閆曉麗 張啟波 方小敏， 苗運(yùn)法

昝金波1孟慶泉1宋春暉1，2張濤1遲云平1

(1.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蘭州730000; 2.中國科學(xué)院青藏高原研究所盆地與資源環(huán)境研究中心北京100085)

臨夏盆地黑林頂剖面沉積物在8.6Ma前后巖石磁學(xué)特征及其意義①

閆曉麗1張啟波1方小敏2，1苗運(yùn)法2

昝金波1孟慶泉1宋春暉1，2張濤1遲云平1

(1.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蘭州730000; 2.中國科學(xué)院青藏高原研究所盆地與資源環(huán)境研究中心北京100085)

通過對(duì)臨夏盆地黑林頂剖面晚新生代沉積物的巖石磁學(xué)研究，揭示在11.8～8.6 Ma磁化率波動(dòng)較小，基本保持相對(duì)穩(wěn)定的低值(0.58～6.9/10－8m3kg－1);從8.6 Ma開始受軟磁性礦物控制明顯持續(xù)增加(0.75～10.6/10－8m3kg－1)。通過沉積物磁學(xué)性質(zhì)與環(huán)境變化之間的模式分析，結(jié)合盆地周圍構(gòu)造條件研究，認(rèn)為物源的變化可能是造成黑林頂剖面磁化率增強(qiáng)的主要原因。

臨夏盆地磁化率物源構(gòu)造運(yùn)動(dòng)晚新生代

環(huán)境磁學(xué)作為一門交叉學(xué)科，主要利用礦物和巖石磁學(xué)技術(shù)，研究環(huán)境中磁性顆粒的風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、沉積和轉(zhuǎn)化受環(huán)境變化影響的過程，在各種環(huán)境研究中得到了廣泛應(yīng)用［1］。19世紀(jì)80年代在Heller和Liu［2］將黃土剖面的磁化率曲線與深海沉積物的氧同位素記錄進(jìn)行對(duì)比之后，磁化率作為一種古氣候替代性指標(biāo)，在中國黃土研究中得到了廣泛的應(yīng)用并成為經(jīng)典的氣候指示曲線。同時(shí)，磁化率的研究不斷向其他沉積類型拓展，尤以湖泊沉積物的研究最為深入［3］。許多研究表明湖泊沉積物的磁化率變化特征常常同孢粉學(xué)，地球化學(xué)等特征一致［4～9］，說明在物源區(qū)和沉積環(huán)境變化不大的條件下，磁化率可以作為湖泊沉積物的氣候代用指標(biāo)。然而有的研究則主張物源的作用，如孫繼敏在對(duì)青藏高原北緣鐵匠溝剖面的磁化率研究中強(qiáng)調(diào)磁化率的快速增強(qiáng)是由于13.7～9 Ma青藏高原持續(xù)隆升致使物源發(fā)生改變而造成的［10］。方小敏等認(rèn)為臨夏盆地毛溝剖面磁化率的升高可能是流域外粉塵物質(zhì)的加入導(dǎo)致的［11］。由此可見，湖泊沉積物中磁化率的變化機(jī)制遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜，任何一個(gè)單一的模式都不能完全解釋磁化率的變化，因?yàn)樵诤闯练e物中，由于流域物質(zhì)的磁性特征及沉積環(huán)境對(duì)湖泊中的磁性礦物的富集、保存或自生礦物生成都有影響，湖泊沉積物的磁學(xué)性質(zhì)和環(huán)境變化之間不可能遵循簡(jiǎn)單的模式［4］。因此，關(guān)于湖相沉積物磁化率的增強(qiáng)機(jī)制還需要進(jìn)一步的研究。

黑林頂剖面位于臨夏盆地南緣，具有地層沉積完整連續(xù)、沉積厚度大、富含哺乳動(dòng)物化石［12，13］，并且有可靠的年代控制。因此是探討湖相沉積物磁化率增強(qiáng)的機(jī)制以及發(fā)掘古氣候/構(gòu)造信息的理想剖面。

