米浪溝灣剖面巖石地層劃分及年代

米浪溝灣剖面巖石地層劃分及年代

薩拉烏蘇河發(fā)源于陜西省北部的白亞山。在雷家嘴附近收集了四條水源支流后，它以nn的方向蜿蜒流過鄂爾多斯高原東南部的摩蘇沙漠。最后，無定河-巴圖灣河全長100多公里（圖1）。以新橋為界,其以上和以下的該河流經(jīng)地區(qū)分別稱為薩拉烏蘇河上游和中下游流域。上游流域第四紀黃土層系大量出露,而廣大中下游流域,則主要屬河湖相和風成砂丘沉積。上個世紀二十年代時,法國古生物地層學家P.德日進等就已對該地進行了調查,他們創(chuàng)建薩拉烏蘇組、命名薩拉烏蘇動物群并發(fā)現(xiàn)早期人類化石“鄂爾多斯人”,其成果可以稱得上是具有開創(chuàng)性的,以致在后來的眾多的有關文獻中都不同程度地包含著早期德氏等人研究思想的印記。然而,自那時以后的一個頗長時期內,薩拉烏蘇河流域被認為是我國晚更新世河湖相沉積的標準地點。六十年代時,裴文中等將德日進認為的薩拉烏蘇組項部的一套灰綠色湖相沉積物的時代推測為全新世,其底部灰藍色湖相層之下的一套紅黃色砂土定為中更新統(tǒng)。1978年,袁寶印將薩拉烏蘇組頂部的湖相沉積物正式劃歸全新世,命名為大溝灣組,同時根據(jù)巖性特征將大溝灣組之下的上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組分為上部和下部:上部以河流相沉積為主,并含有風砂堆積現(xiàn)象;下部系湖相沉積.這一工作,為后來薩拉烏蘇流域的地層劃分和環(huán)境演變研究奠定了重要基礎。自七十年代末以來,作者陸續(xù)對薩拉烏蘇河流域開展了毛烏素沙漠與氣候變化的史前地質調查和研究。我們在大溝灣組之上又發(fā)現(xiàn)黑壚土、次生黃土等沉積,遂將這部分層序,連同毛烏素沙漠風成砂丘一起命名為滴哨溝灣組。同時將袁寶印的薩拉烏蘇組上部定為以風成砂為主的城川組,所含的脊椎動物化石稱之為城川動物群;而下部由于其主要為河湖相,故仍沿用薩拉烏蘇一名,所含的脊椎動物化石亦沿用薩拉烏蘇動物群。近年來,對薩拉烏蘇河流域米浪溝灣地層剖面150kaB.P.以風成的砂丘砂與河湖相、古土壤構成多重相互超覆的沉積系列劃分和對氣候旋回的探討取得了一些新的成果。隨著研究的進展,我們獲得了較多的年代地層學測試結果,對該地巖石地層單元的看法也日臻成熟.本文將以米浪溝灣剖面作為薩拉烏蘇河流域的代表性地質記錄,試圖對其的沉積巖石學特征和劃分作一討論。1米浪溝灣剖面沉積物的基本特征1.1剖面年齡及年齡層位信息米浪溝灣剖面位于薩拉烏蘇河中游地區(qū)米浪溝灣村NE約500m的河流左岸,地理坐標大致在108°32′E,37°46′N,堆積厚度約83m。該剖面含29層風成的古流動砂丘砂、3層古固定—半固定砂丘砂和1層現(xiàn)代流動砂丘砂,9層河流相,19層湖相—沼澤相,5層棕褐色土,4層黑壚土,2層黃土。諸層位巖性和沉積相標示于圖2中。剖面地層包括全新統(tǒng)范家溝灣組(新近命名)、滴哨溝灣組和大溝灣組,地層編號分別是1MD、2S—11D和12S—16FL;上更新統(tǒng)上部城川組,17D—45D;上更新統(tǒng)下部薩拉烏蘇組,46LS—63LS;中更新統(tǒng)離石組,64D—72L.