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SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA >

2012 , Vol. 32 >Issue 1: 110 - 115

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.01.110

Orginal Article

Top Boundary Age of the Vermiculated Beds in the Shaling Area of the Poyang Lake

  • HAN Zhi-yong ,
  • LI Xu-sheng ,
  • CHEN Ying-yong ,
  • YI Shuang-wen ,
  • LU Hua-yu ,
  • YANG Da-yuan
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  • School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu 210093,China

Received date: 2010-11-08

  Request revised date: 2011-01-04

  Online published: 2012-01-20

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本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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Abstract

Sand hills distributed along shores of the Poyang Lake are composed of alternate eolian sand layers and silt layers. The Shaling sand hill, about 2 km in width and 5 km in length, is located in Liaohua Town of Xingzi County. On its north and west margins, three sections (SS1, SS2 and SS3) were investigated. Vermiculated mottles in this hill can be divided into three types. Vermiculated mottles of type Ⅰ are thick and dense and only occur in the lower part (layer 1) of section SS1. Vermiculated mottles of type Ⅱ are relatively thin and sparsely scattered and occur in the beds (layer 2) above type Ⅰ. Vermiculated mottles of type Ⅲ are indistinctly shaped and occur in the upper part (layer 5) of the section SS1and the upper part (layer 2) of the section SS2. A sand bed (layer 4) separates the vermiculated mottles of type Ⅲ from that of type I and type Ⅱ in section SS1. Vermiculated mottles of type Ⅲ cover a sand bed (layer 1) in section SS2. The section SS3 only comprises one sand bed (layer 1) and develops no vermiculated mottle. Vermiculated mottles of types I and type II are mature vermiculated mottles, whereas type Ⅲ are immature. OSL samples were collected from each sand bed. 125-250 μm quartz grains were separated from sand samples following the sequences of the standard pretreatment. The equivalent dose was measured using the Single Aliquot Regeneration protocol in the Laboratory of Surface Process of Nanjing University. The annual dose was determined by contents of U, Th and K measured using the neutron activation method in China Institute of Atomic Energy. In OSL dating of sand samples, no evidence indicates that the samples show OSL saturation signals and the annual dose of the samples was affected by weathering. So, the OSL ages can be interpreted as the deposition ages. The sand layers of Section SS1 and SS2 were deposited about 80 ka and 71 ka ago respectively and the sand layer of Section SS3 has been accumulated since 29 ka. From these OSL ages, it can be thought that the age of the layers with mature vermiculated mottles is older than 80 ka and the age of the layers with immature vermiculated mottles ranges from 71 ka to 29 ka. The top boundary age of vermiculated beds can be inferred to be 80-29 ka if the layers with immature vermiculated mottles are taken as the vermiculated beds. The top boundary age of vermiculated beds is older than 80 ka if the layers with mature vermiculated mottles are taken as the vermiculated beds. Both inferred top boundary ages are much younger than 400 ka, which was previously reported as the formation age of the vermiculated beds. However, this conclusion is drawn on three OSL ages in Shaling area and should be validated by other studies in the future.

Key words： vermiculated mottle; sand hill; OSL; Poyang Lake

Cite this article

HAN Zhi-yong , LI Xu-sheng , CHEN Ying-yong , YI Shuang-wen , LU Hua-yu , YANG Da-yuan . Top Boundary Age of the Vermiculated Beds in the Shaling Area of the Poyang Lake[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2012 , 32(1) : 110 -115 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.01.110

第四纪的网纹层集中分布在长江中下游地区,以红色的岩层中出现灰褐、紫灰、灰绿、灰白色蠕虫状、树枝状的斑纹为标志。网纹层不仅发育于红土中,而且也出现在泥砾层、砂砾层和基岩风化壳中[1]。通常将出现斑纹的红土称为网纹红土。
第四纪的网纹层一般被划归中更新世[1,2]。网纹的形成与特定的环境有关,是在高温多雨的亚热带森林气候条件下产生的,代表了中国南方一个极端湿润的气候期[3]。这使得网纹层具有鲜明的时空特性,成为长江中下游地区的一个标志层,并被用于年代地层的对比[4]。
对多个网纹层剖面的磁性地层学的研究表明,网纹层的中部或底部记录到B/M界线,因而可以确定其底界年代不晚于800 ka。但对其顶界年代却有不同的看法。基于B/M界线和热释光年龄,九江地区典型网纹层的顶界推测为392 ka[5],另一项基于B/M界线和光释光（OSL）年龄的研究得到相似的结果,并将典型网纹层与北方黄土——古土壤序列中的S4、S5对比[6]。不过,依据光释光年龄与一个古地磁极性事件,有学者认为晚更新世初还发育网纹层[7]。
对网纹层的顶界年代产生争议的主要原因是直接的年代测定较为困难。因为网纹层之上通常是均质红土,后者又常被下蜀黄土覆盖,所以可选的测年材料非常有限。下蜀黄土以及一些红土已被证明是风尘沉积[8,9],这类沉积物的测年首选释光法。但由于风尘沉积的释光年龄容易饱和,所以在测量较老样品时可靠性不高。网纹层顶界年代的不确定,既不利于查明网纹的成因,也影响到其作为标志层的价值。
相比之下,风沙沉积的释光年龄不易饱和,通常可测得较老的年龄。在九江星子县的沙岭地区,分布着风成的沙山[10,11]。沙山由交替出现的砂层与粉砂层组成,覆盖在网纹层之上。因而可通过测定上覆砂层的光释光年龄来推断网纹层的顶界年代。