1 研究區(qū)地質(zhì)地理概況

臨夏盆地位于青藏高原東北邊緣(圖1)，大致作西北—南東延伸，海拔一般在2 000～2 400 m之間，屬于第三紀(jì)大型隴中盆地的西南隅，西緣和南緣分別為青藏高原東北邊緣的祁連山東延余脈拉脊山向南延伸部分(雷積山)和甘南高原與西秦嶺，海拔一般在3 500～4 000 m以上;北緣為祁連山東延余脈向隴中盆地深入的島狀山體馬銜山，海拔3 000 m左右，拉脊山和馬銜山以北即為隴中盆地西側(cè)的兩個(gè)次級(jí)盆地——西寧盆地和蘭州盆地，盆地東側(cè)與隴中盆地的主體隴西盆地相連，邊界不明顯。宏觀地貌上是青藏高原與黃土高原銜接帶上的一個(gè)新生代山前擠壓坳陷盆地［14］。盆地中堆積了巨厚的新生代沉積，大致以臨夏市為界，向西和向南第三紀(jì)紅層快速變厚，達(dá)1 600 m以上，遭受明顯斷裂和褶皺變形。向東北第三紀(jì)紅層明顯減薄，臨夏以東附近厚約400～500 m，地層水平，延伸較穩(wěn)定，東鄉(xiāng)縣以東急劇減薄，具有顯著的陸內(nèi)再生前陸盆地地層體空間分布特征［14］。紅層堆積的晚期發(fā)生了強(qiáng)烈的青藏運(yùn)動(dòng)，紅層強(qiáng)烈變形和遭受剝蝕夷平，其后上新世積石組巨礫巖層超覆其上，形成顯著的不整合面，然后再次變形和抬升，局部形成第四紀(jì)湖泊和近百米的湖沼與水下黃土堆積，最后再次變形抬升，黃河誕生并隨青藏高原進(jìn)一步隆升而強(qiáng)烈下切，形成黃河和大夏河的7級(jí)階地及其上200多米的厚層黃土堆積［15～19］。過去將整個(gè)盆地的第三紀(jì)紅層統(tǒng)稱為臨夏組［20］，通過詳細(xì)的古生物地層和古地磁年代研究，將盆地新生代地層進(jìn)行了系統(tǒng)重新劃分，建立了從漸新世他拉組到晚更新世北塬組共12個(gè)組的完整地層序列及其年代序列［18，19］。

圖1 臨夏盆地地質(zhì)概況與黑林頂剖面位置Fig.1Sketchmap of the Linxia Basin and Heilinding section

在自然地理上，臨夏盆地處于東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)及青藏高原高寒區(qū)三大自然帶的交匯地帶，地貌上屬于黃土高原的西南隅，氣候上恰好處于季風(fēng)三角區(qū)的頂點(diǎn)部位，受季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的影響，具有較為典型的大陸性季風(fēng)氣候特征，氣候溫涼半濕潤(rùn)，區(qū)內(nèi)1月份平均氣溫為0.7～13.4℃，7月份平均氣溫12～25℃，年均降水量為506.3 mm，除盆地周圍的山地有暖溫帶山地闊葉林及亞高山針葉林分布外，盆地內(nèi)為溫帶落葉闊葉林—草原景觀。

