化學(xué)蝕變指數(shù)指示古氣候變化的適用性探討

趙占侖，溫小浩，湯連生，李保生,4，牛東風(fēng)，孟潔，楊慶江

1.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東珠?！?19082 2.廣東省地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源探查重點實驗室，廣州　510275 3.華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣州　510631 4.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安　710075

0　引言

氣候條件與地質(zhì)營力的差異作用會形成不同的沉積物，礦物與元素的遷移、富集以及重新組合反映了沉積物與其所處環(huán)境之間的關(guān)系，這些沉積物既擁有原巖的組成特征又記錄了所處地區(qū)的氣候環(huán)境，這是通過元素地球化學(xué)方法研究古氣候變化歷史的理論依據(jù)[1-2]?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)(Chemical index of alteration, CIA)作為判別源巖區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度的指標(biāo)而被提出，主要反映的是硅酸鹽(主要是長石礦物)的風(fēng)化程度[3-4]?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)反映的沉積物化學(xué)風(fēng)化程度與溫濕度的密切關(guān)系使其作為氣候敏感性指標(biāo)被廣泛用于古氣候變化的研究，Goldbergetal.[5]通過巴西巴拉那河盆地二疊紀(jì)沉積地層的化學(xué)蝕變指數(shù)研究了該地層古氣候變化，認為CIA是衡量溫濕度條件的有效手段；王自強等[6]對宜昌三斗坪地區(qū)南華系碎屑巖的CIA指數(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)南華紀(jì)地層自老到新經(jīng)歷了冰期干燥寒冷—間冰期溫暖濕潤—冰期干燥寒冷的沉積環(huán)境變化過程；孫嬌鵬等[7]通過對歐龍布魯克地塊新元古代碎屑巖沉積CIA指數(shù)的研究，認為該地區(qū)在新元古代的氣候經(jīng)歷了由寒冷逐漸轉(zhuǎn)暖的變化過程，并且首次從CIA指數(shù)角度證實研究區(qū)新元古代早期的極端寒冷氣候；陳旸等[8]通過對甘肅西峰紅黏土樣品的地球化學(xué)研究，CIA指數(shù)揭示了紅黏土風(fēng)化程度高于第四紀(jì)的黃土—古土壤，反映出上新世以來黃土高原氣候由相對溫暖濕潤向第四紀(jì)寒冷干燥逐漸演化的趨勢。同時，CIA也被廣泛應(yīng)用于第四紀(jì)氣候變化的研究：陳駿等[9]系統(tǒng)地分析了陜西洛川黃土—古土壤剖面酸不溶相的主量元素，通過化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIA、Na/K等在剖面中呈規(guī)律性的分布和演化，揭示了2.5 Ma以來黃土源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化呈逐步減弱的趨勢，與同一時期全球冰量逐步增長氣候越發(fā)干冷的趨勢相吻合；吳艷宏等[10]研究了可可西里茍仁錯湖湖泊沉積物元素地球化學(xué)特征，通過CIA指數(shù)等指標(biāo)揭示了該地區(qū)1400 AD以來經(jīng)歷了多次冷暖氣候波動；徐樹建等[11]以山東平陰黃土為研究對象，通過剖面各層位CIA指數(shù)的波動特征，指出該地區(qū)末次冰期以來黃土風(fēng)化強度自剖面下部往上逐漸變?nèi)?，氣候越發(fā)干冷。此外，對西寧黃土[12]，靈臺黃土[13]，巫山黃土[14]等的研究也說明CIA指數(shù)具有指示氣候變化的意義。

