黃土高原的晚新生代風(fēng)沙堆積序列及其環(huán)境意義

黃土高原的晚新生代風(fēng)沙堆積序列及其環(huán)境意義

國內(nèi)外科學(xué)家對(duì)中國第四系黃土-古土壤條件的地層學(xué)、年表科學(xué)和氣候科學(xué)進(jìn)行了大量系統(tǒng)而深入的研究。最近，對(duì)黃土-古土壤條件下的紅粘土序列進(jìn)行了不同程度的研究。初步研究表明，紅粘土層的研究主要集中在該層上的大量秦漢化石，但隨著研究的積累和深化，人們注意到了紅粘土風(fēng)成的重要性。這些研究人員在分布、地層結(jié)構(gòu)、沉積學(xué)、化學(xué)和礦物組成特征等方面提供了大量證據(jù)來解釋紅粘土的風(fēng)成。此外，還明確指出，紅粘土和上層第四紀(jì)黃土是亞洲季風(fēng)氣候的產(chǎn)物。晚第三系紅粘土和第四紀(jì)黃土-古土壤條件組成了洛杉磯高原晚代沉積物的厚度約為200-300米的厚清除。這種序列的連續(xù)性、完整性和分辨率在陸地沉積層中是獨(dú)一無二的。這種起源與太陽輻射、全球冰和青藏高原的上升等氣候因子密切相關(guān)。因此，晚代土壤沉積群落和氣候記錄的研究具有明顯的重要性。在第四紀(jì)黃土-古土壤序列的磁性地層研究取得基本一致的認(rèn)識(shí)之后,近年來展開了對(duì)第三紀(jì)風(fēng)成紅粘土序列的磁性地層年代學(xué)和古氣候氣候記錄研究[2,4～6].由于所選剖面和退磁方法的不同,研究結(jié)果之間存在著差異.例如,用熱退磁對(duì)西峰剖面測(cè)量的磁性地層結(jié)果與用交變退磁測(cè)量的佳縣剖面的結(jié)果存在較明顯差異.為此,筆者在董志塬中部選擇了與巴家咀平行的趙家川剖面按10cm間距采集古地磁樣品,并與原西峰巴家咀剖面的平行樣品一起在英國利物浦大學(xué)的超導(dǎo)磁力儀上完成了全部測(cè)量,結(jié)果證實(shí)我們?cè)趪鴥?nèi)對(duì)西峰剖面的磁性測(cè)量是完全正確的.在這些工作的基礎(chǔ)上,我們?cè)噲D選擇包括第四紀(jì)黃土和晚第三紀(jì)紅粘土在內(nèi)的完整剖面,確認(rèn)中國黃土高原風(fēng)塵堆積開始的年代,并建立晚新生代風(fēng)塵序列的磁性地層年代標(biāo)尺和夏季風(fēng)氣候變化的時(shí)間序列.1地層結(jié)構(gòu)及古土壤質(zhì)鄭紹華和岳樂平等先后在麟游和靈臺(tái)發(fā)現(xiàn)了含100多個(gè)沉積-成壤旋回的紅粘土記錄,靈臺(tái)剖面尤其是一厚度大、剖面完整的風(fēng)塵堆積序列,是進(jìn)行晚新生代磁性地層和古氣候研究較為理想的記錄.剖面位于甘肅省平?jīng)龅貐^(qū)靈臺(tái)縣以南約13km的任家坡(35°04′N,107°39′E)(圖1).全剖面厚近300m,頂部為現(xiàn)代耕作層和全新世黃土和黑壚土,風(fēng)塵序列下伏砂巖.第四紀(jì)黃土厚170m,地層結(jié)構(gòu)與黃土高原其他剖面大體一致,其中S5以上厚37.45m,S5-L9厚23.55m,L9-L15厚27m,L15-黃土/紅粘土界線厚度為82m.第四紀(jì)地層中黃土一般為灰黃色,古土壤發(fā)育中等,顏色灰褐色-褐紅色不等.相對(duì)于洛川、西峰及西安的地層而言,鈣質(zhì)結(jié)核不甚發(fā)育;L9以上的古土壤層幾乎未見鈣結(jié)核層,只有零星的小結(jié)核個(gè)體分布;L9以下的古土壤層下鈣結(jié)核層發(fā)育較好,厚度0.2～1.5m不等,與其他剖面相比,古土壤的層序也較清楚,午城黃土的地層結(jié)構(gòu)較為清晰.紅粘土地層厚近126m,由顏色較深、成壤較強(qiáng)的上部和顏色以淺紅黃色為主的下部組成.整個(gè)剖面由7個(gè)淺紅色黃土組合與7個(gè)古土壤組合組成7個(gè)大的堆積-成壤旋回,每一黃土或古土壤組合一般由10～20層不等、厚度約0.3～0.6m的堆積-成壤單元組成,大多數(shù)單元下發(fā)育鈣結(jié)核層,其中紅粘土序列中部和上部的鈣結(jié)核層發(fā)育較好.紅粘土全剖面共發(fā)育112層結(jié)核層.