第四纪研究  2016, Vol.36 Issue (5): 1246-1252   PDF    
青海湖鸟岛北原生砂楔的发现及其古气候意义
陶涛 , 王超群①,② , 戚帮申 , 张耀玲 , 赵希涛 , 胡道功     
(① 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
② 中国地质大学(北京), 地球科学与资源学院, 北京 100083;
③ 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029)
摘要: 青海湖鸟岛北中更新世冲洪积砂砾石层中发育7个原生砂楔。原生砂楔中的细粒砂ESR测年结果表明,该地区至少经历两次冰期:砂楔剖面南侧3个楔体发育时代分别为228±2ka、228±22ka和143±14ka,形成于倒数第二次冰期;剖面北侧3个楔体发育时代分别为17±1ka、59±10ka和60±6ka,形成于末次冰期。估算青海湖盆地在倒数第二次冰期时的年平均气温不高于-9.5~-11.0℃,降温幅度较大,比现今年均气温低11.2~12.7℃;末次冰期的年平均气温不高于-7.5~-9.0℃,较现在低9.2~10.7℃。
主题词古气候     原生砂楔     倒数第二次冰期     末次冰期     青海湖    
中图分类号     P597+.3;P534.63                    文献标识码    A

1 引言

青藏高原是世界上中低纬度地区冰缘最发育的区域,有着适合于多种冰缘过程的气候条件,一直以来受到众多科学家的关注。在青藏高原东北部的共和盆地、青海湖盆地、兴海盆地、黄河源和大通河等地区,相继发现大量冰楔假型和原生砂楔等古冰缘楔形构造[1~4],其楔体形成时间最早可追溯到昆仑冰期[5],为有关中国第四纪冰期的研究[6~15]提供了冰缘地貌证据。前人根据楔体形态和围岩情况等因素对恢复古气候环境进行研究讨论[1~3, 5, 6, 16~23],充分说明冰缘楔形构造的研究对青藏高原第四纪古气候和古冻土演化研究所作出的重要贡献。原生砂楔是古冰缘楔形构造的一种,是多年冻土曾经存在的可靠证据,其与多年冻土及年均地温、气温度的关系是重建古冰缘环境的依据。本文结合ESR测年数据,对新发现的青海湖西北岸原生砂楔的形态特征、形成条件和古环境意义进行讨论,对恢复青藏高原东北部第四纪气候和古冻土演化具有重要参考意义。

2 研究区概况

青海湖是我国最大的一个内陆高原湖泊,其位于青藏高原东北隅祁连山褶皱带的南缘,介于南祁连山槽背斜与青海南山槽向斜之间,是喜马拉雅晚期新构造运动产生的一个断陷盆地,地势西北高而东南低,形成了四周群山环绕的封闭式山间内陆盆地。湖泊水域位于湖盆流域的东南部,湖面高程3195.59m(1988年),湖区西部布哈河以北出露早古生代砂岩、千枚岩、片岩、混合片麻岩和火山岩,鸟岛基岩由下古生代浅变质岩组成,上覆从布哈河谷吹来的砂。青海湖流域处于我国东部季风区、西北部干旱区和西南部高寒区的交汇地带,具有干寒、少雨、多风、太阳辐射强烈、气温日较差大等气候特点,属高原半干旱高寒气候区[24~27]

3 原生砂楔的分布及特征

2014年7月,青海湖西北岸刚察县鸟岛镇北(37°05′26.34″N,99°44′43.93″E)发现一处成群分布的原生砂楔剖面,海拔3258m(图 1),砂楔群形成于洪积砂砾石层中。

图 1 青海湖西北岸原生砂楔分布图 1.铁路;2.公路;3.湖泊;4.河流;5.前人发现的原生砂楔分布点[1, 5];6.本次原生砂楔发现点 Fig. 1 Distribution of fossil sand wedges in the northwestern shore of Qinghai Lake

