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科研快讯:晚中新世以来全球变冷驱动黄土高原的形成演化

发布日期: 2022-11-02 阅读次数:
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【科研快讯】

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyMzQ3NDc5MA==&mid=2247491942&idx=1&sn=ebfcda96ff06f0f5e88e16007ca01448&chksm=e81f046fdf688d7987267845ac9238045ed298daa247e5051a39d7f20f2a02ba88686cc41177&token=186560609&lang=zh_CN#rd


张瀚之,鹿化煜 

一、黄土高原简介

黄土高原是中华文化的发祥地,是地球表层的重要景观之一,具有独特的地貌、气候、土壤和植被。黄土高原主体是260万年以来堆积的黄土,主要成分粉砂质沉积物质,总厚度从近400米到几十米不等(图1);黄土之下还堆积着100多米到几十米厚的红色细粒沉积,专业上称为“红黏土”,其沉积时间跨度为约800万年前到260万年期间(在甘肃秦安、庄浪一带的红黏土底部年龄可达2200多万年)(图2)。晚新生代黄土高原的粉尘堆积是区域气候环境演化的绝佳记录。长期以来,关于黄土高原的形成演化及其粉尘中记录的区域气候环境变化,吸引着诸多的科学家进行研究。

 

1黄土高原中部洛川黄土剖面(现为国家地质公园



2 黄土高原北部佳县剖面白线之上为晚更新世黄土,白线之下为晚中新世-上新世红黏土)

二、黄土高原风成沉积8百万年以来物源演化争议

早在十九世纪后期,黄土高原风成成因的学说就已经提出。在二十世纪八十年代,我国著名科学家、国家最高科学技术奖获得者刘东生院士在《黄土与环境》专著中,系统提出并阐述了黄土高原风成学说,认为形成于距今约260万年至今,并且是风力搬运的粉砂颗粒(直径2-63微米)堆积的结果。这一奠基性的研究结果,揭示了黄土高原的形成过程,成为后续研究的基础。晚新生代黄土粉尘的物源,是认识黄土高原形成和演化的关键,也是揭示粉尘源区风化剥蚀、亚洲内陆干旱化的重要手段。

许多科学家从不同的角度对黄土沉积物源进行了大量的研究,积累了大量的证据,推动了对这一问题的认识。目前,大部分研究认为粉尘堆积主要来自黄土高原西北部的干旱区碎屑物质混合贡献,主要包括青藏高原东北部、戈壁阿尔泰山、鄂尔多斯地块之间的干旱区。然而,关于晚新生代以来黄土高原物源演化过程,目前仍存在比较大的争议。其中一个重要的争议在于,百万年时间尺度黄土高原物源是否发生变化?如果发生变化,是由什么因素主导?同位素地球化学指标(如Sr-Nd-HfPb同位素)、石英δ18O等研究结果指示黄土的物源在构造时间尺度发生过变化;而同样基于Sr-Nd-Hf同位素示踪体系的工作又认为8百万年以来黄土高原物源相对稳定,之前研究得到的物源变化可能是由于Sr同位素受到区域风化影响而造成的。因此,解决这一争议的关键点在于,能否找到一种能够剥离区域风化影响的指标或载体。

三、大样本碎屑锆石年龄与物源定量估算

大量研究表明,锆石由于其结构和成分的稳定性,在剥蚀、搬运、沉积过程中基本不受影响,碎屑锆石U-Pb年龄谱的分布和丰度可以用来示踪和识别沉积物中的多物源混合信息。统计学研究表明,大样本法(n>300)碎屑锆石U-Pb年龄谱可以降低不确定性,获得更加“真实”的U-Pb年龄谱分布。“工欲善其事,必先利其器”,我们依托南京大学地理与海洋科学学院的锆石U-Pb测年实验室(图3),经过反复试验,在保证测试精度的前提下,成倍提高了测试效率,保证了大样本方法的顺利开展。

 

3 南京大学地理与海洋科学学院锆石U-Pb测年实验室

左图:New wave 193nm 准分子激光剥蚀系统 (LA)右图:Agilent 7700x 电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS)

