限制中国南方河流阶地形成的因素:通过石英岩卵石表面光释光测年得到的新年代信息

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》:Constraining fluvial terrace formation in Southern China: New age from rock surface OSL dating of quartzite cobbles

【字体: 时间:2026年06月06日 来源:Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 2.6

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  马新蕾|欧先桥|徐柳冰|杨安娜|谢金明|陈杰|乔青青中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地区生态安全与可持续发展国家重点实验室,中国乌鲁木齐830011摘要在湿润亚热带地区,由于强烈的化学风化作用以及相关的环境剂量率不稳定性,为河流阶地建立可靠的年代学框架仍然是一个挑战。西江是珠江

  
马新蕾|欧先桥|徐柳冰|杨安娜|谢金明|陈杰|乔青青
中国科学院新疆生态与地理研究所干旱地区生态安全与可持续发展国家重点实验室,中国乌鲁木齐830011

摘要

在湿润亚热带地区,由于强烈的化学风化作用以及相关的环境剂量率不稳定性,为河流阶地建立可靠的年代学框架仍然是一个挑战。西江是珠江的主要支流,最终流入南海,在其中游保留了多层阶地结构,但由于可测年的细粒岩屑常受到放射性核素淋溶的影响,因此缺乏可靠的年龄约束。在这里,我们应用岩石表面光释光(OSL)测年技术对从吴州段T2阶地上部新发现的砾石层中采集的石英岩卵石进行了测年。十九个卵石中有五个显示出潜在的太阳漂白特征。通过对59个被接受的岩芯样本应用中央年龄模型,得到的埋藏年龄为21.8 ± 1.1 ka,单个岩芯的年龄范围在20.3 ka到27.6 ka之间(1σ)。这些年龄反映了阶地表面稳定的一个较长时间窗口。我们将约22 ka的年龄解释为吴州段阶地最终废弃的时间,标志着从海岸传播而来的基准面侵蚀信号在晚更新世海平面下降期间到达吴州。尽管这一时间与末次冰盛期(LGM)大致重叠,但我们认为吴州地区的地貌响应主要是由侵蚀前沿的向内推进所驱动的,而非直接的气候作用。这些结果表明,岩石表面OSL测年技术可以为湿润亚热带地区的阶地提供实用的年龄约束,特别是在传统方法遇到限制的石英岩情况下。更广泛地说,这项研究表明,一旦基准面信号向内传播,它们可以主导主要河流系统的地貌演化,而区域地质因素会调节全球海平面变化信号的传递时间和表现。

引言

河流阶地是重建第四纪河流侵蚀历史及其对外部因素(如气候变化、构造抬升和冰川-海平面振荡)响应的基本地貌档案(Molnar, 2003; Maddy et al., 2001; Bridgland et al., 2008; Pazzaglia, 2013)。对于直接连接到稳定大陆架的大型河流系统,阶地层是追踪由显著海平面下降引发的侵蚀信号(侵蚀前沿)向内传播的关键指标。因此,为阶地形成建立可靠的年代学框架对于量化长期景观演化和河流动力学至关重要。
在湿润亚热带和高能量河流环境中,为河流阶地建立可靠且准确的年代学框架仍然是一个挑战(Schumm, 1977; Vandenberghe, 2003)。长江流域已经系统地使用OSL、宇宙成因核素和古地磁方法建立了河流阶地的年代学框架(Xiang et al., 2020; Wu et al., 2024),贵州高原上的刘江等支流系统也提供了额外的区域约束(Qian et al., 2025)。然而,珠江系统,特别是西江干流,仍缺乏类似的地质年代学框架,现有的年龄约束主要依赖于地貌相关性(Yuan, 1988; Liu and Peng, 2003)。这种差距并非由于缺乏阶地地貌,而是因为在湿润亚热带条件下强烈的化学风化作用会降解有机物,并破坏沉积石英的OSL信号,限制了传统测年方法的应用。放射性碳测年需要合适的有机材料,但在典型的酸性且强烈淋溶的南中国土壤中,有机材料容易迅速分解,因此通常仅限于全新世晚期。传统的光释光(OSL)测年技术受到信号重置不完全、早期信号饱和、复杂的沉积历史和混合年龄颗粒群体的影响(Wallinga, 2002; Jain et al., 2004; Smedley and Skirrow, 2019)。在温暖湿润的环境中,这些限制更加严重,因为强烈的化学风化不仅改变了矿物性质和光释光敏感性分布,还通过放射性核素的淋溶和迁移导致剂量率显著不稳定(Xu et al., 2024; Zhang et al., 2008),进一步降低了基于沉积物的OSL年龄的可靠性。
光释光地质年代学的最新发展将OSL技术扩展到了未固结的沉积物以外的岩石和卵石表面(Sohbati et al., 2011; Freiesleben et al., 2015; Simkins et al., 2016)。岩石表面OSL测年利用卵石或基岩碎屑中的光释光深度剖面来评估埋藏前的信号重置情况,并重建暴露-埋藏历史。关键的是,使用石英岩在风化环境中具有明显的剂量学优势:其近乎单一的矿物组成导致内部放射性核素浓度低且空间均匀,这主要决定了总剂量率,并对外部剂量率波动提供了某种程度的屏蔽(Jenkins et al., 2018; Xu et al., 2024)。这与花岗岩等更异质的岩石类型形成对比,在花岗岩中,高浓度的放射性矿物会导致明显的微剂量变化。通过深度分辨的剖面直接验证漂白程度(Sohbati et al., 2012; Freiesleben et al., 2015),这种方法减少了对复杂统计校正的依赖。然而,将岩石表面OSL测年技术应用于变质岩(如石英岩)在全球范围内仍然较为罕见,特别是在南中国和其他湿润亚热带河流环境中。尽管石英岩相对纯净,但岩石基质内的微观尺度变化仍可能引入明显的微剂量不均匀性,其中矿物颗粒之间的空间变化剂量率会导致等效剂量分布的年龄分散增加(Preusser et al., 2009; Simkins et al., 2016)。因此,系统评估De分布和适当的统计处理对于可靠的年龄估计至关重要。
西江是珠江系统在华南最大的支流(图1A-B),特别适合测试该地区岩石表面OSL测年的极限。尽管其阶地受到强烈化学风化的影响,地形起伏较小,使得传统的阶地识别和相关性分析变得复杂,但其中游仍保留了一系列不连续但可识别的阶地表面。这使得西江成为评估岩石表面OSL技术在抵抗性石英岩卵石上的应用是否能够填补传统方法空白的重要试验场。尽管在其中游已经识别出多个河流阶地层(Yuan, 1988; Liu and Peng, 2003),但现有的年龄约束仍然稀少且不确定性很高。区域地貌调查在吴州段识别出四个河流阶地(Yuan, 1988; Liu and Peng, 2003)。其中,第二阶地(T2)的特点是在阶地表面覆盖着一层薄薄的河流石英岩砾石(图2C),为岩石表面分析提供了理想的材料。在这项研究中,我们对T2阶地的石英岩卵石应用岩石表面OSL测年技术,以评估这种方法在湿润亚热带河流环境中的可行性和局限性,并将其埋藏年龄置于晚第四纪地貌响应的背景下,特别是MIS 2时期。此外,我们旨在研究西江段对海洋驱动的基准面变化的地貌敏感性,并将其响应与其他主要亚洲河流系统(如长江)进行比较,从而阐明区域地质和气候因素如何调节全球海平面变化信号的传递。