1 研究区地理背景与采样剖面

沙岭沙山位于江西星子县蓼花镇境内（29.37°E,116.01°N）。沙山平面大体呈橄榄形,长轴近南北向,出露面积约10 km2。峰顶位于山体南侧,海拔为136 m。沙山东缘因受湖水侵蚀,形成较平直的岸线,且岸坡较陡,地层出露良好。野外调查发现,在沙山北部,即下岸角附近湖滨,可见到沙山披覆于网纹层之上。我们选择一个出露连续的剖面,即SS1剖面（图1）,它位于下岸角原先的渡船停靠点,剖面顶部海拔约20 m。沙山大部分被灰黄色、松散的砂层覆盖,年代较新[11]。而在沙山西缘,可见棕红色、较致密砂层或粉砂层出露,年代较老。在沙山的西缘我们另外选择了2个剖面, SS2剖面位于从蓼花镇至上杨家山的公路边,距上杨家山约300 m,剖面顶部海拔约为62 m。SS3剖面则位于从蓼花镇至下杨家山的公路边,距下杨家山约600 m,剖面顶部海拔约为57 m（图1）。这两个剖面均由采砂所揭露。各剖面的分层描述如下：
SS1 剖面厚约4.5 m,自上而下分为6层（图2）。
第6层：褐色粉砂,含铁锰胶膜,厚约0.5 m。
第5层：灰黄色粉砂,含铁锰胶膜,含灰白色不成熟的网纹（Ⅲ类）,厚约1.5 m 。
第4层：褐黄色砂,略有固结,风化明显,偶见灰白色不成熟的网纹（Ⅲ类）,厚约0.5 m,OSL样品（SS1-4）取自中部。
第3层：灰黄色粉砂,偶见灰白色不成熟的网纹（Ⅲ类）,厚约0.5 m 。
第2层：棕红色粉砂,颜色向下变浅,含灰白色网纹,较下层的细、疏（Ⅱ类）,厚约0.5 m 。
第1层：深棕红色粉砂,含密集的、粗大的灰白色网纹（Ⅰ类）,厚约1.0 m ,未见底。
SS2剖面厚约4 m,自上而下分为3层（图2）。
第3层：棕红色粉砂,厚约0.5 m。
第2层：棕红色粉砂,含灰白色不成熟的网纹（Ⅲ类）,厚约1.5 m 。
第1层：灰黄色砂,疏松,未见风化,厚约2 m,未见底,OSL样品（SS2-1）取自底部。
SS3剖面厚约3.3 m,只出露1层（图2）。
Fig. 1 The location of the Shaling sand hill and the studied sections

图 1 沙岭沙山以及剖面位置

Fig. 2 The location of sections sampled for stratum and OSL dating in the sand hill

图2 沙山剖面的地层与光释光采样位置

第1层：棕红色砂,颜色向下变浅,半固结,风化明显,厚约3.3 m ,未见底,OSL样品（SS3-1）取自底部。
虽然以上剖面各层岩性之间均为渐变的接触关系,但仍不能排除出现沉积间断的可能。对比3个剖面,可以看出网纹大致分为3类。Ⅰ类出现在SS1剖面的第1层,网纹密集且粗大,为典型的网纹。Ⅱ类出现在SS1剖面的第2层,比第1层的网纹稀疏、细。Ⅰ类与Ⅱ类都属于成熟的网纹。Ⅲ类主要出现在SS1剖面的第5层和SS2剖面的第2层,这类网纹与基质的界线模糊,网纹的外形不规则,属于不成熟的网纹（图3）。
Fig. 3 The three types of vermiculated mottles of the sections in the sand hill

