下蜀黄土物源的同位素地球化学示踪研究.docx

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下蜀黄土物源的同位素地球化学示踪研究

论文题目

下蜀黄土物源的同位素

地球化学示踪研究

作者姓名

学科、专业名称

地球化学

研究方向

风尘物源示踪

指导教师

2015年05月20日

摘要

黄土沉积广泛分布于长江下游地区（下蜀黄土），其风尘源区的示踪研究有助于我们更好地解释保存于其中的古环境记录。

对于下蜀黄土的源区历来存在两种观点，一种认为下蜀黄土来自于长江的河流沉积物，为近源沉积的产物；另一种认为下蜀黄土与黄土高原（CLP）黄土有相似的源区，其物质主要来自于中国北方的干旱地区。

本研究首次将锆石U-Pb年龄及U同位素手段应用于下蜀黄土的物源研究中，通过系统对比下蜀黄土、黄土高原黄土、长江沉积物以及北方潜在物质源区的碎屑锆石U-Pb年龄及Sr-Nd-U同位素组成，初步圈定了下蜀黄土的物质源区，并对下蜀黄土的形成机制做了进一步的探讨。

基于粗粒组分的碎屑锆石U-Pb年龄证据显示，下蜀黄土与黄土高原黄土及北方潜在源区物质差别较大，但与长江沉积物具有极高的相似性，表明下蜀黄土的粗粒组分不太可能来自于遥远的北方干旱地区，近源的长江沉积物可能为其直接来源。

对于细粒组分（20-25μm），传统的Sr-Nd手段无法有效识别下蜀黄土的物质源区，下蜀黄土、黄土高原黄土、长江沉积物的Sr-Nd同位素组成基本一致。

与Sr-Nd同位素手段不同，U同位素手段属于地貌学示踪方法，在物源研究中更加有效。

U同位素分析结果显示，下蜀黄土的f系数与颗粒搬运时间T0明显高于黄土，表明它们的颗粒性质与形成机制存在显著差异，因此，下蜀黄土的物质不太可能来自于遥远的北方干旱地区。

长江沉积物的234U/238U明显低于下蜀黄土沉积时初始234U/238U，表明现代长江沉积物并非下蜀黄土细粒组分的物质来源。

本研究对于下蜀黄土细粒组分的物源并无确定的结论，推测其可能来自于冰期阶段的长江沉积物，现代长江沉积物可能发生了变化。

上述推测需进一步采集冰期阶段的长江沉积物样品进行验证。

下蜀黄土可能为近源沉积的产物，其形成机制可能与第四纪晚期全球冰量增加导致的局部沙漠化有关。

长江沿岸的冲积平原存在大量的粉砂物质，可能为下蜀黄土风尘物质的直接来源，冬季风为主要的搬运营力。

关键词：

东亚风尘;气候变化;冬季风;物源；锆石U-Pb年龄；Sr-Nd同位素；U同位素

南京大学研究生毕业论文英文摘要首页用纸

ABSTRACT

Decipheringtheeoliansourcesiscriticaltounderstandthepaleo-significanceoftheQuaternaryeoliandeposits（theXiashuloess）inthelowerreachesoftheYangtzeRiver.BothalocalsourcefromthefluvialsedimentsoftheYangtzeRiverandadistalsourcefromthenortherndesertssimilartothatoftheloessontheChineseLoessPlateau（CLP）havebeenproposed.

Geochemicaltooliswidelyusedtotracetheeoliansourceofatmosphericdust.Thisresearchsystematicallycomparethedetritalzirconages,theSr,Nd,andUisotopeoftheXiashuloess,theloessontheCLP,thefluvialsedimentsoftheYangtzeRiverandpotentialsourcematerials,inordertodecipherthesourceregionofXiashuloess.

RecentresearchesshowgreatadvantagesofdetritalzirconagesasasourcetracerforAsiandustbasedonthelaserablationU-Pbisotopicdatingtechnique.ThisworkpresentstheU-PbagesofzircongrainsextractedfromtheXiashuloess.TheresultsindicatethattheXiashuloesshasaverydifferentagedistributionofzircongrainsfromthatoftheloessontheCLPaswellasthematerialsinthearidlandsoftheAsianInterior.Instead,thezirconagesoftheXiashuloessareindistinguishablefromthefluvialsedimentsoftheYangtzeRiver,indicatingthedominanceofproximaldustsourceforthecoarseparticlesofXiashuloess.

