0 引言

绝对年代测定是第四纪冰川研究最为重要的基础之一，测年技术的可靠性非常关键。光释光（optically stimulated luminescence，OSL）作为为数不多的冰川沉积测年技术之一，应用在冰川沉积上仍存在一些问题。报道较多的是不完全曝光或者称之为不完全晒退的问题［1-6］，即释光信号在最后一次沉积之前没有归零，样品有残留剂量。该问题会导致OSL年代被高估，由此导致年代不可靠。如何检验冰川沉积晒退程度与OSL 测年的可靠性？对已知年代样品进行测试，是比较直接的办法之一。对比OSL年代与已知年代，可以判断残留剂量或年代高估的程度。

天山乌鲁木齐河源是中国第四纪冰川研究最深入的地点。该地保留了清晰可辨的5 套冰碛垄，过去40年来对这些冰碛垄已做过不少的测年工作［2，7-20］。对于末次冰期的几套冰碛，更是有多种不同技术的测年工作，包括14C［9-10］、热释光（thermoluminescence，TL）［13］、电子自旋共振（electron spin resonance，ESR）［14-16］、宇生核素（in situ terrestrial cosmogenic nuclides，TCN）10Be暴露测年［17-20］等，但唯独没有OSL测年数据。因此，该地不仅是检验冰川沉积光释光测年可行性的理想地点，也是系统对比和评价不同测年技术在冰川沉积上应用的理想地点。对于古冰川演化研究中如何选择测年技术、如何解读不同测年技术的年代，该地也是一个典范性的研究地点。此外，OSL 年代也可为该地冰川演化研究及争议提供新的支持。

本研究针对已有大量测年数据［7，9-10，13-19］的末次冰期冰川沉积（包括冰川观测站冰碛、上望峰冰碛和下望峰冰碛等）进行OSL 测试，并与已有年代对比，讨论冰川沉积光释光测年的可靠性，综合不同年代结果讨论天山乌鲁木齐河源末次冰期各期冰碛的形成时代。

1 研究区概况与采样

天山乌鲁木齐河源地区位于新疆境内天山山脉中部喀拉乌成山主脉北坡（43°07′N、86°49′E，见图1）。最高峰天格尔II 峰海拔4486 m，山脊海拨在4100～4300 m 之间。年平均气温-5.1 ℃，年平均降水量450 mm［21］。现代冰川平衡线高度为4000～4100 m，冰舌末端海拔3650～3700 m。共发育冰川150 条，面积约46 km2。冰川类型主要有悬冰川、冰斗冰川和小型山谷冰川［15］。

除了现代冰川外，乌鲁木齐河源地区还存在多次古冰川作用遗迹。从现代冰川末端到望峰道班向下1～2 km 范围内，由新到老依次分布有5套冰碛（图1）。第一套冰碛分布在现代冰川末端向下数百米到1 km 的范围内，一般有3 道冰碛垄，对应于小冰期［10，12，20］。第二套冰碛一般有两道终碛垄，对应于新冰期［8，11］。1 号冰川所形成的这套终碛垄分布在从小冰期终碛垄向下1 km 左右，在天山气象站和山北道班房附近，海拔3500 m 左右，被称为山北组（包括山北组I 与山北组II）。近年的测年［17-19］显示，冰川观测站附近的冰碛垄可能形成于晚冰期。第三套冰碛分布在罗卜道沟沟口以下至海拔3000 m 左右的望峰道班之间6～8 km 的范围内，多呈垄岗状起伏，虽经流水破坏，但轮廓仍清晰完整，可看出终碛垄、侧碛垄的形态。王靖泰［7］把这套冰碛命名为为上望峰冰碛。上望峰冰碛的末端海拔在3000 m左右，顶部覆盖30 ～40 cm厚的类黄土沉积，其上部发育有灰色的土壤层。此前的测年结果显示其形成于末次冰期晚期或MIS 3［7，10，13-15，17-19］。第四套冰碛分布在望峰道班周围及其以下至红五月桥附近的冰川谷下槽谷中，磨圆度和胶结程度比上望峰更好，称为下望峰冰碛。上望峰冰碛以明显的推覆不整合覆盖于下望峰冰碛之上［22］。下望峰冰碛以在海拔约2900 m、厚约80 m 的平坦冰碛平台为代表。其形成年代仍有不同看 法［13-15，18-19］。第 五 套 冰 碛 为 河 源 区 最 老 的 冰碛，被称为高望峰冰碛。它分布在高出河床200～300 m 的上槽谷残剩的谷坡上，海拔3300～3400 m。形成时代在MIS 1～2 阶段［16］。

