洛川剖面锆石粒度分析测量古气候变化

洛川剖面锆石粒度分析测量古气候变化

在中国北方的黄土高原区，第四纪黄土-古土壤和新生代季红色粘土分布广泛，沉积连续。它丰富了古环境和气候条件，引起了国内外学者的关注。第四纪黄土-古土壤序列记录了258万年以来东亚乃至全球气候变化过程,特别是对东亚古季风的演变具有良好的指示意义。随着现代科学技术的发展,前人已建立了完整的第四纪黄土-古土壤古地磁年龄格架,许多气候代用指标被运用到第四纪古气候、古环境的研究中,使得中国学者在研究风成黄土-古土壤领域达到世界研究的前列。然而,由于黄土-古土壤沉积物在搬运过程中受到诸多物理、化学的作用的影响,沉积后在成岩过程中又受到成壤作用的影响,使其粒度、地球化学等性质发生了或多或少的变化。尽管传统的沉积学及地球化学手段促进了对第四纪黄土-古土壤古气候意义的认识,然而,无论沉积物全岩粒度、岩石组合等沉积学特征,还是地球化学主量元素、微量元素、稀土和Nd同位素特征,所给出的数据常常受到成壤作用的影响而使其研究结果具有多解性。因此,为了进一步对第四纪黄土-古土壤所携带的古气候意义进行研究,我们需要寻找一种稳定性好,其包含的古气候信息基本不受粉尘传输、沉降和沉积过程中物理分选和化学风化作用的影响,并且可以有效区分不同粉尘源区的物质进行研究,重矿物锆石是我们最好的选择之一。锆石(ZrSiO4)是自然界中普遍存在的一种副矿物,广泛存在于火成岩、变质岩和沉积岩中。由于锆石硬度较大(7.5～8,是石英的1.5倍),锆石具有高度的地球化学稳定性,高的封闭温度和对后期沉积过程较强的抗干扰能力,使其沉积后基本不受风化作用和成壤作用的影响。因此,通过第四纪黄土-古土壤中碎屑锆石的粒度特征研究,并与粉尘沉积物全岩进行对比,应该可以更准确的反应其携带的古气候意义,同时也是对粉尘沉积物全岩粒度分析方法的补充。1样品采集和样品制备分析样品来自位于陕西洛川县城南五公里的坡头村黑木沟剖面(N35°45′,E109°25′)(见图1)。剖面厚度约140m,其中第四纪黄土-古土壤厚130余m,新近纪红黏土不足10m,古地磁底界年龄为3.4Ma。记录了2.58Ma以来第四纪黄土-古土壤与2.58～3.4Ma以来新近纪红黏土的粉尘沉积序列。剖面分别发育33层黄土、古土壤。前人对该剖面进行了大量的基础性研究,包括古地磁、沉积物粒度特征,石英颗粒特征、碳酸盐岩、各种地球化学特征等,几乎囊括了所有现代分析测试手段。剖面地层划分清晰,古地磁年龄准确,并且由中国科学院地质与地球物理研究所牵头,对该剖面黄土与古土壤层位进行了标识,这为准确采集样品提供了方便。样品采集选择前人研究表明古气候、粒度、地球化学特征等变化明显的层位进行,分别为黑垆土层S0(0.0769±0.02Ma)、马兰黄土L1(0.12～0.08Ma)、第二层黄土L2(0.196～0.12Ma)、第二层古土壤S2(0.246～0.196Ma)、第六层黄土L6(0.7～0.61Ma)、第八层黄土L8(0.77Ma)、第一粉砂层L9(0.862～0.792Ma)、第二粉砂层L15(1.25～1.1Ma)、第二十四层黄土L24(1.6Ma)、第二十九层黄土L29(1.87Ma)、黄土-古土壤剖面底界黄土L33(2.5Ma)、新近纪红黏土E1(3.4～2.5Ma),共计12个层位(见图1)。野外采集样品大于10kg,锆石分选在河北省区域地质调查大队地质实验室完成,每个样品选出大于2000粒以上的锆石。