粘土礦物分析及其指示的氣候意義——以毛烏素沙漠滴哨溝灣為例

牛東風(fēng)，李保生，2，王豐年，溫小浩，馬佳麗，舒培仙

(1．華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東廣州 510631;2．中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710061;3．惠州學(xué)院旅游系，廣東惠州 516007)

0 引言

位于毛烏素沙漠東南部邊緣的薩拉烏蘇河流域是北方黃土與沙漠過渡帶的重要組成部分，其對氣候環(huán)境變化相當(dāng)敏感．毛烏素沙漠至少在50萬年前就已經(jīng)形成，在第四紀(jì)氣候振蕩的作用下，歷經(jīng)“沙漠－非沙漠”的多次轉(zhuǎn)變［1］．在這種環(huán)境變遷過程中，薩拉烏蘇河流域沉積地層很好記錄了古氣候的演化，連續(xù)的沉積地層也成為了我國北方晚更新世以來的標(biāo)準(zhǔn)地層，成為了國內(nèi)外古環(huán)境研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一［2］．迄今為止，學(xué)者們在薩拉烏蘇河兩岸發(fā)現(xiàn)了多個(gè)沉積剖面，并開展了較多的氣候與環(huán)境演變研究，取得了大量新的進(jìn)展［3－8］，為進(jìn)一步深入研究毛烏素沙漠變遷奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．然而研究中少有涉及粘土礦物組成及其反映出的環(huán)境變化，因此選擇該流域典型沉積剖面——滴哨溝灣剖面，對該剖面粘土礦物組成進(jìn)行分析，以此為依據(jù)探討薩拉烏蘇地區(qū)全新世的氣候變化．

粘土礦物廣泛地分布于地表各類沉積物和沉積巖中，是一定氣候條件、水介質(zhì)條件、物源條件下受沉積作用、成巖作用綜合影響的產(chǎn)物，因此通過對粘土礦物及其組合的研究可以揭示古氣候、物源、沉積環(huán)境和成巖環(huán)境的特征［9］．粘土礦物的形成和轉(zhuǎn)化與氣候，特別是與溫度和濕度有十分密切的關(guān)系［10］．近年來，利用粘土礦物研究黃土和古土壤形成的氣候環(huán)境及其演變?nèi)〉昧酥匾M(jìn)展［11－12］．前人從孢粉［13］、地球化學(xué)元素［14－16］及粒度［17－18］等方面出發(fā)研究了全新世以來薩拉烏蘇流域的古氣候變遷，但還需其它指標(biāo)進(jìn)一步論證該區(qū)的氣候環(huán)境變遷．選擇毛烏素沙漠東南緣薩拉烏蘇河流域滴哨溝灣剖面，對其剖面的粘土礦物進(jìn)行定量分析，并據(jù)此探討該地層對于全新世氣候變化及其環(huán)境變遷的指示意義．

1 剖面及其年代

滴哨溝灣剖面位于薩拉烏蘇河流域滴哨溝灣村的河流左岸，37°43'26．3″N，108°31'2．3″E，該剖面頂部海拔高度1 309 m(見圖1)，地層出露厚度為62．70 m，時(shí)代包括全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)上部［19］．滴哨溝灣全新統(tǒng)地層，即DGS1層段(以下簡稱DGS1)位于滴哨溝灣剖面0～4．84 m深度，包括了地層編號為0MD～21LS的總共22個(gè)層序:12層湖沼相(LS)、3層古流動(dòng)沙丘砂(D)、3層古半固定沙丘砂(FD)、1層現(xiàn)代流動(dòng)沙丘(MD)、1層黑壚土(S)、1層砂質(zhì)泥炭(P)和1層次生黃土(CS)(見圖1、2)．