2 研究剖面特征與樣品測(cè)量

2.1 研究剖面巖性與沉積相特征

本次研究以臨夏盆地南緣的黑林頂剖面為對(duì)象(圖1)，該剖面地層沉積厚度230 m左右，不整合于加里東花崗巖之上。地層以近水平產(chǎn)狀的泥巖沉積為主夾有多層砂礫巖(圖2)?？v觀整個(gè)剖面，可以116.5 m處為界分為兩層:下部(230～116.5 m)泥巖段為主要的類古土壤發(fā)育階段，盡管由于受到古土壤發(fā)育程度、沉積時(shí)期的侵蝕、后期的壓實(shí)和石化作用使得多個(gè)古土壤的界限不是十分明顯，但土壤化的小團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、錳斑、錳膠膜和碳酸鈣充填體等特征依稀可見，物質(zhì)粒度相對(duì)均勻、顏色偏棕紅色。說明當(dāng)時(shí)以洪泛平原沉積為主，并有相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間供土壤發(fā)育，同時(shí)偶爾有辮狀河流掃過，形成河道沉積。之上(116.5～0 m)沉積物質(zhì)主要變成以砂巖含礫為主，個(gè)別層位還出現(xiàn)了礫巖，膠結(jié)較差;泥巖中很少部分弱古土壤化，顏色變淡，以褐紅色為主。沉積相以辮狀河流相沉積為主，偶有平靜的湖泛平原沉積。三趾馬動(dòng)物群(Hipparion fauna)化石層位于柳樹組上部的紅粘土中(距頂部約30 m處)(圖2)，種類豐富，推測(cè)時(shí)代為晚中新世中晚期［12，13］?？傊?，整個(gè)剖面地層沉積連續(xù)完整，沉積厚度大，含大量哺乳動(dòng)物化石，下部發(fā)育古土壤，上部以含礫砂巖為主。近來王九一等人對(duì)該段剖面的晚新生代地層進(jìn)行了高精度、高分辨率古地磁年代的測(cè)定［21］，測(cè)年結(jié)果為11.8～5.0 Ma，116.5 m處對(duì)應(yīng)年齡為8.6 Ma。

圖2 黑林頂剖面磁化率結(jié)果(古地磁引自參考文獻(xiàn)［21］)Fig.2The magnetic susceptibility of the sediments and palaeomagnetic result［21］in the Heilinding Section

2.2 樣品采集與測(cè)量

對(duì)黑林頂剖面進(jìn)行了0.5 m間隔連續(xù)采樣，獲得樣品460多個(gè)，將樣品在40℃烘箱內(nèi)烘干，然后將干樣破碎后裝入2 cm3的無磁性立方體形樣品測(cè)量盒內(nèi)，壓實(shí)稱重，然后用英國Bartington公司生產(chǎn)的MS2型便攜式磁化率儀分別對(duì)沉積物樣品進(jìn)行高頻和低頻磁化率測(cè)量。部分代表性樣品使用VFTB (variable field transition balance)測(cè)量?jī)x進(jìn)行熱磁曲線和磁滯回線測(cè)量。以上實(shí)驗(yàn)均在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 磁化率和頻率磁化率

磁化率結(jié)果(圖2)表明，臨夏盆地黑林頂剖面在116.5 m處(約8.6 Ma)發(fā)生了明顯變化.在116.5 m以下，磁化率沒有明顯的變化，主要表現(xiàn)為小幅波動(dòng)，范圍主要為0.58～6.9/10－8m3kg－1之間;116.5 m以上波動(dòng)持續(xù)快速增加，范圍主要為0.75～10.6/10－8m3kg－1之間。同磁化率的階段性變化趨勢(shì)一樣，頻率磁化率也有著明顯的階段性變化，130～160 m礫石層對(duì)應(yīng)頻率磁化率為明顯的降低趨勢(shì)，160 m以下頻率磁化率(均值約8.5%)比130 m以上磁化率(均值約9.4%)低，整體而言頻率磁化率百分比值均較大。