盡管CIA指數(shù)在古氣候研究中得到廣泛應(yīng)用，但其存也存在一定的局限性。Eynattenetal.[15]的研究發(fā)現(xiàn)，碎屑沉積物在產(chǎn)生過程中元素組成受物理與化學(xué)過程控制，物理風(fēng)化過程產(chǎn)生的粗細顆粒會對沉積物的礦物組成產(chǎn)生影響(粒度效應(yīng))，造成粗細顆粒中不同元素的富集，使得CIA等化學(xué)風(fēng)化指數(shù)不能指示其真實的化學(xué)風(fēng)化程度；Borgesetal.[16]在研究青藏高原東部和俄羅斯遠東河床沉積物物源及風(fēng)化作用時，發(fā)現(xiàn)沉積作用的不斷循環(huán)以及對前一個沉積旋回物質(zhì)的繼承性，會對化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)的應(yīng)用產(chǎn)生較大影響；Garzantietal.[17]認為懸浮篩選以及選擇性夾帶等水力學(xué)作用，會對沉積物中的元素組成產(chǎn)生較大影響，進而CIA等化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)失去了指示化學(xué)風(fēng)化程度的意義；Buggleetal.[18]認為準(zhǔn)確地將硅酸鹽中的CaO與碳酸鹽，磷酸鹽中的CaO區(qū)分開是十分困難的，這也是導(dǎo)致風(fēng)化指標(biāo)不能反映真實化學(xué)風(fēng)化程度的原因之一；此外，各種成巖作用，如不穩(wěn)定礦物的分解、碳酸鹽的礦物的沉淀以及沉積后K2O的富集作用等也會對化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)的正確性產(chǎn)生較大干擾[4-5，19]。

綜上所述，化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)在揭示沉積地層化學(xué)風(fēng)化程度進而研究氣候變化方面已得到廣泛應(yīng)用，但也存在諸多干擾其指示意義的因素和條件，其在研究氣候變化方面的應(yīng)用是存在一定的適用性問題的。同一剖面的不同沉積相在堆積過程中因作用條件存在差異，可能會受到不同干擾因素的影響(如物源差異、粒度效應(yīng)、碳酸鹽沉積、水動力等)，是否化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)能夠指示同一剖面出現(xiàn)的不同沉積相的相對化學(xué)風(fēng)化強度，進而揭示該地區(qū)古沉積環(huán)境及氣候變化？該問題值得研究與探討。筆者在研究位于甘肅省古浪縣土門鎮(zhèn)的一處黃土—古土壤—湖相沉積—沙丘砂沉積旋回的地球化學(xué)特征時，發(fā)現(xiàn)該剖面末次冰消期層段各沉積相的CIA指數(shù)與各沉積相粒度成分揭示的該時期氣候變化[20]相矛盾，懷疑CIA指數(shù)應(yīng)用在不同沉積相指示氣候變化時存在一定的適用性，故撰寫此文探討化學(xué)蝕變指數(shù)在不同沉積相中的適用性問題。

1　土門剖面末次冰消期層段概述及實驗材料與方法

1.1　土門剖面末次冰消期層段概述

研究剖面(以下稱為土門剖面)位于甘肅省武威市古浪縣土門鎮(zhèn)的大土溝，地理坐標(biāo)為：37°38′ N，103°09′ E，地貌為南部祁連山支脈的山前傾斜平原與騰格里沙漠南緣過渡的溝壑區(qū)，土門剖面頂部海拔1 730 m[20](圖1)。據(jù)古浪縣氣象資料[21]：該地區(qū)年氣溫4.9℃，最冷最熱分別出現(xiàn)在1月與7月，月均氣溫分別為-9.8 ℃與17.5 ℃，極端氣溫分別為均-26.4 ℃與33 ℃；年均降水307 mm，且集中于4～10月，年均蒸發(fā)2 800 mm。該地受東亞季風(fēng)環(huán)境影響明顯，冬季受東亞冬季風(fēng)控制，風(fēng)沙天氣頻繁，夏季受東亞夏季風(fēng)控制，降水較多，易出現(xiàn)集中降水現(xiàn)象。

圖1　土門剖面位置示意圖Fig.1　The sketch-map of location of Tumen section

土門剖面出露總厚度約32 m。本文涉及的末次冰消期層段——LDS(the Last Deglaciation Segment，以下簡稱“LDS”)位于剖面深度7.36～9.02 m處，地層為41FD-52L(圖2)：3層風(fēng)成沙丘砂，以灰黃色粉砂質(zhì)極細砂為主，松散，無層理，厚8～30 cm不等，分布于剖面7.38～7.44 m(41FD)、7.52～7.71 m(43FD)、7.86～8.17 m(46FD)；2層湖相沉積，以淺灰黃色—青灰色極細砂質(zhì)粉砂為主，略顯水平層理，緊實，厚6～36 cm，分布于剖面8.33～8.39 m(48LS)、8.62～8.94 m(51LS)；2層古土壤，母質(zhì)為湖相或黃土，以淺棕色黏土質(zhì)粉砂為主，質(zhì)地較黏重，厚10～12 cm，分布于剖面7.77～7.87 m(45S)、8.50～8.60 m(50S)；5層黃土，淺灰黃色，粉砂為主，分選較均勻，塊狀，厚4～14 cm，分布于剖面7.46～7.50 m(42L)、7.73～7.75 m(44L)、8.19～8.31 m(47L)、8.41～8.48 m(49L)、8.98～9.02 m(52L)。

