基于碎屑锆石的黄土高原—毛乌素交界区石峁黄土粉尘物源估算*

安 宇 范念念 徐志伟 刘兴年

1 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610064 2 南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京 210023

1 概述

黄土高原位于中国中部偏北，是世界上黄土覆盖面积最大的高原。其风成黄土分布广泛并且沉积相对连续，记录了晚新生代以来的气候变化(刘东生，1985；安芷生等，1991)。因此，对黄土的研究，一直是国内外气候重建的热点(刘东生，1985；George，1987；Guoetal.， 2002)。近几十年来，在黄土—古土壤沉积序列(刘东生，1985)和长尺度东亚季风演化(Anetal.， 2001；Fangetal.， 2020)等方面已经取得了重要进展。

目前，对于黄土物源及其形成模式的认识仍存在争议。如刘东生(1985)认为黄土粉尘来源于包括西北三大内陆盆地(塔里木、柴达木和准噶尔盆地)在内的沙漠和戈壁地区； 孙继敏(2004)结合锶同位素和稀土元素指标，提出蒙古国与中国接壤的巴丹吉林、腾格里和乌兰布和等沙漠戈壁地区是黄土的物源区； Sun等(2008)则指出黄土高原中部细粒粉尘主要来自蒙古国南部戈壁沙漠和中国北部的沙漠(腾格里和巴丹吉林沙漠)，且2个源区在不同的气候背景下贡献量存在着变化； Xu等(2018)则指出受到毛乌素沙地边界摆动的影响，沙地与黄土高原过渡带在冰期受到强烈风蚀，可能为黄土高原中部释放了粉尘。近些年来，一些学者开始关注河流对黄土的作用。如Smalley等(2009)在分析全球黄土时，发现黄土总与河流伴生，认为河流系统在黄土的形成中可能起着重要作用； Zheng等(2007)指出河南邙山20万年以来黄土沉积迅速加快源于黄河贯通后河流冲积扇的贡献； 林旭等(2021)认为山东中部山地黄土可能受到了黄河漫滩物质的供给。

图 1 黄土高原—毛乌素交界区数字高程图及采样点位置Fig.1 Digital elevation map of Loess Plateau-Mu Us junction area and sampling point locations

图 2 黄土高原—毛乌素交界区地质简图Fig.2 Simplified geological map of Loess Plateau-Mu Us junction area

碎屑锆石的单颗粒U-Pb测年作为指示沉积物物源的有力手段，现在已广泛应用在黄土的研究中(Pullenetal.， 2011；Stevensetal.， 2013；Nieetal.， 2015；徐杰和姜在兴，2019；林旭等，2021；杨光亮等，2021)。Pullen等(2011)对比黄土与潜在源区的锆石年龄图谱，指出柴达木盆地和藏北地区是黄土高原黄土的重要物源。Stevens等(2013)对比了黄河河沙、毛乌素沙和黄土高原黄土的锆石年龄图谱，认为黄河在毛乌素沙地和黄土的形成中起着粉尘运输的作用； Nie等(2015)进一步指出黄河搬运的藏北碎屑为黄土粉尘的堆积提供了物源。

本研究将单颗粒碎屑锆石U-Pb测年应用于毛乌素沙地和黄土高原交界处的石峁剖面，结合周围潜在源区数据对黄土进行物源的分析计算，探讨石峁黄土的形成并研判河流系统对黄土物源的贡献。

2 区域概况

石峁剖面位于黄土高原东北缘(图 1)，地处毛乌素沙地与黄土高原过渡带，区域内毛乌素沙地风沙活动剧烈(孙同兴等，2004)，地表多覆盖第四纪风成沉积物(图 2)。由于河流侵蚀，沟道底部多有中生代砂岩出露(图 2)。区域地势西北高、东南低，冬季盛行西北风(Kappetal.， 2015)，地貌上为半固定风成沙丘与黄土梁峁的过渡区。

3 研究材料与方法

3.1 研究材料

石峁黄土剖面(图 3)位于陕西省神木市高家堡镇石峁村，由秃尾河支沟切出，上游集水面积约0.7 km2。剖面上层堆积约4 m厚黄土，未见钙质结核； 中夹棕黄色沙卵石层，为冲洪积物，厚1 m，次圆状(次棱角状)，中见河沙透镜体； 下层为黄色细沙层，属河流沉积物，见水平层理，向下未见底。为确定石峁黄土的潜在源区，结合剖面信息以及前人研究成果，采集了石峁黄土(SM01)、石峁卵石(SM02)、石峁基岩(SM02′)、石峁古河沙(SM03)和石峁现代河沙(SM04)沉积物样品进行分析，并收集中宁、巴彦、亿利、腾格里、巴丹吉林和红墩界砂岩等6个点位的沉积物样品资料(Nieetal., 2015)，具体信息见表 1。

a—石峁剖面岩性柱； b—石峁剖面野外照片图 3 黄土高原—毛乌素交界区石峁剖面特征Fig.3 Characteristics of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area

