2020, Vol.40
青藏高原隆升作为新生代以来最突出的构造事件，不仅对亚洲大陆构造格局具有重要的控制作用，并且对全球气候变迁、东亚环境演化都有着重要影响[1~3]。但青藏高原的隆升历史，特别是在第四纪期间的隆升状态及幅度仍存在争议[4~6]。其中，部分研究认为青藏高原自始新世以来便开始隆升，并在8Ma之前就隆升至现今的高度[4~5]；但也有研究认为青藏高原经历了多阶段、多幕次的隆升[7~8]，直到上新世晚期以来才快速隆升至现今高度[3]。Li等[6]的研究表明，青藏高原在第四纪期间经历了多次构造隆升事件，并导致第四纪期间亚洲内陆干旱化与冬季风的增强。由于青藏高原-戈壁沙漠-黄土高原是成因上彼此耦合的系统[3]，所以，腾格里地区沉积物物源变化的研究对反映青藏高原的隆升及其环境效应具有重要意义[9]。
前人通过对戈壁沙漠区(包括腾格里沙漠)表层沉积物多手段的物源示踪研究发现，戈壁沙漠区的沉积物主要由青藏高原北缘的祁连山地区、戈壁阿尔泰山及华北克拉通风化剥蚀而来[10~14]。同时，基于碎屑锆石U-Pb年龄谱的研究支持腾格里地区第四纪期间的沉积物物源发生了显著变化，并且与全球气候变冷背景下青藏高原的阶段性隆升有关[9]。尽管碎屑锆石的U-Pb年龄组成特征已成功运用于沉积物的物源研究[11~13, 15~16]，但由于锆石在风沙沉积物中的含量较少，与主要矿物的来源可能不一致[17~19]，因此，有关腾格里地区沉积物物源随时间变化的认识[9]还需多手段物源示踪结果的进一步检验。
碎屑沉积物的元素地球化学特征常常是源区性质及风化搬运过程的反映，加之性质稳定的重矿物经长距离搬运后仍能很好地反映母岩的性质，所以，碎屑沉积物的重矿物组合及元素地球化学特征是识别物源区的可靠指标[19]。元素地球化学特征与重矿物组合特征已成功运用于柴达木盆地第三系砂岩、戈壁沙漠区表层沉积物及我国东北部沙地末次冰盛期以来风沙物源研究[20~26]。
本文以BJ14钻孔岩芯沉积物为研究对象，测量了第四纪不同时段内沉积物的地球化学元素及重矿物组成，讨论它们随时间的变化特征，检验根据锆石U-Pb年龄谱研究结果获得的物源变化结果[9]，进一步探讨腾格里地区物源变化与青藏高原隆升的关系。
1 研究区及样品 1.1 研究区概况腾格里地区(37°30′~40°00′N，102°30′~106°00′E)位于阿拉善高原南部，其西部、西南部和东部分别被雅布赖山、祁连山和贺兰山所包围(图 1)。研究区的海拔高度介于1100~2000m之间，总体地势为由西南向东北降低[27]。现今，该区的大部分地区被移动的新月状或横向沙丘覆盖，沙丘间分布有大量残余湖泊，湖泊水源补给以大气降水为主[27~29]。区内植被主要为蒿属等植物，植被覆盖率小于 < 5 %。
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图 1 腾格里沙漠地理位置及BJ14钻孔位置 Fig. 1 Geographic setting of the Tengger Desert and location of drill core BJ14 |
腾格里地区仅在少数区域出露有风化残余的下元古宙、寒武纪、石炭纪、白垩纪、古近纪、新近纪及第四纪地层[30]。区内构造主要受阿拉善弧形构造带东部、阴山-天山构造带及龙首山-红崖山构造带共同控制[30]。新生代以来，受到河西构造体系的影响，腾格里地区发育了一系列N-NE向及近S-N向的断裂[30]。
气候上，腾格里地区地处亚洲夏季风影响区的西北边缘，主要受到西风环流、蒙古-西伯利亚高压系统控制的干冷空气及亚洲夏季风的影响[28, 31]。年平均气温和降水量分别为7.8℃及110mm，年蒸发量超过2600mm，日照时数3200 h[31]。区内主要盛行西北风，西北风的输沙量占春、冬两季总输沙量的61.9 %及全年输沙量的16.4 % [28]。
1.2 地层及样品BJ14钻孔位于腾格里沙漠腹地西北部的白碱湖一带(图 1)，地理坐标为39°05′23.89″N，104°11′50.82″E，钻孔岩芯长104m，取芯率达90 %以上。钻孔地层整体以砂质沉积为主，粘土沉积次之，出现多层钙质胶结，砂层总体呈青灰色及灰褐色，粘土层以棕色及灰绿色为主(图 2)，上述特征指示整个钻孔沉积物为湖相沉积[28]。钻孔地层具体划分从下至上如下[28]：