1.2　實驗方法

對7.36～9.02 m深度地層及以上相關(guān)層位(35L)進行了年代學(xué)研究，共采集14C同位素測年樣品5個，測年實驗由美國BETA實驗室完成，年代數(shù)據(jù)采用Calib.7.0[22]中IntCal13程序進行校正，誤差為±2σ。

對LDS以2 cm間距采集83個樣品，使用偏振能量色散X射線熒光光譜儀(型號：Epsilon 5)測試硅、鋁、鐵、鈣、鉀、鈉、鎂和鈦8種主量元素，結(jié)果以氧化物表示。試樣制備過程如下：1)每個樣品(共83個)分別取50 g低溫(40 ℃)烘干，去除水分后過孔徑2 mm篩濾掉雜物；2)將試樣放入振動磨樣機(ZHM-1A型)研磨90 s，研磨結(jié)束將樣品過200目(<74 μm)篩去除大顆粒；3)從研磨并篩分好的樣品中取6.0 g樣品以硼酸鑲邊墊底，使用壓樣機在30 T壓力下壓制30 s，制作成直徑3.2 cm圓餅后放入偏振能量色散X射線熒光光譜儀中進行測試。測試儀器校正曲線使用27個國家土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSS2-GSS28)、6個水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSD2a、GSD7a、GSD9-GSD12)和6個巖石成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSR1-GSR6)。實驗過程中加入GSS17標(biāo)準(zhǔn)樣品進行控制，實驗誤差±5%[23]。

2　結(jié)果分析

2.1　年代測試結(jié)果

5個AMS14C樣品測試結(jié)果標(biāo)示在圖2之上。剖面深度6.84 m (35L底部) 和7.48 m (42L底部)的年代分別為9 960±200 cal a B.P.和11 900±170 cal a B.P.，據(jù)此按沉積速率(0.034 m/a)可推算得41LD頂部即深度7.38 m處年齡為11 600 cal a B.P.；深度9.02 m (52L底部)的年代為14 930±240 cal a B.P.[20]。顯然，41FD-52L層段的年代與格陵蘭冰芯的末次冰消期年代15 070～11 650 a B.P.相近[24]。

圖2　土門剖面LDS及相關(guān)地層層序、年代及堆積速率Fig.2　The sequence, age and accumulation rate of the last deglaciation and related layers of Tumen section

2.2　主量元素測試結(jié)果

土門剖面LDS的8種主量元素氧化物(表1)中以SiO2的百分含量最高，分布于41.43%～67.72%，平均值為54.73%；其次為Al2O3，百分含量為10.17%～14.46%，平均值為11.96%；第三為CaO，百分含量為3.75%～9.17%，平均值為6.20%；第四為TFe(Fe2O3+FeO)，百分含量為3.30%～6.50%，平均值為4.85%；其余元素氧化物K2O、MgO、Na2O、Ti2O百分含量依次降低，分布范圍分別為2.18%～3.16%、1.50%～3.83%、1.46%～2.43%、0.36%～0.68%，平均值分別為2.63%、2.53%、1.92%和0.51%。

表1　LDS不同沉積相的主量元素氧化物含量(%)Table 1　Concentrations of major element oxides in differentsedimentary facies of the Tumen section duringthe last deglaciation(%)

