南京地區(qū)下蜀黃土磁化率曲線與環(huán)境意義

南京地區(qū)下蜀黃土磁化率曲線與環(huán)境意義

下蜀黃土廣泛分布于長(zhǎng)江上游，并在該地區(qū)形成并連續(xù)分布。許多學(xué)者對(duì)下蜀黃土進(jìn)行的研究認(rèn)為,在亞熱帶溫濕的古環(huán)境下,下蜀黃土是風(fēng)成堆積物受到顯著的風(fēng)化與成土作用改造的產(chǎn)物。然而,關(guān)于下蜀黃土堆積的時(shí)間、范圍和驅(qū)動(dòng)機(jī)制還存在不同的觀點(diǎn)。下蜀黃土堆積過(guò)程仍然是第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。對(duì)于中國(guó)風(fēng)塵黃土分布,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其南界到達(dá)了長(zhǎng)江以南,“廣泛發(fā)育于北緯30°—49°之間”(劉東生等,1985)。眾多學(xué)者對(duì)黃土高原研究已取得巨大成功(劉東生等,1985;安芷生等,1989;丁仲禮等,1991),但對(duì)江南,例如南京地區(qū)的研究,雖然許峰宇、李立文(1996)做過(guò)工作,但未做過(guò)系統(tǒng)的古地磁測(cè)年、磁化率和粒度分析工作,未建立與北方黃土地層的對(duì)比分析研究。本文的工作是初步使中國(guó)江南的第四紀(jì)風(fēng)塵堆積研究系統(tǒng)化,進(jìn)而討論當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境。一、材料和方法1采樣剖面位置及樣品采集下蜀黃土廣泛分布于長(zhǎng)江下游沿岸地帶。在南京地區(qū),筆者選擇了兩個(gè)剖面:江北的泰山新村剖面和江南的燕子磯剖面,其地理位置見(jiàn)圖1。泰山新村剖面(N32°09′06′′,E118°42′25′′)位于南京市長(zhǎng)江北岸東南大學(xué)浦口校區(qū)附近。當(dāng)時(shí)為一建筑工地,正在施工過(guò)程中,挖掘機(jī)開(kāi)采出新鮮剖面。經(jīng)實(shí)地觀察,確定其為下蜀黃土剖面,遂將其定為第一個(gè)工作面。該剖面垂直高度約12m,下部未見(jiàn)底,無(wú)明顯層理,土質(zhì)呈黃褐色,中間夾有紅褐色古土壤條帶。我們按5cm和10cm的采樣間距,自上而下密集采樣,共采集了144個(gè)古地磁樣品以及供磁化率和粒度測(cè)試的袋裝樣品。燕子磯剖面(N32°08′43″,E118°48′48″)位于南京城東北側(cè)的長(zhǎng)江南岸燕子磯公園東南側(cè)的公路邊,劉東生先生等在《黃土與環(huán)境》(1985)中提到過(guò)這一剖面。筆者實(shí)地考察時(shí),該剖面已被掘開(kāi),準(zhǔn)備修筑護(hù)坡。經(jīng)與施工隊(duì)協(xié)商,筆者搶在施工前,在他們挖掘的新鮮斷面上進(jìn)行采樣。該剖面垂直高度約23m,下部未見(jiàn)底,坡度在40°—45°之間,坡長(zhǎng)約30m。整個(gè)剖面無(wú)明顯條帶,只在距頂十余米處有一界限。界限以上土質(zhì)顏色較深,界限以下土質(zhì)顏色較淺。按垂直距離5cm,自上而下密集采樣,共采集了467個(gè)古地磁樣品以及供磁化率和粒度測(cè)試的袋裝樣品。