黄土剖面微量元素的测定及其古气候意义

黄土剖面微量元素的测定及其古气候意义

根据对风成黄土地球化学元素的研究，黄土高原的平均化学成分可以用来代表大陆上地壳的平均化学成分，但对该领域的科学研究表明，风成黄土的丰度存在明显的时间差异[3.13]。在表生环境下,黄土地球化学元素的淋失或富集与风化过程密切相关,而风化过程又严格受气候环境的影响,因此通过对地球化学元素的研究可揭示土壤化学风化及其气候环境的变化。黄土化学风化受多种因素的影响和制约,如成土母质、地形地貌、气候等因素,由于黄土风尘物源相对均一,故黄土化学元素在不同时空尺度上的分异主要是在风尘黄土沉积以后的风化成壤期间发生的,而控制分异方向和强度的因素是黄土化学元素的化学性质(内因)和气候环境状况(外因)的差异,其中化学性质主要控制着它们分异的方向,而气候环境条件主要决定着它们分异的强度,二者共同控制着它们在表生环境条件下的生物地球化学风化过程。从这个意义上讲,化学元素在黄土剖面中的分异及其强度是受东亚季风系统控制的,因此,可利用黄土化学元素恢复东亚季风系统的演变历史,其作为重要代用指标在全球变化研究中得到了广泛的应用[1~13]。同时,不同元素在表生地球化学行为中的性质差异和复杂性使得它们在恢复古气候变化的意义不同,所以,获取黄土化学元素在表生环境下的地球化学行为和明确的古气候意义是利用其再现古气候环境变化的关键所在。基于这种考虑,本文对关中盆地东部具有地层年代学和气候变化研究的老官台剖面进行了12种微量元素的测定,分析研究了这些微量元素在剖面中的分布特征和变化规律,获得了这些元素的地球化学行为特征及其古气候意义。1阴山山地土壤剖面层序表3研究地点位于渭河流域东部的陕西华县境内(图1)。本区地形南高北低,南部为华山山地,海拔约1200~2000m;北部为渭河平原,海拔341~400m。在山地和平原之间分布着山麓洪积扇和黄土台塬,海拔400~800m,因受河流切割,冲沟发育,洪积扇和黄土台塬多呈南北走向。渭河沿华县县境北部边缘东流而形成了一至三级阶地,在本区渭河南岸一级阶地普遍发育,二级和三级阶地受华山北坡渭河各支流的侵蚀切割而呈不连续分布。本区属暖温带气候,受地形影响南北差异明显,平原地区年均温13.4℃,一月均温-1.2℃,七月均温27.3℃,极端最高温43℃,最低温-16℃,≥10℃积温4398℃;年均降水量600mm左右。LGT黄土-土壤剖面(34°31′N,109°45′E)位于渭河南岸的二级阶地上,海拔365m,坡度1°左右,处在渭河支流石堤河的东部(见图1)。剖面出露厚度大于5m,从剖面的沉积特征可以看出,整个剖面沉积连续,黄土-土壤层次清晰。从上到下整个剖面可以划分为:表土层TS(40~0cm),黄土层L0(96~40cm),古土壤层S01(192~96cm),黄土夹层Lx(218~192cm),古土壤层S02(274~218cm),过渡性黄土层Lt(310~274cm)和马兰黄土层L1(380~310cm)。风成黄土层(包括L0、Lx、Lt和L1)基本具有相类似的沉积特征,均为浊黄橙色,粉沙质地,均质块状结构,且疏松易碎;而古土壤层(包括S01和S02)为浊棕色,粉沙质粘土质地,棱块-团块结构,局部球形团粒较发育(0.5~1.0mm)。野外观察发现,在过渡性黄土Lt层(300~284cm),其结构致密坚硬,无大孔隙,含有较多沙粒,显示有水流沉积物成分。同时,在古土壤S01层的中部(176~144cm)也发现有较多的沙粒,且结构较致密,具有水流沉积物的特征。2相关指标的测定对LGT黄土-土壤剖面自地表开始向下每隔2cm连续采样,至马兰黄土顶部共采集190个样品,保证每个样品采1kg左右,以备充足的土样用于多气候代用指标的重复测定分析。