黃土高原中部朝那剖面15ma以來巖石磁學(xué)指標(biāo)演化

黃土高原中部朝那剖面15ma以來巖石磁學(xué)指標(biāo)演化

在過去的20年中，洛杉磯高原的黃土和古土壤分類研究取得了豐富的成果，成為繼深水和冰心之后的另一個(gè)數(shù)據(jù)收集基礎(chǔ)。在揭示黃土-古土壤序列記錄的環(huán)境變化信息研究過程中,環(huán)境磁學(xué)發(fā)揮了重要作用。如磁化率作為東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的替代性指標(biāo)為揭示東亞夏季風(fēng)演化歷史提供了大量重要的信息,但目前對古土壤磁化率增強(qiáng)的機(jī)制還存在著爭論,使其古氣候意義的解譯存在某些不確定性。土壤微形態(tài)學(xué)研究表明部分成壤作用強(qiáng)的古土壤層在磁化率曲線上并沒有表現(xiàn)。巖石磁學(xué)研究表明黃土-古土壤的磁化率主要由磁鐵礦和磁赤鐵礦所貢獻(xiàn),赤鐵礦與針鐵礦在含量上雖占相當(dāng)部分,但對于磁化率的貢獻(xiàn)卻極為有限,如何將磁化率沒有反映出來的有價(jià)值的環(huán)境磁學(xué)信息挖掘出來,是黃土環(huán)境巖石磁學(xué)研究面臨的一重要課題。盡管許多學(xué)者對黃土巖石磁學(xué)做了大量的研究工作,但主要集中于長序列的磁化率分析或短時(shí)間尺度,如末次間冰期以來連續(xù)的其他磁學(xué)指標(biāo)的分析,尚缺乏更早時(shí)期如中更新世或上新世以來的高分辨率的其他磁學(xué)指標(biāo)分析。長序列的各種環(huán)境磁學(xué)指標(biāo)研究有助于進(jìn)一步認(rèn)識與詮釋黃土-古土壤蘊(yùn)藏的古氣候環(huán)境信息。中更新世氣候轉(zhuǎn)型(Mid-PleistoceneClimateTransition,MPT)事件的發(fā)現(xiàn)是近些年來第四紀(jì)古氣候研究獲得的重要進(jìn)展之一。所謂“MPT事件”是指在中更新世時(shí)深海氧同位素的值突然增加0.29‰,全球冰量增加約15%,全球氣候的主導(dǎo)周期從早更新世的41ka轉(zhuǎn)變?yōu)榇撕蟮?00ka周期。但對于MPT事件的起始時(shí)間和表現(xiàn)的方式以及驅(qū)動(dòng)機(jī)制尚未達(dá)成共識。有研究者認(rèn)為MPT開始于1.2Ma或1.05Ma,但大多學(xué)者認(rèn)為開始于0.90~0.93Ma左右[12,13,14,15,16,17],即深海氧同位素曲線的MIS23/MIS22交界處,結(jié)束于0.62Ma甚至更晚。MPT事件在太平洋、大西洋等海洋記錄中均有明顯反映,非洲的植被變化和中亞的黃土沉積也記錄了這一氣候轉(zhuǎn)型。而黃土高原黃土粒度、磁化率記錄的頻譜分析明確表明存在類似的氣候周期轉(zhuǎn)型,但是由于周期分析的時(shí)間序列是建立在軌道調(diào)諧的基礎(chǔ)上,存在著循環(huán)論證嫌疑,因此,需要更多的其他地質(zhì)證據(jù)來檢驗(yàn)MPT事件在黃土高原的轉(zhuǎn)型時(shí)間、幅度和形式。本文對黃土高原中部的朝那黃土-古土壤序列進(jìn)行了高分辨率的巖石磁學(xué)分析,獲得了1.5Ma以來古氣候演化的巖石磁學(xué)記錄,為探討新的磁學(xué)指標(biāo)和中更新世氣候轉(zhuǎn)型提供了一種新途徑。1土壤條件及磁化率剖面位于甘肅省靈臺縣朝那鎮(zhèn)(35°7′N、107°12′E),處于隴東盆地的中心部位。剖面頂部海拔為1464m。