共采集冰碛及冰碛上覆黄土OSL 样品6 个（图1）。其中DX301 采自冰川观测站后方约100 m 的侧碛垄顶部冰碛；DX302 采自望峰道班上游约500 m 处，为上望峰侧碛垄顶部冰碛物；DX303 采自望峰道班上游约500 m 处，DX302 附近的上望峰侧碛垄上覆的黄土层中部；DX601 和DX602 的采样点在望峰道班与冰川站之间的大西沟谷地右侧，9 号冰川支谷谷口附近；DX501 采自望峰道班上游约200 m 处，下望峰冰碛平台上部冰碛物。采样用不锈钢钢管打入新鲜剖面，然后将其密封。另外，还采集约100 g 样品密封于自封袋中，用于测定含水量和年剂量率。

2 实验方法

2.1 样品前处理

实验室中用10%稀盐酸和30%双氧水依次浸泡样品，以去除样品中的碳酸盐和有机质。然后用湿筛法分选出38～63 μm 粒级颗粒。再用30%的氟硅酸浸泡样品约3 周，目的是去除长石。随后用10%稀盐酸浸泡约30 min，去除样品与氟硅酸反应过程中产生的氟化物沉淀，然后用清水冲洗样品3～5 次，最后把样品烘干。所得到的石英纯度可用红外检测其长石的释光信号，若长石的信号比较强，则需要再次用氟硅酸浸泡，直到红外信号消失或达到极低水平（IRSL/OSL＜10%）。最后，将纯石英样品用硅油粘贴在直径为10 mm 的不锈钢钢片中间直径约为6 mm的范围内。

2.2 等效剂量与年剂量测试

等效剂量采用单片再生剂量法（SAR）及标准生长曲线（SGC）相结合的方法，即SAR-SGC 法［23］测试。实验在中国科学院青海盐湖研究所释光实验室完成，测试仪器为丹麦Risø TL/OSL DA-20 全自动释光仪，内置90Sr/90Y 人工β 辐射源用于辐照。再生剂量预热温度为260 ℃（10 s），试验剂量的预热温度为220 ℃（10 s）。试验剂量在15～50 Gy 之间。测试石英释光信号的激发光源为波长470±30 nm的蓝光二极管（强度90%），激发温度为130 ℃（40 s）。OSL 信号通过7.5 mm 的Hoya U-340 滤光片进入9235QA 光电倍增管内被接收并记录。每个样品先制备6 个样片用于SAR 法测试等效剂量，再根据SAR 数据对每个样品分别建立一条SGC 曲线。然后每个样品再制8～18 个样片，在同样的测试参数下，只测试它们的自然剂量和检验剂量的光释光信号，即LN和TN。将经过实验剂量释光信号校正后的天然光释光信号（LN/TN）插入SGC 曲线中便可求得该样片的等效剂量值。最后的等效剂量是SAR法和SGC 法测得的所有等效剂量的平均值。年剂量率计算中的U、Th 和K 的含量在中国原子能科学研究院用中子活化分析法（neutron activation analysis，NAA）测定。样品含水量通过综合采样时的含水量和当地降水量估计。宇宙射线的年剂量贡献根据样品的地理位置、海拔和采样深度计算［24］。α系数取0.035±0.001［25］。剂量率根据Aitken［26］的公式和参数进行计算。

