科爾沁南緣黃土rb-sr的古氣候意義

科爾沁南緣黃土rb-sr的古氣候意義

隨著我國陸地沙漠日益嚴(yán)重，沙害頻繁，旱干半干旱地區(qū)環(huán)境變化越來越受到重視。近年來,對(duì)位于東亞季風(fēng)區(qū)的毛烏素、渾善達(dá)克等沙地的第四紀(jì)地層、古氣候變化及沙漠化做了大量的研究工作[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。然而,有關(guān)我國東北平原區(qū)內(nèi)幾個(gè)大型沙地第四紀(jì)氣候變化及其環(huán)境響應(yīng)過程的研究仍比較薄弱。我國東北地區(qū)位于東亞季風(fēng)區(qū)的北部,受阿留申低壓、西伯利亞高壓的控制,具有典型的氣候環(huán)境敏感性和生態(tài)脆弱性。其中的科爾沁沙地近年來沙化程度也日趨嚴(yán)重(圖1),雖然開展了一些研究工作,但是由于出發(fā)點(diǎn)及采用的技術(shù)手段不同,從而導(dǎo)致目前對(duì)沙地的形成時(shí)代、氣候環(huán)境演化過程及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制等仍存在較大的爭議。近幾十年來,風(fēng)成黃土-古土壤序列揭示的不同時(shí)間尺度東亞環(huán)境和氣候演化特征對(duì)于理解地球表層系統(tǒng)的變化、尤其是長時(shí)間尺度東亞季風(fēng)氣候變化提供了科學(xué)依據(jù)。作為古氣候變化研究重要的載體之一,東北地區(qū)的赤峰、庫倫和奈曼等地分布有大量的風(fēng)成黃土,這為認(rèn)識(shí)第四紀(jì)以來長時(shí)間尺度氣候變化及環(huán)境演變過程提供了可能,但有關(guān)該地區(qū)黃土/沙漠第四紀(jì)環(huán)境演化的研究工作還比較少[11,20,21,22,23,24]。本文在多次野外考察的基礎(chǔ)上,選擇位于科爾沁沙地南緣兩個(gè)典型的黃土-古土壤沉積序列進(jìn)行Rb、Sr地球化學(xué)特征分析。同時(shí),結(jié)合兩剖面的粒度、磁化率和碳酸鹽含量變化特征,對(duì)Rb、Sr記錄的晚第四紀(jì)科爾沁沙地氣候環(huán)境演化特征進(jìn)行了討論,以期對(duì)這一地區(qū)在地質(zhì)時(shí)期的氣候環(huán)境演化過程有所了解。1沙地的自然概況我國東北地區(qū),位于歐亞大陸東緣,東臨日本海,西接內(nèi)蒙古高原,包括黑、吉、遼三省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部四盟/市(38°40′～53°30′N、115°05′～135°02′E),地跨寒溫帶、溫帶和暖溫帶3個(gè)氣候帶,為典型的大陸性季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)最大的沙地——科爾沁沙地,主要分布于西遼河流域,面積約4萬km2(圖1)。以沙坨地與草甸地相間分布以及河流與湖泊鑲嵌分布為主要特征,整個(gè)沙地為海拔高度為250～500m的波狀起伏平原?，F(xiàn)代年平均溫度3～7℃,年降水量343～451mm;年蒸發(fā)量2000mm以上,為降水量的6～7倍;年平均風(fēng)速3.5～4.5m/s,最大風(fēng)速19～31m/s,且主要集中于春冬兩季。冬季受蒙古冷高壓控制,盛行偏西或偏北風(fēng),夏季為大陸低氣壓和副熱帶高壓控制,以偏南和西南風(fēng)為主。本文所選擇的平安村(42°37′N、121°15′E,海拔500m)和庫倫溝(42°43′N、121°41′E,海拔385m)兩剖面相距約20km,均位于科爾沁沙地南緣庫倫旗的同一黃土殘塬上(圖1),分別厚約14.7和10.2m,剖面沉積序列主要為砂質(zhì)黃土-古土壤互層,詳見文獻(xiàn)。