样品在室内自然风干后,从每个样品取约20g置于玛瑙研钵中研至200目以下,以备各指标的实验测定。对采集的190个样品进行了磁化率、粒度、微量元素的测定和分析。磁化率利用英国Bartington公司生产的MS-2B型磁化率仪测量,粒度利用英国Malvern公司生产的Mastersizer-S型激光粒度仪进行了测量。微量元素使用北京瑞利分析仪器公司生产的WFX-1型原子吸收分光光度计采用火焰法(AAA)进行测定,测定的具体步骤是:精确称取经研至200目以下再烘干的1g样品进行前处理,制备成待测的样液,之后进行样品的测定。在测定过程中,同时加入检测样品进行质量控制,其测量的相对误差和标准偏差小于3%。沉积样品的光释光(OSL)年龄使用RisφTL/OSL-DA-15型释光断代仪,采用细颗粒单片再生法进行了测定。以上所有的实验分析均在陕西师范大学环境变迁实验室完成。3结果与讨论3.1气候变化特征结果LGT黄土-土壤剖面的粒度、磁化率指标的测定分析结果见图2。粒度和磁化率是黄土与气候变化研究当中应用最为成熟的替代指标。其中风成黄土沉积物的粒度变化主要指示了其搬运动力-东亚冬季风强度的相应变化,因此研究黄土沉积物的粒度组成及其变化是揭示其搬运动力变化的主要途径。从图2可以看出,粒度中<5μm的粘粒组分、10~50μm的粉沙组分和50~100μm的粗粉沙组分的含量变化清楚地记录了末次冰消期以来气候的波动变化。在S01层的176~144cm之间有一个特殊层位,表现为粗粒级组分(包括10~50μm的粉沙和50~100μm的粗粉沙)含量的显著增大,二者之和为67.78%,这与缓坡地面的水流侵蚀沉积事件有关。黄土-土壤剖面中磁化率值的大小记录了主要由东亚夏季风强度控制的风尘沉积之后的成壤强度。从图2可以看出,在S02和S01两个土壤层的磁化率值明显高于其他地层,平均值分别为140.2×10-8SI和127.5×10-8SI,是末次冰消期以来两个最重要的成壤期,并且指示了S02的成壤强度要明显强于S01;而在二者之间的黄土夹层LX的磁化率值很低,为108.2×10-8SI,反映了其形成期是一个温度低、降水少的气候恶化期。L0形成期以来磁化率减小,指示了气候的干旱化趋势。对比该剖面的粒度和磁化率指标的变化表明(图2),体现成壤强度的磁化率和粘粒组分(<5μm)与主要反映风尘沉积强度的粉沙(10~50μm)和粗粉沙(50~100μm)在全剖面的变化对应良好,揭示了关中盆地东部自末次冰消期以来的气候经历了多次明显的波动变化。全新世早期的12.45~9.34kaB.P.,磁化率和<5μm粘粒含量相对于末次冰消期沉积的马兰黄土(L1)明显增大(见图2),而10~50μm粉沙和50~100μm粗粉沙含量明显减小,指示了东亚夏季风增强和冬季风的相对减弱,本区气候表现为快速升温、降水明显增多的特征。之后的9.34~6.77kaB.P.期间,磁化率和<5μm粘粒含量均为全剖面最高(见图2),指示了本区东亚夏季风的持续最强,为全新世以来温度最高、降水量最多的气候最适宜期。在中全新世的6.77~5.48kaB.P.期间,磁化率和<5μm粘粒含量显著减小,而10~50μm粉沙含量和50~100μm粗粉沙含量明显增大(见图2),这是东亚冬季风增强条件下粉尘快速堆积的结果,说明该期为温度下降、降水量减小的冷干气候。这次气候突变事件不仅在渭河流域其他地区有记录,在全球许多地区均记录了这次气候突变事件。随后的5.48~3.12kaB.P.期间温度有所回升、降水增多,但温湿程度总体上不如9.34~6.77kaB.P.的气候最适宜期,这在磁化率和<5μm粘粒含量变化上有较明显的反映(见图2)。