薩拉烏蘇河流域MGS1 Rb和Sr記錄的全新世千年尺度氣候變化

牛東風(fēng),李保生,2*,魏建國(guó),溫小浩,舒培仙,司月君

(1.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510631;2.中國(guó)科學(xué)院 地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710061;3.山東省 菏澤市 國(guó)土資源局 土地監(jiān)管中心,山東 菏澤 274000)

0 引 言

全新世氣候變化研究是預(yù)測(cè)氣候未來(lái)變化趨勢(shì)的重要依據(jù)[1–2]。冰芯[3]、深海沉積[4–5]、湖泊[6–7]以及亞洲季風(fēng)區(qū)石筍[8]和泥炭記錄[9–10]等揭示出全新世存在千年尺度氣候波動(dòng)。全新世期間東亞季風(fēng)如何對(duì)中國(guó)沙漠施加影響的,特別是以冬季風(fēng)為代表的寒冷事件是否也存在有如中國(guó)中緯度其他一些地點(diǎn)的寒冷氣候頻次甚至更多、這些氣候事件與冰芯和海洋在時(shí)間上是否可以對(duì)比等相關(guān)問(wèn)題還有待深入研究。顯然,這一問(wèn)題的探討對(duì)于全新世全球變化與中國(guó)沙漠區(qū)域的東亞季風(fēng)環(huán)境演變的理解具有重要意義。

中國(guó)沙區(qū)(沙漠和沙地)及受風(fēng)沙流影響的戈壁地區(qū)廣泛分布于中國(guó)北方的內(nèi)陸盆地與高原[11]。其中,深受東亞季風(fēng)影響的毛烏素沙漠薩拉烏蘇流域位于中國(guó)沙區(qū)的中部,蘊(yùn)藏著豐富的晚第四紀(jì)以來(lái)環(huán)境變化的地質(zhì)信息[11–12](圖 1)。近年來(lái),Niuet al.[13–14]、Lüet al.[15]和王豐年等[16]分別通過(guò)薩拉烏蘇河流域 12000 a BP以來(lái)地質(zhì)序列(米浪溝灣剖面MGS1層段)的常量元素、磁化率和碳酸鈣等的研究表明,全新世以來(lái)毛烏素沙漠曾經(jīng)歷了類似于北大西洋D/O振蕩式的氣候波動(dòng)——千年尺度的東亞冬夏季風(fēng)的循環(huán)。然而這種變化的客觀存在仍然需要更多的地質(zhì)材料進(jìn)行佐證,本文仍然選擇 MGS1層段,以Rb和Sr作為古氣候代用指標(biāo),結(jié)合已有14C年代數(shù)據(jù)和最新的OSL年代結(jié)果,試圖探討毛烏素沙漠全新世期間的氣候變化。以期為沙漠環(huán)境演化與氣候變化提供新的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與米浪溝灣剖面MGS1層段概述

薩拉烏蘇河中下游流域位于鄂爾多斯高原東南部洼地[17],其上游即新橋以上的流域?qū)儆邳S土丘陵-黃土高原。流域在中國(guó)氣候分區(qū)上屬于甘新溫帶干旱區(qū)與華北暖溫帶半濕潤(rùn)之間的內(nèi)蒙古東部半干旱地區(qū)和中溫帶亞濕潤(rùn)大區(qū)[18]。多年平均溫度6.0～8.5 ℃,1 月平均溫度–9.5～–12 ℃,7 月平均溫度為22～24 ℃;多年平均降水量東南部為440 mm,向西遞減至250 mm,降水集中于7月至9月,全年蒸發(fā)能力為1800～2500 mm。

圖1 薩拉烏蘇河地理位置與研究區(qū)域Fig.1 Sketch maps showing the location of Salawusu River and the study area

地層沉積類型以米浪溝灣剖面較多、堆積較連續(xù)、該剖面位于薩拉烏蘇河中游流域的米浪溝灣村 NE 500 m 的薩拉烏蘇河左岸,地理坐標(biāo)為 37°45′47.2″N,108°33′05.4″E,剖面頂部海拔為 1313 m,總厚度約83 m,包含更新統(tǒng)—全新統(tǒng)。由多層序互層的沙丘砂、河湖相和古土壤組成,含有豐富的脊椎動(dòng)物化石與人類化石,是研究中國(guó)北方晚更新世以來(lái)生物地層與沙漠環(huán)境演變的理想地點(diǎn)之一[19]。