3 实验结果

3.1 释光特征

图2 展示了其中一个样品（DX302）的释光衰减曲线和生长曲线。从图中可以看出释光信号在1～2 s 之内就快速衰减至背景值，说明石英以快速组分为主。样品的循环比在0.94～1.11 之间，表明试验剂量对感量变化的校正较为理想。IRSL/OSL 比值在0.80～0.98 之间，绝大部分在0.90～0.98 之间，说明长石含量很少。零剂量与天然剂量的比值，即（L0/T0）/（LN/TN）在0.67%～4.54%，均低于5%的阈值，表明测试过程中热转移效应对等效剂量的贡献较低，仅为0.28～3.22 Gy，对年代结果产生的影响很小。

3.2 预热坪与剂量恢复实验

为选择合适的SAR程序预热温度，本文选择两个样品（DX303 和DX501）进行预热坪与剂量恢复实验。对于预热坪试验，每个样品准备20 个样片，分为5 组，即分别在220 ℃、240 ℃、260 ℃、280 ℃和300 ℃条件下对样片预热10 s，试验剂量的预热温度为220 ℃，预热10 s。每个温度点都测量了4 个样片，测量了各个样片的等效剂量。预热坪结果如图3 所示，各个温度的结果差别不大。本文选择260 ℃为再生剂量预热温度，试验剂量预热温度为220 ℃，预热时间均为10 s。

对DX303 和DX501 分别制备6 个样片用于剂量恢复实验。首先在室温下对所有样片用蓝光激发100 s 以清除释光信号。然后分别对两个样品给定42.0 Gy 和127.0 Gy 的已知剂量，再用前述的SAR 程序进行等效剂量测试。剂量恢复结果显示DX303 测得的6 个样片的等效剂量在40.2～44.0 Gy 之间，平均为41.4 Gy，与给定剂量的比值均在0.9～1.1 之间［图4（a）］，平均为0.98。DX501 剂量恢复结果显示实验测得6 个样片的等效剂量在115.7～124.5 Gy 之间，平均为121.7 Gy。测试结果与给定剂量127.0 Gy 所有比值均在0.9～1.1 之间［图4（b）］，平均为0.96。说明在上述测试条件下SAR程序可以成功恢复已知的剂量。

4 年代结果

OSL 测试结果见表1。SGC 法等效剂量和SAR法等效剂量非常相近。最后的等效剂量是两种方法测得的所有等效剂量的平均值。

5 OSL年代可靠性与末次冰期各期冰碛的形成时代

DX301采样点距1号冰川末端约3 km，位于冰川观测站北约100 m 的侧碛垄顶部。最新的研究［17-19］显示，该套冰碛垄为乌鲁木齐河源末次冰期最新一道侧碛垄。DX302 采自上望峰冰碛垄末端，距离1 号冰川末端10 km 左右，在望峰道班上游约500 m。从年代结果来看，DX302 的OSL 年代为20.1±1.6 ka，老于DX301 的14.8±1.2 ka，与地貌新老关系吻合。DX303 与DX302 位于同一道冰碛垄，两个样品的采样点也非常接近，所不同的是DX302 为冰碛物，而DX303 采自冰碛物上覆的黄土层。DX303 的OSL 年代为10.5±0.8 ka，比其下伏冰碛物DX302 的OSL 年代（20.1±1.6 ka）年轻，这在地层关系上也是吻合的。DX601 和DX602 采自9 号冰川所在支谷与大西沟主谷汇合处附近冰碛，在望峰道班与冰川观测站之间。两个样品采样点相距很近，可作为重复对比样。OSL 结果分别为13.5±1.1 ka 和17.2±1.3 ka，相差不是太大。DX501采自下望峰冰碛，采样点位于望峰道班上游方向约200 m 处的下望峰冰碛平台上部冰碛物，OSL 年代为36.3±2.8 ka，比上述上望峰冰碛的所有样品年代都要老，符合对上下望峰两套冰碛新老关系的认识。

