论文推荐｜汉江上游晚更新世以来气候演变特征:来自朱家村剖面土壤地球化学的证据

第四纪处于气候的快速波动期,黄土记录了丰富的古气候信息。为探讨汉江上游地区晚更新世以来气候变化过程,对汉江上游洋县境内汉江Ⅰ级河流阶地朱家村剖面沉积特征、常量元素分布、地球化学参数及形成时代进行研究。结果表明:汉江上游Ⅰ级河流阶地形成于50 ka BP前后;剖面由下到上具有典型黄土(L₁)→古土壤(S₀)→全新世黄土(L₀)→表层土(TS)的地层序列;剖面主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃,化学风化过程中Ca、Na元素迁移淋失程度较高,K、Mg元素迁移淋失程度相对较低;剖面化学风化程度呈现从典型黄土(L₁)→古土壤(S₀)逐渐增强,到全新世黄土(L₀)层又略降低的规律,记录了该区域气候在50~11 ka BP干燥寒冷,由11.00 ka BP开始逐渐增温增湿,2.50 ka BP到达最暖湿,2.50~0 ka BP持续降温变干的演变过程。研究成果可为我国北亚热带古气候重建提供数据参考。

关键词： 汉江上游; 沉积物; 常量元素; 化学风化; 气候变化; OSL年龄

The Quaternary is a period of rapid climatic fluctuations, and loess records abundant paleoclimatic information. To explore the process of climate change in the Upper Hanjiang River since the Late Pleistocene, this study investigated the sedimentary characteristics, distribution of major elements, geochemical parameters, and formation age of the Zhujia Village section, which is located on the first river terrace of the Hanjiang River in Yang County, upper reaches of the Hanjiang River. The results indicate that the first river terrace in the upper reaches of the Hanjiang River formed around 50 ka BP; the section has a typical stratigraphic sequence from bottom to top: loess (L₁)→paleosol (S₀)→Holocene loess (L₀)→topsoil (TS); the main chemical components of the section are SiO₂, Al₂O₃, and Fe₂O₃; during chemical weathering, Ca and Na elements are more strongly leached and migrated, while K and Mg elements are relatively weakly leached and migrated; the degree of chemical weathering in the section gradually increases from typical loess (L₁) to paleosol (S₀), and slightly decreases in the Holocene loess (L₀) layer, recording the regional climatic evolution process: dry and cold during 50~11 ka BP, gradually warming and wetting since 11.00 ka BP, reaching the warmest and wettest at 2.50 ka BP, and continuously cooling and drying during 2.50~0 ka BP. The research results can provide data reference for the reconstruction of paleoclimate in the northern subtropical zone of China.

Keywords： Upper Hanjiang River; sediments; major elements; chemical weathering; climate change; OSL dating

黄土是研究第四纪气候环境变迁的重要载体,其化学元素的分布特征记录了黄土沉积以来的化学风化过程和古气候、古环境变化,黄土中地球化学元素的迁移和富集状态,有效记录了沉积过程中的气候波动事件[1-12]。第四纪沉积物中造岩元素主要以氧化物的形式存在,其百分含量在黄土剖面中的变化情况对古气候环境有一定指示意义[13-17]。前人在黄土高原地区做了大量研究工作,利用黄土-古土壤序列重建了黄土高原第四纪气候变化与内陆干旱化历史演变过程,发现在晚更新世末期曾存在一定的气候波动[18-21]。经有关学者调查研究表明在秦岭以南汉江上游谷地分布有大量风成黄土,不同研究者采用不同的技术方法对其进行了研究,初步揭示了汉江上游风成黄土的成壤环境及其记录的气候演变信息[22-26]。然而,目前尚缺少典型剖面研究,对于区域气候特征的讨论还不够全面。

朱家村剖面是汉江上游Ⅰ级阶地较为典型的完整断面。本文通过对该剖面常量元素分布、赋存和迁移富集规律研究,进一步探讨汉江上游的古气候演化特征,完善了我国北亚热带古气候特征的研究资料。