剖面由黃土—紅黏土組成,厚300m,其中第四系黃土厚175m。馬蘭黃土厚約6.8m,S1為復(fù)合古土壤,厚3m。S5位于32~38m處,由3層古土壤復(fù)合而成,最上層為棕紅色,團(tuán)塊結(jié)構(gòu),下面兩層為紅褐色,棱柱狀結(jié)構(gòu),含有大量鐵錳膠膜。L9上粉砂層位于56.5~64m處,為淺棕黃色,塊狀結(jié)構(gòu),手感較粗;L15下粉砂層位于深83~89m處,米黃色,質(zhì)地松散,塊狀結(jié)構(gòu),顆粒較粗,含大量CaCO3結(jié)核。黃土與下伏紅黏土呈逐漸過渡關(guān)系。磁性地層研究表明B/M界線位于51.5m處,即L8的中下部,賈拉米洛(Jaramillo)事件位于68.3~75m之間,跨L10到S12地層(圖1),奧爾都維(Olduvai)事件位于123~134m深處,M/Ga界線位于L33中部175m深處。磁化率樣品以5~10cm的間距采自S20以上厚約105m的地層,在室內(nèi)自然風(fēng)干后用英國Bartington公司生產(chǎn)的MS2型磁化率儀測試。大量研究表明黃土高原第四紀(jì)的黃土磁化率能較好地與深海氧同位素曲線對比,盡管朝那剖面中S5—L9之間磁化率變化幅度不如深海氧同位素曲線那么大,但整個(gè)剖面的磁化率的谷峰均能很好地與氧同位素曲線的谷峰對比(圖1a、b)。以磁化率峰值對應(yīng)的氧同位素年齡點(diǎn)和古地磁界線點(diǎn)為年代控制點(diǎn),利用Kukla和安芷生的磁化率年齡模型建立了1.5Ma以來朝那剖面黃土-古土壤時(shí)間序列(圖1c)。2磁滯曲線與磁滯參數(shù)的關(guān)系巖石磁學(xué)參數(shù)測試在日本京都大學(xué)古地磁與巖石磁學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。測試儀器為美國普林斯頓儀器公司生產(chǎn)的MicromagTM2900-02C型交變磁力儀,最大磁場強(qiáng)度為1.2T,其磁矩測量范圍為10-9~5×10-3Am2,樣品規(guī)格為3mm×3mm×2mm,樣量<50mg。本次以1T為最大磁場、2mT增量進(jìn)行磁滯曲線測量,得到原始磁滯曲線(圖2)。大部分樣品在低于0.4T外加磁場時(shí)幾乎達(dá)到飽和,當(dāng)磁場強(qiáng)度大于0.4T時(shí),上升曲線與下降曲線完全重合,即磁化強(qiáng)度與外場呈線性關(guān)系,表現(xiàn)為順磁性礦物的特征。為了消除它們的影響,用70%的傾斜度進(jìn)行原始數(shù)據(jù)校正。經(jīng)校正后獲得新的磁滯曲線(圖2)和磁滯參數(shù)即飽和磁化強(qiáng)度(Ms)、飽和剩磁強(qiáng)度(Mr)和矯頑力(Bc)。然后在1T的磁場作用下逐步施加以2mT為增量的反向磁場直到0.1T,獲得剩磁矯頑力(Bcr)。在S20以上的105m的地層中以40cm間隔共分析255個(gè)巖石磁學(xué)樣品,樣間分辨率約為5.9ka。圖3為典型黃土和古土壤的磁滯曲線,從圖3可以看出黃土和古土壤的磁滯曲線具有明顯不同的形態(tài)特征。黃土的磁滯曲線矮而寬,樣品SZ480(Sm)略呈中間細(xì)兩頭寬的黃蜂腰形,在300mT以上才能達(dá)到飽和,而古土壤的磁滯曲線窄而細(xì),在300mT以下就能達(dá)到飽和。Fukuma和Torii對一系列的黃土與古土壤的磁滯曲線形狀的對比研究表明,當(dāng)亞鐵磁性礦物(如磁鐵礦、磁赤鐵礦)與反鐵磁性礦物(如赤鐵礦)的比值低時(shí),反鐵磁性礦物控制著磁滯曲線的形狀(寬),表現(xiàn)為黃蜂腰型磁滯曲線。