年輕冰川沉積礫石的曬退特征及其對巖石釋光埋藏測年的啟示

李 陽，歐先交，溫佳潔，楊婉宜，曾蘭華，姚 盼，賴忠平

（1.青海師范大學地理科學學院，青海西寧 810008；2.嘉應學院地理科學與旅游學院，廣東梅州 514015；3.汕頭大學海洋科學研究院，廣東汕頭 515063）

0 引言

釋光測年是確定冰川地貌年代的少數幾種測年技術之一，在第四紀冰川測年中已被廣泛應用［1-7］。運用釋光進行冰川沉積物測年時，曬退不充分是面臨的最突出問題［3-10］，并且也不容易找到砂或粉砂級的細組分顆粒層位進行傳統的顆粒沉積釋光測年。而巖石釋光埋藏測年技術較傳統顆粒沉積釋光測年技術具有一些優勢，可能更適用于冰川地貌年代的測定。首先，部分礫石在被搬運沉積之前和搬運過程中有可能長時間暴露在地表，曬退情況較好且能根據釋光-深度曲線識別出來［11-14］；其次，礫石在冰川沉積環境中普遍存在，樣品采集更容易。近年來，巖石釋光埋藏測年技術已成功應用于對于傳統釋光測年技術極具挑戰性的冰川沉積地貌的定年［13-15］，但是仍然存在冰川沉積環境下礫石到底能否曬退、曬退良好的比例是多少、不同沉積環境下礫石的曬退特征有何不同、礫石的特征與曬退程度之間有何關聯等影響測年精度的問題。針對上述問題，最好的檢驗辦法就是對年輕樣品，特別是現代樣品進行測試［16-17］。本研究對青藏高原東部硬普溝年輕冰川礫石樣品進行快速篩選，并統計不同冰川沉積環境下礫石的曬退比例和曬退程度，然后分析礫石特征與其曬退程度的關系，為野外采樣提供參考以提高測年結果的可靠性。

1 研究區概況及樣品信息

研究區位于青藏高原東部橫斷山脈雀兒山北坡，四川省德格縣竹慶鄉附近的硬普溝（32°07′N，98°51′E）。由于火山-花崗質巖漿活動貫穿整個義敦島弧碰撞造山帶演化過程中，導致研究區所在的三江地區發育了不同類型的花崗巖類［18］。雀兒山在206～138 Ma巖漿事件和135～73 Ma巖漿事件中形成了以鉀長石花崗巖為主的巖石［18］。硬普溝冰川在全新世前延伸至竹慶盆地，末次冰期及更老的冰磧壟分布在“U”形谷外［7，16，19］，全新世后范圍退縮至“U”形谷內［16］，現“U”形谷中可見新冰期、小冰期冰磧壟以及現代后退磧壟等分布。我們在硬普溝的現代冰川前方的現代冰水沉積、小冰期側磧壟及冰水階地等6個采樣點（圖1～圖2）采集了130個花崗巖礫石樣品，其中現代冰川沉積礫石93個（73個現代埋藏礫石），小冰期埋藏礫石37個，為了解研究區礫石釋光信號曬退的下限，在YPGC002S及YPGC003S這2處地點采集了20個地表正在曝光的礫石樣品，采樣點及采樣信息見表1。

表1 不同采樣點的位置、采樣深度及采集花崗巖礫石的數量Table 1 Location，sampling depth and quantity of granite cobble collected at different sampling sites

圖1 硬普溝現代冰川（左下）及其前方采樣點Fig.1 Modern glacier in Yingpu Valley（lower left）and sampling sites in front of it