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图 2 BJ14钻孔的地层岩性和年代框架[28, 32] Fig. 2 Lithostratigraphy and chronological framework of the drill core BJ14[28, 32] |
103.8~84.55m：主要为浅棕色砂质粘土与褐色、青灰色细砂层互层，发育平行层理；
84.55~64.19m：主要为棕色粘土、粉砂质粘土及青灰色细砂，在64.19~67.92m、73.52~75.52m和78.94~81.67m处为灰褐色砂层与褐色、灰色粘土互层，砂层中发育有交错层理；
64.19~41.34m：主要为灰褐色砂层与褐黄色粘土互层，在41.47~42.79m处发育有浅褐色砂质粘土层；
41.34~23.82m：主要为青色、灰色及深灰色粘土与浅灰色薄层砂层互层；
23.82~7.76m：主要为棕色和青灰色粘土，中间夹有多层棕色和黄色砂层；
7.76~0m：主要为青色、棕色和深灰色砂，夹有多层棕黄色风成沙。
其中，在11.88m、12.3m、84.99m和96.36m处发现轮藻藏卵器残体，以及在9.5m、11.88m、12.3m、19.32m、20.72m、47.37m、84.99m、94.54m和102.24m处发现介形虫壳体。
Fan等[28]基于系统的岩石磁学及磁性地层学研究并辅助以5个关键层位的电子自旋共振测年结果，确定BJ14岩芯柱涵盖了整个第四纪时段的沉积(图 2)。本文利用X射线荧光光谱(XRF)岩芯扫描仪对BJ14孔所有岩芯按照10mm的分辨率进行了元素相对含量的测量；并选取不同年代的40个样品在X射线衍射(XRD)仪上进行了矿物成分分析，样品具体信息见表 1。
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表 1 用于XRD矿物分析的样品信息表(据文献[28]) Table 1 Information of samples which mineral composition were analyzed through XRD(from reference[28]) |
本研究采用XRD分析了岩芯沉积物的矿物组成。实验在兰州大学化学化工学院功能有机分子国家重点实验室完成，实验分析仪器型号为Super NOVA，实验条件为：Cu靶(λ=1.5406)，管电压40kV，管电流40mA，扫描范围3°~75°，扫描步长0.017°(2θ)。本文使用MDI Jade 6对数据进行处理，使用RIR值法进行物相的相对百分含量计算。
沉积物的地球化学元素的相对含量(强度)采用XRF岩芯扫描技术进行分析。实验在兰州大学西部矿产资源重点实验室完成。先将岩芯切成均等的两半，将其中一半岩芯的表面处理平整，覆盖上Ultralene薄膜(4μm)，再在Avaatech XRF岩芯扫描仪上进行元素相对含量测试。为避免Mo管和Cr管对特定元素灵敏度低的问题，选用Rh管进行岩芯扫描。岩芯扫描以10mm的分辨率进行，扫描面积为5mm(宽)×10mm(长)。为了获取不同种类的元素的相对含量信息，每段岩芯都在3个不同条件下进行了测量，它们分别为10kV、1mA、15 s，30kV、2mA、25 s和50kV、2mA、25 s。
同时，为了检验采用XRD获得重矿物成分结果的可靠性，选择从部分样品中进行了重矿物的提取和显微镜下的矿物鉴定。矿物分离依据Bird等[17]的方法，主要采用多钨酸钠重液对重矿物进行分离。最后，采用Canoco 5.0对重矿物及元素进行了主成分分析。
3 测试结果 3.1 元素曲线特征在BJ14钻孔岩芯沉积物中共检测出24种元素，其中在10kV、1mA电压电流条件下检测出Al、Si、S、Cl、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe等元素，在30kV、2mA电压电流条件下检出Ag、Cd、Sn、Te、Ba等元素，在50kV、2mA电压电流条件下检出Zn、Ga、Br、Rb、Sr、Y、Zr、Ni、Pb等元素。
图 3a展示了岩芯沉积物中部分元素相对强度随时间的变化特征。总体上看，Si、Al、Fe、K和Ti等元素相对含量变化比较频繁，特别是在2.3Ma、1.9Ma、1.8Ma、0.9Ma及0.7Ma前后，多种元素的相对含量出现了系统性同步变化。其中，最显著的变化发生在0.9Ma前后，表现为Si、Al和S元素相对强度的急剧降低，而Cl和Ag元素的相对强度突然增加。此外，在0.9~0.7Ma时段，Cl和S元素均同步阶梯式突然增加。