鸟岛镇北剖面为人工开挖形成(图 2a),剖面长约48m,高约3m,顶部为厚约10cm的腐殖土,其下为灰黄色黄土,厚约15~30cm,下部为中更新世胶结较差松散砂砾石层,砾石磨圆较差,呈棱角-次棱角状,分选较差。砾石层胶结物为红褐色中细砂,砾石粒径以0.5~5.0cm为主,并夹较多粒径约7~12cm砾石,砾石成分以灰绿色砂岩、花岗岩、灰绿色片岩、灰岩等为主。砂砾石层中由南向北发育7个砂楔,分别为NS1、 NS2、 NS3、 NS4、 NS5、 NS6和NS7(图 2),楔内充填灰色中细粒砂,上覆灰黄色黄土,结构疏松。

图 2 鸟岛北原生砂楔形态特征及素描图 (a)剖面全景素描图;(b)原生砂楔NS2;(c)原生砂楔NS3与NS4;(d)原生砂楔NS5;(e)原生砂楔NS6;(f)原生砂楔NS7 Fig. 2 A sandy conglomerate profile (a) of the fossil sand wedges in the north of Niaodao with five photos showing the details(b, c, d, e and f)

NS1呈漏斗状,斗尖向南倾斜,向下深入约1.2m,楔壁界线清晰,围岩砾石粒径较大,砂楔底部夹有少量团块状围岩砾石层成分,在楔底围岩砂砾石层中采样B236-1。

NS2呈漏斗状,斗尖向北倾斜,深约2m,楔口宽约1.5m,楔体南侧有较多大粒径棱角状砾石,砾石层呈现洪积相,在楔内充填物底部采样B236-2(图 2b)。

NS3呈漏斗状,斗尖向北倾斜,深约2m,楔口宽约1m,楔壁界线整齐清晰,楔内充填灰色中细粒砂可见垂直层状结构。围岩有较多大粒径砾石,岩层产状为130°∠20°,砂楔两侧围岩砾石的长轴大致保持了原始产状,并未发生明显旋转。在NS3楔体的北侧围岩砾石层内采集红褐色中细粒砂样品B236-14,在NS3楔内充填物底部采集灰色中细粒砂样品B236-3(图 2c)。

NS4呈字母“M”状,两侧向下深入约2.5m,楔壁界线整齐清晰,楔内充填的灰色中细粒砂可见垂直层状结构,围岩砾石粒径较大,在楔内南侧充填物底部采样B236-4(图 2c)。

NS5呈宽浅倒三角状,口部宽约2.5m,深约1.8m,楔壁界线较为清晰,围岩砾石粒径与剖面南部相比较为细小,楔体内的北侧夹有少量围岩成分块石,在楔内充填物底部采样B236-5(图 2d)。

NS6呈不规则形状,形态规模较大,楔壁界线较为清晰,围岩砾石粒径较细,楔体内局部夹有部分砾石层围岩成分,推测为同时期发育的两个大型砂楔连接在一起而形成,楔内充填灰色中细粒砂可见垂直层理,在楔内北侧充填物底部采样B236-7(图 2e)。

NS7深约1.5m,楔口部宽约1.5m,围岩砾石粒径较细,楔体内局部夹有少量砾石,粒径0.5~3cm,在楔内充填物底部采样B236-8(图 2f)。

4 原生砂楔楔内充填物ESR测年

所有样品ESR年龄测定均由成都理工大学应用核技术研究所年代实验室完成,实验过程:样品自然风干后,粉碎为0.125~0.200mm粒级,用CIT-3000F数字化全自动铀钍钾谱仪和微机数据采集系统测定γ和α天然放射性,减少铀镭不平衡产生的铀含量误差,同时进行含水量校正。制取0.20~0.30mm粒度单矿物石英样品,每份120mg分成4份进行热活化,置入钴-60辐照场进行定剂量辐照。样品热活化后冷却5~7天,用电子自旋共振谱仪测定其顺磁中心浓度值。样品测量是在室温20~25℃条件下进行,微波频率9.7652GHz,微波功率0.21~0.30mW,调制振幅0.25Gpp,调制频率100KHz,放大系数7.11×105~1.26×106,时间常数50ms,扫场范围3455.0~3550.5G,中心场3505.0G,采用石英E′心或Ge心测年,E′心谱分裂因子g=2.0005±0.0005,在3507.5~3512.5高斯区间,通过观测选择合适的方法,记录石英明显的顺磁信号,顺磁测定用的是德国ER-200D-SRC型电子自旋共振谱仪,天然放射性核素含量用的是CIT-3000F数字化自动铀钍钾谱仪,剂量监测使用国家技术监督局颁发的标准丙氨酸剂量计,剂量监测误差实测值为3.2 %,最终得出的测试参数和年龄结果见表 1,年龄误差为0.9 %~16.9 %。