在获得大样本量数据的基础上,本研究应用了SundellSaylor2017年提出的基于Matlab的拟蒙特卡洛方法,进行不同源区贡献的定量估算。这一方法通过不断改变潜在来源的贡献进行大量(本研究为一万次)拟合迭代,尝试拟合出与样品锆石U-Pb年龄概率密度分布曲线(PDP)或累积分布曲线(CDF)一致的分布曲线,并选择前1%的最佳拟合,得到最终的定量估算结果。

四、黄土高原的三个主要潜在源区

本研究采用大样本法碎屑锆石U-Pb年龄谱示踪手段,对黄土高原潜在源区的地表样品进行了系统的调查。采集了青藏高原东北部山前冲积扇、戈壁阿尔泰山前冲积扇、腾格里沙漠、毛乌素沙地等29个潜在地表源区样品,并收集了140个已发表的中国北方干旱区现代沉积的碎屑锆石U-Pb年龄和Sr-Nd-Hf同位素数据(图4)。结合区域构造和地貌背景和前人的研究,我们将黄土高原粉尘源区分为三个主要区域,包括青藏高原东北部、戈壁阿尔泰山山脉和鄂尔多斯地块之上的干旱区。其中,青藏高原东北部锆石U-Pb年龄谱以350-550 Ma锆石为主,戈壁阿尔泰山山脉以250-350 Ma锆石为主,而鄂尔多斯地块之上的干旱区(如毛乌素沙地)则以老于1200 Ma的锆石为主。位于这三个地块之间的腾格里沙漠、毛乌素沙地和黄土高原的碎屑锆石U-Pb年龄谱则呈现三个端元混合的特征(图5)。

 

4 研究区气候-构造背景

A: 东亚及周缘地区风成沉积分布及冬、夏季风流场示意图;B:黄土高原研究点位分布;C:潜在源区采样、数据收集点位分布(参考文献详见Zhang et al., 2022 Science Advances

 

 

5 黄土高原佳县、米脂、洛川剖面代表性层位和潜在源区碎屑锆石U-Pb年龄分布

五、黄土高原代表性剖面的碎屑锆石特征

我们系统采集了黄土高原北部(佳县-米脂剖面)、中部(洛川剖面)和南部(蓝田剖面)总共126个层位的红黏土、黄土和古土壤样品,测试了超过44,500个碎屑锆石U-Pb年龄数据(图5)。大部分测试的锆石颗粒粒级为中-粗粉砂,是黄土高原风成堆积的主要粒级组成(图6)。在此基础上,还收集了已发表的黄土高原中部朝那剖面的碎屑锆石U-Pb年龄数据。利用逆蒙特卡洛模型,对佳县-米脂剖面和洛川-朝那剖面的碎屑锆石年龄数据,进行了不同源区贡献量的定量估算。结果表明,黄土高原的粉尘堆积主要来自青藏高原东北部;8 Ma年以来,黄土高原物源组合相对稳定,青藏高原东北部的物质贡献在1.2 Ma有所增加(图7)。

 

6 黄土高原佳县红黏土锆石CL


800万年以来黄土高原沉积物锆石年龄谱变化指示的物源变化及与全球温度、亚洲季风气候变化的联系。A, B, C, D, E, F: 佳县-米脂(A, B, C)和洛川-朝那(D, E, F)物源定量估算结果;G, H, I: 黄土高原多剖面风尘Sr-Nd-Hf同位素变化;J: 西峰剖面角闪石与稳定重矿物的比例;K, M: 佳县、朝那剖面>30微米粒度含量(冬季风强度指标);L, N:佳县、朝那剖面磁化率(夏季风强度指标);O:黄土高原粉尘堆积速率均值;P:全球底栖有孔虫氧同位素。(参考文献详见Zhang et al., 2022 Science Advances

