丹江一级阶地沉积地层光释光测年研究
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摘 要：通过对丹江一级阶地进行广泛细致的野外考察，丹凤县茶房村的典型黄土-古土壤沉积序列从上到下依次为：表土层（TS）-黄土层（L0）-弱古土壤层（S0上）-黄土层（Lx）-古土壤层（S0下）-过渡性黄土层（Lt）-马兰黄土层（L1）-河漫滩相砂砾石层（T1-al）。应用光释光（OSL）测年技术的单片再生剂量法（SAR）选取粒径90～125 μm 的石英矿物颗粒进行了地层年龄测定，得到此剖面从下到上沉积序列为：上限为6.16±0.12 ka的古土壤，5.86±0.14 ka的黄土层，（4.83±0.12）～（2.51±0.17） ka的弱古土壤，1.94±0.07 ka以来的黄土层。结合理化数据分析，全新世大暖期（6.16 ka）时秦岭南坡气候温暖湿润，土壤发育良好，植被繁茂;在5.86±0.14 ka时，气候变得冷干，发育典型黄土沉积;4.83～2.48 ka时段气候再次变得较为暖湿，发育弱古土壤;1.94 ka以来发育黄土层，气候较为冷干。古土壤层沉积发育持续到距今2.5 ka左右，较黄土高原全新世大暖期结束时限3 ka稍晚;5.86 ka的冷事件是全新世大暖期中的一次气候快速变冷事件，是气候波动的区域响应。
关键词：丹江;一级阶地;光释光年龄;气候变化
中图分类号：P533 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2015）06-0075-08
Study on OSL Dating of Sediment Stratigraphy on the First
River Terrace in Danjiang River Valley
Wang Leibin，Zhou Yali*，Pang Jiangli，Huang Chunchang，Zha Xiaochun，Gao Pengkun
（College of Tourism and Environment， Shaanxi Normal University， Xi’an 710062， China）
Abstract The extensive and careful fieldwork was carried out on the first river terrace in Danjiang River valley. The typical loess-paleosol sedimentary sequence in Chafang Village of Danfeng County from top to bottom was as follows： surface soil layer （TS）-loess layer （L0）- weak paleosol layer （S0-upper）-loess layer （Lx）-paleosol layer （S0-lower）- transitional loess layer （Lt）-Malan loess layer （L1）-alluvial flat facies sand gravel layer （T1-al）. The quartz grains of 90～125 μm was choosed to detect the stratigraphic age by single aliquot regeneration （SAR） of OSL dating technique. The sedimentary sequences from bottom to top were as follow. The upper limit was S0-lower of 6.16±0.12 ka， Lx of 5.86±0.14 ka， S0-lower of 4.83±0.12～2.51±0.17 ka， L0 of 1.94±0.07 ka. Combined with the physical and chemical data， the analysis results showed that at Holocene Megathermal period （6.16 ka）， the climate was warm and moist with good developement soil and density vegetation in the south of Qinling Moutain. Around 5.86±0.14 ka， the climate was arid and cold and the typical loess was developed. At 4.83±0.12 ka， the climate was warm and moist and the weak paleosol was developed. From 1.94 ka， the climate was arid and cold and the loess was developed. The paleosol layer developed about 2.5 ka， which was later than the ending deadline of Holocene Megathermal period of around 3 ka in the Loess Plateau. The cold event of 5.86 ka was one of the rapid cooling climate event and regional response of climate fluctuate.
