柳林地区晚中新世 — 上新世红黏土磁性地层学研究

刘实航 ，张 鹏，敖 红，姚 娇

1.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061 2.中国科学院大学，北京 100049

黄土高原（34° — 41°N）堆积了过去25 Ma以来相对连续的高分辨率（可达数百年）风尘堆积，包括第四纪黄土-古土壤序列和晚渐新世至上新世红黏土，这些风尘堆积是新生代气候变化最重要的陆相记录之一（Bird et al，2020；Sun et al，2020），对研究亚洲内陆干旱化、东亚季风演化、青藏高原隆升和全球变化等科学问题具有重要意义（Ding et al，1999；安芷生等，2000；An et al，2001；Guo et al，2002；郑洪波等，2005；安芷生等，2006；鹿化煜等，2008；Qiang et al，2011）。黄土高原西部秦安和庄浪一带保存的风成红黏土底界可达22 — 25 Ma（Guo et al，2002；Qiang et al，2011）。在更往西的亚洲内陆，例如阿尔金地区、准噶尔盆地和蒙古国西部等地，则保存有渐新世和始新世的风成红黏土沉积（Sun et al，2014；Sun et al，2015；Li et al，2018）。然而，黄土高原中—东部其他剖面，如灵台（Ding et al，1998；Sun et al，1998a）、西峰赵家川（Sun et al，1998b）、石楼（Ao et al，2016）、卫家洼（李建星等，2009a）等剖面红黏土沉积始于7—8 Ma。本研究将报道在黄土高原东部吕梁山以西的柳林地区获得的新磁性地层学结果，并在此基础上整合地质资料探讨其环境意义。

1 研究区概况

吕梁山位于山西省中部断陷盆地以西，整体上呈北北东—南南西走向，其海拔高度约为1500 —2500 m，且由北向南逐渐递减。吕梁山在地质构造上主体表现为长约400 km，宽约40 — 120 km的背斜构造，翼部可能叠加和缓的小向斜。以汾阳—离石为界，吕梁背斜北部各山岭轴部均为前震旦纪变质岩系所组成，翼部出露寒武、奥陶系石灰岩；而吕梁背斜南部各山岭轴部以寒武、奥陶系石灰岩为代表，两翼为石炭系砂岩、页岩。吕梁背斜山前堆积了新近纪红黏土层序和第四纪黄土-古土壤序列，常不整合覆盖在前新生代基岩之上。

柳林县隶属于山西省吕梁市，地理位置位于吕梁山西麓，介于东经110°39′45″ — 110°05′33″、北 纬37°08′53″ — 37°37′28″，东 临 离 石，西 临 黄河，属温带大陆性气候（图1）。前人曾经报道了柳林县复兴村红黏土（复兴剖面）的磁性地层学研究工作（徐永，2010；徐永等，2013），但该剖面部分地层可能缺失，建立的该剖面磁极性序列与国际标准极性序列不能进行一一对比，例如缺失C2An.1n、C3n.2n、C3n.3n和C3An.2n等正极性带，因此根据其建立的磁性地层年代难以进行准确的区域对比和开展可全球对比的古气候研究。在前人研究基础上，本课题组对柳林地区的红黏土沉积进行了详细考察。由于当地近年来的治沟造地，一些连续的红黏土剖面被暴露出来。本文将报道柳林地区复兴村附近一个新出露红黏土剖面（命名为柳林剖面，与复兴剖面相距约1.5 km）的磁性地层年代学结果，为后续古气候重建奠定坚实的年代学基础。

图1 研究剖面在黄土高原的位置（a）；研究区卫星图（Google Earth影像）（b）Fig. 1 Map of the Chinese Loess Plateau with location of the studied section (a); schematic location of the studied area (Google Earth image) (b)

