张掖盆地晚更新世至中全新世气候变化:孢粉学和重矿物学证据.pdf
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1、引文格式:赵淼,龚磊,吴玺,等.张掖盆地晚更新世至中全新世气候变化:孢粉学和重矿物学证据J.西北地质,2024,57(2):230243.DOI:10.12401/j.nwg.2023067Citation:ZHAO Miao,GONG Lei,WU Xi,et al.Climate Changes of Late Pleistocene to Middle Holocene in ZhangyeBasin,NW China:Evidence from Pollen and Heavy MineralJ.Northwestern Geology,2024,57(2):230243.DOI:10
2、.12401/j.nwg.2023067张掖盆地晚更新世至中全新世气候变化:孢粉学和重矿物学证据赵淼1,2,龚磊1,*,吴玺1,蔡五田1,张文卿1,安永会1,李康1,刘作鹏1(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北 保定071051;2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京100083)摘要:为确定张掖盆地晚第四纪沉积地层时代和探讨其蕴含的古气候信息,笔者利用孢粉分析、重矿物分析、光释光测年等方法对研究区晚更新世以来气候变化特征进行了重建,并确认了当地全新世和晚更新世地层界限。结果表明:地层自下而上划分为 4 个孢粉组合带和植被类型及气候特征:深度为 56.826.4 m,年龄
3、为 112.763.3 ka,属末次间冰期,粉组合为松板栗藜菊蒿,针 阔 叶 混 交 林 草 原 植 被,为 晚 更 新 世 温 暖 较 湿 润 气 候。深 度为 26.42.6 m,年 龄 为63.311.8 ka,与末次冰期相当,孢粉组合为松麻黄藜蒿,植被类型为针阔叶混交林草原植被,为晚更新世干燥寒冷气候。深度为 2.60.8 m,年龄为 11.88.9 ka,全新世早期,孢粉组合为松藜蒿,稀树针阔叶混交林草原植被,较凉较干气候。深度为 0.80.15 m,年龄为 8.97.8 ka,全新世早期向中期过渡期,孢粉组合为松藜菊蒿,稀树针阔叶混交林草原植被,为温暖较干气候。孢粉组合所揭示的晚更
4、新世中全新世气候变化特征,对于揭示张掖盆地甚至西北干旱区的古气候变化具有重要意义。关键词:张掖盆地;古气候;冰期;孢粉分析;重矿物中图分类号:P57;P467文献标志码:A文章编号:1009-6248(2024)02-0230-14Climate Changes of Late Pleistocene to Middle Holocene in Zhangye Basin,NW China:Evidence from Pollen and Heavy MineralZHAO Miao1,2,GONG Lei1,*,WU Xi1,CAI Wutian1,ZHANG Wenqing1,AN Yon
5、ghui1,LI Kang1,LIU Zuopeng1(1.Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey,China Geological Survey,Baoding 071051,Hebei,China;2.School of Water Resources and Environment,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)Abstract:In order to explore the paleoclimatic evolution characte
6、ristics and stratigraphic age of Zhangye basin,we reconstructed the climate change characteristics of the study area since the late Pleistocene by means of 收稿日期:2022-08-26;修回日期:2022-12-29;责任编辑:曹佰迪基金项目:国家重点研发计划专项课题“农田氮素地下淋溶原位监测多参数传感器研发”(2023YFD1701801),中国地质调查局项目“河西走廊黑河流域 15 万水文地质调查”(12120101200015000