迄今已對米浪溝灣剖面測定了30個年齡數(shù)據(jù),主要采用熱釋光(TL)和14C方法,個別層位采用的是鈾子系法。由于大多數(shù)年齡數(shù)據(jù),其材料選取、實驗室、分析人等已在有關文獻中曾進行過說明,故不再一一贅述。以下僅就近年特別是最近獲得的一些年齡層位等作一闡述。近年來對米浪溝灣剖面新測定的年齡層位是15D、17D、45D、61S和62Fd,均采自諸層之底部。測年材料系石英顆粒品,采用TL方法,由中國科學院廣州地球化學研究所熱釋光實驗室盧良才、黃寶林完成。由圖2可見,除61S之外的所述年齡層位與各組之間的界線密切相關。由于薩拉烏蘇河流域地層堆積的主要界線都較清晰且極易進行對比,故又從米浪溝灣剖面附近之滴哨溝灣、大石砭地點的地層及其年代對比中獲得3個與該剖面有關的年齡。其對比理由已在有關文獻中進行了論證。1.2剖面層序圖結構米浪溝灣剖面風成砂丘尤其是古流動砂丘是其最為顯著的沉積特征。風成砂丘砂多呈灰黃色,有時可見棕紅—桔紅色。古流動砂丘層與該區(qū)及其周圍現(xiàn)代流動砂丘一樣,幾乎全部是由以細砂粒級為主的砂質沉積物組成,松散且分選都比較均勻。根據(jù)對該剖面95個樣品的粒度分析結果,采用Folk和Ward制定的公式—Mz(平均粒徑)=(Ф16+Ф50+Ф84)/3和σ(標準離差)=(Ф84-Ф16)/4+(Ф95-Ф5)/6.6,顯示古流動砂丘砂Mx和σ的分布范圍分別為2.33～3.48Ф和0.26～0.90。古固定—半固定砂丘所含層數(shù)較少,以細砂—極細砂沉積物占優(yōu)勢,亦有一定含量的粉砂和粘土,致密且分選中等,垂直節(jié)理發(fā)育,無層理并可見植物根系,Mx和σ分別為3.08～3.45Ф和0.77～1.27。剖面中河流相、湖相—沼澤相即河湖相呈灰綠、黃綠、深灰、青灰、銹黃、暗灰黃等色;棕褐色古土壤,淺褐、淺棕褐和灰褐色;黑壚土,暗褐—灰黑色;黃土,淺灰黃色,有時可見潛育化作用形成的藍灰色條帶。河湖相和古土壤主要由粉砂質極細砂組成,次為粉砂質細砂,并有含量不等的粘土成分,松軟—致密,分選較差,常具有植物根系,偶見植物根葉殘體化石,Mx分別為3.04～5.06Ф和3.38～5.06Ф,σ分別為0.61～1.51和0.69～1.77。總的看來,風成砂Mx較河湖相和古土壤顆粒粗,σ顯示的分選亦較好。在剖面垂直方向,前者與后兩者表現(xiàn)為粗—細反復交替的波動式變化。通常,在河湖相和古土壤底部發(fā)育有成層的鈣質結核或鈣板,其下覆地層往往是風成的砂丘層.剖面中的古土壤具有明顯的土壤發(fā)生層次,即上部為粘化層,中部為富含碳酸鹽新生體的鈣積層,下部常為分選比較均勻的風成砂,有時為河湖沉積構成的母質層。相對而言,棕褐色土粘化層質地較黑壚土粘重。鏡下分析與實驗結果表明,無論棕褐色土還是黑壚土,其膠斑狀微結構都很明顯。其中的土壤基質,前者以粘粒、碳酸鹽及鐵質氧化物較多,后者則是由粘粒與部分碳酸鹽復合而成并具灰白色鈣質假菌絲、鈣膜等。為了便于闡述,本文將現(xiàn)代流動砂丘砂、古流動砂丘砂、古固定—半固定砂丘砂、河流相、湖相—沼澤相、古土壤和黃土分別以MD、D、Fd、FL、LS、S和L表示之,置在該剖面層序號阿拉伯數(shù)碼后并顯示于圖2之上。