鎮(zhèn)江下蜀黃土磁化率記錄的古氣候意義

鎮(zhèn)江下蜀黃土磁化率記錄的古氣候意義

20世紀(jì)70年代，隨著穩(wěn)定平等理論的完善和分析技術(shù)的迅速改進(jìn)，深圳沉積物中的孔蟲和氧平等的研究取得了進(jìn)展，建立了海洋第四紀(jì)古環(huán)境乃至世界冰量變化的記錄模式。根據(jù)近年來中國(guó)北方風(fēng)成堆植物的研究結(jié)果，黃土-古土壤條件的磁化率曲線可以作為東亞夏季風(fēng)變化的使用指標(biāo)，也是中國(guó)北方古氣候的記錄模式。下蜀黃土作為長(zhǎng)江中下游地區(qū)重要的第四紀(jì)沉積物，其結(jié)論與下游蜀黃土形成良好的對(duì)比。長(zhǎng)江中下游地區(qū)的下蜀黃土及其后代對(duì)研究和顯示世界第四紀(jì)變化具有其重要性。然而，由于下蜀黃土的沉積量和沉積速度小于北方黃土，下蜀黃土反映的古環(huán)境信息的精度往往不高。通過謹(jǐn)慎選擇，對(duì)江蘇省鎮(zhèn)江港的下蜀黃土段進(jìn)行了詳細(xì)的野外觀察和樣品分析。系統(tǒng)磁化率研究表明，自s2以來，下蜀黃土磁化率數(shù)據(jù)的古代氣候變化與代表世界冰量變化的深度-地殼運(yùn)行率呈良好的比例。下蜀黃土的研究和發(fā)展。1結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)概況大港剖面位于江蘇省鎮(zhèn)江市以東約20km處(圖1),地處面向長(zhǎng)江的下蜀黃土崗地北坡的國(guó)亨化工廠工地,為寧鎮(zhèn)山脈與茅山山脈相互交匯地段,屬北亞熱帶氣候,年平均氣溫為15.4℃,冬季一月平均氣溫約2.4℃,年均降水量約1066mm.剖面頂高海拔26.5m,剖面總厚59.5m,其中上部0～18.5m深度為人工剖面,以下18.5～59.5m為鉆孔取樣.根據(jù)出露剖面和鉆孔樣品的沉積結(jié)構(gòu)特征、沉積物顏色、緊實(shí)程度、層間接觸關(guān)系等對(duì)剖面進(jìn)行層次劃分,整個(gè)剖面(鉆孔)表土層以下可分為16個(gè)層次,自上而下依次為:表土層,棕黃色粘土質(zhì)粉砂,結(jié)構(gòu)疏松,受流水和生物擾動(dòng)明顯,厚0.4～0.5m;1.古土壤層,黃褐色粘土質(zhì)粉砂,結(jié)構(gòu)松散,有孔隙,見植物根系,厚0.3～0.4m;2.黃土層,棕色粘質(zhì)粉砂,結(jié)構(gòu)致密,含較多鐵錳膠膜,該層有弱成土作用,厚2.2～2.5m;3.古土壤層,棕褐色粘土質(zhì)粉砂,中上部結(jié)構(gòu)致密,下部結(jié)構(gòu)較疏松,厚4.4～4.6m;4.黃土層,棕黃色粘土質(zhì)粉砂,結(jié)構(gòu)疏松,有細(xì)小孔隙,中部含少量鐵錳膠膜,顏色偏深,厚9.0～9.5m;5.古土壤層,黃褐色粘土質(zhì)粉砂,質(zhì)地較純,中上部結(jié)構(gòu)較致密,下部結(jié)構(gòu)相對(duì)較疏松,厚6.5m;6.黃土層,黃棕色粘土質(zhì)粉砂,厚1m;7.古土壤層,黃褐色粘土質(zhì)粉砂,含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核,厚0.9m;8.黃土層,棕黃色粘土質(zhì)粉砂,厚2.1m;9.古土壤層,棕褐色粘土質(zhì)粉砂,結(jié)構(gòu)較致密,含較多鐵錳質(zhì)結(jié)核,厚0.8m;10.