ForthefinegrainedfractionofXiashuloess,the20-25μmgrainsareanalyzedbytheSr,NdandUisotope.ItisdifficulttodistinguishthesourceofXiashuloessbytheevidenceofSrandNdisotope.Asageomorphologicaltracer,thetechniqueofUisotopecouldreflectthecomminutionagesandtransporttimeofeolianparticles,thusprovideanewwaytotracethetransportpathofsourceparticles.

OurresultsofUisotopeshowthattherecoillossfactor（f）andthetransporttimeofXiashuloessissignificantlyhigherthanthatoftheloessonCLP.Theinitial234U/238UratioofXiashuloesswhenitdepositsshouldbeloweriftheXiashuloesshasasimilarsourcewiththeloessonCLP.The234U/238UvalueofmodernsedimentsfromtheYangtzeRiverismuchlower,whichmightbeintroducedbyalongertransporttime.ThesourcesofXuanchengredearthandJiujiangdepositsmightbedifferentfromthatofXiashuloess,accordingtotheevidenceofSr,NdandUisotope.AdirectcomparisonbetweenXiashuloessandthesedimentsofYangtzeRiverduringglacialperiodsislacked,whichcouldprovideamorerobustevidencefortheeoliansourceofXiashuloess。

AlocalsourcefromthefluvialsedimentsoftheYangtzeRiverforXiashuloessissuggested,whichimpliesthatextensiveeolianprocessesmighthaveexistedinthecurrentlywetSouthChina,possiblyinresponsetothefullglacialconditionsafterthemiddlePleistocenetransitionofglobalclimate.

Keywords：

Asiandust;Climatechange;Wintermonsoon;U-Pbage;Ndisotope;Srisotope;Uisotope;sourceregion

目录

摘要I

ABSTRACTIII

目录V

1绪论6

1.1下蜀黄土物源研究的现状与存在问题6

1.2论文研究思路与技术路线10

1.2.1锆石U-Pb年龄物源示踪原理11

1.2.2Sr-Nd同位素示踪原理13

1.2.3U同位素示踪原理15

2样品采集与实验方法17

2.1野外样品采集17

2.1.1下蜀黄土样品18

2.2.2长江沉积物19

2.1.3长江中下游其他风尘堆积20

2.2锆石U-Pb年龄实验方法21

2.2.1锆石U-Pb年龄仪器测试方法21

2.2.2锆石U-Pb年龄的统计学分析22

2.3Sr-Nd-U同位素实验方法23

2.3.1前处理23

2.3.2Sr-Nd-U同位素仪器测试方法24

3结果26

3.1下蜀黄土粗粒组分锆石U-Pb年龄26

3.1.1锆石年龄概率分布图对比26

3.1.2基于KS值MDS平面图分析30

3.2下蜀黄土细粒组分Sr-Nd-U同位素33

3.2.1下蜀黄土细粒组分Sr-Nd同位素33

3.2.2下蜀黄土细粒组分U同位素38

4讨论43

4.1下蜀黄土的近源性43

4.2中国境内冬季风对粉尘的搬运作用45

4.3下蜀黄土的形成与长江下游气候环境的关系46

5结论47

参考文献48

致谢52

1绪论

1.1下蜀黄土物源研究的现状与存在问题

中国境内风尘堆积的分布范围非常广泛，除了黄土高原以外，中国西北部、东部、青藏高原附近、祁连山脉东缘以及长江中下游等地均有较为典型的风尘堆积序列出现，其中分布于长江中下游的下蜀黄土是一个重要的研究分支（图2-1）。

风成黄土为我国第四纪以来的古环境研究提供了非常宝贵的研究资料。

此前，学术界对于中国黄土的研究更多围绕黄土高原黄土展开，黄土高原黄土主要分布于34°-45°N之间，在此区域之内黄土沉积序列发育完善、沉积层厚度较大、黄土发育完好，国内外众多学者对其进行了较为详细的研究，测定了一系列古环境指标，包括粒度、磁化率（Dingetal.,1999）、温度、降水量、碳酸盐含量、石英类型、主要元素含量、稳定元素比率、Sr-Nd同位素等，并建立了标准的黄土高原黄土风尘堆积序列，为中国北方第四纪气候环境研究工作奠定了良好的基础，并在国际上取得广泛认可（Anetal.,2001;Chenetal.,1997;Chenetal.,2001;Guoetal.,2002）。