六、全球变冷控制8百万年以来黄土高原演化

在此基础上,我们还系统的收集了黄土高原的Sr-Nd-Hf数据、重矿物组合数据和粉尘堆积速率数据(图7)。Nd-Hf数据和稳定矿物组合表明,8百万年以来黄土高原物源相对稳定,与本研究利用锆石示踪得到的结果一致。在2.6 Ma 1.2 Ma,黄土高原角闪石含量逐步增加、87Sr/88Sr值逐步降低、黄土高原粉尘堆积速率逐步增加,这一变化可以解释为粉尘源区在2.6 Ma1.2 Ma物理剥蚀逐步增强,化学风化逐步减弱,区域干旱化加剧。以上变化过程与晚新生代全球逐步变冷同步,而与区域构造活动时间并不匹配。

因此,我们认为全球变冷在晚中新世以来黄土高原的演化过程中起了主导性作用(图8)。晚新生代全球温度逐步降低、冰量逐步扩大,这一过程会引起青藏高原东北部冰川、冰缘作用加剧、亚洲内陆干旱化加剧和东亚冬季风增强,进而导致区域物理剥蚀增强,化学风化减弱。


 

8 山地风化剥蚀、沉积物传输、沙漠黄土堆积和黄土高原形成过程示意图(改自Zhang et al., 2022 Science Advances

 

本文第一作者系南京大学地理与海洋科学学院副研究员,通讯作者为南京大学地理与海洋科学学院教授。本文属作者认识,相关问题交流可通过邮箱hanzhizhang@nju.edu.cnhuayulu@nju.edu.cn联系。



欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。

主要参考文献

刘东生, 1985. 黄土与环境, 科学出版社

Z. T. Guo, W. F. Ruddiman, Q. Z. Hao, H. B. Wu, Y. S. Qiao, R. X. Zhu, S. Z. Peng, J. J. Wei, B. Y. Yuan, T. S. Liu, 2002. Onset of Asian desertification by 22 Myr ago inferred from loess deposits in China. Nature 416, 159–163.

Z. An, Late Cenozoic Climate Change in Asia: Loess, Monsoon and Monsoon-arid Environment Evolution, 2014. Springer Science & Business Media.

陈骏,李高军,2011. 亚洲风尘系统地球化学示踪研究, 中国科学:地球科学. 09: 1211-1232.

  1. J. Nie, A. Pullen, C. N. Garzione, W. Peng, Z. Wang, 2018. Pre-Quaternary decoupling between Asian aridification and high dust accumulation rates. Sci. Adv. 4, eaao6977.

  2. A. Pullen, M. Ibáñez-Mejía, G. E. Gehrels, J. C. Ibáñez-Mejía, M. Pecha, 2014. What happens when n= 1000? Creating large-n geochronological datasets with LA-ICP-MS for geologic investigations. J. Anal. At. Spectrom. 29, 971–980.

  3. K. E. Sundell, J. E. Saylor, 2017. Unmixing detrital geochronology age distributions. Geochem. Geophys. Geosyst. 18, 2872–2886.

  4. Hanzhi Zhang, Huayu Lu, Jing He, Wanting Xie, Hanlin Wang, Hongyan Zhang, Daniel Breecker, Anna Bird, Thomas Stevens, Junsheng Nie, Gaojun Li. 2022. Large-number detrital zircon U-Pb ages reveal global cooling caused the formation of the Chinese Loess Plateau during Late Miocene. Science advances, 8 (41), eabq2007.

  5. Hanzhi Zhang, Huayu Lu, Thomas Stevens, Han Feng, Yu Fu, Junyan Geng and Hanlin Wang. 2018. Expansion of Dust Provenance and Aridification of Asia Since ~7.2 Ma Revealed by Detrital Zircon U-Pb Dating. Geophysical Research Letters 45(24):13, 413-437, 448.

  6. Hanzhi Zhang, Huayu Lu, Xisheng Xu, Xiaoming Liu, Tao Yang, Thomas Stevens, Anna Bird, Zhiwei Xu, Tian Zhang, Fang Lei, Han Feng, 2016. Quantitative estimation of the contribution of dust sources to Chinese loess using detrital zircon U-Pb age patterns, Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 121(11): 2085-2099.




责编:胡修棉

图文:张瀚之,鹿化煜

审核:赖文,马安林

校对:祝上

美编:李宇琪


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