《CATENA》：The Middle Pleistocene Great Lakes period in Otindag Dune Field revealed by optically stimulated luminescence dating
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奥丁嘎沙地中更新世湖泊演化受构造抬升主导，东亚季风调节。采用SAR和TT-OSL交叉定年技术建立606万年序列，揭示温湿-冷干交替（606-480ka；457-412ka；400ka；290-247ka），更新了该区晚更新世湖泊记录。古湖面最高达1300米，构造运动控制湖岸迁移与高程变化。
作者：田雅琪、周雅莉、庞江丽、王家乐、张金、蒋晓东、马宝峰
单位：陕西师范大学地理与旅游学院，中国西安710119
摘要
奥廷达格沙丘场位于内蒙古高原东北部，处于东亚季风区的边缘，对气候变化极为敏感。然而，由于强烈的风蚀作用，保存记录该地区新生代气候变化的沉积物非常困难，导致该地区的长期气候变化研究存在空白。本研究选取了沙地北部和西部六处被玄武岩和碳酸钙层保护的古代湖泊沙层作为研究对象。采用了传统的单剂量再生剂量(SAR)方法和热转移光释光(TT-OSL)方法进行年代测定，以建立地层年代框架。传统SAR方法由于信号饱和导致湖泊沙层的OSL年龄被低估。相比之下，TT-OSL方法在测试过程中未出现饱和现象，为该沙地提供了可追溯至60.6万年前的地层年代框架，这是迄今为止使用OSL方法在该沙地获得的最早的地层年龄。结合粒度分析和石英颗粒表面形态研究，发现中更新世气候经历了温暖湿润（60.6万–48万年前）、寒冷干燥（45.7万–41.2万年前）、温暖湿润（40万年前）和寒冷干燥（29万–24.7万年前）四个阶段。这更新了关于内蒙古高原晚第四纪湖泊阶段的现有记录。根据海拔、地貌和地层沉积记录，古湖面在晚中更新世时期高度约为1300米。湖泊盆地的时空演变主要受区域构造抬升控制，这种抬升决定了湖泊的迁移和达到最高水位的过程；东亚季风的变化则对水位变化起到了次要调节作用。
引言
亚洲内陆干旱地区包括中亚、蒙古和中国西北部，是北半球中纬度最广阔的干旱地带。该地区降水量稀少、风力强劲且生态环境脆弱，对气候变化极为敏感（Sun等人，2019年），因此非常适合研究气候变化。中更新世过渡期（MPT）是全球气候演变的关键节点，对干旱至半干旱环境的形成具有重要影响。风成沙层、黄土-古土壤序列、河流-湖泊沉积物为研究干旱化的时间、演变过程及其机制提供了详细记录（Ming等人，2020年；Zhou等人，2018年；Zhou等人，2005年）。这些记录对于预测全球变暖背景下干旱地区的未来气候变化至关重要。具体而言，风成沙层和黄土-古土壤序列记录了过去的干旱-湿润周期和沙丘活动阈值（Ao等人，2024年；Li等人，2024年；Zhou等人，2013年），而河流-湖泊沉积物则保存了水资源短缺与洪水之间的变化证据（Lan等人，2020年；Sun等人，2022年）。这些古档案为预测未来气候模式提供了直接依据，包括干湿交替的复发及其对景观的潜在影响。近几十年来，极端事件（如洪水、干旱（Satoh等人，2022年）、热浪（Qian等人，2024年）和台风（Murakami等人，2017年）的发生频率不断增加，同时关键气候指标（如全球平均表面温度、海平面上升和永久冻土稳定性（Murton，2021年）也达到了前所未有的水平（Masson-Delmotte等人，2021年）。因此，气候变化研究已超越纯粹的科学探索，成为紧迫的社会经济问题，可靠的预测对于干旱地区的风险缓解和可持续发展至关重要。尽管第四纪气候系统经历了深刻波动并受到广泛研究，但方法学限制和数据集不足仍阻碍了我们对中亚干旱地区古气候动态的理解，从而限制了基于这些地质证据的长期气候预测能力。
近年来，年代学领域发展迅速，树轮分析（Wang等人，2022年；Riechelmann等人，2019年）、放射性同位素测年（Aquino-López等人，2020年；Bablon等人，2020年；Gu等人，2023年；Frechen等人，2007年）（包括放射性碳、U系列和K
Ar测年）、光释光测年（Wang等人，2024年；Sanjurjo-Sánchez等人，2024年）（热释光（TL）和OSL）以及古地磁测年（Barletta等人，2010年；Fang等人，2019年）等测年技术已广泛应用于古气候和环境演变的研究。在干旱地区，由于沙地表面侵蚀严重，难以识别具有相对连续性和保存性的沉积序列。此外，沉积物类型、测年方法本身的限制以及测年技术的固有局限性导致以往研究主要集中在晚更新世时期的亚洲内陆地区，从而缺乏跨越更长时间尺度的古气候和环境研究。