表 1 原生砂楔ESR测年结果 Table 1 ESR dating of the fossil sand wedges
5 讨论

冰缘楔形构造主要形成于冻裂作用,按其组成划分为土楔、砂楔、冰楔及混合楔,冰楔融化后的转化形式称为冰楔假型[16, 17, 28]。由于不同楔体形成的环境条件及所反映的温度环境有一定差异,因此,利用楔形构造恢复古气候环境时应首先确定楔形构造类型。冰楔假型在历史时期中,楔内充填物是冰,后因气候变暖和局部环境因素改变,楔内冰被砂、土代替充填而成,楔内冰在融化过程中常造成楔壁的不均匀滑落,其充填物常见来自围岩的塌落块体[16, 18, 29]。因此,楔壁界线不平直整齐,假型轮廓不明显,楔壁附近围岩层理可见向楔壁弯曲倾斜的现象。冰楔假型多呈窄深楔形,而原生砂楔的宽高比较大,多为宽浅楔形[1]。原生砂楔的砂土堆积与楔形开裂构造基本同时形成,随楔体逐步扩展而逐次充填,故在楔内常见层状构造,即垂直层理。在其形成过程中,对楔壁产生的挤压小,故不会出现围岩变形,且楔壁界线整齐清晰[1, 18, 19, 29]。NS1、 NS2、 NS3、 NS4、 NS5、 NS6和NS7楔体两壁与围岩界线清晰且比较平直,无滑塌痕迹,充填物为灰色中细粒砂,基本不含或只含有微量围岩砾石,多数楔体的形态较为宽浅,且围岩几乎无变形并保持原有产状(见图 2)。因此,从楔体形态、结构构造和围岩特征判断,可以确定此剖面出露的7个楔体均为原生砂楔,与在青海湖北岸地区、共和盆地和玛多黄河源地区发现的原生砂楔特征类似[5, 20]

原生砂楔作为多年冻土的产物,其形成受制于温度、湿度、介质条件(土质、含水量)及地表条件(积雪、植被),是恢复古气候环境的重要依据[18]。近年来利用古冰缘现象恢复古环境的古冻土演化方法已被国内学者广泛采用[2, 3, 5, 19~21]。冰缘楔形构造形成时代的确定应综合参考以下原则:其一,根据楔体所在地层层位及地貌对比判定其形成的地质时代;其二,根据楔体围岩和充填物的绝对年龄,原生砂楔中充填物年龄可代表楔体的形成年龄,冰楔假型中充填物年龄应晚于冰楔的形成时代[1, 19]。根据表 1测年结果可知,砂砾石层中的2个ESR测年数据为351±35ka和414±40ka,形成于中更新世中晚期,早于砂楔发育年代;青海湖西北岸至少发育两期原生砂楔,分别对应倒数第二次冰期和末次冰期。

5.1 倒数第二次冰期原生砂楔及古气候意义

倒数第二次冰期对应深海氧同位素的3个阶段,其为分别相当于MIS 10(333~316ka)的Ⅰ阶段、 MIS 8(277~266ka)的Ⅱ阶段和MIS 6(184~112ka)的Ⅲ阶段。其中以MIS 6阶段持续的时间最长、降温的幅度最大,此阶段为倒数第二次冰期的主要作用期[30, 31]。鸟岛镇北原生砂楔NS2和NS3楔内底部充填物的ESR测年分别为228±2ka和228±22ka,二者的发育时期为倒数第二次冰期的Ⅱ阶段和Ⅲ阶段之间;NS4为143±14ka,其发育时期为倒数第二次冰期的Ⅲ阶段。