柳林剖面沉积了厚约60 m的红黏土，上伏第四纪黄土-古土壤序列，二者呈不整合接触（图2）。晚新近纪红黏土经历了比第四纪黄土-古土壤更强的成土作用，因此其颜色更红。柳林剖面顶部（0 — 8.1 m）以红棕色的黏土为主，黏土层中夹杂网状分布的钙质结核，黑色铁锰结核较为发育；剖面中部（8.1 — 51.7 m）以棕红色、黄棕色和褐黄色黏土层和钙板层交替分布为特点，发育零散分布的钙质结核，且分别在17.6 m、50.8 m处可见不连续分布的砾石层，以石灰质、砂质砾石为主，推测为近源堆积的产物。剖面底部（51.7 —60 m）以褐黄色黏土、浅黄色砂质黏土和钙板层最为发育，底部可见灰黄色砂层（表1）。

表1 柳林剖面岩性Tab. 1 The lithology of Liulin section

图2 柳林剖面野外照片Fig. 2 Photograph of the Liulin section, toward the top of the section the red clay become more prominent with red color, consistent with enhanced pedogenesis

前人在吕梁山地区开展的研究普遍将该地区红黏土分为中新世保德组和上新世静乐组（张云翔和薛祥煦，1995）。保德组以浅黄色、浅红棕色黏土为主，并含密集钙质结核层；静乐组的红黏土颜色更深，呈深红棕色，成土作用更强。然而在柳林一带，包括附近的复兴剖面（徐永等，2013），保德组与静乐组在颜色和岩性的划分并不十分明显，并不像石楼和保德剖面那么清楚，因此本文在岩性描述时没有将柳林红黏土序列划分为保德组和静乐组，而将其作为晚中新世—上新世红黏土序列。

2 样品采集与实验方法

在野外采用探槽取样法，首先去除表面易受风化作用影响的部分（厚度约30 — 50 cm），露出原始地层，形成一条连续的红黏土探槽，然后进行古地磁块状样品和粉末样品的采集工作。古地磁样品以10 cm间隔向下取样，散样采集间隔为2 — 10 cm。在柳林剖面共采集古地磁样品600块和散样2646个。在实验室将采集的古地磁样品切割成边长为2 cm的立方体（块样）进行古地磁测量。为获得样品的原生剩磁方向，对古地磁样品采用了系统热退磁方法。热退磁利用ASC Scientific TD — 48 型热退磁仪进行，在测得天然剩磁（natural remnant magnetization，NRM）后从200℃开始以50℃为间隔加热至500℃，之后以20℃为间隔加热到600℃，共计13个温度点（包括天然剩磁）。在每一步退磁完成之后，都在2G U-channel 超导岩石磁力仪上进行剩磁测量（2G U-channels 755R）。将2646个磁化率样品烘干、研磨后装入非磁性立方体盒（2 cm×2 cm×2 cm）进行低频磁化率（χlf）测试。χlf的测试采用Bartington磁化率测量仪在470 Hz频率下完成。磁化率随温度变化（χ—T）曲线采用捷克AGICO公司生产的AGICO MFK1 FA旋转型卡帕桥多频磁化率仪及CS-3温度控制系统测量，粉末样品用量约0.2 g，为了避免在加热过程中样品被氧化，整个实验在氩气环境下进行。等温剩磁获得曲线（IRM）和磁滞回线利用MicroMag 3900变梯度磁力仪测量，测量所加最大场为1 T，测量间隔为5 mT，在去除顺磁性影响后，得出饱和磁化强度（Ms），饱和剩磁强度（Mrs）和矫顽力（Bc）值。样品退磁过程，剩磁测量和磁化率测试以及岩石磁学指标测试均在中国科学院地球环境研究所环境磁学实验室完成。

3 结果

图3为柳林剖面代表性样品磁化率随温度变化曲线（χ—T）结果，样品从室温加热至250 —300℃时磁化率明显上升达到峰值，显示弱磁性矿物在此转化为强磁性矿物，如纤铁矿或针铁矿转化为磁赤铁矿。而后磁化率随温度升高逐渐下降，表明在加热过程中存在亚铁磁性矿物发生转化，可能反映了磁赤铁矿的信息（Deng et al，2000；Dunlop，2002）。当加热至约580℃时磁化率急速下降并出现明显的转折，指示磁铁矿为该红黏土剖面样品磁化率最主要的贡献者。

