蒙古高原晚第四纪古湖沉积物的发光定年：方法学考虑及其对湖泊水位演变的影响

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Luminescence dating of Late Quaternary palaeolake deposits on the Mongolian Plateau: Methodological considerations and implications for lake-level evolution

　　摘要：蒙古高原晚第四纪古湖岸沉积物的发光定年可靠性尚未得到系统评估。我们对来自蒙古西部和南部的11个湖岸样本采用了配对石英光释光法和钾长石多温度阶后红外光释光定年法，得到的钾长石年龄范围为0.7±0.1千年前至161±12千年前；另外两个样本的最低年龄分别为397±28千年前和364±26千年前。对于年龄小于约28千年的样本，两种方法的结果一致，表明信号重置效果良好。在较高剂量下，石英光释光年龄比钾长石年龄低38–64%，低估了55–74千年。我们认为这很可能是由于石英光释光信号过早饱和，再加上样本特定的D?值变化以及较弱的快速成分所致。D?分布与多颗粒平均解释相符，但并不能唯一证明这一结论。MET-pIRIR170和MET-pIRIR250定年法通过了残余剂量、D?-T平台期以及单颗粒/多颗粒一致性检验，从而提供了可靠的年代序列，其实际上限约为230千年前。这些钾长石年龄有助于区分由融水驱动的晚MIS 6/MIS 3时期的高水位事件与受季风影响的MIS 5时期的扩张事件，进而揭示了干旱的中亚地区晚更新世的水文气候变化情况。这种石英与钾长石的配对比较为西风带与东亚夏季风过渡区的湖岸序列发光定年提供了可借鉴的方法学标准，因为在这些区域，超过28千年前石英的光释光信号就会饱和，从而限制了仅依靠石英定年的可靠性。

引言：干旱的中亚内流湖盆地一直保存着反映古环境变化的敏感湖泊记录，是研究晚第四纪水文气候变化及区域水分平衡波动的重要资料。蒙古处于这一区域的关键位置，既处于以西风为主导的气候带核心区域，又受到东亚夏季风和西伯利亚-蒙古高压的影响（Chen等人，2008a；Herzschuh，2006；Klinge和Sauer，2019）。在晚第四纪，这些环流系统的变化影响了湖泊水平的长期波动，形成了多层古湖岸序列，保留了不同高水位时期的地貌和沉积证据（Wolf等人，2025；Li等人，2023；Zhang等人，2022）。要重建这些湖岸序列所记录的湖泊水平历史，就需要可靠的绝对年代数据，但由于高原湖盆中的湖泊沉积物难以定年，建立这样的年龄控制标准仍然具有挑战性（Zhang等人，2016；Yu等人，2019a，Yu等人，2019b）。

放射性碳定年法是最常用的第四纪定年方法之一，但在干旱的内流区，由于适宜的有机物质匮乏以及古老碳元素的再加工，该方法的适用性受到限制（Wang等人，2022）。其实际上限约为40–50千年前，因此主要适用于MIS 3及更年轻的沉积物，这一限制在阿尔xa高原的古湖记录中尤为明显——最初通过放射性碳定年法判定为MIS 3时期的湖泊高水位，后来通过发光定年法被延伸至MIS 5时期（Long和Shen，2015；Chen等人，2008b；Liu等人，2023）。因此，发光定年法成为了该地区晚第四纪湖岸序列的主要定年依据（Wolf等人，2025；Zhang等人，2022）。

