黃土剖面微量元素的測定及其古氣候意義

黃土剖面微量元素的測定及其古氣候意義

根據(jù)對風成黃土地球化學元素的研究，黃土高原的平均化學成分可以用來代表大陸上地殼的平均化學成分，但對該領域的科學研究表明，風成黃土的豐度存在明顯的時間差異[3.13]。在表生環(huán)境下,黃土地球化學元素的淋失或富集與風化過程密切相關,而風化過程又嚴格受氣候環(huán)境的影響,因此通過對地球化學元素的研究可揭示土壤化學風化及其氣候環(huán)境的變化。黃土化學風化受多種因素的影響和制約,如成土母質(zhì)、地形地貌、氣候等因素,由于黃土風塵物源相對均一,故黃土化學元素在不同時空尺度上的分異主要是在風塵黃土沉積以后的風化成壤期間發(fā)生的,而控制分異方向和強度的因素是黃土化學元素的化學性質(zhì)(內(nèi)因)和氣候環(huán)境狀況(外因)的差異,其中化學性質(zhì)主要控制著它們分異的方向,而氣候環(huán)境條件主要決定著它們分異的強度,二者共同控制著它們在表生環(huán)境條件下的生物地球化學風化過程。從這個意義上講,化學元素在黃土剖面中的分異及其強度是受東亞季風系統(tǒng)控制的,因此,可利用黃土化學元素恢復東亞季風系統(tǒng)的演變歷史,其作為重要代用指標在全球變化研究中得到了廣泛的應用[1~13]。同時,不同元素在表生地球化學行為中的性質(zhì)差異和復雜性使得它們在恢復古氣候變化的意義不同,所以,獲取黃土化學元素在表生環(huán)境下的地球化學行為和明確的古氣候意義是利用其再現(xiàn)古氣候環(huán)境變化的關鍵所在?；谶@種考慮,本文對關中盆地東部具有地層年代學和氣候變化研究的老官臺剖面進行了12種微量元素的測定,分析研究了這些微量元素在剖面中的分布特征和變化規(guī)律,獲得了這些元素的地球化學行為特征及其古氣候意義。1陰山山地土壤剖面層序表3研究地點位于渭河流域東部的陜西華縣境內(nèi)(圖1)。本區(qū)地形南高北低,南部為華山山地,海拔約1200~2000m;北部為渭河平原,海拔341~400m。在山地和平原之間分布著山麓洪積扇和黃土臺塬,海拔400~800m,因受河流切割,沖溝發(fā)育,洪積扇和黃土臺塬多呈南北走向。渭河沿華縣縣境北部邊緣東流而形成了一至三級階地,在本區(qū)渭河南岸一級階地普遍發(fā)育,二級和三級階地受華山北坡渭河各支流的侵蝕切割而呈不連續(xù)分布。本區(qū)屬暖溫帶氣候,受地形影響南北差異明顯,平原地區(qū)年均溫13.4℃,一月均溫-1.2℃,七月均溫27.3℃,極端最高溫43℃,最低溫-16℃,≥10℃積溫4398℃;年均降水量600mm左右。LGT黃土-土壤剖面(34°31′N,109°45′E)位于渭河南岸的二級階地上,海拔365m,坡度1°左右,處在渭河支流石堤河的東部(見圖1)。剖面出露厚度大于5m,從剖面的沉積特征可以看出,整個剖面沉積連續(xù),黃土-土壤層次清晰。從上到下整個剖面可以劃分為:表土層TS(40~0cm),黃土層L0(96~40cm),古土壤層S01(192~96cm),黃土夾層Lx(218~192cm),古土壤層S02(274~218cm),過渡性黃土層Lt(310~274cm)和馬蘭黃土層L1(380~310cm)。風成黃土層(包括L0、Lx、Lt和L1)基本具有相類似的沉積特征,均為濁黃橙色,粉沙質(zhì)地,均質(zhì)塊狀結(jié)構(gòu),且疏松易碎;而古土壤層(包括S01和S02)為濁棕色,粉沙質(zhì)粘土質(zhì)地,棱塊-團塊結(jié)構(gòu),局部球形團粒較發(fā)育(0.5~1.0mm)。野外觀察發(fā)現(xiàn),在過渡性黃土Lt層(300~284cm),其結(jié)構(gòu)致密堅硬,無大孔隙,含有較多沙粒,顯示有水流沉積物成分。同時,在古土壤S01層的中部(176~144cm)也發(fā)現(xiàn)有較多的沙粒,且結(jié)構(gòu)較致密,具有水流沉積物的特征。