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图 3 BJ14钻孔沉积物中地球化学元素相对强度变化(a)、青藏高原北缘(NTP)对腾格里地区沉积物的相对贡献(b)与青藏高原北缘及邻近地区构造事件[9] (c)的对应关系 Fig. 3 Variation of geochemical elements intensity in sediments of core BJ14 (a), variation of relative contribution of northern Tibetan Plateau(NTP)to sediments in Tengger area (b) and tectonic events in the northern Tibetan Plateau and its vicinity[9] (c) |
XRD分析结果显示，岩芯沉积物中造岩矿物主要为石英、长石及云母，其中石英含量为3.2 % ~63.6 %；长石含量为9.5 % ~44.4 %；云母含量为0~17.2 %。在0.3Ma和约0.75~0.94Ma时段发现方解石，最高含量可达20 %以上。除主要造岩矿物以外，该岩芯沉积物中还含有绿泥石、锆石、磷灰石、金红石、锐钛矿、白钛石、石榴子石、角闪石、辉石、电气石、绿帘石、钛铁矿、赤褐铁矿、磁铁矿、榍石等重矿物，其中锆石含量为0.3 % ~12.9 %；磷灰石含量为0~5.6 %；金红石含量为0~3.7 %；锐钛矿含量为0~1.9 %；白钛石含量为0~8.6 %；石榴子石含量为0~3.7 %；角闪石含量为1.7 % ~8.8 %；辉石含量为0~9.7 %；电气石含量为0~8.1 %；绿帘石含量为1.3 % ~9.4 %；榍石含量为0~7.4 %；不透明重矿物总含量为0.3 % ~16.6 %。为了更直观地表达重矿物相对含量的变化，本文在讨论时扣除了主要造岩矿物石英与长石，重新计算了单种重矿物含量占所有重矿物含量的百分比，据此画出不同重矿物含量随时间的变化(图 4a)并计算出不同时段各种重矿物含量的均值(表 2)。由图 4a可见，BJ14钻孔沉积物中的多种重矿物相对含量在1.9~1.8Ma、0.9Ma和0.6Ma前后发生了较显著的变化。其中，在2.6~1.9Ma时段，岩芯沉积物中的重矿物主要为白钛石、绿帘石、角闪石、锆石和电气石；在1.9~1.8Ma时段，锆石和金红石的含量同步增加，但在1.8Ma前后，锆石和金红石等矿物的含量急剧降低，而绿帘石、石榴子石及角闪石等矿物的含量增加；1.2Ma以后，腾格里地区的重矿物含量波动较大，特别在1.0~0.6Ma之间，重矿物含量波动明显(图 4a)。不同时段重矿物的均值计算结果显示，在1.2~0.6Ma时段，BJ14钻孔沉积物中的绿帘石、石榴子石和角闪石的含量较之前有一定增加，特别是绿帘石的均值由1.9~1.8Ma时段的小于7 %增加到约11 % (表 2)。
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图 4 BJ14钻孔沉积物中重矿物含量变化曲线(a)及ZTR指数(b) Fig. 4 Variation of heavy mineral content (a) and ZTR index (b) in sediments of core BJ14 |
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表 2 主要重矿物在不同时段的均值 Table 2 Mean value of main heavy minerals in different periods |
前人通过对海洋、湖泊、黄土及三角洲沉积物进行XRF岩芯扫描分析，并与常规XRF元素扫描及ICP-OES等方法所测元素含量进行对比，发现在不同沉积物中各元素强度与含量之间的关系虽略有差异，但在排除含水量对元素的影响后，Si、Al、Ti、Mn、Fe、K、Ca、Sr等元素的强度与含量之间有良好的相关性，可用其强度的变化反映含量的变化[33~34]。