其中,FL表示以粉砂質砂構成的河流相,LS是由粘土質粉砂—粉砂質砂構成的湖相和沼澤相的總稱。圖2中除地層巖性外,還標示有年齡測定、含化石層位等。1.3沉積巖石單元的確定盡管按成因地層單位可以將米浪溝灣剖面劃分出70多個層位的沉積,若按風成砂丘砂或黃土與之上覆的河湖相和古土壤構成的沉積旋回來計,也可以多達數(shù)十個(見圖2),但如果按組這一級巖石單元進行劃分,各組似乎都不同程度地顯示出其巖石學基本特征的個性。離石組主要為離石黃土和風成砂。薩拉烏蘇組,雖然河湖沉積和古土壤比較發(fā)育,風成砂同樣占有一定比例。但總的看來,河湖相和古土壤的特征更為醒目。相比之下,城川組雖然存在多層流水形成的灰綠至灰黃色粘土質粉砂、粉砂質極細砂等堆積,但主體卻是以細砂為主的古流動砂丘砂。此類沉積,常常具有明顯的風成砂丘形態(tài)、風成的前積紋層、加積紋層以及風成的大型板狀層理和從掃描電鏡中觀察到的由風暴撞擊形成的石英顆粒表面的新月形凹槽、風蝕麻點等。大溝灣組和滴哨溝灣組總體上表現(xiàn)出河湖相沉積特征。范家溝灣組則代表了晚近時期的毛烏素沙漠,標志其步入了一個新的巖石沉積時代?；谏鲜隹捶?可以將離石組、薩拉烏蘇組和城川組作為三個沉積巖石單元來看待。大溝灣組和滴哨溝灣組2S—16LS這一層段作為一個巖石單元來處理.剖面頂部的1MD—范家溝灣組具有獨特的沉積巖石學特征。由于薩拉烏蘇河中下游流域的毛烏素沙漠風成砂丘在范家溝灣附近的鄂爾多斯高原面沉積規(guī)模較大(相對最大高度愈15m),故建議使用范家溝灣組并將之作為一個獨立的巖石單元。需要著重指出的是,城川組砂層延伸到薩拉烏蘇河上游的黃土區(qū)時,砂粒變細(主要是3.32～4.32Ф的極細砂粒組),與河流上游薩拉烏蘇組之上的馬蘭黃土接觸時,則表現(xiàn)為縱橫向上的犬牙交錯的逐漸過渡關系。這說明,城川組與流域內馬蘭黃土的時代是相同的,兩者是同期異相(砂相和黃土相)的沉積關系。2薩拉烏蘇組/城川組的地層邊界滴哨溝灣組與范家溝灣組的界線處于2S與1MD的沉積界面位置。后者頂部的14C年齡為1067±77a,據(jù)此可將范家溝灣組,這一最新的沉積巖石單元視為1000aB.P.以來的產(chǎn)物。城川組與大溝灣組—滴哨溝灣組之間的界線出現(xiàn)在17D與16FL的沉積界面。17D之頂部的TL年代測定結果為9800±900a。以此為據(jù),可將城川組\大溝灣組—滴哨灣組之時間界限大體置在10000a。關于這一年代,過去對薩拉烏蘇河地區(qū)滴哨溝灣相同界面的測定,已有若干相似結果—14C年齡為9510±110a,9600±160a和TL年齡9700±120a等。另外,米浪溝灣剖面比較靠近這一界面位置的15D之底部的TL年齡顯示9700±800a,故認為10000a作為城川組與大溝灣組也即上更新統(tǒng)與全新統(tǒng)之時限是令人信服的。多年來,人們一直對于薩拉烏蘇組與城川組的時限感到困惑不解,而對于這兩者之間的地質界線尚無異議,但在時間上卻常常將其一并置于末次冰期,并認為薩拉烏蘇組,包括“薩拉烏蘇動物群”和與之一并產(chǎn)出的“鄂爾多斯人”,只是這個時代的一個間冰階的產(chǎn)物。