黃土高原磁組構(gòu)及其對冬季風演化的響應

黃土高原磁組構(gòu)及其對冬季風演化的響應

1不同沉積方式樣品的磁組構(gòu)特征磁化率的各向異性（ams）由樣品磁化率的橢圓形球體的長軸（k1）、中軸線（k2）和短軸（k3）表示。長軸方向往往代表沉積物中磁性顆粒優(yōu)選排列方向。利用卡帕橋測量和計算出樣品的磁組構(gòu)參數(shù),可以研究沉積顆粒優(yōu)選排列方位所代表的沉積作用過程和環(huán)境信息。AMS被廣泛地應用于研究沉積過程和判別沉積介質(zhì)的動力方向。中國黃土作為一種典型的風成沉積物,對其研究表明黃土中磁性礦物顆粒的橢球體K1方向與黃土沉積時的主導風向一致,為我們利用AMS特征研究中國黃土-古土壤序列沉積動力學(古季風)過程提供了良好的條件。但是,磁組構(gòu)各個參數(shù)的變化含義是什么?它的變化與古氣候之間有什么聯(lián)系?針對上述問題都需要在黃土高原地區(qū)進行更多的磁組構(gòu)研究。2土壤條件及磁組構(gòu)特征本次研究選取了位于甘肅省會寧縣城北85km處的下高塬村附近的白草塬黃土剖面(36°18′N,105°6′E)作為研究對象。一方面該剖面(圖1)位于六盤山以西,距離黃土物源區(qū)較近,沉積速率大,地層分辨率高,沉積連續(xù),第四紀沉積厚度超過了200m,比較完整的記錄了2Ma以來的內(nèi)陸第四紀氣候變化;另一方面該地區(qū)受夏季風的影響較小,為獲得良好的磁組構(gòu)特征提供了有利條件。白草塬剖面末次間冰期以來的沉積(S1)厚9.8m,由3層古土壤和夾于其間的2層黃土組成。直接反映了末次間冰期是由3個暖期和2個冷期組成,可與深海氧同位素第5階段的5個亞階段很好對應(圖2)。從土壤發(fā)育程度看,上部兩層古土壤(S1-1,S1-2)呈灰黑色,均有弱腐殖質(zhì)診斷表層,具有A/AC土壤結(jié)構(gòu);最下部古土壤層(S1-3)呈褐紅色,具團塊狀構(gòu)造,粘粒含量較高,缺失診斷表層,具有風化B層(Bw層)。S1-3發(fā)育程度明顯高于S1-1和S1-2,指示其對應的5e為深海氧同位素第5階段中氣候最為溫濕的時期。與榆林蔡家溝剖面(見圖2)以及甘肅會寧李家塬剖面的S1土壤結(jié)構(gòu)對比一致,時間跨度約為126～75kaB.P.,大約5萬年。末次冰期沉積(L1)厚16m,呈棕黃至褐黃色,疏松多孔,質(zhì)地均一,粒粗,較難分辨發(fā)育其中的弱古土壤。該段可與深海氧同位素階段2～4對應。全新世沉積為一層草原土(S0),厚1.4m,呈明顯的灰褐色,含有豐富的有機質(zhì)和少量的次生碳酸鹽假菌絲體,根孔發(fā)育,土壤結(jié)構(gòu)不明顯,可與深海氧同位素第1階段對應。為了詳細研究末次間冰期以來黃土-古土壤序列的磁組構(gòu)特征,野外用羅盤標定正北方向,采集古地磁樣品224塊,其中黃土采樣間隔為20cm,古土壤間隔為10cm。實驗室內(nèi)統(tǒng)一加工成2cm×2cm×2cm的定向樣品,獲得有效樣品220塊。室內(nèi)利用中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁實驗室的KLY-3s卡帕橋磁化率儀,沿3個正交面旋轉(zhuǎn)測量后程序自動用Jelinek方法計算出AMS張量和相關(guān)參數(shù)。另外,以1cm的間隔采取散樣2833個,分別做了粒度和磁化率測量。在磁組構(gòu)研究中,選取的參數(shù)有:1)磁線理度(L)=K1/K2,反映顆粒優(yōu)勢取向排列的程度,受控于搬運介質(zhì)方向的單一性及沉積動力強度等;2)磁面理度(F)=K2/K3,反映沉積顆粒呈層面隨機分布的程度或沉積物中微層理構(gòu)造的發(fā)育程度,亦與沉積壓實作用有關(guān);3)磁化率各向異性度(P)=K1/K3,反映沉積物中顆粒取向排列差異性程度,受控于沉積動力強度及沉積環(huán)境的穩(wěn)定性;4)AMS的形狀因子(T)=(2η2-η1-η3)/(η1-η3),T<0時為棒狀橢球體(prolate),T>0時為扁狀橢球體(oblate)。其中K1,K2,K3分別代表最大、中間、最小磁化率的軸向和大小;η1,η2,η3分別對應于3個磁化率軸的自然對數(shù)。3結(jié)果3.1剖面結(jié)構(gòu)的變化為了較好地消除系統(tǒng)誤差,對AMS相關(guān)參數(shù)進行了5點平滑處理。實驗結(jié)果表明,本文研究區(qū)磁面理較磁線理發(fā)育,為扁狀橢球體(圖3a)。整體而言,磁線理和磁面理都較小。絕大部分F<1.02,呈現(xiàn)出典型的風成沉積物特征。通過對220塊樣品的統(tǒng)計平均,L值(1.0025±0.0028)的變化相對F(1.0067±0.0045)要小。