黃土中rb、sr和rbsr的測定及其古環(huán)境意義

黃土中rb、sr和rbsr的測定及其古環(huán)境意義

許多事實表明，新世的氣候是不穩(wěn)定的。所謂的“大暖期”也經(jīng)歷了強烈的氣候變化。許多學者已經(jīng)注意到黃土高原南部發(fā)育有含多層古土壤的全新世風成黃土層,并就其古氣候意義進行了一定的研究,揭示了黃土高原南部全新世季風氣候變化特征及對全球變化的響應。Rb,Sr元素屬于分散元素,在表生環(huán)境中有獨特的地球化學行為,國內(nèi)外都有學者對其在表生風化過程中及黃土風化成壤過程中的遷移演化規(guī)律進行了研究,并試圖將其作為一種氣候替代指標來揭示第四紀古季風演化規(guī)律。通過對陜西岐山五里鋪全新世黃土剖面Rb、Sr元素分布的研究,本文著重討論全新世溫暖氣候的大背景下,黃土剖面中Rb、Sr元素分布特征與黃土—古土壤序列的聯(lián)系;Rb、Sr元素含量變化對黃土成壤的指示作用以及其作為氣候替代指標的可能性;Rb、Sr元素分布所反映的黃土高原南部全新世氣候的變化規(guī)律。1土壤條件結構特點表3在對黃土高原南緣的全新世黃土進行了多次野外調(diào)查的基礎上,本文選擇岐山縣五里鋪剖面作為全新世黃土的代表剖面。該剖面處在平坦的黃土高原塬面,風塵堆積和成壤時期地面比較穩(wěn)定,堆積了較深厚的地層,保存了比較完整的環(huán)境變化信息。五里鋪剖面位于陜西省岐山縣縣城東約2.5km的五里鋪村南側(107°39′E,34°27′N),黃土剖面自然出露厚度達到4m以上。該剖面全新世的黃土—土壤序列發(fā)育完整,各層間界線清晰,表現(xiàn)為多層埋藏土壤夾多層黃土的結構形式。剖面自上而下依次為:(1)黃土層(L10,0～48cm),其中近地表的20cm厚為現(xiàn)代耕作土壤;(2)埋藏土壤(S10,48～130cm),濁紅棕色(5YR4/4),粘土質(zhì)粉砂質(zhì)地,其中在90～110cm之間出現(xiàn)一層濁橙色黃土狀夾層;(3)黃土層(L20,130～160cm),濁橙色(7.5YR6/6),粉砂質(zhì)地,與上下層古土壤界限清楚;(4)埋藏土壤(S20,160～262cm),濁紅棕色(5YR5/4),粘土質(zhì)粉砂,其中在190～200cm段現(xiàn)一層橙色的黃土狀夾層;(5)過渡層(Lt,262～280cm),橙色(7.5YR6/6),具弱成壤特征;(6)馬蘭黃土(L1,280cm),濁黃澄色(10YR6/4),粉砂質(zhì)地,為典型的風成馬蘭黃土。五里鋪黃土剖面的這種結構序列可在區(qū)域上與眉縣清湫村和渭南北莊村等進行良好的對比。2土壤rb、sr和磁化率的變化規(guī)律在野外對剖面進行詳細觀察分析的基礎上,為了獲得較高的氣候事件分辨率,對剖面進行了系統(tǒng)取樣。從地表開始,向下每隔2cm連續(xù)采樣,至馬蘭黃土頂部,共取得160個樣品。這些樣品經(jīng)室內(nèi)風干后,對每個樣品同時進行磁化率測試、粒度分析和Rb、Sr含量分析。磁化率用WCL—1型磁化率儀測定。粒度分析采用比重計法。Rb、Sr用原子吸收方法進行分析。取樣品50g在瑪瑙缽內(nèi)研至200目以下,并將其混均勻,從中取出1g溶解進行分析。在分析過程中加入了檢測樣品進行質(zhì)量控制,檢測結果表明符合實驗要求,分析精度達到預定要求。各種分析數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果見表1。為了清楚的顯示Rb、Sr含量在剖面上的變化趨勢,筆者采用了三點等權滑動平均法進行計算。通過對Rb、Sr和磁化率測試結果的統(tǒng)計分析(見表1和圖1),可以看出五里鋪剖面Rb、Sr元素的分布有下列顯著特征:①黃土層中銣、鍶含量普遍高于古土壤,但銣含量變化幅度一般小于鍶。表現(xiàn)為:剖面中黃土層Rb平均為58(×10-6),古土壤中Rb平均含量為54(×10-6),變化幅度平均為6.9%。而Sr在不同層位的含量變化比較大,黃土層中Sr含量顯著高于古土壤,黃土層Sr含量為55(×10-6),古土壤中Sr平均僅35(×10-6),含量變化幅度達36.4%。其中黃土中最高達78(×10-6),而古土壤中最低僅17(×10-6)。②剖面中不同層位的Rb/Sr比值變化也十分明顯,古土壤Rb/Sr值顯著高于黃土。