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腾格里沙漠腹地钻孔揭示的沙漠形成与古环境演化历史

作　者: 李再军
导　师: 孙东怀
学　校: 兰州大学
专　业: 自然地理
关键词: 腾格里沙漠干旱化青藏高原隆升全球降温古地磁
分类号: P941.73
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

新生代以来,亚洲内陆干旱化、全球降温、特提斯海消亡、青藏高原的阶段性隆升、亚洲季风系统的形成等构造-环境事件,在成因上有着复杂的联系。中国西北沙漠的形成和发展,是这些构造-环境事件相互作用的集中体现。位于青藏高原东北缘、黄土高原西北部的腾格里沙漠,不仅是季风与西风的交互区,也是干旱与半干旱、高原与盆地的过渡区；它的形成和演化历史与古环境记录是解开干旱区自身干旱化历史与驱动机制的基础和关键。腾格里沙漠地区因沙丘覆盖,缺少天然露头剖面,因此在腾格里沙漠腹地进行沙漠岩心钻探,以建立沙漠内部的地层序列,认识沙漠形成的地质历史和古环境演化过程。钻孔位于腾格里沙漠腹地(WEDP01),钻进深度为276m,平均取心率62%(0-147m为78%,147-276m为50%)。按5-10m间距挑选样品进行岩石磁学分析,判定样品中的磁性矿物类型,对钻孔按20cm间距进行了系统热退磁和剩磁测量,建立了钻孔的磁性地层,并与ESR年代进行对比。沉积相分析包括颗粒微观结构分析和粒度分析。挑选典型岩性地层的样品、现代沙丘样品和黄土L1和S1的样品进行了颗粒表面微观特征观察；以10cm间距进行了粒度测量与组分分析,确定不同粒度组分的成因和沉积物的沉积相。古环境分析包括粒度组分、磁化率、色度和元素地球化学分析。按1m间距进行元素地球化学测量,10cm间距进行高、低频磁化率、色度测量。以红度为温度指标,以风成组分含量、化学风化指数为干旱化指标,探讨腾格里沙漠地区的古环境演变过程。在此基础上,通过与深海沉积、黄土高原黄土-红粘土序列以及其他研究成果的对比,探讨驱动和控制沙漠形成的主要因素,进而认识亚洲内陆干旱化与青藏高原隆升、全球降温之间的耦合关系。本论文得出以下主要结论：1)通过系统的热退磁和超导磁力仪剩磁测量,获得了735个可靠的磁倾角数据,利用Arison-Levi最大似然统计方法计算了正负极性段的平均倾角,正极性段和负极性段的平均倾角相差不到5°,通过了倒转检验。建立了腾格里沙漠腹地钻孔的磁极性柱,与标准极性柱能很好的对比,包含了完整的布容正极性世、松山负极性世和基本完整高斯正极性世,钻孔底部位于高斯正极性世C2An.3n内,通过外推法估算钻孔底部年龄～3.55Ma,B/M和M/G界限分别位于33.17m和144.02m。2)根据沉积相分析和古环境代用指标记录,晚上新世以来腾格里沙漠腹地经历了五次沉积环境演变：3.55-3.1Ma,相对湿热的冲洪积与河流沉积环境,粉尘含量低；3.1-2.6Ma,相对暖湿的河流为主的河湖相交替沉积环境,粉尘含量低；2.6-1.22Ma,相对温暖,干湿交替的河流湖泊沉积环境,粉尘含量高；1.22-0.9Ma,相对冷干的湖相沉积环境,粉尘含量高；0.9-OMa,冷干的沙漠湖泊沉积环境。连续的风成砂组分在～0.9Ma之后出现,说明腾格里沙漠在～0.9Ma开始出现,而典型的风成砂在～0.68Ma出现,说明沙漠在～0.68Ma之后基本形成。在沙漠出现以前,腾格里沙漠地区在2.85-2.6Ma出现化学淋溶减弱、粉尘沉积急剧增加的干旱化事件。以红度为代表的温度降低时间分别发生在2.85和0.9、0.68Ma,与干旱化增强事件是一致的。3)沉积速率和沉积相分析表明,3.55-2.6Ma期间,腾格里沙漠地区冲洪积和河流砾石发育,沉积速率远高于其他时期,与沙漠周围山体特别是贺兰山和祁连山剧烈隆升有关,是对青藏运动在该地区的直接响应。在2.6Ma以后,沉积速率降低,说明阿拉善地台南部已经上升到比较高的位置,与周围山体高差降低,且整体比较稳定。0.9Ma左右的昆黄运动期间,祁连山强烈隆起,沙漠西北部的石羊河开始发育,现代的盆山格局基本形成。构造-环境事件的统一性,说明青藏高原的阶段性隆升是腾格里沙漠形成的主要驱动因素,证实了沙漠研究专家的观点,即青藏高原的隆升不仅制造了干旱的气候环境,而且给其周边大型沉积盆地带来了丰富的碎屑物质,为大型沙漠形成提供充足的物源。因此,在前人总结的基础上,将中国西北部大型沙漠的发育模式归结为“隆升-河湖-沙漠”发育模式。北半球冰量的变化与腾格里沙漠地区干旱化事件基本一致,说明二者存在密切的内在联系,但是具体的驱动和反馈机制,还需要更深入的研究。4)在沙漠专家建立的中国沙漠演化阶段的基础上,认真总结了晚上新世以来中国西北内陆沙漠的形成和扩张过程。远源沙漠向近源沙漠分三个阶段逐步扩张：-3.4Ma,塔克拉玛干沙漠西部和古尔班通古特沙漠出现；-2.8-2.6Ma,塔克拉玛干沙漠和古尔班通古特沙漠均扩张,但塔克拉玛干沙漠东部的罗布泊地区还没有形成沙漠；0.9-0.6Ma,塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠继续扩张,柴达木盆地沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠出现并形成,西北内陆的大型沙漠格局基本形成；-0.15Ma,大型沙漠进一步扩张,东部的沙漠和沙地开始出现和扩张。阶段性自西向东扩张的沙漠,不仅缩短了粉尘源区与粉尘沉积区的距离,粉尘释放量也随之增加,解释了黄土高原和北太平洋粉尘沉积的沉积速率和粒径在3.4、2.8、0.9Ma同时增加。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
