三道沟剖面记录的毛乌素沙地东南缘的演化过程

三道沟剖面记录的毛乌素沙地东南缘的演化过程

沙漠边缘区域的风成高度不稳定性，对世界变化的响应非常敏感。位于中国季风区西北边缘的毛乌素沙地,其南部与黄土高原相接,沙地东南缘保存相对完整的风成沙-黄土-古土壤序列真实地记录了气候变化及沙漠变迁,是研究气候变化的区域响应及沙漠演化的理想地区。前人在这一区域已经开展了一些相关研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],对毛乌素沙地的演化及气候变化过程有了一定的认识。但是,由于风成沉积物固有的不稳定性,很难获得完整、连续的沉积物剖面,本区域的环境演变序列仍需要进一步补充、完善。榆林三道沟位于毛乌素沙地的东南边缘,高尚玉等通过对该区域的风成沉积剖面(SDG-GSY)进行分析,研究了本区全新世以来的气候变化及沙漠演化。本文在同一区域获得的SDG剖面将时间范围延伸到了15kaBP,通过对SDG剖面进行沉积学分析,结合SDG-GSY及其他相关研究结果,探讨毛乌素沙地15ka以来的气候变化以及沙漠演化。1剖面岩性分析三道沟剖面(38°19′N,109°43′E)位于榆林市以北约3km的砖厂附近(图1),海拔约1120m。剖面所在位置为农田环绕的独立高台,保存完整。剖面实测厚度245cm,未见底。剖面岩性自上而下描述如下:(1)0~50cm,棕黄色粉砂质细砂,性状均一,顶部0~5cm生草层较疏松,生草层以下比较紧实。(2)50~90cm,弱砂质古土壤,浅棕褐色,断面有白色钙斑,假菌丝体,紧实坚硬,质地较上层黏粒增多,孔隙度大。(3)90~105cm,浅棕褐色细砂层,间有钙斑,紧实,未见孔隙。(4)105~205cm,弱砂质古土壤,浅棕褐色,断面富含白色钙斑,团粒结构明显,紧实,富孔隙,底部25cm钙斑减少。(5)205~235cm,浅棕褐色沙层,细砂含量较高,未见孔隙。(6)235cm以下,浅棕黄色沙层,颗粒明显较上一层更粗,疏松,未见底。2bb时代特征对剖面采集了3个14C年代样品,1个光释光年代样品。常规14C测年在中国地震局地质研究所完成,光释光年代测定在中国地质科学院地下水科学与工程重点开放实验室完成,年代结果如图2所示。剖面的第4层厚度较大,仅有底部年代不能满足进一步分析古气候变化的需要。因此,通过与已有剖面及研究结果对比,推断第4层中部和顶部大致的年代。有研究表明,在很多地区5000aBP前后都是气候环境变化的一个突变点。对SDG-GSY的分析结果也显示7500~5000aBP的古土壤在毛乌素沙地分布最普遍、厚度最大、发育最为成熟。本剖面环境代用指标的分析结果显示,第4层以155cm为界分为上下两段,下部土壤的发育程度明显优于上部。因此,本文将第4层中部(155cm)年代定为约5000aBP。上部(105~155cm)应与SDG-GSY剖面中年代约4800aBP前后的地层相对应,初步将本剖面的第4层顶部年代定为约4800aBP。郭兰兰等对毛乌素沙地南部湖泊沉积物的分析发现7496~4820aBP气候温暖湿润,而4820aBP以后气候明显变干,这也从另外一个侧面证实本文将第4层顶部年龄确定为4800aBP比较准确。最终建立的时间序列如下:第2层顶部(50cm)年代为(3470±120)aBP,底部(90cm)年代为(4625±140)aBP;第4层顶部(105cm)年代为4800aBP,中部(155cm)年代为5000aBP,底部(205cm)年代为(6330±70)aBP;第6层顶部(235cm)年代为(14800±900)aBP。