環(huán)境磁學(xué)在古氣候研究中的應(yīng)用

環(huán)境磁學(xué)在古氣候研究中的應(yīng)用

現(xiàn)在，隨著世界變化的研究，如何建立清晰有效的古氣候和環(huán)境指標(biāo)，改進(jìn)和發(fā)展，提高和發(fā)展，對其進(jìn)行優(yōu)化和有效的分析和開發(fā)，目的是盡可能提取信息，重建舊氣候和環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步澄清變化的物理、化學(xué)和生物機(jī)制已成為中心任務(wù)。環(huán)境磁學(xué)作為磁學(xué)與地學(xué)、環(huán)境科學(xué)的跨界科學(xué),是利用沉積物的各種磁性參數(shù)來研究古氣候、古環(huán)境演變的一門科學(xué)。由于它具有“便宜、簡便、快捷、對樣品無破壞”等優(yōu)點(diǎn),正受到越來越多的地學(xué)工作者的重視。目前在我國環(huán)境磁學(xué)的研究尚剛起步,主要表現(xiàn)在通過黃土磁化率、頻率磁化率的變化研究古氣候變換。事實(shí)證明,黃土磁化率變化曲線與深海氧同位素曲線,及按南極冰巖心中氫同位素氘的含量作出的氣候變化曲線十分吻合,極好地反映了古氣候的變化。特別是頻率磁化率曲線反映出了很多古氣候波動的細(xì)節(jié)。所以,可以說是一個分辨率很高的古氣候代用指標(biāo)。湖泊,特別是封閉、半封閉湖泊的沉積物作為氣候與環(huán)境變遷的忠實(shí)記錄者,存儲了大量信息。它的高連續(xù)性、高分辨率及對氣候與環(huán)境變化的高敏感性使之成為研究古氣候的理想材料。而湖泊沉積物的磁性參數(shù),作為一個重要的古氣候古環(huán)境指標(biāo),應(yīng)該說是有很大潛力的。正如:Thompson與Oldfield所指出的:“變化著的氣候影響著湖泊的環(huán)境過程,而湖泊的環(huán)境過程控制了湖泊沉積物中磁性礦物的濃度和類型。湖泊沉積物的磁性參數(shù)可以反映古氣候條件?！钡駷橹?在我國除俞立中外,尚無人涉足對湖泊沉積物的環(huán)境磁學(xué)研究工作。本文擬通過對青海湖、岱海近代沉積物短巖芯(<1m)的磁化率、頻率磁化率變化的粗淺研究,對其古氣候意義作初步的探討。一、頻率磁化率測量當(dāng)物質(zhì)置于外磁物時(shí),所獲得的磁化強(qiáng)度與外磁場強(qiáng)度成正比,即,其比例系數(shù)χ稱磁化率。顯然,它表征了物質(zhì)被磁化的難易程度,取決于物質(zhì)本身的性質(zhì)。對磁性礦物顆粒本身來說,取決于其大小、形狀、內(nèi)部應(yīng)力和結(jié)構(gòu)等;而對沉積物樣品來說,則主要取決于其中磁性礦物的種類、含量與磁顆粒的粒度組分。而這又直接間接地受環(huán)境條件的制約,所以可以通過剖面中磁化率的變化解釋古氣候。頻率磁化率(frequencydependentsusceptibility)當(dāng)用百分比表示時(shí)又可稱磁化率頻率系數(shù),是通過分別對樣品進(jìn)行高頻(χHF)和低頻磁化率(χLF)測量來完成的。表示為頻率磁化率對指示氣候與環(huán)境變化有其獨(dú)特意義。這是因?yàn)榧?xì)粒的超順磁/穩(wěn)定單疇界限附近的細(xì)粘滯性鐵磁顆粒(對大致等軸的顆粒來說直徑約為0.015—0.025μm)只對低頻磁化率有貢獻(xiàn),這造成了高頻磁化率與低頻磁化率數(shù)據(jù)之差。Oldfield認(rèn)為“如此細(xì)粒在未風(fēng)化的母質(zhì)中是極少見的,但它們是風(fēng)化層、土壤、或受較高溫影響形成的沉積物的磁化率的主要貢獻(xiàn)者。所以,由于可以確定極細(xì)粒鐵磁性物質(zhì)的存在和比例,樣品的頻率磁化率既可提供巖石磁性資料又可得到環(huán)境信息?！