原生砂楔具有良好的环境指示意义,低温是影响砂楔、造成地表开裂的最重要条件[18, 22],因此可以利用原生砂楔估算其发育时的气温。目前,关于楔形构造发育温度条件的研究主要集中在高纬多年冻土带,俄罗斯学者Романоьский[22]总结出楔形构造与围岩岩性、含水量、地温之间的相互关系,认为岩性粒度越粗,含水量越小,形成楔体所需地温越低,提出原生砂楔、土楔在泥炭、泥炭化亚砂土、粘土、粉质亚砂土及亚粘土中形成的年平均地温要求为-1~-2℃;在粉细砂、中粗砂中形成的年平均地温要求为-3~-5℃;在砂砾、碎石层中形成的年平均地温要求为-5~-7℃甚至更低为-7~-10℃[17, 22]。然而,高纬冻土带砂楔形成的温度条件对于推算本研究区的古温度虽然具有重要参考意义,但是中低纬高山高原冻土带不是高纬冻土带在中低纬地区的简单重复。对于相同的年平均温度,高纬冻土带冬季温度低,年较差大,更有利于地表开裂和砂楔形成;而中低纬高山高原冻土带冬季温度高,年较差小,对地表开裂和楔体发育不利[2, 20, 23]。因此,位于中纬度范围的青海湖盆地发育原生砂楔应该比高纬多年冻土带更困难,发育的数量更少。

原生砂楔NS2、 NS3和NS4位于砾石层剖面南侧,其楔体围岩砾石粒径较北侧粗,考虑楔体形态特征、围岩情况及楔体发育的高低纬度,本文选取地温不高于-7~-8℃作为砂楔发育的地温条件比较合理,现今地温差2.5~3.0℃[17],推算楔体形成时古年均气温不高于-9.5~-11.0℃,这与前人推测的倒数第二次冰期时青海湖盆地年均气温为不高于-9.5~-10.0℃[5]、青藏高原东北部年均气温为-11℃[20]等研究成果具有较好的对比性。环青海湖现今年均温为1.7℃[32],因此倒数第二次冰期该区比现今年均温至少低11.2~12.7℃(表 2)。青海湖南岸钻孔孢粉组合特征同样表明[33],青海湖地区于275~230ka期间,森林植被退缩,植被可能主要为荒漠草原,气候总体呈冷干,175~120ka草原植被发育,气候温凉干燥。总体上,倒数第二次冰期青海湖地区气候较冷,降温显著。

表 2 青海湖西北岸冰期降温值估算 Table 2 Estimation on temperature drop during glaciations in northwestern shore of Qinghai Lake
5.2 末次冰期原生砂楔及古气候意义

现在大部分学者认为末次冰期有4个阶段: Ⅰ阶段,相当于MIS 4的末次冰期早阶段(73~69ka)降温迅速且幅度大,全球冰量也有显著增加;Ⅱ阶段,相当于MIS 3的末次冰期间冰阶可细分为a(暖)、 b(冷)、 c(暖)3个亚阶段,其中MIS 3b阶段(56~40ka)气候冷湿,一些学者认为较强的季风环流带来的大规模降水促进了冰川的发育[34, 35],在世界上中低纬度的多个冰川作用区在这一时期均有冰进现象的发现;Ⅲ阶段,相当于MIS 2的末次冰期的盛冰期(24~16ka);Ⅳ阶段,晚冰期(11.5~10.4ka)青藏高原出现了气温急剧下降波动期,发生了新仙女木事件[30, 31, 36, 37]