2磁化率、粒度和測(cè)量方法古地磁和磁化率測(cè)量在本系環(huán)境磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成,使用捷克AGICO公司的JR-6A型旋轉(zhuǎn)磁力儀和KLY-3型磁化率儀。由于是用圓柱形的古地磁盒子在野外直接采樣,所以樣品不需經(jīng)過(guò)室內(nèi)處理,直接上機(jī)測(cè)量即可。古地磁測(cè)量過(guò)程中,筆者采用交變退磁的方法清洗樣品的次生剩磁,以0.5mT為間距,從0到22.5mT逐步退磁。當(dāng)退磁強(qiáng)度超過(guò)22.5mT時(shí),樣品基本表現(xiàn)出自身的特征剩磁。磁化率測(cè)量主要測(cè)定了樣品的體積磁化率。粒度測(cè)定在中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,使用英國(guó)Malvern公司Mastersizer-S型激光粒度儀。粒度測(cè)定以20cm為間距選取樣品,兩個(gè)剖面共測(cè)量177個(gè)樣品,其中泰山新村剖面67個(gè),燕子磯剖面110個(gè)。樣品測(cè)量前進(jìn)行了較為徹底的前處理,以除去全樣中的有機(jī)質(zhì)、成壤作用過(guò)程中產(chǎn)生的碳酸鹽和次生粘土礦物等,然后用超聲波清洗儀震蕩加以分散,再上機(jī)測(cè)量。二、研究結(jié)果1成分柱的確定探討黃土序列所記錄的環(huán)境信息時(shí),首要問(wèn)題是必須建立地層時(shí)間標(biāo)尺,用以研究古氣候變化的周期性波動(dòng),確定各影響因子在時(shí)間序列上的變化規(guī)律。筆者采用古地磁測(cè)年的方法來(lái)建立下蜀黃土地層的時(shí)間標(biāo)尺(F.Helleretal.,1982;岳樂(lè)平等,1991;孫東懷等,1998;GuoZhen-tangetal.,2002;喬彥松等,2003;王曉勇等,2003)。筆者用交變退磁的方法處理采集的古地磁樣品,通過(guò)JR-6A型旋轉(zhuǎn)磁力儀測(cè)量出它們的特征剩磁,將所測(cè)結(jié)果繪制成古地磁變化曲線,得出隨地層深度變化的古地磁極性柱(表1,圖2、圖3),與標(biāo)準(zhǔn)古地磁極性柱(R.湯普森等,1995)進(jìn)行對(duì)比,獲得了初步的隨時(shí)間變化的古地磁極性柱(圖4)。由于沉積速率隨時(shí)間變化,不能采用均勻內(nèi)插的方法建立時(shí)間標(biāo)尺,因此筆者使用鹿化煜等(1997)提出的、根據(jù)粒度變化與沉積速率相關(guān)性設(shè)計(jì)的年代學(xué)模型:Tm=T1+(T2?T1)(∑i=1mCiHi)/(∑i=1nCiHi)Τm=Τ1+(Τ2-Τ1)(∑i=1mCiΗi)/(∑i=1nCiΗi)式中:Tm—某一測(cè)量層m年齡T1—開(kāi)始的年齡控制點(diǎn)T2—結(jié)束的年齡控制點(diǎn)Ci—任一測(cè)量層的2—16μm顆粒的含量(%)Hi—任一測(cè)量層的厚度(cm)m—T1—Tm的測(cè)量層數(shù)n—T1—T2的測(cè)量層數(shù)通過(guò)計(jì)算,筆者得到了采樣剖面地層深度與年代的關(guān)系(表2和表3):以上圖表年代與黃土地層序列的對(duì)應(yīng)關(guān)系,就是南京地區(qū)下蜀黃土地層的時(shí)間標(biāo)尺。