汉江位于秦岭南侧,是长江最大的支流,发源于陕西省汉中市宁强县嶓冢山,由西向东依次流经汉中、安康、十堰和襄阳,于武汉汇入长江干流,全长1570 km,流域面积15.9万km²。丹江口水库以上为汉江上游地区,河道长约925 km,流域面积约9.52万km²。流域内属北亚热带季风气候区,气候温和湿润,植被生长茂盛,森林覆盖率达62%,年均气温12~16 ℃,多年平均降水量873 mm,降雨集中在5—10月。汉江在上游区域穿行于秦岭、大巴山之间,贯穿汉中盆地、安康盆地、郧县盆地和商丹盆地等一系列面积较大的盆地,形成以峡谷与盆地相间分布的地形特征。峡谷河段河流深切基岩,缺少漫滩,阶地狭窄或缺失,盆地地段河流阶地发育良好,一般可见Ⅰ—Ⅳ级阶地。各阶地面分别高出汉江平水位10~15 m、30~40 m、60~70 m以及90~110 m,其中Ⅱ—Ⅳ级阶地大多受到严重的侵蚀破坏,典型阶地剖面往往难以完整保存,而Ⅰ级阶地地形宽阔,侵蚀破坏程度较低,使得剖面能完整地保存下来[27-29]。

本文选取陕西省洋县朱家村剖面为研究对象(图1),该剖面位于汉江左岸Ⅰ级阶地,是当地朱家村砖厂取土后形成的完整断面。该剖面海拔高度约475 m,黄土堆积厚度约4.6 m,覆盖在河流相砂砾石层之上,剖面层序完整,人类活动影响仅集中在地表1 m以内。根据野外实地观察,剖面由上到下可划分为5层:

①层为表层土(TS),0~100 cm,褐黄色,黏土-粉砂质地,含有少量砾石,砾径2~3 cm,成分复杂,含碎砖块,上部植物根系发育,层厚约1 m;

②层为全新世黄土(L₀),100~140 cm,浅灰黄色,黏土质地,含锈黄色不规则条纹,层厚约0.4 m;

③层为古土壤(S₀),140~220 cm,暗红棕色,黏土质地,呈团块状分布,顶部与上层接触面波状起伏,层厚约0.8 m;

④层为典型黄土(L₁),220~460 cm,棕黄色,粉砂-黏土质地,结构密实,可见灰黑色中空泥管分布,层厚约2.4 m;

⑤层为典型河流相砂层,棕黄色,含黏土中粗砂,未见底。

化学元素分析样品采样时剥去剖面表层土,并向内挖10 cm深的竖槽,自剖面顶部向下每隔20 cm进行连续采样,采至河流相砂层顶部,采样深度4.6 m,共采集地球化学样品23件,采样过程中同时对剖面进行结构划分和描述。

地球化学样品元素测试分析在中国地质调查局西安矿产资源调查中心分析测试实验室完成。将自然风干的土样研磨至200目以下,再称取4 g土样放入压样机中压制成圆片,使用荷兰Panalytical公司生产的X-Ray荧光光谱仪(PW4400X)进行测量,实验过程中加入标准样品(GSS-1)进行控制,使实验误差小于5%。

在剖面上共采集光释光测年样品4件,采样深度分别为4.5~4.6 m、3.3~3.4 m、2.7~2.8 m和1.4~1.5 m,对应样品编号分别为GSG-1、GSG-2、GSG-3和GSG-4。采样过程中将长度30 cm,直径5 cm的采样钢管一端用黑布塞实,避免采样过程中发生曝光,将另一端砸入相应采样层位,采集到足够样品后将钢管里端用黑布塞紧,再用胶带和黑色塑料袋将采样钢管密封并进行编号。光释光测年(OSL)在西北大学地质学系实验室采用细颗粒单片再生计量法(FQ-SAR)完成,使用仪器为丹麦生产的Risø TL/OSL-DA-20仪测量。

