嘉陵江上游灵官峡段一级阶地光释光测年

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　　摘 要
　　秦岭地区阶地黄土广泛分布，揭示着秦岭的环境演变过程;发源于秦岭的嘉陵江，上游阶地堆积黄土，其可靠的地层年代序列能够为嘉陵江上游古环境研究提供时间标尺。本文以嘉陵江上游灵官峡段一级阶地黄土剖面为研究对象，利用光释光单片再生剂量法测定等效剂量。由于大部分样品晒褪不彻底，因此以CW-OSL曲线拆分法分离出快速组分，最终确定等效剂量值，以此确定了嘉陵江上游灵官峡段一级阶地的形成时间在58.99 ka左右;并结合地层沉积特征和粒度分析，建立了自末次冰期以来嘉陵江上游灵官峡段气候演变的年代序列：底部黄土堆积于干冷的末次冰期（58.99～21.47 ka）;21.47 ka以后直至2.42 ka，缺乏黄土沉积记录;古土壤发育于温暖湿润的晚全新世（2.42 ka～0.35 ka）;0.35 ka以后气候转为干冷，再次堆积黄土。
　　关键词
　　嘉陵江上游; 阶地黄土; 光释光; 气候变化
　　中图分类号：  K924.2;K29                       文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.070
　　Abstract
　　Loess is widely distributed on river terraces in Qinling Mountains， which reveals the climate changes of Qinling Mountains.The Jialing River is originated from Southern Qinling Mountains. There is loess accumulation on the upper stream terraces.The reliable stratigraphic chronology can provide time scale for researching palaeoenvironment process in the upper reaches of Jialing River.In this article，Lingguanxia（LGX）loess profile is taken as the research object which located on the first terrace of the upper reaches of Jialing River.Single-aliquot regenerative-dose（SAR） Optically Stimulated Luminescence（OSL） dating protocol is used to determine the equivalent dose in order to get the stratum age.Because most of the samples’ OSL signal are not completely faded before the last deposition， the equivalent dose value is determined by the fast components which are separated by CW-OSL raw curve splitting method.The formation time of the first terrace of LGX section is about 58.99ka.Combining with the stratigraphic sedimentary characteristics and grain size analysis，the chronological