图3 沙山剖面发育的3类网纹

2 光释光测年实验

采用标准的前处理方法[12],我们从样品提取出125~250 μm石英。然后将石英颗粒用硅油粘在一个直径为0.97 cm的圆铝片上,即成为一个样片。每个样品制成12个样片。等效剂量用单片再生剂量法测量[13,14],测量在南京大学地表过程实验室进行,使用Risø生产的释光仪（TL/OSL-DA-15B）。
用单片再生剂量法测量等效剂量的步骤如下：① 在220℃的温度下预热样片10 s;② 在125℃时测量样片的光释光信号40 s,得到光释光衰减曲线,算出光释光信号（Lx）;③ 为校正测量过程中光释光的灵敏度变化,给样片辐照一个试验剂量;④ 加热样片到180℃去掉不稳定信号;⑤ 在125℃时测量光释光信号40 s,得到光释光衰减曲线,算出由试验剂量产生的光释光信号（Tx）,Lx/Tx即是经灵敏度校正后的光释光信号;⑥ 用不同的再生剂量辐照样片,并重复①~⑤的测量步骤。然后就可以建立该样片的光释光生长曲线,并用内插法求出自然光释光所对应的等效剂量（图4）。再生剂量包括一个重复剂量,用来检验灵敏度校正是否成功,样品SS3-1的一个样片因Recycling ratio大于10％而被排除。样品的等效剂量是每个样片的等效剂量的算术平均,其误差为所用样片的标准偏差除以样片数的平方根。
样品的铀、钍和钾含量在中国原子能科学研究院利用中子活化分析得到。根据以上的测量数据,结合样品含水量、颗粒大小和埋深计算出样品的年剂量（表1）。
Table 1 The results of OSL dating of sand layers

表 1 砂层的光释光测年结果

样品 埋深(m) U（µg/g） Th（µg/g） K（%） 含水量（%） 年剂量（Gy/ka） 等效剂量（Gy） 年龄（ka）
SS1-4 2.2 1.64±0.08 7.04±0.23 1.76±0.06 1.62 2.76±0.06 216±18 80±7
SS2-1 4 0.84±0.04 3.53±0.13 2.22±0.06 3.98 2.61±0.07 185±19 71±8
SS3-1 3 0.88±0.04 3.83±0.15 1.75±0.04 0.54 2.30±0.05 66±7 29±3

3 测年结果与讨论

OSL年龄是否可靠,可以从多个角度来检验。但由于每个剖面只有1层砂可供测年,所以无法通过剖面的年龄序列来检验,也没有其它独立的年龄数据可作对比。在此情况下,我们只能评估样品自身的性质。OSL年龄由两个参数决定,一是等效剂量,另一个是年剂量。首先看等效剂量的可靠性。每个样品12个样片的测量显示,没有样片的OSL生长曲线饱和或接近饱和（图4）,因此样品不会出现因OSL饱和而导致等效剂量偏小的情况。单从这个方面判断的话,测得的等效剂量值较为可信。
Fig. 4 The OSL growth curves measured using the SAR protocol（ Squares denote natural OSL signals）

图4 单片再生剂量法测得的光释光生长曲线

再来看年剂量的可靠性。风沙沉积后经历长期的化学风化作用, 可能导致其中的化学成分发生变化,进而影响到样品的年剂量。对福建沿海“老红砂”剖面的研究表明,风化程度越高,成分变化越大,U和Th富集越明显[12]。如果依据实测的放射性元素含量计算的年剂量比样品在埋藏期间的平均年剂量偏大,就将导致计算出的光释光年龄值偏小。沙山的这3个砂层是否存在这样的现象,为此我们从这几方面来分析。首先看风化的SS3-1与未风化的SS2-1,两者的放射性元素含量以及年剂量基本一致,暗示风化作用没有产生显著的影响。再看风化的SS1-3,其U和Th含量较其它高了近1倍,为确定这个含量的变化是否与风化有关,我们测量了沙山6个剖面45个未风化砂层的样品,U含量介于0.60~1.91 µg/g,平均为0.88 µg/g;Th含量介于2.74~7.88 µg/g,平均为3.94 µg/g;年剂量介于1.88~3.39 mGy,平均为2.45 mGy。相比之下,SS1-3处于上述范围之内。另外,3个砂层的U/Th比值几乎一样（0.23±0.01、0.24±0.02、0.23±0.01）,并且和45个未风化砂层的平均U/Th比值（0.22）一致,说明未出现导致U被显著淋溶的化学风化过程。由此可见,两个风化砂层的放射性元素含量未超出正常的变化范围,显示所经历的风化作用没有显著影响到样品的年剂量。
不过,导致年剂量出现误差的因素始终存在。例如,目前是用实测的含水量作为样品在埋藏期间的平均含水量,实际情况究竟如何则不得而知。沙山6个剖面45个未风化砂层样品的含水量介于1%~12%,平均为6%。如果分别以含水量为1%,6%,12%来计算,则SS1-4的年龄分别是79、84、89 ka。不过这些值没有明显超出年龄的误差范围。
基于上述分析,我们认为砂层的OSL年龄是可信的,是砂层的沉积年龄。样品SS1-4年龄为80±7 ka,样品SS2-1的年龄为71±8 ka,样品SS3-1的年龄为29±3 ka。结合岩性变化,可以在3个剖面之间作地层对比。我们将SS1剖面的砂层与SS2的砂层对比,SS1发育不成熟网纹的粉砂层与SS2的不成熟网纹层对比,无网纹的粉砂层与剖面SS3的砂层对比（图2）。由此可见,SS1剖面成熟网纹层的沉积时代早于80 ka,不成熟网纹层的沉积时代略晚于71 ka,早于29 ka。SS1与SS2剖面的砂层在70~80 ka前后沉积。SS3剖面的砂层主要在29 ka以后沉积。

