祁連山東段黃土-古土壤環(huán)境磁學(xué)研究

祁連山東段黃土-古土壤環(huán)境磁學(xué)研究

20世紀(jì)80年代以來(lái)，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(yīng)用。通過(guò)對(duì)黃土-古土壤中磁性礦物磁化率變化機(jī)制以及與全球其他記錄的對(duì)比,磁化率在黃土高原中部的研究中被廣泛作為一個(gè)東亞夏季風(fēng)的代用指標(biāo),其波動(dòng)指示了東亞夏季風(fēng)在地質(zhì)歷史時(shí)期的強(qiáng)弱變化。但事實(shí)上,影響磁化率強(qiáng)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(jī)制是在古土壤發(fā)育時(shí)期,成壤作用導(dǎo)致的超順磁性顆粒的產(chǎn)生引起了土壤磁化率的增強(qiáng),而黃土堆積時(shí)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(qiáng)度的變化,而土壤成壤強(qiáng)度的大小與氣溫和降水的變化密切相關(guān)。在中國(guó)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(fēng)的進(jìn)退。因此,磁化率作為夏季風(fēng)演化的代用指標(biāo)而得到了廣泛的應(yīng)用。在對(duì)黃土高原和中國(guó)其他地區(qū)黃土-古土壤序列的磁化率進(jìn)行研究之后,呂厚遠(yuǎn)等建立了磁化率變化與氣溫以及降水之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,并利用這種統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)一步恢復(fù)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(zhǎng)江流域則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì),地處干旱區(qū)的新疆地區(qū)則變化復(fù)雜。葉瑋等對(duì)西風(fēng)區(qū)黃土-古土壤的磁化率變化進(jìn)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(duì)黃土磁化率做出貢獻(xiàn)的不僅有成壤過(guò)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(duì)磁化率作出了重要的貢獻(xiàn)。碳酸鹽淋溶、成壤作用、有機(jī)質(zhì)分解和源區(qū)物質(zhì)的貢獻(xiàn)都對(duì)磁化率變化作出了貢獻(xiàn),任何單一的機(jī)制都無(wú)法解釋黃土高原及周緣地區(qū)的磁化率變化。最近Zhu等對(duì)西伯利亞南部黃土的磁學(xué)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(zhì)對(duì)磁化率的貢獻(xiàn)居于主導(dǎo)地位,因此粒徑較粗的黃土磁化率反而較高。Liu等對(duì)位于中國(guó)西北的蘭州九州臺(tái)和臨夏盆地的塬堡黃土沉積進(jìn)行了環(huán)境磁學(xué)研究,認(rèn)為區(qū)域氣候變化的模式(如暖干和冷濕的搭配)可能對(duì)磁化率的變化也可以起到相當(dāng)?shù)淖饔?。?duì)于西部地區(qū),作者在前人的基礎(chǔ)上深入認(rèn)識(shí)干旱半干旱地區(qū)磁化率的環(huán)境意義,對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)黃土高原腹地環(huán)境代用指標(biāo)及西北地區(qū)黃土環(huán)境磁學(xué)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(cè)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(jí)階地,階地上覆蓋了巨厚的黃土-古土壤序列,為進(jìn)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(yuǎn)的中路鄉(xiāng)一天然滑坡體也為我們進(jìn)行環(huán)境變化研究提供了一個(gè)天然剖面。在祁連山東段地區(qū),氣候?qū)侔敫珊怠珊祬^(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(duì)位于祁連山東段的沙溝河最高級(jí)階地和中路鄉(xiāng)附近的黃土-古土壤系列進(jìn)行了環(huán)境磁學(xué)的研究。沙溝河T5上覆黃土厚度達(dá)200m,在野外使用BartingMS-2野外磁化率儀以5cm為間隔測(cè)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(cè)量是結(jié)合磁化率各向異性的研究同時(shí)進(jìn)行的。我們對(duì)兩個(gè)剖面的年代測(cè)定都是依靠磁性地層學(xué)來(lái)進(jìn)行的。通過(guò)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)樣品,在蘭州大學(xué)教育部西部環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室用捷克AGICO公司生產(chǎn)的高靈敏度旋轉(zhuǎn)卡帕橋(KLY-3s)進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。2實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)行了巖石磁學(xué)的研究。選取代表性樣品進(jìn)行了三軸等溫剩磁和飽和等溫剩磁實(shí)驗(yàn)。三軸等溫剩磁實(shí)驗(yàn)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(chǎng),然后在熱退磁儀上加熱退磁,觀察剩磁強(qiáng)度的變化。熱退磁的溫度從室溫開(kāi)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(shí)驗(yàn)從測(cè)量天然剩磁開(kāi)始,觀察外加磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸加大過(guò)程中剩磁的變化。外加磁場(chǎng)的強(qiáng)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(chǎng)為2.2T(儀器可達(dá)的最大外加磁場(chǎng))。加大到2.2T以后施加反向磁場(chǎng),以10mT為間隔逐步加到100mT和200mT。全部實(shí)驗(yàn)在蘭州大學(xué)教育部西部環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。巖石磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖中我們可以看出:中路和沙溝的樣品在外加磁場(chǎng)達(dá)到300mT時(shí)等溫剩磁就達(dá)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(zhì)以軟磁礦物(磁鐵礦和磁赤鐵礦)為主。雖然在580℃時(shí)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(yuǎn)高于赤鐵礦,我們認(rèn)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(dǎo),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(diǎn):(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(wú)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(shí)段內(nèi),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(méi)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(qiáng)烈的S5,而相比S5與S4,L5同樣也是磁化率的一個(gè)相對(duì)高值區(qū)。另外,兩個(gè)剖面的變化顯示:磁化率存在一個(gè)明顯的由底部向上逐漸升高的趨勢(shì)。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(duì)這種差異進(jìn)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(jié)合我們的巖石磁學(xué)研究和前人對(duì)黃土高原典型區(qū)域黃土巖石磁學(xué)的研究,我們認(rèn)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(méi)有差異。這樣,因?yàn)榇判缘V物差異導(dǎo)致的磁化率變化在本區(qū)域應(yīng)該是不存在的。而研究區(qū)由于地處西北內(nèi)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(qiáng)烈,碳酸鈣的稀釋作用對(duì)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(yīng)當(dāng)不是起主導(dǎo)作用的因素。同時(shí),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(dǎo)致的磁化率增強(qiáng)在研究區(qū)可能并不成立。巖石磁學(xué)的研究表明,引起磁鐵礦磁化率增強(qiáng)的粒度集中在兩個(gè)范圍內(nèi),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(duì)典型黃土高原來(lái)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(dǎo)因素,而對(duì)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(lái),隨著東亞冬季風(fēng)勢(shì)力的逐步增強(qiáng),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(duì)磁化率作出了主要貢獻(xiàn),并控制著磁化率的變化。這可能就是我們兩個(gè)剖面中磁化率由底部向上逐漸增大的原因,雖然細(xì)節(jié)的對(duì)比可能存在困難,部分原因可能是在古土壤強(qiáng)烈發(fā)育的時(shí)期細(xì)粒的物質(zhì)也會(huì)發(fā)生一定的作用從而使磁化率的變化更為復(fù)雜。同樣的磁化