sequence of climatic evolution in LGX section since the last glacial period has been established. Loess deposited at the bottom during the last dry-cold glacial period from 58.99 ka to 21.47ka.After 21.47ka until 2.42ka，there was no loess saved; paleosoils developed in the warm and humid in the late Holocene between 2.42ka and 0.35ka;after 0.35ka， the climate changed to dry and cold， and loess accumulated again.
　　Key Words
　　Upper reaches of jialing river;Terrace loess;OSL dating;Climate change
　　0 引言
　　秦嶺作为我国南北的天然分界线，对环境响应敏感。其山间盆地和河谷阶地广泛分布风成黄土，成为秦岭环境变化研究的重要载体。以秦岭黄土展开的研究，从沉积物特征、植被及形成时代等方面，揭示着秦岭第四纪以来的古气候演变[1-2]。
　　嘉陵江发源于秦岭山麓，沿岸河谷发育多级阶地，自古以来是重要的水上交通要道和文化分布区。但多变的气候和复杂的地质环境，导致流域内水土流失严重，泥石流、滑坡、洪水等自然灾害频发[1，3]，严重影响了流域的经济开发和环境保护。研究流域古环境演变的过程，会对流域的工程建设、生态建设、灾害防治及旅游开发等提供重要的参考价值。因此，本文选择嘉陵江上游灵官峡段一级阶地出露较好的黄土剖面作为研究对象，采用光释光测年方法，建立嘉陵江上游一级阶地的年代序列，并结合粒度分析探讨自阶地形成以来的环境演变历史。 　　1 研究区域和剖面特征
　　1.1 研究区概况
　　嘉陵江流域地势西北高东南低，干流流经陕西省、甘肃省、四川省三省，最终于重庆朝天门注入长江，全长1345千米，流域总面积约为16万平方千米，是长江流域面积最大的支流。嘉陵江流域位于西北地区、青藏高原、东部地区的结合部，属亚热带温暖湿润的季风气候，年降水量达1000mm以上，夏季高温多雨，冬季温和湿润;径流主要由降水补给，多集中于7-9月。上游起陕西凤县至四川广元昭化镇，地势陡峭，穿行于秦岭、米仓山等崇山峻岭之间，上游山地海拔1000～3000m，相对高差400～1000m，河流袭夺现象明顯且下切侵蚀严重，形成深切峡谷;受降水等影响，此段水产能力较强，水流湍急，同时常诱发崩塌、滑坡等自然灾害;在少数山间盆地河谷较宽，谷坡有断续延伸的阶地。广元至重庆合川为中游段，河曲发育。合川以下为下游段，大部流经四川盆地平行岭谷区，最终注入长江。
　　1.2 研究剖面特征
　　嘉陵江上游一级阶地灵官峡（LGX）剖面（33°56′29.4″N，106°24′39.64″E）位于两当与嘉陵江的入口处，地层厚度共7m，地层剖面特征见图2。0～0.5m，灰黑色表土层，土质疏松，可见根孔、虫孔，草根分布其中;0.5～1.2m，浅浊黄色黄土，土质较疏松，有虫孔、根孔，垂直解理发育;1.2～2m，浅灰黑色土壤，有虫孔，根孔，垂直解理发育，团粒状结构，发育白色碳酸盐胶膜;2～5m，浅浊黄色黄土，土质较疏松，颗粒较粗，垂直解理发育，底部发育零星钙结核;5m以下，为大小不等砾石形成的河漫滩沉积。地层未见底。
　　1.3 样品采集
　　本研究在特征层位共采集光释光测年样品4个。在修整好的新鲜垂直地层剖面上，将直径为5 cm的不锈钢管分别垂直打入砾石上覆黄土层和古土壤的顶界及底界附近，待沉积物充满钢管后取出并密封，以免曝光和水分散失。同时，在与光释光样品平行层位处采集沉积样品。
