祁連山東段黃土-古土壤環(huán)境磁學研究

祁連山東段黃土-古土壤環(huán)境磁學研究

20世紀80年代以來，磁化率作為氣候代用指數(shù)在黃土-古土壤條件的研究中得到了廣泛應用。通過對黃土-古土壤中磁性礦物磁化率變化機制以及與全球其他記錄的對比,磁化率在黃土高原中部的研究中被廣泛作為一個東亞夏季風的代用指標,其波動指示了東亞夏季風在地質歷史時期的強弱變化。但事實上,影響磁化率強度的因素很多,其中包括磁性礦物種類、粒徑大小等。目前較為廣泛接受的磁化率反映氣候變化的基本機制是在古土壤發(fā)育時期,成壤作用導致的超順磁性顆粒的產(chǎn)生引起了土壤磁化率的增強,而黃土堆積時期較弱的成壤作用使其磁化率值降低。因此,磁化率高低的變化反映了土壤成壤強度的變化,而土壤成壤強度的大小與氣溫和降水的變化密切相關。在中國黃土高原腹地,引起氣溫降水變化的主要因素是東亞夏季風的進退。因此,磁化率作為夏季風演化的代用指標而得到了廣泛的應用。在對黃土高原和中國其他地區(qū)黃土-古土壤序列的磁化率進行研究之后,呂厚遠等建立了磁化率變化與氣溫以及降水之間的統(tǒng)計關系,并利用這種統(tǒng)計關系進一步恢復了不同區(qū)域古溫度與古降水的變化。他們發(fā)現(xiàn)在黃土高原,磁化率隨年均溫和降水量的增加而增加,而長江流域則呈現(xiàn)相反的趨勢,地處干旱區(qū)的新疆地區(qū)則變化復雜。葉瑋等對西風區(qū)黃土-古土壤的磁化率變化進行研究后指出,在新疆地區(qū),位于荒漠-草原地帶的黃土-古土壤的磁化率變化表現(xiàn)為黃土高于古土壤,與黃土高原中部地區(qū)不同;而位于草原地帶的黃土古土壤磁化率變化與黃土高原中部一致,并指出可能是濕度的變化控制了新疆地區(qū)黃土中磁化率的變化。Sun等指出對黃土磁化率做出貢獻的不僅有成壤過程中形成的超順磁性顆粒,而且本地源的較粗的磁性礦物顆粒也對磁化率作出了重要的貢獻。碳酸鹽淋溶、成壤作用、有機質分解和源區(qū)物質的貢獻都對磁化率變化作出了貢獻,任何單一的機制都無法解釋黃土高原及周緣地區(qū)的磁化率變化。最近Zhu等對西伯利亞南部黃土的磁學研究發(fā)現(xiàn),這一地區(qū)磁化率值在黃土中比在古土壤中要高,從而提出在成壤作用較小的地區(qū)黃土顆粒物中較粗的鐵磁性物質對磁化率的貢獻居于主導地位,因此粒徑較粗的黃土磁化率反而較高。Liu等對位于中國西北的蘭州九州臺和臨夏盆地的塬堡黃土沉積進行了環(huán)境磁學研究,認為區(qū)域氣候變化的模式(如暖干和冷濕的搭配)可能對磁化率的變化也可以起到相當?shù)淖饔?。對于西部地區(qū),作者在前人的基礎上深入認識干旱半干旱地區(qū)磁化率的環(huán)境意義,對于進一步認識黃土高原腹地環(huán)境代用指標及西北地區(qū)黃土環(huán)境磁學的研究都具有重要意義。1沙溝剖面磁化率的分布及年齡測定研究區(qū)位于武威市黃羊鎮(zhèn)和中路鄉(xiāng)(圖1)。在流經(jīng)武威市黃羊鎮(zhèn)的沙溝河共發(fā)育5級階地,階地上覆蓋了巨厚的黃土-古土壤序列,為進行高分辨率的環(huán)境研究提供了良好的材料。而據(jù)此不遠的中路鄉(xiāng)一天然滑坡體也為我們進行環(huán)境變化研究提供了一個天然剖面。在祁連山東段地區(qū),氣候屬半干旱—干旱區(qū)域,年降水量為150～400mm,天然植被主要是耐旱的半干旱高山類型。我們對位于祁連山東段的沙溝河最高級階地和中路鄉(xiāng)附近的黃土-古土壤系列進行了環(huán)境磁學的研究。沙溝河T5上覆黃土厚度達200m,在野外使用BartingMS-2野外磁化率儀以5cm為間隔測試磁化率值。中路剖面黃土沉積位于紅層剝蝕面上,總厚度75.5m,磁化率的測量是結合磁化率各向異性的研究同時進行的。我們對兩個剖面的年代測定都是依靠磁性地層學來進行的。通過測定,沙溝剖面黃土沉積其底部年齡約為0.83Ma,中路剖面的底部年齡約為1.4Ma(圖2)。在野外,中路剖面下部38.5m以0.5m為間隔,上部37m以1m為間隔,自下而上采集手工定向樣品,共采集樣品105塊。