3环境评估指标和环境意义3.1层结构相分离的沉砂细砂与粉砂、细砂和风成沙的构造古土壤颗粒含量随立地的变化三道沟剖面粒度特征测定利用Mastersizer2000型激光粒度仪在中国科学院地理科学与资源研究所完成。对粒度的初步分析结果(表1)显示,极粗砂仅出现在第6层(0.09%),粗砂的最高含量(16.04%)、粉砂和黏土的最低含量均出现在第6层。根据吴正的研究,毛乌素沙地现代沙丘沙中不含极粗砂,粗砂仅为3.2%;哈斯等的研究也发现毛乌素沙地南缘的现代横向沙丘以细砂为主,不含粗砂。说明本剖面第6层沉积时的环境与现代相比风力更为强盛、也更加寒冷干燥。除第6层外,风成沙(第1、3、5层)的主要成分为细砂和粉砂,含量分别达到了77.3%(细砂47.98%,粉砂29.32%),79.58%(细砂35.46%,粉砂44.12%)和65.43%(细砂26.21%,粉砂39.22%);古土壤(第2、4层)中粉砂占绝对的优势,其次为细砂和黏土。<2μm和>63μm的颗粒含量经常分别用于表征夏季风和冬季风的强弱。从本剖面粒径含量变化曲线看(图3),<2μm的颗粒含量总体偏低,但是在古土壤中的含量明显高于风成沙,尤其是75cm左右和155~205cm含量较高;粒径>63μm的颗粒含量与2~63μm的颗粒含量呈明显的负相关关系,并与野外观测到的地层变化具有很好的一致性;沉积物的平均粒径波动幅度不及>63μm的颗粒含量变化大,但是基本的变化趋势与地层变化一致。3.2风成沙层位有机质含量的变化有机质含量测定利用重铬酸钾容量法-稀释热法在中国科学院地理科学与资源研究所完成。从剖面有机质含量的变化看(图3),表层土壤受到现代植被影响,有机质含量较高。在除去表层10cm的影响后,岩性为风成沙的层位有机质含量明显低于古土壤层,反映风成沙沉积时期气候干冷,植被相对稀疏,生物成壤作用微弱;古土壤中有机质含量较高,指示古土壤发育时期气候相对暖湿,植被生长茂盛,生草成壤过程比较活跃。3.3元素含量变化与地层地层中地球化学元素的分布和迁移规律与沉积环境及其演化有密切关系,元素在不同环境中的风化、淋溶程度以及迁移速率都有一定的差异。Al、Fe的富集指示相对潮湿的气候条件,K、Na富集指示气候较为干旱,而Ca元素在半干旱气候条件下最容易富集,Mg与Ca在地层中的分布具有同步性变化。本研究利用法国JY公司ULTIMA型电感耦合等离子光谱仪对Fe、Mg、Ca、Al、Na、K元素的含量进行了分析,测定在北京师范大学分析测试中心完成。从分析的6种元素含量在剖面中的变化看(图3),元素含量变化与地层的岩性变化一一对应。Fe、Mg、Al的含量变化趋势非常一致,在古土壤层含量较高,反映本区古土壤发育的环境为半干旱环境。Ca元素与Fe、Mg、Al3种元素的含量变化趋势基本一致,但是Ca元素的含量在75cm处出现了一个突出的峰值,可能是由于这一阶段沉积物中粉砂含量(67%)高,而CaCO3主要分布于粉砂粒级中,粒度的影响居于主导地位。K、Na的含量变化基本一致,只有在75cm左右,K含量较高,而Na含量出现了明显的谷值,这可能是由于K参与生物学小循环的程度较高,这一时期植物生长良好,植物对K元素的吸收作用大于K元素的流失。4温度和干冷变化综合三道沟剖面沉积物粒度、有机质以及地球化学元素含量等代用指标结果,可将毛乌素沙地15ka以来的演化过程分为以下4个阶段:Ⅰ.15kaBP以前(235cm以下)。沉积物颗粒较粗,粗砂含量达到了整个剖面的最高值,同时出现了极粗砂;有机质及各种元素含量低。