　　2 研究方法
　　2.1 光释光测年方法
　　样品前处理在安全可靠的暗室条件下，去除不锈钢管两端2～3cm的曝光部分，用于U、Th、K含量及含水量的测试，未见光部分分别加入浓度10%的HCl溶液和10%的H2O2溶液，去除次生碳酸盐矿物和有机质后清洗至中性，烘干后筛分。选择粒径为63～90μm的颗粒，用浓度为40%HF溶液溶蚀，清洗后以10%HCl溶液去除石英表面的氟化物。清洗烘干，用红外释光（IRSL）做石英纯度检验，当长石的释光信号为零或与石英释光信号强度比值小于10%时，说明石英已经提纯，即可制样片备测。
　　光释光样品的等效剂量测试是在陕西师范大学地理科学与旅游学院TL/OSL释光断代实验室中采用丹麦Ris TL/OSL-DA-20型全自动释光仪进行实验。该仪器蓝光激发光源波长为470±30nm，红外激发光源波长为880±80nm，人工β辐射源为90Sr/90Y源，活度为1.48Gq，滤光片为HoyaU-340，光电倍增管为EMI9235QB15。
　　剂量率与样品的含水量、周围地层中的U、Th、K含量及宇宙射线等有关。U、Th、K放射性物质的含量在北京原子能研究院利用中子活化法测得，含水量通过实验室烘干法测得。宇宙射线对环境剂量率的贡献，根据样品所在地的经纬度、海拔高度、埋藏深度和沉积物密度转换得到。最后，依据样品的剂量率和等效剂量，通过AGE 2003计算软件得到样品OSL年龄值。
　　2.2 粒度测试方法
　　分别称取自然风干的样品约0.3 g置于500 ml烧杯中，加入10ml的10%H2O2溶液搅拌，并在加热板上加热使其充分反应，去除样品中的有机质;冷后向烧杯中加入10ml的10%HCl溶液加热使其充分反应，去除碳酸盐矿物;冷却，向烧杯中注满蒸馏水，静置沉淀72 h后换水，直至溶液呈中性，加入六偏磷酸钠（Na2P2O6）溶液，并用超声波震荡10分钟使样品颗粒充分分散，最后采用美国 Beckman Coulter 公司生产的 LS13320 激光粒度仪进行测定。
　　3 等效剂量测试
　　等效剂量（De）值均采用单片再生剂量法（SAR）测定。
　　3.1 预热坪区
　　预热温度的选择直接影响等效剂量De值的可靠性。由于浅陷电子的跃迁会产生不稳定的释光信号，加热会使能量较低但不易晒褪的陷获电子发生热转移，使得光释光信号增强，获得的等效剂量值偏大。因此，为避免这类影响，在用SAR法测试等效剂量值之前，需要选择合适的预热温度，以获得稳定可靠的释光信号。本文选取代表性样品LGX-1进行预热坪区的实验，预热温度从180℃开始，以20℃的间隔增加温度至300℃，预热10s后，在125℃的蓝光条件下激发40s，每个温度至少测试3个片。如图3（a）所示，在180℃～240℃范围内随着温度的上升，De值在2.2 Gy～2.55 Gy之间，出现无显著变化的“坪区”，因此理论上可在180℃、200℃、220℃和240℃间任选其一作为预热温度。
　　3.2 剂量恢复
　　为了进一步检验预热温度确定的测试条件的合理性和可靠性，还需要对样品做剂量恢复实验测试。首先，将测片在室温条件下用蓝光两次激发40 s，中间暂停10000 s以清除热转移产生的不稳定电子，再辐照已知人工剂量，利用SAR法得到实测等效剂量，将实测等效剂量与已知人工剂量对比（实测等效剂量/人工辐照剂量），得到样品的剂量恢复系数，若剂量恢复系数接近于1（0.9～1.1之间），则所选测试条件适合样品的等效剂量测试。如图3（b），当给样品LGX-1人工辐照剂量为2.25 Gy时，在180℃～260°C剂量恢复系数介于0.91～1.0之间，且在240℃时剂量恢复系数为0.97，最接近于1。
　　此外，为避免在测试过程中由于频繁的预热、辐照、晒褪而产生灵敏度的变化，采用检验剂量（test- dose）对石英的感量变化进行校正。如图3（b），样品LGX-1的循环比介于0.94～1.1之间，表明测试过程中样品产生的灵敏度得到了较为理想的校正。 　　因此，综合以上实验条件测试的分析并考虑误差的影响，最终选择Pre-heat 240℃和Cut-heat 200℃作为测试条件，对所有样品进行等效剂量的测试。
