甘肅靈臺(tái)晚新生代紅粘土-黃土-古土壤磁化率和頻率磁化率的關(guān)系

甘肅靈臺(tái)晚新生代紅粘土-黃土-古土壤磁化率和頻率磁化率的關(guān)系

1土壤磁化率與代用指標(biāo)的關(guān)系晚白天然水、新黃土、藍(lán)草和黃草等第四紀(jì)黃土古土序列包括晚白牙期的黃土和黃褐色粘土。對(duì)黃土-古土壤序列的地質(zhì)、生物和地球化學(xué)研究表明:黃土為干冷的偏北冬季風(fēng)搬運(yùn)的粉塵堆積,而與此相間的古土壤形成則與來(lái)自大洋暖濕的偏南夏季風(fēng)關(guān)系密切;其粒度和磁化率分別視為東亞冬、夏季風(fēng)變遷的替代性指標(biāo),并廣泛應(yīng)用于海陸古氣候記錄的對(duì)比。隨著對(duì)黃土-古土壤下伏的紅粘土堆積研究工作的深入開(kāi)展,沉積學(xué)、地球化學(xué)和巖石磁學(xué)的證據(jù)確認(rèn)了紅粘土的風(fēng)成成因。磁性地層研究表明黃土高原風(fēng)塵堆積開(kāi)始發(fā)育的年齡約為7.0～7.5MaBP。鑒于黃土高原第四紀(jì)的黃土-古土壤序列真實(shí)地記錄了最近2.5Ma以來(lái)東亞季風(fēng)氣候變遷的歷史,而對(duì)其下伏晚第三紀(jì)紅粘土所記錄的古氣候演化信息存有爭(zhēng)議。如不同學(xué)者懷疑紅粘土的磁化率能否作為晚第三紀(jì)夏季風(fēng)變遷的替代性指標(biāo),因此對(duì)晚第三紀(jì)紅粘土堆積序列的古氣候意義的研究成為國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。本文試圖通過(guò)分析甘肅靈臺(tái)紅粘土和黃土-古土壤序列的磁化率和頻率磁化率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,探討作為古氣候代用指標(biāo)的磁化率和頻率磁化率,在指示晚第三紀(jì)和第四紀(jì)的古氣候演化時(shí)意義是否等同;并據(jù)黃土-古土壤-紅粘土序列的磁化率和頻率磁化率變化序列,初步討論晚第三紀(jì)以來(lái)東亞夏季風(fēng)的長(zhǎng)期變遷。2晚城黃土7m、紅粘土84m靈臺(tái)剖面位于甘肅省平?jīng)龅貐^(qū)靈臺(tái)縣以南13km的任家坡村(35°04′,107°39′),年均溫8.8℃,年降雨量為650mm。剖面自上而下依次為全新世黑壚土(3.2m)、馬蘭黃土(7.2m)、離石黃土(78.6m)、午城黃土(79m)和紅粘土(120m),總厚為288m,底部不整合于第三系暗紅色湖相粘土質(zhì)砂巖之上(圖1)。磁性地層研究表明,B/M界線位于57.6m的黃土層(L8)中,M/G界線位于168.7m深的午城黃土底沙層中,G/Gi界線位于紅粘土上部199.1m處,Gi/3A界線位于紅粘土下部263.5m處,與標(biāo)準(zhǔn)極性柱對(duì)比表明,靈臺(tái)風(fēng)積序列的底界年齡距今約為7.2Ma。對(duì)靈臺(tái)剖面以4cm間距進(jìn)行了粉末樣采集共7200個(gè),在室內(nèi)用英制BartingtonMS2磁化率儀分別測(cè)定樣品的低頻(0.47KHz)和高頻(4.7KHz)磁化率,獲得了該剖面黃土-古土壤-紅粘土序列的磁化率曲線,文中以40cm間距的數(shù)據(jù)做圖并展開(kāi)討論(圖1)。3紅粘土和黃土-古土壤序列的巖石磁學(xué)數(shù)據(jù)3.1不同氣候期在土壤磁化率的變化對(duì)靈臺(tái)和寶雞紅粘土的巖石磁學(xué)研究表明,紅粘土樣在磁性礦物與磁學(xué)性質(zhì)上與上覆的黃土-古土壤并無(wú)本質(zhì)差別,所含磁性礦物均以磁鐵礦、磁赤鐵礦和赤鐵礦為主。過(guò)去對(duì)黃土和古土壤的巖石磁學(xué)研究認(rèn)為,由于成土或成壤作用而產(chǎn)生的超順磁顆粒對(duì)低場(chǎng)磁化率的貢獻(xiàn)非常重要;與黃土-古土壤相比,紅粘土同樣經(jīng)歷了較強(qiáng)的風(fēng)化成壤作用,由生物化學(xué)作用形成的超細(xì)鐵磁性礦物含量對(duì)紅粘土的磁化率增大有重要的貢獻(xiàn)。因而,安芷生等認(rèn)為紅粘土序列的磁化率同黃土-古土壤序列的一樣,可作為夏季風(fēng)變遷的替代性指標(biāo)。