图3 代表性样品磁化率随温度变化曲线Fig. 3 The temperature-dependent magnetic susceptibility curves for represented samples

图4为柳林剖面代表性样品等温剩磁获得曲线（IRM）结果。从图4可知，在外加磁场从0增加到300 mT（图中虚线所示）的过程中，样品的等温剩磁逐渐升高，且样品的剩磁强度在300 mT时大约达到总强度的90%以上，反映了样品中的磁性矿物以软磁性（低矫顽力）磁性矿物（磁铁矿和磁赤铁矿）为主导的特征。从300 mT开始，IRM随外加磁场的增加而表现出微弱上升的态势，但在外加磁场达到1 T时仍未达到饱和状态，此特征反映出样品中存在高矫顽力磁性矿物。

图4 代表性样品的等温剩磁获得曲线Fig. 4 Isothermal remanent magnetization (IRM) acquisition curves for represented samples

磁滞特征可以提供亚铁磁性矿物矫顽力和磁畴状态的信息，能够较好地指示磁性矿物的种类（Tauxe et al，1996）。柳林剖面代表性样品的磁滞回线测试结果如图5，所有样品的磁滞回线在500 mT以前均已闭合，与样品磁性特征由低矫顽力的磁性矿物主导是一致的（Ao et al，2009）。磁滞回线微弱的细腰特征表明样品中除了低矫顽力的磁铁矿外，还具有高矫顽力的磁性矿物（Roberts et al，1995）。

图5 代表性样品磁滞回线特征Fig. 5 Hysteresis loops of represented samples

结合柳林剖面红黏土磁化率随温度变化、等温剩磁和磁滞回线等岩石磁学指标的分析结果可知，该剖面红黏土既包含低矫顽力的磁铁矿和磁赤铁矿，也包含高矫顽力磁性矿物。前人研究表明高矫顽力磁性矿物主要为赤铁矿，可能也含少量针铁矿（Zhu et al，2008；徐永等，2013）。

柳林剖面样品的NRM数量级通常在10-4— 10-2A·m-1，而2G U-channel 超导岩石磁力仪的背景值在10-6A·m-1数量级。利用正交投影图（Zijderveld，1967）来处理热退磁结果，用最小二乘法线性拟合（Kirschvink，1980）来对特征剩磁进行分析，数据处理采用Jones（2002）编写的Paleomag软件。柳林红黏土剖面的代表性样品正交投影图如图6所示，大部分样品的退磁结果显示两个剩磁组分，其中低温组分大多在200 —300℃就可以被清洗，低温组分的剩磁方向与现今地磁场方向基本一致，据此判断这些低温分量是在现今地磁场中获得的黏滞剩磁。高温分量则大多在580 — 600℃被退磁。从退磁相对强度曲线可以看出，对于正极性样品而言，天然剩磁强度往往最大，随着退磁温度的不断升高，剩磁强度也同步减少（图6a、图6b）。但是部分负极性样品在加热至200 — 250℃明显升高（图6c、图6d），随后开始降低，这表明黏滞剩磁可能是受到现今地磁场影响；样品的剩磁强度在580 — 600℃衰减至接近0，说明样品中存在大量磁铁矿，这与岩石磁学指标分析结果（图3）一致。

图6 柳林剖面部分样品处理结果展示Fig. 6 Orthogonal thermal demagnetization plots and the temperature dependence magnetization of typical samples in Liulin section

为获取可信的高温分量，制定严格的筛选条件：（1）从300℃开始选取至少四个连续的温度点，通常为5 — 8个温度点且强制通过圆心；（2）最大偏角差（MAD）小于15°（大多数都小于10°）；（3）利用倾角和偏角计算出的虚拟地磁极（VGP）纬度大于30°或者小于-30°。经过严格筛选，最终得到363块具有稳定的特征剩磁方向的古地磁样品。