北狙芯渴褂玫氖怯鳥artington公司生產(chǎn)的MS2型磁化率測量儀和MS2B雙頻探頭(高、低頻分別為4.7kHz和0.47kHz)。樣品在40C(不得超過60℃)烘箱中烘干、磨碎(以不損傷自然顆粒為度),裝入特制的10mL圓柱形樣品測量盒,壓緊、稱重后,即可量測。二、青海湖及其周邊地區(qū)青海湖、岱海都是水文封閉的內(nèi)陸湖。前者位于青藏高原東北緣,面積4304km2,是我國最大的半咸水湖;岱海在內(nèi)蒙古高原的南緣,面積134km2,是微咸水湖。封閉的水文條件使它們對氣候變化都十分敏感,表現(xiàn)在湖面的頻繁波動、湖水化學(xué)條件多變等方面。加之這兩個湖泊都處于東亞季風(fēng)區(qū)的邊緣,東亞季風(fēng)的進(jìn)退對它們都有較顯著的影響,故是研究古氣候變化的良好場所。QL5孔采自青海湖海心山南深水區(qū)(水深約26m),芯長52cm,上部10cm以1cm間隔,以下以2cm間隔采樣,共得樣品31個。據(jù)210Pb測年,青海湖現(xiàn)代沉積速率為1.1mm/a,故該巖芯為約500年以來的沉積。DH32孔采自岱海中部偏東深水區(qū)(水深約15m),芯長60cm,從4cm開始以2cm間隔采樣,獲樣品28個。據(jù)210Pb測年,岱海現(xiàn)代沉積速率為2—2.1mm/a。故該巖芯為大約300年以來的沉積(圖1)。測得磁化率、頻率磁化率曲線如圖2。1.岱海和青海湖的磁化率及其對比從圖2中不難看出QL5和DH32孔的磁化率、頻率磁化率曲線具有以下特點(diǎn):(1)兩湖沉積物磁化率數(shù)值相去甚遠(yuǎn)。QL5孔數(shù)值很低,平均只有6.33×10-8m3kg-1,最低為4.87×10-8m3kg-1,最高為17.10×10-8m3kg-1。DH32孔數(shù)值超過QL5孔至少一個量級,平均為96.15×10-8m3kg-1,最高達(dá)120.54×10-8m3kg-1,最低也有83.69×10-8m3kg-1。這主要和兩個因素有關(guān)。一是物源母質(zhì)。青海湖周圍巖性以變質(zhì)巖(片麻巖、花崗片麻巖、石英巖等)、酸性巖漿巖(花崗巖、花崗閃長巖)為主,西部尚有石灰?guī)r分布,均為鐵磁性礦物含量很低的巖石;而岱海周圍有大面積分布的第三系基性玄武巖,侏羅、白堊系碎屑巖,低山丘陵上又覆蓋著厚層黃土,上述母質(zhì)中鐵磁性礦物含量均相對較高。據(jù)礦物分析,在DH32點(diǎn)附近的DH30點(diǎn)表層沉積物中,磁鐵礦占重礦物總量的19.50%。顯然湖區(qū)周圍的巖性直接控制了沉積物中磁性礦物的種類和含量。二是與湖盆面積、形態(tài)、水化學(xué)條件及受其控制而成的沉積物類型等有關(guān)。盡管兩個巖芯都采自湖泊的深水區(qū),但岱海面積僅為青海湖的1/30,岱海最大水深約16m(1986),青海湖最大水深約28m(1987),顯然,岱海的水下地形坡度大于青海湖,因此,陸源物質(zhì)對深水區(qū)沉積物的影響明顯地大于青海湖。另外,青海湖湖水礦化度(14.15g/L,1985年),約為岱海湖水礦化度(3g/L,1987年)的5倍,所以,沉積物中碳酸鹽含量比岱海高得多。岱海湖心沉積物中碳酸鹽礦物總量不超過5%,而青海湖深水區(qū)沉積物中總碳酸鹽含量達(dá)35—40%,其中自生碳酸鹽礦物占20%左右。因此,僅碳酸鹽一項(xiàng),就大大稀釋了沉積物中磁性礦物的濃度。當(dāng)然,影響這兩個湖沉積物中磁性礦物含量的因素還很多。正是這些區(qū)域條件的差別,造成了兩個湖泊沉積物磁化率量值的巨大差異。(2)QL5與DH32的磁化率曲線均較平直。青海湖QL5孔除頂部4—0cm磁化率迅速升高外,無明顯峰值。按沉積速率計(jì)算0—4cm約代表1950年以來的沉積。