相较而言，位于长江中下游地区的下蜀黄土研究较少，众多问题尚未解决。

长江下游的宁镇地区（南京市-镇江市）为下蜀黄土最为典型的分布区域，下蜀黄土也因该地区的下蜀镇而得名。

构造学背景上，宁镇地区被南北走向的茅山山脉以及东西走向的弧形构造带所控制，为长江下游三角洲平原-河谷过渡带。

长江沿东北向进入后，沿弧形河道贯穿该地区。

根据野外观察，下蜀黄土在宁镇地区分布广泛，常形成平坦广阔的台地与或者高低起伏的山岗，人工剖面与自然剖出露较多，其面积可占宁镇地区总面积的35%-50%以上。

在南京市内，下蜀黄土在江北的泰山新村、江南的燕子矶、雨花台以及幕府山等地均有分布，基岩以砂岩、砾岩以及白垩纪-第三纪玄武岩为主。

在镇江市内，下蜀黄土的展布面积约占市区一半左右，从地貌上看，镇江境内的下蜀黄土由于受到沟谷与河流切割的作用，通常呈大小各异、形状不规则的条块状，大面积展布的情况较少，面积差异较大。

六合、句容、仪征附近的下蜀黄土呈展布广阔的台地状，台地高约15-20m，地貌上凸起的台地与台地之间的洼地相互交错，鳞次栉比。

在苏南地区，下蜀黄土主要为台地状，并被全新世河湖相沉积掩埋，其分布以太湖西-江阴市为界，在杭嘉湖平原、太湖区域与苏锡平原等地均有分布。

在苏北地区，下蜀黄土大部分集中于京杭运河西侧，地貌上以丘陵为主。

下蜀黄土物源问题的研究有着重要的意义。

此前研究显示，下蜀蜀黄土的形成始于第四纪晚期（约0.85Ma），与中更新世革命的时间吻合，显示当时长江中下游的气候环境可能发生了明显改变（Qiaoetal.,2003）。

部分学者认为下蜀黄土的物质来源于中国内陆的干旱地区，在中更新世革命之后，冬季风明显增强，可以将中国内陆干旱区内的粉尘物质搬运至更远的地区，如宁镇地区，同时，由于亚洲内陆干旱程度加剧，进一步促进了粉尘的释放；也有学者认为，下蜀黄土可能来自于近源的长江沉积物，中更新世革命以后，长江流域中下游地区较为干旱，植被较少，由于冬季风明显增强，该地区可能有区域性的风尘活动出现，从而在长江下游形成了下蜀黄土堆积（Haoetal.,2010a;Qiaoetal.,2011）。

因此，对于下蜀黄土物源问题的研究有助于我们更好地解释长江下游区域性的古环境记录，并进一步推断第四纪晚期以来长江流域乃至中国境内的古环境演化。

众多证据表明，下蜀黄土是典型的风成沉积物。

（1）根据野外观察结果，下蜀黄土的沉积序列在空间上覆盖范围较广，常继承原始地貌，在地势较低处层位较厚，分布集中，在地势较高处层位较薄，分布零散，此外，下蜀黄土堆积的北侧坡度较陡，层位较厚，南侧坡度较缓，层位较薄，具有明显的坡向性特征。

这些特征表明下蜀黄土为风力作用的产物；

（2）从土壤结构上看，下蜀黄土孔隙较为发育，含有很多的细粒铁锰质结核，呈斑点状分布，土壤颗粒表面常覆盖有铁锰质薄膜，整体呈块状构造，未见流水成因的构造特征（Lietal.,2001;Zhangetal.,2007）；

（3）根据粒度证据，下蜀黄土以粉砂质粒级为主，不同层位的粒度特征变化很小，较为均一，与黄土高原黄土极为相似。

研究表明，按照中国境内冬季风西北-东南的传播方向，北方干旱区沙洋、黄土高原黄土、山东黄土以及下蜀黄土的粒度特征具有延续性，表明下蜀黄土可能为冬季风作用的产物（Lietal.,2001）；

