Elemental geochemical characteristics and environmental significance of Late Pleistocene sediments in the Hongsibu Basin, northeastern margin of the Qinghai–Tibet Plateau
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摘要:
红寺堡盆地位于青藏高原东北缘弧形构造带最前缘与鄂尔多斯高原西部的交界位置，区域生态环境脆弱，但由于地表覆盖严重，缺乏完整的露头剖面，一直制约着生态环境演变过程的研究。本文基于红寺堡盆地窑山凹陷ST1钻井序列，采用光释光测年的方法，建立了晚更新世地层年代格架，同时系统分析了70个样品的主量、微量元素组成，依据地球化学指标重建晚更新世以来的气候环境演变过程。研究认为：马兰黄土与萨拉乌苏组的界限年龄约为67.57 ± 7.88 ka，预示着由古湖向风成环境的过渡，区域生态环境逐步恶化。元素地球化学特征也记录了该时期的气候环境变迁过程，CIA值、Al2O3/Na2O、K2O/Na2O值及粘土矿物含量指示了红寺堡盆地晚更新世经历了干旱−温暖−干旱的古气候演化过程；Rb/Zr、Sr/Ba值反映红寺堡盆地萨拉乌苏组沉积时期为封闭的湖盆环境，沉积水体深度自萨拉乌苏组一段开始加深，在萨拉乌苏组二段达到最大深度，萨拉乌苏组三段水体逐步变浅直至马兰黄土沉积时期古湖彻底消亡。该研究成果从元素地球化学的角度为青藏高原东北缘晚更新世地层的沉积环境演化提供了新依据。
Abstract:The Hongsibu Basin is located at the junction of the forefront of the arc-shaped structural belt on the northeastern margin of the Qinghai–Tibet Plateau and the western part of the Ordos Plateau. The regional ecological environment is fragile, yet the lack of complete outcrop profiles due to extensive surface coverage has long hindered research into the evolution of the ecological environment. This study, based on the drilling sequence of Well ST1 in the Yaoshan Sag of the Hongsibu Basin, employs optically stimulated luminescence dating to establish a Late Pleistocene stratigraphic chronology. Additionally, it systematically analyzes the major and trace element compositions of 70 samples and reconstructs the climatic and environmental evolution processes since the Late Pleistocene based on geochemical indicators. The study suggests that the boundary age between the Malan loess and the Salawusu Formation is approximately 67.57 ± 7.88 ka, indicating a transition from an ancient lake to an aeolian environment, accompanied by a gradual deterioration of the regional ecological environment. The geochemical characteristics of elements also recorded the climatic and environmental changes during this period. Geochemical indicators such as the CIA value, Al2O3/Na2O, K2O/Na2O ratios, and clay mineral content indicate a paleoclimatic evolution process of arid-warm-arid in the Hongsibu Basin since the Late Pleistocene. Rb/Zr and Sr/Ba values reflect a closed lake basin environment during the deposition of the Salawusu Formation in the Hongsibu Basin. The depth of the sedimentary water body increased from the first section of the Salawusu Formation, reaching its maximum depth in the second section, and gradually became shallower in the third section until the complete disappearance of the ancient lake during the deposition of the Malan loess. The research results provide a new basis for the sedimentary environment evolution of the Late Pleistocene in the northeastern margin of the Qinghai–Tibet Plateau from the perspective of elemental geochemistry.
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图 1 区域构造位置图(a)和红寺堡盆地地质图(b)（据Kou et al.,2022修改）
Figure 1.