矿物主成分分析(Principal Components Analysis，简称PCA)结果显示(图 5a)，岩芯沉积物中由石英和长石构成的主要造岩矿物组合在PC1上为正载荷、PC2上为负载荷；石榴子石、电气石、榍石、锐钛矿及磷灰石、角闪石、钛铁矿、绿帘石、白钛石、辉石的矿物组合在PC1及PC2上均为负载荷；绿泥石、云母、赤褐铁矿、磁铁矿等构成的矿物组合在PC1上为负载荷、PC2上为正载荷。而元素的主成分分析结果(图 5b)显示Al和Si在PC1及PC2上均为负载荷；而K、Ti、Fe、Mn等在PC1上为负载荷、PC2上为正载荷。同时，从元素的主成分图中我们可以看出，Ca在PC2上有较高的正载荷，与Fe、Mn等有一定相关性。而Br与Cl元素在PC1上具有较高正载荷(图 5b)。矿物及化学元素组合的这种变化趋势可以得到矿物化学的支持。如，Ca元素能与Mg、Mn等元素发生离子置换，易于富集在辉石、闪石等富镁的硅酸盐矿物之中[35]。
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图 5 腾格里地区沉积物中重矿物(a)和化学元素(b)主成分分析图 Fig. 5 PCA of heavy minerals (a) and chemical elements (b) in sediments of the Tengger area |
主成分分析结果表明，Si、Al等元素与石英、长石等矿物均在PC2上有较高的负载荷；而K、Ti、Fe、Mn等元素则与石榴子石、电气石、榍石、角闪石、绿帘石、白钛石等矿物均在PC1上有较高的负载荷(图 5a和5b)。因此，可以认为BJ14钻孔沉积物中Si和Al元素的变化受控于石英及长石的变化，而K、Ti、Fe、Mn等元素的变化受控于石榴子石、绿帘石、白钛石、角闪石等重矿物的变化。
前人通过聚类分析发现，沉积物中S、Cl等元素的浓度与湖水盐度密切相关[36~37]。本文在岩芯沉积物中检测到的在0.9~0.7Ma时段S和Cl元素相对含量的同步突然增加及Si和Al的突然同步减少，与腾格里地区湖水浓缩、沙漠开始发育[28]的时间一致，因此，该时段Si和Al等元素相对含量的降低很可能是对湖泊浓缩导致盐类矿物浓度增加的反映。
4 讨论 4.1 重矿物及元素含量变化支持第四纪期间腾格里地区沉积物源发生了变化前人通过对比沙漠表层样品与潜在源区碎屑锆石的U-Pb年龄谱发现，阿拉善地区(包括腾格里沙漠)沉积物的主要物源区为戈壁阿尔泰与青藏高原东北缘[11~13]；同时，Fan等[9]对腾格里地区碎屑锆石U-Pb年龄谱的研究表明，青藏高原东北缘及戈壁阿尔泰山是腾格里地区第四纪以来沉积物的主要物源区。因此，即便贺兰山等地区的碎屑物也可能对腾格里地区有贡献，但不是主要物源。
一般来说，锆石、磷灰石、电气石、金红石等矿物组合来自岩浆岩，绿帘石、石榴子石、白钛石矿物组合多来自变质岩，而云母和角闪石等矿物既可以来自于岩浆岩也可以来自变质岩[17, 21, 38~40]。前人研究发现，柴达木盆地及祁连山等地发育有大量的古生代片麻岩、榴辉岩等变质岩[14, 21]，而阿尔泰地区则分布大面积的古生代和中生代基性-酸性岩浆岩[14, 41~42]。其中，阿尔泰山大面积出露花岗岩类岩石，形成巨大的北西向花岗岩带，出露面积几乎占自然露头的一半[43]。因此，腾格里地区岩芯沉积物中绿帘石、石榴子石等特征变质矿物的增加反映了源自青藏高原(包括祁连山和柴达木盆地)的风化碎屑的增加。
在1.8Ma前后，锆石与金红石的矿物含量急剧降低，绿帘石、石榴子石及角闪石等矿物含量开始小幅度增加(图 4a)。这种变化显示在1.8Ma前后腾格里地区接受了较多源自青藏高原东北缘的风化碎屑。在1.2~0.6Ma时段，腾格里地区的岩芯沉积物中的绿帘石含量一直较高，且较之前略有增多(表 2和图 4a)，说明1.2~0.6Ma时段青藏高原东北缘对腾格里地区的物源供给较其他时段明显增多，很可能是对“昆黄运动”的阶段性构造活动的响应。上述结论与Fan等[9]根据碎屑锆石U-Pb年龄谱研究结果获得的腾格里地区第四纪以来的物源变化的结论基本一致(图 3b)，支持第四纪期间腾格里地区沉积物源发生了变化。
4.2 腾格里地区沉积记录对第四纪期间青藏高原快速隆升的响应ZTR指数[ZTR指数=((锆石+电气石+金红石)/所有透明重矿物)×100]作为反映沉积物源区构造活动强度与风化剥蚀程度的代表性指标，其值越高指示物源区构造越稳定、风化剥蚀越弱[44]。