選取3塊定向樣品加工成2cm×2cm×2cm的標準樣品,在蘭州大學教育部西部環(huán)境重點實驗室用捷克AGICO公司生產(chǎn)的高靈敏度旋轉卡帕橋(KLY-3s)進行測試,實驗結果見圖4。2實驗結果與分析為了確定剖面中磁化率的主要攜帶礦物,我們首先進行了巖石磁學的研究。選取代表性樣品進行了三軸等溫剩磁和飽和等溫剩磁實驗。三軸等溫剩磁實驗首先在樣品的X、Y、Z軸上分別加2.2、0.4和0.12T的外加磁場,然后在熱退磁儀上加熱退磁,觀察剩磁強度的變化。熱退磁的溫度從室溫開始,先以50℃為間隔逐漸加熱到550℃,550℃以后退磁溫度分別是580、620、650和690℃。飽和等溫剩磁實驗從測量天然剩磁開始,觀察外加磁場強度逐漸加大過程中剩磁的變化。外加磁場的強度在0～100mT間以20mT為間隔,100～400mT以100mT為間隔,400～1000mT以200mT為間隔,1000mT以上以400mT為間隔,最大外加磁場為2.2T(儀器可達的最大外加磁場)。加大到2.2T以后施加反向磁場,以10mT為間隔逐步加到100mT和200mT。全部實驗在蘭州大學教育部西部環(huán)境重點實驗室完成。巖石磁學的實驗結果見圖3。從圖中我們可以看出:中路和沙溝的樣品在外加磁場達到300mT時等溫剩磁就達到飽和等溫剩磁的90%,而樣品的解阻溫度在580～600℃表明樣品中的鐵磁性物質以軟磁礦物(磁鐵礦和磁赤鐵礦)為主。雖然在580℃時高矯頑力的分量變化不大表明樣品中存在一定量的赤鐵礦,但考慮到軟磁礦物的磁化率遠高于赤鐵礦,我們認為沙溝和中路剖面黃土沉積物中主要的載磁礦物和黃土高原中部地區(qū)是一致的,即磁鐵礦和磁赤鐵礦占主導,還含有一定量的赤鐵礦。圖4為沙溝和中路剖面磁化率變化曲線,可以看出沙溝和中路磁化率的變化幅度集中在15～110之間,沙溝剖面的磁化率值整體小于中路,二者共同的特征主要有兩點:(1)磁化率變化的幅度在剖面的上部顯著大于下部,尤其在S5沉積之后;(2)無論是沙溝剖面還是中路剖面,磁化率的變化和黃土-古土壤序列的變化都不盡一致。在許多時段內,如中路剖面中S5與S4之間的L5的磁化率值反而較大,L2沉積中也呈現(xiàn)相同的特征;而沙溝剖面中雖然表現(xiàn)沒有中路剖面明顯,但類似的特征同樣存在,如L6的磁化率值要高于典型黃土高原區(qū)成壤作用最為強烈的S5,而相比S5與S4,L5同樣也是磁化率的一個相對高值區(qū)。另外,兩個剖面的變化顯示:磁化率存在一個明顯的由底部向上逐漸升高的趨勢。這些特征和黃土高原典型地區(qū)磁化率的變化之間存在著較大的差異。在此,我們對這種差異進行了一些初步的探討。3成壤作用及磁化率分布的特征依據(jù)結合我們的巖石磁學研究和前人對黃土高原典型區(qū)域黃土巖石磁學的研究,我們認為祁連山東段影響黃土磁化率的鐵磁性礦物種類和黃土高原典型地區(qū)沒有差異。這樣,因為磁性礦物差異導致的磁化率變化在本區(qū)域應該是不存在的。而研究區(qū)由于地處西北內陸干旱-半干旱地區(qū),降水稀少,碳酸鈣淋溶作用在這一地區(qū)不大強烈,碳酸鈣的稀釋作用對磁化率的影響也是較弱的,這種稀釋作用在西北干旱—半干旱地區(qū)磁化率的變化中應當不是起主導作用的因素。同時,降水較少,氣候干旱,成壤作用微弱,土壤中超順磁性顆粒的產(chǎn)生可能很少。剖面中黃土-古土壤序列和磁化率峰、谷值的不相匹配同樣暗示由于成壤作用引起的超順磁性顆粒增大導致的磁化率增強在研究區(qū)可能并不成立。巖石磁學的研究表明,引起磁鐵礦磁化率增強的粒度集中在兩個范圍內,一是粒徑<0.05μm的超順磁性顆粒,另外一組則集中在30～50μm之間。對典型黃土高原來講,粒度<0.05μm的超順磁性顆粒是引起黃土-古土壤系列磁化率變化的主導因素,而對緊鄰黃土沉積源區(qū)的祁連山東段地區(qū)而言,更新世以來,隨著東亞冬季風勢力的逐步增強,沉積物粒度逐漸變粗,其中所含的粗顆粒的磁鐵礦含量可能較大,從而對磁化率作出了主要貢獻,并控制著磁化率的變化。這可能就是我們兩個剖面中磁化率由底部向上逐漸增大的原因,雖然細節(jié)的對比可能存在困難,部分原因可能是在古土壤強烈發(fā)育的時期細粒的物質也會發(fā)生一定的作用從而使磁化率的變化更為復雜。同樣的磁化