7、4)。作者简介:赵淼(1988),女,工程师,从事第四纪古气候、水文地质研究。Email:。*通讯作者:龚磊(1987),男,硕士,高级工程师,研究方向为干旱区水资源、水环境演化和生态系统服务研究。Email:。第 57 卷 第 2 期西 北 地 质Vol.57No.22024 年(总 234 期)NORTHWESTERN GEOLOGY2024(Sum234)sporopollen analysis,heavy mineral analysis and optical luminescence dating,and confirmed the stratigraphicboundary be
8、tween Holocene and late Pleistocene.The results show that the strata are divided into foursporepollen assemblage zones,the vegetation types and climatic characteristics from bottom to top:thedepth ranges from 56.8 m to 26.4 m(the age is 112.763.3 ka),which is the last interglacial period,the spore-p
9、ollen assemblage is PinusCastaneaChenopodiaceaeCompositaeArtemisia,coniferous and broadleavedmixed forest steppe vegetation,which is the warm and humid climate in the late Pleistocene.the depthramges from 26.4 m to 2.6 m(the age is 63.311.8 ka),which is the last glacial period,the sporepollen assem-
10、blage is PinusEphedraChenopodiaceaeArtemisia,and the vegetation type is coniferous and broadleavedmixed forest steppe vegetation,which is the dry and cold climate of late Pleistocene.the depth ranges from2.6 m to 0.8 m(the age is 11.88.9 ka),which is the postglacial,the sporepollen assemblage is Pin
11、usChenopo-diaceaeArtemisia,mixed broadleafconifer forest steppe vegetation,early Holocene cool and dry climate.the depth ranges from 0.8 m to 0.15 m(the age is 8.97.8 ka),which is the postglacial,the sporepollen as-semblage is PinusChenopodiaceaeCompositaeArtemisia,broadleafconifer mixed forest step
12、pe vegetation,which is the warmer and drier climate of Holocene.The late Pleistocene to midHolocene climate evolutioncharacteristics revealed by the sporepollen assemblages are of great significance for revealing the paleoclimatechanges in the Zhangye basin and even the arid area of Northwest China.
