中亚干旱地区昆仑山脉北部山麓地带晚全新世黄土的高分辨率发光测年及其古环境意义

基于 BST 剖面中细粒与粗粒 K-长石 pIRIR 法测年结果与碳14测年的一致性，证实光释电阻法在干旱区晚全新世黄土测年中的可靠性，并结合有机碳δ13C 推测该区湿度自约 2KA 以来呈上升趋势。

吴丽霞|杨林海|董继宝|彭军|张静然|程鹏

陕西师范大学地理与旅游学院，中国西安，710062

摘要

在中亚干旱地区（ACA），建立一个可靠的黄土沉积物年代框架对于该地区的古环境重建至关重要。一些研究使用了不同的测年方法来交叉验证年龄测定结果。然而，越来越多的证据表明，对于同一地层的放射性碳（¹⁴C）测年和光释光测年之间存在年龄差异，这使人们对这两种方法在中亚干旱地区的可靠性产生了怀疑。特别是在全新世晚期，该地区这两种方法的比较分析仍然较少。在这项研究中，我们使用后红外红外激发光释光（pIRIR）技术对昆仑山脉北麓的BST黄土地层进行了测年，分析了中粒（38–63 μm）和粗粒（63–100 μm）钾长石矿物。通过标准内部检查和评估标准验证了测年程序和结果的可靠性。结果显示，中粒和粗粒钾长石的光释光年龄基本一致，并且与已发表的木炭¹⁴C年龄非常吻合。此外，还测量了BST黄土地层中有机物的稳定碳同位素（δ¹³C_org），以推断湿度变化。我们的研究表明：（1）BST地层的黄土形成于全新世晚期（约3.6千年前），其粉尘积累速率（DAR）明显高于其他地区的黄土；（2）自约2千年前以来，该地区的湿度逐渐增加，这通过δ¹³C_org得到了体现；（3）光释光测年方法对于中亚干旱地区全新世晚期黄土的年龄测定具有很高的价值。

引言

中亚干旱地区的黄土沉积物被广泛认为是宝贵的第四纪陆地档案，能够提供关于全球尘埃循环和景观动态的关键信息（Li等人，2024b, 2024c；Song等人，2024）。同时，作为古代丝绸之路的一部分，该地区的黄土可能保存了与人类活动相关的痕迹，如木炭残余、花粉或陶器碎片（Chirakkal等人，2025）。因此，中亚干旱地区的黄土沉积物对于研究环境变化和人类活动具有重要意义。

在黄土研究中确定一个可靠的年代框架对于可靠地解释古气候和古环境变化至关重要，这使研究人员能够识别气候系统的细节，并将黄土记录与其他档案进行关联（Han等人，2019；Li等人，2016a；Ye等人，2000）。在过去的几十年里，使用各种测年技术为第四纪研究建立了可靠的年代框架（Duan等人，2020；Long和Shen，2015；Long等人，2017；Song等人，2015, 2024）。然而，中亚干旱地区黄土序列的精确测年仍然面临一些挑战。

放射性碳（¹⁴C）测年是中亚干旱地区常用的测年方法之一，已被广泛认为是一种可靠的方法，其测年范围可达约5万年前（Hajdas等人，1993）。由于中亚干旱地区强烈的风蚀作用和极端干旱气候，理想的¹⁴C测年材料往往保存不佳或完全缺失。在这种情况下，通常使用大量有机物质和陆地蜗牛进行¹⁴C测年（Cheng等人，2022；Duan等人，2020；Feng等人，2011）。然而，发现许多这些测年材料受到碳污染的影响。对于大量有机物质，来自泛滥平原和/或附近黄土坡的古老碳的掺入可能导致¹⁴C年龄异常偏老（Cheng等人，2022）。另一方面，由于黄土沉积物中植物根系不显眼且数量极少，新碳效应可能导致年龄低估（Zeng等人，2025）。当使用蜗牛壳进行测年时，结果也可能不准确，因为蜗牛通常会消耗放射惰性的石灰岩或其他碳酸盐岩来生长和构建壳层，从而导致¹⁴C年龄被高估（Goodfriend和Stipp，1983；Hu等人，2025）。

与¹⁴C测年相比，光释光测年具有更宽的测年范围和更容易获取的测年材料，在过去几十年中已成功为中亚干旱地区的黄土提供了年龄参考（Li等人，2025；Qin和Zhou，2018；Sun等人，2020；Zhang等人，2020c；Zhao等人，2015）。同时，它也面临一些挑战。中亚干旱地区的黄土主要分布在河流谷地和沙漠周围的丘陵地带（图1（b）（Song，2025），距离其源区较近，且来源材料多样（Li等人，2020）。沉积过程中阳光照射不足和沉积速度快可能导致黄土无法完全漂白（Sümegi等人，2022）。特别是对于全新世晚期的年轻样本，这种不完全漂白的影响可能更大。在中亚干旱地区，石英光释光（OSL）信号有时太弱而无法测量，而长石的红外激发光释光（IRSL）信号容易发生异常衰减（Zhang和Li，2020）。此外，在天山地区观察到了光释光信号的不稳定性和热传递现象（Qin和Zhou，2018；Wang等人，2023），这使得选择合适的测年协议变得至关重要。此外，颗粒大小也是影响测年结果可靠性的重要因素。在吉尔吉斯斯坦北部天山地区的一项研究表明，细粒石英导致年龄被高估，这归因于附近冰川沉积物中未完全漂白的颗粒的侵入和掺入（Youn等人，2014）。总体而言，将光释光测年应用于中亚干旱地区的黄土需要进一步的研究和验证。