本文所討論的MGS1位于米浪溝灣剖面0～9.44 m深度,包括全新統(tǒng)大溝灣組和滴哨溝灣組,其下伏的MGS2層段為上更新統(tǒng)上部城川組。MGS1/MGS2界面位于 21FL/22D也即大溝灣組/城川組的界面。該層段總共 22個(gè)層序(0MD～21FL),其中包含 1層現(xiàn)代流動(dòng)沙丘砂(0MD)和 10層古流動(dòng)沙丘砂(2D、4D、6D、8D、10D、12D、14D、16D、18D和20D),沙丘砂為灰黃色細(xì)砂,松散、分選較均勻,常見(jiàn)風(fēng)成前積斜層理,個(gè)別層位見(jiàn)有鐵質(zhì)銹斑和植物殘?bào)w;4層河流相(15FL、17FL、19FL和21FL,為暗灰黃色粉砂質(zhì)極細(xì)砂或粉砂質(zhì)細(xì)砂,具水平層理并常見(jiàn)鐵質(zhì)銹斑,其底部見(jiàn)有鈣質(zhì)膠結(jié)層)、5層湖沼相(3LS、5LS、7LS、9LS和13LS,深灰褐、灰黑色至灰綠色粉砂質(zhì)極細(xì)砂或黏土質(zhì)粉砂,含較多植物根系,一些層位含軟體動(dòng)物化石)和2層古土壤(1S/LS和11S,黑壚土型埋藏土,暗灰黑色至銹黃褐色粉砂質(zhì)極細(xì)砂或粉砂質(zhì)細(xì)砂,常在橫向上與湖沼相發(fā)生相變)。沙丘砂與上覆河湖相或古土壤相互疊覆構(gòu)成11個(gè)交替的沉積旋回,以CY表示,其中0MD和21FL各屬半個(gè)旋回(圖2)。

圖2 米浪溝灣MGS1層段Fig.2 Sketch showing composition of MGS1 at Milanggouwan

2 材料與方法

2.1 年 代

對(duì)MGS1層段11個(gè)樣品進(jìn)行了年代測(cè)試,其中8個(gè)14C年代、2個(gè)TL年代和3個(gè)OSL年代(見(jiàn)圖2)。其中,14C年代均采用常規(guī)方法測(cè)試,由中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所14C實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。2個(gè)TL年代和3個(gè)OSL年代的測(cè)試材料是小于10 μm的石英顆粒。OSL和 TL年代測(cè)試分別在中國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所和中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所熱釋光實(shí)驗(yàn)室完成。14C和釋光年代的測(cè)試材料在采集過(guò)程中確保沒(méi)有污染和曝光,14C年代經(jīng) Calib7.0[20]校正(2個(gè)誤差值)示于表 1,釋光年代及其參數(shù)見(jiàn)表2。

20D頂部的OSL年代為測(cè)試結(jié)果為(11600±900) a BP,這相當(dāng)于新仙女木事件結(jié)束的年代[21]。剖面底界(即 21FL)的年齡按平均沉積速率外推,大約在12000 a BP左右,據(jù)此大致以 12000 a BP作為MGS1/MGS2的時(shí)間界限。由于MGS1層段年代測(cè)試結(jié)果符合“地層層序律”原則,對(duì)此可以為之控制點(diǎn)運(yùn)用沉積速率線性內(nèi)插方法建立該剖面的時(shí)間標(biāo)尺,按測(cè)定的兩個(gè)相鄰年齡之間的堆積厚度分段計(jì)算出平均沉積速率,并通過(guò)內(nèi)插獲得各個(gè)層位時(shí)間標(biāo)尺(圖3)。其中,11層沙丘砂層位年代時(shí)間分別為: 0～960 a BP、1350～2240 a BP、2470～3530 a BP、4000～4180 a BP、4290～4350 a BP、4380～4760 a BP、5040～5920 a BP、6570～8270 a BP、9020～9700 a BP、9880～10160 a BP 和 10580～11080 a BP。

表1 MGS1地層14C年齡測(cè)試結(jié)果Table 1 The 14C geochronological dating results of the MGS1 stratigraphic sediments

表2 熱(光)釋光年齡測(cè)試結(jié)果Table 2 TL and OSL dating results of the MGS1 stratigraphic sediments

圖3 MGS1層序與時(shí)間標(biāo)尺Fig.3 Diagram showing the relationship between age scale and MGS1segment stratigraphic sequence for the Milanggouwan section