4 光释光年龄指示的网纹发育时代

在确定了地层沉积时代的基础上,就可以推测网纹的大致发育时期。网纹的发育或与网纹层的沉积大致同步,或明显晚于网纹层的沉积。长江中下游的网纹层及以上的地层构成一个相似的层序,即下部发育典型的网纹,中部发育不典型的网纹,上部不发育网纹 [5,8,15,16]。剖面的颜色、结构和不同风化指标的变化,说明这个层序反映从下到上风化强度由强变弱,风化作用不是自上而下的残积风化,而是堆积与风化作用同时进行的加积型风化[17]。对网纹形态的研究也揭示网纹层的形成是加积成因[18]。以上研究说明网纹的发育没有明显晚于网纹层的沉积。
野外观察表明,网纹发育好的层位,基质就偏红。显然网纹的发育与网纹层的沉积基本同步。SS3剖面无网纹,说明29 ka以后本区已不具备发育网纹的气候条件,或者所需的气候持续的时间不够长。29~80 ka期间,气候条件曾满足不成熟网纹发育的需要,或者所需的气候持续的时间已够长。成熟网纹则是早于80 ka形成的。
如果以SS1剖面中发育成熟的Ⅱ类网纹所在的第2层作为网纹层的顶界,且假定SS1剖面的沉积基本连续,那么可以判断出网纹层的顶界年龄略大于80 ka,远远晚于之前所认为的约400 ka。由于目前尚无法排除SS1剖面第2层与第4层之间存在沉积间断的可能,所以只能笼统地确定成熟的网纹的发育时代要早于80 ka。若仅以是否出现网纹作为网纹层的判定标准（而不论其发育的成熟程度）,则网纹层的顶界年龄更是缩小到29~80 ka。据此,我们初步认为,沙岭地区网纹的发育程度随时间大致逐渐降弱,晚更新世仍然可以发育不成熟的网纹。
根据我们对宁镇地区下蜀黄土剖面的观察,气候并非控制网纹发育的唯一因素,因为相邻的下蜀黄土剖面中,有些不发育网纹,有些则发育不成熟的网纹,所以其它因素,例如地貌、水文等因素也会影响到网纹的发育。SS1、SS2剖面的砂层由约厚2 m的粉砂层覆盖,而SS3剖面的砂层无覆盖,或许是地层方面的因素而不是气候因素导致了SS3剖面未发育不成熟的网纹。由此看来,以该剖面底部的OSL年龄作为不发育网纹的下限,还存在不确定性。需要强调的是,本文的结论只是建立在沙岭地区的年代学研究的基础上,且年代数据有限,所以该结论能否适用于长江中下游其它地区的网纹层,还有待今后其它研究的验证。在利用网纹层作为标志层进行区域年代地层对比时,需要注意这个问题。

5 结 论

江西九江星子县沙岭地区发育风成的砂层和粉砂层。通过对3个剖面的观察,我们发现其中发育有3种类型的网纹。Ⅰ类网纹密集且粗大,为典型的网纹,Ⅱ类网纹较Ⅰ类的稀疏、细,Ⅰ类与Ⅱ类都属于成熟的网纹,Ⅲ类网纹与基质的界线模糊,网纹的外形不规则,属于不成熟的网纹。我们采用光释光单片技术测量了剖面中砂层的沉积年龄。数据显示风化作用并没有明显影响到样品的年剂量,样品的光释光信号也没有饱和的迹象,因而我们判断测得的年龄可靠。依据砂层的光释光年龄,我们认为本区29 ka以后可能没有发育网纹的条件,29~80 ka期间则发育不成熟的网纹,而成熟的网纹的出现早于80 ka。假定SS1剖面的砂层与成熟的网纹层之间的沉积基本连续,那么可以推测网纹层的顶界年龄略大于80 ka,远远晚于之前所认为的约400 ka。
致谢：胥勤勉参加了部分野外调查。

The authors have declared that no competing interests exist.

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