3.2 熱磁曲線

利用磁化率隨溫度變化的特征，即熱磁曲線，可以有效地辨別沉積物中的磁性礦物在熱退磁過程中的轉(zhuǎn)變規(guī)律［1］，廣泛應(yīng)用于樣品中的磁性礦物種類分析。根據(jù)熱磁曲線加熱前后磁化強(qiáng)度J是增加還是減少的曲線特點(diǎn)，可以把它們分為兩類(圖3): (1)116.5～230 m:熱磁曲線不可逆，冷卻曲線均位于加熱曲線的下方。磁化強(qiáng)度在150℃，580℃和680℃附近都有不同程度的降低，其中580℃降低幅度最大，表明樣品中含有磁鐵礦，同時(shí)含有針鐵礦和赤鐵礦。此外，樣品磁化強(qiáng)度在300～450℃間也有明顯的減少，且實(shí)驗(yàn)前后樣品飽和磁化強(qiáng)度也有很大的下降，表明樣品中還含有較多的不穩(wěn)定礦物磁赤鐵礦等在加熱過程中發(fā)生了轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變成赤鐵礦;(2)0～116.5 m:同116.5～230 m間的樣品相比，盡管該段樣品的磁化強(qiáng)度在150℃，580℃和680℃附近也有不同程度的降低，且以580℃降低幅度最大，但該段樣品的冷卻曲線和加熱曲線卻基本可逆，說明樣品的磁赤鐵礦含量急劇減少，磁鐵礦主導(dǎo)了該段樣品的磁學(xué)性質(zhì)。

圖3 黑林頂剖面代表性樣品熱磁曲線Fig.3Thermomagnetic(Curie)curves of Heilinding representive samples

3.3 磁滯回線

磁滯回線能夠提供關(guān)于磁性礦物類型和疇?wèi)B(tài)的重要信息。所有樣品的磁滯回線都不同程度地具有“蜂腰”特征。0～116.5 m樣品的磁滯回線(圖4)線形較細(xì)且陡直，飽和磁化強(qiáng)度值較高，顯示出很弱的“蜂腰型”特征，說明這些樣品中低矯頑力磁性礦物(主要是磁鐵礦)占據(jù)主導(dǎo)地位。而大于116.5 m樣品的線形形態(tài)相對(duì)寬緩扁平，“蜂腰”更加明顯，說明其磁性礦物盡管也以低矯頑力礦物為主，但高矯頑力礦物的含量有所增加。

圖4 黑林頂剖面代表性樣品磁滯回線Fig.4Hysteresis loops of Heilinding representive samples

圖5 黑林頂剖面代表性樣品Day氏圖Fig.5Hysteresis ratios plotted on a Day diagram of Heilinding representive samples

利用這六個(gè)樣品的磁滯參數(shù)Mrs/Ms比值和Bcr/Bc比值作Day-plot圖(圖5)，對(duì)樣品的磁性礦物粒徑進(jìn)行分析［22］。圖5所示全部樣品都集中在假單疇區(qū)域內(nèi)，說明這些樣品中的磁性礦物粒徑?jīng)]有太大變化，同時(shí)也表明樣品磁滯回線顯示的“蜂腰型”特征主要是由高矯頑力與低矯頑力礦物混合所致［23］，不同粒徑低矯頑力礦物混合的影響可以忽略［22］。

4 討論

巖石磁學(xué)分析結(jié)果表明，8.6 Ma以前磁化率保持相對(duì)低值，波動(dòng)幅度小;8.6 Ma以來磁化率驟然變大，頻率磁化率雖然變化不很明顯，但和磁化率具有類似的變大趨勢(shì)(圖2)。熱磁曲線特征顯示8.6 Ma以后樣品中磁赤鐵礦含量急劇減少，磁滯回線的弱“蜂腰型”特征表明樣品中的低矯頑力磁性礦物占主導(dǎo)地位，二者結(jié)合說明8.6 Ma以來磁化率增高主要由軟磁性礦物磁鐵礦含量的增加所引起。