圖2 DGS1沉積序列Fig．2 The sediment sequence of DGS1

DGS1總共有7個(gè)樣品的年代測試結(jié)果，其中6個(gè)常規(guī)14C年代(表1)和1個(gè)OSL年代(圖2)．14C年代由中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所14C實(shí)驗(yàn)室胡智育測定．OSL年代由中國地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所光釋光實(shí)驗(yàn)室趙華完成．對14C年代采用Calib7．0程序中Intcal 13數(shù)據(jù)集［15］進(jìn)行校正(見表1)．由于這6個(gè)常規(guī)14C年代測試結(jié)果在第4個(gè)年代出現(xiàn)倒置，其余均符合地層層序律原則，將此點(diǎn)刪除．同時(shí)滴哨溝灣剖面DGS1底部已有大量的絕對年代值［14，16－17］，如圖2所示，我們使用蘇志珠等［16］的DGS1層段底部(21LS)14C年代測定結(jié)果作為全新世開始．剖面1CS頂部OSL年代為1 800(100 aBP，最新的光釋光年代結(jié)果［18］與14C及年代結(jié)果也吻合較好．為了查明DGS1各個(gè)層位的形成年代，按測定的兩個(gè)相鄰年齡之間的堆積厚度分段計(jì)算出諸年齡段平均沉積速率內(nèi)插并獲得該剖面的時(shí)間標(biāo)尺，內(nèi)插建立的回歸曲線方程為y=0．023 79x+196．96，相關(guān)系數(shù)高(R2=0．95)，各個(gè)層位形成的年代見表2．

表1 滴哨溝灣DGS1層段14C年齡測定結(jié)果Tab．1 14C dating ages and calendar ages of some horizons in the DGS1

表2 DGS1年代表Tab．2 The chronological table of DGS1

2 樣品采集與分析

對DGS1層段共選取4種沉積相——沙丘砂、黑壚土、次生黃土和湖沼相共10個(gè)樣品做粘土礦物鑒定．粘土礦物采用沉降法提取，提取的粒級主要為粉砂和粘土(見表3)，因此做出的粘土礦物組合是可信的．粘土礦物測試采用X射線衍射法，由中科院廣州地球化學(xué)研究所魏景明完成．測試條件:測試儀為德國BRUKER D8 ADVANCE型X射線衍射儀Cu(單色);工作電壓40 kV;工作電流30 mA;掃描范圍2θ=3～85°;狹縫1 mm;掃描速度4°/min．測試樣品及其所屬不同層位沉積相的粘土礦物含量組成結(jié)果分別統(tǒng)計(jì)示于表4、5(剔除混入粘土礦物中的石英和長石)，數(shù)據(jù)均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)形式表示．不同沉積相粘土礦物X射線衍射圖譜如圖3所示．

表3 DGS1粘土礦物測試樣品各粒級組成Tab．3 The grain －size composition content distribution of clay mineral in DGS1 (%)

表4 DGS1中測試樣品的粘土礦物含量組成Tab．4 The distribution of clay mineral composition for analysing samples in DGS1 (%)

表5 DGS1中不同層位沉積相粘土礦物含量組成Tab．5 The distribution of clay mineral composition for each sedimentary facies in DGS1(%)

圖3 DGS1不同沉積相粘土礦物X射線衍射圖譜Fig．3 X － ray diffraction patterns of different DGS1 sedimentary facies clay minerals

從測試圖譜和結(jié)果可知粘土礦物在DGS1內(nèi)的分布狀況為:各沉積相不含高嶺石;蒙脫石在沙丘砂、黑壚土和次生黃土中分布范圍為0% ～22．7%，平均值為14．45%;在湖沼相中為12．3% ～49．6%，平均值為28．08%，低值出現(xiàn)在17LS．伊利石在沙丘砂、黑壚土和次生黃土中分布范圍為39．6% ～52．6%，平均值為45．3%;在湖沼相中為24．6% ～50．5%，平均值為37．43%．綠泥石在沙丘砂和次生黃土中分布范圍為30．2% ～53．4%，平均值為40．23%;在湖沼相中為25．8% ～44．9%，平均值為34．68%．

另外有一定數(shù)量的粘土礦物中混入長石和石英．DGS1中石英與長石在沙丘砂、黑壚土和次生黃土中平均值為30．07%;在湖沼相中平均值為17．7%;沙丘砂、黑壚土和次生黃土中鈉長石含量很高，超過鉀長石2～3倍，可能是沉積物堆積之初就含有較多的鈉長石，但是鈉長石比鉀長石容易風(fēng)化，沉積物中含有較多的鈉長石，可以說明該區(qū)堆積沙丘砂、黑壚土和次生黃土的風(fēng)化作用和成土過程都不夠強(qiáng)烈［21］．

3 DGS1粘土礦物的的環(huán)境指示意義

粘土礦物是在一定的氣候環(huán)境條件下形成的，其形成和轉(zhuǎn)化與周圍的環(huán)境有密切關(guān)系．粘土礦物在各種類型的沉積物和沉積巖中普遍存在，不同的氣候環(huán)境，所產(chǎn)生的粘土礦物的種類和組合特征也是有差異的，由此，可根據(jù)粘土礦物的特性、種類推知其形成時(shí)期的氣候環(huán)境特征．