當(dāng)以超順磁顆粒含量為主時(shí),黃蜂腰型曲線消失;亞鐵磁性礦物的磁滯曲線表現(xiàn)為窄而高的特征。典型黃土層樣品的矯頑力是古土壤的2~3倍,達(dá)20mT以上,高于純單疇磁鐵礦的矯頑力10mT,低于純赤鐵礦的400mT,而S5的矯頑力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10mT,指示了多疇磁鐵礦或超順磁顆粒的存在;而古土壤的飽和磁化強(qiáng)度Ms值和飽和剩磁強(qiáng)度Mr值則分別為黃土的2~3倍和3~5倍。這些特征說明黃土中的磁性礦物以反鐵磁性礦物如赤鐵礦為主,而古土壤中以超順性的亞鐵磁性礦物如磁鐵礦、磁赤鐵礦為主。3m、ms和bcr、bc磁學(xué)特征巖石磁學(xué)研究表明Mr和Ms值的大小與磁性礦物的種類和含量密切相關(guān),它們的值越大,反映亞鐵磁性礦物如磁鐵礦和磁赤鐵礦含量越多,值越小反映反鐵磁性礦物如赤鐵礦和針鐵礦越多,而Bcr、Bc值越低表明磁鐵礦含量越高,越高則赤鐵礦含量越高。從圖4可以看出,黃土層中以高Bcr、Bc和低磁化率、Mr、Ms為特征,對應(yīng)于冰期;而古土壤則以低Bcr、Bc和高磁化率、Mr、Ms為特征,對應(yīng)于間冰期。Mr、Ms的變化趨勢與磁化率基本一致,但最高值出現(xiàn)在S1,而不是磁化率最高值所在的S5。Bcr、Bc與磁化率關(guān)系相對復(fù)雜一些,大體上呈負(fù)相關(guān);Bcr、Bc的最高值出現(xiàn)在L15下粉砂層。同時(shí)Mr、Ms和Bcr、Bc磁學(xué)指標(biāo)在變化細(xì)節(jié)上比磁化率詳細(xì),尤其在L9—L6之間,說明這些指標(biāo)對環(huán)境變化的敏感度超過磁化率。從圖4可以看出,1.5Ma以來的巖石磁學(xué)參數(shù)變化以0.93和0.62Ma為界可劃分為3個(gè)階段。第1階段1.5~0.93Ma(S20—S9):各種磁學(xué)參數(shù)呈同步周期性變化,變化幅度較大,能較好地與深海氧同位素記錄對比;磁化率(Sus)、Bcr、Bc、Mr、Ms的平均值分別為62.25×10-8m3·kg-1、41.37mT、12.72mT、6.49×10-3Am2·kg-1、34.64×10-3Am2·kg-1。第2階段0.93~0.62Ma(L9—L6):Sus、Mr和Ms處于整個(gè)序列的最低谷,在0.77Ma(位于S8)有一個(gè)較明顯的下降臺階,而Bcr、Bc突然變化幅度增大,然后波動(dòng)下降,其變化幅度比氧同位素曲線小多了;Sus、Mr、Ms的平均值分別減少到43.20×10-8m3·kg-1、4.80×10-3Am2·kg-1,23.55×10-3Am2·kg-1,減少了30%左右,而Bcr和Bc增至50.32和15.57mT,增幅達(dá)22%,反映赤鐵礦的含量大量增加。第3階段0.62Ma以來(S5—S0):Sus、Mr和Ms呈總體增大趨勢,變幅增大頻率放慢,在0.13Ma時(shí)(S1底)突然增加數(shù)倍,達(dá)到整個(gè)序列的最高值,此后迅速下降,到0.07Ma以后相對穩(wěn)定變化較小,而Bcr、Bc呈波動(dòng)減少趨勢,到0.13Ma降到最低值,此后變化也很小,基本上能與深海氧同位素對比。第3階段的Sus、Mr、Ms的平均值增至94.67×10-8m3·kg-1、7.83×10-3Am2·kg-1、46.05×10-3Am2·kg-1,相對第2階段的增幅分別達(dá)119.17%、63.26%和95.57%,而Bcr和Bc均降至最低水平,分別為35.51和10.84mT,反映了磁鐵礦等亞鐵磁性礦物的含量大幅增加。