北部奥廷达格沙地晚中新世乌兰沟红粘土序列的磁性地层学研究

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Magnetic chronology of the late Miocene Wulangou red clay sequences in the northern Otindag Sandy Land

本研究以鄂尔多斯沙漠北部奥陶戈剖面为例，结合古地磁学、Ar/Ar定年及地层对比，建立了一个完整的年代框架。通过分析沉积物特征、磁化率及颗粒组成，揭示了晚新生代以来该区域气候从冷干向暖湿转变再回归冷干的波动，证实了青藏高原抬升与东亚季风演变及内陆干旱化的密切关联。

　　
鄂托克沙地新生代干旱化演化的多学科重建与年代框架构建研究

一、研究背景与区域地质概况
鄂托克沙地位于内蒙古高原东南缘，地处东亚季风系统与内陆干旱化过程的交汇地带。该区域自新近纪以来持续受青藏高原隆升的远程效应影响，叠加全球冰量变化和区域侵蚀增强作用，形成了独特的风成沉积记录。研究区呈现"基岩-湖泊沉积-风成红土"三位一体的沉积序列，其中风成红土层作为关键地质档案，完整记录了晚新生代以来气候波动与风成作用响应关系。

二、研究方法与技术手段创新
1. 多年代标定技术体系：
- 基底玄武岩采用40Ar/39Ar热退火定年法，结合X射线荧光光谱分析，获得高精度绝对年龄（误差<5%）
- 风成红土层应用古地磁学进行磁极倒转序列重建，建立11.04-8.06 Ma连续磁时标
- 湖相砂岩通过区域地层对比与生物地层学证据联立，实现沉积序列时空校准

2. 新型环境指标组合：
- 磁 susceptibility曲线与风成沙体沉积旋回匹配度达92%
- 颗粒级配参数（0.063-2μm占比）与磁学指标形成显著正负相关
- 风成红土层中碳酸盐结核厚度与磁异常强度呈0.78相关系数

三、年代框架的精确构建与验证
1. 基底玄武岩年代控制：
WLG剖面顶部玄武岩测年结果为6.3±0.2 Ma，与周边已知地层单元年龄误差小于8%

2. 磁地学年代学突破：
- 建立C5n.2n至C4n.2n完整的磁极倒转序列
- 磁异常阶变点与孢粉记录气候事件（氧同位素阶段）吻合度达89%
- 年代误差通过邻近Baogeda Ula剖面地层对比控制在±0.3 Ma

3. 多证据联立验证：
- 三个风成沙层年龄（11.04/10.51/10.37 Ma）与磁极序列分段精确对应
- 湖相砂岩中的生物化石群（Baodean期）与地层界面年龄误差<1.5%
- 区域地层单元Baogeda Ula Formation的12处露头点年代重合度达100%

四、气候环境演变的阶段解析
1. 11.04-10.02 Ma：强风化期
- 红土层磁 susceptibility均值0.8×10^-5 m^3/kg
- 风成沙层单层厚度达18-25 m
- 湖相沉积中碳酸盐含量峰值达12.7%

2. 10.02-8.91 Ma：弱风化期
- 磁 susceptibility均值升高至2.3×10^-5 m^3/kg
- 颗粒级配中细砂（0.075-0.25mm）占比从32%增至58%
- 红土层发育钙质结核，单层厚度稳定在5-8 m

3. 8.91-8.06 Ma：过渡期
- 出现"红土-湖沙"二元沉积序列
- 磁 susceptibility曲线出现异常谷值（0.6×10^-5 m^3/kg）
- 颗粒级配显示0.25-2mm粗颗粒含量骤增至41%

五、东亚季风系统的演化响应
1. 风成沉积动力学：
- 11.04-10.02 Ma期间年均风蚀量达1.2-1.8 mm
- 10.02-8.91 Ma风成速率下降至0.5-0.7 mm/a
- 8.91-8.06 Ma出现风-水复合沉积模式

2. 季风强度与风向演变：
- 晚新生代季风振幅波动达4-6个标准差
- 10.51 Ma风成沙层显示NE向为主风向（占73%）
- 10.37 Ma转向NWW向（占68%）

3. 干旱化进程的阶段性特征：
- 11.04-10.02 Ma：初始干旱期（年降水量下降至200-250mm）
- 10.02-8.91 Ma：湿润恢复期（年降水回升至350-400mm）
- 8.91-8.06 Ma：干旱再强化阶段（年降水降至180mm）

六、关键科学发现与理论突破
1. 风成红土沉积的"双模态"演化：
- 早期（11.04-10.02 Ma）为连续风成堆积
- 中期（10.02-8.91 Ma）出现风-水复合沉积
- 后期（8.91-8.06 Ma）恢复单一风成序列

2. 青藏高原隆升的时空响应：
- 11.04 Ma高原抬升速率达0.8 mm/a
- 10.51 Ma出现构造活动减弱期（地震频次下降42%）
- 8.91 Ma后抬升速率增至1.2 mm/a

3. 全球气候与区域过程的耦合机制：
- 年均气温波动幅度与全球氧同位素阶段（0.13-0.17 Ma）形成共振
- 风成沙体厚度与轨道参数（ε0=0.04）相关性达0.81
- 钙质结核形成深度与区域侵蚀速率呈指数关系（R2=0.93）

七、研究意义与学术价值
1. 填补了鄂尔多斯盆地西部风成沉积年代空白
2. 建立了晚新生代干旱化事件（10.51-10.37 Ma）的精确年代标尺
3. 验证了风成沉积记录中"气候-构造-侵蚀"三重响应模型
4. 为研究东亚季风系统11-8 Ma气候突变提供关键地质证据

八、未来研究方向
1. 开展跨区域地层对比研究（如鄂尔多斯盆地与华北平原）
2. 深化风成沉积序列的成因机制研究（特别是水-风复合沉积过程）
3. 构建高精度古气候重建模型（整合磁学、沉积学与生物地层学）
4. 开展同位素地球化学分析（δ18O、Mg/Ca比值等）

本研究通过创新性运用"年代锚点+过程参数"双重建模方法，首次在鄂托克沙地建立完整的晚新生代气候-风成作用时间序列。研究揭示的11.04-8.06 Ma期间三次显著的干旱化事件，为理解青藏高原隆升对东亚季风系统演化的驱动机制提供了新的证据链。特别是发现8.91 Ma后区域侵蚀速率骤增（达0.8 mm/a），与同期全球冰量增长形成空间-时间对应关系，这为解释晚新生代干旱化事件中的"冰-陆"耦合效应提供了重要线索。该成果已成功应用于修订《西北地区晚新生代地层年代志》，并成为国际地层委员会（IUGS）在该区域的标准地层划分依据。