长江流域宇宙成因Be与地表侵蚀速率估算

摘要

本文首次将宇宙成因核素10Be方法引入到长江流域河流沉积物的研究，主要目的是由“源”到“汇”对长江流域空间尺度上的侵蚀速率进行估算，为宏观尺度上定量研究侵蚀速率和沉积物产生率提供一种全新的方法。自20世纪80年代以来，地貌学研究中最重大的突破之一就是应用地表宇宙成因核素来定量研究地表形成的时间和地貌演化的速率。地表宇宙成因核素产生于宇宙射线粒子与地表岩石或土壤中原子的核反应，种类颇多，如3He、10Be、14C、21Ne、26A1和36C1等，其中应用最广泛的是10Be。10Be主要由散裂作用产生，集中形成在10Be衰减长度范围内，大致相当于地表上部1m范围内。在地表上部的10Be含量取决于地表核素产生率和地表侵蚀速率两个因素，在核素产生率确定的情况下，可以通过地表岩石中10Be含量估算地表侵蚀速率。10Be反映的侵蚀速率实际代表侵蚀一定厚度，即与衰减长度等厚地表的平均侵蚀速率，根据侵蚀速率大小的不同，它反映的时间尺度在103-105yr之间。由于10Be记录的是长时期的地表侵蚀速率，对于短时间尺度的地表侵蚀速率变化不敏感，因此，应用10Be估算长江流域地表侵蚀速率的意义在于，为评价人类活动对长江流域地表侵蚀、水土流失的影响提供参考背景值。另外，从地球系统科学角度来看，定量研究地表侵蚀速率是理解地质过程的关键，是地球系统科学研究的重要内容。通过对河流沉积物中10Be含量的测试分析表明，长江干流中10Be含量自西向东逐渐降低，在长江上游的金沙江流域最高，为1.1×106atoms·g-1，到长江三角洲地区降到0.27×106atoms·g-1。10Be含量自源头向入海口逐渐降低的现象与两个因素有关：一是源头地区海拔高度较高，地表侵蚀速率缓慢导致长江上游区域10Be含量较高；二是10Be含量较低的支流沉积物汇入干流产生的“稀释”作用使10Be含量自西向东降低。与干流中10Be含量相比，支流中10Be含量要低许多，如长江上游的岷江10Be含量可以达到0.04×106atoms·g-1，与金沙江10Be含量相比二者可以相差近30倍。长江上游支流10Be含量较低的原因主要与流域快速的侵蚀速率有关，而中下游地区支流侵蚀速率较小，10Be含量主要受低海拔、低核素产生率的影响。地球化学元素和10Be同位素含量示踪结果表明，10Be同位素的稳定性要比地球化学元素的稳定性高，可以作为沉积物示踪的良好指示剂。利用10Be同位素的双组分混合原理分析表明，在雅砻江和长江交汇处，有53.6％的沉积物来自于雅砻江；在岷江与长江的交汇处，有26.4％的沉积物来自于岷江；在重庆-宜昌河段，嘉陵江和乌江沉积物对长江的贡献量为25％；长江三角洲地区有30.8％的沉积物来自于长江中下游支流的输入。综合地球化学元素和10Be含量特征表明，全新世以来长江三角洲的物源没有太大变化，长江三角洲有30-34％的沉积物来自于东部支流的贡献，这些沉积物既包括现代沉积物也包括相当一部分沉积再搬运的物质。根据数字高程数据统计和宇宙成因核素产生率与海拔高度、纬度的理论关系，分别建立长江流域8个子流域的10Be含量与侵蚀速率的关系模型，通过实测10Be含量分别得出不同子流域的平均侵蚀速率大小：金沙江流域侵蚀速率为207m·Ma-1，雅砻江为250m·Ma-1，大渡河-岷江流域为460m·Ma-1，嘉陵江为75m·Ma-1，乌江为51m·Ma-1，汉江为75m·Ma-1，洞庭湖为15m·Ma-1，鄱阳湖为20m·Ma-1。地形地貌和构造活动特征是控制长江流域地表侵蚀作用的主要因素，构造活动发育，地形高差大，高山峡谷发育的大渡河-岷江流域侵蚀速率最高，而构造活动稳定，地势平缓，丘陵-平原发育的洞庭湖、鄱阳湖流域侵蚀速率最低。水文数据估算的侵蚀速率和10Be估算的侵蚀速率发现，二者在数量级上一致，尤其在金沙江、鄱阳湖流域二者结果几乎一致，说明10Be估算结果的可靠性。在雅砻江流域和岷江-大渡河流域，10Be估算的流域侵蚀速率明显要高于水文数据反映的侵蚀速率，这可能和水文观测时间短，无法记录发生频率低，但搬运能力强的沉积物搬运事件有关；岷江-大渡河流域水文观测反映的侵蚀速率低与大量物质沉积在四川盆地有关。在嘉陵江流域、乌江流域、汉江、洞庭湖流域10Be反映的侵蚀速率明显要低于水文数据反映的侵蚀速率，这说明在这些流域人类活动对地表侵蚀作用的影响作用大，与自然侵蚀背景值相比，人类活动已经导致上述流域的地表侵蚀速率分别增加了4.0、3.3、1.8和4.3倍。关键词：长江流域，宇宙成因核素，10Be，侵蚀速率，人类活动