利用McFadden and McElhinny（1990）的方法对柳林剖面特征剩磁数据进行分析，并将特征剩磁投影在地理坐标系中（图7）。本次研究发现柳林剖面的特征剩磁方向主要由158个正极性点和205个负极性点组成，正、负极性点的特征剩磁的方向均相对集中，其中正极性点的平均磁偏角Dec = 2.5°，平均磁倾角Inc = 56.4°（精度参数k= 14.68，α95 = 3.0°），负极性点的平均磁偏角Dec = 179.5°，平 均 磁 倾 角Inc = -56.1°（精 度 参 数k= 21.34，α95 = 2.2°），正、负极性点的平均磁偏角相差177°，据此判断整个剖面特征剩磁数据通过了倒转检验。利用这363个样品的特征剩磁计算了其虚拟地磁极纬度（VGP纬度），构建了柳林剖面的古地磁极性序列，包括7个负极性带和6个正极性带（图8）。

图7 柳林剖面特征剩磁的等面积投影图Fig. 7 The equal-area projection of the characteristic direction of Liulin section

图8 柳林剖面岩性、磁化率和磁性地层序列Fig. 8 Lithology magnetic susceptibility and magnetostratigraphy of the Liulin section

4 讨论

4.1 年代框架的建立

柳林剖面的岩性、磁性地层序列与邻区吴家峁（2.6 — 7.1 Ma）、偏关（2.9 — 6.9 Ma）红黏土剖面在区域上是可对比的（图9）。由图9可见，柳林红黏土的古地磁极性序列与吴家峁和偏关红黏土的极性序列具有较好的对应关系（Yang et al，2018；徐永等，2019）。由于柳林红黏土顶部与上伏第四纪黄土-古土壤呈不整合关系，表明二者之间可能存在沉积间断，因此柳林红黏土顶部的负极性带R1可能并不完整，故而从柳林剖面N1开始与吴家峁、偏关剖面进行磁性地层的划分和对比（图9）。从古地磁极性序列来看，柳林红黏土记录的6个正极性带（N1 — N6）、6个负极性带（R2 — R7）与偏关红黏土上部的正极性带（N1 — N6）和负极性带（R1 — R6）能够一一对应。

图9 黄土高原红黏土剖面磁性地层与磁化率对比Fig. 9 Comparison of magnetic susceptibility and magnetostratigraphy of red clay sections in the Loess Plateau

前人曾在柳林剖面西北约1.5 km处的复兴红黏土剖面底部发现两个哺乳动物化石层位，其年龄分别约为6.8 Ma和7.1 Ma（徐永等，2013）。根据这一哺乳动物年代框架和缺失晚上新世红黏土顶部地层，可以将建立的柳林磁极性序列与国际标准极性年表（GPTS，Gradstein et al，2012）进行对比。本次研究发现，柳林红黏土底部存在一个较长的负极性带（R7），发育的红黏土层序可达15 m，以此为标志层位进行磁性地层划分和对比的方案可能有两种：一是R7对应于GPTS中的C2Ar负极性带，然而此方案中柳林红黏土剖面R7上部记录的6个正极性带不能与GPTS进行一一对比，因此该方案可能性较小。另外一种方案是R7对应于GPTS中的C3r负极性带，依次往上柳林红黏土记录的正、负极性带均能与GPTS进行良性对比，此方案中柳林红黏土记录了上新世C3r —C2An.1r的极性序列。根据古地磁正、负极性的转换确立了12个年代控制点，按照线性内插法估算柳林红黏土的年代标尺，结合剖面沉积速率的变化（图10）计算得出该剖面的年代跨度为3.05 —5.84 Ma，前人在石楼（Ao et al，2016；Ao et al，2018）、保德（Zhu et al，2008）、卫家洼（李建星等，2009b）等红黏土剖面的研究显示保德组和静乐组界限的年代约为5.3 Ma，与本文计算结果一致。因此第二种磁性地层划分对比方案更加准确可靠，而且其与临近吴家峁和偏关红黏土剖面的磁性地层结果更加吻合（图9）。