（4）下蜀黄土的化学成分以Fe2O3、Al2O3和SiO2为主，且在时间与空间上保持稳定，并与黄土高原黄土一致，对于稀土元素的分析也有类似的结果。

（Haoetal.,2010b;Qiaoetal.,2011;Zhangetal.,2007）；

（5）电镜观测结果显示，下蜀黄土中的石英颗粒呈次棱角状-次圆状，多为纺锤形、矛形、菱形以及螺旋形，颗粒表面碟形坑、新月形撞击坑、挤压撞击坑等机械撞击痕迹分布广泛，部分颗粒可见上翻解理薄片，这些显微结构均为典型的风力作用标志。

表明下属黄土是典型的风尘沉积物（Lietal.,1997b）。

对于下蜀黄土的具体源区，一直以来存在争议。

根据长江中下游风尘堆积序列的粒度与分布特征，部分学者认为长江中下游的风尘物质与黄土高原黄土有着相似的源区，其物质主要来自于北方的干旱地区（Lietal.,2001;Lietal.,1997a;Xiongetal.,2002;Xiongetal.,1999）。

Lietal.（2001）对镇江大港剖面的粒度测定结果显示，下蜀黄土的粒度累积概率曲线具有两段式特征，频率分布曲线为单峰式，与黄土高原黄土非常相似，且按照西北-东南顺序，中国境内砂黄土带（柴达木）、黄土带（陕西）、粘黄土带（山东）、细粘黄土带（镇江下蜀黄土）呈带状延续关系，砂粒含量逐次减少，粘粒组分不断增加，表明下蜀黄土与北方黄土关系紧密。

Xiongetal.（2002）进一步测定了九江红土的粒度组成，结果显示九江红土的的粒度频率分布曲线为多峰式，其粒度组成、稀土元素模式、主要元素组成与北方黄土较为接近，表明其物质源区可能与北方黄土一致。

由于长江中下游的风尘沉积物含有中含有较多粒径＞32μm的颗粒，远源论受到了另外一部分学者的质疑（Qiaoetal.,2003），他们根据稳定元素比率、主要元素组成以及Sr-Nd同位素证据提出长江中下游的风尘堆积物主要来自于近源的长江物质（Haoetal.,2010a;Hongetal.,2013;Jiaetal.,2012;Qiaoetal.,2011）。

Haoetal.（2010a）认为如果长江中下游的风尘沉积物与黄土高原黄土的源区一致，前者的SiO2/Al2O3应明显低于北方黄土，且在空间上的分布特征应具有规律性（距离黄土高原越远，SiO2/Al2O3越低），上述假设与实际情况不符，宣城红土与繁昌红土的SiO2/Al2O3较高（>8）,明显大于黄土高原黄土。

此外，长江中下游的风尘沉积物的稳定元素的相对含量更高（如Zr、Ti、Y），其TiO2/Al2O3明显偏高，K2O/Al2O3相对较低，与北方黄土差异较大（Haoetal.,2010a）。

根据K2O3/Al2O3-ZrO2/TiO2的证据，Jiaetal.（2012）认为九江红土为长江沉积物与赣江支流物质混合而成，这一观点得到了Sr-Nd同位素证据的支持（Hongetal.,2013）。

因此长江中下游的风尘物质可能并非来自于远源的北方干旱区，近源的长江沉积物可能有较大的贡献（Haoetal.,2010a;Hongetal.,2013;Jiaetal.,2012;Qiaoetal.,2011）。

此前众多学者对长江中游风尘堆积序列的物质源区做了较多研究（Hongetal.,2013;Jiaetal.,2012;Qiaoetal.,2011;Qiaoetal.,2003），但对长江下游的下蜀黄土关注较少。

下蜀黄土与长江中游风尘红土的物质源区可能并不一致。

粒度证据表明下蜀黄土与黄土高原黄土关系紧密（Lietal.,2001）。

Haoetal.（2010a）详细对比了下蜀黄土与黄土高原黄土的主要元素组成与稳定元素比率，结果显示，下蜀黄土与黄土高原黄土的主要元素组成非常接近（K/Alvs.Ti/Al）（Chenetal.,2008a;Haoetal.,2010a）。