　　3.3 晒褪程度分析
　　风成黄土由于风尘物质长时间远距离的悬浮搬运，在沉积前释光信号基本已被清零，晒褪较彻底。本文研究样品来自嘉陵江上游的一级阶地，受上游河谷两侧山势陡峭、阶地面狭窄等原因的限制，近源的坡积物和残积物等在重力和地面水流作用下可能会混入阶地黄土，导致样品晒褪不充分，所测得的De值偏大，年龄结果偏高。因此，通过对样品的释光信号晒褪程度进行分析，去除晒褪程度不彻底因素对黄土年龄测定的影响，以确保所得年龄数据的可靠性。
　　等效剂量频率分布直方图可以判断样品的晒褪程度[4]，如果样品的等效剂量频率分布呈现单峰正态分布特征，则说明样品释光信号被清零或到达可以忽略的水平，晒褪较彻底;若样品等效剂量的频率分布呈现偏态状，则说明样品晒褪不彻底。以LGX-2和LGX-4为例，利用以上方法对样品的晒褪程度进行分析，发现LGX-2的等效剂量频率分布呈偏态状（图4a），样品晒褪不彻底;而LGX-4的等效剂量频率呈正态分布（图4c），样品晒褪较彻底。以同样的方法对LGX-1、LGX-3做晒褪程度分析，等效剂量频率分布图均呈偏态状，LGX-1和LGX-3的释光信号晒褪不彻底。
　　其次，样品的等效剂量与校正后自然释光信号的相关性也能反映样品释光信号的晒褪程度[5]。对于晒褪较好的样品，等效剂量基本不随校正后的自然释光信号的变化而变化，二者间的相关性较低;对于晒褪不彻底的样品，等效剂量与校正后的自然释光信号之间存在较显著的相关性。样品LGX-2（图4b）的等效剂量值随校正后的自然释光信号的增加而增大，相关程度高达0.96，且LGX-2的校正后的自然释光信号的相对标准偏差（RSDN-OSL）为29.36%、第一个再生剂量的释光信号相对标准偏差（RSDR-OSL）为3.08%，相差较大，表明样品的晒褪不彻底。LGX-4（图4d）的等效剂量值与校正后的自然释光信号相关性较低，为0.04，等效剂量值随校正后的自然释光信号几乎无变化;且RSDN-OSL和RSDR-OSL分别为8.64%、5.58%，RSDN-OSL和RSDR-OSL差异很小，表明样品的晒褪较彻底。LGX-1和LGX-3的等效剂量值与校正后的自然释光信号相关性均较高，分别为0.98和0.96;同时，LGX-1的RSDN-OSL为23.46%、RSDR-OSL为6.12%，LGX-3的RSDN-OSL为21.74%、RSDR-OSL为7.23%，差异较大，样品晒褪不彻底。
　　综合以上分析，LGX-1、LGX-2、LGX-3的释光信号晒褪不彻底，LGX-4在最后一次被埋藏前经历了较彻底的晒褪。
　　3.4 CW-OSL曲线拆分法确定等效剂量值
　　为避免样品晒褪不彻底，而造成年龄的高估，本文采用CW-OSL曲线拆分的方法，将样品的释光晒褪曲线进行拆分以确定样品较准确的等效剂量。这种方法使用的前提是释光信号的电子跃迁符合一级动力学公式：
　　Y=a+n1·b1·exp（-b1·t）+n2·b2·exp（-b2·t）+n3·b3·exp（-b3·t）（1）
　　式中：Y是釋光信号总量（即光子数）;a为背景值;n1、n2、n3分别为快速、中速、慢速组分捕获的电子总量;b1、b2、b3为3种组分相应的释光信号衰退率;t为激发时间，再根据此公式将曲线拆分为快速、中速和慢速组分。快速组分能在极短的时间内晒褪至本底，中速和慢速组分晒褪速率则很慢，因此利用组分分离选取以快速组分为主的信号积分区间，可得到样品较准确的等效剂量值。