原生砂楔NS5、 NS6和NS7位于剖面北侧,楔体形态较为宽浅,围岩粒径较小且均一。NS6和NS7楔内充填细砂的底部采样测年数据分别为59±10ka和60±6ka,处于相当于MIS 3的末次冰期Ⅱ阶段,此时气候较为冷湿,推测其围岩中含水量偏高;NS5楔内充填物的测年结果为17±1ka,发育时期为相当于MIS 2的末次冰期最盛期即Ⅲ阶段。由于围岩岩性粒度越粗,含水量越小,形成楔体所需地温越低[17, 22],因此,形成于末次冰期的此3个原生砂楔所需地温相对稍高。综合考虑各因素,认为此时期青海湖盆地末次冰期时期原生砂楔发育所需地温应不高于-5~-6℃,按照现今地温差2.5~3.0℃[17]推算,楔体形成的古年均气温不高于-7.5~-9.0℃,环青海湖现今年均温为1.7℃,因此,当时的年平均气温较现在至少低9.2~10.7℃(表 2),与前人根据共和扎布达原生砂楔和若尔盖盆地冰楔假型所推测的青藏高原东北部末次冰期最盛期的年平均气温比现代低10~11℃[20],以及根据古里雅冰芯δ 18 O变化资料所推测的MIS 2相当于末次冰盛期(LGM)时平均温低于现代温度9℃[38]的结果较为一致。

6 结论

(1)青海湖鸟岛北砂楔群形成于倒数第二次冰期和末次冰期,倒数第二次冰期砂楔(NS2、 NS3和NS4)ESR年龄为228±2ka、 228±22ka和143±14ka;末次冰期原生砂楔(NS5、 NS6和NS7)ESR年龄为17±1ka、 59±10ka和60±6ka。

(2)根据原生砂楔的楔体形态特征、围岩情况与楔体发育的纬度等因素,推算青海湖盆地在倒数第二次冰期的年平均气温不高于-9.5~-11.0℃,末次冰期的年平均气温不高于-7.5~-9.0℃;倒数第二次冰期降温幅度较大,比现今年均气温低11.2~12.7℃,末次冰期时较现今年平均气温低9.2~10.7℃,降温幅度稍小。

(3)青海湖周缘古冰缘作用遗迹广泛,是研究冻土、古冰缘环境和湖泊环境理想的地区,可以根据楔内充填物的孢粉分析、黄土堆积和湖泊演化等已取得成果进行对比分析,以便更确切的解释楔状构造所指示的古气候环境意义。并将该区与青藏高原东北缘孢粉、古动物化石、古气候环境等证据对比分析,更好地揭示第四纪以来青藏高原东北缘古气候环境变迁与冻土演化等问题。

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Fossil sand wedges of north Niaodao in Qinghai Lake:Discovery and paleoclimatic implications
Tao Tao, Wang Chaoqun①,②, Qi Bangshen, Zhang Yaoling, Zhao Xitao, Hu Daogong     
(① Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081;
School of Earth Science and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083;
Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029)

Abstract

Qinghai Lake is located in the northeast of the Tibetan Plateau, which is the most developed area of periglacial in mid-low latitudes.Qinghai Lake is the biggest inland lake and largest saltwater lake of China and is at an elevation of more than 3000 meters with the annual mean temperature of 1.7℃.A fossil sand wedges profile was newly discovered in an alluvial-diluvial sand gravel layer, which is located in the north of Niaodao Island(37°05'26.34"N, 99°44'43.93"E) of Gangcha County in Qinghai Lake.7 fossil sand wedges were found in the profile, named NS1, NS2, NS3, NS4, NS5, NS6 and NS7.These fossil sand wedges are characterized by shape of inverted triangle or funnel-form, and are filled by medium-fine grained sandstone, wall of wedges are smooth.Surrounding rock of these fossil sand wedges is conglomerate.Based on the ESR dating, the fossil sand wedges NS2, NS3 and NS4, which located in the south of profile, were formed during Penultimate Glaciation (228~143ka); NS5, NS6 and NS7, which located in the north of profile, were formed during Last Glaciation (60~17ka).As an evidence for reconstructing paleotemperature of northeast Tibetan Plateau, it is inferred that the annual mean temperature in Qinghai Lake basin was about no higher than -9.5~-11.0℃ in Penultimate Glaciation, which was 11.2~12.7℃ lower than present; and about -7.5~-9.0℃ in Last Glaciation, which was 9.2~10.7℃ lower than present, temperature reduction in glaciation was conspicuous.That is the significant for the study of Quaternary paleoclimate and permafrost distribution in the northeast of Tibetan Plateau.
Key words: paleoclimate     fossil sand wedges     Penultimate Glaciation     Last Glaciation     Qinghai Lake