圖2 采樣點照片Fig.2 Photos of sampling sites

2 方法

2.1 樣品前處理

在釋光實驗室里依次將樣品洗凈晾干，統計每個礫石的特征（磨圓度、球度、礫石大小、顏色、晶粒大小、晶粒相對大小等），除表面采集的樣品（YPGC002S和YPGC003S）在采樣過程中標記了頂底面（即上下兩個ab面）外，其他埋藏樣品在室內人為判斷頂底面，面積大的ab面定為底面，面積小的ab面為頂面。用內徑7 mm的水冷式金剛石鉆頭在礫石的頂面和底面各鉆取1根深達礫石中心、直徑約為7 mm的巖芯。再用裝有金剛石刀片的慢速切割機或金剛石線切割機，將巖芯切成厚度約為0.6～0.7 mm左右的巖片。對于多數巖芯，按照表～2mm/飽和信號法［20］進行前處理：分別切取頂部和底部的兩片巖片，頂部的前兩片巖片標記為T01、T02，底部的前兩片巖片標記為B01、B02，并確保T02的底面深度≥2 mm。對少數判斷為曬退良好的整根巖芯，進行了從頂部到底部的完整切片，獲得不同深度的巖片。將巖片洗凈烘干便可上機測試。

2.2 測試程序

本文的樣品全部為花崗巖，使用簡化的post-IR50IRSL225單片再生劑量法（single aliquot regenera?tive，SAR）程序［21］（圖3）測試長石釋光信號。實驗儀器為丹麥Ris?生產的Ris?TL/OSL-DA-20熱釋光/光釋光兩用儀。巖片放置在內徑8.5 mm、外徑11.5 mm的杯狀載樣碟（cup）里，將載樣碟在樣品盤上間隔放置，避免樣品之間互相影響。

2.3 礫石曬退程度的篩選

根據表～2mm/飽和信號法［20］，對比表面～2 mm深度巖片的釋光信號與研究區礫石的飽和釋光信號，判斷其曬退程度。在Rstudio中運用有限混合模型（finite mixture model，FMM）［22］，提取出所有巖芯近礫石中心巖片（即B02）的釋光信號（Ln/Tn）值最高的一組組分，將其峰值（4.8±0.1）定為該區域花崗巖礫石的飽和釋光信號。測試每根巖芯～2 mm深度巖片（T02）的釋光信號Ln/Tn，并與飽和釋光信號對比，得出表～2mm/飽和信號比。再運用有限混合模型提取每個采樣點所有巖芯中表～2mm/飽和信號比值最低的一組組分，此組分中的巖芯劃為該采樣點曬退良好的巖芯，其余為曬退不良的巖芯。

2.4 SAR/SGC確定巖片的等效劑量

對每根巖芯完全切割且用完整SAR法對每片巖片都進行等效劑量（equivalent dose，De）測試將耗費大量實驗時間，為提高測試效率，采用了SAR和標準生長曲線法（standardized growth curve，SGC）［22-25］結合的方法測試。在每個采樣點中挑選一根曬退良好（見2.3節）的巖芯，進行完全切割，通過完整SAR法測試此巖芯不同深度巖片的等效劑量，建立等效劑量-深度曲線。然后，在SigmaPlot中根據上述測試過De的巖片的生長曲線，擬合建立硬普溝花崗巖礫石的標準生長曲線，在MATLAB軟件中根據SigmaPlot擬合出的SGC及其函數公式，將巖片標準化之后的釋光信號（Ln/Tn×Test dose）插入到此曲線中，得到相應的De值。不同巖片標準化后的IRSL50信號和post-IR IRSL225信號的生長曲線分別在≤972 Gy和≤243 Gy的劑量范圍內相似，可以在此范圍內建立SGC［26］。對比SGC擬合得出的De值與完整SAR法測試出的De值，發現大部分結果很接近（圖4），說明SGC法求De是可行的。

剩余其他巖芯，均采用SGC法獲得距頂面～2 mm深度的巖片（T02）的De。研究表明礫石表層≤2 mm深度的劑量率變化較大、較復雜，而≥2 mm深度的劑量率相對穩定［13，27］。因此，對于這些巖芯，僅選擇T02巖片進行測試，其結果用以代表其所在巖芯。這些T02巖片此前已用簡化的SAR程序測試過釋光信號（Ln/Tn）（見2.3部分），用上述的方法在MATLAB軟件中求出相應的De值。然后在Rstu?dio中 運 用 最 小 年 代 模 型（minimum age model，MAM）［25］，對每個采樣點中T02巖片的De值進行計算，其結果作為該采樣點的De。