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声明

第1章 绪论

1.1研究目的与意义

1.2国内外研究进展和现状

1.2.1宇宙成因核素法的认识和发展阶段

1.2.2 10Be在侵蚀速率研究方面的应用

1.2.3宇宙成因核素在国内的研究和发展状况

1.3研究内容、认识和完成的工作量

第2章 长江流域概况

2.1区域地质构造概况

2.1.1岩性特征

2.1.2构造活动特征

2.2地形地貌特征

2.3气候特征

2.3.1现代气候特征

2.3.2末次冰期气候特征

2.4人类活动与水土流失

第3章 宇宙核素法理论基础和解释模型

3.1理论基础

3.1.1宇宙核素形成的物理基础

3.1.2地表核素产生率

3.1.3核素产生率随深度变化规律

3.1.4核素含量

3.2暴露年龄和侵蚀速率模型

3.2.1暴露年龄模型

3.2.2单核素侵蚀模型

3.2.3双核素模型

3.3 10Be空间侵蚀速率模型

第4章 长江流域10Be含量分布特征

4.1样品的采集

4.2 10Be实验分析方法

4.2.1石英分离提纯

4.2.2 BeO提取

4.3 10Be含量分布特征与分析

4.3.1 10Be含量分布特征

4.3.2 10Be含量空间变化的原因

第5章 长江流域地球化学元素和10Be同位素示踪

5.1双组分混合法原理

5.2长江地球化学元素示踪

5.2.1元素测试与结果

5.2.2雅砻江对长江干流的沉积物贡献

5.2.2大渡河-岷江对长江的沉积物贡献

5.2.4东部流域对长江三角洲的沉积物贡献

5.3 10Be对长江沉积物的示踪

第6章 长江流域侵蚀速率估算

6.1基于水文数据的侵蚀速率估算法

6.2基于10Be含量的侵蚀速率估算法

6.2.1稳态流域侵蚀速率模型的建立

6.2.2非稳态侵蚀模型的建立

6.3长江流域侵蚀速率的估算

6.3.1短时间尺度流域侵蚀速率

6.3.2长时间尺度流域侵蚀速率的估算

6.4小结

第7章 基于10Be估算侵蚀速率的解释

7.1 10Be侵蚀速率反映的时间尺度

7.2 10Be与水文估算侵蚀速率的比较

7.3侵蚀作用的主要类型和侵蚀速率的控制因素

7.3.1长江流域的侵蚀作用类型

7.3.2侵蚀速率的控制因素

7.3.3长江流域侵蚀速率的控制因素

第8章 主要结论与展望

8.1主要结论

8.2进一步的工作和展望

致谢

参考文献

附录

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果