洛川黃土的土壤組合及其成因

洛川黃土的土壤組合及其成因

其次，劉東生在洛杉磯高原首次發(fā)現(xiàn)并命名了上部和下部沉積物（l9和l5），這兩個標(biāo)志層的舊氣候重要性也受到了關(guān)注。長期以來,人們往往依據(jù)L9、L15的突出的厚度和最粗的粒度,將其解釋為代表了第四紀(jì)以來最為干冷的氣候條件,然而,這也構(gòu)成了陸相黃土與深海沉積在古氣候記錄上的分歧。本文將重點論述洛川剖面午城黃土的地層劃分,并對L9、L15的古氣候意義提出了新的解釋。2洛川合作—洛川剖面午城黃土的重新劃分筆者近年對洛川剖面進行了詳細(xì)的野外地層劃分和采樣。事實上,洛川剖面午城黃土中的古土壤在野外還是易于分辨的。就古土壤而言,午城黃土中有3層發(fā)育程度高、顏色偏紅的古土壤,即S23、S26和S32;另外,尚有3層厚度較大的黃土層,即L24、L29和L33,它們可以作為地層劃分的標(biāo)志層。依據(jù)這3個厚層的黃土層,洛川的午城黃土可以劃分為6段。其中,S15至S23為第一段,含9層古土壤,相當(dāng)于前人劃分的WS1。L24為第二段,相當(dāng)于WL1。S24至S28為第三段,含5層古土壤,相當(dāng)于WS2。L29為第四段,相當(dāng)于WL2。S29至S32為第五段,含4層古土壤(其中S32是由兩層古土壤疊合而成),該段古土壤組合相當(dāng)于WS3。厚層黃土L33為第六段,相當(dāng)于WL3。同時,筆者尚以10cm為間距,對洛川剖面進行了系統(tǒng)的采樣。粒度和磁化率分析結(jié)果所指示的峰、谷變化與野外的古土壤、黃土劃分是可以很好對比的(圖1)。與丁仲禮和劉東生對寶雞剖面午城黃土的劃分對比,洛川午城黃土的地層劃分與其有如下相同和不同點:(1)無論是寶雞,還是洛川剖面,我們對WS1(S15～S23)和WL1(L24)的劃分是相同的。(2)不同點在于對WS2、WL2、WS3和WL3的劃分是不同的。筆者在洛川剖面劃分上述地層的標(biāo)志是野外極為顯著的兩個厚層黃土層即L29(WL2)和L33(WL3),而寶雞剖面依據(jù)的劃分標(biāo)志層是L27和L32。對于洛川剖面與寶雞剖面在午城黃土地層劃分中的部分分歧,其原因尚不清楚,不過,筆者有如下討論:首先,黃土作為一種風(fēng)成沉積,在其下風(fēng)方向的堆積,受嚴(yán)格的地貌條件控制。很顯然,最利于堆積、保留且不易發(fā)生二次揚起(second-entrainment)或擾動的地點,應(yīng)是那些下風(fēng)方向上存在的大型前第四紀(jì)沉積盆地,而洛川盆地恰好具備這樣的特點,這也決定了洛川塬和其西部的董志塬(即西峰塬)應(yīng)是黃土記錄最好的地點,盡管它們的黃土厚度并不是黃土高原最大的。需要指出的是:黃土最厚的地點并不一定是古氣候記錄最好的地點,以黃土高原北部的靖遠(yuǎn)、會寧等剖面為例,這些地區(qū)在第四紀(jì)冰期的極盛期時,由于北極冰蓋的擴大、邊緣海的暴露,冬季風(fēng)極為強大,此時上述地區(qū)由于靠近沙漠邊緣,粉塵的堆積速率和風(fēng)蝕速率均得到加強,即使保留下來的沉積厚度十分可觀,但冰期極盛期時沒有風(fēng)蝕間斷是難以想象的。其次,洛川塬的四周沒有高聳的山脈,搬運粉塵的氣流未受阻擋,因此局地(local)的因素對粉塵的沉降影響較小。3關(guān)于l9和p15氣候的重要性和討論3.1陸相黃土古氣候長期以來,黃土高原的上、下粉砂層一直被解釋為代表了第四紀(jì)時期最為干冷的氣候條件。如果這一解釋成立的話,那么,這兩個極端氣候事件也應(yīng)該同樣被深海氧同位素所記錄,因為深海和陸相黃土已經(jīng)被國際公認(rèn)為最完整記錄整個第四紀(jì)古氣候的兩大支柱。然而,圖2卻清楚地表明了與L9和L15相對應(yīng)的時期即氧同位素階段22和階段34其氧同位素值并非整個第四紀(jì)最大的,也就是說全球冰量在這兩個時期并非最大。從深海記錄來看,這兩個時期的氣候條件不應(yīng)是最為干冷的。也就是說,L9和L15的早期解釋使黃土和深海在古氣候記錄上產(chǎn)生了分歧,原因是什么?其次,圖2還表明了并不是整個第四紀(jì)時期中國黃土與深海沉積都可以進行很好對比,只是在L15以上部分(即1.1MaB.P.以后),二者的對比良好,這又是為什么?3.2青海湖及周邊山體隆升期巖相古地理這里,筆者認(rèn)為之所以產(chǎn)生上述分歧,主要原因在于前人僅僅依據(jù)L9和L15的巨大厚度和粗粒程度,而直觀地將其解釋為代表了最為干冷的氣候條件。我們的新解釋是:盡管L9和L15是在第四紀(jì)干冷的冰期時堆積的,但其干冷程度絕非第四紀(jì)時期最盛的,這兩個巨厚粉砂層的產(chǎn)生,應(yīng)當(dāng)在一定程度上,與這些時期青藏高原及其周邊山脈的快速隆升導(dǎo)致區(qū)域和局地黃土的物源增加,沙漠?dāng)U張所致。根據(jù)與深海氧同位素的對比,我們可以得出,這兩個時期分別是1.1MaB.P.