傳統(tǒng)認(rèn)為，在室溫條件下磁化率大致反映了樣品中亞鐵磁性礦物的富集程度［1］，值越高樣品中的亞鐵磁性礦物越富集;頻率磁化率則可以用來估計(jì)樣品中超順磁性物質(zhì)的含量［1］，值越高說明樣品中的超順磁顆粒越多，而且頻率磁化率所反映出的超順磁顆粒通常被認(rèn)為是在成壤作用中形成的［24］。黑林頂剖面的巖性特征顯示，116.5 m以下主要發(fā)育類古土壤，以上雖然仍有古土壤發(fā)育但巖性開始變得以砂巖含礫為主，如果僅考慮成壤作用對(duì)磁化率的影響，整個(gè)剖面的磁化率和頻率磁化率變化趨勢(shì)應(yīng)為一個(gè)下降趨勢(shì)，然而事實(shí)則相反，顯然說明本剖面成壤作用對(duì)磁化率的增高沒有關(guān)系，磁性礦物的來源另有他因。

大量的研究表明，在湖泊沉積物中，磁性礦物不僅受物源影響，而且沉積后在一定條件下原生磁性礦物的溶解和次生磁性礦物的生成也是重要的影響因素［8，9，25］。磁性礦物的種類、含量和磁性顆粒的大小首先與流域碎屑物磁性特征和沉積環(huán)境密切相關(guān)，但在沉積物物源和沉積環(huán)境基本相同的情況下，磁性礦物的含量和其顆粒的大小直接與水動(dòng)力大小相關(guān)，而水動(dòng)力大小則與氣候相關(guān)［26］。因?yàn)闅夂蜃兓苯佑绊懥孙L(fēng)化作用和沉積作用過程，當(dāng)氣候較為暖濕時(shí)，流域內(nèi)的地表物質(zhì)成土作用加強(qiáng)，使得沉積物中細(xì)粒磁性礦物增多，同時(shí)水動(dòng)力增大使得地表碎屑物質(zhì)向湖泊的輸入量增多，最終導(dǎo)致湖泊沉積物磁化率增大，反之則磁化率降低，簡(jiǎn)而言之就是說氣候變濕會(huì)促使磁化率升高。位于臨夏盆地中心的毛溝剖面是最為理想的高磁化率物質(zhì)的接收區(qū)，事實(shí)也證明磁化率在8.6 Ma以來確有變大的趨勢(shì)［11］。然而將氣候解釋為磁化率增強(qiáng)機(jī)制卻與同期大范圍變干的事實(shí)相矛盾。因?yàn)?，在臨夏盆地毛溝剖面中，對(duì)干旱氣候環(huán)境敏感的碳酸鈣含量和氯離子濃度在約8 Ma開始明顯增加，到6.2 Ma增加至最高峰［15，27］;13.0～8.5 Ma的針闊混交林植被在8.5 Ma之后被干草原環(huán)境所替代［28］。拓展到臨夏盆地周邊地區(qū)，西北酒西盆地的孢粉中草本植物急劇擴(kuò)張［29］;東南的秦安地區(qū)粉塵通量急劇增加［30］，黃土高原黃土—古土壤的δ13C值記錄了8～7 Ma時(shí)C4植被的擴(kuò)張［31］。這些指標(biāo)的變化均指示了在8～7 Ma，東亞陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了重大變化，亞洲干旱化加?。?1，32］。因此，在干旱背景下，黑林頂磁化率的增強(qiáng)不可能是氣候造成的。