为了交叉验证年龄测定结果，一些研究在同一地层中同时使用了放射性碳和光释光测年方法，其中一些研究发现了这两种方法之间的年龄差异（Cheng等人，2022；Duan等人，2020；Kang等人，2020；Song等人，2015；Sümegi等人，2022）。例如，天山地区的黄土¹⁴C年龄通常比相应的OSL年龄年轻，最大年龄差异可达约1万年前，这归因于现代根系掺入大量有机物质导致的¹⁴C年龄低估（Duan等人，2020）。这些发现对光释光测年和¹⁴C测年在中亚干旱地区的可靠性提出了质疑。

全新世晚期以明显的气候波动和日益增长的人类活动为特征，被认为是第四纪研究的关键时期，这对年代框架的分辨率和精度提出了更高的要求。在中亚干旱地区，气候变化的重建，尤其是湿度演变仍然存在不一致和争议（Chen等人，2022；Liu等人，2016；Long等人，2017；Zhang等人，2020a；Zhao等人，2015），年龄不确定性经常被认为是导致这些发现差异的原因之一（Long和Shen，2015）。到目前为止，关于全新世晚期这两种测年的详细比较研究尚缺乏。这样的工作不仅对研究中亚干旱地区的古环境变化至关重要，也为年轻光释光样本的发展提供了宝贵的机会。

在这项研究中，发现了一个保存良好的黄土地层，其中含有多层木炭，为进行¹⁴C测年和光释光测年的比较分析提供了极好的机会。通过标准化的内部检查验证了其适用性后，我们使用后红外红外激发光释光（pIRIR）技术对这一黄土地层的紧密排列样本进行了测年，并将结果与已发表的木炭¹⁴C年龄进行了比较，最终建立了一个高分辨率的光释光年代框架。我们还讨论了年龄不确定性的潜在来源，期望为该地区全新世晚期黄土沉积物的光释光测年应用提供参考。基于光释光年代框架，以及有机物的稳定碳同位素（δ¹³C_org）和计算出的粉尘积累速率（DAR），还讨论了自全新世晚期以来研究区域的湿度变化。

研究区域和样本采集

研究区域位于中亚干旱地区的新疆和田县，称为BST地层（36°7′26.5″ N, 81°18′7.3″ E, 3025 m a.s.l.）。从地貌上看，它位于昆仑山脉北麓，毗邻塔里木盆地南缘（图1（b））。BST地层覆盖着一层粗粒河流砂，厚度为630厘米，由棕黄色中细粉砂组成（图1（c）。

样本制备

样本制备在南京师范大学的光释光测年实验室进行（南京，中国）。在实验室的弱红光条件下，移除了钢管两端的暴露沉积物以测定水分含量和剂量率。然后对管子中间的部分进行湿筛分，以分离出适合等效剂量（D_e）测量的颗粒组分。根据样本的颗粒大小分布，我们选择了两种

光释光特性

MG和CG钾长石的IRSL₅₀和pIRIR₁₅₀信号的典型衰减曲线及其相应的剂量-响应曲线分别显示在图2和图3中。自然状态下的pIRIR₁₅₀信号比IRSL₅₀信号弱，但两者都足够强烈，可以用来确定D_e。单饱和指数函数被有效地用于拟合剂量-响应曲线。结果表明，pIRIR₁₅₀信号的D_e略大于

年龄比较

为了评估不同颗粒大小的光释光测年结果的可靠性，图8展示了MG和CG钾长石的pIRIR₁₅₀年龄。在多个深度上，它们的年龄几乎相同，数据点几乎完全重叠。考虑到光释光年龄的不确定性，两组测年结果可以被认为是统计上一致的，表明MG钾长石年龄和CG钾长石年龄之间有很好的一致性。

结论

本研究调查了昆仑山脉北麓BST黄土地层的高分辨率光释光年代框架及其在中亚干旱地区的古环境意义。研究提供了16个中粒钾长石的pIRIR年龄和16个粗粒钾长石的pIRIR年龄，两者高度一致。此外，光释光年代框架与基于木炭的¹⁴C年龄非常吻合。结果表明，BST地层形成于约3.6千年前

CRediT作者贡献声明

吴丽霞：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据分析。杨林海：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、调查、资金获取、数据分析。董继宝：撰写——审稿与编辑、验证、监督、调查、资金获取、数据分析。彭军：软件、方法论。张静然：方法论。程鹏：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42271004、42072216）和中国科学院青年创新促进会的支持。感谢胡 Yan先生在共享放射性碳测年数据方面提供的帮助。中亚第四纪黄土分布的数据由中国科学院地球环境研究所的黄土科学数据中心提供（https://www.lsdc.ac.cn）。