沉積相編號SiO2Al2O3TFeCaOMgOK2ONa2OTiO2沙丘砂41FD?0163．7611．094．304．582．052．321．680．4741FD?0263．6411．124．404．472．012．331．620．4641FD?0363．3710．844．204．281．972．241．600．4241FD?0463．5310．934．304．201．952．271．580．4243FD?0163．6610．413．804．251．782．381．630．4543FD?0265．3810．213．403．831．622．281．540．3843FD?0366．7710．173．303．751．502．291．530．3743FD?0463．2210．654．104．341．842．341．620．3643FD?0563．3510．684．004．411．892．351．740．4043FD?0664．6010．523．503．921．722．321．580．3943FD?0763．9910．403．503．971．802．311．510．3843FD?0864．0110．563．604．311．732．361．600．4143FD?0962．8410．673．704．371．872．381．610．4343FD?1063．5110．703．804．431．862．391．640．4343FD?1164．1810．463．504．081．672．311．530．3946FD?0162．1311．254．704．752．152．311．650．4646FD?0264．3710．623．704．251．842．371．580．4446FD?0366．4410．513．504．101．602．241．470．4046FD?0466．2310．423．604．161．632．251．480．4046FD?0563．1410．714．204．591．952．351．640．4546FD?0663．8910．653．804．311．772．281．470．4346FD?0767．3110．283．303．771．512．181．460．3846FD?0867．7210．313．303．781．532．191．500．3746FD?0963．0510．694．104．631．862．401．660．4746FD?1063．4110．674．004．511．942．371．640．4446FD?1165．9610．213．604．151．692．301．510．4146FD?1263．5311．194．104．561．912．381．690．4646FD?1363．8011．084．204．581．922．391．650．4646FD?1465．7410．983．704．141．742．241．480．4746FD?1562．7711．124．404．762．022．451．680．48均值64．3110．673．854．211．812．311．590．42黃土42L?0152．1012．254．906．682．422．731．970．5242L?0253．7712．094．805．972．432．641．940．5142L?0351．4312．955．105．612．842．832．060．5644L?0152．7812．365．106．793．012．521．910．5344L?0253．0412．415．206．672．982．501．950．5447L?0155．8311．324．906．062．212．631．890．4947L?0253．4212．195．106．532．052．671．960．5347L?0353．6212．075．006．612．672．641．940．5147L?0452．9112．185．106．792．602．691．980．5347L?0555．4011．334．706．062．012．511．950．5347L?0653．5411．874．806．652．352．531．890．4947L?0754．7711．624．506．582．462．511．780．5049L?0155．7211．674．605．862．312．541．970．5149L?0253．1812．364．907．052．632．782．010．5449L?0352．3712．184．906．322．662．762．030．5449L?0454．1811．814．706．642．312．621．960．4952L?0152．7512．564．906．262．582．621．980．4852L?0249．8412．785．207．552．942．761．940．5352L?0352．3912．624．906．972．752．642．000．48均值53．3112．144．916．502．542．641．980．52古土壤45S?0251．7012．745．406．923．082．822．040．5545S?0351．9712．235．306．882．952．842．000．5645S?0452．8811．885．206．012．862．802．000．5245S?0552．6812．295．206．292．722．822．060．52

沉積相編號SiO2Al2O3TFeCaOMgOK2ONa2OTiO245S?0650．0112．285．406．902．872．932．170．5550S?0145．1813．825．607．223．132．892．240．6050S?0242．9414．015．808．123．542．992．350．6250S?0341．4314．466．509．143．833．162．430．6850S?0443．7113．846．008．303．462．962．330．6350S?0543．3114．136．309．173．593．122．380．6750S?0645．9613．775．707．883．232．862．340．60均值47．3613．225．667．543．212．932．210．59湖相沉積48LS?0149．0912．795．707．312．862．882．060．5748LS?0248．1512．965．607．792．992．952．140．5948LS?0348．3613．135．407．812．862．792．060．5848LS?0446．7613．335．907．353．112．912．200．5951LS?0147．5212．535．507．633．062．792．180．5951LS?0248．1612．755．607．593．192．842．130．5451LS?0347．2813．135．507．973．172．872．110．5851LS?0444．4613．055．708．623．192．972．340．6251LS?0543．0213．116．208．743．493．072．380．6551LS?0643．2913．236．208．413．563．052．380．6551LS?0744．3313．095．908．133．222．962．170．6051LS?0844．9913．126．108．153．243．012．310．6451LS?0944．9613．116．108．133．312．992．260．6151LS?1045．5512．835．808．223．152．932．280．5651LS?1145．9612．535．707．523．082．792．250．5651LS?1246．5712．925．608．013．213．062．300．5951LS?1344．4113．086．007．693．332．972．260．6051LS?1446．8312．785．607．993．072．872．140．6051LS?1547．4312．615．508．242．992．822．260．5851LS?1652．1212．135．007．252．792．702．090．5451LS?1750．4012．395．307．592．942．772．130．5751LS?1848．8112．815．706．563．242．992．220．61均值46．7412．885．717．853．142．912．210．60