排除成壤作用和氣候變化對(duì)磁化率增高的可能原因后，我們認(rèn)為物源的變化可能是造成黑林頂剖面磁化率增強(qiáng)的主要原因。早期的湖泊沉積物環(huán)境磁學(xué)研究已經(jīng)表明，沉積物的磁性特征一般都與特定的源區(qū)相關(guān)，在特定流域內(nèi)，高磁化率曾被當(dāng)作是侵蝕作用的標(biāo)志，磁化率值越高反映流域內(nèi)原生磁性礦物的輸入量越大［1］。臨夏盆地是一個(gè)擠壓撓曲型的前陸盆地［13］，盆地內(nèi)發(fā)育多條與積石山垂直的橫向河流，因此積石山是臨夏盆地最直接的物源供應(yīng)區(qū)［33］。碎屑顆粒裂變徑跡熱年代學(xué)［34］和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)［35］研究表明積石山受青藏高原擴(kuò)展和隆升的影響在8 Ma左右開始發(fā)生巖體隆升，當(dāng)山體隆升到一定高度后，地形侵蝕加劇，山體切割迅速，進(jìn)而把山體上風(fēng)化破碎的巖石搬運(yùn)到臨夏盆地中，使得盆地沉積物在8 Ma前后由于二次循化物質(zhì)的加入發(fā)生了變化［34，36］?？v觀整個(gè)黑林頂剖面(圖2)，以116.5m處為界從洪泛平原過渡到辮狀河流沉積為主，巖性下細(xì)上粗，說明盆地此時(shí)的物質(zhì)搬運(yùn)和沉積受地形的巨大變化已經(jīng)發(fā)生了明顯的改變，高能量的粗顆粒物質(zhì)被搬運(yùn)到盆地中心附近.綜上所述，本文認(rèn)為黑林頂剖面在8.6 Ma物源確實(shí)發(fā)生了改變。

5 結(jié)論

臨夏盆地黑林頂剖面晚新生代沉積物的巖石磁學(xué)研究表明在11.8～8.6 Ma，磁化率基本穩(wěn)定在0.58～6.9/10－8m3kg－1之間;8.6 Ma以后基本穩(wěn)定在0.75～10.6/10－8m3kg－1，軟磁性礦物明顯增加。這一結(jié)果與成壤作用和氣候變化不符合，結(jié)合盆地周圍構(gòu)造條件和研究結(jié)果，認(rèn)為物源的變化可能是造成黑林頂剖面磁化率增強(qiáng)的主要原因。

致謝張偉林、王九一、楊一博等參加了部分野外采樣工作，在此表示感謝.

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Rockmagnetic Characteristics of the Sediments from Heilinding Section in the Linxia Basin at 8.6 Ma and Their Implications

YAN Xiao-li1ZHANG Qi-bo1FANG Xiao-Min2，1MIAO Yun-Fa2ZAN Jin-bo1MENG Qing-Quan1SONG Chun-Hui1，2ZHANG Tao1CHI Yun-Ping1
(1.Key Laboratory of Western China＇s Environmental Systems，Ministry of Education of China＆College of Resources and Environment，Lanzhou University，Lanzhou 730000; 2.Center for Basin Resource and Environment，Institute of Tibetan Plateau Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085)

The Linxia Basin is a key place to study the paleoclimate change and the Tibetan Plateau uplift for its special place at the Asian monsoon margin and the northeastern Tibetan Plateau.Variations of the magnetic susceptibility and rockmagnetic characteristics from the Heilinding sediments in the Linxia Basin revealed a huge change occurred at the about 8.6 Ma based on a ideal palaeomagnetic dating(11.8-5.0 Ma).During 11.8-8.6 Ma，the value of the magnetic susceptibility was stably low(0.58-6.9/10-8m3kg-1).After 8.6 Ma，it became very high(0.75-10.6/10-8m3kg-1)for the soft mineral magnetic properties.We argued such change was mainly caused by the change of the material origin driven by the uplift of the Tibetan Plateau.The magnetic susceptibility in the lake sediments is different from the loess-paleosol layers in the explanation of the environment and climate change.

magnetic susceptibility;origin;uplift;Late Cenozoic

book=6,ebook=481

閆曉麗女1985年出生博士研究生第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)E-mail:yanxl07@lzu.cn

P534.63

A

1000-0550(2010)06-1190-08

①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):40771214;40872029)、中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(編號(hào):kzcx2-yw-104)資助。

2009-06-20;收修改稿日期:2009-11-24