末次間冰期以來沙漠邊緣黃土沉積的地球化學(xué)特征初探①

于英鵬劉現(xiàn)彬

(1.華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 上海 200241;2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 蘭州 730000; 3.蘭州大學(xué)西部環(huán)境與氣候變化研究院 蘭州 730000)

末次間冰期以來沙漠邊緣黃土沉積的地球化學(xué)特征初探①

于英鵬1,2劉現(xiàn)彬3

(1.華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 上海 200241;2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 蘭州 730000; 3.蘭州大學(xué)西部環(huán)境與氣候變化研究院 蘭州 730000)

沙漠邊緣地區(qū)黃土磁化率的增強(qiáng)機(jī)制與黃土高原地區(qū)有所不同,不宜用于夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的重建。所以,本文嘗試將黃土高原地區(qū)常用的化學(xué)風(fēng)化指標(biāo):化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)和Rb/Sr用于沙漠邊緣地區(qū)白崖剖面夏季風(fēng)演化的重建。結(jié)果顯示,CIA可以較好地反映成壤作用,因而也可以較好地反映夏季風(fēng)的變化,而Rb/Sr受源區(qū)因素和成壤因素共同作用,不能有效地指示夏季風(fēng)的強(qiáng)度。同時,本文還選取了常見的反映粒度分選和冬季風(fēng)變化的SiO2/ TiO2和Zr/Rb,結(jié)果顯示,SiO2/TiO2和Zr/Rb能明確指示粒度分選作用和冬季風(fēng)的變化。此外,Al-Ti-Zr三角圖顯示,物源在不同時期存在一定的變化,在全新世和末次間冰期黃土物質(zhì)混合較為均勻,表明風(fēng)塵經(jīng)歷了較長距離的搬運(yùn)和較為充分的混合過程;在末次冰期黃土物質(zhì)混合程度存在明顯分異,意味著部分時段物源可能較近。

沙漠邊緣 黃土 地球化學(xué) 物質(zhì)來源

河西走廊東段祁連山北麓的山前地帶覆蓋有深厚的黃土沉積物,因地處青藏高原與西北內(nèi)陸荒漠交匯處,所以該地黃土為揭示青藏高原隆升、區(qū)域氣候變化以及沙漠演化歷史提供了富有價值的記錄[1～3]。然而,沙漠邊緣地區(qū)成壤作用導(dǎo)致磁化率增強(qiáng)的機(jī)制與黃土高原不同[4～6],可能受控于包括成壤作用在內(nèi)的多種因素[7,8],因此,沙漠邊緣黃土磁化率在恢復(fù)夏季風(fēng)強(qiáng)度演化歷史時存在缺陷。近年來,在黃土高原地區(qū)已經(jīng)開展較多的地球化學(xué)方面的研究工作,有大量的地球化學(xué)指標(biāo)用于古氣候演化過程的重建。如,陳駿等認(rèn)為黃土高原地區(qū)的Rb/Sr值能夠反映風(fēng)化強(qiáng)度,并與磁化率對比后認(rèn)為Rb/Sr可以作為反映夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的指標(biāo)[9～11]。劉連文等根據(jù)Zr、Rb在不同粒徑粉塵中的富集情況認(rèn)為Zr/Rb值能夠反映冬季風(fēng)環(huán)流的變化,可以作為反映黃土高原冬季風(fēng)變化的代用指標(biāo)[12];此外,通過對黃土沉積物中酸不溶物Fe、Mg的化學(xué)分析,劉連文等指出酸不溶物中Fe/Mg值能夠指示風(fēng)化成壤的強(qiáng)度[13]。彭淑貞、郭正堂等通過對粒徑小于50μm的黃土顆粒與SiO2/ Al2O3的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)SiO2/Al2O3可以準(zhǔn)確的揭示冬季風(fēng)的變化特征[14]。靳鶴齡應(yīng)用退堿系數(shù)((K2O+Na2O+CaO)/Al2O3)、鈉鈣比(Na2O/CaO)、硅鐵鋁率(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))等化學(xué)元素的綜合參數(shù)來反映氣候的變化[15,16]。龐獎勵則通過分析黃土中的Ba/Sr、Ba/Ca和Sr/Ca等發(fā)現(xiàn)Ba/Sr值對氣候變化的反應(yīng)十分靈敏,可作為很好的指示夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的代用指標(biāo)[17]。根據(jù)Si和Ti的遷移性及其分別在粉塵粗、細(xì)粒級中富集的特征,Liu等將SiO2/TiO2值(摩爾比)作為指示冬季風(fēng)強(qiáng)度的指標(biāo),并應(yīng)用于黃土高原冬季風(fēng)變化的解釋[18];他們還將Nesbitt和Young定義的化學(xué)蝕變指數(shù)CIA用作夏季風(fēng)強(qiáng)度的代用指標(biāo)[19]。郭正堂等根據(jù)元素的遷移特征應(yīng)用化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIW)來揭示末次間冰期黃土高原夏季風(fēng)的變化特征[20]。上述指標(biāo)具有反應(yīng)靈敏,意義明確的優(yōu)點(diǎn),對于我們的氣候重建工作具有參考意義。因而,本文選擇了常用的地球化學(xué)指標(biāo)(CIA、Rb/Sr、Zr/Rb、SiO2/TiO2)嘗試著重建沙漠邊緣地區(qū)季風(fēng)演化歷史并檢驗(yàn)這些指標(biāo)的可行性。

