黃土磁化率與古土壤序列的對比研究

黃土磁化率與古土壤序列的對比研究

根據(jù)對黃土和黃土古土壤條件磁化率的研究，結(jié)果表明，黃土磁化率可以作為東亞季風(fēng)氣候變化的敏感替代品。其原理基于黃土具有低值磁化率與冰期對應(yīng),而發(fā)育最好的古土壤則具有最高的磁化率與間冰期對應(yīng)。然而關(guān)于磁化率的物理意義尚存在著爭論。黃土與古土壤的磁化率可視為它們在弱磁場中被感應(yīng)的磁性量值,它反映了樣品中磁性礦物的濃度和粒度。已有的研究證明,非常細(xì)小的(1μm)磁鐵礦和磁赤鐵礦對磁化率有著主要貢獻(xiàn)。而黃土中這些細(xì)小的磁性礦物的來源可以是多方面的,大致可概括為原生和次生兩種。原生指的是這些磁性物質(zhì)是粉塵的組成部分;而所謂次生即細(xì)小的磁性礦物由風(fēng)化成壤作用形成。正因為對細(xì)小磁性礦物的形成機理看法的差異,導(dǎo)致了磁化率物理意義的不同認(rèn)識。Heller和劉東生等認(rèn)為,古土壤磁化率呈高值是因為風(fēng)化成壤過程中,碳酸鹽的淋失和空隙的減小而造成磁性礦物相對富集。Kukla等則強調(diào)物源的作用。他們認(rèn)為,在干冷時期,黃土以近源物質(zhì)為主,所以磁化率低,相反暖濕期遠(yuǎn)源的細(xì)粒物質(zhì)堆積成為主導(dǎo),而這些細(xì)粒物質(zhì)可能含火山灰和宇宙塵等高磁化率的物質(zhì)。由于磁性物質(zhì)是粉塵的組成部分,因此無論是在黃土堆積的寒冷期,還是古土壤形成發(fā)育的暖期,由風(fēng)力搬運輸入的磁性物質(zhì)的通量是恒定的。黃土-古土壤序列中磁化率值的變化主要反映來自源區(qū)粉塵堆積速率的變化。高磁化率值記錄的是較強的成壤作用和較低的粉塵堆積速率,指示了較強的夏季風(fēng)狀況;而低磁化率則主要記錄了較快的粉塵堆積速率,指示較強的冬季風(fēng)效應(yīng)。因此磁化率可較好地反映東亞季風(fēng)的變化,從而將黃土-古土壤磁化率的變化與全球氣候變化聯(lián)系在一起。Kukla的磁化率年齡模型就是在此理論基礎(chǔ)上建立起來的。另外一種觀點認(rèn)為,磁化率的沉積機理具有不確定性,磁化率變化的主要原因是成土過程中形成了細(xì)粒磁性礦物。如Maher和Thompson就認(rèn)為Kukla的假設(shè)并不確定,成土過程中新生成的磁性礦物才是造成磁化率變化的重要原因。還有人認(rèn)為,沉積富集和成土作用兼而有之,但在二者中,后者對磁化率的變化具更重要的影響。古土壤磁化率高的原因部分是磁性礦物的富集,而更主要的是成土過程中細(xì)顆粒強磁性礦物的生成,μm-nm級黃土物質(zhì)磁化率的大小不僅與粒度組成有關(guān),同時還和成壤過程密切相關(guān)。近年來,有人進(jìn)一步為成壤作用導(dǎo)致磁性礦物的生成尋找到了依據(jù),認(rèn)為古土壤中存在較多的超磁細(xì)菌,組成超磁細(xì)菌磁小體的大量形成是導(dǎo)致磁化率增高的原因。為對磁化率的物理意義有更深入的了解,呂厚遠(yuǎn)等對包括新疆在內(nèi)的全國166個現(xiàn)代表層土壤樣品的磁化率進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)黃土高原及周邊地區(qū)的土壤磁化率隨年均溫和年降水的變化而變化,表現(xiàn)為濕度愈高,降水愈多,磁化率值愈高。而我國長江以南廣大地區(qū)的土壤磁化率是隨年均溫、年均降水的增高而降低,而新疆及周邊地區(qū)表層土壤磁化率與溫度降水的關(guān)系比較復(fù)雜。從而進(jìn)一步證明磁化率在特定的區(qū)域范圍內(nèi),可代表氣候隨時間變化的總體特征。