3 結果

根據2.3節中礫石曬退程度的篩選方法，計算出130個礫石的258根巖芯（每個礫石鉆取2根巖芯，由于鉆取過程中礫石破碎，有2個礫石各只鉆取了1根巖芯）的表～2mm/飽和信號比，運用FMM將其按曬退程度劃分為曬退良好和曬退不良兩類（FMM中分別提取的每個采樣點巖芯表～2mm/飽和信號比值最低的一組組分中的巖芯為該采樣點曬退良好的巖芯，其余為曬退不良的巖芯）。表面礫石樣品YPGC002S和YPGC003S共40根巖芯中曬退良好的比例分別為45.5%和50.0%（表2），平均為47.7%，其中礫石頂面巖芯曬退良好的平均比例為85%，遠高于底面巖芯（詳見4.3節）。埋藏樣品的218根巖芯曬退良好的比例在0～75.9%之間（表2），平均為20.6%。作為對比，我們選擇了其中一個礫石（YPGC201-11）的3片巖片，在陽光下曝光近3個月后用本文的程序測試De，結果表明IRSL50的平均De值為（0.9±0.1）Gy，post-IR IRSL225的平均De值為（1.2±0.4）Gy，將其作為研究區花崗巖礫石的不可曬退劑量，在計算殘余劑量時減去該部分。對所有表面采集的礫石頂面的曬退良好巖芯的T02巖片的De值進行MAM模型 計 算，IRSL50的De值 為（3.9±2.4）Gy，post-IR IRSL225的De值為（10.6±8.7）Gy，此De值可以視為研究區花崗巖礫石的殘余劑量。MAM模型計算的所有埋藏礫石的巖芯的T02巖片IRSL50的De值在（4.5±2.8）～（20.18±4.28）Gy之間，post-IR IRSL225的De值在（2.7±3.0）～（35±6.7）Gy之間。根據地貌部位及此前的傳統釋光測年結果［7］可以大致推算各個樣品的預期De，結合實測De及不可曬退劑量可獲知各個樣品的劑量高估值。從表2中可見，除YP?GC001樣品的劑量高估值較大外［IRSL50和post-IR IRSL225劑量高估分別為（19.2±4.2）Gy和（33.8±6.7）Gy］，其余樣品的劑量高估值均較低，其中IRSL50劑量高估在（3.6±2.4）～（6.0±2.4）Gy之間，post-IR IRSL225劑量高估在（1.6±3.0）～（8.1±4.9）Gy之間。除YPGC001外，埋藏礫石樣品（YP?GC002、YPGC101、YPGC201）與表面采集的礫石樣品（YPGC002S、YPGC003S）的劑量高估差別不大。

表2 不同采樣點的沉積環境、巖芯曬退良好比例、T02的De值及劑量高估值Table 2 Sedimentary environments of different sampling sites，the proportion of well bleached cores，De values of T02 and their overestimations

從各個采樣點中各挑選一根曬退良好或表～2mm/飽和信號比值最低（YPGC001）的巖芯，測試不同深度巖片的等效劑量，建立等效劑量-深度曲線（圖5）。從圖中可以看出，曬退良好礫石表層一定深度的釋光信號較低，形成一個低劑量坪區，這種曲線形態是礫石曬退的標志，表明礫石經歷過長時間曝光，這也表明了表～2mm/飽和信號法對除YP?GC001外的采樣點礫石曬退程度的判斷是正確的。不同采樣點曬退良好礫石的IRSL50信號曬退深度在3～6 mm左右，post-IR IRSL225信號曬退深度在1.2～4 mm左右［圖5（b）～5（f）］。對于采樣點［YPGC001，圖1（a）］，表～2mm/飽和信號法判斷的曬退最好的礫石中，礫石表層也出現一個劑量坪區，不過劑量遠超出我們對于現代樣品的預期。