此外,相對黃土高原主體而言,祁連山北麓的黃土沉積無疑離物源更近,至少有兩個潛在的物源離祁連山北麓的黃土沉積區(qū)很近。其一,北部的騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠以及干鹽湖構(gòu)成了一個重要的物源[2,21];其二,祁連山北麓山前洪積扇也是潛在的物源[22,23]。因此該區(qū)黃土沉積對物源變化的響應(yīng)有可能較黃土高原主體更加靈敏。因此,本文還試圖對物源在時間序列上的變化進(jìn)行探討。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

本文選擇位于甘肅省武威市張義鎮(zhèn)白崖村的白崖剖面(N37°32'E102°48',海拔約2 400 m)(圖1)作為研究對象。該剖面南接祁連山,北臨騰格里沙漠,距現(xiàn)代沙漠不足50 km,年均降水量約105 mm,年平均氣溫約7.9℃,屬干旱地區(qū)[3]。剖面頂部為殘余的全新世古土壤(S0)厚約1.4 m.L1厚約29 m(1.4～ 30.35 m),S1厚約5.15 m(30.35～35.50 m)。根據(jù)野外觀察,S1與L2之間有明顯的界限,表明S1底部經(jīng)受一定的侵蝕作用。因此,野外只觀察到兩層古土壤,這可能與青藏高原東北緣在末次間冰期的構(gòu)造抬升存在關(guān)聯(lián)[1]。野外樣品采集從剖面頂部開始,以5 cm為間隔連續(xù)采樣,共采集樣品730個。其中5～6 m的樣品在搬運(yùn)中丟失,實(shí)際共得710個樣品。粒度由Mastersizer 2000激光粒度儀測得,共測710個樣品。取樣品約0.2 g放入已清洗干凈且?guī)в芯幪柕臒?加入濃度為10%的H2O2并煮沸(去除有機(jī)質(zhì)),待氣泡減少至均勻沸騰時加入10%HCl(去除碳酸鹽),繼續(xù)煮至燒杯內(nèi)無氣泡產(chǎn)生,停止加熱,加入蒸餾水直至燒杯滿(不能溢出),靜置24小時后用橡皮管抽去上層清水,加入(NaPO3)6(六偏磷酸鈉)作為分散劑,在超聲波振蕩器上振蕩7分鐘,最后加入激光粒度儀中測量?；瘜W(xué)元素含量在 Panalytical Magix PW2403型X熒光光譜(XRF)儀上測得,測量的標(biāo)準(zhǔn)差約為2%。化學(xué)元素分析以20 cm為間隔,共分析了183個樣品,實(shí)驗(yàn)過程見Wang等[24]。所有實(shí)驗(yàn)均在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)Fig.1 Location of study region and sampling site

2 結(jié)果

2.1 常量元素含量特征

對于未測定的元素XRF儀以CO3給出,白崖剖面 CO3含量在 7.84%～18.9%之間,平均為12.50%。元素含量經(jīng)公式(E校正值=E測量值/(1-CO3/ 100))校正,校正后,樣品中含量在1%以上的氧化物有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O。整個剖面SiO2的含量在55.98%～66.49%之間,平均為61.5%;Al2O3含量在11.84%～14.49%之間,平均為13.21%;CaO含量在7.34%～15.22%之間,平均為10.25%;Fe2O3含量在4.53%～6.29%之間,平均為5.46%;MgO含量在2.93%～4.21%之間,平均為3.63%;K2O含量在2.41%～2.97%之間,平均為2.68%;Na2O含量在2.08%～2.96%之間,平均為2.39%。其中SiO2、Al2O3、CaO為主要的化學(xué)成分,三種主要元素含量總和平均為84.96%。樣品中含量在0.1%～1%的氧化物有TiO2、P2O5.iO2含量在0.62%～0.82%之間,平均為0.75%.2O5含量在0.15%～0.2之間,平均為0.17%。

