美国纽约西部劳伦蒂德冰盖沉积物的荧光测年研究

《Journal of Great Lakes Research》：Reconnaissance luminescence dating of Laurentide Ice Sheet deposits in western New York, USA

　　

Caleb K. Walcott-George | Jason P. Briner | Nathan D. Brown

美国肯塔基大学地球与环境科学系，Slone研究大楼101室，列克星敦，KY 40506

摘要

我们提供了来自美国纽约西部冰川河流和冰川湖泊沉积物的光释光年龄数据，这些数据补充了关于上次冰川消退时期时间的相关研究。六个地点的十四个光释光年龄结果表明：1) 纽约西部Olean冰川边界内侧的冰川河流沉积物形成于19.0 ± 1.8至16.7 ± 1.2千年前（年龄±1σ），这为冰川从该位置的消退提供了最小时间限制，并表明Olean冰碛属于末次冰盛期的产物；2) 劳伦蒂德冰盖在20.1 ± 4.2至18.7千年前以及15.3 ± 2.4至14.0 ± 2.1千年前之间形成了Lake Escarpment冰碛；3) Lake Warren I存在于11.2 ± 2.9至12.0 ± 2.8千年前；4) Genesee山谷中的大型三角洲形成于16.3 ± 2.2至15.6 ± 2.1千年前。尽管存在不确定性，但光释光测年技术在纽约西部仍可用于那些有机物质稀缺、无法进行放射性碳测年或沉积物超出了放射性碳测年范围的研究中。

引言

劳伦蒂德冰盖是末次冰盛期（LGM；26–19千年前；Clark等人，2009年）北半球最大的冰盖，其范围从落基山脉延伸至大西洋，从北冰洋延伸至美国北部（图1）。在美国北部大部分地区，可以追踪到广泛的冰碛系统，这些冰碛记录了冰盖的消退过程。在冰盖消退期间，五大湖流域形成了许多冰前湖泊。随着冰盖的扩张和收缩，这些湖泊的排水路径会发生变化，导致显著的融水重新分布事件，据推测这些事件对北大西洋气候产生了重大影响，并在格陵兰冰芯记录中留下了明显的寒冷时期（Barber等人，1999年；Broecker等人，1989年；Calkin和Feenstra，1985年；Donnelly等人，2005年；Fairchild，1907年；Leydet等人，2018年；Porreca等人，2018年；Rayburn等人，2007年；Yu等人，2010年）。因此，研究末次冰川消退期间冰川前沿位置的变化及其相关的融水路径变化具有重要意义。

通过放射性碳测年、湖沼沉积物和湖泊底泥的地层年代学研究、年层序列分析以及宇宙成因核素测年（例如Balco等人，2002年；Balter-Kennedy等人，2024年；Corbett等人，2017年；Curry和Petras，2011年；Glover等人，2011年；Heath等人，2018年；Ridge，2003年；Ridge，2004年；Ridge等人，2012年；Ullman等人，2015年）已经对劳伦蒂德冰盖在美国北部的消退过程进行了研究。然而，在哈德逊河谷（该地区的冰川消退过程通过宇宙成因核素测年得到确定，并与新英格兰年层序列相关联）和纽约州西部的伊利湖之间，年代数据较为匮乏（Balter-Kennedy等人，2024年；Ridge，2003年；Ridge等人，2012年）。这种年代数据的缺失主要是由于关键地层中适合放射性碳测年的有机物质不足（Muller和Calkin，1993年）。此外，来自湖沼盆地的底泥放射性碳年龄数据实际上反映了冰碛沉积后数千年的永久冻土融化过程，这使得这些数据无法用于冰川消退的年代测定（Prince等人，2024年）。最后，由于缺乏合适的岩石样本，已发表的宇宙成因核素测年数据也很少。虽然冰川消退的整体框架已经明确，但纽约州的具体时间细节仍不完整（Dalton等人，2023年）。

光释光测年技术可以在放射性碳测年和/或宇宙成因核素测年难以应用的地区填补年代空白。该技术可以提供沉积物的埋藏年龄，进而确定与冰碛形成（例如冰碛三角洲和冲积沉积物）和冰前湖泊水位（例如湖岸线和三角洲）相关的沉积物年龄。因此，冰川沉积物的光释光测年可以直接确定冰川位置，而不仅仅是使用放射性碳测年得出的最小或最大限制年龄（例如Fisher等人，2008年；Fisher等人，2020年；Lowell等人，1990年；Szabo等人，2003年）。然而，由于冰川石英的光释光特性较差，以及冰川、冰川河流和冰川湖泊沉积物中沉积物颗粒可能未完全漂白的因素，冰川沉积物的光释光测年具有一定的挑战性（Fuchs和Owen，2008年；Rhodes和Pownall，1994年；Rhodes，2000年；Thrasher等人，2009年）。单颗粒光释光技术的出现显著推动了冰川河流和冰川湖泊沉积物的测年进展。利用这项技术，可以测量单个沙粒的光释光信号，而不是数百个颗粒的混合样本。通过分析单个颗粒的光释光信号，可以使用各种年龄模型识别出更准确地记录沉积时间的完全漂白沉积物颗粒，从而获得更精确的埋藏年龄（例如Duller，2006年；Ou等人，2015年；Rittenour等人，2015年）。