韓家懋等對采自吉縣、西鋒和西寧的S1和L2的代表性樣品進(jìn)行了粒度分離,并測量了不同粒級的磁性參數(shù),其結(jié)果表明,古土壤的磁性增強,與各個不同粒級中磁性礦物的增加有關(guān),古土壤形成過程中產(chǎn)生的超順磁顆粒對磁性增強的貢獻(xiàn)似乎沒有有些文獻(xiàn)中所預(yù)測的那么重要。黃土的磁性礦物粒度表明,原始粉塵中的磁性礦物以大于1μm的粗顆粒為主(超過90%),聲稱很難想象,暖期的粉塵中含有大量細(xì)顆粒的磁性礦物而使土壤磁性增強,并認(rèn)為古土壤磁性的增強與風(fēng)化成土過程中鐵礦物的演化有關(guān)。然而,不論磁化率值指示的是堆積速度,還是成壤作用強度都具有相同的氣候意義,因此被廣泛接受用來作為黃土高原地區(qū)夏季風(fēng)強度變化的代用指標(biāo)。當(dāng)夏季風(fēng)偏強,夏季濕度偏高時,降水較多,源區(qū)和沉積區(qū)植被密度較大,土壤和粉塵中含有高濃度細(xì)粒磁性礦物,故磁化率較高,反之,降水少,源區(qū)植被稀少,粗粒粉塵快速堆積,故磁化率低。但也有人認(rèn)為,土壤磁化率作為一種氣候指標(biāo)具有局限性。最近又有人提出新的見解,他們發(fā)現(xiàn)植物中有磁性礦物存在,被焚燒后的植物灰燼具有高磁化率,而在中國河西走廊的大氣粉塵沉積中,植物碎屑的增加與粉塵磁化率的增高相一致,因此認(rèn)為植物的腐敗對古土壤磁化率增加將有重要貢獻(xiàn)。B.Maher極力反對,指出在植物被焚燒或過氧化處理之前,植物中并未測出含有磁性物質(zhì),被焚燒后,呈現(xiàn)高磁化率恰恰說明是焚燒過程導(dǎo)致了磁性礦物的合成,他仍然堅持成壤作用對磁化率的貢獻(xiàn)。對于新疆黃土與古土壤磁化率的研究到目前為止仍然很薄弱。為了解受西風(fēng)環(huán)流控制的新疆伊犁地區(qū)黃土與古土壤磁化率特征,我們分別對多個剖面近千塊樣品進(jìn)行了野外和室內(nèi)磁化率測量,事實證明,伊犁地區(qū)黃土、古土壤磁化率特征與黃土高原存在差別。1不同地區(qū)及地區(qū)黃土磁化率的特征現(xiàn)代土壤和其下黃土母質(zhì)的磁化率測量表明,就整體而言,伊犁現(xiàn)代土壤磁化率的高低與區(qū)域環(huán)境有關(guān),即草原、森林草原帶土壤磁化率高于荒漠草原(表1)。然而與黃土高原相比,馬蘭黃土磁化率普遍較高,這在古地磁樣品剩余磁化率的測量中也有明顯反映。該結(jié)果似乎與Kukla所提出的當(dāng)黃土以近源粗粒物質(zhì)為主時,其磁化率低,而以遠(yuǎn)源細(xì)粒物質(zhì)沉積為主導(dǎo)時,表現(xiàn)為高磁化率的假說不謀而合,因為伊犁地區(qū)黃土的物質(zhì)組成研究表明,形成黃土的粉塵以遠(yuǎn)源物質(zhì)為主。伊犁地區(qū)不同黃土剖面的磁化率測量也顯示,不同地區(qū)不同時段,黃土的磁化率特征不盡相同,磁化率與環(huán)境的關(guān)系比較復(fù)雜。下面將以位于不同自然帶的兩個典型黃土剖面為例來討論伊犁地區(qū)黃土與古土壤的磁化率特征。1.1古土壤層磁化率與成壤作用的關(guān)系庫爾得能布拉克剖面位于干草原地帶,海拔1400m,出露厚度17.0m。該區(qū)域地帶性土壤為栗鈣土,植被為干草原。對伊犁地區(qū)庫爾德能布拉克剖面黃土與古土壤磁化率測量結(jié)果顯示,在該剖面上,特別是剖面下部黃土與古土壤磁化率具有明顯差別。我們按20cm間隔對該剖面進(jìn)行了磁化率測量,其結(jié)果如圖1所示。根據(jù)磁化率的變化特征,可將該剖面分為上下兩個時段。上段由一層較粗的黃土和地表土壤層組成,黃土磁化率60~80,地表土壤磁化率85~110。據(jù)熱釋光測年資料,該段為末次冰期以來的沉積。就磁化率曲線的變率而言,該段顯示出較穩(wěn)定之特征,即上下磁化率變化不大。但上下部相比,仍存在由下部至上部磁化率變小之趨勢。