2磁化率曲線變化圖5是燕子磯剖面的磁化率變化曲線,總體看來(lái),南京地區(qū)下蜀黃土序列磁化率曲線具有以下特征:1)剖面磁化率變化幅度不是很大,最高值約為2.4×10-3SI,最低值約為0.4×10-3SI;2)峰谷波動(dòng)旋回規(guī)律比較明顯,燕子磯剖面磁化率曲線變化大致表現(xiàn)為三峰夾兩谷態(tài)勢(shì),其中峰值段與剖面中的古土壤層相對(duì)應(yīng),谷值段則與黃土層相對(duì)應(yīng);3)峰值段內(nèi)部有不同程度的波動(dòng)變化,如燕子磯剖面的第2峰值段表現(xiàn)為明顯的3個(gè)次峰和2個(gè)次谷交替出現(xiàn)。燕子磯剖面磁化率曲線記錄了220ka以來(lái)3次大的冷暖氣候旋回,3個(gè)峰值段對(duì)應(yīng)的古土壤層代表了3個(gè)較為溫暖濕潤(rùn)的成壤時(shí)期,前期干冷氣候條件下堆積的黃土層表生帶經(jīng)歷了生物化學(xué)成壤作用,土層中鐵磁性礦物相對(duì)較高;而谷值段對(duì)應(yīng)的2個(gè)黃土層則代表了兩個(gè)氣候較為干冷的時(shí)期,由于氣候干冷,風(fēng)力作用增強(qiáng),粉塵堆積速率加快,干冷期之前形成的土壤層被埋藏而成為古土壤,地表的生物化學(xué)成壤作用較弱,土層中鐵磁性礦物的含量偏低(朱日祥等,1994;孫東懷等,1998;王曉勇等,2003;喬彥松等,2003)。3下蜀黃土粒級(jí)組成粒度分析對(duì)于了解下蜀黃土的沉積環(huán)境、物質(zhì)來(lái)源、沉積過(guò)程、搬運(yùn)營(yíng)力和搬運(yùn)機(jī)制有著重要的意義。筆者討論和分析了下蜀黃土的顆粒組成特征,在沉積物粒度與古氣候環(huán)境之間建立內(nèi)在聯(lián)系,探討下蜀黃土的沉積環(huán)境。采用50μm、10μm和5μm分別作為砂粒/粗粉砂、粗粉砂/細(xì)粉砂以及細(xì)粉砂/粘粒的分界線。測(cè)量結(jié)果表明,南京下蜀黃土各粒級(jí)組成有如下特征(表4):砂粒組分(>50μm):所有分析樣品中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)粒徑>125μm的顆粒;粒徑>100μm的細(xì)砂粒級(jí)含量很少,0—0.28%,平均值為0.05%(泰山新村剖面)和0.11%(燕子磯剖面);100—50μm粒級(jí)的含量一般為6%—13%,平均含量7.71%(泰山新村剖面)、9.34%(燕子磯剖面);整個(gè)砂粒組分(>50μm)平均含量為7.76%(泰山新村剖面)和9.45%(燕子磯剖面)。粗粉砂組分(50—10μm):剖面中50—10μm粒級(jí)的含量非常高,基本上在45%—65%之間,平均含量50.69%(泰山新村剖面)、50.3%(燕子磯剖面),成為下蜀黃土的眾數(shù)粒級(jí)。該粒級(jí)也是北方典型黃土的眾數(shù)粒級(jí),為風(fēng)塵的“基本粒組”(劉東生等,1985)。細(xì)粉砂組分(10—5μm):該粒級(jí)含量在13%—20%之間,平均16.83%(泰山新村剖面)、15.82%(燕子磯剖面),高于洛川黃土(12%)(劉東生等,1985)。粘粒組分(<5μm):南京下蜀黃土粘粒含量較高,一般為17%—30%,平均含量24.73%(泰山新村剖面)、24.44%(燕子磯剖面),僅低于粗粉砂組分,為下蜀黃土的次眾粒級(jí)。