13、Keywords:Zhangye basin;paleoclimate;glacial period;sporopollen analysis;heavy mineral河西走廊的黑河流域位于中国西北内陆干旱区,生态环境脆弱,新生代以来青藏高原的隆起对该地区的气候有着重要的影响(李吉均,2013;祁晓凡等,2022),独特的自然地理条件使其对全球气候变化的响应更加敏感。研究该地区的河流相沉积物特征,对于探明古气候变化具有重要意义。目前,对于黑河流域气候变化的研究多集中在河流径流量变化和大气循环方面(崔延华等,2017;祁晓凡等,2017;梁鹏飞等,2022;冯嘉兴等,2023)以及表土花粉研究
14、,对于其古气候的形成演化研究程度较弱。例如,陈雪梅(2012)、常婧(2016)利用黑河中游地区河床和表土样品的孢粉记录,分析了河流相沉积物中孢粉的来源以及其所代表的环境意义,全新世以来的环境演化以及农业活动强度,但是对于张掖盆地中游地区晚更新世以来的气候研究,由于缺乏晚更新世全新世地层精确的年代控制,仍处于不明了状态。笔者以张掖盆地河流沉积地层中孢粉为主要研究对象,同时结合重矿物分析及光释光测年分析,对钻孔剖面地层时代和晚更新世以来古气候特征进行了详细厘定,为研究区末次间冰期以来的古植被古环境恢复以及古气候变化提供基础数据。1研究区地质概况与钻孔特征张掖盆地位于黑河流域中部走廊平原,盆地南北
15、分别以祁连山和合黎山龙首山为边界,东、西分别为永固隆起和榆木山隆起(王具文等,2019),海拔为1 2842 500 m,相对高差为 1 200 m。主要地貌类型有山前冲积平原、山前冲洪积平原、荒漠戈壁平原、河谷冲积平原和走廊淤积平原、风积沙丘等。研究区属温带大陆性干旱气候,气候特点为降雨稀少、蒸发强烈,年降水量小于 200 mm,年水面蒸发量大于 2 050 mm(王文祥等,2021)。研究区钻孔 HQ8 位于张掖盆地平原堡附近,处于黑河及其支流山丹河交汇处(图 1)。地理坐标为 E1002100.74,N 390558.83,钻孔 HQ8 研究深度至 505.65 m,由于 56.8505
16、.65 m 深度的孢粉数量极度稀少。所以,笔者只选取相对孢粉含量较高的深度(0.1556.8 m)进行研究。钻孔编号 ZY-1 位置在张火 公路 203 号,地 理 坐 标 为 E 10028 34.34,N385651.60,剖面深度为 0.893.4 m,取样 11 块。根据岩性,笔者将钻孔 HQ8 自上而下分为 6 层(图 2):第 1 层深度为 016.8 m,岩性为棕黄色、灰黄色,巨厚层状,含砾亚砂土夹中粗砂、中细砂层,发育块状递变层理,粒径 1040 mm 的砾石含量高。磨圆度较差,分选性较好。第 2 层深度为 16.824.65 m,岩性为黄橄榄、橄榄棕,厚层状,含砾中粗砂,发育
17、水平层理、小型交错层理,含零星锈染斑点。第 3 层深度为 24.6526.05 m,岩性为橄榄灰、灰橄榄,厚层状亚砂土,砾石粒径范围为 290 mm,块状层理,分选第 2 期赵淼等:张掖盆地晚更新世至中全新世气候变化:孢粉学和重矿物学证据231 差,次圆状。第 4 层深度为 26.0548.95 m,岩性为橄榄灰、浅灰色砂砾石,分选性一般,砾石次棱角、次圆状。第 5 层深度为 48.9553.8 m,岩性为暗棕黄色亚砂土夹砂砾石,发育斜层理、波状层理、水平层理,偶有锈染砂纹并夹香肠状富碳屑透镜体。第 6 层深度为 53.856.8 m,岩性为黄橄榄色砂砾石,发育块状层理、水平层理,含大量锈染斑
18、点。2研究方法 2.1光释光测年光释光测年共取样品 3 个,取样深度分别为 6.0 m、8.4 m 和 26.2 m。光释光测年主要是依据测定样品等效剂量和环境剂量率,计算样品的埋藏年龄(赖忠平 张掖市山丹河巴丹吉林沙漠合黎山祁连山榆木山民乐县北部滩龙首山西洞堡北山塔南山临泽县额济纳盆地盆地山地河流HQ8沙漠黑河金新疆维吾尔自治区宁夏回族自治区陕西内蒙古四川青海省张掖盆地甘肃省黑山酒泉市酒泉盆地永固隆起研究区张掖盆地张 掖盆地张掖市ZY-1钻孔编号钻孔编号HQ8ZY-10(a)(b)km30东乐山丹县锯条山图1研究区地质略图(a)与钻孔 HQ8 位置图(b)Fig.1(a)Simplified
19、 geologic map of study area and(b)location of borehole HQ8 岩性结构岩性描述5.亚砂土夹砂砾石6 m光释光年龄(ka)8 m62.93.7重砂取样深度层底埋深(m)岩层厚度(m)光释光取样深度孢粉取样深度孢粉样品号ZY01ZY02ZY03ZY04ZY05ZY06ZY07ZY08ZY0912345616.816.824.657.8526.051.448.9522.956.83.0053.84.852.62.61.亚砂土夹中粗砂、中细砂3.亚砂土4.砂砾石6.砂砾石2.含砾中粗砂17.40.70.15 m0.15 m2.2 m7.3 m55