黃土層,淺黃色粘土質(zhì)粉砂,結(jié)構(gòu)較疏松,厚1.8m;11.古土壤層,棕褐色粘土質(zhì)粉砂,質(zhì)地較純,手感較細(xì)膩,厚2.1m;12.黃土層,灰黃色粘土質(zhì)粉砂,中上部含較多鐵錳質(zhì)結(jié)核,中部夾含青白色高嶺土團(tuán)塊,厚12.4m;13.古土壤層,粘土質(zhì)粉砂,見鐵錳質(zhì)結(jié)核,厚2.9m;14.黃土層,灰黃色粘質(zhì)粉砂,厚3.0m;15.古土壤層,棕紅色粘土質(zhì)粉砂,結(jié)構(gòu)致密,富含鐵錳質(zhì)結(jié)核,厚2.6m;16.殘積層,棕紅色殘積風(fēng)化土層,未見底.剖面中,7個(gè)黃土層與8個(gè)古土壤層交替疊置形成下蜀黃土-古土壤旋回序列.全剖面按10cm密度共采集磁化率測(cè)試樣品595塊,全部采用BartingtonMS2型磁化率測(cè)試儀進(jìn)行室內(nèi)質(zhì)量磁化率測(cè)試、計(jì)算,獲得了完整的下蜀黃土剖面磁化率變化曲線(圖2).2原則:磁化率曲線與政策執(zhí)行的時(shí)域關(guān)系由于缺乏明顯的巖石地層學(xué)標(biāo)志,下蜀黃土還沒有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的地層學(xué)劃分和對(duì)比.最近,劉東生等明確提出了以深海沉積氧同位素階段(即MIS)為對(duì)比基礎(chǔ)的陸相氣候地層方案,建立以MIS為參照系統(tǒng)而劃分和對(duì)比的中國(guó)第四紀(jì)地層表.受此啟發(fā),我們嘗試將下蜀黃土的磁化率曲線作為對(duì)比標(biāo)志與MIS進(jìn)行氣候地層對(duì)比.鎮(zhèn)江下蜀黃土-古土壤磁化率曲線自上(S0)至下(S7)可劃分出7個(gè)較明顯的峰谷旋回,與深海沉積氧同位素階段(MIS)對(duì)比(圖2),下蜀黃土沉積應(yīng)為中、晚更新世的風(fēng)塵堆積,推測(cè)其下限年代約為700～800kaBP,即達(dá)到了中更新世早期.大港剖面地下水位深度約為23.7m,從圖2看來,自L3往下,各地層地下水的長(zhǎng)期浸泡對(duì)磁化率產(chǎn)生了較大的次生改造作用,L3以下的磁化率曲線雖然仍清楚地顯示了旋回波動(dòng)規(guī)律,但已不能精確地指示古氣候變化,本文不做過多討論.S2以來下蜀黃土磁化率曲線能夠與深海沉積氧同位素曲線1-7階段進(jìn)行良好的對(duì)比,兩者之間表現(xiàn)出來的細(xì)節(jié)變化有著驚人的相似性.其中,S0表現(xiàn)為高值,可與氧同位素1階段對(duì)比,為一高溫期.L1可以進(jìn)一步劃分為3層黃土(L1-1、L1-3、L1-5)和兩層弱發(fā)育的土壤(L1-2、L1-4),這與北方黃土有著很好的對(duì)應(yīng).L1-1和L1-5磁化率呈較明顯谷值,可分別與氧同位素2和4對(duì)比;L1-2、L1-3、L1-4整體上可與氧同位素階段3對(duì)應(yīng),其兩個(gè)峰和一個(gè)谷的組合與氧同位素曲線及北方黃土磁化率曲線對(duì)應(yīng)良好,暗示三者之間存在的一致性.