3.1 剖面年龄

河流阶地的形成是构造运动和环境气候波动共同作用的产物,构造运动为阶地形成提供了垂直空间,而在构造相对稳定期气候变化则是阶地上沉积物形成的主要驱动力。目前利用阶地上覆沉积物间接获取阶地形成年龄是研究阶地形成时代的主要途径,其依据是当河漫滩在构造作用下抬升至永久露出水面被黄土覆盖后,黄土层底界的年龄就是河流阶地形成的最小年龄[30-31]。剖面地层年龄通过OSL测年和地层学对比相结合的方法进行确定(表1),将不同剖面进行互相验证,以保证地层年龄的相对准确性和可靠性。本次选取汉江上游郧县盆地前坊村汉江Ⅰ级阶地典型剖面进行对比研究[32]。两个剖面的河流相沉积物以上的部分层序结构完全一致,层厚较为稳定,表明前坊村剖面和朱家村剖面的形成过程基本相同(图2)。前坊村剖面河流相砂砾石顶部典型黄土层(L1)底部年龄为52.43±11.78 ka BP,朱家村剖面对应层年龄为47.75±2.47 ka BP,二者的年龄数据基本一致。同时考虑到采样位置,根据黄土厚度外推得到黄土层底界年龄大致为50 ka BP。因此,推断汉江上游Ⅰ级阶地抬升的年龄不晚于50 ka BP是合理的。

关于其他层位年龄界定如下:由于古土壤层(S₀)与黄土层(L₁)为过渡界线,层位界线年龄可通过上下层位及区域其他相关年龄数据进行推测。前坊村剖面古土壤层(S₀)底界年龄为10.96±0.44 ka BP,顶界年龄为2.90±0.15 ka BP。朱家村剖面古土壤层(S₀),顶界年龄为2.09±0.10 ka BP。二者顶界年龄基本一致,推断古土壤层(S₀)顶界年龄约为2.50 ka BP,古土壤层(S₀)底界即黄土层(L₁)顶界年龄采用前坊村剖面年龄数据,约为11 ka BP。

通过地层特征对比和地层年龄数据对比所获得的地层年龄范围较为吻合,说明本次所确定的地层年龄是可靠的。具体年龄如下:典型黄土层(L₁)顶界年龄在11 ka BP左右,底界年龄约为50 ka BP;古土壤层(S₀)顶界年龄在2.50 ka BP附近,底界年龄约为11 ka BP。

3.2 常量元素含量特征

朱家村剖面的主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃(表1),常量元素平均含量(%)排序为:Si(30.86) >Al(7.56) >Fe(4.27) >K(1.78)> Mg(0.78)> Na(0.60)> Ca(0.53)> Mn(0.08)> P(0.04)。常量元素氧化物平均含量(%)排序为:SiO₂(66.00)> Al₂O₃(14.28)> Fe₂O₃(5.49)> K₂O(2.52)> MgO(1.32)> Na₂O(1.02)> CaO(0.75)> MnO(0.11)> P₂O₅(0.10)。上述常量元素氧化物含量在黄土层(L₀、L₁)和古土壤层(S₀)中的变异系数(CV)均较低,除P₂O₅和MnO的含量CV值分别为0.15和0.16外,其他元素氧化物含量CV值均小于0.15,其中SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O和Na₂O含量CV值分别为0.02、0.02、0.06、0.07、0.11、0.06以及0.10(表2),表明黄土层与古土壤层的元素组成具有较高的一致性,两者物质基础基本相同,即古土壤是黄土风化成壤改造的产物。

各地层中常量元素氧化物含量存在微弱差异。CaO和Na₂O有相似的分布规律,黄土层中CaO和Na₂O的含量均值分别为0.81%和1.06%;古土壤层中这些氧化物的含量分别为0.77%和0.92%,其值明显低于黄土层,表明古土壤的形成经历了强烈的化学风化作用,Ca和Na发生了迁移淋失,呈现出相对亏损的特征。剖面中CaO和Na₂O含量在垂直方向上的变化大致呈现出L₁层→S₀层逐渐降低的规律,指示黄土堆积发育在不同时期的风化成壤作用强度不同,各元素迁移淋失程度也不同(图3)。表层土(TS)中氧化物含量变化波动较大,这与人类活动影响关系较大。

Al₂O₃、K₂O和MgO含量分布及变化趋势相同,黄土层中Al₂O₃、K₂O和MgO含量较低,其均值分别为14.59%、2.57%以及1.33%;而古土壤层中这些氧化物的含均值分别为14.95%、2.62%以及1.58%,略高于黄土层,说明在风化成壤过程中易溶元素Ca和Na迁移淋失较为严重,Al、K和Mg迁移淋失程度相对较低,表现出相对富集的特征(图3)。