表 1 黄土高原—毛乌素交界区石峁剖面 及其他对比点位样品信息Table1 Sample details of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area and other points for comparison

3.2 研究方法

3.2.1 锆石U-Pb测年

3.2.2 光释光测年

光释光测年(Optical Stimulated Luminescence Dating，OSL)共采集石峁剖面中的黄土(SM01)、卵石层(SM02)和古河沙(SM03)3个样品。其中，在石峁卵石层采样时，取其中的河沙透镜体做测年。样品采集时，将长30 cm、直径5 cm、一端密封的钢管水平打入取样位置。采样完成后用锡纸缠绕以避免曝光，并用黑色塑料袋密封防止水分散失。

表 2 黄土高原—毛乌素交界区石峁剖面OSL测年结果Table2 OSL dating results of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area

在OSL测年中，常用矿物主要是石英和钾长石，石英由于其释光信号晒退快且饱和剂量低的特点，广泛应用于小于50 ka的测年； 而钾长石红外信号饱和剂量高，可应用在50～200 ka的沉积物定年。对于样品，先测试石英光释光信号，如果石英光释光信号饱和，再对钾长石进行测试，所有样品的测年在泰山学院完成。3个样品中，石峁黄土的OSL年龄由石英获得，而石峁卵石和石峁古河沙的OSL年龄由钾长石获得。所测试的石英(长石)颗粒粒径，石峁黄土和石峁古河沙为90～125 μm，而石峁卵石层中的河沙为64～90 μm。

3.2.3 粒度分析

首先称取0.2～0.3 g的样品，置于烧杯中，加入10 mL浓度10%的双氧水，水浴加热4 h，以去除有机质，重复上述步骤至完全去除有机质且保证水溶液呈中性。后加入浓度10%的盐酸溶液，水浴加热4 h，用以去除碳酸钙，重复该步骤直至碳酸钙被完全去除，重复步骤至水溶液呈中性。在烧杯中加注清水，静置12 h，吸管吸出上层清液，重复步骤至水呈中性。在溶液中加入1%浓度的(NaPO3)6，对样品超声波振荡，用Mastersizer2000型粒度分析仪上机测试，粒度测试范围为0.01～2000 μm，重复3次测量，误差控制在2%。

3.2.4 基于碎屑锆石年龄的物源定量计算

Sundell和Saylor(2017)开发的基于碎屑锆石年龄的逆蒙特卡罗模型，可用于确定混合物的物源贡献，该模型不需要任何源区的先验信息就可以估算各源的贡献。其通过生成一组随机的百分比贡献(和为1)来缩放物源，并将这些随机比例求和，以形成单一的分布模型。使用包括相关系数(R2)在内的多种方法进行检验，与混合物进行定量比较，从而确定出各源的最优组合。目前，在第四纪黄土(Zhangetal.， 2021)、河流泥沙(Shangetal.， 2021)的物源分析中，该模型已被用于源区贡献的定量计算。因此，本研究选用该模型来定量计算源区的贡献。

4 结果

4.1 OSL年龄

石峁剖面中，SM01、SM02和SM03的OSL年龄分别为16.30±1.20 ka、137.20±8.30 ka和137.50±7.60 ka(表 2)。由OSL年龄可知，石峁黄土(SM01)大致沉积于末次冰消期，而石峁卵石(SM02)、石峁古河沙(SM03)则沉积于倒数第2次冰消期，在剖面上存在120 ka的沉积间断。

图 4 黄土高原—毛乌素交界区石峁剖面黄土粒度分布Fig.4 Particle size distribution of Shimao section loess in Loess Plateau-Mu Us junction area

4.2 石峁黄土粒径分布

石峁黄土的粒径分布结果见图 4，中值粒径为60.1 μm，为典型风成沉积。相对与其他L1黄土(刘东生，1985)，粒径偏粗； 其中，大于40 μm的部分占63%，40 μm以下占37%。