在S01层的176~144cm之间的特殊层位与缓坡地面的水流侵蚀沉积事件有关。各气候指标揭示了3.12kaB.P.以来晚全新世本区气候趋向干旱化(见图2),历史记录和全新统中的风沙层和对此次气候事件均有所显示。黄春长等通过对黄土高原古土壤的研究,确认了3.1kaB.P.的干旱事件,并指出东亚季风的快速转换导致了黄土高原3.1kaB.P.气候的干旱化和资源退化。3.2微量元素的相对活性微量元素在表生环境下表现出的淋失或富集等不同地球化学特征,与其元素的性质有直接的关系,并与风尘沉积之后的风化成壤过程密切相关。从表1可以看出,多数微量元素的含量在黄土层与土壤中存在着明显的差异,其中Rb、Li、Cr、Co四种元素的含量在土壤层明显高于其他各层,除Cr的含量在S02仅低于表土层TS以外,其他三个元素的最高含量均出现在土壤层S02(见表1,图3-1);Sr、Ba、Cd三种元素(见表1,图3-2),含量在土壤层明显低于其他各层,最低含量均出现在土壤层S02。Pb、Zn、Cu、Mn、Ni五种元素的含量在表土层中最高(见表1,图3-3),其次在土壤层中的含量相对较高。通过对测定结果的分析表明,LGT剖面微量元素含量不仅清楚地记录了风尘沉积之后的后期成壤强度的变化(表1,图3),而且也反映了它们在表生环境下的地球化学特征存在着显著的差异。Rb、Li、Cr、Co四种元素的含量均表现为土壤层高于黄土层(见表1),分别高9.47%、10%、1.17%、3.51%,不仅统计结果反映如此,而且在它们的含量变化曲线图上也清楚反映了这种区别,表明它们在风尘沉积物经后期成壤之后具有明显的富集特征。Sr、Ba、Cd三种元素的含量表现为黄土层高于古土壤层,分别高7.38%、26.3%、9.06%,同时,从其含量分布的曲线图上也明显反映了这种区别,表明在后期成壤过程中,这四种元素具有明显的淋失特征。虽然Zn、Cu、Ni、Mn四种元素含量变化的统计分析结果(见表1)表现为古土壤层高于黄土层,分别高3.58%、1.48%、3.82%、4.78%,但在其含量分布曲线图上对黄土层与土壤层的区别不太明显。Pb的含量黄土层高于土壤层,分别高12.6%,但在其含量分布曲线图上未能明显反映出黄土层与土壤层的区别。各微量元素在LGT黄土剖面中的变化显示了它们的地球化学特征明显不同,体现在它们相对活动性的显著差异。选择黄土剖面中较为活跃的Sr元素作为参照,可以计算沉积物中其他元素的变化率来获得微量元素的相对活动性。计算公式为:Δ(%)=[(Xs/Is)/(Xp/Ip)-1]×100%。式中Xs、Is代表样品中元素X和参比元素I的含量;Xp、Ip为上述元素在原始母质中的含量。若Δ<0,则反映元素X相对参比元素易迁出,活动性强;若Δ>0,反映元素X相对富集,活动性弱。选择剖面中风化最弱的L1层(剖面深380~310cm)近似代表风化母质,计算剖面元素含量的变化率百分数(见图4)。计算结果显示,Ba的△值为-16.7%,表明其活性还要强于Sr。Ba为碱土金属元素,也是典型的分散元素,主要以类质同象的形式进入主要造岩矿物。在表生环境中,Ba与Ca和Sr的地球化学性质相似,较容易以游离钡的形式随土壤溶液或地表水进行迁移,这就使得在关中盆地半湿润的气候条件下,Ba在降水相对丰富的后期风化成壤过程中发生了较强的淋溶迁移,导致古土壤中Ba的大量淋失。其余的微量元素除Cd△值较小且接近零以外(2.57%),Pb、Li、Zn、Cu、Cr、Mn、Co、Rb、Ni等△值均大于10%,表明它们的活性要明显低于Sr。根据以上微量元素活动性确定的元素迁移由强至弱的顺序为Ba>Sr>Cd>Pb>Li>Zn>Cu>Cr>Mn>Co>Rb>Ni。此序列中,从左至右,元素的相对富集程度依次增加。