1.8Ma前后，腾格里地区的ZTR指数迅速降低(图 4b)，与绿帘石、石榴子石及角闪石等矿物的增加同步，说明腾格里地区的碎屑物源区在1.8Ma前后风化剥蚀突然加强，这很可能是对开始于1.8Ma前后的“青藏运动C幕”(图 3c)的响应。而0.7Ma前后，腾格里地区的ZTR指数再一次明显下降(图 4b)，推测该时段腾格里地区碎屑沉积物的源区构造活动增强。同时，Al、Si、Cl、S等元素在0.9~0.7Ma时段存在明显变化(图 3a)，且与腾格里地区湖水浓缩、沙漠开始发育[28]同步变化，这可能指示该时段内腾格里地区干旱化增强。前人研究表明，1.2~0.6Ma时段青藏高原发生了强烈的阶段性隆升事件，即“昆黄运动”(图 3c)使得青藏高原大范围进入冰冻圈[7]，冰川作用及风化作用明显加强。同时，“昆黄运动”还导致了亚洲内陆干旱化的增强[6]。因此，1.2~0.6Ma期间腾格里地区物源的改变及ZTR指数的降低很可能是“昆黄运动”在该区的沉积响应。
前人在河西走廊的诸多研究表明，青藏高原东北缘在约2.6Ma、1.8~1.7Ma、1.2~0.6Ma及0.15Ma等时间段内构造明显活跃。如对酒泉盆地玉门老君庙剖面高分辨率的磁性地层研究表明，自约3.6Ma之后，祁连山剧烈隆升，并在1.8~1.23Ma、0.93~0.84Ma及0.14Ma时快速隆升[45]；对位于酒东盆地及张掖盆地之间的榆木山晚新生代以来沉积物的磁性地层研究结果表明，约2.88~2.58Ma及0.9~0.8Ma时该区发生了明显的构造活动，且与青藏高原东北缘的构造活动同步[46]；而Li等[6]通过对酒泉盆地新生代地层的野外观测及精细测年结果表明，酒泉盆地在约2.6Ma、1.8~1.7Ma、1.2~0.6Ma及0.15Ma等时段出现明显的不整合现象，认为与青藏高原的快速隆升有关。此外，在1.0Ma、0.9~0.8Ma及约0.7Ma等时段青藏高原东北缘河流阶地的发育也指示该区发生了明显的阶段性构造运动[47~48]。
综上可见，众多证据支持在约2.6Ma、1.8~1.2Ma、0.9~0.8Ma及约0.15Ma时河西走廊及青藏高原东北缘大面积地区快速隆升。本文化学元素及重矿物含量发生变化的时间点与青藏高原东北缘的构造活动时间吻合较好。因此，有理由认为腾格里地区在第四纪期间沉积物源区的变化敏感地响应了青藏高原的阶段性隆升。
5 结论本文以BJ14钻孔岩芯沉积物为研究对象，测量了第四纪不同时段内岩芯沉积物的地球化学元素及重矿物组成，通过对比它们在不同时段内的变化特征，得出如下结论：
(1) XRD分析结果表明，1.8Ma前后锆石及金红石的矿物含量快速降低，而绿帘石、石榴子石及角闪石等矿物含量开始增加，指示在1.8Ma前后腾格里地区接受了较多源自青藏高原东北缘的风化碎屑；1.2~0.6Ma时段，钻孔中绿帘石的含量较高且较之前大幅增长，说明此时腾格里地区源自青藏高原的风化物质快速增加。上述认识与锆石U-Pb年龄谱揭示的腾格里地区的物源变化信息基本一致，支持第四纪期间腾格里地区沉积物物源发生了变化。
(2) BJ14岩芯沉积物中ZTR指数在约1.8Ma及0.7Ma时显著降低，指示在约1.8Ma及0.7Ma时腾格里碎屑物源区构造活动增强。同时，Al、Si、Cl、S等元素含量在0.9~0.7Ma时段突然快速变化且与腾格里地区湖泊浓缩、沙漠开始发育同步，指示腾格里地区在该时段内干旱化增强。结合邻近区域的研究成果，有理由认为1.8Ma前后和1.2~0.6Ma时段腾格里地区物源的变化及ZTR指数的降低敏感地响应了“青藏运动C幕”及“昆黄运动”。
致谢: 感谢审稿老师提出的修改意见和杨美芳老师对此论文的帮助。
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Abstract
Tengger is located in a basin (37°30'~40°00'N, 102°30'~106°00'E) northeastern of the Tibetan Plateau and south of the Gobi Altai Mountains. The 104 m long core BJ14 (39°05'23.89"N, 104°11'50.82"E) was drilled from hinterland of the Tengger Desert with chronology spanning the entire Quaternary period. Here we report variations of geochemical elements and heavy minerals percentage with ages. The relative content (intensity) of geochemical elements of entire core was measured with high resolution (10 mm interval) X-ray