臨夏盆地黑林頂剖面沉積物在8.6Ma前后巖石磁學特征及其意義①

閆曉麗 張啟波 方小敏， 苗運法

昝金波1孟慶泉1宋春暉1，2張濤1遲云平1

(1.蘭州大學資源環境學院西部環境教育部重點實驗室蘭州730000; 2.中國科學院青藏高原研究所盆地與資源環境研究中心北京100085)

臨夏盆地黑林頂剖面沉積物在8.6Ma前后巖石磁學特征及其意義①

閆曉麗1張啟波1方小敏2，1苗運法2

昝金波1孟慶泉1宋春暉1，2張濤1遲云平1

(1.蘭州大學資源環境學院西部環境教育部重點實驗室蘭州730000; 2.中國科學院青藏高原研究所盆地與資源環境研究中心北京100085)

通過對臨夏盆地黑林頂剖面晚新生代沉積物的巖石磁學研究，揭示在11.8～8.6 Ma磁化率波動較小，基本保持相對穩定的低值(0.58～6.9/10－8m3kg－1);從8.6 Ma開始受軟磁性礦物控制明顯持續增加(0.75～10.6/10－8m3kg－1)。通過沉積物磁學性質與環境變化之間的模式分析，結合盆地周圍構造條件研究，認為物源的變化可能是造成黑林頂剖面磁化率增強的主要原因。

臨夏盆地磁化率物源構造運動晚新生代

環境磁學作為一門交叉學科，主要利用礦物和巖石磁學技術，研究環境中磁性顆粒的風化、剝蝕、搬運、沉積和轉化受環境變化影響的過程，在各種環境研究中得到了廣泛應用［1］。19世紀80年代在Heller和Liu［2］將黃土剖面的磁化率曲線與深海沉積物的氧同位素記錄進行對比之后，磁化率作為一種古氣候替代性指標，在中國黃土研究中得到了廣泛的應用并成為經典的氣候指示曲線。同時，磁化率的研究不斷向其他沉積類型拓展，尤以湖泊沉積物的研究最為深入［3］。許多研究表明湖泊沉積物的磁化率變化特征常常同孢粉學，地球化學等特征一致［4～9］，說明在物源區和沉積環境變化不大的條件下，磁化率可以作為湖泊沉積物的氣候代用指標。然而有的研究則主張物源的作用，如孫繼敏在對青藏高原北緣鐵匠溝剖面的磁化率研究中強調磁化率的快速增強是由于13.7～9 Ma青藏高原持續隆升致使物源發生改變而造成的［10］。方小敏等認為臨夏盆地毛溝剖面磁化率的升高可能是流域外粉塵物質的加入導致的［11］。由此可見，湖泊沉積物中磁化率的變化機制遠比我們想象的要復雜，任何一個單一的模式都不能完全解釋磁化率的變化，因為在湖泊沉積物中，由于流域物質的磁性特征及沉積環境對湖泊中的磁性礦物的富集、保存或自生礦物生成都有影響，湖泊沉積物的磁學性質和環境變化之間不可能遵循簡單的模式［4］。因此，關于湖相沉積物磁化率的增強機制還需要進一步的研究。

黑林頂剖面位于臨夏盆地南緣，具有地層沉積完整連續、沉積厚度大、富含哺乳動物化石［12，13］，并且有可靠的年代控制。因此是探討湖相沉積物磁化率增強的機制以及發掘古氣候/構造信息的理想剖面。