但是,丁仲禮等認(rèn)為在紅粘土中磁化率的適用性存有問(wèn)題,主要由于部分紅粘土受過(guò)較強(qiáng)的土壤潛育化作用,易將氧化鐵磁性顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槟z體氫氧化物,從而出現(xiàn)季風(fēng)降水大,磁化率反而降低的情況。然對(duì)現(xiàn)代地表土壤磁化率的分析研究表明,不同氣候條件下的土壤磁化率值的變化,并不是簡(jiǎn)單地同年均溫和年均降水量成正比,因而,在晚第三紀(jì)和第四紀(jì)兩種不同的氣候環(huán)境下,磁化率的古氣候意義是否等同,是值得懷疑的。圖1示出的靈臺(tái)剖面第四紀(jì)黃土-古土壤序列的磁化率變化范圍為(20～310)×10-8m3·kg-1,以L15的磁化率最低而S5的磁化率最高,并顯示出與其它典型黃土-古土壤序列類似的周期性波動(dòng)特征。厚約168m的第四紀(jì)黃土-古土壤序列的磁化率變化,表現(xiàn)出3個(gè)明顯的以高磁化率值開(kāi)始、低磁化率結(jié)束為特征的長(zhǎng)周期演化,良好地對(duì)應(yīng)與野外的午城黃土、下離石黃土和上離石黃土地層。紅粘土的磁化率值范圍為(30～250)×10-8m3·kg-1,其變化幅度和變化趨勢(shì)與第四紀(jì)古土壤的顯著不同,表現(xiàn)出明顯的長(zhǎng)周期演化、階段性增加的特點(diǎn),并在紅粘土頂部達(dá)到最大值。在厚約120m的紅粘土堆積中,磁化率變化不僅表現(xiàn)出7個(gè)大的波動(dòng)旋回,同時(shí)存有與野外上百層沉積-成壤單元對(duì)應(yīng)的高頻小幅變化特征。3.2頻率磁化率與成壤作用的關(guān)系頻率磁化率即低頻和高頻磁化率的差值(χfd/10-8m3·kg-1),表示跨越穩(wěn)定單疇和超順磁界線的磁性礦物的存在,可作為超順磁性顆粒(<0.03μm)對(duì)磁化率貢獻(xiàn)的量度。它是通過(guò)分別對(duì)樣品進(jìn)行高頻和低頻磁化率測(cè)量而獲得的。在高頻測(cè)量時(shí),超順磁粒級(jí)的鐵磁性礦物由于磁滯而被阻擋,對(duì)高頻磁化率不再有貢獻(xiàn),有貢獻(xiàn)的只是那些粒級(jí)較大的磁顆粒,因而,頻率磁化率通常又被表示為低頻磁化率的百分比(χfd/%)。低溫實(shí)驗(yàn)證明,黃土中的磁顆粒以單疇和多疇為主要特征,而古土壤中的磁顆粒以超順磁占優(yōu)勢(shì)。過(guò)去研究認(rèn)為,這些超順磁性顆?？赡苡杉?xì)菌或植被作用而形成,與成壤關(guān)系密切。當(dāng)氣候的溫濕程度越高、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),細(xì)粒的鐵磁性礦物就形成的越多,因而,古土壤的頻率磁化率較高而黃土的頻率磁化率較低,并與磁化率變化表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。具有更明確古氣候指示意義的頻率磁化率,不僅能反映出類似磁化率記錄的大幅度氣候變化,而且對(duì)磁化率不能明確指示的弱小氣候波動(dòng)反映也很敏感,被認(rèn)為是較理想的反映成壤作用強(qiáng)度的代用指標(biāo)。圖2示出了頻率磁化率(χfd/%)與磁化率變化間的關(guān)系。黃土-古土壤序列的頻率磁化率變化范圍為2～26%,磁化率值的變化為(20～300)×10-8m3·kg-1(圖2a),其中部分頻率磁化率小于10%而磁化率值小于100×10-8m3·kg-1的樣品點(diǎn)代表了弱風(fēng)化黃土,指示了相對(duì)偏干冷而成壤程度較低的沉積環(huán)境;另有部分樣品的頻率磁化率很高(>20%)而磁化率值卻很低(<100×10-8m3·kg-1),可能暗示了在濕度過(guò)量條件下的成壤作用,由于潛育化的影響而造成磁化率降低但頻率磁化率并未改變(如S5下部),其余絕大部分樣品的頻率磁化率和磁化率具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖2b示出的紅粘土的頻率磁化率和磁化率對(duì)應(yīng)關(guān)系可以看出,紅粘土總體的頻率磁化率較高,顯示了其所經(jīng)歷的較強(qiáng)成壤過(guò)程;同第四紀(jì)的古土壤相比,其磁化率值略低而頻率磁化率值相對(duì)偏高,除個(gè)別層位存有明顯的低磁化率(<100×10-8m3·kg-1)和高頻率磁化率(>20%)不協(xié)調(diào)外,其余對(duì)應(yīng)關(guān)系與第四紀(jì)黃土-古土壤序列基本相同。