2.2 粒度分析

為進(jìn)一步確定 MGS1層段沉積相的巖性特征,對(duì)該層段主要以5 cm間距(少數(shù)為3 cm、4 cm、6 cm或7 cm)采樣所得的151個(gè)樣品做了粒度分析,使用儀器為Malvern Mastersizer2000 M激光粒度分析儀(測(cè)量范圍 0.02～2000 μm),具體實(shí)驗(yàn)流程參考黃土粒度分析方法[21]。粒度單位采用 ?值表示,轉(zhuǎn)換公式為克倫賓[19]制定的φ=–log2d(d為粒徑 mm)。根據(jù)Folket al.制定的公式[22]計(jì)算了MGS1粒度參數(shù)Mz(平均粒徑)、σ(標(biāo)準(zhǔn)離差)并顯示于圖2。

現(xiàn)結(jié)合分析數(shù)據(jù)主要對(duì) Mz(φ)和σ闡述如下:MGS1中 Mz(φ)和σ的分布范圍分別為 2.05～5.09 φ和0.43～2.12,均值分別為2.91 φ和0.68。古沙丘砂、河流相、湖沼相和古土壤 Mz(φ)分別為 2.05～2.83 φ、2.19～3.05 φ、2.76～4.35 φ和 2.75～5.09 φ,均值分別為2.50 φ、2.62 φ、3.45 φ和 4.1 φ;σ分別為 0.44～1.01、0.43～0.80、0.62～1.64和0.75～2.12,均值分別為0.62、0.67、1.36和1.52。結(jié)合圖2可看出,沙物質(zhì)高度集中的古流動(dòng)沙丘砂分選最好,其次為河流相,而黏土等細(xì)粒物質(zhì)含量相對(duì)增高的湖沼相和古土壤分選性最差。這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明,上述劃分的 MGS1 11個(gè)沉積相旋回實(shí)際上也是相同數(shù)量的粒度粗細(xì)的變化旋回。

2.3 微量元素

MGS1微量元素分析樣品基本上按上述沉積序列間隔15 cm采樣,共采集了63個(gè)樣品進(jìn)行分析。樣品采用日本理學(xué)3070E型X-熒光光譜儀測(cè)定。樣品及制備過(guò)程如下: 先將樣品低溫(38 ℃)烘干,過(guò)2 mm篩去除雜物,使用振動(dòng)磨樣機(jī)研磨90 s,確保粉末樣品均能通過(guò)200目(＜ 74 μm),然后取6.0 g樣品以硼酸鑲邊墊底,在 30 T壓力下保壓時(shí)間 30 s,最后壓制為直徑3.2 cm圓餅進(jìn)行測(cè)試。校正曲線使用27個(gè)國(guó)家土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSS2～GSS28),6個(gè)水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSD2a、GSD7a、GSD9～GSD12),6個(gè)巖石成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSR1～GSR6)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入GSS17標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行控制,微量元素的實(shí)驗(yàn)誤差±5%,儀器檢測(cè)限為1 μg/g。樣品分析在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所中心實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與分析

結(jié)合表3和圖4,可以看出MGS1層段Rb和Sr元素變化具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1) Rb、Sr含量和Rb/Sr比值在不同層位不等甚至存在較大差別。Rb分布范圍為51.40～124.00 μg/g,Sr為 98.60～397.30 μg/g,兩者均值分別為 65.27 μg/g和154.46 μg/g;Rb/Sr比值的分布范圍為0.17～0.54,均值為0.44;Rb、Sr含量和Rb/Sr比值在該層段垂直方向上表現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀波動(dòng)曲線。

(2) 不同沉積相中Rb、Sr含量和Rb/Sr比值具有一定的變化趨勢(shì)。Rb和 Sr含量在沙丘砂中相對(duì)較低;在河湖相和古土壤中相對(duì)較高,Rb和Sr含量按照沙丘砂—河流相—湖沼相—古土壤的順序依次升高。而Rb/Sr比值在沙丘砂中較高,河湖相和古土壤中較低,顯示出與Rb、Sr相反的變化趨勢(shì)(表2)。Rb、Sr之間及兩者分別與Mz之間顯示具有良好的相關(guān)性,其相關(guān)系數(shù)在 0.43之上(圖 5a～5c),但Rb/Sr比值與Mz顯示出較差的相關(guān)性(圖5d)。

表3 MGS1層段不同沉積相的Rb、Sr含量和Rb/Sr比值Table 3 Rb,Sr and Rb/Sr data for different sedimentary facies in MGS1 segment

圖4 MGS1層段Rb、Sr和Rb/Sr分布Fig.4 Diagram showing Rb,Sr and Rb/Sr distributions in the MGS1 segment