這種差異表現(xiàn)為黃土中Rb/Sr值平均為1.16,古土壤為1.50,變化幅度平均29.3%,其中黃土中最低僅0.72,而古土壤中最高達3.24。將表1中數(shù)據(jù)與圖1結合起來分析,可清楚地看出,五里鋪剖面中Rb、Sr含量和Rb/Sr值的變化幾乎與黃土—古土壤變化同步發(fā)生,并可與黃土—古土壤變化旋回極好地對應起來。每一個黃土—古土壤旋回都可在Rb、Sr含量、Rb/Sr值上得到不同程度的反映。進一步對比發(fā)現(xiàn),Rb、Sr、Rb/Sr值的變化曲線不僅可與磁化率、粒度變化曲線進行良好的對比,而且在某些層段的變化比磁化率更加明顯,能顯示出更次一級的氣候變化特征,因而具有更高的分辨率,對黃土和古土壤具有良好的區(qū)別能力。3討論3.1不同種類風積物在土壤中的淋溶作用許多學者的研究結果認為,巖石在風化成壤過程中,Rb、Sr元素的地球化學行為有所不同,Rb/Sr比值大小與風化程度呈明顯的正相關關系。洛川黃土Rb/Sr值與黃土成壤程度密切相關,可指示夏季風強弱變化情況。從Rb+的地球化學特征看,離子半徑較大(147pm),和K+(123pm)比較接近,在自然界中常常以類質(zhì)同像的形式賦存在鉀長石、云母等富含鉀的礦物中。在表生風化過程中,這些礦物被分解并釋放出Rb,被釋放的Rb很容易被富含K的粘土所吸附,致使被釋放的Rb大部分滯留在原層內(nèi),只有一小部分隨土壤溶液或地表水并以懸浮膠體狀態(tài)進行遷移或淋溶。這就決定了在風化成壤過程中Rb不可能有十分強烈的淋溶遷移。事實上,盡管Rb在剖面中出現(xiàn)一定的變化,但變化幅度并不大(見圖1),遠遠小于Sr的變化幅度。Sr2+離子半徑(112pm)介于Ca2+(99pm)和K+(123pm)之間,其在表生環(huán)境中的地球化學行為更相似于Ca2+。在自然界中常常以微量元素形式進入鉀長石、斜長石、角閃石、云母等硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物中。在風化成壤過程中,這些含Sr的硅酸鹽礦物被分解并釋放出Sr。盡管與Rb類似,釋放出的Sr能被粘土所吸附而滯留在原地,但由于Sr2+的離子半徑較小,呈現(xiàn)與Ca2+十分相似的地球化學行為,較容易以游離鍶的形式(主要以碳酸鹽形式)隨土壤溶液或地表水進行遷移,結果導致地層中大量的鍶被淋溶。顯然,在濕潤環(huán)境下的黃土風化成壤過程中,Sr元素表現(xiàn)出被Rb更強烈的活動性,更易于顯示淋溶現(xiàn)象。事實上,剖面中黃土與古土壤間Sr含量的變化幅度(24.45%)遠遠大于Rb(平均6.89%)。由此可見,正是這樣的機理導致了黃土剖面中Rb與Sr元素的分離,也是五里鋪剖面中Rb/Sr值發(fā)生有規(guī)律變化的真正原因。進一步分析發(fā)現(xiàn),剖面中Rb/Sr值變化與Sr含量變化呈現(xiàn)顯著的正相關關系(見圖2),但Rb/Sr與Rb含量間無顯著的相關關系,也證實了上述認識。眾所周知,風積物在黃土高原堆積之后,不停地進行著風化成壤作用。在黃土地層形成時期,冬季風比較強盛,氣候干冷而降雨量較少,化學風化及成壤作用很弱,表現(xiàn)為風塵堆積作用占絕對優(yōu)勢。而在古土壤形成時期,夏季風盛行、氣候溫暖濕潤,風化成壤作用占絕對優(yōu)勢,致使風積物中含Rb、Sr的礦物變得不穩(wěn)定發(fā)生分解而釋放出Rb、Sr元素,Rb、Sr元素呈現(xiàn)不同程度淋溶或富集的地球化學行為。如前所述,在成壤時的濕潤環(huán)境中,Rb元素表現(xiàn)為相對弱的淋溶,而Sr表現(xiàn)為比較強的淋溶作用,導致古土壤中出現(xiàn)較高的Rb/Sr值。陳駿等認為,Sr在黃土的風化成壤過程表現(xiàn)為淋溶,其含量隨著風化成壤強度的增加而降低,這也支持了上述認識。通過上述分析,不難得出這樣的認識,在黃土高原這一特殊的環(huán)境中,Rb、Sr、Rb/Sr值變化實際反映了風積物在風化成壤過程中Rb、Sr的淋溶程度。因此,利用Rb、Sr、Rb/Sr值在黃土—古土壤剖面中的變化情況就能較可靠地區(qū)別黃土層與古土壤層。也就是說,相對高的Rb、Sr和低Rb/Sr值指示黃土層,而相對低的Rb、Sr及高的Rb/Sr值指示古土壤層。