圖5 不同采樣點其中一根曬退較好的巖芯的等效劑量-深度曲線（小圖為同一曲線的低劑量區）Fig.5 The equivalent dose-depth curves of one of the better bleached cores for each sampling sites，in which the small figure is the same curve showing the low dose part：YPGC001-35-B1（a）；YPGC002-18-B1（b）；YPGC002S-11-T1（c）；YPGC003S-10-T1（d）；YPGC101-2-B1（e）；YPGC201-11-B1（f）

4 討論

4.1 不同沉積環境的曬退程度和劑量高估

研究區的6個采樣點為不同類型的沉積環境，YPGC001為后退磧壟間小洼地中局部性或者短暫性冰川融水帶來的堆積；YPGC002與YPGC002S為現代冰河沉積，是現代冰河搬運的碎屑不斷堆積在冰河兩側形成；YPGC003S為后退磧壟表面，是由于冰川后退過程中，所挾帶和搬運的碎屑融出堆積而成；YPGC101所在為側磧壟，由冰川兩側由融出碎屑堆積形成；YPGC201為冰水階地，即原來的冰水沉積，后被流水下切形成的階地。由表2可以看出，研究區年輕冰川沉積礫石中可以挑選出曬退良好的樣品用于釋光測年，只是不同沉積環境的礫石樣品的曬退比例不一。YPGC002S及YPGC003S是在表面采集的礫石樣品，曬退良好的樣品基本都為礫石頂面的巖芯，頂面巖芯曬退良好比例為85%，曬退不良的樣品多為底面的巖芯，這也符合表面礫石的頂面曝光而底面避光的事實。埋藏礫石樣品中，YPGC101（側磧壟）曬退良好比例最高（表2），這可能是因為YPGC101的樣品主要來自于側磧壟頂部，由在冰川表面搬運的冰面巖屑組成［4，6］，曝光的機會更大。另一種可能是巖屑從冰川融出后，堆積在側磧壟頂曝光過較長一段時間，然后再被后續沉積覆蓋。曬退最差的是現代后退磧壟間小洼地冰水沉積（YPGC001）樣品，我們沒有發現曬退良好的礫石。現代冰河沉積（YPGC002）曬退良好的比例也不高（表2）。這兩個采樣點是距離現代冰川最近的，礫石樣品也以棱角、次棱角狀的較多，反映了搬運距離較短。一般而言，沉積物曝光的機會和時間是隨著搬運距離的增加而增加的［28-29］。因此，采樣點YPGC001及YPGC002的礫石暴露在日光下的機會較小，導致曬退不充分。YPGC001為局部性或者短暫性冰川融水帶來的堆積，搬運及沉積過程中曝光機會更小。YPGC201位于下游的冰水階地上，與YPGC001、YPGC002都屬于冰水沉積，但由于位于下游，搬運距離較長，所以曬退良好的比例明顯比YPGC001、YPGC002高（表2）。和現代冰川沉積顆粒樣品相似的礫石樣品，搬運距離與曝光的機會和時間成正比［28-29］。

除YPGC001外，其他采樣點曬退良好礫石的劑量高估值均較低，和表面采集的樣品幾乎沒有差別（表2），即使某些采樣點曬退良好礫石的比例不高，但仍可以從中提取出代表沉積物埋藏年代的這部分礫石用于準確測年。YPGC001劑量高估值較高，且沒有一根巖芯的T02巖片的De值代表了現代沉積的De值，表～2mm/飽和信號比值最低的巖芯的劑量高估都遠超我們對現代樣品的預期［圖5（a）］，表明該采樣點曬退最好的礫石在最近一次沉積時也未能充分曝光。