章节片段

区域地质背景

西江是珠江系统的主要支流。我们的研究集中在吴州市附近的常州岛(图1A-B),位于河口上游约370公里处(以河道距离计算),该区域保存了局部阶地层。预计这一段对来自南海的晚第四纪海平面变化非常敏感。该地区具有湿润亚热带季风气候(年平均

采样和制备

从常州岛新发现的T2砾石层中收集了十九个石英岩卵石。该砾石层厚度为10–20厘米,具有明显的分层边界,由圆润的椭圆形石英岩卵石组成,这些卵石稀疏地嵌入棕黄色的基质中。在弱红光条件下,样品被迅速挖掘出来,用铝箔包裹,并密封在不透明的遮光袋中,以尽量减少无意中的光照。

样品选择和OSL性能

在这项研究中,我们对从西江T2阶地收集的19个石英岩卵石进行了初步筛选。通过比较表面和内部切片的Ln/Tn比率,发现三个卵石(CZT2–02、CZT2–04和CZT2–17,约占总数的16%)表现出明显的近表面信号重置,随后被选为详细深度分辨分析的对象。从这三个代表性卵石中提取了五个圆柱形岩芯并进行了切片,共得到107个

湿润亚热带环境中的方法可行性和挑战

在这项研究中,将岩石表面OSL测年技术应用于石英岩卵石,这是首次在华南湿润亚热带环境中进行系统的应用。这一新颖的应用证明了其可行性,但也提出了对未来类似环境中岩石表面OSL测年具有指导意义的具体方法学挑战。首先,华南湿润亚热带环境中的石英岩卵石具有明显的剂量学优势:岩石的总剂量率

结论

为解决华南湿润亚热带地区晚第四纪河流动力学的关键问题,本研究首次对西江吴州段T2阶地的石英岩卵石进行了岩石表面OSL测年。主要结论包括:1)通过岩石表面OSL测年,T2阶地的年龄被确定为21.8 ± 1.1 ka,表明该阶地在MIS 2时期被废弃。尽管这一时间与末次冰盛期(LGM)大致重叠,但我们认为

CRediT作者贡献声明

马新蕾:撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论。欧先桥:撰写——审稿与编辑、监督、方法论、调查、正式分析、数据管理。徐柳冰:撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、方法论、调查、资金筹集、正式分析、概念化。杨安娜:方法论、数据管理。谢金明:软件、方法论、调查、概念化。陈杰:调查、概念化。乔青青:

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(资助编号:41771065)和广州市科技项目(资助编号:202201010425)的共同支持。我们衷心感谢三位匿名审稿人的彻底和建设性反馈,这大大提高了本文的质量。
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