本文还尝试将这些OSL 年代与已有的其他测年技术的年代结果进行比较（图5）。对于上望峰冰碛，传统14C年代为14920±750aBP［7］，上 覆 黄土14C 年代为9170±400a BP［7］。融出碛表层钙膜的AMS14C年代为19080±450 a BP 和23080±510 a BP［10］。易朝路等［14］测得上望峰冰碛ESR年代为27.6 ka 和37.4 ka。Zhao 等［15］测得上望峰冰碛ESR年龄为35.3±3.5 ka。Kong等［17］、Li 等［19］分别运用宇生核素10Be暴露年代技术对上望峰漂砾进行了测年，年代结果分别为（15.2±1.2）～（20.1±1.7）ka 和（16.9±0.9）～（19.3±1.0）ka。可见大部分年代结果均指向上望峰冰碛形成于末次冰期晚期（MIS 2）。本研究在上望峰测得的冰碛物OSL 年代（20.1±1.6 ka）与末次冰期最盛期（LGM）对应，与上述测年结果也是吻合的并且支持此前的结论。而上望峰冰碛上覆黄土（DX303）的OSL年代为10.5±0.8 ka，也与该黄土层的14C年代9170±400a BP［7］相一致，再次印证下伏冰碛物形成于MIS 2的结论。对于冰川观测站附近的冰碛垄，Yi等［10］获得的AMS14C年代在（1860±110）～（19590±130）a BP 之间；Kong等［17］、Li等［19］测得的10Be暴露年代分别为（9.6±0.9）～（20.9±1.9）ka和（11.5±0.9）～（24.3±1.8）ka。本研究在冰川观测站上方冰碛垄顶部DX301 样品的OSL年代为14.8±1.2 ka，与上述10Be暴露年代也是一致的，表明该冰碛与上望峰冰碛同属MIS2时期的产物。OSL年代指示其可能对应于晚冰期。在望峰道班与冰川观测站之间的9号冰川所在支谷与大西沟主谷汇合处附近冰碛，两个样品的OSL年代为13.5±1.1 ka 和17.2±1.3ka，可能也指示了晚冰期冰进。众多研究［19，27-39］表明，天山及周边地区的MIS2冰川作用是广泛存在的，但LGM 和晚冰期冰进在本地区仍很难明确区分［28］，确切的晚冰期冰川作用的报道［30，40］不多。

由此可见，至少从测年结果的内部对比验证、与地貌地层关系的对比，以及与其他测年技术结果的对比，可以反映上述OSL年代应该是可信的。冰川沉积较为常见的不完全曝光/晒退导致年代高估的问题［1-6］，在这些样品中似乎影响不大。其原因可能与样品在沉积前的搬运距离、沉积类型以及采样的地貌部位等因素［2，5］有关。上述几个样品均采自侧碛垄顶部。根据此前对本地区［2］以及雀儿山地区［5］年轻冰川沉积OSL 测年的结果，侧碛垄顶部样品或上部的样品残余剂量相对较低。推测它们可能以冰面岩屑（表碛）堆积为主，曝光的几率较大，因此晒退程度较好［2，5］。除此之外，彼时冰川长度较大，岩屑在冰川中的搬运距离较长，也有可能增加其曝光的概率。