由于高頻磁化率是按比例低于低頻磁化率的,因而,低頻磁化率和高頻磁化率的差值與低頻磁化率的相關(guān)性,可以衡量?jī)烧咴谥甘竟艢夂蛞饬x時(shí)相匹配的程度。從圖2c、d分別示出的黃土-古土壤序列和紅粘土的頻率磁化率(χfd/10-8m3·kg-1)和磁化率對(duì)應(yīng)關(guān)系看出,紅粘土具有比黃土-古土壤序列更好的正相關(guān)關(guān)系,表明兩套沉積的磁化率強(qiáng)度同樣都取決于原始風(fēng)塵的鐵磁性礦物和成土作用形成的超順磁性顆粒的含量。盡管紅粘土的形成環(huán)境和磁化率的形成過(guò)程可能不同于上覆的黃土-古土壤序列,但兩者的頻率磁化率和磁化率良好地對(duì)應(yīng)關(guān)系,揭示出紅粘土磁化率的長(zhǎng)周期、階段性演化仍可能指示了晚第三紀(jì)夏季風(fēng)的長(zhǎng)期變遷。4晚第三紀(jì)夏季風(fēng)據(jù)中國(guó)現(xiàn)代土壤磁化率分析表明,不同氣候帶、不同沉積環(huán)境下土壤樣品的磁化率變化,遵循著不同的變化規(guī)律,并不是隨著年均溫和年降水量的增加而一直增高的,當(dāng)溫度和降水超過(guò)某一范圍時(shí),磁化率反而出現(xiàn)降低的情況。因而,靈臺(tái)紅粘土的成壤強(qiáng)度相當(dāng)或略強(qiáng)于第四紀(jì)的古土壤,但紅粘土序列總體的磁化率相對(duì)偏低而與成壤強(qiáng)度又不完全匹配,說(shuō)明晚第三紀(jì)紅粘土的堆積環(huán)境同第四紀(jì)黃土-古土壤序列的沉積環(huán)境存有較大差異,兩者的磁化率可能指示了兩種不同的沉積古環(huán)境下夏季風(fēng)強(qiáng)度的相對(duì)變化,不可等量齊觀。相對(duì)磁化率而言,頻率磁化率做為一個(gè)明確指示土壤發(fā)育程度的指標(biāo),反映了風(fēng)塵沉積形成時(shí)古氣候溫濕程度的強(qiáng)弱和持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短。鑒于影響磁化率的因素較多,且僅能反映較大幅度的古氣候變化,因而,下面選擇對(duì)古氣候波動(dòng)較敏感的頻率磁化率變化,初步討論晚第三紀(jì)以來(lái)的夏季風(fēng)長(zhǎng)期變遷。從圖3示出的頻率磁化率變化曲線看出,晚第三紀(jì)紅粘土的頻率磁化率變化總體處在較高的背景值上,變化范圍為10%～20%,具有明顯的高頻、小幅波動(dòng)特征,且自下而上頻率磁化率的變化幅度逐漸減小而平均值有增大的趨勢(shì)。到紅粘土堆積結(jié)束而發(fā)育黃土-古土壤序列時(shí),頻率磁化率則表現(xiàn)出較大幅度、較高頻次的變化特征,變化幅度為3%～24%,自下而上頻率磁化率的變化幅度逐漸變小而平均值亦有減小的趨勢(shì)。氣候數(shù)值模擬表明,約在2.6MaBP開(kāi)始,當(dāng)全球變冷和冰量達(dá)到臨界值后,進(jìn)入了以Milankovich冰期-間冰期旋回為特征的大冰期。甘肅靈臺(tái)紅粘土的頻率磁化率表現(xiàn)為小幅、高頻波動(dòng)并逐漸增強(qiáng)的演化過(guò)程,暗示了在晚第三紀(jì)紅粘土堆積期,黃土高原的氣候狀況相對(duì)溫濕,同時(shí)存有明顯地干濕變化;隨著第四紀(jì)大冰期的來(lái)臨,黃土高原風(fēng)塵堆積由紅粘土轉(zhuǎn)變?yōu)辄S土-古土壤序列,而頻率磁化率變化則表現(xiàn)為大幅、高頻的波動(dòng)并有逐漸變小的演化趨勢(shì),開(kāi)始了以冷干、暖濕為組合特征的東亞冬、夏季風(fēng)優(yōu)勢(shì)期相互交替的季風(fēng)氣候演化格局。盡管對(duì)紅粘土的磁化率,能否用以指示晚第三紀(jì)夏季風(fēng)的變遷存有爭(zhēng)