1 研究區地質地理概況

臨夏盆地位于青藏高原東北邊緣(圖1)，大致作西北—南東延伸，海拔一般在2 000～2 400 m之間，屬于第三紀大型隴中盆地的西南隅，西緣和南緣分別為青藏高原東北邊緣的祁連山東延余脈拉脊山向南延伸部分(雷積山)和甘南高原與西秦嶺，海拔一般在3 500～4 000 m以上;北緣為祁連山東延余脈向隴中盆地深入的島狀山體馬銜山，海拔3 000 m左右，拉脊山和馬銜山以北即為隴中盆地西側的兩個次級盆地——西寧盆地和蘭州盆地，盆地東側與隴中盆地的主體隴西盆地相連，邊界不明顯。宏觀地貌上是青藏高原與黃土高原銜接帶上的一個新生代山前擠壓坳陷盆地［14］。盆地中堆積了巨厚的新生代沉積，大致以臨夏市為界，向西和向南第三紀紅層快速變厚，達1 600 m以上，遭受明顯斷裂和褶皺變形。向東北第三紀紅層明顯減薄，臨夏以東附近厚約400～500 m，地層水平，延伸較穩定，東鄉縣以東急劇減薄，具有顯著的陸內再生前陸盆地地層體空間分布特征［14］。紅層堆積的晚期發生了強烈的青藏運動，紅層強烈變形和遭受剝蝕夷平，其后上新世積石組巨礫巖層超覆其上，形成顯著的不整合面，然后再次變形和抬升，局部形成第四紀湖泊和近百米的湖沼與水下黃土堆積，最后再次變形抬升，黃河誕生并隨青藏高原進一步隆升而強烈下切，形成黃河和大夏河的7級階地及其上200多米的厚層黃土堆積［15～19］。過去將整個盆地的第三紀紅層統稱為臨夏組［20］，通過詳細的古生物地層和古地磁年代研究，將盆地新生代地層進行了系統重新劃分，建立了從漸新世他拉組到晚更新世北塬組共12個組的完整地層序列及其年代序列［18，19］。

圖1 臨夏盆地地質概況與黑林頂剖面位置Fig.1Sketchmap of the Linxia Basin and Heilinding section

在自然地理上，臨夏盆地處于東部季風區、西北干旱區及青藏高原高寒區三大自然帶的交匯地帶，地貌上屬于黃土高原的西南隅，氣候上恰好處于季風三角區的頂點部位，受季風環流系統的影響，具有較為典型的大陸性季風氣候特征，氣候溫涼半濕潤，區內1月份平均氣溫為0.7～13.4℃，7月份平均氣溫12～25℃，年均降水量為506.3 mm，除盆地周圍的山地有暖溫帶山地闊葉林及亞高山針葉林分布外，盆地內為溫帶落葉闊葉林—草原景觀。

2 研究剖面特征與樣品測量

2.1 研究剖面巖性與沉積相特征

本次研究以臨夏盆地南緣的黑林頂剖面為對象(圖1)，該剖面地層沉積厚度230 m左右，不整合于加里東花崗巖之上。地層以近水平產狀的泥巖沉積為主夾有多層砂礫巖(圖2)。縱觀整個剖面，可以116.5 m處為界分為兩層:下部(230～116.5 m)泥巖段為主要的類古土壤發育階段，盡管由于受到古土壤發育程度、沉積時期的侵蝕、后期的壓實和石化作用使得多個古土壤的界限不是十分明顯，但土壤化的小團粒結構、錳斑、錳膠膜和碳酸鈣充填體等特征依稀可見，物質粒度相對均勻、顏色偏棕紅色。說明當時以洪泛平原沉積為主，并有相對長的時間供土壤發育，同時偶爾有辮狀河流掃過，形成河道沉積。之上(116.5～0 m)沉積物質主要變成以砂巖含礫為主，個別層位還出現了礫巖，膠結較差;泥巖中很少部分弱古土壤化，顏色變淡，以褐紅色為主。沉積相以辮狀河流相沉積為主，偶有平靜的湖泛平原沉積。三趾馬動物群(Hipparion fauna)化石層位于柳樹組上部的紅粘土中(距頂部約30 m處)(圖2)，種類豐富，推測時代為晚中新世中晚期［12，13］。總之，整個剖面地層沉積連續完整，沉積厚度大，含大量哺乳動物化石，下部發育古土壤，上部以含礫砂巖為主。近來王九一等人對該段剖面的晚新生代地層進行了高精度、高分辨率古地磁年代的測定［21］，測年結果為11.8～5.0 Ma，116.5 m處對應年齡為8.6 Ma。

圖2 黑林頂剖面磁化率結果(古地磁引自參考文獻［21］)Fig.2The magnetic susceptibility of the sediments and palaeomagnetic result［21］in the Heilinding Section