前言  8-13
第一章绪论  13-34
  本章摘要  13
  1.1 亚洲内陆沙漠形成历史研究现状  13-26
    1.1.1 风尘沉积序列关于亚洲内陆干旱化的研究现状  15-20
    1.1.2 中国西北地区沙漠形成和演化历史的研究现状  20-26
  1.2 干旱化驱动机制研究回顾  26-31
    1.2.1 特提斯海退缩对亚洲内陆干旱化的贡献  26-27
    1.2.2 青藏高原隆升对亚洲内陆干旱区形成的作用  27-30
    1.2.3 晚新生代全球降温对亚洲内陆干旱区形成的影响  30-31
  1.3 腾格里沙漠腹地钻探的研究意义、研究内容与研究目标  31-34
    1.3.1 研究意义  31-33
    1.3.2 研究内容与研究目标  33-34
第二章腾格里沙漠腹地钻孔的地层记录  34-53
  本章摘要  34
  2.1 腾格里沙漠概况及其新生代地层简介  34-40
  2.2 腾格里沙漠钻探和岩心样品采集  40-43
  2.3 腾格里沙漠腹地钻孔的地层描述  43-53
第三章地层年代学研究  53-72
  本章摘要  53
  3.1 磁学基本原理与仪器介绍  53-59
    3.1.1 物质的磁性  53-54
    3.1.2 广义铁磁性的分类  54
    3.1.3 自然界中磁性矿物剩磁的获得  54-56
    3.1.4 常用岩石(环境)磁学参数  56-57
    3.1.5 本论文中涉及的岩石(环境)磁学实验方法  57-58
    3.1.6 古地磁学原理和退磁  58
    3.1.7 剩磁测量的仪器简介  58-59
  3.2 岩石磁学样品分析  59-62
    3.2.1 岩石磁学样品测量  59-60
    3.2.2 岩石磁学样品结果分析  60-62
  3.3 古地磁样品测量和磁性地层建立  62-69
    3.3.1 古地磁样品测量与数据分析  62-65
    3.3.2 磁性地层  65-69
  3.4 ESR定年和光释光定年  69-72
    3.4.1 光释光(OSL)测试  70
    3.4.2 ESR样品测试与结果  70-72
第四章沉积相分析  72-88
  本章摘要  72-73
  4.1 颗粒表面微观特征  73-76
  4.2 粒度特征分析  76-87
    4.2.1 粒度样品测量与分析  76-78
    4.2.2 腾格里沙漠表土样和钻孔样品的粒度分布特征  78-83
    4.2.3 粒度组分成因分析  83-86
    4.2.4 粒度组分分离结果  86-87
  4.3 钻孔沉积相演变  87-88
第五章古环境记录  88-116
  本章摘要  88
  5.1 风成组分的粒度记录  88-91
  5.2 磁化率  91-96
    5.2.1 磁化率的测量与结果  91-92
    5.2.2 磁化率的古环境意义  92-96
  5.3 色度  96-100
    5.3.1 色度指标的古环境意义  96-97
    5.3.2 色度的测量与结果  97-100
  5.4 元素地球化学  100-114
    5.4.1 元素地球化学代用指标概述  100-102
    5.4.2 元素地球化学样品的测量和结果  102-108
    5.4.3 元素指标指示的物源变化  108-112
    5.4.4 元素指标指示的古环境变化  112-114
  5.5 古环境记录总结  114-116
第六章讨论  116-129
  本章摘要  116
  6.1 腾格里沙漠形成演化历史与中国西北沙漠的演化过程  116-123
    6.1.1 3.55Ma以来腾格里沙漠的干旱化历史与沙漠形成  116-117
    6.1.2 晚上新世以来中国西北沙漠的形成和扩张及其响应  117-119
    6.1.3 黄土粉尘源区的探讨  119-123
  6.2 中国西北沙漠形成演化的驱动因素分析  123-129
    6.2.1 青藏高原隆升与中国西北沙漠形成的关系及沙漠发育模式探讨  123-125
    6.2.2 晚上新世以来中国西北干旱化与全球降温的关系探讨  125-129
第七章结论、问题和展望  129-131
参考文献  131-150
在学期间研究成果  150-152
致谢  152

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