基于铁磁性矿物证据的中国黄土高原西部黄土物源解析

巨厚的黄土高原黄土-古土壤沉积序列由于其沉积连续、年代序列长、分辨率高等特点受到古气候学者的青睐。如此良好的沉积序列能够完整的记录亚洲古粉尘的演化历史,反演青藏高原的隆升历史,同时记录亚洲内陆干旱化和沙漠化的过程。对于黄土-古土壤古气候的研究已经相当成熟,且取得很多辉煌的科研成果。然而针对黄土高原风成沉积物物源的研究却一直存在争议,只有明确黄土高原风成沉积物的物源区,才能更好的阐明和理解上述一系列热点科学问题。

本研究选取中国西北地区包括塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地、阿拉善高原、鄂尔多斯高原的沙漠沉积物与中国黄土高原西部的黄土,详细地开展了不同粒径组分(31-63?m,8-31?m,2-8?m)的三种主要铁磁性矿物即磁铁矿、赤铁矿和针铁矿的含量变化特征研究。结果显示:青藏高原北部和其毗邻盆地(塔里木盆地,柴达木盆地,阿拉善高原南部)内松散沉积物的铁磁性矿物含量普遍偏低,而在中亚造山带附近盆地(准噶尔盆地,阿拉善高原北部和鄂尔多斯高原)内松散沉积物的铁磁性矿物含量普遍偏高。塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地、阿拉善高原北部和南部以及黄土高原西部的黄土都显示随沉积物粒径的变细,磁铁矿含量降低,而属于华北克拉通板块西部的毛乌素沙地与其它盆地存在明显区别,随粒径的变细而磁铁矿含量增高。中国西北地区各内陆盆地和中国黄土高原西部黄土的针铁矿都具有明显粒径效应,显示随粒径的减小,针铁矿含量显著增高,而赤铁矿含量随粒径的变化波动小,粒径效应不明显。

利用中国西北地区各内陆盆地沙漠沉积物不同粒径组分的三种主要铁磁性矿物百分含量,数据拟合初步计算得到中国西北地区各潜在物源区对黄土高原西部的黄土不同粒径组分的贡献,结果如下:(1)8-31?m颗粒组分,是黄土高原西部黄土的粒径成分最重要的组分,主要由毗邻和处于青藏高原东北部和中亚造山带的四个内陆地区贡献,包括塔里木盆地,阿拉善高原南部,阿拉善高原北部和柴达木盆地,其中以毗邻和处于青藏高原东北部造山带的内陆盆地贡献为主。(2)阿拉善高原南部是黄土高原西部黄土31-63?m粗颗粒组分的主要物源区。(3)黄土高原西部黄土2-8?m细颗粒组分的物源区基本全部来自柴达木盆地。(4)鄂尔多斯高原的碎屑物质对黄土高原的贡献十分有限,尤其是对黄土高原的西部地区几乎没有贡献。

基于中国西北地区沙漠沉积物的铁磁性矿物含量的空间变化表现出明显的区域特征,进一步通过沙漠沉积物粉砂组分磁学参数的模糊聚类分析,最佳分组为三种组分。第一组分为昆仑山脉-阿尔金山-祁连山脉系统的冲洪积扇附近或戈壁。与之相对应,第二组分主要是来源于天山山脉和阿尔泰山脉系统的冲洪积扇附近或戈壁。第三组分主要包括阴山的西北侧地区、额济纳盆地、塔里木盆地中央地带和额尔齐斯河流域地区。

模糊聚类分析的三种组分彼此之间存在明显磁学性质区别,主要受造山地质带的控制,此结果直接指示了高大山脉和附近盆地内部沙漠的粉砂组分存在着密切联系。其次,各盆地沙漠沉积物和黄土高原西部黄土不同粒径组分磁铁矿和赤铁矿的百分含量变化特征结果显示,磁铁矿和赤铁矿并没有随粒径变细含量增高,且百分含量普遍偏低,尤其是在2-8?m粒径组分百分含量没有明显增加,表明两种矿物含量主要受物源区地质单元控制,后期的成壤作用影响微弱。然而,中国西北沙漠和黄土高原西部黄土的针铁矿的百分含量随粒径变细数值明显升高,尤其在2-8?m粒径组分明显高于31-63?m粒径组分,暗示了针铁矿含量受后期成壤作用影响,而盆地内部的沙漠地区环境不利于针铁矿的形成。结合其它地质证据,推断中国西北地区各盆地周围高山所具有温度偏低和湿润的环境条件是唯一能够持续不断的生产和提供大量携带高含量针铁矿碎屑物质的地质条件。

中国西北地区各内陆盆地的“高山过程”产生的大量碎屑物质是各盆地内的沙漠和黄土高原黄土形成和发展的物质基础。发源于盆地周围高山的河流搬运这些碎屑物质到达相对低海拔的盆地内部,形成面积巨大的洪/冲积扇等,这些碎屑物质经过运移、跃移、漂浮等复杂的风选过程,沉积为沙漠沉积物和黄土高原风成沉积物。在整个过程中河流起到了运输纽带的作用,而沙漠是储存黄土粉尘细颗粒物质的中转站,可直接和间接的为黄土高原乃至亚洲提供粉尘物质。