湖泊沉积物因其连续性、广泛的时间跨度和高分辨率记录而成为重建过去环境变化的宝贵档案。在中国西部干旱地区，古代湖泊的形成和演变普遍被认为是由构造活动和气候变化共同驱动的（Jia等人，2016年；He等人，2014年）。新近纪以来青藏高原的阶段性抬升深刻重塑了区域地形、大气环流和水文网络，对周边盆地的沉积演化起着主导作用（Wang和Xue，1998年）。同时，中更新世过渡期进一步调节了区域水文气候模式。这种构造-气候耦合框架对于解释该地区的晚第四纪“大湖”事件至关重要。来自不同地点的初步证据（包括青藏高原（Shi等人，1999年，Shi等人，2001年；Li，2000年）、腾格里沙漠（Madsen等人，2003年）和巴丹吉林沙漠（Yang等人，2002年）表明，最广泛的湖泊阶段发生在海洋同位素阶段3（MIS 3）。然而，后续的高分辨率光释光（OSL）年代学研究对此观点提出了挑战。腾格里沙漠（Long和Zhang，2016年）、哈苏海（Liu等人，2022年）、河套盆地（Yang等人，2017年，Yang等人，2018年；Chen等人，2008a，Chen等人，2008b）和兴凯湖（Long等人，2015年）的研究表明，主要湖泊扩张可能发生在更早的MIS 5阶段甚至更早。关于湖泊峰值阶段（MIS 3 vs. MIS 5）的持续争论凸显了区域气候响应的复杂性，强调了建立可靠年代学以解析湖泊演化序列及其驱动机制的迫切需求。
奥廷达格沙丘场位于华北克拉通北部边缘，形成于复杂的构造环境中，形成了多个断层限定的洼地。这些洼地不仅作为有效的沉积物捕获器，还决定了古湖面的高度和稳定性。洼地内的沉积物包括风成沙丘、河流-湖泊序列和黄土-古土壤沉积物，共同记录了水文系统的动态、沙丘场的扩张与收缩以及区域构造演化的影响。特别是在沙丘场的北部和西部，同时期的火山喷发和周期性湖泊干涸形成了保护性的玄武岩流和碳酸钙层，有效阻挡了侵蚀，共同形成了连续的地质档案。这种特殊的保存条件为研究构造-气候相互作用提供了难得的机会。
本研究针对玄武岩和碳酸钙层下的湖泊沙层进行了年代测定，采用了多种光释光测年方法进行交叉验证，以提高测年结果的准确性，并建立自中更新世以来的沙地地层年代框架。此外，通过结合粒度分析和石英颗粒表面形态研究，评估了区域构造活动和东亚季风变化对奥廷达格沙丘场古巨湖形成和演变的影响。这些发现将为理解这一敏感干旱地区的地貌演化提供关键线索，有助于了解地质动力学和气候相互作用下的长期环境变化。
研究区域
奥廷达格沙丘场（北纬41°56′–44°24′，东经112°22′–117°57′）位于亚洲中纬度干旱内陆地区（图1a），是中国四大沙地之一，总面积约为33,700平方公里（Zhou等人，2013年）。它处于中国北部典型草原牧区与干旱农业区之间的过渡地带。沙丘场东西跨度约400公里，南北宽度在30–100公里之间。
方法论
野外调查证实，沙地北部边缘包括Abaga、Beilike和Dalinor火山带（图1b），这些地区的广泛玄武岩流对区域地质产生了深远影响。为了捕捉火山活动的空间变异性及其时间约束，选取了五个直接埋藏在玄武岩下的湖泊沉积物剖面（TBTLG、GNM、ALTHG、S101–568公里、PDS）进行研究。
OSL测年数据的可靠性评估
除ALTHG-1和GNM-1外，所有剖面的OSL年龄均随深度增加而增加，符合地层沉积原理。这种现象可能是由于烘焙层和下方湖泊沙层的不同热历史造成的。天然石英的光释光信号在200–300°C以上的高温下会被重置（Duller，2004年）。高温会导致石英晶体结构发生变化（573°C为临界温度）。
结论
本研究显著扩展了奥廷达格沙丘场的光释光（OSL）测年范围，并提供了关于其古湖演变的新的见解。主要发现如下：
- (1)
扩展了年代学范围和方法学验证。SAR TT-OSL技术将奥廷达格沙丘场的光释光年代扩展至约60.6万年，为区域环境变化提供了首个可靠的时间框架
作者贡献声明
田雅琪：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、数据可视化、方法论研究、调查、数据分析、概念化。
周雅莉：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、项目监督、资源协调、资金获取、概念化。
庞江丽：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、调查、资金获取。
王家乐：调查。
张金：调查。
蒋晓东：调查。
马宝峰：
资助
中国国家自然科学基金，项目编号42071112、42271046。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42071112、42271046）的支持。