由表1可以看出，LDS不同沉積相氧化物含量存明顯差異，闡述如下：SiO2含量在沙丘砂中最高，在黃土、古土壤和湖相沉積中相對于沙丘砂顯著降低(達11%～17.57%)，在后三者中黃土含量最高，古土壤和湖相沉積含量接近。Al2O3、CaO、TFe、K2O、MgO、Na2O、Ti2O含量在沙丘砂中相對較低，而在黃土、古土壤和湖相沉積中相對較高。其中，古土壤和湖相中Al2O3等7種氧化物含量接近(如其平均值顯示的那樣)但又高于黃土(表1)。

2.3　LDS不同沉積相的物源追蹤

圖3顯示，LDS的古土壤、湖相沉積、黃土的主量元素分布形態(tài)與薊縣黃土、西峰黃土、武威黃土的分布模式極為相似，而LDS沙丘砂主量元素的分布模式明顯有別于LDS其余3種沉積相，各主量元素百分含量介于薊縣黃土、西峰黃土、武威黃土與騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂主量元素含量的過度帶。LDS的古土壤、湖相沉積、黃土以及薊縣黃土、西峰黃土、西寧黃土、武威黃土SiO2含量相對UCC明顯虧損，LDS沙丘砂SiO2含量與UCC接近，騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂SiO2含量相對UCC明顯富集；LDS各沉積相、薊縣黃土、西峰黃土、西寧黃土、武威黃土、騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂Al2O3含量相對UCC明顯虧損，騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂虧損最多，LDS沙丘砂次之，其余含量接近；LDS古土壤及湖相沉積TFe的含量較UCC輕度富集，LDS黃土、薊縣黃土、西峰黃土、西寧黃土、武威黃土TFe含量與UCC接近，LDS沙丘砂與騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂相對UCC顯著虧損；LDS的古土壤、湖相、黃土、薊縣黃土、西峰黃土、西寧黃土、武威黃土的CaO含量相對UCC顯著富集，這可能是因測量時未進行醋酸前處理，樣品中含有較多碳酸鹽所致，LDS沙丘砂CaO含量與UCC接近，說明LDS沙丘砂在堆積過程中沒有太多碳酸鹽礦物的聚集，騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂CaO含量相對UCC顯著虧損；LDS各沉積相、薊縣黃土、西峰黃土、武威黃土以及騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂的K2O、Na2O含量相對UCC均表現(xiàn)虧損。

LDS古土壤、LDS黃土、LDS湖相沉積、薊縣黃土、西峰黃土、武威黃土等的主量元素含量分布形態(tài)的相似性似乎暗示著LDS古土壤、LDS黃土、LDS湖相沉積物質(zhì)來源相似，并且這三種沉積相與其東南方向的薊縣黃土、西峰黃土存在密切聯(lián)系，可能沉積物質(zhì)源于這些地區(qū)；而LDS沙丘砂主量元素含量分布形態(tài)與LDS其余三種沉積相的明顯差別及其在圖3中的所處位置，似乎可以判斷其物質(zhì)來源有別于LDS其余三種沉積相，并且與其西北一側(cè)的騰格里沙漠存在聯(lián)系。

為進一步證實上述推斷，繪制了用于追蹤物源的K2O/Al2O3-TiO2/Al2O3散點圖，由圖4可以判斷，LDS沙丘砂與LDS古土壤、湖相沉積、黃土明顯存在物質(zhì)來源的差異；LDS古土壤、湖相沉積、黃土三者在圖4中分布區(qū)域重合，表明三者有著相似的物質(zhì)來源；同時LDS古土壤、湖相沉積、黃土與薊縣黃土、西峰黃土、西寧黃土的散點位置接近，表明這些沉積相存在物質(zhì)來源上的密切聯(lián)系，似乎可以認為LDS古土壤、湖相沉積、黃土的物質(zhì)來自其東南方向的黃土高原。

3　化學(xué)風(fēng)化程度判別

3.1　CIA指數(shù)和Na/K值

化學(xué)蝕變系數(shù)(CIA)可以指示長石風(fēng)化成黏土礦物的程度，是衡量沉積物來源物質(zhì)的風(fēng)化作用和沉積后風(fēng)化作用的代用指標(biāo)[3,28-30]，CIA=[Al2O3/( Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100(式中氧化物為分子摩爾數(shù)，CaO*為硅酸鹽中的含量，采用McLennan提出的方法修正)，其主要反映硅酸鹽的風(fēng)化，若不存在元素遷移后再次沉積的情況，其可以很好地反映沉積物形成時的化學(xué)風(fēng)化情況[11]。