2測試方法和結(jié)果討論以20cm為間距進(jìn)行了Rb、Sr含量測試,所有樣品均在南京大學(xué)現(xiàn)代分析中心完成。具體方法為:先將樣品在105℃下烘干4h,取約5g樣品用瑪瑙研鉑磨至200目以下并壓制成圓片,在瑞士ARL-9800X熒光光譜儀上測試,測量誤差≤1×10-6。其次,以5cm為間隔進(jìn)行了磁化率和粒度測試,以15～20cm為間隔進(jìn)行了碳酸鹽(CaCO3)含量測試。磁化率采用英國Bartington公司生產(chǎn)的MS2型磁化率儀進(jìn)行測定;粒度測試?yán)糜鳰alvern公司生產(chǎn)的Mastersize-S激光粒度儀進(jìn)行測量,采用較為徹底的前處理方法;碳酸鹽(CaCO3)含量的測試詳見文獻(xiàn)。同時(shí),我們還在剖面上不同層位采取了光釋光年代樣品,進(jìn)行了光釋光(OSL)年代測定,共獲得光釋光年代數(shù)據(jù)17個(gè)。具體測試方法及結(jié)果討論詳見文獻(xiàn),可以確定平安村和庫倫溝剖面均為晚第四紀(jì)以來的沉積?；卺尮饽甏偷貙犹卣鲗?duì)比,平安村剖面發(fā)育了S2、L2、S1和部分L1地層,庫倫溝剖面發(fā)育了L3、S2和部分L1地層,缺失L2、S1和部分L1地層。3平安村和庫倫溝剖面的srb/pb-caco3如表1和圖2、3所示,平安村和庫倫溝兩剖面黃土-古土壤的Rb、Sr含量基本上表現(xiàn)出與黃土高原相一致的特征。兩剖面的Rb含量無論是在黃土層還是古土壤層,總體上差別不大,變化幅度較小,但其與磁化率呈現(xiàn)出相似的變化趨勢,即黃土層發(fā)育時(shí),Rb含量和磁化率值相對(duì)較低(平安村剖面的平均含量為97.33×10-6;庫倫溝剖面的平均含量為94.84×10-6);古土壤層發(fā)育時(shí),Rb含量和磁化率值相對(duì)較高(平安村剖面的平均含量為99.86×10-6;庫倫溝剖面的平均含量為96.41×10-6)。Sr含量則隨著黃土-古土壤層交替變化,表現(xiàn)出明顯的峰谷變化。即黃土層發(fā)育時(shí),Sr含量相對(duì)較高(平安村剖面的平均含量為219.44×10-6;庫倫溝剖面的平均含量為212.84×10-6),表現(xiàn)出峰值;古土壤層發(fā)育時(shí),Sr含量相對(duì)較低(平安村剖面平均含量為211.70×10-6;庫倫溝剖面平均含量為200.99×10-6),表現(xiàn)出谷值。特別是在108～144ka間和233±21ka附近,平安村和庫倫溝剖面發(fā)育的紅色古土壤層(平安村剖面的平均含量為209.98×10-6;庫倫溝剖面的平均含量為203.99×10-6)和庫倫溝剖面在>330ka(即7.1～8.1m間)弱發(fā)育的砂質(zhì)古土壤層(平均含量為196.66×10-6),Sr含量均達(dá)到整個(gè)剖面的最低值。已有研究表明,Rb和Sr都是典型的分散元素,主要以類質(zhì)同象的形式存在于造巖礦物中。Rb的離子半徑(0.147nm)與K(0.133nm)相近,主要分散在含鉀礦物(如白云母、黑云母和鉀長石等)中,而Sr的離子半徑(0.113nm)與Ca(0.099nm)相近,主要賦存在含鈣礦物中(如斜長石、角閃石、輝石和碳酸鹽礦物等)。由于白云母、黑云母和鉀長石等富銣礦物比碳酸鹽、斜長石、角閃石、輝石等富鍶礦物穩(wěn)定,因此在化學(xué)風(fēng)化過程中Sr的活動(dòng)性比Rb強(qiáng),從而造成風(fēng)化剖面中Rb和Sr的分離。平安村和庫倫溝兩剖面的Rb含量變化幅度很小(圖2、3),因此,Rb/Sr比值的變化主要取決于Sr的活動(dòng)性。如圖4所示,Rb/Sr與Sr含量之間具有極好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,可能表明在淋濾過程中Rb與黏土具有強(qiáng)親和性而Sr易于淋失。