4.3 碎屑锆石阴极发光(Cathodoluminescence，CL)图像

a—样品SM02′(石峁基岩)；b—样品SM04(石峁现代河沙)；c—样品SM01(石峁黄土)图 5 黄土高原—毛乌素交界区石峁剖面锆石CL图像Fig.5 CL images of zircon from Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area

a—石峁剖面样品SM01(石峁黄土)；b—石峁剖面样品SM02′(石峁基岩)；c—红墩界砂岩； d—石峁剖面样品SM04(石峁现代河沙)； e—腾格里沙漠风沙； f—巴丹吉林沙漠风沙； g—中宁黄河河沙； h—巴彦黄河河沙； i—亿利黄河河沙。灰色阴影为核密度分布(KDE)； 空心矩形为年龄直方图； n为谐和年龄个数。c、e～i数据来自于Nie et al., 2015图 6 黄土高原—毛乌素交界区石峁剖面及其他对比点位碎屑锆石U-Pb年龄图谱Fig.6 Detrital zircon U-Pb age spectra of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area and other points for comparison

图 7 黄土高原—毛乌素交界区石峁剖面源区 锆石U-Pb年龄图谱Fig.7 Zircon U-Pb age spectra of source of Shimao section in Loess Plateau-Mu Us junction area

图 8 黄土高原—毛乌素交界区沉积物来源逆蒙特卡罗模型模拟结果Fig.8 Inverse Monte Carlo model simulation results of source of sediments in Loess Plateau-Mu Us junction area

4.4 碎屑锆石年龄图谱

在锆石U-Pb年龄图谱中(图 6)，9个样品大致存在着4个主峰。石峁剖面的黄土以及小流域内的现代河流沉积物出现190～300 Ma、1700～1900 Ma和2300～2600 Ma等年龄值段为主峰，次峰在300～600 Ma；周边的基岩——石峁基岩和红墩界砂岩主峰在190～300 Ma，次峰为2300～2600 Ma和1700～1900 Ma，但两者在2300～2600 Ma与1700～1900 Ma年龄值段上的比值却不同。

黄河河沙与戈壁沙漠的样品表现出完全不同的分布模式： 代表中源的中宁、巴彦和亿利3个现代黄河河沙样品，其主要的峰值在190～300 Ma和300～600 Ma，次峰为800～1000 Ma、1700～1900 Ma和2300～2600 Ma；而代表远源的腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠的2个风成沙样品，其年龄只有190～300 Ma，其余年龄峰值几乎不可见。

锆石主要峰值(图 7)指示出石峁黄土(SM01)来自多个源区。在190～300 Ma段上，近、中和远源对石峁黄土都有贡献； 而1700～1900 Ma和2300～2600 Ma 2个较老的年龄峰，近源砂岩似乎占据重要地位，现代黄河河沙次之，沙漠风沙则完全没有这2个年龄峰值； 在另一个重要的峰值300～600 Ma内，黄河河沙显示更大的优势，沙漠风沙似乎影响甚微。因此，石峁黄土的潜在源区可大致划分为： 近源(当地基岩碎屑，0～150 km)、中源(黄河河沙，150～400 km)和远源(阿拉善高原沙漠风沙，400～1000 km)3个区域。

在石峁黄土的源区考虑中，近源未采用秃尾河支流的河流泥沙，而是采用沟道出露的中生代砂岩，是因为河流泥沙终来源于流域内黄土和基岩的侵蚀，且可能存在着多次搬运。另外也未采用毛乌素沙地风沙，是因为毛乌素沙地与研究区黄土可能存在物源上的相似(Stevensetal.， 2013；Nieetal.， 2015)，进而影响物源的计算。研究区地质图(图 2)显示，石峁一带基岩以中生代砂岩为主，因此，石峁黄土的近源选择了中生代砂岩。

野外考察发现石峁现代河沙多卵石，表明了河流对于基岩的强烈侵蚀； 而在锆石年龄图谱上，石峁现代河沙(SM04)在190～300 Ma、1700～1900 Ma和2300～2600 Ma年龄值段上与基岩和黄土相似； 在300～600 Ma值段，显示仅有黄土的贡献。这意味着，秃尾河支流的沉积物物源可能包括了局地的基岩侵蚀与黄土侵蚀，因此表现出与石峁剖面黄土相似的锆石U-Pb年龄谱特征。故对石峁现代河沙，其不止源于基岩的侵蚀，流域内黄土的侵蚀也是其泥沙的重要物源。