紅粘土上部的4個(gè)古土壤組合的成壤作用最強(qiáng),其顏色為紅褐色,粘粒膠膜及鐵錳膠膜較發(fā)育,下部3個(gè)旋回的古土壤的成壤作用相對(duì)較弱,底部20m地層顯示的成壤作用最弱.紅粘土下伏湖相粘土質(zhì)砂巖.對(duì)全剖面以20cm的間距采集定向古地磁樣品近1500塊,以2.5或5cm的間距采集粉末樣品共12000個(gè).2熱退磁和剩磁測(cè)量將野外采取的定向塊樣在實(shí)驗(yàn)室切割成邊長(zhǎng)為2cm的定向立方體,并將每一深度樣品加工為兩個(gè)平行樣品用于古地磁測(cè)量.首先測(cè)量高、低頻磁化率和天然剩磁,然后按50℃的間隔自室溫至500℃或600℃進(jìn)行系統(tǒng)熱退磁,并測(cè)量每一步退磁后的剩磁.古地磁測(cè)量全部在英國利物浦大學(xué)地磁實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,熱退磁儀為英國MagneticMeasurement公司生產(chǎn)的MMDT1型全自動(dòng)熱退磁儀,退磁的升溫、持續(xù)及降溫由微電腦控制,加熱退磁與冷卻在同一退磁室內(nèi)完成.剩磁測(cè)量在德國生產(chǎn)的FIT型超導(dǎo)磁力儀上進(jìn)行,其測(cè)量精度為場(chǎng)10-11Am2/kg.熱退磁和剩磁測(cè)量皆在零磁場(chǎng)空間內(nèi)進(jìn)行.在表明退磁結(jié)果的正交矢量投影圖上,幾乎所有樣品的剩磁都有兩個(gè)分量.其中可視為次生磁滯剩磁的第1個(gè)分量的方向與現(xiàn)代地磁場(chǎng)方向基本一致,且大多數(shù)樣品在200℃以下它可被完全清洗.有些樣品第1分量被完全清洗的溫度稍高,有時(shí)可達(dá)300℃.第2分量在200℃以后保持基本穩(wěn)定,并在退磁投影圖上趨于原點(diǎn),顯然代表了樣品原生剩磁的矢量方向.對(duì)各退磁溫度下原始剩磁的矢量作平均獲得樣品的原生剩磁的磁偏角和磁傾角,其中少量原始剩磁強(qiáng)度較小的樣品在退磁溫度升高到500℃以后測(cè)量數(shù)據(jù)有較多的噪音,因而作矢量分析時(shí)加以剔除,退磁投影圖的基本特征與西峰巴家咀紅粘土樣品類似.3兩組患者的caen和mammolh亞時(shí)圖2示出了靈臺(tái)剖面的古地磁結(jié)果及Cande和Kent的古地磁年代序列.可以看出,它們有較好的可比性,其中第四紀(jì)黃土-古土壤序列的古地磁結(jié)果與以前其他剖面的研究基本一致.B/M界線位于54.4m處,Jaramillo亞時(shí)位于69.17～74.53m處,Olduvai亞時(shí)位于129.3～137.1m處,Reunion亞時(shí)位于137.1～137.9m處,M/G界線位于165.9m處紅粘土底界以上1.5m處的午城黃土中.位于B/M界線以下的3個(gè)正極性樣品所代表的極性事件可能為前B/M事件.紅粘土序列的磁性地層與年代序列也表現(xiàn)出良好的可比性.由圖可見,紅粘土磁性地層與磁性年表對(duì)比方案是較明確的.序列上部169.5～199.72m的正極性為Gauss時(shí),其間的兩個(gè)段分別為Kaena和Mammoth亞時(shí);199.72～262.75m的負(fù)極性為Gilbert時(shí),其間的4個(gè)正極性段分別相當(dāng)于Chrons3n中的4個(gè)正極性事件;262.57～268.62m和272.45～275.9m的正極極性段分別與Chron3An1n和3An2n對(duì)比.相應(yīng)地,275.9～285.95m的負(fù)極性段與3Ar對(duì)比,接著的285.95～286.55m的正極性段與3Bn對(duì)比.紅粘土剖面的底部結(jié)束在3Bn正極性段內(nèi).對(duì)地磁極性界限點(diǎn)之間的樣品點(diǎn)以粒度作為沉積速率的指示進(jìn)行線性內(nèi)插分別獲得它們的年代.同樣,根據(jù)相鄰地層的沉積速率對(duì)剖面頂?shù)椎膬蓚€(gè)磁性界線以外的樣品點(diǎn)外推,可計(jì)算出紅粘土頂?shù)椎哪甏?從而得到全剖面的年代標(biāo)尺.用這一方法獲得的靈臺(tái)剖面風(fēng)塵堆積序列的的底界的年齡大約為距今7.2Ma.根據(jù)古地磁界限年齡和深度,可獲得靈臺(tái)剖面所記錄的最近7.2Ma年黃土高原風(fēng)塵的堆積速率變化.