2.2 樣品采集與測量

對黑林頂剖面進行了0.5 m間隔連續采樣，獲得樣品460多個，將樣品在40℃烘箱內烘干，然后將干樣破碎后裝入2 cm3的無磁性立方體形樣品測量盒內，壓實稱重，然后用英國Bartington公司生產的MS2型便攜式磁化率儀分別對沉積物樣品進行高頻和低頻磁化率測量。部分代表性樣品使用VFTB (variable field transition balance)測量儀進行熱磁曲線和磁滯回線測量。以上實驗均在蘭州大學西部環境教育部重點實驗室完成。

3 結果與分析

3.1 磁化率和頻率磁化率

磁化率結果(圖2)表明，臨夏盆地黑林頂剖面在116.5 m處(約8.6 Ma)發生了明顯變化.在116.5 m以下，磁化率沒有明顯的變化，主要表現為小幅波動，范圍主要為0.58～6.9/10－8m3kg－1之間;116.5 m以上波動持續快速增加，范圍主要為0.75～10.6/10－8m3kg－1之間。同磁化率的階段性變化趨勢一樣，頻率磁化率也有著明顯的階段性變化，130～160 m礫石層對應頻率磁化率為明顯的降低趨勢，160 m以下頻率磁化率(均值約8.5%)比130 m以上磁化率(均值約9.4%)低，整體而言頻率磁化率百分比值均較大。

3.2 熱磁曲線

利用磁化率隨溫度變化的特征，即熱磁曲線，可以有效地辨別沉積物中的磁性礦物在熱退磁過程中的轉變規律［1］，廣泛應用于樣品中的磁性礦物種類分析。根據熱磁曲線加熱前后磁化強度J是增加還是減少的曲線特點，可以把它們分為兩類(圖3): (1)116.5～230 m:熱磁曲線不可逆，冷卻曲線均位于加熱曲線的下方。磁化強度在150℃，580℃和680℃附近都有不同程度的降低，其中580℃降低幅度最大，表明樣品中含有磁鐵礦，同時含有針鐵礦和赤鐵礦。此外，樣品磁化強度在300～450℃間也有明顯的減少，且實驗前后樣品飽和磁化強度也有很大的下降，表明樣品中還含有較多的不穩定礦物磁赤鐵礦等在加熱過程中發生了轉變，轉變成赤鐵礦;(2)0～116.5 m:同116.5～230 m間的樣品相比，盡管該段樣品的磁化強度在150℃，580℃和680℃附近也有不同程度的降低，且以580℃降低幅度最大，但該段樣品的冷卻曲線和加熱曲線卻基本可逆，說明樣品的磁赤鐵礦含量急劇減少，磁鐵礦主導了該段樣品的磁學性質。

圖3 黑林頂剖面代表性樣品熱磁曲線Fig.3Thermomagnetic(Curie)curves of Heilinding representive samples

3.3 磁滯回線

磁滯回線能夠提供關于磁性礦物類型和疇態的重要信息。所有樣品的磁滯回線都不同程度地具有“蜂腰”特征。0～116.5 m樣品的磁滯回線(圖4)線形較細且陡直，飽和磁化強度值較高，顯示出很弱的“蜂腰型”特征，說明這些樣品中低矯頑力磁性礦物(主要是磁鐵礦)占據主導地位。而大于116.5 m樣品的線形形態相對寬緩扁平，“蜂腰”更加明顯，說明其磁性礦物盡管也以低矯頑力礦物為主，但高矯頑力礦物的含量有所增加。

圖4 黑林頂剖面代表性樣品磁滯回線Fig.4Hysteresis loops of Heilinding representive samples

圖5 黑林頂剖面代表性樣品Day氏圖Fig.5Hysteresis ratios plotted on a Day diagram of Heilinding representive samples