高嶺石分子式為Al4［Si4O10］(OH)2，是在潮濕氣候、酸性介質(zhì)中的巖石里的長石、云母和輝石(硅酸鹽礦物)經(jīng)強(qiáng)烈淋濾形成的［21］，它的陽離子是Si2+、Al3+，因此氣候暖濕有利于高嶺石的形成和保存．

伊利石分子式為 K0．75(Al1．75R2+)［Si3．5Al0．5O10］(OH)2，是在氣溫稍低、弱堿性條件下，由長石、云母等鋁硅酸鹽礦物在風(fēng)化脫鉀的情況下形成的［22］，其主要陽離子為 Si2+、Al3+、K+，分子式中R2+代表二價(jià)金屬陽離子．晶格層間鉀離子繼續(xù)淋失，則伊利石可向蒙脫石演化．如果氣候變得熱濕，化學(xué)風(fēng)化進(jìn)行得徹底，堿金屬(主要是K+)被帶走，伊利石將進(jìn)一步分解為高嶺石．因此氣候干冷，淋濾作用弱，對伊利石的形成和保存都有利．

蒙脫石分子式為(Na，Ca)0．33(Al，Mg)2［Si4O10］(OH)2·n H2O，大部分由火山物質(zhì)和基性火成巖在堿性介質(zhì)(pH=7～8．5)條件下蝕變而成，在溫帶半濕潤區(qū)沉積物中含量較高．其形成與水解強(qiáng)度有關(guān)，只要有充足的水分，火山物質(zhì)就可以分化成蒙脫石［23］．有研究指出，南海粘土礦物蒙脫石含量高值區(qū)與有孔蟲指冷層位對應(yīng)，而低值區(qū)與指暖層位對應(yīng)［24］，得到了蒙脫石的存在反映了寒冷的氣候特征這一結(jié)論．但是筆者認(rèn)為在薩拉烏蘇河流域——近北緯40°附近蒙脫石的存在就該區(qū)來說應(yīng)該是溫暖濕潤的氣候體現(xiàn)，因?yàn)樗梢耘c注入南海的河流匯流區(qū)域寒冷期的水熱條件對應(yīng)．我國東北地區(qū)的黑鈣土中含有很多的蒙脫石，也說明其形成氣候條件應(yīng)該相對濕潤．

綠泥石的主要陽離子為Si2+、Al3+、Fe2+、Mg2+，形成環(huán)境為堿性，淋濾作用不強(qiáng)．在風(fēng)化作用期間，其水鎂石層內(nèi)的二價(jià)鐵容易氧化，所以綠泥石只能在化學(xué)風(fēng)化作用受抑制的地區(qū)，像冰川或干旱的地表保存下來．

4 粘土礦物在DGS1所反映的氣候環(huán)境變化

根據(jù)上述對粘土礦物組成指標(biāo)環(huán)境意義的探討，結(jié)合DGS1粘土礦物組成，認(rèn)為本區(qū)不同沉積相所表現(xiàn)出的不同粘土礦物特征，較好地反映了本區(qū)各沉積相形成時(shí)氣候環(huán)境的差異．