ChenandLi（2011）测定了南京下蜀黄土的Sr-Nd同位素组成，结果显示，下蜀黄土硅酸盐组分的87Sr/86Sr为0.71948，εNd为-11.14，这一结果与黄土高原黄土基本一致，且与长江现代沉积物极为相似（Maoetal.,2011），因此，Sr-Nd同位素手段无法对上述两种观点进行区分。

此外，与长江中游的风尘沉积物（如宣城红土，九江红土等）相比，下蜀黄土的87Sr/86Sr值较低，εNd值明显更高（Hongetal.,2013;Qiaoetal.,2011），表明它们的源区可能存在差异。

因此，下蜀黄土的风尘源区尚无定论，其物质可能来自于远源的北方干旱区，也可能来自于近源的长江沉积物（与长江中游的风尘堆积序列略有差异）。

综上所述，对于下蜀黄土的物质源区目前尚无定论，这一问题的研究有助于我们更好地解释长江下游第四纪晚期以来的古环境特征与气候变化（Chenetal.,2008b;Qiaoetal.,2003;YangandDing,2004;Zhangetal.,2009;Zhangetal.,2007）。

1.2论文研究思路与技术路线

针对下蜀黄土物源研究的重要意义以及当前研究中尚未解决的问题，本论文通过系统的同位素地球化学手段（碎屑锆石U-Pb年龄及Sr-Nd-U同位素手段）对长江下游的下蜀黄土进行物源示踪研究。

通过对比下蜀黄土、黄土高原黄土以及潜在源区物质的同位素地球化学特征，尝试圈定下蜀黄土最终的物质来源，并讨论第四纪晚期以来长江中下游地区的气候环境变化。

图1-1为本论文的研究思路与逻辑结构。

论文分别对下蜀黄土粗粒组分与细粒组分的物质源区进行探究。

本研究通过锆石U-Pb定年手段，对比下蜀黄土及潜在源区物质的锆石年龄组成特征，从而圈定下蜀黄土粗粒组分（30μm以上）的物质源区。

对于下蜀黄土细粒组分（20-25μm）的物源，论文首先通过在黄土物源示踪领域应用较为成熟的Sr-Nd同位素手段对下蜀黄土、黄土高原黄土及潜在源区物质进行初步对比，随后以课题组新建立的U同位素手段为核心，对比下蜀黄土、黄土高原黄土及潜在源区物质的U同位素组成特征（沉积时初始234U/238U，α反冲系数f，颗粒搬运时间T0），为下蜀黄土细粒物质的物源提供依据。

除了下蜀黄土的源区问题以外，论文将进一步探讨中更新世革命以后中国境内冬季风与长江中下游地区气候环境变化对下蜀黄土形成过程的控制作用。

图1-1论文研究思路与技术路线

1.2.1锆石U-Pb年龄物源示踪原理

此前，国内外学者将各种地球化学指标应用于中国境内黄土的物源研究之中，取得了一系列研究成果（ChenandLi,2011;Chenetal.,2007;Lietal.,2013;Lietal.,2007;Lietal.,2009;Sun,2002;Sunetal.,2008），这些研究大多基于全岩样品进行分析。

研究表明，黄土在最终沉积之前经历了多次剥蚀、搬运、再沉积过程，其物质已混合的非常均匀，与上地壳物质的平均组成接近（Jahnetal.,2001b），因此，基于全岩样品得到的地球化学指标通常变化范围较小，在此前提下得到的结论（如黄土的粉尘由多个源区的物质混合而成，黄土高原黄土的物源在长时间尺度上具有稳定性等）具有一定的偶然性（Chenetal.,2007）。

这些结论有可能反映了实际情况，也有可能是因为样品本身代表上地壳物质的平均组成，相互之间差别很小。

因此，基于单颗粒矿物的研究在风尘物源示踪研究中更加有效。

黄土沉积中的单粒矿物保存有原始源区特定的信号，这种信号在物源研究中区分性更强。

基于大量样品的研究虽然可以提供有用的信息，但此过程会将单粒矿物保存的信息平均。

以往的风尘物源研究中存在众多尚未解决的问题，通过单粒矿物的研究，可以有效地对各种假说进行区分，并对已有结论进行验证，从而对风尘物源研究提供新的思路