2相關指標的測定對LGT黃土-土壤剖面自地表開始向下每隔2cm連續(xù)采樣,至馬蘭黃土頂部共采集190個樣品,保證每個樣品采1kg左右,以備充足的土樣用于多氣候代用指標的重復測定分析。樣品在室內(nèi)自然風干后,從每個樣品取約20g置于瑪瑙研缽中研至200目以下,以備各指標的實驗測定。對采集的190個樣品進行了磁化率、粒度、微量元素的測定和分析。磁化率利用英國Bartington公司生產(chǎn)的MS-2B型磁化率儀測量,粒度利用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer-S型激光粒度儀進行了測量。微量元素使用北京瑞利分析儀器公司生產(chǎn)的WFX-1型原子吸收分光光度計采用火焰法(AAA)進行測定,測定的具體步驟是:精確稱取經(jīng)研至200目以下再烘干的1g樣品進行前處理,制備成待測的樣液,之后進行樣品的測定。在測定過程中,同時加入檢測樣品進行質(zhì)量控制,其測量的相對誤差和標準偏差小于3%。沉積樣品的光釋光(OSL)年齡使用RisφTL/OSL-DA-15型釋光斷代儀,采用細顆粒單片再生法進行了測定。以上所有的實驗分析均在陜西師范大學環(huán)境變遷實驗室完成。3結(jié)果與討論3.1氣候變化特征結(jié)果LGT黃土-土壤剖面的粒度、磁化率指標的測定分析結(jié)果見圖2。粒度和磁化率是黃土與氣候變化研究當中應用最為成熟的替代指標。其中風成黃土沉積物的粒度變化主要指示了其搬運動力-東亞冬季風強度的相應變化,因此研究黃土沉積物的粒度組成及其變化是揭示其搬運動力變化的主要途徑。從圖2可以看出,粒度中<5μm的粘粒組分、10~50μm的粉沙組分和50~100μm的粗粉沙組分的含量變化清楚地記錄了末次冰消期以來氣候的波動變化。在S01層的176~144cm之間有一個特殊層位,表現(xiàn)為粗粒級組分(包括10~50μm的粉沙和50~100μm的粗粉沙)含量的顯著增大,二者之和為67.78%,這與緩坡地面的水流侵蝕沉積事件有關。黃土-土壤剖面中磁化率值的大小記錄了主要由東亞夏季風強度控制的風塵沉積之后的成壤強度。從圖2可以看出,在S02和S01兩個土壤層的磁化率值明顯高于其他地層,平均值分別為140.2×10-8SI和127.5×10-8SI,是末次冰消期以來兩個最重要的成壤期,并且指示了S02的成壤強度要明顯強于S01;而在二者之間的黃土夾層LX的磁化率值很低,為108.2×10-8SI,反映了其形成期是一個溫度低、降水少的氣候惡化期。L0形成期以來磁化率減小,指示了氣候的干旱化趨勢。對比該剖面的粒度和磁化率指標的變化表明(圖2),體現(xiàn)成壤強度的磁化率和粘粒組分(<5μm)與主要反映風塵沉積強度的粉沙(10~50μm)和粗粉沙(50~100μm)在全剖面的變化對應良好,揭示了關中盆地東部自末次冰消期以來的氣候經(jīng)歷了多次明顯的波動變化。全新世早期的12.45~9.34kaB.P.,磁化率和<5μm粘粒含量相對于末次冰消期沉積的馬蘭黃土(L1)明顯增大(見圖2),而10~50μm粉沙和50~100μm粗粉沙含量明顯減小,指示了東亞夏季風增強和冬季風的相對減弱,本區(qū)氣候表現(xiàn)為快速升溫、降水明顯增多的特征。之后的9.34~6.77kaB.P.期間,磁化率和<5μm粘粒含量均為全剖面最高(見圖2),指示了本區(qū)東亞夏季風的持續(xù)最強,為全新世以來溫度最高、降水量最多的氣候最適宜期。在中全新世的6.77~5.48kaB.P.期間,磁化率和<5μm粘粒含量顯著減小,而10~50μm粉沙含量和50~100μm粗粉沙含量明顯增大(見圖2),這是東亞冬季風增強條件下粉塵快速堆積的結(jié)果,說明該期為溫度下降、降水量減小的冷干氣候。這次氣候突變事件不僅在渭河流域其他地區(qū)有記錄,在全球許多地區(qū)均記錄了這次氣候突變事件。隨后的5.48~3.12kaB.P.期間溫度有所回升、降水增多,但溫濕程度總體上不如9.34~6.77kaB.P.的氣候最適宜期,這在磁化率和<5μm粘粒含量變化上有較明顯的反映(見圖2)。