我们测量了单个钾长石颗粒的红外刺激光释光（IRSL）信号和石英颗粒混合样本的光学刺激光释光（OSL）信号，以确定冰川冲积沉积物、湖岸线和三角洲的沉积时间，从而探讨光释光测年在完善纽约西部劳伦蒂德冰盖年代学方面的潜力。我们选择了跨越数千年时间框架（约20–13千年前）的各种冰川及相关地貌，以评估光释光测年是否有助于细化当地的冰川年代。尽管首批来自纽约西部的光释光年龄数据在精度上有所限制，但我们认为光释光测年在缺乏放射性碳测年材料、沉积物超出放射性碳测年范围或没有适合宇宙成因核素测年岩石的地区具有应用前景。

章节摘录

背景

先前的研究详细描述了纽约西部的劳伦蒂德冰川和湖泊历史（图2；Calkin，1970年；Calkin和Brett，1978年；Fairchild，1907年；Fairchild，1932年；Muller和Calkin，1993年；Prince等人，2024年）。如今的景观保留了显著的冰川特征，包括宽阔的冰碛带、冲积阶地、冰前湖泊岸线和融水洪水沉积物（Fairchild，1932年；Muller，1977年）。在纽约西部，早期的测绘表明……

采样技术和地点

为了建立纽约西部冰川历史的年代框架，我们探索了光释光测年在各种与劳伦蒂德冰盖相关的沉积物中的应用。我们根据先前发布的地表地图和基于LiDAR的阴影地图（Muller，1977年）确定了冲积阶地、湖岸线和三角洲等采样目标。

光释光测年

我们应用光释光测年方法来确定样品的沉积年龄。我们使用了钾长石的IRSL测量结果和石英的OSL测量结果来推导埋藏年龄。

我们在德克萨斯大学阿灵顿分校的光释光实验室中，在琥珀光条件下处理和分析所有样品。我们通过湿筛分从每个样品中分离出150–200微米的钾长石和石英颗粒。

结果

在这里，我们报告了在上述六个地点收集的样品结果。我们将结果分为纽约西部冰川历史的四个阶段：1) Olean冰川边界；2) Lake Escarpment（Valley Heads）冰期；3) Lake Warren I的形成；4) Genesee山谷中White Creek通道和三角洲复合体的形成（图4、图5、图6；表1）。

Olean冰碛内侧冰川河流沉积物的年龄

覆盖在冲积层上的黄土（21NN-02）的年龄为16.7 ± 1.2千年前（pIRIR₂₂₅）和19.0 ± 1.8千年前（OSL）。下层的冰川河流沉积物（21NN-01）的年龄为13.1 ± 2.6千年前（pIRIR₂₂₅），在2σ水平上与21NN-02重叠。然而，考虑到单个样品的精度和局部情况，我们认为覆盖黄土样本的年龄16.7 ± 1.2千年前和19.0 ± 1.8千年前更能准确反映冰川从Olean位置消退后的时间（图7）。我们建议……

结论

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  Olean冰川边界内的黄土覆盖层沉积物的年龄为17.9 ± 2.2千年前，与末次冰盛期的年龄一致。这一年龄与Prince等人（2024年）在附近kame三角洲序列中测得的19.8 ± 2.6千年前和20.6 ± 2.9千年前的OSL年龄相符。这表明Olean冰碛属于末次冰盛期，并与Kent冰碛共同定义了Salamanca Reentrant地区的冰盛期边界。然而，在该地点下游还发现了Kent冰川的冲积层，这意味着……

CRediT作者贡献声明

Caleb K. Walcott-George：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。Jason P. Briner：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、调查、正式分析、概念构思。Nathan D. Brown：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源协调、方法论、调查、正式分析。

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的研究结果。

致谢

我们承认纽约西部传统上属于塞内卡族（Haudenosaunee/Six Nations Confederacy的成员）。这项工作得到了NSF/GSA研究生地质科学资助项目[#13538-22]（由NSF奖项#1949901资助）以及纽约州立大学布法罗分校研究生协会的Mark Diamond研究基金的支持。我们感谢Gernatt Gravel公司（特别是Rich Pecnick和Brian Schmitt）、Valley Sand and Gravel公司（特别是……）的支持。