這顯然是與該區(qū)解放以來的迅速開發(fā)、開墾荒地、建立農(nóng)場、發(fā)展工業(yè)等人類經(jīng)濟(jì)活動有直接關(guān)系。這種現(xiàn)象在國外研究中是屢見不鮮的。岱海DH32孔除在14—20cm和56—60cm處有兩個峰形外,曲線也無明顯變化。(3)兩孔的頻率磁化率數(shù)值差別也很大,DH32孔平均值是QL5孔的三倍,可達(dá)6.28%,最低2.78%,最高7.78%;QL5孔平均值2.09%,最高5.69%,最低接近0。(4)與磁化率曲線相比,顯然頻率磁化率曲線的變化要豐富得多,高、低峰值呈有規(guī)律的周期性變化。若按沉積速率推算年代,并與其它氣候、環(huán)境參數(shù)對照,可挖掘其變化的古氣候信息。(5)QL5孔磁化率曲線過于平直,難以看出其與頻率磁化率曲線的關(guān)系。但就DH32孔的磁化率曲線與頻率磁化率曲線對比而言,一個很值得注意的現(xiàn)象是二者基本上呈負(fù)相關(guān),磁化率高峰與頻率磁化率低峰相對應(yīng)。這與黃土很不相同。從已發(fā)表的有關(guān)黃土磁化率、頻率磁化率曲線來看,盡管在土壤層數(shù)值明顯高于黃土層,但磁化率與頻率磁化率二者間總呈明顯的同步正相關(guān)關(guān)系。事實(shí)上,湖泊沉積物的情況要復(fù)雜得多。它取決于流域物質(zhì)、環(huán)境過程、氣候變化的影響等各種因素,到目前為止,還很難概括出湖泊沉積物的磁化率與頻率磁化率的一般規(guī)律。當(dāng)然,如何解釋這里的負(fù)相關(guān)關(guān)系,尚需作進(jìn)一步的深入研究,是一個很值得探討的問題。2.岱海冷干氣候演替類型的演替顯然,對于QL5孔和DH32孔來說,頻率磁化率曲線提供了更多的信息。王蘇民、李建仁在對青海湖、岱海近代沉積與歷史氣候關(guān)系研究中提出“青海湖10、24、34、52、66cm五個深度代表五個湖泊相對擴(kuò)張、水位上升、湖水趨于淡化的階段?！睂L5孔的頻率磁化率曲線與該孔的總碳酸鹽含量(%)、自生碳酸鹽含量(%)、Sr/Ba比、Ca/Mg比等參數(shù)比較,發(fā)現(xiàn)與上述結(jié)果十分吻合,頻率磁化率在10、22、34、48—52cm處亦為低值,另外尚有5cm和42cm處兩個低值(圖3)?？梢?在青海湖頻率磁化率的低值是與湖面上升、湖水淡化一致的。而在上述深度上磁化率值并無變化。這說明沉積物中磁性礦物總量無顯著變化,只是其中小于0.015—0.025μm的極細(xì)粒組分降低了。究其原因,可能是因?yàn)闅v史時(shí)期青海湖地區(qū)屬于冷濕與暖干的氣候演替類型,高湖面是與冷期相對應(yīng)的。從圖3的沉積物平均粒徑(MS)曲線可以看出,一般來說頻率磁化率低的段落,平均粒徑均偏粗。這說明在冷濕氣候條件下,由于化學(xué)風(fēng)化、成土作用的減弱,使陸源母質(zhì)細(xì)組分減少了。另外,降水量的增加導(dǎo)致入湖水量的增加,也使較多的粗的陸源物質(zhì)被帶入湖中。根據(jù)沉積速率推算,10、20、34、42、48—52cm深度大致相當(dāng)于距今100、200、300、400、500年,也就是說在這五個時(shí)段青海湖地區(qū)氣候偏濕冷,湖水淡化,水位升高。表現(xiàn)出了明顯的氣候變化的100年準(zhǔn)周期。其中,34cm附近的低峰應(yīng)為17世紀(jì)末葉,小冰期最盛期的產(chǎn)物,而10cm處的低峰值代表了19世紀(jì)末小冰期的末次波動。岱海DH32孔的磁化率與頻率磁化率曲線基本上呈負(fù)相關(guān)。最明顯的是磁化率曲線16—18cm和56—60cm兩處的高峰值恰與頻率磁化率曲線低峰值對應(yīng)。另外在40cm和30、50cm處尚有三個次一級的低峰值。據(jù)沉積速率推算,56—60cm和16—18cm處大致為距今300年左右和距今約100年的沉積。