黃土層中部還存在一個磁化率小峰對應(yīng)于弱發(fā)育古土壤層。下段由三層古土壤和三層黃土組成,最上部為一層古土壤,最下部為一層黃土。由于剖面最底部缺少測年資料,還不能確定該段的精確的形成時代,但從沉積特征推測,該段大體與黃土高原S1及其以下的離石黃土上部相當(dāng)。與上段相比,該段古土壤磁化率明顯高于黃土,形成土壤磁化率為峰、黃土為谷,峰谷相間之勢。黃土磁化率與黃土高原所測風(fēng)成粉塵的本底值接近。該段由下而上黃土磁化率由低到高,而古土壤磁化率卻由高變低。最下部古土壤的磁化率為其上黃土磁化率的兩倍多。與磁化率值由高到低的變化相對應(yīng),該段古土壤發(fā)育程度由下而上逐漸減弱。剖面最下部的古土壤層為一層復(fù)合古土壤,分為上下兩部分,對應(yīng)于磁化率曲線上的兩個峰。上半部,土壤發(fā)育程度較差,磁化率較下部古土壤為低,在結(jié)構(gòu)上與上覆黃土和下伏古土壤層呈逐漸過渡狀。下半部的土壤層發(fā)育程度較高,層次分明,又可分為三層。表層,色深,且具有較好的團粒結(jié)構(gòu),疏松;中層色偏紅,粘重,緊實,為淀積層,對應(yīng)該層磁化率出現(xiàn)最高值;最下一層色偏灰,含有較多的假菌絲體,相當(dāng)于中間淀積層,該層磁化率偏低。由此可見,磁化率值與成壤作用程度的高低有關(guān),成壤作用愈強,磁化率愈高,而且,古土壤粘粒淀積層磁化率高于其它層。相反,自剖面最下一層古土壤向上,古土壤發(fā)育程度逐漸減弱,磁化率逐漸變小,至該段最上一層古土壤,磁化率減少約40%。剖面上下段相比,下段古土壤與黃土的磁化率差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上段。反映剖面下段黃土與古土壤形成環(huán)境差別大于上部。庫爾德能布拉克剖面上段黃土磁化率增高,可能反映該段黃土形成環(huán)境的變化。孫東懷等對黃土高原黃土磁化率的研究揭示,在黃土高原東南部馬蘭黃土磁化率也有增高的趨勢。另一方面,庫爾得能布拉克剖面黃土與古土壤磁化率的變化與碳酸鹽含量密切相關(guān),古土壤層磁化率高,碳酸鹽含量低,而黃土層碳酸鹽含量高,磁化率低。由于干旱區(qū)環(huán)境的變化主要是濕度的變化,因此磁化率和碳酸鹽含量似可作為濕度變化的代用指標(biāo)。濕度增加,淋溶作用增強,碳酸鹽累積作用減弱,磁化率為高值;相反,濕度降低,淋溶作用減弱,碳酸鹽累積作用增強,磁化率為低值。1.2濕度變化與磁化率的關(guān)系則克臺黃土剖面位于荒漠草原帶,海拔850m,區(qū)域地帶性土壤為灰鈣土,年降水量和植被覆蓋度都較庫爾德能布拉克剖面所在地帶為低。剖面出露厚度21.5m,除表層土壤層外,僅在剖面下部有一層肉眼清晰可辨、顏色和質(zhì)地與黃土明顯不同的古土壤。剖面的這種宏觀特征在磁化率曲線中也基本能反映出來,但與庫爾德能布拉克剖面相比,則克臺剖面磁化率的變化較為復(fù)雜。根據(jù)測年資料,該剖面最下面的一層古土壤為S1。如圖2所示,就整體而言,則克臺剖面黃土層磁化率值偏高,末次冰期弱成壤層磁化率偏低。剖面最下層古土壤(S1)磁化率高值出現(xiàn)在該層的偏下位置,表層磁化率為低值。磁化率的變化與碳酸鹽含量反相關(guān)。顯然,如果說磁化率和碳酸鹽含量可作為濕度變化的代用指標(biāo)的話,那么則克臺剖面黃土記錄所反映的末次冰期以來的濕度變化則與東部季風(fēng)區(qū)相反,寒冷的冰段,西風(fēng)風(fēng)力增強,黃土沉積中粉沙含量增加,磁化率為高值,碳酸鹽含量相對較低,指示相對高的濕度;溫暖的間冰段和冰后期,西風(fēng)風(fēng)力減弱,弱成壤作用占優(yōu)勢,碳酸鹽積累作用增強,磁化率為低值(相對于冰段),指示濕度降低。目前世界上,多數(shù)地區(qū)磁化率的研究證明黃土較古土壤磁化率為低,但也有反例,如美國阿拉斯加和阿根廷的黃土磁化率高于古土壤。