嘉陵江上游靈官峽段一級階地光釋光測年

羊俊敏 周亞利 龐獎勵 張旭 孫曉巍

摘 要

秦嶺地區階地黃土廣泛分布，揭示著秦嶺的環境演變過程;發源于秦嶺的嘉陵江，上游階地堆積黃土，其可靠的地層年代序列能夠為嘉陵江上游古環境研究提供時間標尺。本文以嘉陵江上游靈官峽段一級階地黃土剖面為研究對象，利用光釋光單片再生劑量法測定等效劑量。由于大部分樣品曬褪不徹底，因此以CW-OSL曲線拆分法分離出快速組分，最終確定等效劑量值，以此確定了嘉陵江上游靈官峽段一級階地的形成時間在58.99 ka左右;并結合地層沉積特征和粒度分析，建立了自末次冰期以來嘉陵江上游靈官峽段氣候演變的年代序列：底部黃土堆積于干冷的末次冰期（58.99～21.47 ka）;21.47 ka以后直至2.42 ka，缺乏黃土沉積記錄;古土壤發育于溫暖濕潤的晚全新世（2.42 ka～0.35 ka）;0.35 ka以后氣候轉為干冷，再次堆積黃土。

關鍵詞

嘉陵江上游; 階地黃土; 光釋光; 氣候變化

中圖分類號： ?K924.2;K29 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.070

Abstract

Loess is widely distributed on river terraces in Qinling Mountains， which reveals the climate changes of Qinling Mountains.The Jialing River is originated from Southern Qinling Mountains. There is loess accumulation on the upper stream terraces.The reliable stratigraphic chronology can provide time scale for researching palaeoenvironment process in the upper reaches of Jialing River.In this article，Lingguanxia（LGX）loess profile is taken as the research object which located on the first terrace of the upper reaches of Jialing River.Single-aliquot regenerative-dose（SAR） Optically Stimulated Luminescence（OSL） dating protocol is used to determine the equivalent dose in order to get the stratum age.Because most of the samples OSL signal are not completely faded before the last deposition， the equivalent dose value is determined by the fast components which are separated by CW-OSL raw curve splitting method.The formation time of the first terrace of LGX section is about 58.99ka.Combining with the stratigraphic sedimentary characteristics and grain size analysis，the chronological sequence of climatic evolution in LGX section since the last glacial period has been established. Loess deposited at the bottom during the last dry-cold glacial period from 58.99 ka to 21.47ka.After 21.47ka until 2.42ka，there was no loess saved; paleosoils developed in the warm and humid in the late Holocene between 2.42ka and 0.35ka;after 0.35ka， the climate changed to dry and cold， and loess accumulated again.

Key Words

Upper reaches of jialing river;Terrace loess;OSL dating;Climate change

0 引言

秦嶺作為我國南北的天然分界線，對環境響應敏感。其山間盆地和河谷階地廣泛分布風成黃土，成為秦嶺環境變化研究的重要載體。以秦嶺黃土展開的研究，從沉積物特征、植被及形成時代等方面，揭示著秦嶺第四紀以來的古氣候演變[1-2]。

嘉陵江發源于秦嶺山麓，沿岸河谷發育多級階地，自古以來是重要的水上交通要道和文化分布區。但多變的氣候和復雜的地質環境，導致流域內水土流失嚴重，泥石流、滑坡、洪水等自然災害頻發[1，3]，嚴重影響了流域的經濟開發和環境保護。研究流域古環境演變的過程，會對流域的工程建設、生態建設、災害防治及旅游開發等提供重要的參考價值。因此，本文選擇嘉陵江上游靈官峽段一級階地出露較好的黃土剖面作為研究對象，采用光釋光測年方法，建立嘉陵江上游一級階地的年代序列，并結合粒度分析探討自階地形成以來的環境演變歷史。