从本次对洛川第四纪黄土与新近纪红黏土碎屑锆石的分选情况来看,第四纪粉尘沉积物中的确含有大量的包括锆石在内的诸多重矿物,使得利用锆石进行粉尘沉积物地质意义的研究成为可能。样品制备在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。其制备过程为,在双目镜下,将锆石随机紧密粘在双面胶上,扣上直径为1cm左右的塑料套管,灌上环氧树脂,等树脂凝固12h后,剖光使锆石表面平整光滑。本次研究的12个碎屑锆石样品均来自磁化率和全岩中值粒径有明显变化的层位。由于重矿物锆石是黄土-古土壤中的一种副矿物,其分选困难,样品制备和测试周期较长,不能像全岩和石英颗粒一样用Mastersizer2000激光粒度仪进行粒度分析。锆石粒径测量利用西北大学大陆动力学国家重点实验室美国FEI公司生产的Quanta400FEG场发射环境扫描电子显微镜获得锆石样品的二次电子图(见图2a,c),用Scandium软件在图片上测量像每粒锆石的长、短轴长度,取其平均值,求得单颗粒锆石的粒径(见图2a)。2粉碎沉积物粒度特征粒度是碎屑颗粒最主要的结构特征,颗粒粒度直接决定着沉积岩的类型和性质。颗粒的大小受到搬运动力(流水、风力等)的控制,与沉积物的形成环境关系极为密切。第四纪黄土-古土壤与新近纪红黏土中的碎屑锆石颗粒在脱离源区的母岩后,受外界环境的影响,在其搬运过程中会受到物理、化学作用,会在锆石表面形成一些印记,但在其沉积成岩过程中,由于具有稳定的物理化学性质,最大程度的保留了锆石的原始粒度,可能代表了粉尘沉积物沉积成岩前的特点,在一定程度上可以更加可靠的反映其沉积环境,特别是反映其搬运动力的大小。前人已将粉尘沉积物粒度特征的研究广泛应用于对第四纪黄土-古土壤的研究中。诸多文献表明,通过粉尘沉积物的粒度及其百分含量组分特征,可以分析粉尘沉积物沉积时的古气候、古环境意义。第四纪黄土-古土壤粒度变化特征可以反映搬运黄土颗粒的冬季风强弱变化,黄土物源区范围,成壤作用的强度,大气环流的演变以及全球冰量的变化等[20,21,22,23,24,25,26,27]。黄土-古土壤的基本粒径在2～50μm之间,粒度具有分形特征,其中粒径>30μm粗颗粒百分含量(指数量的百分含量,下同)与磁化率变化基本一致,可以作为冬季风变化强度的替代指标;粒径>60μm的颗粒含量可能指示极强的冬季风尘暴现象;<2μm颗粒的形成可能受到风化成壤作用的影响,对夏季风强弱的变化有一定的指示意义。2.1风成沉积物的地球化学特征锆石的扫描电镜和反射光图像分析表明,第四纪黄土-古土壤及新近纪红黏土中碎屑锆石颗粒有一定解理,大多保留了较好的锆石晶型,颗粒完整,边缘大多磨蚀钝化。表面具有不规则的细微裂隙、机械撞击坑、弧形沟槽及毛发状裂隙(见图2(a),(b),(c))。这些特征表明其经历风动力搬运过程中,受到地面或颗粒间的机械碰撞作用,是典型风力搬运过程中形成的产物,并且在搬运过程中经历了一定程度的化学和物理风化作用。同一样品粒径分异较小,分选性较好,多数具有较高的磨圆度,说明黄土-古土壤中的碎屑锆石经历了较远距离的搬运过程。在CL阴极发光图像中,有呈柱状,近等轴状,结构均匀,发育晶型完整环带的岩浆锆石,也有具有暗色增生边,CL图像呈扇形分带的浑圆状变质岩锆石(见图2(b)),表明其来源复杂,不是单一的物源区供给,具有典型风成沉积物的特征。上述碎屑锆石特征,说明这些锆石具有与第四纪黄土-古土壤与新近纪红黏土相同的风成沉积方式。2.2特征结果分析对洛川黄土-古土壤中11个样品和下伏红黏土1个样品的碎屑锆石粒度分析表明。