Key words Danjiang River;First terrace; OSL age; Climatic change
在暗室中将不锈钢管中剩余未曝光部分的释光样品置于烧杯，用10%盐酸和30%双氧水浸泡，分别除去碳酸盐和有机质后，用蒸馏水洗至中性，湿筛分选出90～125 μm粒径。加入40%的氢氟酸，溶蚀40 min以除去长石，清洗后，加入10%的盐酸浸泡40 min以除去反应产生的氟化物。对于提纯的石英用110℃峰值和红外释光（IRSL） 进行检测，确定其中长石信号达到忽略不计的水平（长石释光强度与石英释光强度之比小于10%）。在直径9.7 mm的不锈钢片上涂抹少许硅油，将90～125 μm的石英颗粒单层平铺在其上面，以备测试。
测试仪器为RisTL/OSL DA-20 型释光断代仪，该仪器蓝光激发光源波长为470±30 nm，红外激发光源波长为880±80 nm。释光信号通过前端置有7 mm厚的Hoya U-340 滤光片的9523QB15 光电倍增管进行放大。90Sr/90Y型β辐射源，活度为1.48 GBq。用单片再生剂量法（SAR）测定样品的等效剂量值。
3.3 等效剂量测试条件的确定
3.3.1 预热坪区 为了去除浅阱电子对测试结果的影响，需要进行预热坪区检验。由于同一剖面的物源变化不会很大，本研究选择代表性样品CFC-0.9 m进行预热坪区测试。样品预热温度选择180～300℃，间隔20℃，每个温度测试3个样片。如图2a所示，在200～280℃之间等效剂量变化不大，出现了一个坪区，范围在5.36～6.09 Gy之间，样品的De值随温度的升高而无显著变化。
3.3.2 剂量恢复实验 剂量恢复实验可以有效检验所选测试条件是否可用于等效剂量的测量。测试时先将样品完全晒退，然后给样品一定的人工辐射剂量，在不同的预热温度下测试，得到人工辐照剂量与实测剂量之比即为恢复系数。如图2b恢复系数在260～300℃之间的变化范围介于0.90～1.10之间，说明此预热温度区间范围内都适合测试。
图2 茶房村剖面样品预热坪区（a）、剂量恢复（b）、热转移试验（c）、循环比（d）
3.3.3 热转移测试 预热过程中在温度的影响下，浅阱电子可以发生跃迁，可能被光敏深阱俘获，后经特定波长光激发后重新以光子的形式释放能量，从而使De值偏大。热转移实验的目的是检测不同预热温度对样品等效剂量造成的影响程度。
如图2c所示，样品在220～260℃之间由热转移产生的剂量在0.05～0.06 Gy之间，相当于约20 a的年龄误差，占这个样品年龄的1%左右，处于误差范围内，说明热转移对样品年龄测试结果的影响可忽略不计，可以选择其中任何一个预热温度进行测试。样品在测试过程中，需要进行频繁的剂量辐照、预热和晒退，这些过程会对石英释光信号的敏感度产生影响，即释光信号会发生感量变化。为解决这一问题，测试程序中会在不同测试循环中给予样品相同的再生剂量，利用所得到释光信号之比（循环比）来测定石英感量变化。在图2d中，预热温度260℃时，同一样品不同样片的循环比在0.95～0.99之间，处于误差范围内，表明石英的感量变化得到很好的校正。
综合以上测试条件过程分析，选取预热温度260℃作为样品等效剂量最终的测试条件。
3.4 等效剂量数据的可靠性分析
茶房村剖面位于丹江一级阶地上，由于其靠近山区河谷的特殊位置，阶地形成后可能会有来自远源的风成堆积物和近源物质（近源物质来自坡残积物、河漫滩相等物质被风二次搬运至阶地沉积）堆积其上，释光信号晒退不彻底会致使地层沉积年龄偏大，因此检验沉积物最后一次埋藏前是否晒退彻底至关重要。实验过程中所有样品的释光信号都在前0.8 s内晒退至本底值（图3a），样品中石英的释光信号生长曲线良好（图3b），未达到饱和，确保内插得到De值的准确性。样品的等效剂量值的分布较集中，呈正态或类似正态分布（图3e、f）。