表 1 红寺堡盆地ST1钻孔光释光年龄及其参数统计表
Table 1. Statistical table of luminescence age and parameters of ST1 borehole in the Hongsibu Basin
编号 埋深/m U/10−6 Th/10−6 K/% 环境剂量率/(Gy∙ka−1) 测试粒径/μm 测试方法 等效剂量/Gy 年龄/ka OSL-1 36.5 11.00 12.40 1.86 7.53 4 ~ 11 SMAR 508.89 ± 0.58 67.57 ± 7.88 OSL-2 50 3.44 11.90 2.28 4.79 4 ~ 11 SMAR 390.35 ± 26.05 81.43 ± 9.79 OSL-3 55 3.33 12.30 2.30 4.67 4 ~ 11 SMAR 417.53 ± 40.39 89.43 ± 12.44 OSL-4 75.2 2.78 7.31 1.82 3.85 4 ~ 11 SMAR 458.08 ± 35.46 112.64 ± 16.07 OSL-5 110 3.49 10.80 2.27 4.71 4 ~ 11 SMAR 531.08 ± 54.01 119.04 ± 15.05 
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表 2 红寺堡盆地ST1钻井主量元素含量均值与最值
Table 2. Mean and maximum contents of major elements in Hole ST1 of the Hongsibu Basin
% 采样位置 Al2O3 SiO2 CaO Na2O K2O 0~36.5 m马兰组
(n = 13)均值 11.10 61.32 7.44 1.80 2.33 最大值 11.65 64.01 9.10 1.90 2.46 最小值 10.55 56.27 6.55 1.70 2.19 36.5~64.9 m萨拉乌苏组三段
（n = 14)均值 11.07 62.80 6.84 1.81 2.37 最大值 12.62 68.92 10.55 1.93 2.63 最小值 10.00 53.11 5.04 1.51 2.20 64.9~80 m萨拉乌苏组二段
(n = 11)均值 11.79 50.20 11.00 1.43 2.51 最大值 13.63 65.13 14.63 1.92 2.97 最小值 10.46 40.95 6.07 1.04 2.24 80~128.9 m萨拉乌苏组一段
(n = 35)均值 11.00 61.24 6.86 1.71 2.35 最大值 12.49 73.23 14.40 1.98 2.63 最小值 7.13 43.93 4.48 0.94 1.80 全钻井
(n = 70)均值 11.26 59.83 7.61 1.70 2.38 最大值 13.63 73.23 14.63 1.98 2.97 最小值 7.13 40.95 4.48 0.94 1.80
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表 3 红寺堡盆地ST1钻井微量元素含量
Table 3. The contents of trace elements in ST1 borehole of the Hongsibu Basin
10−6 采样位置 含量 Ni Cu Mn Rb Zr 0~36.5 m，马兰组
(n=13)均值 34.48 25.78 642.97 94.91 232.01 最大值 36.30 28.80 667.58 100.85 320.19 最小值 31.59 23.65 605.88 85.44 173.57 36.5~64.9 m，萨拉乌苏组三段
（n=14)均值 33.69 25.23 663.34 93.94 178.22 最大值 40.88 31.81 1166.63 109.23 280.61 最小值 28.33 20.80 468.27 83.10 123.26 64.9~80 m，萨拉乌苏组二段
(n=11)均值 40.38 34.68 798.60 108.87 14137 最大值 46.23 50.73 989.99 127.32 242.39 最小值 32.90 25.99 614.74 95.24 112.09 80~128.9 m，萨拉乌苏组一段
(n=32)均值 37.44 29.31 712.63 105.37 213.00 最大值 44.21 34.45 879.22 117.62 301.66 最小值 24.03 20.19 568.70 80.82 117.98 全钻井
(n=70)均值 36.60 28.68 703.34 101.69 198.32 最大值 46.23 50.73 1166.63 127.32 320.19 最小值 24.03 20.19 468.27 80.82 112.09
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表 4 红寺堡盆地ST1钻井地球化学参数计算结果
Table 4. Calculation results of geochemical parameters of borehole ST1 in Hongsibu Basin
采样位置 CIA Al2O3/Na2O K2O/Na2O Rb/Zr Sr/Ba 0~36.5 m，马兰组
(n=13)均值 56.92 6.18 1.30 0.42 0.51 最大值 58.62 6.83 1.44 0.58 0.59 最小值 55.45 5.65 1.16 0.27 0.46 36.5~64.9 m，萨拉乌苏组三段
（n=14)均值 56.56 6.20 1.32 0.56 0.45 最大值 61.45 8.18 1.73 0.88 0.55 最小值 53.69 5.24 1.16 0.31 0.39 64.9~80 m，萨拉乌苏组二段
(n=11)均值 61.49 8.50 1.82 0.81 1.00 最大值 66.23 11.79 2.56 1.01 1.79 最小值 54.63 5.45 1.17 0.40 0.47 80~128.9 m，萨拉乌苏组一段
(n=32)均值 58.02 6.65 1.40 0.53 0.48 最大值 63.34 9.22 1.93 0.88 0.74 最小值 55.34 5.61 1.15 0.33 0.37
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图(5)
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