波浪作用以及运输和沉积过程中的阳光照射会有效重置石英光释光信号，从而降低残余剂量，便于对沿海和湖岸沉积物的年龄进行判断（Rhodes，2011；Wallinga，2002；Murray等人，2012）。先前的研究表明，在标准的单样量再生剂量定年法下，石英光释光信号在200–300吉拉的较低剂量下就容易达到饱和状态，从而导致年龄超过约50–60千年的沉积物出现系统性年龄低估现象（Buylaert等人，2007；Chapot等人，2012；Long等人，2015）。在青藏高原和中国黄土高原的湖泊及黄土序列中也观察到了类似的因饱和导致的年龄低估现象（Yu等人，2022；Ding等人，2021；Wang等人，2018；Yi等人，2016）。在蒙古高原，正如多项区域研究所示，石英光释光信号的过早饱和仍是构建更长跨度古湖年代序列的一大限制。在蒙古南部高原，石英光释光年龄仅能追溯到32千年前左右，而钾长石后红外光释光定年法则将同一古湖记录的年代延伸至MIS 5和MIS 7时期（Liu等人，2023）。在蒙古西部高原，湖岸序列的石英定年年龄在60–80千年前趋于稳定，而同一沉积物中的钾长石定年年龄则可延伸至MIS 5之后（Li等人，2015a，Li等人，2015b，Li等人，2017）。在东戈壁地区，基于石英的定年法无法完全确定62千年前后的晚更新世大型湖泊系统，而这些系统的年代则是通过钾长石定年法确定的（Li等人，2023）。

钾长石后红外光释光定年法的定年范围比石英光释光法更广，因为其信号饱和通常发生在1000吉拉以上的剂量下，因此在条件合适的情况下，该方法能够将沉积物的年代追溯到中更新世时期（Buylaert等人，2009，Buylaert等人，2012；Thiel等人，2011）。将该方法应用于古湖岸序列后，已能将区域年代序列延伸至MIS 5和MIS 7时期，某些情况下甚至可追溯到MIS 9时期（Li等人，2018b；Ding等人，2021），从而揭示出石英定年法未能捕捉或因人为压缩而遗漏的高水位事件。在现有的各种定年方法中，多温度阶后红外光释光定年法尤其适用于古湖岸研究，因为它通过逐级升温处理，能够生成用于判断信号稳定性和褪色程度的特征性D?-温度平台期（Li和Li，2011；Li和Li，2012；Chen等人，2015；Rui等人，2020a）。不过，钾长石后红外光释光定年法的一个关键局限是，其信号褪色速度比石英光释光信号慢。因此，在运输过程中光照有限的泥质沉积物中，若信号未完全重置，就可能会留下残余剂量，从而导致年龄被高估（Guo等人，2016；Rui等人，2020b）。由于多颗粒样量测量中的平均效应可能掩盖部分褪色现象，因此单颗粒分析有助于识别褪色更彻底的颗粒，从而得出更可靠的年龄估计值（Duller，2008；Wang等人，2022）。

尽管存在明确的方法学需求，但针对蒙古高原湖岸沉积物，石英光释光法与钾长石后红外光释光定年法的系统比较仍然较少。现有的年代序列主要依赖于石英定年或单一方法的长石定年结果，因此当地湖岸相的石英饱和程度、后红外光释光定年法的残余剂量以及褪色变化情况仍缺乏足够的研究（Rahimzadeh等人，2025；Lehmkuhl等人，2018；Lee等人，2014；Stolz等人，2012）。由于石英和钾长石的发光特性会随着来源岩性及沉积物来源的不同而有所差异（Pietsch等人，2008；Sawakuchi等人，2011），蒙古不同地质区域的湖泊为比较不同矿物学条件下的石英光释光法与钾长石多温度阶后红外光释光定年法提供了良好的研究基础。我们针对来自蒙古西部和南部的11个古湖岸样本，分别采用了配对的单样量石英光释光法和钾长石多温度阶后红外光释光定年法，还对部分样本进行了单颗粒后红外光释光分析，以检测多颗粒De分布是否掩盖了信号褪色不完全的情况。具体而言，本研究旨在回答三个问题：（1）在蒙古古湖沉积物中，石英光释光信号是如何达到饱和状态的？这一现象给基于石英的定年法带来了怎样的上限限制？（2）在湖岸沉积环境中，钾长石多温度阶后红外光释光信号能否充分重置，从而提供可靠的埋藏年龄？（3）通过这种石英与钾长石的配对比较，能为干旱中亚地区的古湖岸发光定年提供哪些实用建议？