分析樣品中不含高嶺石而較多的綠泥石的出現(xiàn)，首要因?yàn)槿率辣緟^(qū)整體氣候還是溫涼干燥的，沒有達(dá)到產(chǎn)生高嶺土的高溫高濕環(huán)境．DGS1湖沼相沉積中綠泥石的含量明顯低于沙丘砂、黑壚土和次生黃土;而蒙脫石在氣候暖濕條件下積累量增加，特別是在湖沼相中的含量是其它沉積相中的含量2倍，這都說明湖沼相堆積時(shí)氣候條件明顯比沙丘砂和次生黃土堆積時(shí)溫暖濕潤．伊利石在DGS1的兩種沉積物中平均含量差別較小，湖沼相沉積中伊利石含量略低于沙丘砂、黑壚土和次生黃土中的含量;但是在10LS－11LS－12LS－13LS－14LS－15LS－16LS中含量明顯低于上層沙丘砂、次生黃土與其下覆的17LS－18FD－19LS－20FD－21LS，可以說明大的輪廓上湖沼相開始堆積的17LS－18FD－19LS－20FD－21LS氣候仍較冷干，在16LS～10LS期間暖熱，在沙丘砂、次生黃土堆積期間惡化，變得寒冷干燥．這一氣候變化特點(diǎn)也可在DGS1中不同層位是否出現(xiàn)淡水腹足類化石和堆積的軟體化石不同屬種體現(xiàn)出來．在地層中灰白色湖沼相堆積并發(fā)育大量淡水腹足類化石，而在其它沉積相則未見，再次論證了前述湖沼相堆積時(shí)氣候條件明顯比沙丘砂和次生黃土堆積時(shí)溫暖濕潤的觀點(diǎn)．同時(shí)這些軟體動(dòng)物化石一般遷徒能力很弱，生態(tài)環(huán)境的阻隔使其適應(yīng)能力較差，對生活環(huán)境的變化較為敏感，如水溫、鹽度、酸堿度、底質(zhì)等的要求比較嚴(yán)格，其適應(yīng)能力有一定范圍．經(jīng)鑒定該17LS－18FD－19LS－20FD－21LS層段軟體動(dòng)物主要為凸旋螺(圖4)．目前其最南分布于我國廣東、云南，國外分布于東南亞一帶，最北分布于陜西．這一物種的出現(xiàn)反映了較溫暖、濕潤的生物氣候環(huán)境．說明這一時(shí)期具有比較溫暖、濕潤的氣候環(huán)境．而10LS－11LS層段腹足類化石中西伯利亞旋螺Gyraulus sibiricus(Dunker)、小土蝸Galba pervia(Martens)組合的出現(xiàn)，亦反映了較寒冷、干旱的生物氣候環(huán)境．這是因?yàn)檫@些種類一般具有耐寒冷的能力，能適應(yīng)大陸性氣候環(huán)境，從目前已知種類的地理分布看，主要生活在華北區(qū)、蒙新區(qū)、青藏區(qū)(即古北界區(qū)域內(nèi))，它們系典型的古北界種類．同時(shí)前人對21LS－20FD－19LS－18FD中軟體動(dòng)物化石的研究表明，常見平卷螺和塔螺貝殼［25］;另外在地層中發(fā)育凍融卷曲或融凍褶皺現(xiàn)象［25］，表明此階段溫度仍然較低，氣候相對干涼．

圖4 DGS1湖沼相沉積中的淡水類腹足類動(dòng)物化石Fig．4 The type of freshwater gastropods fossil in limnetic facies sedimentary

在干旱、半干旱地區(qū)石英、長石混入粘土礦物的比例比較多，在濕潤氣候條件下混入粘土礦物的比例比較小．因此，粘土礦物中混入石英和長石的比重也是衡量氣候變化的一個(gè)重要參考值．DGS1中石英+長石在沙丘砂和黃土中平均值明顯高于湖沼相．說明總體上沙丘砂、次生黃土發(fā)育期間氣候冷干，湖沼相發(fā)育時(shí)氣候條件暖濕．另外長石和石英含量變化趨勢與伊利石相似，即在7LS－8FD－9P－10LS－11LS－12LS－13LS－14LS－15LS－16LS－17LS－18FD－19LS中二者含量明顯低于上層沙丘砂、次生黃土與其下覆的其余湖沼相，且含量差異較大．

5 結(jié)論

通過上述分析，可以得出:全新世本區(qū)氣候整體上還是溫涼干燥的．依據(jù)DGS1不同沉積相演變和粘土礦物組合分布的差異，可以將該區(qū)全新世分為兩個(gè)氣候區(qū)．

1)全新世前期以湖沼相堆積為代表的溫暖濕潤時(shí)期(21LS－10LS，11 020～3 760 aBP)，該時(shí)期又可以分為兩個(gè)小時(shí)期，即21LS－20FD－19LS－18FD－17LS(11 020～8 600 aBP)的堆積時(shí)期氣候仍偏冷干，16LS－15LS－14LS－13LS－12LS－11LS－10LS的堆積時(shí)期(8 600～3 760 aBP)氣候暖濕．在21LS～10LS時(shí)期存在較明顯氣候波動(dòng)，17LS的蒙脫石低值，伊利石、綠泥石高值可以說明這個(gè)問題．

2)全新世后期以沙丘砂和次生黃土堆積為代表的干冷時(shí)期(9P－8FD－7LS－6D－5LS－4D－3S－2D－1CS－0MD，3 760～0 aBP)．

該區(qū)全新世前期以夏季風(fēng)為主導(dǎo)，氣候溫暖濕潤，前期的剛開始是末次冰期向全新世大暖期過渡的時(shí)期，氣候有所好轉(zhuǎn)但是仍偏冷干，后期以冬季風(fēng)為主導(dǎo)，氣候干冷．

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