分别用RSD（De）、RSD（N-OSL）、RSD（R-OSL）表示样品等效剂量、自然释光信号和第一次再生释光信号的相对标准偏差，根据Zhang 等[11]对De值的挑选方法，样品沉积前是否经过完全晒退可以通过比较自然释光信号的离散度RSD（N-OSL）和第一个再生剂量的释光信号的离散度RSD（R-OSL）判断，若两者相近，则样品晒退彻底。代表性样品CFC-0.9 m和CFC-1.4 m，RSD（OSL）和RSD（R-OSL）值都较接近（图3c、d），相差不超过4个百分点，说明沉积物在最后一次被埋藏前经历了彻底晒退，所得的De值准确可信。
注：a：CFC-1.7 m晒退曲线;b：CFC-1.7 m生长曲线;
c和d：CFC-0.9 m和CFC-1.4 m的感量校正后释光信号离散分布图;e和f：CFC-0.9 m和CFC-1.4 m的等效剂量频率分布图，n=12。
图3 茶房村样品的释光特征
4 数据结果
4.1 光释光年龄
茶房村剖面位于秦岭东段丹江一级阶地上，其自下而上发育年龄依次为6.16±0.12 ka的古土壤，5.86±0.14 ka的黄土层，（4.83±0.12）～（2.51±0.17）ka的古土壤层， 1.94±0.07 ka以来的黄土层。
4.2 气候替代性指标
磁化率作为东亚季风夏季风的替代指标在中国黄土的研究中得到了广泛的应用，在黄土高原，磁化率的成壤成因模式被广泛接受。CFC剖面磁化率值介于（94.3～309.0）×10-8 m3/kg之间，在古土壤中部达到最高值，反映了当时成壤条件的优越性。在古土壤以下的马兰黄土中达到最低值94.3×10-8 m3/kg，反映末次冰期气候冷干，生物活动弱，成壤作用较低。此外，与秦岭以北的黄土高原全新世黄土磁化率相比，CFC剖面古土壤的磁化率显著增高[12]（最大值高出黄土高原均值30%左右），反映出秦岭以南气候更加温暖湿润，成壤作用较强。
烧失量是样品经高温燃烧后的损失量，包括有机质、结合水以及碳酸盐中的二氧化碳等。400℃灼烧土壤中失去的是有机质和结合水，对碳酸盐中的二氧化碳并无大的影响，因此烧失量（400℃灼烧）可测定土壤中的有机碳，表征沉积地层在沉积过程中生物量大小。 CFC剖面的烧失量介于1.11%～2.81%，古土壤中出现高值，指示古土壤形成时期经受了较强的生物风化作用， 植被繁盛，反映了较湿热的气候状况; 反之，黄土层表现为低值，反映了黄土堆积时期较为干冷的气候状况，植被覆盖度较低，生物量较小，这种交替变化， 再现了全新世的气候波动。
Rb/Sr比值作为衡量黄土-古土壤序列气候指标而得到广泛应用。Rb的离子半径较大，化学性质与K离子相似，经常以K的类质同象形式赋存于粘土矿物中，Sr离子半径较小，易被淋溶稀释，Rb和Sr不同的地球化学行为使得其对古气候变化比较敏感，其比值能够较真实地反映土壤的风化强弱程度。CFC剖面中的Rb/Sr在古土壤中出现峰值1.27，在黄土中呈现低值0.66，与风化程度强弱很好地对应，说明古土壤形成时降水量多，Sr淋溶强烈，并有大量粘土矿物生成;黄土堆积期则相反，Sr淋溶较弱，Rb/Sr值较小。表土中的异常值可能是人为因素的影响。
表1 茶房村光释光测年结果
样品
编号 深度
（m） U
（mg/kg） Th
（mg/kg） K
（%） 含水量
（±10%）（%） 等效剂量
（Gy） 环境剂量率
（Gy/ka） OSL年龄
（ka）
CFC-0.9m 0.9 2.14±0.10 12.8±0.37 2.04±0.06 21 5.87±0.30 3.03±0.06 1.94±0.07
CFC-1.1m 1.1 2.32±0.10 13.1±0.37 1.89±0.06 20 7.50±0.50 3.00±0.07 2.51±0.17
CFC-1.2m 1.2 2.15±0.10 12.93±0.37 2.01±0.06 19 14.78±0.96 3.06±0.06 4.83±0.12