20、.5 m10.5 m29.2 m26.2 m0.8 m1.8 m2.8 m2.6 m16.6 m26.4 m56.8 m12.6 m33.92.11.亚砂土夹中粗砂、中细砂;2.含砾中粗砂;3.亚砂土;4.砂砾石;5.亚砂土夹砂砾石;6.砂砾石图2钻孔 HQ8 柱状图及采样位置图Fig.2Comprehensive histogram of borehole HQ8232西北地质NORTHWESTERN GEOLOGY2024 年等,2013;张克旗等,2015)。用饱和指数方法进行拟合,样品再生剂量点不太分散,生长曲线没有明显饱和,认为测试数据可信。采用细颗粒简单多片再生法获得等效剂量值,测
21、年物质为细颗粒(411 um)石英。其中,等效剂量(De)采用石英单测片再生法(SingleAliquot Regeneration,SAR)测定。在样品环境剂量率的测定中,样品的 U、Th 和 K 含量是用电感耦合等离子 质 谱(ICP MS)测 得,宇 宙 射 线 的 贡 献 是 根 据Prescott 等(1994)推荐的数据估计的;为了计算样品埋藏层的含水量对样品所接收的剂量率的影响,样品的含水量采用经验值 51%进行估算,并用 Fleming 提出的校正方法,对环境剂量率进行了修正。样品的测定由自然资源部地下水矿泉水及环境监测中心使用Daybreak 2200 光释光仪测定。2.2重
22、矿物分析人工重砂共测试样品 6 个,取样深度分别为0.15 m、2.2 m、7.3 m、10.5 m、29.2 m、55.5 m,样品编号对应为 ZS01ZS06。鉴定工作由河北省区域地质矿产调查研究所测试完成。鉴定依据地质矿产实验室测试质量管理规范中的岩石矿物鉴定标准(DZ/T0130.9-2006),分离出电磁、无磁和强磁 3 部分重矿物;通过双目体式镜下鉴定所分离出的重矿物并进行分类,利用高精度天平对不同种类的重矿物进行称重,通过重矿物平均密度换算为质量百分比。2.3孢粉分析在钻孔 HQ8 深度 0.1556.8 m 处分别选取深度为 0.15 m、0.8 m、1.8 m、2.6 m、2
23、.8 m、12.6 m、16.6 m、26.4 m、56.8 m,采集具有代表性的岩心样品进行孢粉分析 9 个,样品编号为 ZY01-ZY09。在钻孔 ZY-1 中,剖面厚度为 0.893.4 m,选取深度为 0.8 m、2.0 m、3.5 m、5.7 m、7.4 m、29.5 m、30.0 m、31.0 m、67.9 m、86.8 m、93.4 m 的 11 个具有代表性的岩芯样品进行孢粉分析,样品编号为 XX01-XX09,每块样品重量为100 g。实验处理流程经过称取、酸处理、水洗、重液浮选、离心、制片等过程(Wu et al.,2010;李育,2011)。每块孢粉样品加入 100 ml
24、 的 HCl 溶液,目的是去除样品中的钙质,再加入 100 ml 的 HF 溶液,目的是去除样品中的硅质;加入 5 g 碳酸氢钠,使溶液中和至中性,再加入重液浮选;反应充分后加水离心洗至中性;加甘油制片(Ma et al.,2019;Wang et al.,2020)。实验与鉴定由中国地质调查局水文地质环境地质调查中心实验室完成。使用 Tilia 软件绘制孢粉图,并使用地层约束聚类分析(CONISS)确定花粉组合带。3研究结果 3.1光释光年龄文中研究测定钻孔深度为 6.0 m、8.4 m、26.2 m处的光释光年龄对应地层时代为(17.40.7)ka、(33.92.1)ka、(62.93.7
25、)ka(表 1),测定年代结果由上至下年代逐渐变老,没有出现年代颠倒现象,符合地层层序律。应用内差值法获得孢粉样品所在深度的年龄(表 2),其中深度为 56.8 m 的年龄小于内插值计算出来的年龄(112.7 ka),因为岩性有多个砂砾石快速沉积层,估算的年龄是极大值。根据目前第四纪年龄分配方案,全新统底界应该在 10 ka 附近,晚更新世底界应该在 130 ka 附近(樊隽轩等,2021)。因此,整个地层剖面从上至下应该划为全新统、上更新统。根据内差值法获得的各个深度的年龄,认为全新统所在深度应该在 2.6 m 以内,具体深度需要之后结合孢粉分析确定。3.2重矿物物源分析、风化系数及古气候重
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