若從砂粒(>50μm)、粉砂(5—50μm)、黏土(<5μm)三大組分來(lái)看,粉砂粒級(jí)含量最高,平均含量超過(guò)了65%,黏粒次之,砂粒最低。按照沉積物三因分類法,南京下蜀黃土全部屬于黏土質(zhì)粉砂?？偟膩?lái)說(shuō),不同層位黃土與古土壤的顆粒組成基本一致,表明二者原始物質(zhì)的搬運(yùn)營(yíng)力是相同的。南京下蜀黃土粒度組成非常均一,不同層位樣品的粒度組成以及粒度參數(shù)均表現(xiàn)出高度的均一性特征。兩個(gè)剖面自上而下各粒級(jí)組成波動(dòng)不大,未顯示明顯的粗細(xì)變化,平均粒徑在16—22μm之間變化,全剖面平均粒徑最高值與最低值相差不超過(guò)6μm。不同層位粒度組成的一致性表明,下蜀黃土原始物質(zhì)在搬運(yùn)過(guò)程中一直處于單一的營(yíng)力作用之下,并且經(jīng)過(guò)了充分的分選(鹿化煜等,1997;李徐生等,1997;李徐生等,2001;胡雪峰等,2004;孫繼敏,2004)。三、討論1古土壤磁化率曲線特征在南京下蜀黃土序列中,燕子磯剖面磁化率曲線能夠與深海沉積氧同位素曲線(D.G.Martinsonetal.,1987)1—7階段進(jìn)行很好的對(duì)比,兩者之間的細(xì)節(jié)變化具有一致性(圖6)。其中,S0表現(xiàn)為高值,可與氧同位素曲線階段1對(duì)比,為一高溫期;L1可以劃分為兩層黃土(L1LL1、L1LL2)和一層弱發(fā)育的古土壤(L1SS1),L1LL1和L1LL2可與階段2和4對(duì)比,L1SS1可與階段3對(duì)比;S1古土壤層由3個(gè)古土壤亞層(S1SS1、S1SS2、S1SS3)和2個(gè)弱成土亞層(S1LL1、S1LL2)疊置而成,磁化率曲線具有明顯的三峰夾兩谷形式,正好可與氧同位素階段5對(duì)比,表明這一時(shí)期的古氣候特點(diǎn)是在濕熱的背景下有兩次干冷波動(dòng),其中S1SS1、S1SS2、S1SS3分別對(duì)應(yīng)于5a、5c、5e,S1LL1、S1LL2對(duì)應(yīng)于5b、5d;L2黃土磁化率曲線整體呈谷形,但中下部有一次峰,下部磁化率偏高,與階段6的曲線特征相吻合;S2古土壤層未見(jiàn)底,目前獲得的磁化率曲線特征可與7a和7b對(duì)比。由于全球氣候變化的區(qū)域響應(yīng)具有地區(qū)特性,同時(shí)古地磁測(cè)年自身存在一定的偏差,因此圖6中兩條曲線的形狀雖然吻合,年代卻存在差異,磁化率曲線反映的各個(gè)氣候階段的持續(xù)時(shí)間與MIS曲線并不一致,但兩者的變化趨勢(shì)是一致的。所以燕子磯剖面磁化率曲線也在一定程度上反映了全球氣候的變化。2氣候變化的區(qū)域差異下蜀黃土堆積時(shí)期的氣候總體上以干冷為主,與北方黃土堆積時(shí)的氣候環(huán)境較為類似。它記錄的氣候環(huán)境變化呈現(xiàn)出明顯的旋回波動(dòng)特征。磁化率指標(biāo)清楚地記錄到古氣候環(huán)境的旋回變化,磁化率的峰谷變化記錄了下蜀黃土堆積過(guò)程中經(jīng)歷的冷—暖、干—濕氣候旋回波動(dòng):冰期干冷氣候條件下,冬季風(fēng)作用加強(qiáng),有利于黃土堆積,成壤作用相對(duì)減弱;而在間冰期暖濕氣候條件下,夏季風(fēng)及降水強(qiáng)度明顯加強(qiáng),黃土層表生帶經(jīng)歷了生物化學(xué)成壤作用,形成古土壤層,黃土堆積減緩或發(fā)生沉積間斷。