CFC-1.4m 1.4 2.1±0.10 12.5±0.37 1.97±0.06 22 17.05±0.63 2.92±0.06 5.86±0.14
CFC-1.7m 1.7 2.60±0.10 14.8±0.38 2.14±0.06 21 20.47±0.08 3.25±0.07 6.16±0.12
5 丹江流域6 ka以来的气候变化
丹江流域受东亚季风影响，加上区域山地地形原因，大气环流相对复杂，沉积物特征与其气候环境密切相关。茶房村剖面反映的6 ka以来的气候变化可分为4个阶段：6.16 ka全新世大暖期，6～5 ka 的变凉期，5.0～2.5 ka的暖湿期，1.9 ka到现在的变冷期。
距今至少6.16±0.12 ka发育全新世大暖期的红褐色古土壤层，其磁化率达到了剖面的最高值，大量细小顺磁性矿物生成。烧失量、Rr/Sr比值都与磁化率呈现正相关，说明该阶段东亚夏季风强盛，气温高，降水充足，植被茂密，土壤中生物活动强烈，成壤最强。Wang 等[13]认为黄土高原黄土的沉积速率指示了东亚季风的强弱，东亚夏季风在全新世早期开始增强，全新世中期更强，气候更暖;庞奖励等[14]对关中地区黄土研究证明8.5～6.0 ka B.P是全新世最为温暖湿润的阶段，施雅风等[15]依据已有孢粉资料及其他古植物、古动物、古土壤、古湖泊、冰芯、考古、海岸带变化等多方面研究资料， 将全新世划分为不稳定的暖、冷波动阶段，其中7.2～6 ka B.P是大暖期的鼎盛阶段，此期是仰韶文化的鼎盛期，茶房村剖面距今6.16±0.12 ka的古土壤与以上研究在时间序列上一致，反映全新世大暖期鼎盛期在中国多区域具有普遍性。
距今6～5 ka左右，东亚冬季风加强，夏季风减弱，降水量减少，气候变干，丹江流域发育黄土。但是从磁化率（图1）中可以看到，尽管此期间气候恶化，但是磁化率仍然远高于深度在40～95 cm的黄土层，说明6～5 ka的黄土沉积时的气候虽然相对全新世大暖期变冷，但在中晚全新世沉积过程中仍然是暖期的沉积，只是一次气候波动变凉事件。另外，由于丹江为山区河流，局地山地热力环流，可能减弱了这次冷事件的影响，使得磁化率变化不大。此外，黄土层所指示的冷事件与北大西洋深海沉积物[16，17]、青藏高原冰芯[18]、内蒙岱海湖泊[19]及云南石笋[20]等记录的6～5 ka气候变冷事件属于同期气候波动，有关考古文献也显示，6～5 ka B.P期间黄河中游与长江下游文化遗址数也有所减少[21]。但在秦岭山地，由于侵蚀作用比较强，沉积物的连续性受到影响，能够反映6～5 ka气候变冷事件的沉积序列发现的较少。
距今（4.83±0.12）～（2.51±0.17）ka发育弱古土壤层，揭示了此时段秦岭以南的丹江上游温暖适宜的气候状况。来自海洋的夏季风增强，带来丰沛的降水，冬季风减弱。但是，在黄土高原的研究中，全新世大暖期只持续到了3 ka左右，茶房村剖面记录的全新世大暖期持续到了2.5 ka。一方面，夏季风的强度与降水主要受控于地球轨道参数所决定的夏季太阳辐射强度的变化，具有穿时性，季风降水增量峰值时段随太阳辐射量由北、西北向南、东南移动，全新世大暖期在秦岭以南较秦岭以北有时间上的延迟，体现了东亚夏季风区域尺度的迁移变化过程[22];另一方面，也有可能由于丹江地处秦岭以南东段，其本身具有地形带来的山地气候效应，秦岭以南属于亚热带气候北缘区，降水量较秦岭以北增大，温度也偏高，并且丹江本身地貌以峡谷为主，山谷风强盛，山谷间热力环流将丹江中的水汽不断向上输送，使得这一区域在距今5.0 ～2.5 ka期间温暖湿润，植物覆盖茂盛，生物活动频繁，成壤作用较强。此外，丹江上游堆积的文化层也证明自老官台文化至西周时期（3.0～2.7 ka B.P），丹江上游的气温不仅比关中地区要高，而且降水量相对较多[23]。