　　以LGX-2为例，拆分出快速、中速和慢速组分（图5a），各组分相对含量随时间的增加而产生变化（图5b）。快速组分在0～0.32s占比例约为84.22%，在0.32～0.48s之间所占比重约为66.27%，在0.48～2.08s之间快速组分所占比重逐渐减小，2.08s之后趋近于0;中速组分在0～0.32s之间占比重约为13.65%，在0.32～0.48s之间所占比重约为30.11%，在0.48～1.44s之间所占比重逐渐增加，1.44s达到最大值约为57 %，之后比重又呈逐渐减小的趋势;慢速组分在0～0.32s之间占比重约为1%，在0.32～0.48s之间所占比重约为3%，在0. 48～5.44s之间比重逐渐增加，到5.44s后信号值逐渐趋近于1。可以确定，在0～0.48 s之间样品释光信号主要被快速组分所占据。因此，LGX-2选择0 ～ 0.48s区间的信号减去0.48～1.2s区间的信号，内插至释光生长曲线（图5c），得到样品的等效剂量。对于LGX-1和LGX-3的等效剂量值，采用同样的曲线拆分方法，最后均以信号积分区间0 ～ 0.48s减去0.48～1.2s获得。LGX-4则以0～0.64s减去0.64～1.6s，内插至释光生长曲线得到等效剂量值（图5f）。
　　4 光释光年龄结果
　　根据最终确定的各样品等效剂量和环境剂量率，利用软件AGE 2003计算，获得样品最终的光释光年龄（表1）。结果表明，嘉陵江上游一级阶地灵官峡剖面的四个样品年代分别为58.99±5.54ka，21.47±1.96ka，2.42±0.25ka，0.35±0.04ka，年龄误差均在10%左右。结合剖面的地层关系，样品年龄随地层深度的增加而增加，说明样品年代结果真实可靠。
　　5 粒度特征
　　沉积物的粒度特征主要受物源和后期沉积环境的影响，能揭示出搬运动力大小、类型、沉积环境特征，是指示东亚季风演变和恢复沉积物成壤环境的重要替代性指标[6]。LGX-3和LGX-4为黄土，LGX-3的平均粒径为19.01μm，中值粒径为14.2μm，粘粒含量为15.3%，粉砂含量为83.83%;LGX-4的平均粒径为17.2μm，中值粒径为12.1μm，粘粒含量为10.78%，粉砂含量为86.77%，黄土层的平均粘粒含量为13.04%，粘粒/粉砂为14.19，较古土壤层低，说明在黄土形成时期，冬季风较强，气候干冷，粉尘堆积作用强。LGX-1和LGX-2为古土壤，LGX-1的古土壤平均粒径为19.1μm，中值粒径为11μm，粘粒含量为14.96%，粉砂含量为83.05%;LGX-2的平均粒径为14.3μm，中值粒径为8.6μm，粘粒含量为15.36%，粉砂含量为80.81%;LGX-1比LGX-2粘粒含量稍少，平均粒径稍大，反映了古土壤层上部比下部稍粗;但整体古土壤层粘粒含量平均为15.16%，粘粒/粉砂为18.5，说明古土壤形成时期夏季风增强，气候相对温暖湿润，沉积物受风化和此生粘化作用较大，从而形成许多细小颗粒和粘土。 　　6 讨论
　　6.1 嘉陵江上游LGX段一级阶地的年代框架
　　可靠的年代框架是反演古环境演变的重要前提，嘉陵江上游阶地沉积年代数据的缺乏，影响了区域古环境演变研究的开展。本文对嘉陵江上游LGX段一级阶地沉积物，利用光释光测年的方法，建立了嘉陵江上游LGX段一级阶地沉积物的年代序列框架，在距今58.99 ～ 21.47 ka期间堆积黄土，在2.5～0.35ka时段发育古土壤。
　　采用石英常规SAR法测年获得的年龄数据，从阶地黄土的底部到顶部呈现逐渐减小的趋势。底部（LGX-4）年龄为58.99±5.54ka，等效剂量为206.68Gy，释光生长曲线未达到饱和，可以认为LGX的底部年龄数据是可靠的。晚更新世以来，受新构造运动抬升的影响，南秦岭的汉江上游丹江段在57.78±1.19ka、汉中段在57.2±2.5ka及安康段在46.1±4.1ka分别下切形成T1阶地[2];西秦岭渭河流域漳河段在50ka～60ka下切形成T2阶地[7]。上述各断裂发生和阶地形成时间基本在同一时期，与LGX阶地底部黄土的年龄相近，底部黄土年代可以代表阶地的最小形成年龄。考虑到地理位置的差异，可以认为在误差范围内，嘉陵江上游LGX段在58ka左右也受到新构造运动抬升，下切形成一级阶地。LGX底部黄土顶界的光释光年龄为21.47±1.96ka，同位于秦岭的丹江T1阶地的最底部黄土顶界年龄（22.61±0.43ka）、郧县郧西段T1阶地最底部黄土顶界年龄（28.4±0.3ka）[2]，地理位置依次从西向东，在误差范围内保持一致，体现了LGX最底部黄土顶界年龄数据的可靠性。