第四纪黄土锆石粒度范围在18～174μm之间,而古土壤碎屑锆石粒径分布在20～130μm,其中值粒径与平均粒径稍大于相邻黄土碎屑锆石粒径。在所分析的第四纪黄土碎屑锆石中,L24层的中值粒径最大,达到53.03μm,而L6和L8层的锆石中值粒径和平均粒径最小,均不到40μm。其他层位的锆石中值粒径和平均粒径集中在40μm到50μm之间。红黏土中锆石粒径则分布在20～140μm之间,其中值粒径和平均粒径最大,分别为58.62μm与61.4μm。最小粒径出现在马兰黄土L1中,为15.78μm;最大粒径则出现在L24中,为174.1μm(见表1)。在分析的第四纪黄土-古土壤与新近纪红黏土样品中,碎屑锆石小于20μm的粒度百分含量均小于1%,其中晚第三纪红黏土碎屑锆石百分含量最少,只有0.3%,而含量最大的黑垆土S0也只有0.87%,这与第四纪黄土-古土壤及新近纪红黏土全岩粒度特征完全不同。究其原因,由于碎屑锆石在脱离母岩区后,经历物理、化学风化作用,使其分解为锆石的最小单元单颗粒锆石晶体,而绝大部分岩浆岩、变质岩及碎屑岩的锆石单颗粒晶体大于20μm,这些母岩区锆石在风力搬运及其后的沉积成岩过程中,由于锆石具有极为稳定的地球化学特征及较大硬度的特点,尽管在锆石表面发生了一定的机械磨蚀和地球化学作用,锆石的磨圆度增加,但锆石晶体颗粒仍然较好地保存下来,特别是较少受到粉尘物质沉积成岩过程中成壤作用的影响,从而使得小于20μm的碎屑锆石含量较少,较为真实地反映了粉尘沉积物沉积成岩之前的粒度特点,可能更好的反映粉尘沉积搬运动力的大小,作为较好的古气候变化代用指标。粉尘沉积物锆石细颗粒百分含量变小的特点与利用粉尘沉积物石英粒度分析实验结果基本一致。第四纪黄土-古土壤碎屑锆石的粒度集中分布于20～60μm之间,其百分含量均大于75%,而新近纪红黏土仅为52.20%。在第四纪黄土-古土壤地层中,黑垆土S0在20～60μm粒径含量最小,为75%;第6层黄土L6最大,达到95.81%,其他第四纪黄土与古土壤层位碎屑锆石20～60μm粒径百分含量介于其中,均在80%以上(见表1)。模拟实验和理论计算表明,平均粒径小于2μm的细粒粉尘,一旦被风吹起,便可以上升到高空大气中悬浮较长时间,并被气流搬运到较远地区;而平均粒径大于20μm的颗粒,很少在空气中悬浮较长时间,即使被大风吹起也只能在低空作短时间的悬浮,被搬运的距离也较短,其搬运方式是近地面短距离悬移,风速减弱便回落到地面。从本次分析测试的结果来看,剔除了黄土粉尘沉积物中的细粒物质,20～60μm粒径百分含量反映了洛川第四纪黄土-古土壤沉积物的众数粒级,这个区间的粉尘颗粒,可能为一种低空近源的粉尘沉积,代表了黄土高原经常性降尘过程,可作为大气粉尘的本底。因此,20～60μm粒径百分含量可能代表了沉积物沉积成岩之前的粉尘粒径特征,其波动变化应该能够真实反映粉尘粒度所代表的古气候意义。有学者指出,洛川地区黄土全岩粒径>30μm颗粒的百分含量是冬季风强度变化的良好的替代性指标之一。从上述第四纪黄土-古土壤碎屑锆石20～60μm粒径百分含量所反映的情况来看,具有与全岩粒度特征较为相似的粒度变化趋势。反映夏季风强度较高的古土壤黑垆土S0、第二层古土壤层S2,其碎屑锆石20～60μm百分含量均小于相邻黄土层,红黏土20～60μm百分含量远小于第四纪黄土(见表1,3)。而反映冬季风变化强度较大的马兰黄土、第一粉砂层L9、第二粉砂层L15的20～60μm百分含量均较大。