1 研究區域和剖面特征

1.1 研究區概況

嘉陵江流域地勢西北高東南低，干流流經陜西省、甘肅省、四川省三省，最終于重慶朝天門注入長江，全長1345千米，流域總面積約為16萬平方千米，是長江流域面積最大的支流。嘉陵江流域位于西北地區、青藏高原、東部地區的結合部，屬亞熱帶溫暖濕潤的季風氣候，年降水量達1000mm以上，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤;徑流主要由降水補給，多集中于7-9月。上游起陜西鳳縣至四川廣元昭化鎮，地勢陡峭，穿行于秦嶺、米倉山等崇山峻嶺之間，上游山地海拔1000～3000m，相對高差400～1000m，河流襲奪現象明顯且下切侵蝕嚴重，形成深切峽谷;受降水等影響，此段水產能力較強，水流湍急，同時常誘發崩塌、滑坡等自然災害;在少數山間盆地河谷較寬，谷坡有斷續延伸的階地。廣元至重慶合川為中游段，河曲發育。合川以下為下游段，大部流經四川盆地平行嶺谷區，最終注入長江。

1.2 研究剖面特征

嘉陵江上游一級階地靈官峽（LGX）剖面（33°56′29.4″N，106°24′39.64″E）位于兩當與嘉陵江的入口處，地層厚度共7m，地層剖面特征見圖2。0～0.5m，灰黑色表土層，土質疏松，可見根孔、蟲孔，草根分布其中;0.5～1.2m，淺濁黃色黃土，土質較疏松，有蟲孔、根孔，垂直解理發育;1.2～2m，淺灰黑色土壤，有蟲孔，根孔，垂直解理發育，團粒狀結構，發育白色碳酸鹽膠膜;2～5m，淺濁黃色黃土，土質較疏松，顆粒較粗，垂直解理發育，底部發育零星鈣結核;5m以下，為大小不等礫石形成的河漫灘沉積。地層未見底。

1.3 樣品采集

本研究在特征層位共采集光釋光測年樣品4個。在修整好的新鮮垂直地層剖面上，將直徑為5 cm的不銹鋼管分別垂直打入礫石上覆黃土層和古土壤的頂界及底界附近，待沉積物充滿鋼管后取出并密封，以免曝光和水分散失。同時，在與光釋光樣品平行層位處采集沉積樣品。

2 研究方法

2.1 光釋光測年方法

樣品前處理在安全可靠的暗室條件下，去除不銹鋼管兩端2～3cm的曝光部分，用于U、Th、K含量及含水量的測試，未見光部分分別加入濃度10%的HCl溶液和10%的H2O2溶液，去除次生碳酸鹽礦物和有機質后清洗至中性，烘干后篩分。選擇粒徑為63～90μm的顆粒，用濃度為40%HF溶液溶蝕，清洗后以10%HCl溶液去除石英表面的氟化物。清洗烘干，用紅外釋光（IRSL）做石英純度檢驗，當長石的釋光信號為零或與石英釋光信號強度比值小于10%時，說明石英已經提純，即可制樣片備測。

光釋光樣品的等效劑量測試是在陜西師范大學地理科學與旅游學院TL/OSL釋光斷代實驗室中采用丹麥Ris?TL/OSL-DA-20型全自動釋光儀進行實驗。該儀器藍光激發光源波長為470±30nm，紅外激發光源波長為880±80nm，人工β輻射源為90Sr/90Y源，活度為1.48Gq，濾光片為HoyaU-340，光電倍增管為EMI9235QB15。

劑量率與樣品的含水量、周圍地層中的U、Th、K含量及宇宙射線等有關。U、Th、K放射性物質的含量在北京原子能研究院利用中子活化法測得，含水量通過實驗室烘干法測得。宇宙射線對環境劑量率的貢獻，根據樣品所在地的經緯度、海拔高度、埋藏深度和沉積物密度轉換得到。最后，依據樣品的劑量率和等效劑量，通過AGE 2003計算軟件得到樣品OSL年齡值。

2.2 粒度測試方法

分別稱取自然風干的樣品約0.3 g置于500 ml燒杯中，加入10ml的10%H2O2溶液攪拌，并在加熱板上加熱使其充分反應，去除樣品中的有機質;冷后向燒杯中加入10ml的10%HCl溶液加熱使其充分反應，去除碳酸鹽礦物;冷卻，向燒杯中注滿蒸餾水，靜置沉淀72 h后換水，直至溶液呈中性，加入六偏磷酸鈉（Na2P2O6）溶液，并用超聲波震蕩10分鐘使樣品顆粒充分分散，最后采用美國 Beckman Coulter 公司生產的 LS13320 激光粒度儀進行測定。