這種發(fā)育模式與黃土高原典型黃土的發(fā)育模式是一致的。從氣候變化的總趨勢(shì)來(lái)看,燕子磯剖面的磁化率曲線表現(xiàn)出由干冷向暖濕演化的趨勢(shì),但前者沒(méi)有后者明顯,這與南京地區(qū)的地理區(qū)位有關(guān)。南京地區(qū)靠近東海,受海洋性氣候影響較大,總體氣候環(huán)境偏暖濕,因此磁化率的波動(dòng)范圍不是很大,變化趨勢(shì)不是特別明顯(劉東生等,1990;安芷生等,1991a、1991b、1994;丁仲禮等,1989;AnZhi-shengetal.,1990;LiuDong-shengetal.,1985;黃姜儂等,1988;賴忠平等,2001;鹿化煜等,1998;楊浩等,1996)。此外,下蜀黃土堆積序列對(duì)全球古氣候變化有著積極的響應(yīng)。下蜀黃土所記錄的古氣候波動(dòng)與反映全球氣候變化的深海沉積氧同位素記錄有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,特別是燕子磯剖面的磁化率曲線可與深海沉積氧同位素進(jìn)行細(xì)節(jié)上的對(duì)比,這表明下蜀黃土保存了豐富的全球變化氣候信息,揭示了長(zhǎng)江中下游地區(qū)對(duì)全球古氣候變化有著非常積極的響應(yīng)。四、下蜀黃土古氣候特征長(zhǎng)江以南地區(qū)的第四紀(jì)風(fēng)塵堆積具有堆積時(shí)間長(zhǎng)、沉積連續(xù)的特點(diǎn)。作為古環(huán)境信息的載體,它記錄了形成過(guò)程中環(huán)境變遷的豐富信息。通過(guò)對(duì)南京地區(qū)下蜀黃土的研究,提取其記錄的氣候環(huán)境信息,可以闡明這一地區(qū)更新世以來(lái)的環(huán)境變遷規(guī)律。它與北方黃土-古土壤序列以及深海氧同位素階段進(jìn)行對(duì)比,可以驗(yàn)證古氣候變化的全球一致性以及東亞季風(fēng)區(qū)氣候的特殊性。我們通過(guò)系統(tǒng)的磁性地層學(xué)沉積學(xué)研究,對(duì)南京地區(qū)下蜀黃土-古土壤堆積序列得出以下新認(rèn)識(shí):1下蜀黃土磁化率記錄的氣候環(huán)境變化呈現(xiàn)出明顯的旋回波動(dòng)特征,它所記錄的古氣候波動(dòng)與北方黃土記錄有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,特別是220kaB.P.以來(lái)下蜀黃土記錄(燕子磯剖面磁化率曲線)可與深海沉積氧同位素記錄1—7階段進(jìn)行細(xì)節(jié)上的對(duì)比,兩者之間的細(xì)節(jié)變化具有一致性。其中,S0表現(xiàn)為高值,可與氧同位素曲線階段1對(duì)比,為一高溫期;L1可以劃分為兩層黃土(L1LL1、L1LL2)和一層弱發(fā)育的古土壤(L1SS1),L1LL1和L1LL2可與階段2和4對(duì)比,L1SS1可與階段3對(duì)比;2S1古土壤層由3個(gè)古土壤亞層(S1SS1、S1SS2、S1SS3)和2個(gè)弱成土亞層(S1LL1、S1LL2)疊置而成,磁化率曲線具有明顯的三峰夾兩谷形式,正好可與氧同位素階段5對(duì)比,表明這一時(shí)期的古氣候特點(diǎn)是在濕熱的背景下有兩次干冷波動(dòng),其中S1SS1、S1SS2、S1SS3分別對(duì)應(yīng)于5a、5c、5e,