圖3　LDS不同沉積相、西寧黃土[12]、薊縣黃土[12]、西峰黃土[12]、武威黃土[25]、騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂[26]與上部陸殼(UCC)[27]主量元素特征的對比Fig.3　Comparison among major element contents of the different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation, Xining loess, Wuwei loess, Jixian loess, Xifeng loess, modern dune sand of Tengger desert and the UCC

圖4　LDS各沉積相與西寧黃土、薊縣黃土、西峰黃土K2O/Al2O3-TiO2/Al2O3散點圖Fig.4　The scatter diagram of K2O/Al2O3-TiO2/Al2O3 in different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation, Xining loess, Jixian loess, Xifeng loess

Na/K(Na，K分別為氧化物摩爾分子數(shù))值可以很好指示風(fēng)化物質(zhì)中斜長石的分解程度[28-29]。

研究發(fā)現(xiàn)LDS不同沉積相的CIA值分布范圍為56.91～62.70，沿剖面變化如圖7所示，LDS湖相沉積CIA指數(shù)分布范圍為：56.91～60.05，均值為：58.15；LDS古土壤分布范圍為：57.19～59.67，均值為：58.66；黃土分布范圍為：58.23～60.62，均值為：59.46；LDS沙丘砂分布范圍為：59.46～62.70，均值為：60.70。各沉積相平均CIA指數(shù)依次為沙丘砂>黃土>古土壤>湖相沉積，若從CIA指數(shù)數(shù)值上看，全部沉積相的風(fēng)化程度變化不大，均處于低等風(fēng)化階段。同時，LDS各沉積相的Na/K大小依次為湖相沉積>古土壤>黃土>沙丘砂，指示各沉積相的風(fēng)化強度依次增加，如圖5所示，Na/K與CIA指數(shù)呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系(R2=0.53)，與CIA指數(shù)所指示的化學(xué)風(fēng)化強度相吻合。

圖5　LDS不同沉積相CIA-Na/K散點圖Fig.5　The scatter diagram of CIA-Na/K in different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation

3.2　A-CN-K三角圖解

Nesbitt和Young提出了大陸風(fēng)化趨勢預(yù)測的A-CN-K(Al2O3-CaO*+Na2O-K2O)三角模型圖，用來反映沉積物化學(xué)風(fēng)化趨勢及主礦物成分變化[18]。

如圖6所示，LDS各沉積相與西寧黃土、武威黃土在A-CN-K三角圖解上位置較接近，而薊縣黃土、西峰黃土較LDS各沉積相長石礦物風(fēng)化程度有所增強，騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂與上述沉積相分布位置有所差別，風(fēng)化程度相對偏低。LDS各沉積相、薊縣黃土、西峰黃土、西寧黃土、武威黃土、騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂處于去K、Na的同一風(fēng)化路徑上，與典型大陸風(fēng)化趨勢一致[18]，其物質(zhì)源于廣闊的上部陸殼，在搬運與沉積過程中逐漸風(fēng)化。LDS各沉積相的數(shù)據(jù)點大致與CN-A連線平行，Na、Ca的含量減少，K及Al含量基本不變，說明斜長石開始風(fēng)化分解，Ca、Na淋濾遷移，鉀長石含量相對穩(wěn)定[11]。整體而言，LDS各沉積相較靠近UCC，說明其整體風(fēng)化強度較弱，但進一步比較發(fā)現(xiàn)，LDS各沉積相中沙丘砂距離UCC最遠，黃土次之，古土壤第三，湖相沉積最靠近UCC，西峰黃土、武威黃土與LDS黃土位置近乎重合，薊縣黃土、西峰黃土距離UCC最遠，騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂最靠近UCC。三角圖解似乎可以說明，LDS各沉積相、西寧黃土、武威黃土、騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂均處于較低的風(fēng)化強度，但也存在差別，薊縣黃土>西峰黃土>LDS沙丘砂>LDS黃土>武威黃土>LDS古土壤>LDS湖相沉積>騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂。