从新近纪红黏土到第四纪黄土-古土壤沉积物,其碎屑锆石20～60μm百分含量总体上具有变大的趋势,说明洛川地区出现粉尘沉积物以来,其冬季风强度具有在波动中逐渐增强的趋势,与前人的研究结论相吻合。由于粒度频率与概率分布曲线可直观表现沉积物各粒级组分所含的百分含量,与搬运介质的动力条件与物源区距离密切相关。图4给出了12组锆石样品的粒度频率分布曲线特征,第四纪黄土-古土壤样品具有较为相似的频率分布特征,总体呈正偏态非对称单峰分布,细粒物质含量少,大部分样品在粒径在60～70μm处形成拐点,粗颗粒曲线延伸较长,L6、L8层众数粒级小于40μm外,其余样品的众数粒级均大于40μm。而新近纪红黏土样品的碎屑锆石粒度频率分布曲线与众不同,曲线顶部宽缓,无明显尖峰,粗颗粒锆石含量较黄土-古土壤中明显增多,锆石颗粒粒径集中在40～70μm,大于80μm以上的颗粒最多,达15.9%,并且可见最大粒径达120μm以上碎屑锆石。在其锆石粒径由细向粗变化过程中,30μm处形成一明显拐点,而众数粒级范围明显变宽,粗尾加长,没有明显的拐点出现,基本显示为平滑延伸。此外,洛川第四纪黄土-古土壤与新近纪红黏土概率累积曲线也显示了相同的特点。由图5可以看出,第四纪黄土-古土壤的概率累积曲线相似,细颗粒少,粗尾显示了基本相同的延伸特点在颗粒粒径由细向粗累积的过程中,在30μm出形成明显拐点,而粗尾拐点出现在60～70μm之间。新近纪红黏土累积曲线明显远离第四纪黄土-古土壤累积曲线,细颗粒含量更少,而粗颗粒含量增加,颗粒的累积曲线倾角小于第四纪黄土-古土壤,呈现缓慢的累积态势,在由细颗粒向粗颗粒累积的过程中,没有出现明显的拐点,粗尾加长,粗颗粒含量增加。这些特征说明新近纪红黏土在风动力、物源距离等方面可能与第四纪黄土-古土壤存在差异。值得注意的是L24层黄土与新近纪红黏土的粒度组成特征与其他第四纪黄土-古土壤不同(见表1,图3)。L24层碎屑锆石20～60μm百分含量为69.05%;而晚第三纪红黏土20～60μm百分含量最小,为52.20%。它们大于60μm的粗颗粒含量,中值粒径、平均粒径值均较大。L24大于60μm的粗颗粒含量、中值粒径、平均粒径值分别为28.14%,53.03,55.90μm;新近纪红黏土样品E分别为36.78%,58.62,61.40μm,其碎屑锆石最大粒径L24达到174.08μm,新近纪红黏土中最大碎屑锆石粒径达到138.5μm。尽管L24黄土层与新近纪红黏土样品E碎屑锆石大于60μm的粗颗粒含量、中值粒径、平均粒径值较其他第四纪黄土-古土壤明显变大,但笔者认为,形成这种实验结果的控制因素有所不同。粉尘沉积物颗粒粒径大小,除了受到搬运风力大小的影响外,还与地形、地貌、物源区的距离有关。L24黄土层中碎屑锆石大于60μm的粗颗粒含量,中值粒径,平均粒径明显增大的原因,可能反映了当时的季风系统的变化,冬季风加强,搬运动力增大。已有文献表明,L24层(1.6Ma)黄土沉积时,青藏高原发生过一次剧烈的隆升事件,该时期是黄土高原周边造山、造貌的主阶段之一,经历此次高原隆升事件,青藏高原内部众多湖泊消亡,中国大陆第二阶梯状地形大幅上升,黄河阶地开始发育,冬季风在原有基础上得到明显加强,从而引起第四纪黄土-古土壤物源区物理、化学风化作用加强,较强的冬季风将粗颗粒锆石搬运到黄土高原腹地沉积下来。因此,第四纪L24黄土中碎屑锆石大于60μm的粗颗粒含量、中值粒径、平均粒径明显变大的原因,应该归因于青藏高原的隆升对东亚乃至北半球大气环流产生的巨大影响,从而冬季风增强,搬运动力发生改变而引起的。