4.5 基于碎屑锆石年龄的物源计算

基于以上分析，石峁黄土作为风成沉积，考虑远源、中源和近源三者为潜在源区。石峁现代河沙为河流沉积，考虑流域内的石峁基岩和石峁黄土为潜在物源。

在逆蒙特卡罗模型中，设置核密度(KDE)图谱带宽为30，每次分析进行10 000次模拟，使用相关系数(R2)作为评价。结果显示(图 8)，石峁黄土(SM01)中近源碎屑贡献71%，中源贡献21%，而远源贡献占比为8%。在石峁现代河沙(SM04)计算结果中，石峁基岩和石峁黄土分别贡献14%和86%的泥沙物源。

5 讨论

5.1 石峁剖面的侵蚀事件

由石峁剖面的OSL测年结果可知，在河流冲洪积物与风成沉积物之间有着120 ka的沉积间断，我们推断在此期间发生了1次明显的侵蚀事件。

石峁剖面冲洪积层的年代约为137 ka，属于气候由干冷向暖湿转换的倒数第2次冰消期。卵石层的存在标志着较强的水力侵蚀，而卵石层之上缺少沙质河流相沉积或漫滩相沉积。卵石层之上的黄土沉积于16 ka之后，这表明剖面缺失了末次间冰期和末次冰期的沉积。结合周边环境演变过程，我们推测，进入末次冰期，气候干旱，风力强劲，这可能导致在该区域出现强烈风蚀，并使得卵石层之上的河滩物质被侵蚀，从而该点位形成了潜在的局地尘源。毛乌素沙地与黄土高原的过渡带出现风成沙堆积，这也代表了当时气候干冷、风沙活动强烈(Xuetal.， 2015)。另一方面，随着末次冰消期气候由干冷向暖湿转变，也可能导致更多的水力侵蚀，从而使得卵石层以上的河滩沉积物被逐渐侵蚀。而抗侵蚀能力较强的沙卵石层得以保留，并保护下覆沉积物免受侵蚀。同时，河流的下切侵蚀逐渐替代侧向侵蚀，下切侵蚀的发展，一方面使得大量基岩碎屑进入河流，并在沟道两岸的漫滩上大量暴露； 另一方面使得洪水无法淹没卵石层。因此在16 ka之后，迅速沉积的粉尘颗粒覆盖在河流沉积物之上。

由此推测，在末次冰期至冰消期，随着气候由干冷向暖湿转变，在秃尾河流域可能发生了强烈侵蚀，并导致剖面中出现沉积间断(邓成龙和袁宝印，2001；Zhangetal.， 2001；伍铁牛，2010)。发生在石峁剖面的侵蚀事件，气候的剧烈变迁可能是其侵蚀的主要原因。当然，对于石峁剖面所在的毛乌素沙地与黄土高原东北缘交界一带，末次冰期至冰消期的侵蚀事件是否普遍存在，还需要更多详细的工作以及其他剖面验证。

5.2 碎屑锆石年龄与地质构造事件的对应

5.3 黄河及其支流的贡献

黄河河沙作为青藏高原碎屑物质的中转，为黄土的形成提供了尘源(Jiangetal.， 2007；Zhengetal. 2007；Smalleyetal.， 2009；Stevensetal.， 2013；Nieetal.， 2015；林旭等，2021)。但定量计算表明，黄河河沙贡献石峁黄土21%的颗粒物质。与黄河漫滩所起的作用类似，当地河滩提供的近源基岩碎屑则成为石峁黄土的重要物源，甚至超过了黄河的贡献，这与Nie等(2015)对毛乌素东的黄土来源于黄河和当地基岩共同贡献认识一致。需注意的是，应将河流漫滩物质作为二级尘源考虑(Sunetal.， 2020)，从而建立完整的石峁黄土源汇关系。

5.4 本研究的局限性

6 结论

本研究针对毛乌素沙地与黄土高原东北缘交界处的石峁剖面，通过光释光测年及碎屑锆石年龄的分析计算，得出如下结论：

2)石峁剖面的年龄特征，反映了研究区内末次冰期至冰消期期间出现的侵蚀事件，该侵蚀事件发生在冰期与间冰期的过渡期，表明气候波动可能导致侵蚀的增加。

3)石峁黄土沉积过程中，河流系统起着重要作用。不仅是黄河上游在青藏高原东北的侵蚀，也包括当地河流对基岩的侵蚀，特别是水力侵蚀将基岩侵蚀并暴露于河滩，为黄土的形成提供了重要尘源。

致谢感谢聂军胜、张瀚之和林旭与作者的有益讨论及唐曦雯在野外考察中提供的帮助。