　　21.47±1.96ka以后，地处青藏高原东北前缘和我国中部断裂带区的西秦岭，构造运动和地震活动十分强烈，秦岭北段断裂带张家沟、桐峪河口在22830±441a、24803±519a分别发生过古地震[7]、青藏高原东北缘的三关口断裂带在25.11～27.63ka、17.34～18.09ka也发生过古地震[8]，频繁的构造运动和地震活动导致阶地无法稳定接受黄土沉积，发生沉积间断。进入全新世以后，全球气候转暖，夏季风强盛，嘉陵江上游受地形影响降水充沛，洪水频发、洪峰高，冲刷、侵蚀严重;同时，区域内构造抬升速率加快，地震等灾害频发，秦岭北段断裂带11747±167～8763±141a、8783±141a[7]，贺兰山西麓断裂带6.16～4.83ka、10.15～11.24ka发生地震[8]。LGX剖面最底部黄土顶部的年代为21.47±1.96ka，古土壤底部年代为2.5ka，二者高度相差0.3m，年龄却相差18ka左右，说明可能频发的地震、暴雨洪水、泥石流等，导致在距今2.5ka以前LGX段水土流失严重，产生沉积间断。2.5ka～0.35ka间，阶地发育灰黑色土壤层，尽管全新世晚期，夏季风强度减弱，大部分地区接受黄土沉积，但仍有一些地区，受地形影响，温度和降水适中，发育土壤层。青藏高原东北部的共和盆地测年结果显示在其中东部全新世古土壤底部年龄为4.0±0.2ka，顶部年龄为0.7±0.1ka[9]，西秦岭武都地区测年结果显示在2000 a B.P的气候回温期发育泥石流事件[10]，考虑到地貌部位的差异，这些地区与LGX剖面古土壤的形成年代基本一致，体现了古土壤层年代数据的可靠性。
　　6.2 末次冰期以来的气候变化
　　嘉陵江处于三大自然带（西北地区、青藏高原、东部地区）的结合部，受三大自然带的共同影响，流域内的气候变化在时空上有区域特殊性。LGX剖面在末次冰期（58.99～21.47ka）間，阶地上发育3m厚的黄土，粒度以粉砂为主，粘粒/粉砂为14.19，指示了58.99～21.47ka嘉陵江上游LGX段冬季风强盛，气候干冷。末次冰期洛川黑木沟黄土的低磁化率值、高粉尘通量等均体现了干冷的冬季风环境效应[6]，漳河T2阶地于干冷的冰期（50～60ka）下切形成并堆积次生黄土[7]。晚全新世2.42～0.35ka间，剖面发育1m厚的浅灰黑色古土壤层，沉积物细颗粒含量增加，平均粘粒含量为15.16%，粘粒/粉砂为18.5，指示了此期间夏季风相对增强，气候温暖湿润。同时，青藏高原东北部在4.0 ka～0.7ka期间发育古土壤[9];武都地区在2.0ka B.P以后气候回升[10]。0.35 ka 以来，LGX段阶地发育黄土、气候相对寒冷干燥，与汉江[4]等区域保持一致。
　　7 结论
　　利用光释光测年技术的石英SAR法测定嘉陵江上游LGX段阶地黄土的等效剂量，结合样品释光信号的晒褪程度，用CW-OSL曲线拆分法拆分出快速组分，计算得到可靠的等效剂量值。最终获得了地层年龄数据，以此建立了末次冰期以来嘉陵江上游LGX段的年代序列。嘉陵江上游LGX段在58.99 ka左右形成阶地，58.99 ka～21.47 ka堆积黄土;21.47ka以后直至2.42ka缺乏黄土沉积记录，产生了间断;2.42ka～0.35ka发育古土壤，0.35ka以后堆积黄土。结合粒度恢复了末次冰期以来的气候变化：58.99ka～21.47ka冬季风强盛，气候寒冷干燥;2.42ka～0.35ka夏季风相对增强，气候温暖湿润;0.35ka以后，气候又变寒冷。
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