而洛川地区新近纪红黏土较第四纪黄土沉积较早(3.0Ma上下),截止目前为止,还没有证据表明此时控制粉尘沉积物颗粒粒径的搬运动力-冬季风较第四纪黄土-古土壤沉积时强度大。已有资料表明,从新近纪红黏土到第四纪黄土-古土壤沉积以来,控制其沉积物颗粒粒径大小的冬季风表现为逐渐增强的过程。因此,引起新近纪红黏土碎屑锆石大于60μm的粗颗粒含量、中值粒径、平均粒径值变大的原因可能与冬季风强度的变化关系不大,而可能与物源区距离有关。洛川地区第四纪中晚期黄土沉积时,受新构造运动的影响,整个黄土高原地形、地貌与晚第三纪红黏土沉积时的地形地貌不同。新近纪红黏土沉积时所覆盖的区域要远小于第四纪黄土。在红黏土沉积时,黄土高原周缘及内部,还有诸多裸露的基底岩石,在地面风作用下,同样可能成为新近纪红黏土的物源区,较近距离的搬运,使得红黏土沉积物中的碎屑锆石粒径较大。因此,从洛川新近纪红黏土粒度特征来看,大粒径锆石百分含量的增加,并不预示着此时冬季风的加强,而是与物源区距离有关,这些结论同样得到红黏土中碎屑锆石U-Pb年龄组合特征的证实(另文刊出)。尽管本次分析测试的碎屑锆石粒径与全岩粒径(Mastersize2000)的测量方法不同,不具有完全的可对比性,其粒径值在多大程度上反映了沉积物颗粒真实的粒度大小值得商榷,但就本次试验获得的分析数据结果与全岩粒径测量(Mastersize2000)的结果而言应该是说是可以对比的。由表1和图3可以看出,代表第四纪黄土-古土壤层经常性降尘本底粒度的20～60μm碎屑锆石百分含量与代表尘暴事件的大于60μm碎屑锆石百分含量、中值粒径、平均粒径呈反相关关系(图3)。一方面,黑垆土S0与第二层古土壤层S2的经常性降尘本底粒度20～60μm碎屑锆石百分含量均小于其相邻地层马兰黄土L1与第二层黄土L2的值,说明在古土壤S0与S2层沉积时,其作为沉积物搬运动力的冬季风强度在减弱;另一方面,它们的中值粒径、平均粒径、大于60μm的粗碎屑锆石的百分含量增大,说明其搬运沉积物的动力——冬季风强度在增强,这种分析结果显然是自相矛盾的。与前人对第四纪黄土-古土壤及新近纪红黏土全岩粒度分析的结果相比较,同样令人费解的现象发生在第一粉砂层L9、第二粉砂层L15中。L9,L15代表经常性降尘本底粒度的20～60μm碎屑锆石百分含量、大于60μm粗碎屑锆石百分含量、中值粒径、平均粒径值较其相邻层位的变化不大(见表1,图3),这样的分析结果如果按照传统沉积学粒度分析原理,必将得出控制其粒度大小的搬运动力冬季风强度变化不大,反映了一个较为稳定的古气候环境的结论。显然这样的结论与全岩粒度中值粒径、磁化率及深海氧同位素特征所反映的结果不符(见图1)。本文测试的第四纪黄土-古土壤与新近纪红黏土部分层位碎屑锆石粒度分析之所以出现上述分析结果,笔者等认为,很大程度上可能与粉尘沉积物的成壤作用强度有关。当黑垆土S0与古土壤S2层沉积时,控制降雨强度的夏季风明显增强,使得S0,S2粉尘沉积时成壤作用明显,它们的土壤化作用较马兰黄土L1、第二层黄土L2明显增加,而锆石颗粒的地球化学性质较为稳定,受到沉积物土壤化作用影响较小。而粉尘沉积物硅酸盐性质的全岩则不同,较强的土壤化作用破坏了冬季风搬运而来的粉尘颗粒,使得古土壤层颜色变暗、全岩粒度变细。而在L9,L15全岩颗粒粒径明显较相邻黄土层粒径粗(见图1),而代表经常性降尘本底粒度的20～60μm碎屑锆石百分含量、大于60μm粗碎屑锆石百分含量、中值粒径、平均粒径值较其相邻层位变化