在S01層的176~144cm之間的特殊層位與緩坡地面的水流侵蝕沉積事件有關。各氣候指標揭示了3.12kaB.P.以來晚全新世本區(qū)氣候趨向干旱化(見圖2),歷史記錄和全新統(tǒng)中的風沙層和對此次氣候事件均有所顯示。黃春長等通過對黃土高原古土壤的研究,確認了3.1kaB.P.的干旱事件,并指出東亞季風的快速轉(zhuǎn)換導致了黃土高原3.1kaB.P.氣候的干旱化和資源退化。3.2微量元素的相對活性微量元素在表生環(huán)境下表現(xiàn)出的淋失或富集等不同地球化學特征,與其元素的性質(zhì)有直接的關系,并與風塵沉積之后的風化成壤過程密切相關。從表1可以看出,多數(shù)微量元素的含量在黃土層與土壤中存在著明顯的差異,其中Rb、Li、Cr、Co四種元素的含量在土壤層明顯高于其他各層,除Cr的含量在S02僅低于表土層TS以外,其他三個元素的最高含量均出現(xiàn)在土壤層S02(見表1,圖3-1);Sr、Ba、Cd三種元素(見表1,圖3-2),含量在土壤層明顯低于其他各層,最低含量均出現(xiàn)在土壤層S02。Pb、Zn、Cu、Mn、Ni五種元素的含量在表土層中最高(見表1,圖3-3),其次在土壤層中的含量相對較高。通過對測定結(jié)果的分析表明,LGT剖面微量元素含量不僅清楚地記錄了風塵沉積之后的后期成壤強度的變化(表1,圖3),而且也反映了它們在表生環(huán)境下的地球化學特征存在著顯著的差異。Rb、Li、Cr、Co四種元素的含量均表現(xiàn)為土壤層高于黃土層(見表1),分別高9.47%、10%、1.17%、3.51%,不僅統(tǒng)計結(jié)果反映如此,而且在它們的含量變化曲線圖上也清楚反映了這種區(qū)別,表明它們在風塵沉積物經(jīng)后期成壤之后具有明顯的富集特征。Sr、Ba、Cd三種元素的含量表現(xiàn)為黃土層高于古土壤層,分別高7.38%、26.3%、9.06%,同時,從其含量分布的曲線圖上也明顯反映了這種區(qū)別,表明在后期成壤過程中,這四種元素具有明顯的淋失特征。雖然Zn、Cu、Ni、Mn四種元素含量變化的統(tǒng)計分析結(jié)果(見表1)表現(xiàn)為古土壤層高于黃土層,分別高3.58%、1.48%、3.82%、4.78%,但在其含量分布曲線圖上對黃土層與土壤層的區(qū)別不太明顯。Pb的含量黃土層高于土壤層,分別高12.6%,但在其含量分布曲線圖上未能明顯反映出黃土層與土壤層的區(qū)別。各微量元素在LGT黃土剖面中的變化顯示了它們的地球化學特征明顯不同,體現(xiàn)在它們相對活動性的顯著差異。選擇黃土剖面中較為活躍的Sr元素作為參照,可以計算沉積物中其他元素的變化率來獲得微量元素的相對活動性。計算公式為:Δ(%)=[(Xs/Is)/(Xp/Ip)-1]×100%。式中Xs、Is代表樣品中元素X和參比元素I的含量;Xp、Ip為上述元素在原始母質(zhì)中的含量。若Δ<0,則反映元素X相對參比元素易遷出,活動性強;若Δ>0,反映元素X相對富集,活動性弱。選擇剖面中風化最弱的L1層(剖面深380~310cm)近似代表風化母質(zhì),計算剖面元素含量的變化率百分數(shù)(見圖4)。計算結(jié)果顯示,Ba的△值為-16.7%,表明其活性還要強于Sr。Ba為堿土金屬元素,也是典型的分散元素,主要以類質(zhì)同象的形式進入主要造巖礦物。在表生環(huán)境中,Ba與Ca和Sr的地球化學性質(zhì)相似,較容易以游離鋇的形式隨土壤溶液或地表水進行遷移,這就使得在關中盆地半濕潤的氣候條件下,Ba在降水相對豐富的后期風化成壤過程中發(fā)生了較強的淋溶遷移,導致古土壤中Ba的大量淋失。其余的微量元素除Cd△值較小且接近零以外(2.57%),Pb、Li、Zn、Cu、Cr、Mn、Co、Rb、Ni等△值均大于10%,表明它們的活性要明顯低于Sr。根據(jù)以上微量元素活動性確定的元素遷移由強至弱的順序為Ba>Sr>Cd>Pb>Li>Zn>Cu>Cr>Mn>Co>Rb>Ni。此序列中,從左至右,元素的相對富集程度依次增加。