P和F二者之間的正相關(guān)程度較高,R2=0.79(圖3b),在研究剖面上也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(圖4d和4e),表明AMS的主導因素是磁面理。此外,黃土層與古土壤層的磁組構(gòu)特征也存在一定的差異。表1中分別給出了不同單元的L,F,P平均值。通過對比可以看出,古土壤層的F,P值均比其下伏的母質(zhì)黃土層要低,磁線理發(fā)育程度相近。圖4d,4e和4f分別給出了T,P,F隨剖面厚度變化的對比圖。其中,黃土的磁面理平均值為1.007,而古土壤為1.004,因此黃土的磁面理與各向異性度均強于古土壤。T值一般>0,位于扁狀橢球體區(qū),與圖3a結(jié)果一致,但在古土壤與黃土層的弱發(fā)育古土壤中,T值偏低趨向于0,有的甚至為負值,表現(xiàn)為棒狀橢球體。整體趨勢上,T,P,F三者曲線較為相似,特別是自深海氧同位素第2階段以來,三者均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(見圖4d,4e和4f),這與Zhu等研究的靈臺地區(qū)結(jié)果一致。3.2偏角dmys與磁面理的分布圖4中我們還給出了AMS的幾個參數(shù)以及古氣候代用指標(粒度和磁化率)隨剖面厚度變化的對比圖。圖4b和圖4c可以看出,黃土堆積時期,磁化率值的變化較小,而粒度則呈現(xiàn)出頻繁的粗細變化,因而本研究區(qū)主要受到冬季風的影響,夏季風則只在幾個成壤較強時期有所反映,從而為我們研究AMS提供了有利條件。由圖4i可以看出,K1的偏角Dmax大部分集中位于90°～180°或270°～360°之間,而傾角Imax(見圖4h)則相應位于15°之下(平均值為11°),表明磁化率最大軸(K1)與磁面理平行,AMS長軸平行于風向;K3傾角>60°(平均值為71°),近垂直于磁面理(見圖4g),表明AMS短軸與沉積面近乎垂直。此外,隨著粉塵粒度增加,F值也相應增大,與中值粒徑呈正相關(guān)關(guān)系(見圖4b和4d)。4土壤-磁面理-冬季風黃土作為風成成因的粉塵堆積,其形成經(jīng)歷了粉塵產(chǎn)生、搬運、沉積和后生變化等完整的過程,因此記錄了大尺度空間范圍內(nèi)的古風場特征。本文研究和討論主要基于4個前提:1)粉塵物質(zhì)堆積時的磁性顆粒長軸優(yōu)勢取向與主導風向平行,這一點已被前人工作證實;2)黃土-古土壤磁化率各向異性主要由磁性顆粒在一定程度上的定向分布和排列所導致;3)甘肅會寧白草塬地區(qū)氣候干旱,成壤作用較弱,因而對原生磁組構(gòu)影響較輕;4)如果AMS的某個參數(shù)在時間或空間上與古氣候的代用指標具有相似變化趨勢,那么認為它們受同樣的氣候驅(qū)動機制影響。磁面理主要受到鐵磁性礦物分布以及后期壓實作用的控制,而粉塵的粒度大小(包括磁性礦物顆粒)又受到冬季風強度的影響,因此,冬季風的強度、粉塵粒徑大小以及磁面理之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系(見圖4b和4d)。一般來說,冬季風越強,搬運和輸送的粉塵顆粒就越粗,從而在沉積過程中呈現(xiàn)出更大的面理。當然,后期的沉積壓實過程對黃土的磁面理也有較大的影響,可能將磁性顆粒的長軸旋轉(zhuǎn)至沉積面,從而改變磁面理。黃土與古土壤層在AMS特征上的差異表明了在古土壤形成的過程中,后期改造如成土作用等從一定程度上削弱了其成土以前母質(zhì)黃土的磁組構(gòu)特征,這與它們在不同的氣候條件下是有一定關(guān)聯(lián)的。由圖4可知,P,F和中值粒徑總體上呈現(xiàn)出一致的變化趨勢。F值的波動,從某種意義上講,指示出了該地區(qū)冬季風強度的衰弱與增長,關(guān)于這一點還有待進一步深入研究和探討。前人的研究表明,K1偏角(Dmax)能很好地指示冬季風的主導風向。由圖4i可知,絕大部分樣品點K1的偏角指示,S1以來該地區(qū)冬季風主導風向為NW向。為了進一步說明和探討Dmax與風向之間的關(guān)系,我們做了等面積赤平投影圖和玫瑰花圖(圖5)。一般來說,黃土的初始AMS主要由當時的地球引力和風力強度決定。地磁場和重力對風成黃土磁化率各向異性影響甚小,從而各向異性主要受氣流控制。而黃土的沉積受著冬季風和夏季風的交替控制,一方面,冬季風從我國西北物源區(qū)搬運粉塵物質(zhì)沉積于黃土高原;另一方面,夏季風在不斷改造冷期時堆積的黃土,使之土壤化,這樣在某種程度上也就破壞了冬季風形成的磁面理、磁線理等,進而影響黃土的AMS。研究區(qū)位于甘肅會寧,氣候干旱,離物源區(qū)近,主要受冬季風的影響和控制(見圖4b和4d),因此夏季風對該地區(qū)的AMS影響不會太強烈,而AMS特征則主要反映了冬季風的強度與方向。由圖5a得知,Dmax主要位于NW向,表明該地區(qū)盛行冬季風主要集中在NW向。另外,還統(tǒng)計得出Dmax玫瑰花圖(見圖5b)?？梢钥闯?S1以來,主導風向主要集中在308.9°(圖中雙向箭頭所示