
Fan et al(2018)对BJ14孔进行了详细的古地磁测年研究,且与腾格里沙漠腹地WEDP01钻孔(图1)的古地磁测年结果(Li et al,2014)进行了对比,可以认为古地磁结果是比较准确和可靠的,本文将古地磁年代作为参考年龄与ESR年龄进行对照。古地磁分析结果显示BJ14孔的B/M(松山(Matuyama)-布容(Brunhes))界线(~780 ka;Singer,2014)置于该孔深度44.45 m处,B/M界线上部的2个样品(16241、16242)Al心和Ti-Li心年龄在误差范围内一致,且均小于780 ka(图4),Rink et al(2007)指出如果获得的沉积物Al心和Ti心年龄在误差范围一致,则可认为ESR年龄是相对可靠的,由此可以判断16241、16242的Ti-Li心和Al心年龄为真实的埋藏年龄。通过钻孔41.70 m(16242)和50.71 m(16243)获得的Ti-Li心年龄(假设沉积速率在41.7 m至50.71 m保持定值)推算钻孔B/M界线深度的沉积物ESR年龄为781 ka,与松山(Matuyama)-布容(Brunhes)倒转的时间一致,基于以上推论,样品16243的Ti-Li心年龄同样相对可靠。根据样品16242、16243的Al心年龄推算的结果为905 ka,较极性倒转时间大110 ka,且样品16243的Al心年龄较Ti-Li心年龄偏大约200 ka(图4),由此可以得出样品16243的Al心较真实年龄偏大的结论。Jaramillo极性亚时顶界位于该孔73.5 m,深度为73.28 m的沉积物(16245)测得的Ti-Li心ESR年龄为(922±163) ka,Al心年龄为(1363±239) ka(图4),Jaramillo极性亚时结束的时间为988 ka(Singer,2014),因此可推断16245 Ti-Li心接近于真实沉积年代,而Al心年龄偏大。样品16244采集于Jaramillo极性亚时结束(~988 ka)至Brunhes正向极性时开始(~780 ka)阶段的深度范围之内(图4),16244的Ti-Li心年龄为(776±117) ka,Al心年龄为(1075±130) ka,但这两个年龄由于环境剂量率的异常造成低估(详细解释见3.2章节)。根据重新估测的含水量计算的Al心年龄为(1230±142) ka,Ti-Li心年龄为(925±129) ka,这两个年龄中Al心年龄超出了988—780 ka,Ti-Li心年龄在这一年龄范围内,由于没有绝对年龄作为参考,因此理论上可认为Ti-Li心年龄接近真实的地层年龄,而Al心年龄偏大。样品16243、16244和16245的Ti-Li心年龄相对接近则指示了该孔从73.28 m至58.97 m的沉积过程中沉积速率相对较高,该孔及腾格里沙漠腹地WEDP01孔的古地磁测年结果同样可以证明这一结论(Fan et al,2018;Li et al,2014)。基于“多心法”(multiple-center method)对比原则,Al心信号晒退速率较Ti心慢(Toyoda et al,2000;Duval et al,2015),因此16243、16244和16245三个样品Al心和Ti-Li心年龄上的差异可以解释为沉积物在沉积前Al心ESR信号未完全晒退到稳定“残留值”。


图4   BJ14孔的岩石地层和磁极性地层及其与地磁极性年表的对比(BJ14孔磁极性地层引自Fan et al(2018),地磁极性年表引自Singer(2014))
Fig.4 Lithostratigraphy and magnetic polarity stratigraphy of BJ14 core and their correlations with the geomagnetic polarity time scal (magnetic polarity of BJ14 core is from Fan et al (2018), while the geomagnetic instability time scale (GITS) is from Singer (2014))
白碱湖属于我国西北干旱区内有河流注入的内陆封闭性湖泊,西北地区沙尘活动频繁,其沉积的湖相地层必定接受了大量的风成沉积。在相对稳定的沉积盆地内,具有相同搬运方式的沉积物在粒度特征上体现为具一个特定范围的众数粒径(Ashley,1978),沉积物的粒度分布服从自然分布函数,粒度曲线上表现出单峰分布,两个或多个的搬运过程的相关沉积物为多个自然函数的和,粒度曲线上表现出多峰分布。图5a是5个样品对应深度沉积物粒度分布频率曲线,结果显示5个样品对应深度沉积物粒径为典型正态单峰分布,众数粒径大约位于150—300 μm,峰值在180—200 μm。Dietze et al(2014)研究表明粒径介于90—250 μm的碎屑颗粒由风成沙组成,主要为近地表搬运的跃迁和滚动组分,Li et al(2014)对腾格里沙漠现代沙丘沙和钻孔表层沉积物粒度分析表明风成沙组分的粒径集中于120—298 μm,5个样品对应深度沉积物粒度分布频率曲线与典型风成沙粒度频率曲线相吻合(图5),表明这5个样品对应深度的沉积物中风成沙成分占主导,为典型的风成沉积。