微量元素在风化过程中的淋失与富集除与黄土母质中的矿物成分、粒度有关外,主要受气候环境(气温、降水和生物等)影响的生物地球化学循环过程的控制。植物正常生长必须吸收C、H、O、N、K、Ca、Mg、P、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Co、Cl等元素,而影响植物根部吸收矿物质元素的外界因素主要有温度和主要由降水状况决定的土壤通气状况、溶液浓度、氢离子浓度、离子间的相互作用等。风化成壤过程中生物活动特别是植物的生长需要吸收部分微量元素造成它们在土壤表层发生一定程度的聚集;同时,游离的微量元素又易被粘土矿物、有机质等吸附。这也是造成LGT剖面中的Zn、Cu、Ni、Mn、Pb、Cd等元素在表土层富集(见图3)的主要原因。这些元素的富集特征在其他地区的风尘黄土沉积物中也有相类似的表现。考虑风成黄土具有较一致的粉尘源区,导致黄土剖面中化学元素分异的主要外部原因应是其沉积以后的风化成壤作用所致,即这种分异反映了气候环境变化引起的生物地球化学循环过程的改变。黄土高原地区,在夏季风较强时期,气候湿润,植被密度较大,生物地球化学风化作用强烈,导致化学元素发生分异,致使某些元素富集,而另外一些元素相对淋失。如在本区气候最适宜期的9.34~6.77kaB.P.期间,Rb、Li、Cr、Co四种元素的含量达到最高(见表1,图3-1),分别为88.43×10-3gkg-1、33.07×10-3gkg-1、84.88×10-3gkg-1和33.55×10-3gkg-1,而在气候较温湿的全新世中晚期的5.48~3.12kaB.P.期间,它们的含量为次高值。与此相反,Sr、Ba、Cd三种元素的含量则在这两个气候相对湿润的时期,表现了较强的淋失,最低含量出现在S02或S01层(见表1,图3-2)。结果使得这两组微量化学元素含量之间的差异增大,如Rb和Sr之间的差异,Li和Ba之间的差异均显著增大,这也是用元素比值可很好揭示气候环境变化的原因所在。相反,在冬季风较强时期,气候干冷,植被稀少,生物地球化学风化作用较弱,化学元素分异比较微弱,表现为元素含量之间的差异较小。如在全新世中期6.77~5.48kaB.P.期间气候干冷的条件下,Rb、Li、Cr、Co四种元素的含量均很低,分别为81.92×10-3gkg-1、30.77×10-3gkg-1、77.87×10-3gkg-1和27.98×10-3gkg-1;而Sr、Ba、Cd三种元素的含量相对较高,使得各元素含量的差异较小。这种变化在晚更新世马兰黄土L1、过渡层Lt,以及在全新世晚期3.12kaB.P.以来的风成黄土中均有一致地反映。另外,Mn元素从土壤层的底部或是下伏黄土层的顶部到土壤层顶部含量逐渐升高,趋势非常明显(图3-3),这可能同季风降雨环境的变化有关(出现在气候的转型期)。从这个意义上讲,化学元素在风成黄土剖面中的分异是东亚季风系统波动变化或重大转换的结果。通过与磁化率、粒度指标的对比发现,以上具有明确环境意义的微量元素变化清楚地记录了关中盆地在全新世以来气候环境的波动变化,即12.45~9.34kaB.P.期间表现为快速升温、降水明显增多的变化特点。而在9.34~6.77kaB.P.期间,本区气候为全新世以来温度最高、降水最多的最适宜期。在全新世中期的6.77~5.48kaB.P.期间发生了气候恶化过程,表现为冷干过程。5.48~3.12kaB.P.期间温度有所回升、降水增多,但温湿程度不如9.34~6.77kaB.P.的气候最适宜期。3.12kaB.P.以来,本区气候再次向温度降低、降水量减小的方向变化。4土壤层和表土层微量元素的含量与形态通过对渭河流域东部的LGT剖面粒度、磁化率、微量化学元素含量的对比