(3) Rb、Sr含量隨沉積旋回變化呈現(xiàn)明顯的分布規(guī)律: 由沙丘砂至上覆河湖相或古土壤 Rb和 Sr含量相應(yīng)由低增高,構(gòu)成了多重峰谷交替的不規(guī)則的鋸齒狀Rb和Sr相對(duì)遷移－聚集的過(guò)程線。據(jù)此,也可以將該層段的 11個(gè)沉積旋回視為與之相同的Rb-Sr變化旋回。Rb/Sr的分布總體上顯示出與 Rb和Sr含量的這種變化的相反趨勢(shì),即Rb/Sr比值由沙丘砂至上覆河湖相相對(duì)降低(圖4)。

4 討 論

關(guān)于 Rb和 Sr在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中的分離現(xiàn)象,特別是 Rb/Sr比值與氣候的關(guān)系,早在 20世紀(jì) 60年代就引起了有關(guān)學(xué)者的關(guān)注。例如,Dasch通過(guò)研究美國(guó)中東部地區(qū)出露的各類巖石風(fēng)化剖面,認(rèn)為Rb和Sr在風(fēng)化過(guò)程中地球化學(xué)性質(zhì)迥異,Rb/Sr比值的大小與風(fēng)化程度之間呈正相關(guān)關(guān)系[18]。自 20世紀(jì)末,中國(guó)學(xué)者采用 Rb/Sr比值研究中國(guó)黃土高原黃土和古土壤形成時(shí)的氣候變化[23],Rb/Sr比值被認(rèn)為是化學(xué)風(fēng)化程度的有效代理指標(biāo),主要是由于Rb主要分散在含鉀礦物中,如白云母、黑云母和鉀長(zhǎng)石;而 Sr主要分散在含鈣礦物中,如斜長(zhǎng)石、角閃石、輝石和碳酸鹽。由于白云母、黑云母和鉀長(zhǎng)石等富銣礦物比碳酸鹽、斜長(zhǎng)石、角閃石和輝石等富鍶礦物穩(wěn)定,因此在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中Sr的活動(dòng)性比Rb強(qiáng),從而造成風(fēng)化剖面中Rb和Sr的分離[24]。在這里我們將MGS1的Rb、Sr含量和Rb/Sr比值與指示亞洲冬夏季風(fēng)強(qiáng)度的氣候替代指標(biāo)——平均粒徑、磁化率進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)它們之間具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因而我們認(rèn)為Rb/Sr比值的大小可以作為指示冬夏季風(fēng)強(qiáng)度的一個(gè)重要的氣候代用指標(biāo)[23–26]。

圖5 Sr與Rb(a)以及 Rb(b)、Sr(c)和Rb/Sr(d)與Mz相關(guān)散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter diagrams for Sr-Rb(a),Rb-Mz(b),Sr-Mz(c) and Rb/Sr-Mz(d)

本文采用Rb、Sr含量和Rb/Sr比值對(duì)米浪溝灣剖面 MGS1所進(jìn)行的討論,實(shí)際上也是對(duì)東亞冬夏古季風(fēng)氣候波動(dòng)的一種驗(yàn)證,進(jìn)而揭示全新世是否存在有如極地冰芯所記錄的類似的 DO事件也即千年尺度的氣候波動(dòng)。據(jù)研究,薩拉烏蘇河流域至少在150 ka BP時(shí)就已經(jīng)具備了洼地河谷區(qū)的地貌雛形,并且持續(xù)到全新世[18]。顯然,MGS1時(shí)期這里具有地勢(shì)低洼的沉積環(huán)境,是流沙堆積和水流匯集的理想場(chǎng)所?？梢栽O(shè)想,在這種形勢(shì)下,當(dāng)干冷的東亞冬季風(fēng)盛行時(shí),該地沉積的沙丘砂中的Rb和 Sr基本上是一種機(jī)械的侵蝕搬運(yùn)與堆積過(guò)程的產(chǎn)物,不同時(shí)期堆積的沙丘砂在Rb和Sr含量上的不同反映的只是其物源區(qū)與搬運(yùn)途中“母巖”的差別,而堆積之后所受的化學(xué)風(fēng)化作用的影響較小。但東亞夏季風(fēng)盛行時(shí)期,受較強(qiáng)生物化學(xué)作用的影響,活動(dòng)性較高的Sr元素從河流四周的正地形可以首先淋溶并隨水匯集到低洼地區(qū);若某一時(shí)期降水增多,坡面水流作用加強(qiáng),先前“殘積”在正地形地表的較穩(wěn)定的Rb也可隨水匯集到低洼地區(qū)。這樣就形成了Rb和 Sr含量在古沙丘砂層位為谷、在河流湖沼相中表現(xiàn)為峰、且化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的Rb和活動(dòng)性較高的Sr呈同步變化趨勢(shì)的現(xiàn)象。值得注意的是,上述MGS1中 Rb/Sr比值在河湖相中相對(duì)下伏的沙丘砂降低(圖4)的現(xiàn)象。這似乎是由于河湖相堆積時(shí)東亞夏季風(fēng)發(fā)生的頻次較高、剖面周?chē)匦紊系幕瘜W(xué)風(fēng)化作用較強(qiáng)、導(dǎo)致較多的活動(dòng)性強(qiáng)的Sr被淋溶并堆積于此。Rb和 Sr特別是后者在湖相中聚集的現(xiàn)象也見(jiàn)于中國(guó)半干旱地區(qū)的其他一些地點(diǎn),如內(nèi)蒙古岱海全新世9～4 ka期間,夏季風(fēng)強(qiáng)度及降水量的增強(qiáng)使得流域內(nèi)沉積物Sr的含量顯著增加,從而導(dǎo)致Rb/Sr比值減小[27]。