3 等效劑量測試

等效劑量（De）值均采用單片再生劑量法（SAR）測定。

3.1 預熱坪區

預熱溫度的選擇直接影響等效劑量De值的可靠性。由于淺陷電子的躍遷會產生不穩定的釋光信號，加熱會使能量較低但不易曬褪的陷獲電子發生熱轉移，使得光釋光信號增強，獲得的等效劑量值偏大。因此，為避免這類影響，在用SAR法測試等效劑量值之前，需要選擇合適的預熱溫度，以獲得穩定可靠的釋光信號。本文選取代表性樣品LGX-1進行預熱坪區的實驗，預熱溫度從180℃開始，以20℃的間隔增加溫度至300℃，預熱10s后，在125℃的藍光條件下激發40s，每個溫度至少測試3個片。如圖3（a）所示，在180℃～240℃范圍內隨著溫度的上升，De值在2.2 Gy～2.55 Gy之間，出現無顯著變化的“坪區”，因此理論上可在180℃、200℃、220℃和240℃間任選其一作為預熱溫度。

3.2 劑量恢復

為了進一步檢驗預熱溫度確定的測試條件的合理性和可靠性，還需要對樣品做劑量恢復實驗測試。首先，將測片在室溫條件下用藍光兩次激發40 s，中間暫停10000 s以清除熱轉移產生的不穩定電子，再輻照已知人工劑量，利用SAR法得到實測等效劑量，將實測等效劑量與已知人工劑量對比（實測等效劑量/人工輻照劑量），得到樣品的劑量恢復系數，若劑量恢復系數接近于1（0.9～1.1之間），則所選測試條件適合樣品的等效劑量測試。如圖3（b），當給樣品LGX-1人工輻照劑量為2.25 Gy時，在180℃～260°C劑量恢復系數介于0.91～1.0之間，且在240℃時劑量恢復系數為0.97，最接近于1。

此外，為避免在測試過程中由于頻繁的預熱、輻照、曬褪而產生靈敏度的變化，采用檢驗劑量（test- dose）對石英的感量變化進行校正。如圖3（b），樣品LGX-1的循環比介于0.94～1.1之間，表明測試過程中樣品產生的靈敏度得到了較為理想的校正。

6 討論

6.1 嘉陵江上游LGX段一級階地的年代框架

可靠的年代框架是反演古環境演變的重要前提，嘉陵江上游階地沉積年代數據的缺乏，影響了區域古環境演變研究的開展。本文對嘉陵江上游LGX段一級階地沉積物，利用光釋光測年的方法，建立了嘉陵江上游LGX段一級階地沉積物的年代序列框架，在距今58.99 ～ 21.47 ka期間堆積黃土，在2.5～0.35ka時段發育古土壤。

采用石英常規SAR法測年獲得的年齡數據，從階地黃土的底部到頂部呈現逐漸減小的趨勢。底部（LGX-4）年齡為58.99±5.54ka，等效劑量為206.68Gy，釋光生長曲線未達到飽和，可以認為LGX的底部年齡數據是可靠的。晚更新世以來，受新構造運動抬升的影響，南秦嶺的漢江上游丹江段在57.78±1.19ka、漢中段在57.2±2.5ka及安康段在46.1±4.1ka分別下切形成T1階地[2];西秦嶺渭河流域漳河段在50ka～60ka下切形成T2階地[7]。上述各斷裂發生和階地形成時間基本在同一時期，與LGX階地底部黃土的年齡相近，底部黃土年代可以代表階地的最小形成年齡。考慮到地理位置的差異，可以認為在誤差范圍內，嘉陵江上游LGX段在58ka左右也受到新構造運動抬升，下切形成一級階地。LGX底部黃土頂界的光釋光年齡為21.47±1.96ka，同位于秦嶺的丹江T1階地的最底部黃土頂界年齡（22.61±0.43ka）、鄖縣鄖西段T1階地最底部黃土頂界年齡（28.4±0.3ka）[2]，地理位置依次從西向東，在誤差范圍內保持一致，體現了LGX最底部黃土頂界年齡數據的可靠性。