另一方面,如圖2、3所示,平安村和庫倫溝兩黃土-古土壤剖面的Sr含量與碳酸鹽(CaCO3)含量表現(xiàn)出極為相似的變化特征,即黃土層發(fā)育時(shí),Sr和碳酸鹽(CaCO3)含量總體上比較高;古土壤層發(fā)育時(shí),Sr和碳酸鹽(CaCO3)含量則相對(duì)較低。雖然有關(guān)碳酸鹽(CaCO3)含量的氣候意義目前還存在較大的爭議,但碳酸鹽(CaCO3)隨降水量增大而發(fā)生淋溶-淀積已經(jīng)被證實(shí),并被作為反演黃土高原第四紀(jì)以來氣候環(huán)境變遷的重要指標(biāo)。利用碳酸鹽(CaCO3)淀積深度恢復(fù)的古降水量表明:科爾沁沙地晚第四紀(jì)以來的降雨量與黃土高原中部的延長剖面所恢復(fù)的古降水量大致在同一變化范圍內(nèi)。由此表明,平安村和庫倫溝兩剖面碳酸鹽(CaCO3)的遷移機(jī)制與黃土區(qū)相似,主要由降水引起的淋濾-淀積作用形成。另外,黃土-古土壤地層中Sr含量與碳酸鹽(CaCO3)的正相關(guān)性(圖2,3),可能表明了兩者來源的內(nèi)在聯(lián)系。因此平安村和庫倫溝剖面Sr含量的這一變化特征有可能反映出其在土壤風(fēng)化過程中隨CaCO3及其他含Ca礦物的損耗而發(fā)生淋失。4討論4.1土壤條件和化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響如前所述,平安村剖面發(fā)育了與黃土高原相當(dāng)?shù)腟2、L2、S1和部分L1地層,庫倫溝剖面則發(fā)育了L3、S2和部分L1地層。為了進(jìn)一步探究研究區(qū)兩剖面Rb、Sr地球化學(xué)特征的氣候環(huán)境意義,將兩剖面的Rb、Sr含量分別與洛川黃土-古土壤序列進(jìn)行了對(duì)比。如表1所示,在L3、S2、S1和L1階段,平安村和庫倫溝兩剖面黃土-古土壤層的Rb含量均小于洛川剖面,而Sr含量則相反,明顯高于洛川剖面。已有研究表明,黃土-古土壤樣品Rb、Sr含量與粒度分布密切相關(guān),在>45μm的砂粒級(jí)中Rb含量最低,而在<2μm的黏粒組分中含量最高;Sr則相反,主要富集于砂和粉砂粒級(jí)中。平安村和庫倫溝剖面黃土-古土壤地層的粒徑與洛川黃土沉積相比總體上較粗,平均粒徑26.15～113.12μm,均值為50.85μm。其中古土壤層的平均粒徑為47.25μm;黃土層的平均粒徑為為49.41μm。因此,兩剖面Rb、Sr分布特征與洛川剖面的差異可能反映了Rb、Sr在黃土地層中的分布主要受粒徑大小控制。一個(gè)有意思的現(xiàn)象是:在L1和S2階段,平安村和庫倫溝兩剖面的Rb、Sr含量也存在明顯的差異,庫倫溝剖面Rb的含量低于平安村剖面(表1)。如圖1所示,雖然兩剖面均位于沙地南緣,但平安村剖面更靠近南部,距沙地中心較庫倫溝剖面遠(yuǎn)(約20km)。由于Rb含量主要富集于細(xì)顆粒組分中,可能反映出庫倫溝剖面在這些時(shí)段來自源區(qū)的細(xì)顆粒含量較平安村剖面少,從而導(dǎo)致富Rb組分的減少。另一方面,Rb比K更易于被黏土礦物吸附,在風(fēng)化成壤過程中Rb的淋溶遷移量非常有限。在暖濕氣候條件下,由于化學(xué)風(fēng)化程度較高,土壤中黏土礦物含量較高,從而導(dǎo)致沉積物細(xì)粒級(jí)樣品中Rb的含量較大。反之,在冷干氣候條件下,化學(xué)風(fēng)化較弱,土壤中有機(jī)物和黏土礦物含量較低,從而導(dǎo)致沉積物細(xì)粒級(jí)樣品中Rb含量較少。相應(yīng)地,Sr主要受風(fēng)化成土強(qiáng)度控制,Sr含量的高低也可以反映成土過程中的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。即在氣候冷干、風(fēng)化成土作用較弱的條件下,Sr可以在黃土中穩(wěn)定存在,表現(xiàn)為相對(duì)高值;氣候溫濕、風(fēng)化成土作用較強(qiáng)時(shí),Sr極易淋失并相對(duì)虧損,表現(xiàn)為相對(duì)低值。