除了Rb和Sr在剖面上的這種變化形式外,在Rb-Mz和Sr-Mz的散點(diǎn)分布上也明顯的體現(xiàn)出這一點(diǎn),即沙丘砂Mz(φ)低值與較低含量的Rb和Sr對(duì)應(yīng),河湖相/古土壤/河流相的 Mz高值與較高含量的 Rb和Sr對(duì)應(yīng),且都具有R2＞ 0.43的相關(guān)系數(shù);沙丘砂與河湖相/古土壤/河流相在Rb-Mz和 Sr-Mz圖中也十分清楚地能夠區(qū)分(圖5b和5c中虛線所示)。據(jù)此也可以認(rèn)為沙丘砂與古土壤、湖相、河流相大體是可視為冬季風(fēng)與夏季風(fēng)占主導(dǎo)時(shí)不同氣候條件下的產(chǎn)物。

有意義的是,MGS1湖沼相層位1S/LS、5LS和13LS含有腹足類化石經(jīng)過(guò)鑒定主要有伸展瓦婁蝸牛(Vallonia patens)、白旋螺(Gyraulusalbus)、赤琥珀螺(Succineaerythrophana)和小土蝸(Galba pervia)等,這些化石種類均屬現(xiàn)生種,當(dāng)今生活在中國(guó)大陸頗為溫暖濕潤(rùn)的水域或陸地草叢環(huán)境,這從一個(gè)側(cè)面印證了1S/LS、5LS和13LS發(fā)育時(shí)期,溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境占主導(dǎo)地位,即夏季風(fēng)的影響相對(duì)較強(qiáng)。這些層位Rb、Sr含量的峰和Rb/Sr比值的谷對(duì)應(yīng),也反映出當(dāng)時(shí)的淋溶作用較強(qiáng),導(dǎo)致Sr含量升高。由此可見(jiàn),Rb和Sr含量和Rb/Sr比值的峰谷變化的旋回實(shí)際上是東亞冬夏季風(fēng)的交替變化旋回引起的。

據(jù)此,可以將構(gòu)MGS1的11個(gè)Rb和Sr含量及Rb/Sr比值旋回看作是東亞冬夏季風(fēng)互為交替演化旋回。也就是說(shuō),將沙丘砂層位 Rb和 Sr含量呈現(xiàn)的低谷和與之同步發(fā)生的 Rb/Sr比值的峰視為冬季風(fēng)形成的谷峰,MGS1沙丘砂堆積時(shí)期視為毛烏素沙漠的“沙漠堆積期”,將其間的河湖相和古土層位Rb和Sr含量呈現(xiàn)的峰和與之同步發(fā)生Rb/Sr比值的谷視為夏季風(fēng)形成的峰谷,可稱之為毛烏素沙漠的“間沙漠期”。如果這一看法正確,那么說(shuō)明毛烏素沙漠自 MGS1開(kāi)始堆積的全新世以來(lái)存在 11次冬夏季風(fēng)交替演變的過(guò)程,按照平均來(lái)算,每個(gè)旋回大致持續(xù)1000 a,顯然,Rb和Sr指示的MGS1的氣候變化是一個(gè)千年尺度的氣候變化。

11層風(fēng)成沙丘砂層位所代表的氣候事件在時(shí)間和氣候性質(zhì)上有如湖光巖[28]、若爾蓋[29]和敦德[30]等地記錄的多時(shí)期寒冷事件。特別是與北大西洋11000 a BP以來(lái)的寒冷波動(dòng)[31]較一致。據(jù)此可以認(rèn)為,MGS1 Rb和 Sr含量揭示出來(lái)的全新世千年尺度的氣候突變事件在北半球的低緯、中緯和高緯度具有普遍性,這為全新世北半球變化的沙漠區(qū)域響應(yīng)增添了新的材料。

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