研究区域：蒙古位于中亚造山带的核心区域，该造山带形成于古生代，曾在新生代经历过显著的重新活动（Windley等人，2007）。蒙古主构造线将该地区划分为两个截然不同的地壳区域（图1A）：北部为前寒武纪至早古生代的变质基底和花岗岩类岩石，南部则为晚古生代的岛弧地体及火山岩序列（Badarch等人，2002）。新生代以来，该地区的地壳缩短作用……

古湖岸与采样：在乌夫斯湖（图2A），我们从沿湖南岸的一条古湖岸脊采集了两个样本（IM23015，IM23016）。该地点暴露出2.3米的剖面，上部为含波纹层理的砂砾层，下部为红色砂砾层，后者具有倾斜的层理结构。这两个样本均从底部层位采集。这种地貌特征与此前在乌夫斯湖岸发现的以波浪作用为主的海滩相一致（Walther，1999），也与……

石英光释光定年法：我们通过来自赫亚尔加斯湖（IM19035）和奥罗格湖（IM19070）的代表性样本，评估了SAR定年法在石英样品上的适用性。观测到在220℃至260℃之间存在稳定的预热平台期（图3A和C）；循环比对值在1.0±0.1范围内（图3B和D）；信号恢复程度极低（不到自然信号的5%）（图3B和D）。剂量-恢复测试显示，IM19035和IM19070的比对值分别为0.94±0.07和0.96（图3A和C），这表明SAR定年法在该样品上适用……

钾长石多温度阶后红外光释光定年法在湖岸沉积物上的应用评估：通常认为，波浪作用强烈的湖岸环境有利于在沉积前实现信号的全程重置。然而，这一假设并不适用于后红外光释光信号，因为在相同的日光照射条件下，后红外光释光信号的褪色速度远远慢于石英光释光信号（Thomsen等人，2008；Buylaert等人，2012）。因此，需要通过多种检验来评估当前多温度阶后红外光释光定年法的可靠性：在有石英光释光年龄数据的条件下，需检验不同矿物之间的定年结果一致性……

结论：通过对蒙古高原11个晚第四纪古湖岸样本的石英光释光法与钾长石多温度阶后红外光释光定年法进行配对分析，我们发现了这两种方法存在的明显且与剂量相关的局限性。只有当信号以快速成分为主导，且自然De值远低于该样本的饱和阈值（约85吉拉）时，石英光释光法才能给出可靠的年龄数据，在我们的数据集中，这一对应年龄为28千年前以下。超出这一范围后，即使采用标准定年方法，石英光释光法也会使沉积年龄低估38–64%……

致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号4246010364）、泰山学者计划（项目编号tsqn202408266）、鄂尔多斯市重点研发计划（项目编号YF20240054）、内蒙古自治区研究生科研创新项目（项目编号KC2025011B）以及内蒙古师范大学研究生科研创新基金（项目编号CXJJB25008）的支持。

作者名单：范海燕：撰写——初稿、方法学、研究工作。春希：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念设计。任秀秀：研究工作、定量分析、数据整理。王佳乐：研究工作、定量分析、数据整理。周海军：验证、研究工作。万志强：验证、研究工作。阿西汉福：资源协调、研究工作。于鲁鹏：撰写——审阅与编辑、指导监督、方法学、资金获取。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

acknowledgements：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号4246010364）、泰山学者计划（项目编号tsqn202408266）、鄂尔多斯市重点研发计划（项目编号YF20240054）、内蒙古自治区研究生科研创新项目（项目编号KC2025011B）以及内蒙古师范大学研究生科研创新基金（项目编号CXJJB25008）的支持。