因此,平安村和庫倫溝兩剖面Rb、Sr含量的特征可能表明,在相應(yīng)時(shí)期(如L3、S2、S1和L1階段)研究區(qū)較黃土高原中部地區(qū)干冷,導(dǎo)致化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度總體較弱。但伴隨著距源區(qū)距離的增大,氣候趨于暖濕,化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。4.2沙地干冷期400—黃土-古土壤序列Rb/Sr值的氣候環(huán)境意義黃土高原黃土-古土壤序列Rb/Sr研究表明,末次間冰期-冰期以來黃土中Rb/Sr值的變化與磁化率變化具有相似性,Rb/Sr值可作為東亞夏季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度的替代性指標(biāo)。如圖2、3和圖4所示,平安村和庫倫溝兩剖面黃土-古土壤層的Rb/Sr值變化趨勢(261±32ka左右發(fā)育的古沙層除外,具體見下文討論),總體上與磁化率變化相一致,呈現(xiàn)很好的正相關(guān),并表現(xiàn)出與碳酸鹽含量變化反相關(guān)關(guān)系,從而表現(xiàn)出與黃土高原黃土-古土壤序列Rb/Sr值相類似的變化特征。結(jié)合地層沉積特征以及粒度、磁化率和碳酸鹽(CaCO3)含量變化分析,可以發(fā)現(xiàn),晚第四紀(jì)以來科爾沁沙地出現(xiàn)過多次明顯的干濕變化過程,特別是在108～144、(233±21)和(86±7)ka左右,沙地存在著明顯的濕潤期。而在其他時(shí)段,沙地氣候較為干冷。值得注意的是,庫倫溝剖面在(261±32)ka左右堆積的風(fēng)沙層,盡管Rb的含量比較低(平均含量為94.66×10-6),但Sr的含量表現(xiàn)出整個(gè)剖面中最低(平均含量為201×10-6),從而導(dǎo)致該段地層的Rb/Sr值出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值。另外,庫倫溝剖面在>330ka(7.1～8.1m)弱發(fā)育的砂質(zhì)古土壤層,我們曾根據(jù)有機(jī)質(zhì)含量、磁化率和粒度等指標(biāo)變化特征,解釋為在這一時(shí)期沙地氣候先惡化并堆積一層細(xì)砂層,其后氣候趨于暖濕,并在此基礎(chǔ)上生草成壤。該時(shí)段庫倫溝剖面的Sr含量也表現(xiàn)出明顯的谷值,Rb/Sr值呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的峰值。而在該段砂質(zhì)土壤層的下部約60cm的黃土層,Sr含量仍呈現(xiàn)一個(gè)明顯的低值,并與之前無異,Rb/Sr值也相應(yīng)地呈現(xiàn)出明顯的峰值,表現(xiàn)出與黃土-古土壤層不一致的信息。對(duì)此,Rb/Sr值的氣候意義是否發(fā)生了變化?結(jié)合已有的研究,我們認(rèn)為有如下可能:(261±32)ka左右堆積的風(fēng)沙層,可能代表沙地在該時(shí)段極為干冷,出現(xiàn)了沙化過程。與中國北方其他區(qū)域風(fēng)成堆積相對(duì)比,其有可能是中國北方一次較為普遍的干旱化事件。該時(shí)段的Rb、Sr含量均出現(xiàn)明顯的谷值,并且Sr含量達(dá)到整個(gè)時(shí)期的最低值,與低磁化率值和碳酸鹽(CaCO3)含量相對(duì)應(yīng)(圖3),反映出不利于源區(qū)巖石風(fēng)化的寒冷氣候條件,導(dǎo)致地層中Rb-Sr含量均比較低,并且Sr含量受此影響更為明顯,從而導(dǎo)致高的Rb/Sr值。因此,我們認(rèn)為Rb/Sr值作為反映夏季風(fēng)強(qiáng)弱變化的替代性指標(biāo)總體上是可行的。但是,當(dāng)沙層發(fā)育時(shí),高的Rb/Sr值是由于低的Sr含量所造成的,此時(shí)Rb/Sr值的氣候意義似乎并不明顯。因此,Rb/Sr值作