表1和(圖2)將白崖剖面經(jīng)校正的常量元素氧化物與上陸殼(UCC)主要常量元素含量(%)進(jìn)行了比較。

表1 常量元素含量Table1 Content ofmajor elements

表1和圖2顯示,白崖剖面中SiO2、Al2O3含量與UCC較接近,CaO的含量相對UCC顯著富集,MgO、TiO2、Fe2O3相對UCC富集;Na2O、K2O則相對UCC表現(xiàn)出較弱的虧損.i的化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定,主要以氧化物的形式存在,化學(xué)行為以遷移為主[26～28].1的SiO2平均含量較S0、S1高,風(fēng)化最弱時對應(yīng)的SiO2值(62.41%)高于風(fēng)化最強(qiáng)時的 SiO2含量(58.77%)(表1)。在S0、S1、CIAmax三個階段,TiO2、Al2O3、Fe2O3值均高于相對應(yīng)的L1和CIAmin,說明在化學(xué)風(fēng)化作用增強(qiáng)的時候,三種氧化物在土壤中趨于富集。不過,TiO2的變化比Al2O3、Fe2O3復(fù)雜(表1),即L1的TiO2含量比風(fēng)化最弱點(diǎn)的TiO2含量略低.a、Mg為較易遷移的元素,在黃土中多以碳酸鹽的形式存在[26]。在我國北方干旱半干旱地區(qū)研究表明:土壤發(fā)育時CaO和MgO的含量相對減少(除淀積層),而在風(fēng)沙和黃土堆積時期其含量相對增加[27,28]。但是白崖剖面中CaO和MgO含量在對應(yīng)于風(fēng)化較強(qiáng)的時段富集,如S0、S1發(fā)育的時段,而在風(fēng)化較弱的在L1階段的含量卻相對減少,這與黃土高原內(nèi)部 CaO和 MgO的遷移變化情況形成反差[27～29]。一方面,說明在整體風(fēng)化強(qiáng)度不高的情況下,白崖剖面CaO和MgO的淋溶是極其有限的;另一方面,可能暗示了在干旱的源區(qū)碳酸鹽表聚作用在暖濕期增強(qiáng),從而導(dǎo)致沉積區(qū)黃土中碳酸鹽含量也隨之增加。值得注意的是,CaO含量比MgO含量表現(xiàn)出更復(fù)雜的變化規(guī)律,即S0、L1以及S1的CaO含量不在風(fēng)化最弱點(diǎn)對應(yīng)的CaO含量和風(fēng)化最強(qiáng)點(diǎn)對應(yīng)的CaO含量之間,意味著除了風(fēng)化淋溶作用,源區(qū)物質(zhì)的化學(xué)組成可能是更為重要的控制因素。從化學(xué)風(fēng)化弱的CIAmin到化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)的CIAmax過程中,K2O逐漸富集,而Na2O逐漸虧損(圖2),但本研究剖面中的K2O、Na2O均相對UCC出現(xiàn)微弱虧損。綜觀白崖剖面,隨著風(fēng)化作用的增強(qiáng),脫Na富Fe、Mg是較為顯著的變化特征.a的變化規(guī)律不清。

圖2 白崖剖面常量元素與UCC比較Fig.2 Comparison ofmajor elements between the Baiya loess section and the UCC

圖3 白崖剖面Al-Ti-Zr三角圖Fig.3 Ternary diagram of Al-Ti-Zr in the Baiya loess section

2.2 穩(wěn)定元素Al-Ti-Zr組合特征

在各種元素中,Al、Ti、Zr通常被認(rèn)為是風(fēng)化中最穩(wěn)定的元素.l、Ti、Zr的含量會隨著易溶元素的淋失而發(fā)生改變,但沉積物中Al、Ti、Zr含量的相對比例特征能夠從源區(qū)物質(zhì)中繼承下來,很少發(fā)生改變。因此,在沉積作用經(jīng)歷了風(fēng)化、搬運(yùn),不同來源物質(zhì)的混合以及分選等過程的前提下[30],Al-Ti-Zr三角圖可以反映物源的變化[31]。圖3中以三角形重心為圓心畫圓(虛線圓),圓心代表沉積物Al-Ti-Zr平均值所在點(diǎn)。通過分析樣品中Al-Ti-Zr散點(diǎn)分布情況,認(rèn)為Al-Ti-Zr散點(diǎn)離圓心越近,分布越集中,表示物質(zhì)的混合越好;相反,Al-Ti-Zr散點(diǎn)離圓心較遠(yuǎn),分布較分散,表明物質(zhì)混合較差。據(jù)此可以判斷古氣候演化及源區(qū)變遷問題。圖3顯示在S0和S1階段Al-Ti-Zr分布與上陸殼(UCC)和后太古代澳洲頁巖(PAAS)[25]比較接近,在L1階段Al-Ti-Zr分布則出現(xiàn)了顯著的分異,一部分Al-Ti-Zr散點(diǎn)離UCC和PAAS較近,另一部分散點(diǎn)則離UCC和PAAS較遠(yuǎn)。