图10 柳林红黏土年代 — 深度对比图Fig. 10 Age — depth plot for Liulin red clay sequence

4.2 环境意义

黄土高原的红黏土剖面，如董湾（Hao and Guo，2004）、佳县（Qiang et al，2001）、石楼（Ao et al，2016；Ao et al，2018）、偏关（Yang et al，2018）和保德（Zhu et al，2008）均显示了中新世—上新世转换边界附近的磁化率显著增强的特征，而本研究的柳林剖面也在此期间出现磁化率的显著增强，可能指示中新世—上新世转型时期夏季风作用增强。

柳林剖面共存在两层砾石层，剖面17.6 m处的砾石层位于C2Ar负极性带（3.60 — 4.19 Ma），剖面50.8 m处的砾石层位于C3r负极性带（5.24 — 6.03 Ma）。砾石根据其成分特征可分为两类：一类以砂岩、粉砂岩、泥岩为主要成分，厚度较薄；另一类砾石成分以灰岩为主，砂泥岩次之，砾石层厚度较大，约0.5 — 1.0 m，走向上延伸较远，比较稳定。目前，关于吕梁山前红黏土中砾石层的成因仍比较有争议。徐永等（2013）、徐永等（2019）和李建星等（2009 a）针对复兴、吴家峁等地红黏土中砾石层进行沉积特征分析，认为砾石层为山麓冲积扇相堆积，是吕梁山新生代隆升的产物。王小燕等（2013）和刘运明（2016）对晋陕峡谷北段保德 — 府谷一带红黏土中砾石层的研究认为吕梁山前红黏土中的砾石层是古南北向水系的沉积产物。Pan et al（2011）和潘保田等（2012）对保德地区芦子沟砾岩的研究认为红黏土中砾石层为内陆湖泊相堆积。由此可见，吕梁山前不同空间展布的红黏土中砾石层的成因有所差别，吕梁山西麓北段红黏土中砾石层多见于剖面底部，且厚度较大，剖面底部具有明显的河流沉积特征，即砾石层、粉砂层、细砂层等组合类型发育，因此推测吕梁山西麓北段山前红黏土中砾石层可能为古南北向水流或内陆湖泊相产物。而吕梁山西麓中段的吴家峁（徐永等，2019）、复兴（徐永等，2013）、卫家洼（李建星等，2009b）等红黏土剖面中砾石层多发育在晚中新世至早上新世（8 — 3.7 Ma），河流分选特征不明显，因此可能是吕梁山晚新生代的隆升事件形成的砾石被强降雨形成的水流带入到红黏土沉积中。

柳林红黏土的沉积速率变化曲线（图10）表明，约5 Ma该地区风成沉积物的沉积速率显著降低，类似的沉积速率减缓特征在黄土高原保德（王均平，2006；Li et al，2011）、朝那（Song et al，2001；Song et al，2007）、灵台（Sun et al，2002）、旬邑（薛祥煦等，2003）等红黏土剖面也有记录，可能反映了冬季风的减弱，使得风成沉积物的搬运量逐渐减少。柳林及其邻区在晚中新世至早上新世沉积了数层砾石层和较多的粗颗粒组分（砂）（图9），并且红黏土的沉积速率较高，这表明早期流水作用带来近源的粗颗粒堆积物较多。据此，本研究认为柳林红黏土中的砾石层可能是吕梁山隆升剥蚀的产物，经间歇性流水作用带入到柳林剖面的风成红黏土沉积中。

5 结论

通过磁性地层学研究，柳林剖面记录了晚中新世至早上新世C2An.1r — C3r极性带序列，年代跨度为3.05 — 5.84 Ma，期间无缺失地层。岩石磁学结果表明柳林剖面红黏土沉积存在低矫顽力的磁铁矿、磁赤铁矿等磁性矿物。利用磁性地层年代控制点，确定了柳林红黏土的磁性地层年代框架，剖面从下至上磁化率值和沉积速率的变化，反映出与晚中新世相比，上新世早期和中期的夏季风有所增加和冬季风有所减弱。剖面中包含晚中新世至早上新世的红黏土沉积中发育的数层砾石层，可能是吕梁山隆升剥蚀的产物，经间歇性流水作用带入到柳林剖面的风成红黏土沉积中。

致谢：感谢审稿人提出的宝贵意见。