據(jù)歷史記載此二時(shí)段(17世紀(jì)后半葉一18世紀(jì)初,19世紀(jì)末一20世紀(jì)初)確為本區(qū)兩個明顯的干冷期,前者為小冰期最盛期,后者相當(dāng)于小冰期末次波動。40cm處的低峰幅度較16—18cm和56—60cm處為小,30、50cm處的較40cm處的又小,但上述三個次級波動也是等間隔的,很有規(guī)律的,大致分別為距今200、150、250年。上述規(guī)律明顯地反映了該區(qū)歷史時(shí)期氣候波動的200年、100年、50年三個不同時(shí)間尺度的準(zhǔn)周期。DH32孔磁化率與頻率磁化率之間負(fù)相關(guān)性的形成是和歷史時(shí)期內(nèi)岱海地區(qū)氣候類型及湖區(qū)地質(zhì)、地貌背景分不開的。據(jù)研究,歷史時(shí)期岱海屬冷干與暖濕的氣候演替類型,低湖面為冷干時(shí)期的產(chǎn)物。磁化率高值與頻率磁化度低值的相對應(yīng)說明雖然樣品中磁性礦物含量高,但其中細(xì)粒組分所占比例很低。據(jù)歷史記載岱海地區(qū)在小冰期最盛期時(shí)表現(xiàn)為大冷大旱,降水減少但更為集中,湖面大幅度下降,最甚時(shí)面積僅剩約60km2。在這種背景條件下,集中的暴洪可將大量碎屑玄武巖、黃土等帶入湖中,而化學(xué)風(fēng)化、成土過程的減弱又勢必造成磁性礦物中細(xì)粒組分的減少。對比QL5、DH32孔的磁化率、頻率磁化率研究結(jié)果,不難看出盡管青海湖與岱海在歷史時(shí)期內(nèi)氣溫波動是同向的、干濕波動是反向的,但其變化的周期性基本上是一致的,特別是兩個湖泊的沉積物對小冰期最盛期和小冰期末次波動的反映都十分敏感。這一點(diǎn)與其它參數(shù)的研究結(jié)果一致。三、在湖泊沉積物的生物環(huán)境特征1.DH32孔和QL5孔的磁化率曲線,特別是頻率磁化率曲線呈現(xiàn)出明顯的周期性變化規(guī)律,這種規(guī)律與粒度、自生碳酸鹽含量、地球化學(xué)指標(biāo)(Sr/Ba、Ca/Mg)的變化周期基本一致,指示了古氣候、古環(huán)境的不同時(shí)間尺度的周期性變化。2.湖泊沉積物的磁化率、頻率磁化率可以作為反映古氣候、古環(huán)境變化的靈敏間接指標(biāo)。特別是頻率磁化率,能靈敏地記錄微小的古氣候波動,具有更明確的古氣候意義。由于磁化率、頻率磁化率測量具有方法簡便、對樣品無特殊要求、無需作化學(xué)前處理,對樣品無破壞等特點(diǎn),故與其它指標(biāo)(如地球化學(xué)、穩(wěn)定同位素、微古生物等)相比,具有一定的優(yōu)勢。3.湖泊沉積物的磁化率、頻率磁化率量值的變化范圍可以很大,影響因素復(fù)雜。除受湖區(qū)地質(zhì)、地形、湖泊形態(tài)大小、流域背景條件等制約外,尚受所處氣候區(qū)、植被覆蓋狀況甚至人類活動等一系列因素影響。而且,沉積之后,也可能因受生物、化學(xué)作用(如:鐵細(xì)菌、成巖作用等)的影響而改變。每一個湖泊作為一個相對獨(dú)立的封閉的自然系統(tǒng),其沉積物具有自己的磁性參數(shù)背景值。所以,對湖泊沉積物來說,磁化率與頻率磁化率的意義不在于其絕對量值的大小,而主要在于其相對變化(幅度、周期、頻率等)所反映的古氣候、古環(huán)境信息。另外,由于影響因素的多元性,湖泊沉積物的磁參數(shù)曲線只有在一定的區(qū)域背景條件下,與其它沉積學(xué)參數(shù)、生物化學(xué)指標(biāo)等相互對照、相互補(bǔ)充,才能對區(qū)域的環(huán)境變化作出正確解釋。4.湖泊沉積物磁性參數(shù)變化的機(jī)制是一個既涉及磁學(xué)又涉及地學(xué)的復(fù)雜問題。而只有對機(jī)制有較深入的了解,才能更準(zhǔn)確可信地利用這些磁性參數(shù)所提供的信息。所以,這是一個急需深入