利用這六個樣品的磁滯參數Mrs/Ms比值和Bcr/Bc比值作Day-plot圖(圖5)，對樣品的磁性礦物粒徑進行分析［22］。圖5所示全部樣品都集中在假單疇區域內，說明這些樣品中的磁性礦物粒徑沒有太大變化，同時也表明樣品磁滯回線顯示的“蜂腰型”特征主要是由高矯頑力與低矯頑力礦物混合所致［23］，不同粒徑低矯頑力礦物混合的影響可以忽略［22］。

4 討論

巖石磁學分析結果表明，8.6 Ma以前磁化率保持相對低值，波動幅度小;8.6 Ma以來磁化率驟然變大，頻率磁化率雖然變化不很明顯，但和磁化率具有類似的變大趨勢(圖2)。熱磁曲線特征顯示8.6 Ma以后樣品中磁赤鐵礦含量急劇減少，磁滯回線的弱“蜂腰型”特征表明樣品中的低矯頑力磁性礦物占主導地位，二者結合說明8.6 Ma以來磁化率增高主要由軟磁性礦物磁鐵礦含量的增加所引起。

傳統認為，在室溫條件下磁化率大致反映了樣品中亞鐵磁性礦物的富集程度［1］，值越高樣品中的亞鐵磁性礦物越富集;頻率磁化率則可以用來估計樣品中超順磁性物質的含量［1］，值越高說明樣品中的超順磁顆粒越多，而且頻率磁化率所反映出的超順磁顆粒通常被認為是在成壤作用中形成的［24］。黑林頂剖面的巖性特征顯示，116.5 m以下主要發育類古土壤，以上雖然仍有古土壤發育但巖性開始變得以砂巖含礫為主，如果僅考慮成壤作用對磁化率的影響，整個剖面的磁化率和頻率磁化率變化趨勢應為一個下降趨勢，然而事實則相反，顯然說明本剖面成壤作用對磁化率的增高沒有關系，磁性礦物的來源另有他因。

大量的研究表明，在湖泊沉積物中，磁性礦物不僅受物源影響，而且沉積后在一定條件下原生磁性礦物的溶解和次生磁性礦物的生成也是重要的影響因素［8，9，25］。磁性礦物的種類、含量和磁性顆粒的大小首先與流域碎屑物磁性特征和沉積環境密切相關，但在沉積物物源和沉積環境基本相同的情況下，磁性礦物的含量和其顆粒的大小直接與水動力大小相關，而水動力大小則與氣候相關［26］。因為氣候變化直接影響了風化作用和沉積作用過程，當氣候較為暖濕時，流域內的地表物質成土作用加強，使得沉積物中細粒磁性礦物增多，同時水動力增大使得地表碎屑物質向湖泊的輸入量增多，最終導致湖泊沉積物磁化率增大，反之則磁化率降低，簡而言之就是說氣候變濕會促使磁化率升高。位于臨夏盆地中心的毛溝剖面是最為理想的高磁化率物質的接收區，事實也證明磁化率在8.6 Ma以來確有變大的趨勢［11］。然而將氣候解釋為磁化率增強機制卻與同期大范圍變干的事實相矛盾。因為，在臨夏盆地毛溝剖面中，對干旱氣候環境敏感的碳酸鈣含量和氯離子濃度在約8 Ma開始明顯增加，到6.2 Ma增加至最高峰［15，27］;13.0～8.5 Ma的針闊混交林植被在8.5 Ma之后被干草原環境所替代［28］。拓展到臨夏盆地周邊地區，西北酒西盆地的孢粉中草本植物急劇擴張［29］;東南的秦安地區粉塵通量急劇增加［30］，黃土高原黃土—古土壤的δ13C值記錄了8～7 Ma時C4植被的擴張［31］。這些指標的變化均指示了在8～7 Ma，東亞陸地生態系統發生了重大變化，亞洲干旱化加劇［31，32］。因此，在干旱背景下，黑林頂磁化率的增強不可能是氣候造成的。