綜上來看，在硬普溝側磧壟頂部（YPGC101）樣品的曬退程度比較好，殘余劑量也與表面樣品一致，此結論與同是側磧壟頂顆粒沉積的曬退程度結論一致［3，7］。但冰水沉積（YPGC001、YPGC002、YP?GC201）樣品的曬退程度比側磧壟頂的樣品較差，似乎反映曬退程度低于側磧壟，這和顆粒沉積的調查結果不一致［3，7］。原因可能是現代冰水沉積的搬運距離較短，堆積之后快速被后續的冰水沉積物覆蓋，導致其曝光在地表的時間偏短。我們在相鄰的當子溝也進行了類似的調查，發現當子溝冰水階地礫石曬退良好比例（41.7%）高于終磧壟（20%）、側磧壟（19.6%）和丘陵狀壟（5%）［20］，說明不同研究地點礫石的曬退規律并不完全一致，局部沉積環境對礫石曬退情況也有著非常重要的影響。總體而言，冰川沉積礫石存在曬退的可能，其曬退程度與沉積過程、搬運距離、在搬運過程中所處位置、局部的沉積環境等有關，從曬退良好的礫石中提取代表沉積事件的埋藏年代是可信的。但是，由于冰川沉積的復雜性，冰川礫石的曬退也并非簡單的模式。

4.2 礫石特征與曬退程度的關系

將巖芯的曬退情況與礫石的特征（磨圓度、球度、顏色、晶粒大小、晶粒相對大小、礫石大小等）進行對比分析（圖6），探索礫石特征與曬退情況間的可能關系，可為野外礫石的篩選提供參考依據，提高曬退良好樣品的比例。基于周尚哲［30］的劃分標準、礫石幾何形態三角圖［31］（Tri-plot）等對礫石不同特征（磨圓度、球度、晶粒大小、晶粒相對大小、礫石大小）進行劃分，再根據紅光條件下肉眼所見礫石中淺色和暗色礦物所占比例大小分為淺色為主、深色為主2類。本文共統計了110個埋藏礫石的218根巖芯，從圖6可見，磨圓度較差（次棱角狀）和球度較低（扁平狀、刃狀、緊湊扁平狀）的礫石曬退程度較好［圖6（a），6（b）］。一般說來，磨圓度越好的礫石，代表搬運的距離越長，曝光幾率越大，曬退程度越好，但磨圓度差的礫石曬退程度比磨圓度好的礫石曬退程度更好這一結果出乎我們的意料，可能指示了礫石的曬退程度不僅與搬運距離相關，還與沉積環境、搬運過程中所處位置、沉積過程等有關。如果礫石搬運距離短，但長時間停留在地表某處，也可以使其某一面充分曝光。研究表明由雪崩、泥石流及冰川侵蝕等帶來的冰上碎屑會隨著冰川前進或后退不斷調整［32］，冰川消融及搬運過程中碎屑也會不斷向低洼處匯聚，翻來覆去調整［33］，在調整過程中較細的顆粒會通過礫石之間的空隙不斷向下移動，最后會出現體積較大的礫石沉積在砂-粉砂級別的顆粒上面的逆分級現象［34］，因此，搬運沉積過程中礫石更有可能在地表暴露，從而比砂-粉砂級別的顆粒曝光機率大。從圖6（c）～6（e）可以看出，中粒、等粒結構比細粒、粗粒、似斑狀結構的樣品曬退良好比例較高；而淺色花崗巖礫石曬退程度比深色花崗巖礫石要好，這與以往的顏色淺的礫石曬退較容易的結論吻合［21，35］。圖6（f）表明礫石的平均礫徑（a、b、c軸的平均值）與曬退程度沒有明顯的關系。綜上，磨圓度較差（次棱角狀）、球度較低（扁平狀、刃狀、緊湊扁平狀）、淺色、中粒、等粒的花崗巖礫石曬退程度較好，體積大小對花崗巖礫石曬退程度影響不大。我們在相鄰的當子溝也有類似的工作，在磨圓度、球度、礫石大小等特征與曬退程度的關系上結論類似［20］。由于采樣環境及采樣偏好的原因，我們采樣過程中主要采集次圓-次棱角、淺色、中粒、等粒結構的花崗巖，所以統計出來的結果也可能會存在偏差，需要更多實例來驗證。