fluorescence spectroscopy (XRF) equipped with the core scanner, and heavy mineral contents of forty samples were measured through X-ray diffraction (XRD) and further tested under microscope. The results support the following recognitions:(1) Heavy minerals percentage changed significantly at the period of 1.9~1.8 Ma, 0.9 Ma and 0.6 Ma. In details, since about 1.8 Ma, the percentage of zircon and rutile decreased abruptly, while percentages of epidote, garnet and amphibole increased synchronously. During 1.2~0.6 Ma, the content of epidote, garnet and amphibole increased to a high level, especially the average value of the epidote increased from < 7% to about 11%. (2) During the interval of 0.9~0.7 Ma, the relative intensity of elements Si and Al decreased abruptly, and the relative intensity of elements S and Cl increased synchronously. (3) The increase of epidote, garnet and amphibole percentage in the Tengger area at intervals of 1.8 Ma and 1.2~0.6 Ma might indicate increase of detrital materials which were originated from the northern Tibetan Plateau. As is consistent with the provenance variation revealed from U-Pb age spectrum of detrital zircon grains. While the abrupt decrease of the relative intensity of elements Si and Al, and synchronously step increase of elements S and Cl at the interval of 0.9~0.7 Ma may be a response to the shrinkage of paleolake in the Tengger which was supported by changes of sedimentary lithology. In addition, the ZTR index significantly decreased at around 1.8 Ma and 0.7 Ma, indicating that the tectonic movements obviously enhanced in the prominent provenance area of Tengger, northeastern Tibetan Plateau. Combined with previous studies, this study therefore suggests that the provenance variation in the Tengger area at around 1.8 Ma and at the interval of 1.2~0.6 Ma was a response to the "Qing-Tibetan movement episode C" and the "Kunhuang Movement".