在研究常量元素特征时,通常以上陆壳(UCC)含量平均值作为标准进行标准化处理,而后进行相应的对比分析[33]。图4为朱家村剖面不同层位氧化物含量UCC标准化曲线分布图,由图可见:(1)剖面各土壤层常量元素氧化物分布曲线基本一致,均表现出CaO、MgO、K₂O、Na₂O以及P₂O₅明显亏损,Fe₂O₃和MnO相对富集的特征,这也佐证了黄土层与古土壤层物质基础相同,古土壤层是黄土层风化作用的产物。(2)Nesbitt等[34]将化学风化过程划分为早期去Na、Ca,中期去K和晚期去Si阶段。Na、Ca赋存于易风化的斜长石、辉石和云母等矿物中,K主要赋存于钾长石等矿物中,在风化过程中伴随着这些矿物的分解而淋失。朱家村剖面中迁移淋失比较严重的元素为Ca、Na,其次为K、Mg,推断该区域处于脱Ca、Na风化阶段,同时钾长石也遭受一定程度的风化。

4.1 朱家村剖面垂向颜色变化特征的古气候意义

朱家村剖面由上到下沉积层为全新世黄土(L₀)→古土壤(S₀)→典型黄土(L₁),沉积物分层清晰,物质过渡均匀连续,矿物粒度相近,物质基础基本相同,无沉积间断,但沉积物颜色变化明显。L₀层为浅灰黄色,S₀层为暗红棕色,L₁层为棕黄色,剖面沉积物颜色呈现S₀层最深→L₁层较浅→L₀层最浅的规律。

沉积物颜色变化通常是多重物理化学因素影响的结果[35]。研究普遍认为,当夏季风较强,气候温暖湿润,风化成壤作用增强,沉积物中有机物含量增高,大量不稳定组分如碳酸盐类等矿物迁移淋失,Fe元素不易迁移,多以氧化铁的形式富集存在,使得沉积物颜色较深。当冬季风较强时,气候干燥寒冷,风化成壤作用弱,沉积物中有机物含量较低,碳酸盐类等矿物富集,进而使得沉积物颜色较浅[36-38]。朱家村剖面S₀层沉积物颜色最深,指示该段时期风化成壤程度相对最高,气候较为温暖湿润;L₀层沉积物颜色最浅,指示该段时期风化成壤程度相对最低,气候较为干燥寒冷。剖面整体风化程度呈现由L₁层→S₀层逐渐增强,到L₀层又减弱的规律。表层土(TS)受人为扰动大,不在本次讨论范围内。

4.2 朱家村剖面化学风化程度分析

化学蚀变指数(CIA)是目前判断化学风化程度的常用指标,是由Nesbitt等[39]提出的表示化学风化程度的参数,其计算公式为:

式中:各氧化物均代表物质的量(m),CaO^*为硅酸盐矿物中CaO物质的量(不包括碳酸盐和磷酸盐中CaO的含量)。硅酸盐中CaO和Na₂O通常以1∶1的比例存在,所以当CaO的物质的量大于Na₂O时,可认为m(CaO^*)=m(Na₂O),CaO的物质的量小于等于Na₂O时,则m(CaO*)=m(CaO)[40]。本文m(CaO^*)值以此方法计算获得。CIA指数有效反映样品中长石风化成黏土矿物的程度,未风化的长石CIA指数值为50,高岭土和绿泥石则接近100,CIA指数值越高,则化学风化程度越高。通常CIA值为50~65,反映化学风化程度低,气候寒冷干燥;CIA值为65~85,反映化学风化程度中等,气候温暖湿润;CIA值为85~100,反映化学风化程度较高,气候炎热潮湿[41-43]。

朱家村剖面CIA值为68.51~73.35,平均值为71.20,其中在古土壤层中CIA均值为72.18,高于黄土层(70.81)(图5)。从CIA值可见,朱家村剖面整体达到了中等风化的程度,且古土壤形成时期化学风化作用更强,长石风化成黏土矿物的程度更高,指示该段时期气候更加的温暖湿润。剖面不同层位CIA值反映了黄土堆积过程中化学风化程度的差异,即不同时期化学风化程度由L₁层→S₀层逐渐增强的趋势,表层土CIA值较高,这与人类活动影响关系较大。