4.3 礫石表面方向與曬退程度的關系

一般情況下，現代暴露礫石樣品的頂面的曬退程度高于礫石底面［35-36］，我們在現代冰水沉積表面及后退磧壟表面采集的礫石也顯示了同樣的結果［圖7（a）］。但有少數礫石底面的曬退程度高于頂面［圖7（a）］，也存在頂底面都曬退不良的樣品。對于表面采集的礫石，礫石的頂面曝光時間應該更長，曬退也會比底面更好［37］，但冰磧物在沉積過程或沉積后可能會翻滾［33］，這可能是一些礫石底面的曬退程度高于頂面的原因。埋藏礫石樣品的“頂”、“底”面是在實驗室根據ab面的面積大小人為判斷的，由圖7（b）可見，礫石的“頂”、“底”面的曬退程度差別不是很大，“底面”曬退良好的比例反而比“頂面”的略高。雖然人為判斷的“頂”、“底”面不一定與礫石野外實際朝向一致，我們的結果仍能表明礫石上下兩個面都有可能曝光，可以推測出搬運和沉積過程中，乃至沉積后礫石的翻滾是很常見的，埋藏樣品的頂底面都可以被用來測年。

圖7 礫石頂底面的曬退程度（圖中柱子上數字代表巖芯的數量）Fig.7 Different degree of bleaching on top and bottom surfaces of cobbles，the numbers on the columns represent the quantities of core：surface exposed cobbles（a）；buried cobbles（b）

5 結論

（1）對年輕冰川沉積礫石的測試分析表明，冰川礫石釋光信號充分曬退是很有可能的，部分礫石的殘余劑量較低，體現了巖石釋光埋藏測年技術應用于冰川沉積測年的潛力。

（2）不同的沉積環境下，礫石的曬退比例不一樣，硬普冰川側磧壟脊上的礫石樣品曬退程度最好，而離現代冰川較近的現代冰水沉積樣品曬退良好的比例較低。

（3）大多數曬退良好礫石的劑量高估值較低且接近現代沉積表面采集樣品的殘余劑量，說明我們可以在曬退良好的礫石中提取出代表沉積物埋藏年代的礫石。但是也有一個現代后退磧壟間洼地冰水沉積樣品的劑量高估較大，指示了局部流水環境的不完全曬退風險。

（4）對于花崗巖礫石來說，在平均直徑100 mm范圍之內，體積大小對其曬退程度影響不大，磨圓度較差（次棱角狀）和球度較低（扁平狀、刃狀、緊湊扁平狀）的淺色礫石曬退程度較好。通過表面采集的樣品來看，礫石頂面曬退良好的比例明顯高于底面，但對于埋藏礫石來說，由于搬運過程中的翻動，礫石的頂底面都有被曬退的可能。

（5）礫石的釋光信號曬退程度與搬運距離有關，搬運距離越長，曝光的機會越多。這點與傳統釋光測年所用的砂-粉砂級別的顆粒相似。不同的是，礫石體積較大，即使搬運距離短，也不排除部分礫石因長時間停留在地表某處而導致某一面充分曝光。

以上結論可供冰川沉積巖石釋光測年參考。需要指出的是，本文僅有幾個采樣點，對于復雜的冰川沉積來說，覆蓋面仍差很遠，將來可以調查更多的沉積類型。另外，本文僅是初步嘗試的結果，由于測試工作量較大，沒有考慮不同礫石或者同一礫石不同深度的劑量率、異常衰減率等的變化帶來的影響，也沒有直接的礫石年代。未來的工作方向是測試更多完整的釋光-深度曲線，乃至年代-深度曲線，進一步排除礫石劑量率和異常衰減率變化等的影響。