它同樣揭示出距今約3.2Ma是風(fēng)成堆積速率顯著增加的界線,這與對(duì)西峰和西安剖面研究所發(fā)現(xiàn)的這一時(shí)期以后風(fēng)塵沉積通量的增加是一致的.靈臺(tái)剖面第四紀(jì)黃土-古土壤序列磁化率變化范圍為20～310單位(10-8m3/kgSI)(見圖3).以L15的磁化率最低,S5的磁化率最高,與其他第四紀(jì)黃土-古土壤序列的磁化率曲線一樣,以每個(gè)黃土-古土壤組合為旋回而周期性的波動(dòng),這種周期性的變化在該剖面上表現(xiàn)得更為明顯.古土壤的磁化率在最近2.6Ma的第四紀(jì)表現(xiàn)出明顯的長(zhǎng)波變化,一般以高磁化率值古土壤開始到低磁化率值黃土結(jié)束,然后快速升高開始下一個(gè)長(zhǎng)周期.在近170m厚的第四紀(jì)黃土-古土壤序列中似存在著3個(gè)這樣的周期,它們開始和結(jié)束的深度分別為170～85m,85～39m及39～0m.紅粘土的磁化率值范圍為30～250單位,比第四紀(jì)的黃土-古土壤序列變化范圍稍小,它在全剖面上的變化趨勢(shì)與第四紀(jì)不同,磁化率值階段性地增加,到紅粘土序列的頂部達(dá)到最高值.在近130m厚的紅粘土序列中存在七個(gè)與古土壤組合相對(duì)應(yīng)的磁化率峰帶,它們的中心位置分別位于172,188,193,215,244,267和280m深度處.磁化率變化的另一個(gè)特點(diǎn)是在每一個(gè)較大的古土壤組合和黃土組合中存在以較小堆積-成壤旋回為單位的短周期波動(dòng),短周期相對(duì)應(yīng)厚度約為0.3～0.6m.4討論和理解4.1晚中和上新世和上新世東亞冬、夏對(duì)比風(fēng)塵堆積的古氣候研究業(yè)已闡明,黃土高原的風(fēng)成黃土-古土壤序列是東亞冬、夏季風(fēng)變遷的產(chǎn)物,其中黃土是東亞冬季風(fēng)強(qiáng)盛期的風(fēng)塵堆積物,古土壤是夏季風(fēng)優(yōu)勢(shì)期的產(chǎn)物.對(duì)紅粘土序列的研究表明,以淺紅色黃土和紅粘土(紅色古土壤)交替出現(xiàn)為特征的風(fēng)成紅粘土序列的風(fēng)塵堆積速率及磁化率變化,也分別間接地指示了晚中新世和上新世東亞冬、夏季風(fēng)氣候變遷的歷史.對(duì)比靈臺(tái)剖面、西峰剖面和西安段家坡剖面以及其他地區(qū)風(fēng)成堆積序列,它們具有大體一致的磁化率序列,而靈臺(tái)剖面較完整地記錄了晚新生代東亞古季風(fēng)成壤旋回的頻繁波動(dòng).靈臺(tái)剖面上風(fēng)塵堆積序列底界年齡約為7.2Ma.從這一序列的代表性來看,這一年齡可能標(biāo)志著中國西北明顯干旱化和黃土高原風(fēng)成堆積的開始.如果認(rèn)為中國中部風(fēng)成堆積-成壤序列與東亞古季風(fēng)的形成、發(fā)展和青藏高原隆升密切有關(guān),這也許表明青藏高原在7.2Ma時(shí)已達(dá)到了引起東亞大氣環(huán)流有意義的高度,同時(shí)指示著東亞古季風(fēng)環(huán)流的基本建立.與印度季風(fēng)記錄的結(jié)果基本一致.在黃土高原的風(fēng)塵堆積從7.2Ma開始發(fā)育可能也揭示了全球冰量擴(kuò)展,特別是極地冰蓋發(fā)育對(duì)東亞冬季風(fēng)環(huán)流和黃土高原風(fēng)塵土堆積發(fā)育的作用.不同剖面一致顯示的黃土高原的風(fēng)塵堆積速率在3.2Ma以后顯著增大,這與這一時(shí)期全球尤其是北半球冰量的明顯增加相對(duì)應(yīng),同樣反映了冰量對(duì)東亞冬季風(fēng)和風(fēng)塵堆積的影響.4.2磁化率時(shí)間序列對(duì)比靈臺(tái)剖面、西峰剖面和西安剖面的古土壤組合特征和磁化率古氣候記錄曲線可以看出,雖然對(duì)比每一單層古土壤是很困難的,但各剖面上大的古土壤組合的對(duì)應(yīng)關(guān)系是很明確的,這在磁化率曲線上也表明得十分清楚.從地層來看,整個(gè)紅粘土序列由7個(gè)大的古土壤組合及與之相間紅色黃土層組成,其中7個(gè)古土壤組合對(duì)應(yīng)于磁化率曲