此时处于末次冰期极盛期的后期,冬季风活动强烈,气候干冷、风蚀强烈,沙漠处于活化扩张阶段。这也说明末次盛冰期的干冷气候在毛乌素沙地有很好的响应。Ⅱ.15~6.3kaBP(235~205cm)。>63μm颗粒含量有所降低但仍然较高,<2μm颗粒含量及有机质含量稍有增加;K、Na含量表现出了减少的趋势,其他元素的含量逐渐增加。反映冬季风活动减弱,夏季风活动略微增强,总体上气候干冷,风力较强,沙丘处于活化状态。SDG-GSY剖面记录本区在9600aBP前后曾经发育弱砂质古土壤,证明已转入冰后期,气候条件渐趋暖湿。Ⅲ.6.33~3.5kaBP(205~50cm)。夏季风活动较强,冬季风活动较弱,气候总体温暖湿润,沙丘固定、沙漠退缩,其中又存在一些干冷波动。可以分为4个阶段。Ⅲa.6.33~5kaBP(205~155cm)。>63μm颗粒含量达到了剖面中的最低值;<2μm粒级含量及有机质含量显著增加,达到了剖面中的最高值;Fe、Al、Mg含量迅速增加,K、Na含量减少。反映夏季风活动加强,冬季风活动进一步减弱,气候更为温暖湿润,植被发育较好,应该是气候条件最为暖湿的时期。Ⅲb.5~4.8kaBP(155~105cm)。<63μm的粒级含量稍有增加但仍处在较低水平,<2μm粒级含量略有降低;有机质含量在155cm左右突然降低,之后逐渐增加;所分析的6种元素含量虽然波动幅度较小但是波动频繁,K、Na含量略有增加趋势。反映夏季风活动较上一阶段减弱,气候温凉湿润,但是存在频繁的气候波动,5kaBP前后气候发生过较为明显的突变。Ⅲc.4.8~4.63kaBP(105~85cm)。沉积物以风成沙为主,粗颗粒含量增加,细颗粒含量减少,但是粉砂和黏土含量明显高于另外两层风成沙;有机质含量明显降低;K、Na含量较高,其他元素含量较低。反映气候相对干冷,应当属于3.5~6.33kaBP之间的一个干冷波动,干冷程度远不及6.33kaBP之前及3.5kaBP以来。Ⅲd.4.63~3.5kaBP(85~50cm)。沉积物中细颗粒成分明显增加;有机质含量较高;除Na元素外所分析的其余5种元素的含量均出现了明显的高值。值得注意的是,在75cm处(约4.3kaBP),>63μm颗粒含量、Na含量均达到最低,而<2μm颗粒含量、Fe、Al、Mg、Ca含量达到了峰值,K含量也出现了较高的值。反映气候温暖湿润,夏季风活动较强,冬季风活动减弱,沙丘固定成壤,在4.3kaBP前后温湿条件达到最优。Ⅵ.3.5kaBP以来(50~0cm)。沉积物以粗颗粒组分为主;有机质含量较低;Fe、Mg、Al、Ca含量都比较低,而K、Na含量较高。反映3.5kaBP以来冬季风活动又逐渐增强,夏季风活动减弱,气候寒冷干燥,风沙活动增强。5时有古气象运动为了获取相对完整的数据,收集了毛乌素沙地已经开展研究的相关剖面,并与本文剖面记录进行对比分析,结果显示风成沉积物记录的环境变化基本一致:15kaBP以前,处于末次盛冰期的后期,气候干冷,风沙活动强烈,沙漠处于活化扩张阶段;15~10kaBP,气候寒冷干旱,冬季风活动较强,沙漠扩张,但寒冷程度较之前有所降低;10~8kaBP,冬季风活动减弱,夏季风活动增强,气候开始逐渐变得温暖湿润,在一些区域开始发育古土壤,但是从大范围看气候仍然干冷;8~3.5kaBP是本区气候条件最为适宜的阶段,夏季风活动强,沙漠北退,其中在5kaBP前后气候曾经发生过干冷波动;3.5kaBP以来总体上气候干旱、夏季风活动减弱,风沙活动强烈,大约在2.8kaBP、1.5kaBP前后曾经有过气候的暖