4　討論

研究表明，CIA指數(shù)在指示風(fēng)化強度的同時可作為氣候變化的替代指標(biāo)：上部陸殼UCC的CIA平均值為47.92，處于基本未受風(fēng)化的階段[27]；伊犁盆地黃土[30]、西寧黃土、西峰黃土[12]CIA平均值分別為53.84、59.39、61.45指示其處于寒冷干燥氣候條件下的低等風(fēng)化階段；而遼南周家溝黃土[31]、西峰紅黏土[8]、 洛川古土壤[9]CIA平均值分別為66.09、69.11、67.36指示其處于溫暖、濕潤條件下中等風(fēng)化階段；宣城風(fēng)成紅土[32]CIA平均值為88.78指示其處于炎熱潮濕氣候環(huán)境下強烈的高等風(fēng)化?？梢姡珻IA值越大其指示的氣候條件越相對溫暖濕潤，反之則相對寒冷干燥。

據(jù)LDS各沉積相的粒度組成研究結(jié)果[20]，如圖7所示，平均粒徑由大到小依次為LDS沙丘砂>LDS黃土>LDS古土壤>LDS湖相沉積，指示LDS沙丘砂主要是受冬季風(fēng)控制的寒冷干燥氣候條件下沙漠?dāng)U張形成的沉積相，而LDS黃土、古土壤、湖相沉積則主要是受夏季風(fēng)控制的相對溫暖濕潤的氣候條件下形成的沉積相?；谏鲜鰧IA 指示氣候環(huán)境的認識及本文對LDS各沉積相CIA指數(shù)研究的結(jié)果，本研究所得到的LDS各沉積相的CIA值與各沉積相平均粒徑所代表的氣候環(huán)境呈現(xiàn)矛盾現(xiàn)象。

圖6　LDS各沉積相與薊縣黃土、西峰黃土、西寧黃土、武威黃土、上部陸殼及騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘砂A-CN-K三角圖解Fig.6　Triangle diagram of A-CN-K of the different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation, Xining loess, Wuwei loess, Jixian loess, Xifeng loess, dune sand of Tengger desert and the UCC

圖7　 LDS各沉積相的CIA指數(shù)與平均粒徑(Mz/φ)指示的氣候變化[20]對比圖Fig.7　The comparison between CIA of the different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation with the climate change indicated by the average size(Mz/φ)

4.1　物質(zhì)來源的影響

據(jù)已有研究結(jié)果[20]及本文3.3節(jié)對其物質(zhì)成分的分析，認為造成上述矛盾的原因之一為：LDS中沙丘砂主要是末次冰消期偏北的冬季風(fēng)搬運其北部騰格里沙漠的沉積物堆積而成，而LDS的古土壤、湖相沉積、黃土則主要是由偏南的夏季風(fēng)搬運黃土高原的沉積物質(zhì)堆積而成，沉積物質(zhì)的來源的不同，導(dǎo)致不同沉積相在堆積初始階段主量元素便存在差異，所以不同物源的不同沉積相計算的CIA指數(shù)失去了對比的前提，CIA應(yīng)用在不同物源的沉積相用來指示氣候變化是存在先天性的不足的。

為探究LDS各沉積相的CIA指數(shù)與各沉積相形成氣候環(huán)境矛盾的現(xiàn)象，做了CIA與CaO的散點圖。如圖8所示，LDS各沉積相中CaO與CIA呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系(R2=0.58)，隨著CaO含量的增加CIA值逐漸減小。究其原因，可能是由于實驗樣品未做醋酸前處理，樣品中的碳酸鹽礦物對CIA值產(chǎn)生了影響。由圖3可知，LDS的古土壤、湖相沉積、黃土、薊縣黃土、武威黃土等的CaO相對UCC富集程度很高，而LDS沙丘砂則與UCC持平。LDS不同沉積相南北物源區(qū)的碳酸鹽礦物含量的差異可能是造成CIA值與實際氣候環(huán)境矛盾的原因之一。

圖8　LDS各沉積相CaO-CIA散點圖Fig.8　The scatter diagram of CaO-CIA in different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation

4.2　沉積環(huán)境的影響

為更進一步探討CIA指數(shù)與沉積相形成的氣候環(huán)境產(chǎn)生矛盾的原因，做了直接參與CIA值計算的Na2O、K2O、CaO*、Al2O3與CIA的對比圖。如圖9所示，LDS不同沉積相的Na2O、K2O、CaO*均與CIA值呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.71、0.68、0.71)，而Al2O3與CIA相關(guān)性較差。由此可以判斷，CIA值大小主要由各沉積相中的Na2O、K2O、CaO*的含量控制，結(jié)合CIA與CaO的負相關(guān)關(guān)系(圖8)，可以判斷CIA值大小變化主要受易遷移元素鈣、鈉、鉀的影響。研究表明，自晚更新世以來土門剖面地貌上處于南部祁連山支脈的山前傾斜平原與騰格里沙漠南緣過渡的溝壑區(qū)[21]，地勢相對低洼(如圖1所示)周圍高地的降水易匯聚于此。當(dāng)夏季風(fēng)增強，降水相應(yīng)增加，水?dāng)y帶著周圍高地易遷移的鈣、鈉、鉀等元素匯聚于此，造成了LDS湖相、古土壤、黃土中Na2O、K2O、CaO的相對富集；當(dāng)沉積沙丘砂時，Na2O、K2O、CaO因降水匯聚作用減弱也是是造成其相對較低含量的原因之一，所以地形也是造成研究中CIA指數(shù)與地層實際形成的氣候環(huán)境存在矛盾的重要原因。

綜上分析，認為LDS各沉積相形成氣候環(huán)境與CIA指數(shù)的矛盾關(guān)系可以得到如下解釋：首先，構(gòu)成LDS四種沉積相的物質(zhì)來源存在差別，源自黃土高原的沉積物的鈣、鈉、鉀含量相對較高，LDS的古土壤、湖相沉積、黃土對物源區(qū)的物質(zhì)成分有了較好的繼承(圖3)，LDS沙丘砂主量元素對物源區(qū)主量元素也有較好的繼承性；其次，剖面所處位置地形的影響，由于LDS古土壤、湖相沉積、黃土物源本身高含量的Na2O、K2O、CaO加上夏季風(fēng)控制作用下降水?dāng)y帶Na2O、K2O、CaO等易遷移元素的匯聚作用，造成了古土壤、湖相沉積、黃土的Na2O、K2O、CaO富集，使得CIA相對偏低，而LDS沙丘砂則由于物源的低Na2O、K2O、CaO含量及不強的降水匯聚作用，造成其Na2O、K2O、CaO含量偏低，從而使CIA偏高。從這個角度出發(fā)，認為LDS古土壤、湖相沉積、黃土的CIA值并不能代表其真實的風(fēng)化程度。

CIA指數(shù)應(yīng)用在不同沉積相指示風(fēng)化程度(進一步指示氣候變化)是存在一定的適用性問題的，物源物質(zhì)的化學(xué)元素成分差異，沉積環(huán)境的不同會對CIA值造成較強烈的影響，故在應(yīng)用CIA作為古氣候替代指標(biāo)時應(yīng)綜合考慮上述因素對指示結(jié)果的影響。

5　結(jié)論

土門剖面末次冰消期層段(LDS)的各沉積相CIA指數(shù)從大到小依次為LDS沙丘砂> LDS黃土> LDS古土壤>LDS湖相沉積，其CIA指示的各沉積相風(fēng)化作用強度(氣候環(huán)境)與已有的研究結(jié)論是矛盾的，通過對CIA在不同沉積相的適用性的探討可以得到以下結(jié)論：

圖9　LDS各沉積相CIA-Na2O(a)、CIA-K2O(b)，CIA-CaO*(c)，CIA-Al2O3(d)散點圖Fig.9　The scatter diagram of CIA-Na2O(a),CIA-K2O(b),CIA-CaO*(c),CIA-Al2O3(d) in different sedimentary facies of the Tumen section during the last deglaciation

(1) LDS古土壤、湖相沉積、黃土的沉積物質(zhì)可能來源于土門剖面東南一側(cè)的黃土高原，LDS沙丘砂物質(zhì)源受西北側(cè)的騰格里沙漠強烈影響，LDS各沉積相的物源化學(xué)元素存在差別，從而使得不同沉積相CIA指數(shù)的對比存在先天性不足。

(2) 土門剖面所在位置的低洼地形會產(chǎn)生降水匯聚作用，使易遷移的鈣、鈉、鉀等元素隨降水遷移而匯聚于此，對不同沉積相的CIA指數(shù)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致CIA值偏小，其不能反映真實風(fēng)化作用強度。

(3) 應(yīng)用CIA指數(shù)作為古氣候變化的替代指標(biāo)需綜合考慮沉積相物源差異及沉積環(huán)境的影響，CIA指數(shù)在用于指示古氣候變化中存在一定的適用性問題。

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