21.47±1.96ka以后，地處青藏高原東北前緣和我國中部斷裂帶區的西秦嶺，構造運動和地震活動十分強烈，秦嶺北段斷裂帶張家溝、桐峪河口在22830±441a、24803±519a分別發生過古地震[7]、青藏高原東北緣的三關口斷裂帶在25.11～27.63ka、17.34～18.09ka也發生過古地震[8]，頻繁的構造運動和地震活動導致階地無法穩定接受黃土沉積，發生沉積間斷。進入全新世以后，全球氣候轉暖，夏季風強盛，嘉陵江上游受地形影響降水充沛，洪水頻發、洪峰高，沖刷、侵蝕嚴重;同時，區域內構造抬升速率加快，地震等災害頻發，秦嶺北段斷裂帶11747±167～8763±141a、8783±141a[7]，賀蘭山西麓斷裂帶6.16～4.83ka、10.15～11.24ka發生地震[8]。LGX剖面最底部黃土頂部的年代為21.47±1.96ka，古土壤底部年代為2.5ka，二者高度相差0.3m，年齡卻相差18ka左右，說明可能頻發的地震、暴雨洪水、泥石流等，導致在距今2.5ka以前LGX段水土流失嚴重，產生沉積間斷。2.5ka～0.35ka間，階地發育灰黑色土壤層，盡管全新世晚期，夏季風強度減弱，大部分地區接受黃土沉積，但仍有一些地區，受地形影響，溫度和降水適中，發育土壤層。青藏高原東北部的共和盆地測年結果顯示在其中東部全新世古土壤底部年齡為4.0±0.2ka，頂部年齡為0.7±0.1ka[9]，西秦嶺武都地區測年結果顯示在2000 a B.P的氣候回溫期發育泥石流事件[10]，考慮到地貌部位的差異，這些地區與LGX剖面古土壤的形成年代基本一致，體現了古土壤層年代數據的可靠性。

6.2 末次冰期以來的氣候變化

嘉陵江處于三大自然帶（西北地區、青藏高原、東部地區）的結合部，受三大自然帶的共同影響，流域內的氣候變化在時空上有區域特殊性。LGX剖面在末次冰期（58.99～21.47ka）間，階地上發育3m厚的黃土，粒度以粉砂為主，粘粒/粉砂為14.19，指示了58.99～21.47ka嘉陵江上游LGX段冬季風強盛，氣候干冷。末次冰期洛川黑木溝黃土的低磁化率值、高粉塵通量等均體現了干冷的冬季風環境效應[6]，漳河T2階地于干冷的冰期（50～60ka）下切形成并堆積次生黃土[7]。晚全新世2.42～0.35ka間，剖面發育1m厚的淺灰黑色古土壤層，沉積物細顆粒含量增加，平均粘粒含量為15.16%，粘粒/粉砂為18.5，指示了此期間夏季風相對增強，氣候溫暖濕潤。同時，青藏高原東北部在4.0 ka～0.7ka期間發育古土壤[9];武都地區在2.0ka B.P以后氣候回升[10]。0.35 ka 以來，LGX段階地發育黃土、氣候相對寒冷干燥，與漢江[4]等區域保持一致。

7 結論

利用光釋光測年技術的石英SAR法測定嘉陵江上游LGX段階地黃土的等效劑量，結合樣品釋光信號的曬褪程度，用CW-OSL曲線拆分法拆分出快速組分，計算得到可靠的等效劑量值。最終獲得了地層年齡數據，以此建立了末次冰期以來嘉陵江上游LGX段的年代序列。嘉陵江上游LGX段在58.99 ka左右形成階地，58.99 ka～21.47 ka堆積黃土;21.47ka以后直至2.42ka缺乏黃土沉積記錄，產生了間斷;2.42ka～0.35ka發育古土壤，0.35ka以后堆積黃土。結合粒度恢復了末次冰期以來的氣候變化：58.99ka～21.47ka冬季風強盛，氣候寒冷干燥;2.42ka～0.35ka夏季風相對增強，氣候溫暖濕潤;0.35ka以后，氣候又變寒冷。

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