排除成壤作用和氣候變化對磁化率增高的可能原因后，我們認為物源的變化可能是造成黑林頂剖面磁化率增強的主要原因。早期的湖泊沉積物環境磁學研究已經表明，沉積物的磁性特征一般都與特定的源區相關，在特定流域內，高磁化率曾被當作是侵蝕作用的標志，磁化率值越高反映流域內原生磁性礦物的輸入量越大［1］。臨夏盆地是一個擠壓撓曲型的前陸盆地［13］，盆地內發育多條與積石山垂直的橫向河流，因此積石山是臨夏盆地最直接的物源供應區［33］。碎屑顆粒裂變徑跡熱年代學［34］和構造地質學［35］研究表明積石山受青藏高原擴展和隆升的影響在8 Ma左右開始發生巖體隆升，當山體隆升到一定高度后，地形侵蝕加劇，山體切割迅速，進而把山體上風化破碎的巖石搬運到臨夏盆地中，使得盆地沉積物在8 Ma前后由于二次循化物質的加入發生了變化［34，36］。縱觀整個黑林頂剖面(圖2)，以116.5m處為界從洪泛平原過渡到辮狀河流沉積為主，巖性下細上粗，說明盆地此時的物質搬運和沉積受地形的巨大變化已經發生了明顯的改變，高能量的粗顆粒物質被搬運到盆地中心附近.綜上所述，本文認為黑林頂剖面在8.6 Ma物源確實發生了改變。

5 結論

臨夏盆地黑林頂剖面晚新生代沉積物的巖石磁學研究表明在11.8～8.6 Ma，磁化率基本穩定在0.58～6.9/10－8m3kg－1之間;8.6 Ma以后基本穩定在0.75～10.6/10－8m3kg－1，軟磁性礦物明顯增加。這一結果與成壤作用和氣候變化不符合，結合盆地周圍構造條件和研究結果，認為物源的變化可能是造成黑林頂剖面磁化率增強的主要原因。

致謝張偉林、王九一、楊一博等參加了部分野外采樣工作，在此表示感謝.

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36張培震，鄭德文，尹功明，等.有關青藏高原東北緣晚新生代的擴展與隆升的討論［J］.第四紀研究，2006，26(1):5-13［Zhang Peizhen，Zheng Dewen，Yin Gongming，et al.Discussion on late Cenozoic growth and rise of northeastern margin of the Tibetan Plateau［J］.Quaternary Sciences，2006，26(1):5-13］

Rockmagnetic Characteristics of the Sediments from Heilinding Section in the Linxia Basin at 8.6 Ma and Their Implications

YAN Xiao-li1ZHANG Qi-bo1FANG Xiao-Min2，1MIAO Yun-Fa2ZAN Jin-bo1MENG Qing-Quan1SONG Chun-Hui1，2ZHANG Tao1CHI Yun-Ping1
(1.Key Laboratory of Western China＇s Environmental Systems，Ministry of Education of China＆College of Resources and Environment，Lanzhou University，Lanzhou 730000; 2.Center for Basin Resource and Environment，Institute of Tibetan Plateau Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085)

The Linxia Basin is a key place to study the paleoclimate change and the Tibetan Plateau uplift for its special place at the Asian monsoon margin and the northeastern Tibetan Plateau.Variations of the magnetic susceptibility and rockmagnetic characteristics from the Heilinding sediments in the Linxia Basin revealed a huge change occurred at the about 8.6 Ma based on a ideal palaeomagnetic dating(11.8-5.0 Ma).During 11.8-8.6 Ma，the value of the magnetic susceptibility was stably low(0.58-6.9/10-8m3kg-1).After 8.6 Ma，it became very high(0.75-10.6/10-8m3kg-1)for the soft mineral magnetic properties.We argued such change was mainly caused by the change of the material origin driven by the uplift of the Tibetan Plateau.The magnetic susceptibility in the lake sediments is different from the loess-paleosol layers in the explanation of the environment and climate change.

magnetic susceptibility;origin;uplift;Late Cenozoic

book=6,ebook=481

閆曉麗女1985年出生博士研究生第四紀地質學E-mail:yanxl07@lzu.cn

P534.63

A

1000-0550(2010)06-1190-08

①國家自然科學基金項目(批準號:40771214;40872029)、中國科學院知識創新工程重要方向項目(編號:kzcx2-yw-104)資助。

2009-06-20;收修改稿日期:2009-11-24