Na/K比(物质的量之比)是衡量样品中斜长石风化程度的指标,同样可以用来表征堆积物化学风化程度。钾长石和云母富含K,而斜长石富含Na,由于斜长石化学风化速率高于钾长石,导致Na的流失速率大于K,因此,剖面中Na/K比值通常与其化学风化程度呈反比[42,44]。通过数据分析,朱家村剖面中Na/K比值为0.51~0.77,平均值为0.62,其中黄土L₁层Na/K比值最高,平均值为0.60,古土壤层(S₀)值最低,平均值为0.53,黄土L₀层平均值为0.56,表明古土壤层(S₀)风化程度最高,剖面整体呈现由L₁层→S₀层风化程度逐渐增强,到L₀层又略降低的变化趋势(图5)。Na/K比值与CIA值呈负相关关系,两者指示的化学风化程度变化规律基本一致。

A-CN-K(Al₂O₃-CaO^*+Na₂O-K₂O)图解是Nesbitt等[39]提出的用来预测化学风化过程中主要成分的变化和反映沉积物化学风化趋势的三角模型图。将朱家村剖面样品测试分析结果在A-CN-K图上进行投点(图6),可见剖面样品均分布于钾长石-斜长石基线以上,且化学风化趋势基本与CN-A连线平行,说明在化学风化过程中斜长石遭受较强的风化分解作用,导致Ca、Na大量流失,形成含Al的次生黏土矿物,而钾长石相对稳定,风化较弱。整体来看,剖面沉积物处于脱Ca、Na的中等风化阶段。

不同层位沉积物化学风化程度存在一定差异,古土壤S₀层中样品投点更靠近A顶点,指示该层化学风化程度最高,典型黄土层L₁层更靠近CN底点,说明其化学风化程度最低。由不同层位样品投点可以推断,朱家村剖面化学风化程度序列为古土壤S₀层>黄土层L₁。

由上可见,剖面整体宏观特征、元素地球化学参数、Na/K比及A-CN-K图解指示的汉江上游朱家村剖面化学风化程度及变化规律是一致的,即由黄土层L₁→古土壤层S₀风化程度逐渐增强,到L₀层又略降低。

4.3 化学风化强度与气候变化

黄土堆积后不同层位的风化程度变化能很好地反映堆积过程中气候变化特征。剖面底部的典型黄土层L₁中Ca、Na等相对易溶元素含量处于最低值,CIA值呈现低值(71.31),而Na/K值(0.67)呈现最高值,反映其化学风化作用程度较低,表明在这一时期冬季风较为强盛,气候寒冷干燥,沙暴活动强烈,风尘堆积显著。古土壤层S₀沉积物颜色较黄土层L₁逐渐加深,Na/K值有所增大,A-CN-K图解反映其风化程度高于黄土层L₁,表明在此期间冬季风逐渐减弱,气候逐步向温暖湿润转变。古土壤层S₀沉积物颜色为暗红棕色,颜色最深,CIA值最高,而Na/K值最低,反映该层化学风化程度最高,指示在沉积期间夏季风较为强盛,降水量相对较大,气候温暖湿润,风化作用强烈。

(1)朱家村剖面土壤样品OSL测年数据显示其年龄范围为47.75±2.47 ka BP,结合前坊村剖面年龄数据分析认为汉江上游Ⅰ级阶地形成时间在50 ka BP前后。

(2)朱家村剖面的主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃,常量元素氧化物含量排序为SiO₂ > Al₂O₃ > Fe₂O₃ > K₂O > MgO > Na₂O > CaO > MnO > P₂O₅。经UCC标准化后,剖面各层氧化物曲线分布基本一致,表明各层物质基础相同。

(3)剖面土壤在化学风化过程中Ca、Na元素迁移淋失程度较高,K元素迁移淋失程度相对较低,表明朱家村剖面土壤化学风化完成了早期去Na、Ca阶段,并进入到中期去K阶段。

(4)剖面不同层位土壤化学风化程度顺序为:古土壤层S₀>全新世黄土层L₀>典型黄土层L₁,这反映了区域气候变化规律,即在50~11 ka BP冬季风强盛,气候寒冷干燥,风尘堆积显著,形成典型黄土层L₁。从11 ka BP开始,冬季风逐渐减弱,夏季风逐渐强盛,气候逐渐转向温暖湿润,形成了古土壤层S0。2.5 ka BP前后,夏季风减弱,气候开始转向寒冷干燥,风尘堆积增强,形成了全新世黄土层L₀。

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