对于下望峰冰碛的形成时代，不同的测年结果差异较大。李世杰［13］根据下望峰冰碛平台下伏河流沉积物的石英砂TL 年代（37.7±2.6 ka），认为上覆的下望峰冰碛是末次冰期晚期的沉积物。易朝路等［14］在下望峰冰碛平台上部冰碛中获得的ESR年代为54.6～72.6 ka，下望峰冰碛下伏的河流沉积物ESR 年代为40.1 ka。据此推断下望峰冰碛沉积于末次冰期早期（MIS 4）。施雅风等［41］对末次冰期冰碛的14C、AMS14C 和ESR 测年进行了比较，发现ESR 测年结果比14C 和AMS14C 偏老数千年，因此推断下望峰冰碛可能是末次冰期早期（MIS 4）和中阶段中期（MIS 3b）冷期冰川前进的复合产物。Zhao等［15］对冰碛平台下部冰碛物测年，获得三个较为一致的ESR 年龄，分别为176.0±18.0 ka、184.7±18.0 ka 与171.1±17.0 ka。他们推断下望峰冰碛是由两次冰川作用形成，即冰碛平台上部沉积于末次冰期早期（MIS 4），冰碛平台下部冰碛为倒数第二次冰川作用的残留物，可对应于MIS 6。Li 等［18-19］在下望峰获得10Be 暴露年代在（18.2±1.2）～（23.5±1.5）ka 之间。可见，不同测年技术的测年结果跨度较大，从MIS 6、MIS 4、MIS 3至MIS 2都有报道。总体上，10Be 暴露年代较年轻，TL 和OSL 次之，ESR 年代较老。对此现象的几种可能的解释是：①不同测年技术的年代结果具有不同的指示意义。10Be 暴露年代指示漂砾暴露于冰碛垄上的时间；而TL、OSL和ESR 指示冰碛垄堆积的时间。这两个事件可能存在一定的时间差，但其长短很难估计。②漂砾有可能受雪盖、侵蚀、翻动、剥露等的影响导致10Be 暴露年代偏年轻。TL、OSL 和ESR 则有可能因为样品不完全晒退/有残余剂量而导致年代高估。③还有一种可能是，下望峰沉积比较复杂，包含有不同时代的冰川堆积。本研究的样品DX501 的OSL 年代为36.3±2.8 ka，对应于MIS 3，符合下望峰比上望峰老的地貌新老关系认识。但单一的OSL 年代仍无法对下望峰形成时代做出定论。且天山及附近地区的测年［19，27-39，42］也显示，MIS 6、MIS 4、MIS 3 和MIS 2 的冰川作用在很多地点也都是存在的。下望峰冰川作用的确切对应时代，看来仍需更多的工作（包括沉积学和年代学）才能最终确定。

OSL 年代结果显示乌鲁木齐河源地区末次冰期冰川作用可细分为3 期：MIS 3 或更早、LGM 和晚冰期，3 次冰川作用的规模依次减小。在MIS 3或更早之前，望峰道班之上的大西沟各支谷（包括罗卜道沟）冰川合并进入主谷，延伸至望峰道班之下（即下望峰冰碛位置），冰川长度比现在的1 号冰川长10 km 以上。LGM 时期，冰川规模比MIS 3 稍小，各支谷冰川合并进入主谷后，末端在望峰道班之上不远（即上望峰冰碛末端），冰川长度比今天长9 km左右。晚冰期时，冰川规模进一步萎缩。大西沟源头的1、2、3 号冰川仍合并，但末端仅达冰川观测站附近，距离现代冰川末端3 km 左右。罗卜道沟的6、7 号冰川合并后其末端在罗卜道沟口附近，长度也仅比今天长3 km 左右。而其其他支谷冰川（4、5、8、9 号冰川等），则与主谷冰川脱离，末端在各支谷口附近。末次冰期早期冰川规模大于晚期，冰川规模逐渐萎缩，这与天山末次冰期冰川演化的总体框架［19，27-39，42-43］是一致的。

6 结论

（1）天山乌鲁木齐河源末次冰期冰碛物的OSL年代符合地貌地层关系。冰川观测站以及上望峰冰碛的OSL 年代结果与其他测年技术的年代结果具有可比性。两个重复对比样品显示了相近的年代结果。以上证据表明本文涉及的冰川沉积样品可能不存在不完全晒退现象，本文中的冰川沉积OSL测年是可信的。

（2）综合各种测年结果，推测乌鲁木齐河源地区末次冰期可能存在3 次冰进：MIS 3 或更早、末次冰期最盛期和晚冰期。可以确定的是上望峰冰碛及其上游的冰川观测站冰碛均形成于MIS 2 阶段。冰川观测站冰碛垄、9 号冰川支谷口冰碛的OSL 年代分别为14.8±1.2 ka、13.5±1.1 ka 和17.2±1.3 ka，对应于晚冰期。上望峰冰碛的OSL 年代为20.1±1.6 ka，对应于LGM。下望峰冰碛的OSL 年代为36.3±2.8 ka，对应于MIS 3阶段。但下望峰冰碛仍有待更详细的沉积学和测年研究以进一步确定其形成时代。

致谢：牛东风、王江龙参与了野外采样，在此表示感谢。

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