微量元素在風化過程中的淋失與富集除與黃土母質(zhì)中的礦物成分、粒度有關外,主要受氣候環(huán)境(氣溫、降水和生物等)影響的生物地球化學循環(huán)過程的控制。植物正常生長必須吸收C、H、O、N、K、Ca、Mg、P、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Co、Cl等元素,而影響植物根部吸收礦物質(zhì)元素的外界因素主要有溫度和主要由降水狀況決定的土壤通氣狀況、溶液濃度、氫離子濃度、離子間的相互作用等。風化成壤過程中生物活動特別是植物的生長需要吸收部分微量元素造成它們在土壤表層發(fā)生一定程度的聚集;同時,游離的微量元素又易被粘土礦物、有機質(zhì)等吸附。這也是造成LGT剖面中的Zn、Cu、Ni、Mn、Pb、Cd等元素在表土層富集(見圖3)的主要原因。這些元素的富集特征在其他地區(qū)的風塵黃土沉積物中也有相類似的表現(xiàn)?？紤]風成黃土具有較一致的粉塵源區(qū),導致黃土剖面中化學元素分異的主要外部原因應是其沉積以后的風化成壤作用所致,即這種分異反映了氣候環(huán)境變化引起的生物地球化學循環(huán)過程的改變。黃土高原地區(qū),在夏季風較強時期,氣候濕潤,植被密度較大,生物地球化學風化作用強烈,導致化學元素發(fā)生分異,致使某些元素富集,而另外一些元素相對淋失。如在本區(qū)氣候最適宜期的9.34~6.77kaB.P.期間,Rb、Li、Cr、Co四種元素的含量達到最高(見表1,圖3-1),分別為88.43×10-3gkg-1、33.07×10-3gkg-1、84.88×10-3gkg-1和33.55×10-3gkg-1,而在氣候較溫濕的全新世中晚期的5.48~3.12kaB.P.期間,它們的含量為次高值。與此相反,Sr、Ba、Cd三種元素的含量則在這兩個氣候相對濕潤的時期,表現(xiàn)了較強的淋失,最低含量出現(xiàn)在S02或S01層(見表1,圖3-2)。結(jié)果使得這兩組微量化學元素含量之間的差異增大,如Rb和Sr之間的差異,Li和Ba之間的差異均顯著增大,這也是用元素比值可很好揭示氣候環(huán)境變化的原因所在。相反,在冬季風較強時期,氣候干冷,植被稀少,生物地球化學風化作用較弱,化學元素分異比較微弱,表現(xiàn)為元素含量之間的差異較小。如在全新世中期6.77~5.48kaB.P.期間氣候干冷的條件下,Rb、Li、Cr、Co四種元素的含量均很低,分別為81.92×10-3gkg-1、30.77×10-3gkg-1、77.87×10-3gkg-1和27.98×10-3gkg-1;而Sr、Ba、Cd三種元素的含量相對較高,使得各元素含量的差異較小。這種變化在晚更新世馬蘭黃土L1、過渡層Lt,以及在全新世晚期3.12kaB.P.以來的風成黃土中均有一致地反映。另外,Mn元素從土壤層的底部或是下伏黃土層的頂部到土壤層頂部含量逐漸升高,趨勢非常明顯(圖3-3),這可能同季風降雨環(huán)境的變化有關(出現(xiàn)在氣候的轉(zhuǎn)型期)。從這個意義上講,化學元素在風成黃土剖面中的分異是東亞季風系統(tǒng)波動變化或重大轉(zhuǎn)換的結(jié)果。通過與磁化率、粒度指標的對比發(fā)現(xiàn),以上具有明確環(huán)境意義的微量元素變化清楚地記錄了關中盆地在全新世以來氣候環(huán)境的波動變化,即12.45~9.34kaB.P.期間表現(xiàn)為快速升溫、降水明顯增多的變化特點。而在9.34~6.77kaB.P.期間,本區(qū)氣候為全新世以來溫度最高、降水最多的最適宜期。在全新世中期的6.77~5.48kaB.P.期間發(fā)生了氣候惡化過程,表現(xiàn)為冷干過程。5.48~3.12kaB.P.期間溫度有所回升、降水增多,但溫濕程度不如9.34~6.77kaB.P.的氣候最適宜期。3.12kaB.P.以來,本區(qū)氣候再次向溫度降低、降水量減小的方向變化。4土壤層和表土層微量元素的含量與形態(tài)通過對渭河流域東部的LGT剖面粒度、磁化率、微量化學元素含量的對比