4討論4.1夏季風(fēng)和冬季風(fēng)由于磁性礦物顆粒的搬運(yùn)、沉積和轉(zhuǎn)化與沉積環(huán)境的變化和古氣候的演化密切相關(guān),因此,礦物的磁學(xué)性質(zhì)可作為環(huán)境變化和氣候過程的代用指標(biāo),如磁化率在黃土高原黃土古氣候?qū)W研究中可作為反映東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的氣候代用指標(biāo)。在第四紀(jì)間冰期時(shí),黃土高原地區(qū)盛行夏季風(fēng),粉塵堆積相對減弱,氣溫較高,降水增多,有利于成壤作用,成壤過程生成新的強(qiáng)磁性礦物如磁鐵礦、磁赤鐵礦,使得磁性礦物含量增加,進(jìn)而導(dǎo)致磁化率、Mr和Ms增高,因此,Mr、Ms與磁化率一樣也可作為夏季風(fēng)的替代性氣候指標(biāo)。冰期時(shí),盛行冬季風(fēng),搬運(yùn)到黃土高原的物質(zhì)較粗,氣候干冷不利于磁鐵礦等強(qiáng)磁性礦物的形成,反磁性礦物的含量相對增高,Bcr和Bc值增大,而磁化率值減少。因此,Bcr和Bc能反映粉塵源區(qū)(亞洲內(nèi)陸沙漠、干旱、半干旱區(qū))的磁性礦物狀況,進(jìn)而反映源區(qū)的氣候環(huán)境條件,可作為冬季風(fēng)的替代性指標(biāo)。當(dāng)然,這僅是一個(gè)初步的結(jié)論,有待進(jìn)一步的研究和更多的證據(jù)來驗(yàn)證和證實(shí)。4.21.夏季風(fēng)加強(qiáng)事件根據(jù)上面的巖石磁學(xué)記錄可以將近1.5Ma以來的東亞季風(fēng)變化相應(yīng)地劃分3個(gè)階段。第1階段(1.5~0.93Ma):Sus、Mr、Ms與Bcr、Bc同步變化,變化幅度相近,并能較好地與深海氧同位素曲線對比,表明在冰期和間冰期旋回下,黃土高原夏季風(fēng)和冬季風(fēng)相互消長的變化。其中在1.17Ma(相當(dāng)于S13)和1.25Ma(相當(dāng)于S14)前后發(fā)生了兩次明顯的夏季風(fēng)加強(qiáng)事件。第2階段(0.93~0.62Ma對應(yīng)于L9—L6):從約0.93Ma開始,Sus、Mr、Ms值比上一階段明顯減小,波動(dòng)幅度也變小,反映了夏季風(fēng)減弱,在約0.77Ma出現(xiàn)了一次夏季風(fēng)增強(qiáng)事件,此后再一次減弱,而與之形成鮮明對比的是Bcr和Bc在0.9Ma突然大幅度增加,然后逐漸波動(dòng)式減小。造成這一現(xiàn)象的原因可能與磁性礦物的種類有關(guān),在相同情況下,1份單疇磁鐵礦對磁化率的貢獻(xiàn)約相當(dāng)于75份赤鐵礦對磁化率的貢獻(xiàn),因此,即使赤鐵礦含量大量增加但在磁化率上表現(xiàn)不明顯,而Bcr和Bc恰能反映這種變化。冬季風(fēng)的增強(qiáng)是造成反鐵磁性礦物大量增加的直接原因。因?yàn)槎撅L(fēng)突然增強(qiáng),風(fēng)力攜帶的物質(zhì)粒度變粗,磁性礦物含量增加,同時(shí)可能還與粉塵源區(qū)的干旱程度加劇,可供攜帶的物質(zhì)增多有關(guān)。第3階段(0.62Ma以來):從0.62Ma起尤其在0.55Ma磁學(xué)參數(shù)的振幅拉大,波動(dòng)頻率減慢,反映出氣候變化的幅度和頻率均有較大改變,深海氧同位素記錄指示冰期和間冰期的反差加大。Sus、Mr、Ms值迅速增大,變化幅度也增大,整體呈增加的趨勢,野外觀察到的黃土層風(fēng)化程度降低,古土壤發(fā)育程度顯著增加,表示此時(shí)冬、夏季風(fēng)強(qiáng)度都顯著增強(qiáng)。