風積物在風化成壤過程中物質(zhì)的淋溶強度與當?shù)啬昃涤炅亢蜌鉁赜嘘P,降雨量的大小又是夏季風強度主要標志之一,顯然,Rb、Sr、Rb/Sr值又可作為夏季風強度或降雨量的替代指標。但是,利用Rb、Sr、Rb/Sr值來定量的恢復降雨量和年均溫度尚需作進一步的深入研究。據(jù)此理論基礎,我們就可依據(jù)Rb、Sr、Rb/Sr值的變化來間接的揭示全新世氣候變化規(guī)律。3.2不同氣候變化事件的時域演化將五里鋪剖面的Rb、Sr、Rb/Sr值變化曲線與磁化率、粒度曲線相比較,可發(fā)現(xiàn)它們的變化趨勢十分相似,并且都與黃土層、古土壤層的交替變化相呼應。磁化率和粒度目前被認為是較好的氣候替代指標,五里鋪剖面上Rb、Sr、Rb/Sr值曲線與它們基本一致的現(xiàn)象,說明Rb、Sr、Rb/Sr值完全可以作為氣候替代指標。從五里鋪剖面Rb、Sr、Rb/Sr值分布看,其作為氣候替代指標有明顯的優(yōu)點,那就是比磁化率、粒度似乎更敏感,可達百年級的時間分辯率,可揭示更豐富的古環(huán)境信息。例如,在古土壤S10中90～110cm間出現(xiàn)的黃土夾層,在Rb、Sr、Rb/Sr值曲線清楚的顯示出來,而在磁化率曲線上幾乎未顯出,在粒度曲線上雖有所顯示,但不十分清楚。在古土壤S20中190～200cm間出現(xiàn)的黃土夾層,在Rb、Sr、Rb/Sr值曲線顯示十分清楚,粒度曲線上也清楚的顯示出來,但磁化率曲線上幾乎未顯出。在Rb、Sr、Rb/Sr值、粒度曲線上130～160cm呈現(xiàn)明顯的窄峰區(qū),這與野外觀察的剖面上130～160cm間出現(xiàn)的薄層黃土夾層相對應,但在磁化率曲線上卻呈較寬的低值區(qū)。就五里鋪剖面來講,這就會使磁化率曲線上該階段所反映的干旱時間范圍被擴大了(其原因有待進一步研究)。這也提示我們,在利用黃土研究全新世氣候時,應多種氣候替代指標結合起來使用,可進行互相校正,單一的氣候替代指標可能會使某些事件被擴大或縮小而偏離實際情況。根據(jù)上述討論,將Rb、Sr含量、Rb/Sr值、磁化率、粒度曲線及野外地層觀察結果綜合起來分析,可以得出這樣的認識:黃土高原南部在全新世時期的氣候是不穩(wěn)定的,其中所謂的“全新世大暖期”也不是一個穩(wěn)定、連續(xù)的溫暖濕潤期,其間存在著至少一次較強的干旱和風力堆積期(L20)。據(jù)研究,其時代應該在6000～5000aBP。這就使全新世大暖期表現(xiàn)為兩個主要的成壤期(S10、S20)?？梢?黃土高原南部全新世地區(qū)自然環(huán)境發(fā)生了數(shù)次幅度較大的變化。這些變化從早到晚依次表現(xiàn)為:全新世初期,冬季風較強,區(qū)內(nèi)發(fā)生黃土沉積(Lt);夏季風盛行,形成較厚古土壤(S20),其間出現(xiàn)過短暫的氣候干旱并伴隨薄層的黃土沉積;冬季風再次明顯轉(zhuǎn)強,形成較薄但清楚的黃土層(L20);夏季風再次盛行,形成較厚古土壤(S10),其間出現(xiàn)過短暫的氣候干旱并伴隨薄層的黃土沉積;冬季風再次轉(zhuǎn)盛,形成黃土堆積(L10)。本文未對全新世以來這些氣候變化事件發(fā)生的確切時間進行深入研究。據(jù)黃春長、朱四光等研究成果,黃土高原南部的全新世剖面中,Lt指示的過渡時期與新仙女木事件相當,大致在11000～10000aBP。L20黃土層的下限在6000aBP左右,上限5000aBP左右。L10黃土層下限在3100aBP左右。也就是說,S02代表的氣候濕潤時期出現(xiàn)在10000～6000aBP。L02指示的區(qū)域性氣候干旱或惡化事件大致發(fā)生在6000～5000aBP。S01代表的氣候濕潤時期發(fā)生在5000～3100aBP。L01指示的氣候相對干旱期大致發(fā)生在3100～1500aBP。其中大暖期處于8500～3100aBP,氣候波動變化顯著,最為溫暖濕潤的階段在8500～6000aBP。4土壤有機碳元素及氣候替代指標的應用全新世黃土剖面的Rb、Sr含量、Rb/Sr值可以作為氣候替代指標。相對高的Rb、Sr含量及低Rb/Sr比值指示黃土層,而相對低的Rb、Sr含量及高的Rb/Sr比值指示古土壤層。五里鋪剖面中,Rb、Sr、Rb/Sr值作為氣候替代指標似乎比磁化率更靈敏,可達百年的時間分辯率。在