末次間冰期發(fā)育的S1古土壤層由3層古土壤亞層(S1-1、S1-3、S1-5)夾兩層弱成土亞層(S1-2、S1-4)疊置而成,磁化率曲線形成明顯的三峰夾兩谷的形式,正好可與深海氧同位素曲線5階段相對(duì)比,表明這一時(shí)期的古氣候特點(diǎn)是在濕而熱的背景下有兩次干冷波動(dòng),這也是首次在下蜀黃土記錄中發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于深海氧同位素5a,5b,5c,5d和5e亞階段的波動(dòng)特征.其中S1-1、S1-3、S1-5磁化率曲線呈峰值,分別對(duì)應(yīng)于深海氧同位素曲線的5a、5c和5e;S1-2和S1-4磁化率曲線呈谷值,對(duì)應(yīng)于氧同位素5b和5d.L2黃土層磁化率曲線整體呈谷形,但該層中部成土作用較強(qiáng),磁化率值較高,從而形成兩谷夾一峰曲線形態(tài),可與深海氧同位素階段6及洛川黃土L2層相對(duì)比,3者均反映了總體冷干、中間經(jīng)歷過相對(duì)暖濕的氣候環(huán)境.大港剖面中與深海氧同位素曲線可比性最好的是S2古土壤層,首先,該層與S1相類似,磁化率曲線亦表現(xiàn)為三峰(S2-1、S2-3、S2-5)夾兩谷(S2-2、S2-4)的變化態(tài)勢(shì),反映了該時(shí)期古氣候演變也經(jīng)歷了3次暖濕間夾兩次相對(duì)干冷的波動(dòng),這與深海氧同位素階段7正好對(duì)應(yīng);同時(shí),磁化率曲線揭示,S2古土壤發(fā)育期內(nèi)各個(gè)次級(jí)氣候期的相對(duì)濕熱程度依次為S2-1>S2-3>S2-5>S2-2>S2-4,這與深海氧同位素曲線7階段所揭示的氣候變化情況完全吻合,表明該段時(shí)期兩者無論是大的氣候波動(dòng)還是次一級(jí)的冷暖變化均存在可比的一致性.3測(cè)試的局限性和未來研究方向下蜀黃土-古土壤沉積序列記錄了該區(qū)古氣候的冷暖旋回歷史,剖面中的古土壤層指示了溫暖濕潤(rùn)的成壤時(shí)期,當(dāng)時(shí)由于氣候溫和多雨,地表植被繁茂,植物根系發(fā)達(dá),前期風(fēng)塵堆積作用形成的地表物質(zhì)經(jīng)歷了較強(qiáng)的生物化學(xué)成壤作用;黃土層則代表了干涼時(shí)期的風(fēng)塵堆積,由于氣候干冷,風(fēng)力作用加強(qiáng),而地表植被密度小,附近干枯的河床湖灘裸露,冬季風(fēng)帶來的北方粉塵和附近的河湖相沉積物增多,粉塵堆積速率加快,干涼期之前形成的土壤層被埋藏而成為古土壤,地表的生物化學(xué)成壤作用較弱.我們所做的大港剖面L1黃土層底部OSL測(cè)年為(59.6±2.7)kaBP,L2黃土層下部OSL年齡為(135.8±8.0)kaBP,所測(cè)的兩個(gè)年齡值比相對(duì)應(yīng)的深海氧同位素階段的時(shí)間標(biāo)尺都要偏新一些,似乎下蜀黃土的沉積時(shí)代與深海氧同位素時(shí)代之間存在一定的時(shí)差問題,即下蜀黃土的沉積時(shí)代滯后于深海氧同位素時(shí)代.對(duì)于這個(gè)問題,可能存在兩方面的原因.首先要考慮的是光釋光測(cè)年的誤差:由于大港剖面處于亞熱帶地區(qū),剖面遭受過較強(qiáng)的風(fēng)化作用,我們雖然選用了熱穩(wěn)定性較好的石英顆粒作為被測(cè)礦物,采用了綠光釋光測(cè)年技術(shù)(GLSL)進(jìn)行測(cè)定,但還是不能保證能完全避免石英礦物的釋光信號(hào)存在異常衰減(anomalousfading)現(xiàn)象的可能性,從而有可能造成所測(cè)年齡值低于實(shí)際年齡值;其次,下蜀黃土序列對(duì)氣候變化的響應(yīng)與深海氧同位素組成對(duì)氣候變化的響應(yīng)可能確實(shí)存在一定的相位差,深海沉積記錄受全球冰量變化的直接驅(qū)動(dòng),對(duì)氣候的響應(yīng)可能要更為敏感一些.