图5   样品对应深度沉积物(a)和腾格里沙漠表层现代沙丘沙(b)粒度分布频率曲线(腾格里沙漠表层风成沙粒度数据引自李再军,2014)
Fig.5 Grain-size distribution curves of the sediments of the depth corresponded to samples (a) and modern sand dunes on the surface of the Tengger Desert (b)
本文推测16243、16244和16245三个样品Al信号未完全晒退到稳定“残留值”的原因可能与特殊的沙漠环境中风成沙具高速迁移的堆积过程有关,由于沙漠环境中沙尘活动频繁,沙粒的侵蚀、搬运和堆积本就是一个快速过程(王飞,2014),在强劲的风力驱动下已埋藏一定时间的风成沙石英颗粒(已累积定量的ESR信号)会被重新侵蚀、搬运,然后在极短的时间内大量堆积到湖泊水体环境中,甚至多数沙尘天气在夜间发生(Wintle,2008),同时上空移动的风尘会影响阳光强度,从而减少对近地面风尘的曝光程度。这些特殊情况都不利于ESR信号的晒退“回零”,使沉积物在最后一次埋藏前其中的石英颗粒ESR信号有所保留,虽然很难准确估计沉积物中石英颗粒ESR信号总的晒退时间,预计不会超过8个月,由于石英矿物Al心信号较Ti心信号完全晒退“回零”或达到“稳定值”要慢的多,时间差距在十倍以上,因此较短时间的暴晒足以使Ti心ESR信号充分晒退“回零”,但难以使Al心ESR信号晒退到稳定“残留值”,造成Al心测年结果的偏大。总之,ESR信号测年可靠性的关键是基于样品在最后一次曝光前ESR信号已经完全晒退“回零”或达到了“稳定残留值”,但是这种情况往往无法准确判断,最好的方法就是测量现今采样点表层沉积物石英Al心ESR信号,对比人工晒退前后信号的差异(Duval et al,2015),但这种方法受很多因素的制约,例如无法确定过去与现今沉积物ESR信号晒退环境是否一致(Jain et al,2014),因此会对测年结果带来很多不确定的因素。
Al心信号的稳定残留值与石英晶格深部陷阱中Al顺磁性中心(deep aluminium traps,DAT)的强度有关,Tissoux et al(2012)研究指出石英的DAT强度依赖于样品的性质,并且发现火山岩中石英的DAT强度随实验室辐照的剂量增加而增加,而沉积物中石英的DAT强度不会随人工剂量的辐照而发生变化,由此得出沉积物中的石英的DAT继承了被剥蚀的火成岩中石英晶体的DAT,并且在源岩侵蚀时期DAT就已经达到了饱和的结论。但是如果在埋藏前沉积物中石英的DAT未饱和,而在沉积过程中继续受到周围地层α、β、γ以及宇宙射线的辐照,而重新达到饱和,如此通过人工晒退得到的Al心信号稳定的残留值,即DAT,就与计算De值时需要扣除的残余值不同,导致Al心测年结果出现偏差,这可能也是导致本文三个样品Al心和Ti-Li心ESR信号测年结果不一致的原因,但是根据目前对大多数样品的统计研究,这种现象并不普遍。
4   结论
腾格里沙漠白碱湖地区BJ14钻孔中5个不同深度的石英样品中2个样品的Ti-Li心和Al心测年结果在年龄误差范围内一致,其它3个样品Al心获得的年龄较Ti-Li心大200—400 ka,偏差在15%—20%。5个样品中Ti-Li心和Al心年龄总体上都是随深度而增大,呈现递增趋势,未出现年龄倒转现象,符合沉积规律。通过与该孔的古地磁测年结果对比发现Ti-Li心获得的年龄是相对可靠的,而这3个样品中Al心测年结果偏大的原因可能与沙漠环境中风成沙具高速迁移与堆积过程有关,使得Al心的ESR信号未完全晒退,所测年代偏大。该研究结果表明沙漠环境中风成沙石英Ti-Li心信号的ESR测年结果至少能提供中更新世更为可信的沉积年代。
致谢:
感谢中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室刘春茹老师在实验过程及数据分析中的细心指导和帮助。
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稿件与作者信息
李振军1*
LI Zhenjun1*
lizhj17@lzu.edu.cn
牟雪松1
MOU Xuesong1
范育新1, 2
FAN Yuxin1, 2
国家自然科学基金项目(41772169);中央高校基本科研业务费项目(Lzujbky-2018-it21)
National Natural Science Foundation of China (41772169 ); Fundamental Research Funds For the Central Universities (Lzujbky-2018-it21)
出版历史
出版时间: 2018年10月18日 (版本2
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地球环境学报
Journal of Earth Environment