有人認(rèn)為這是因為阿拉斯加黃土為近源沉積,黃土中含有較多的粗顆粒磁性礦物。另外,Alaska為板塊接觸帶,屬優(yōu)地槽,其周圍巖石為含有鐵鎂高的超基性巖,超基性巖受風(fēng)化愈強烈,磁性愈弱,故磁化率低。而中國黃土物質(zhì)主要來源于穩(wěn)定的地臺區(qū),中酸性巖為主,受風(fēng)化愈強,磁性愈強,故古土壤高于黃土。然而最近有關(guān)西伯利亞黃土的研究又顯示,西伯利亞黃土磁化率也高于古土壤,在氧同位素2和4階段,磁性碎屑含量為0.2%,而在1、3和5階段下降為0.05%。由此看來,伊犁地區(qū)荒漠草原地帶黃土與古土壤磁化率的變化特征可能更具代表意義。就整體而言,末次冰期地處西風(fēng)區(qū)的伊犁盆地和新疆其它地區(qū)一樣,氣候是干旱的。由于寒冷的冰段蒸發(fā)量小,碳酸鹽積累作用弱,所以相對于溫暖期濕度偏高,磁化率值主要是源區(qū)碎屑中磁性礦物含量多少的反映。而溫暖的間冰段蒸發(fā)力增加,干濕季節(jié)變化明顯,次生碳酸鹽化作用增強,碳酸鹽的稀釋作用導(dǎo)致了磁化率出現(xiàn)低值。2不同類型沉積物磁化率的差異綜上所述,伊犁地區(qū)兩個黃土剖面所反映的磁化率的區(qū)域差異在一定程度上揭示了氣候?qū)Υ呕首兓目刂谱饔?但另一方面也反映了該區(qū)磁化率物理意義的復(fù)雜性。地處荒漠草原地帶的則克臺黃土剖面中馬蘭黃土的磁化率值略高于弱成壤層,末次間冰期古土壤層的上部磁化率也低于黃土,與東部季風(fēng)區(qū)相比黃土磁化率偏高;而位于草原地帶的庫爾德能布拉克剖面黃土磁化率為低值,古土壤為高值,表現(xiàn)出與東部季風(fēng)區(qū)類似的變化特點。另一方面,黃土與古土壤磁化率與碳酸鹽含量具良好的負(fù)相關(guān)性。因此,在西風(fēng)區(qū)的黃土記錄研究中磁化率和碳酸鹽含量可以作為區(qū)域濕度變化的代用指標(biāo)。寒冷的冰段蒸發(fā)量小,碳酸鹽積累作用弱,所以相對于溫暖期濕度偏高,磁化率值主要是源區(qū)碎屑中磁性礦物含量多少的反映。而溫暖的間冰段蒸發(fā)力增加,干濕季節(jié)變化明顯,次生碳酸鹽化作用增強,碳酸鹽的稀釋作用導(dǎo)致了磁化率出現(xiàn)低值。從上述兩個黃土剖面磁化率特征差異不難看出,在干旱的內(nèi)陸地區(qū)磁化率對環(huán)境變化雖然有一定指示意義,但有局限性。在假設(shè)成壤作用對磁化率貢獻(xiàn)的前提下,結(jié)合呂厚遠(yuǎn)等關(guān)于現(xiàn)代土壤磁化率隨氣候變化存在一臨界范圍的結(jié)論分析推斷,磁化率變化不僅有上限,可能也存在氣候下限。當(dāng)溫濕指標(biāo),特別是濕度低于某一值時,成壤作用對磁化率的貢獻(xiàn)很小,磁化率值的相對高低和碳酸鹽化作用有關(guān),次生碳酸鹽化作用強,磁化率值相對降低,這可能就是荒漠草原地區(qū)黃土磁化率高于弱成壤層的主要原因。而在降水較為豐富的干草原和草原地帶,由于成壤作用對磁化率的貢獻(xiàn),黃土與古土壤磁化率的變化與東部季風(fēng)區(qū)類似,黃土磁化率為低值,古土壤為高值。然而,如果用磁化率作為成壤作用強弱的標(biāo)志,那么黃土高原黃土磁化率理應(yīng)高于伊犁,特別是在黃土高原中部和東南部。事實上,伊犁地區(qū)馬蘭黃土磁化率不僅高于弱成壤層,也高于黃土高原的黃土,推測可能與粉塵物質(zhì)的不同來源有關(guān)。另一方面,說明干旱的內(nèi)陸地區(qū)晚更新世冰段與間冰段氣候的差別可能小于中更新世,也小于東部季風(fēng)區(qū)。也就是說,季風(fēng)區(qū)在受冬季風(fēng)控制的寒冷階段與夏季風(fēng)盛行的溫暖階段的氣候差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于西風(fēng)區(qū),