和0.9MaB.P.。我們的解釋如下:自晚新生代以來,青藏高原及其周邊山脈一直在發(fā)生階段性的隆升,而在山體隆升快速的時期,受海拔上升的影響,巖石的晝夜溫差變大,寒凍風(fēng)化加劇,導(dǎo)致巖石的物理風(fēng)化速度加快;同時,由于山體的坡降變大,河水的水動力加強,不僅使河流下切而且河流可以將更多的巖石風(fēng)化或冰川研磨產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)搬運到山前盆地,而這些物質(zhì)在風(fēng)力吹揚下,發(fā)生物理分選,沙物質(zhì)形成沙漠,而細(xì)粒物質(zhì)則被風(fēng)力帶往更遠(yuǎn)的下風(fēng)方向,加速了黃土的堆積。因此,L9和L15雖然形成于干冷的冰期,但干冷的氣候并非形成這兩個粉砂層的單一因素,而在1.1MaB.P.和0.9MaB.P.期間發(fā)生的青藏高原及其周邊山體的快速隆升導(dǎo)致的沙漠和黃土物源的急劇增加,對這兩個粉砂層的形成起到了非常重要的作用。3.3關(guān)于1.0p.p.前后氣藏成巖的地質(zhì)情況,主要有生長、沉積、改造與成礦的前后兩上述觀點的提出,我們可以找到很多的證據(jù)。最直接的證據(jù)是:無論是在昆侖山,還是天山山前,早更新世的西域礫巖與中更新世的高階地礫巖之間,存在廣泛分布的角度不整合,代表了期間曾發(fā)生過大規(guī)模的構(gòu)造運動,而其年齡根據(jù)早、中更新世的界限,應(yīng)在1.1MaB.P.左右,與分割午城、離石黃土的L15相當(dāng)。J.J.Li等通過對蘭州附近黃河階地的研究,認(rèn)為存在1.1MaB.P.前后的高階地。崔之久等通過對昆侖山啞口地區(qū)的地貌學(xué)等研究提出了該區(qū)在1.1～0.7MaB.P.前后發(fā)生過構(gòu)造運動。其次,岳樂平和薛祥熙對關(guān)中盆地古三門湖的研究也揭示出,該地的湖相沉積在1.1MaB.P.前后被風(fēng)成黃土所取代,這應(yīng)當(dāng)與此期青藏高原及其周邊地區(qū)的構(gòu)造抬升所導(dǎo)致的河流下切有關(guān)。也正是這次運動,使黃河切穿了三門峽,直接導(dǎo)致湖水流干,并開始形成黃土堆積。此外,在昆侖山前的出山河流,如和田河、克里雅河、尼雅河等兩岸,廣泛發(fā)育多級階地,其中在克里雅河上游的高階地的下部沉積中,有兩層火山巖分布,根據(jù)劉嘉麒的研究,火山巖年齡為1.1MaB.P.前后,說明昆侖山前的這級高階地即形成與這一時期,與我們的結(jié)論也是相吻合的。再者,青海地礦局曾在柴達木盆地布置了大量的鉆孔,并進行了地層劃分和古地磁極性測定。對這些鉆孔資料的分析均表明了在1.1～0.9MaB.P.期間,沉積速率急劇增大。由于柴達木盆地四周被阿爾金山、祁連山、昆侖山包圍,其入湖物質(zhì)無疑主要來自周邊山脈,在1.1～0.9MaB.P.期間的沉積速率劇增應(yīng)當(dāng)反映了此期為周邊山體快速抬升的時期。3.4中國土壤與海底氧同位素對比黃土高原的L9和L15具有非常重要的古環(huán)境意義,尤其是下粉砂層L15,其形成與這一時期青藏高原的快速隆升密切相關(guān)。正是這次隆起,使中國黃土記錄與深海氧同位素記錄在1.1MaB.P.以后可以很好地對比,而此前早更新世午城黃土與深海對比困難(見圖2)。事實上,正是這次隆起,很可能使青藏高原的隆升高度達到了某一閾值,通過其對沙漠、黃土物質(zhì)來源的影響,從而使區(qū)域尺度上(regionalscale)的中國黃土的記錄與全球冰量變化的耦合性增強。1洛川剖面完善的晚古生代地層自從劉東生首次發(fā)現(xiàn)并報道洛川黃土剖面以來,該剖面就因其地層序列的完整性、出露的良好性,且位于黃土高原主體部位的最大的洛川塬上而成為中國黃土地層的經(jīng)典剖面。該剖面也是世界范圍內(nèi)研究程度最高、涉及的國內(nèi)外研究人員最多的黃土剖面。對洛川剖面的研究幾乎囊括了第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)的所有研究內(nèi)容,包括了土壤地層學(xué)、沉積學(xué)、磁性地層學(xué)、古生物學(xué)、環(huán)境磁學(xué)、年代學(xué)、地球化學(xué)等,因而是全球最經(jīng)典的第四紀(jì)陸相黃土剖面。但是,由于洛川剖面早更新世午城黃土中的古土壤比較致密,在當(dāng)時的研究背景下,前人未對午城黃土做詳細(xì)的地層劃分,僅僅大致將其劃分為WS1、WL1、WS2、WL2、WS3WL36套地層組合。隨著后來在黃土高原南部的關(guān)中盆地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的一系列可以更進一步細(xì)分的午城黃土,“突現(xiàn)”了洛川剖面午城黃土早期地層劃分方面的缺陷。其實不然,只要在野外進行細(xì)致的