盡管對(duì)黃土-古土壤序列磁化率值變化的機(jī)制還在進(jìn)一步的探索之中,但對(duì)成土過程中形成的非常細(xì)小的強(qiáng)磁性顆粒造成古土壤磁性增強(qiáng)這一點(diǎn)已得到廣泛認(rèn)可.當(dāng)氣候溫暖濕潤(rùn),成壤作用加強(qiáng),細(xì)顆粒的鐵磁性礦物富集,引起古土壤高磁化率值;黃土則反之.因此,黃土-古土壤磁化率變化是區(qū)域古氣候變化的直接反映,并被作為區(qū)域夏季風(fēng)變遷的代用指標(biāo).而深海沉積物氧同位素曲線記錄了全球冰量的變化,當(dāng)冰量加大、水溫降低時(shí)出現(xiàn)較高的負(fù)異常值;當(dāng)冰量減少、水溫升高時(shí)則出現(xiàn)較低的負(fù)異常值.因此δ18O的變化是全球古氣候變化的直接反映,能提供較完整的全球變化信息.下蜀黃土磁化率記錄與深海氧同位素記錄之間的對(duì)比,實(shí)際上反映的是下蜀黃土分布地區(qū)——長(zhǎng)江中下游陸區(qū)對(duì)大洋海域古氣候乃至全球古氣候變化的響應(yīng).從對(duì)比中可以看出,一方面,下蜀黃土記錄的古氣候變化能夠與深海氧同位素進(jìn)行較詳細(xì)的對(duì)比,表明下蜀黃土保存了豐富的全球變化氣候信息,揭示了最近20多萬年以來,長(zhǎng)江中下游地區(qū)對(duì)全球古氣候變化有著較積極的響應(yīng),下蜀黃土堆積序列可以做為該地區(qū)全球變化研究的古相似體(Pale-analogue);另一方面,更詳細(xì)的比較可以發(fā)現(xiàn),下蜀黃土記錄的古氣候變化在某些階段又具有明顯的區(qū)域特征,如末次間冰期內(nèi)(對(duì)應(yīng)地層S1),次一級(jí)的旋回次數(shù)雖然可以和深海沉積記錄對(duì)比,但各個(gè)間冰階之間所體現(xiàn)的相對(duì)溫濕程度差異卻與深海記錄有所不同,表現(xiàn)為S1-1間冰階最為溫濕,而不是深海氧同位素5e階段對(duì)應(yīng)的S1-5間冰階,反映出古氣候演化在陸地和海域的水熱狀況存在著一定的差異.這種差異可能是由于下蜀黃土分布區(qū)為東亞季風(fēng)活躍活動(dòng)區(qū),區(qū)域古氣候變化深受季風(fēng)氣候的影響而具有鮮明的區(qū)域特征.從這個(gè)意義上說,下蜀黃土的磁化率記錄可能反映了全球氣候變化效應(yīng)與東亞古季風(fēng)氣候影響的疊加作用.黃土高原黃土-古土壤序列以其沉積連續(xù)、地層完整詳細(xì)而被認(rèn)為是最好的陸相古氣候信息載體之一,可與深海沉積物和極地冰芯記錄相媲美.而長(zhǎng)江中下游地區(qū)下蜀黃土等風(fēng)成堆積序列沉積速率及沉積通量均要低于北方黃土序列,因而一直被認(rèn)為在古氣候信息記錄上顯得精度不高,對(duì)古氣候變化的反映不夠敏感.本次測(cè)試研究卻表明,鎮(zhèn)江下蜀黃土磁化率記錄與深海沉積記錄的可比性在某些階段(如S2和S1)甚至超過了洛川黃土.這種情況可能的原因是:一方面下蜀黃土堆積區(qū)距海域更近(圖1),受