然而,滴哨溝灣城川組之下伏的薩拉烏蘇組頂部棕褐色古土壤的TL年齡卻顯示為70900±6200aB.P.,這一時間常被近似地視為末次間冰期與末次冰期之時限,不言而喻,將城川組置于末次冰期才是可取的。在橫向上,所述的這一棕褐色古土壤與米浪溝灣剖面46LS恰處于相同層位。為了進一步驗證米浪溝灣剖面這一地質時限,我們對46LS%D層面相當?shù)?5D之底部進行了兩次TL年齡測試,結果顯示出70530±7000a和75080±7400a。兩者與滴哨溝灣的70900±6200a年齡都近相吻合。但考慮到黃土高原特別是大陸冰芯和深海目前的研究現(xiàn)狀,作者更傾向于將75000aB.P.視為薩拉烏蘇組/城川組沉積界面的年代。關于離石組與薩拉烏蘇組界線的時代。圖2顯示出,薩拉烏蘇組最早出現(xiàn)的層位63LS之上覆的62Fd底部年齡是148000±12500a。63LS之下限系其與64D相接觸的沉積界面,在近鄰的大石砭剖面與64D處于相同層位的風成砂近頂部的TL年齡系150200±19100a,因而將薩拉烏蘇組初始的時間置于150000aB.P.或許更加合宜。剖面中61S年齡值110100±12000a,明顯較之上覆60D的年齡偏新,這可能是受到成壤等其它因素影響之故。當然,如將60D和61S的年齡誤差值考慮在內,這一數(shù)據(jù)也是值得參考的,至少可以說明該層發(fā)生的時間系處于薩拉烏蘇組的時代范圍。3與土地有關的巖石單元薩拉烏蘇流域的第四紀層系以及該層系中富含的古生物、古人類化石和舊石器時代文化遺存,自P.德日進等人所進行的開創(chuàng)性工作以來的80余年,經(jīng)中外學者從不同學科角度的努力,陸續(xù)將“薩拉烏蘇”研究推向一個較深的層次。本文的研究,從年代地層學角度進一步佐證了當前薩拉烏蘇研究中存在的諸巖石單元的時代問題。而這一問題的解決,對于更大區(qū)域范圍的地層對比,進一步認識過去全球變化的區(qū)域響應將產(chǎn)生重要科學意義。(1)離石組\薩拉烏蘇組、薩拉烏蘇組\城川組、城川組\大溝灣組—滴哨溝灣組和滴哨溝灣組\范家溝灣組的時間界限分別系150000aB.P.、75000aB.P.、10000aB.P.和1000aB.P。相應地,以組為代表的巖石地層單元的形成時間為:離石組>150000aB.P.、薩拉烏蘇組150000～75000aB.P.、城川組75000～10000aB.P.、大溝灣組—滴哨溝灣組10000～1000aB.P.、范家溝灣組1000aB.P.～現(xiàn)代。(2)以上巖石單元與黃土高原相同時期層系具有較好的對比關系:離石組\薩拉烏蘇組、薩拉烏蘇組\城川組和城川組\大溝灣組在地質時代上依次與L2\S1(時限為140000aB.P.)、S1\L1(時限為80000aB.P.)和L1\S0(時限為11000～10000aB.P.,)大體是等時的。如以過去全球氣候變化而論,則目前已經(jīng)可以確切地將米浪溝灣剖面諸巖石單元與深海和大陸冰川最近地質時期的若干氧同位素階段進行對比,以“?”表示為:離石組?MIS6、薩拉烏蘇組?MIS5、城川組?MIS2～MIS4、滴哨溝灣組+大溝灣組+范家溝灣組ue0f2MIS1。顯然,這一對比關系清楚地說明,我國沙漠萬