4.3氣候變化的區(qū)域差異表現(xiàn)從上面論述可知約0.93和0.62Ma是朝那剖面所記錄的重要環(huán)境事件界線,在地層上約0.93Ma對應(yīng)L9上粉砂層,粒度較前一階段明顯變粗,表明冬季風(fēng)顯著增強(qiáng),朝那孢粉記錄表明此時(shí)植被由森林草原轉(zhuǎn)變?yōu)槭枇植菰?反映降雨減少,夏季風(fēng)減弱。在南海北部ODP1148的13C在0.9Ma前后急劇下降,南海南部17957-2孔的放射蟲組合在0.9Ma也發(fā)生急劇變化,指示了東亞冬季風(fēng)的加強(qiáng)。ODP677、DSDP607、ODP806B等深海氧同位素在約0.9Ma突然大幅增加,指示全球冰量大量增加,即MPT的開始。全球冰量的增加使得全球氣候變冷,控制著黃土高原冬季風(fēng)強(qiáng)度的西伯利亞高壓加強(qiáng),冬季風(fēng)突然增加,攜帶到黃土高原的粉塵增多變粗,進(jìn)而導(dǎo)致磁性礦物含量增加,Bcr和Bc值增高。全球冰量的增加對來自海洋的東亞夏季風(fēng)的影響較小,表現(xiàn)為夏季風(fēng)減弱。約0.62Ma對應(yīng)于L6頂部,此后各種磁學(xué)指標(biāo)又重新進(jìn)入大幅度周期變化,表現(xiàn)為發(fā)育成壤程度很高的S5古土壤,指示夏季風(fēng)的增強(qiáng),標(biāo)志著MPT結(jié)束。從圖5可以看出0.93~0.62Ma期間巖石磁學(xué)指標(biāo)曲線的結(jié)構(gòu)特征與ODP677孔的氧同位素記錄中更新世氣候轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)特征十分相似。古土壤層S8、S7和S6分別對應(yīng)于氧同位素階段(MIS)21、19和17,但黃土層中磁學(xué)指標(biāo)與偶數(shù)MIS的對應(yīng)性則比古土壤復(fù)雜些,變化細(xì)節(jié)不盡相同。深海氧同位素記錄的MPT的初期MIS22和末期MIS16的18O呈大幅度近線性增加,而與此相對應(yīng)的L9和L6中的磁學(xué)指標(biāo)呈波動(dòng)式變化,尤其L6變化較小,說明冰量的增加并不一定意味著東亞冬季風(fēng)的加強(qiáng),冬季風(fēng)對全球冰量變化是非線性響應(yīng)的。Ms、Bc等磁學(xué)參數(shù)曲線的峰谷值能較好地與北緯65°的7月太陽輻射對比,反映本區(qū)的氣候變化也與太陽輻射驅(qū)動(dòng)有關(guān)。青藏高原隆升對周邊環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響,這是一件不爭的事實(shí)。約0.9Ma時(shí)的Bcr和Bcr反映的冬季風(fēng)突然增強(qiáng)可能與青藏高原隆升存在某種聯(lián)系。大量證據(jù)表明青藏高原在1.1~0.6Ma發(fā)生了一系列的脈沖式隆升,并被命名為“昆黃運(yùn)動(dòng)”。經(jīng)過這次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)青藏高原進(jìn)入冰凍圈,高原下墊面性質(zhì)變化導(dǎo)致行星反射率增大和高原強(qiáng)迫作用下西風(fēng)波動(dòng)增強(qiáng),有利于極地冰蓋的發(fā)育。青藏高原的隆升可能是導(dǎo)致全球冰量增加和氣候主導(dǎo)周期轉(zhuǎn)換的重要驅(qū)動(dòng)因素。青藏高原的隆升減少了印度洋水氣向亞洲內(nèi)陸輸送,內(nèi)陸干旱化加劇