长尺度风尘沉积物Sr-Nd-Hf同位素记录的环境意义研究

Asian dust is an important component of the Earth surface system, and a major contributor to the global eolian system, also exerting great effect on global climate change. As typical depositions of Asian dust, loess and red clay can provide abundant environmental information. Results of the study show that loess and red clay can contain records of the aridification of the Asian inland, of the uplifting of the Qinghai-Tibet Plateau, and of climatic-environmental change. Studies have shown that the isotopic characteristics of all potential dust sources are different. It is therefore, possible to use the isotopic composition of loess and red clay for tracing dust sources. We have chosen the Zhuanglang section and the Jingchuan section, which are located in the west and central of the Loess Plateau, as study area to measure its Sr-Nd-Hf isotopic composition. The results show that there is an evolution of the dust source, which can provide information on tectonic movement and climatic change,etc. The Sr-Nd isotope of different grainsize can provide evidence for the fine fraction in red clay, which mainly comes from material weathered in situ or transformed from remote source. The study of the Hf isotope in dust can not only provide information about the evolution of the sources of loess and red clay, but also provide evidence for the offset between terrestrial array and seawater array in εHf-εNd relationships. It can also support the study of Hf isotope mechanism in surficial geochemical action.

黄土和红粘土为亚洲风尘的典型沉积物，蕴含了丰富的环境信息。已有的研究表明，亚洲内陆的干旱化、青藏高原的隆升演化、气候环境的演化，都被黄土和红粘土所记录。粉尘潜在源区的同位素研究表明不同区域Sr-Nd同位素组成有明显差别，黄土-红粘土Sr-Nd同位素值变化能反映物源区的变化。选择庄浪、泾川典型黄土-红粘土剖面，测试长尺度的分粒级组分Sr-Nd-Hf同位素，可揭示物源演化的特征，分析引起物源区变化的构造、气候等因素。红粘土粒径较黄土细，其中大量细粒组分主要来自原地风化，还是远源粉尘输入，分粒级的Sr-Nd同位素能够提供证据。对粉尘物质Hf同位素的研究，不仅反映黄土红粘土物源的变化情况，且能够为 εNd- εHf关系图解中大陆线和海水线差异方面提供证据，并为研究表生地球化学作用过程中Hf同位素的演化机理提供支持。

本研究主要针对黄土高原黄土下伏的红粘土Sr-Nd-Hf同位素特征，对中新世以来红粘土长尺度的Sr-Nd-Hf同位素演变特征进行深入探讨，旨在反映区域构造运动、大气环流以及气候环境的变化。主要研究内容为基于同位素变化特征反映物源变化的构造、气候及环境意义；红粘土细粒组分的源区性质以及红粘土Hf同位素特征及与北太平洋沉积物的联系。对应研究内容，取得的重要结果有：Sr-Nd同位素反映了14.1-9.7 Ma B.P. 来自祁连山剥蚀的物质增多，指示青藏高原北缘构造活动相对强烈；7.12-2.6 Ma B.P. Sr-Nd同位素相对较为稳定，反映物质来源稳定，可能指示青藏高原北缘的祁连山和戈壁阿尔泰山的构造运动相当。由静宁蔡河红粘土在14.1-9.7 Ma B.P.期间εNd值波动幅度较大，指示物质来源不是非常稳定，环境变化较大。蔡河不同粒级（＜5μm、5～28μm、28～45μm和＞45μm）红粘土的Sr-Nd同位素特征反映出它们物质来源一致性；而泾川红粘土的5～28μm、28～45μm和＞45μm粒级基本一致，＜5μm与其它三个粒级差异明显，有可能指示其远源的差异。研究还发现，六盘山东西两侧红粘土Sr-Nd同位素存在一定差异，结合两侧红粘土开始沉积的年龄存在差别，可能反映了东亚季风开始稳定形成的不同构造环境或气候环境，这也需要进一步深入的研究。红粘土Sr-Nd同位素与北太平洋软泥的基本一致，表明红粘土的源区也向北太平洋输送了物质，Hf同位素特征也印证了这一点。风尘物质对北太平洋εNd-εNd图解中海水线的贡献程度仍需进一步的研究，但我们认为其贡献较大。本研究发现不同粒级（除泾川＜5μm外）物质来源整体上具有一致性，泾川＜5μm组分Sr-Nd同位素的差异性可能揭示了东亚冬季风与西风环流在约8 Ma B.P.模式的变化，反映青藏高原的隆升、冰盖发育导致全球气候的变化或大气CO2浓度变化带来的环境改变。