2.3 化學(xué)風(fēng)化特征

圖4 白崖剖面A-CN-K圖(風(fēng)化階段劃分據(jù)文獻(xiàn)[19])Fig.4 A-CN-K diagram of the Baiya loess section

化學(xué)蝕變指數(shù)[CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)X 100]是量度源區(qū)以及沉積區(qū)的化學(xué)風(fēng)化程度的代用指標(biāo)[19],式中主成分均指摩爾數(shù), CaO*表示硅酸鹽中的CaO。因而,CIA主要反映的是硅酸鹽(主要是長石礦物)的風(fēng)化,由于不存在元素遷移后再淀積的情況,故能很好地反映沉積物形成時的化學(xué)風(fēng)化情況,因而在化學(xué)風(fēng)化研究中得到了廣泛的應(yīng)用[19,32]。圖4直觀地表示出沉積物的風(fēng)化程度(A-CN-K中的A值實(shí)際上就是CIA)和風(fēng)化趨勢。可以看出,白崖剖面的CIA值分布在50～60之間(圖4),處于風(fēng)化的初級階段。由斜長石-鉀長石連線出發(fā),隨著風(fēng)化作用的增強(qiáng),風(fēng)化的趨勢(圖4中箭頭所指方向)指向伊利石,這與黃土高原主體地區(qū)的化學(xué)風(fēng)化特征一致[33]。

3 討論

3.1 氣候變化與物源變遷

在圖3中,我們已經(jīng)觀察到一個現(xiàn)象,在土壤發(fā)育的時段,如S0和S1發(fā)育的時段,Al-Ti-Zr散點(diǎn)較為集中,與三角形的重心(碎屑沉積物的Al-Ti-Zr平均值)和PAAS的Al-Ti-Zr值距離較近;而在黃土堆積盛行的時段,如L1沉積時段,Al-TiVZr散點(diǎn)相對較分散,有部分點(diǎn)離三角形重心(碎屑沉積物的Al-Ti-Zr平均值)和PAAS的Al-Ti-Zr值距離較遠(yuǎn)。這一現(xiàn)象表明,在S0和S1發(fā)育時段,風(fēng)塵的混合更為均一,而在L1堆積時段,風(fēng)塵的混合程度存在較顯著的分異。進(jìn)一步而言,氣候可能影響著風(fēng)塵的搬運(yùn)-沉積的混合過程。具體而言,在夏季風(fēng)強(qiáng)盛的時期,季風(fēng)控制的降水鋒面往西往北推進(jìn),沙漠收縮,土壤在黃土堆積區(qū)的發(fā)育普遍增強(qiáng)。沙漠的收縮意味著物源的遠(yuǎn)離,因而,在源區(qū)和沉積區(qū)之間,風(fēng)塵進(jìn)行搬運(yùn)-沉積,再搬運(yùn)-沉積的循環(huán)過程有可能增多,最終沉積的風(fēng)塵的混合度更為均一。在夏季風(fēng)衰退的時期,季風(fēng)控制的降水鋒面往南回撤,造成沙漠-黃土過渡帶上植被覆蓋度降低,沙漠?dāng)U張,因而沉積區(qū)普遍沉積弱風(fēng)化的黃土。沙漠的擴(kuò)張,意味著物源的逼近,因而,沉積區(qū)可能更多地接收了近源的物質(zhì),即搬運(yùn)-沉積,再搬運(yùn)-沉積的循環(huán)過程的頻次會相對減少,最終沉積的風(fēng)塵混合程度可能表現(xiàn)的不夠均一。總而言之,氣候變得濕潤的時候,物源開始變遠(yuǎn);反之,則物源變近,這與前人的研究[34]是一致的。

3.2 地球化學(xué)指標(biāo)的氣候指示意義

前人在利用地球化學(xué)指標(biāo)重建古氣候方面的研究已取得不少成果[9～18,20,26～29,35,36],如前所述,因磁化率在沙漠邊緣區(qū)的增強(qiáng)機(jī)制并非僅依賴于成壤作用,所以對其進(jìn)行氣候解譯存在不確定性,本研究中的磁化率也存在類似的問題。鑒于此,本文選擇了兩個常見的風(fēng)化指標(biāo)CIA、Rb/Sr試圖用于夏季風(fēng)演化歷史的重建。同時,選擇了SiO2/TiO2和Zr/Rb這兩個常用指標(biāo)作為候選的冬季風(fēng)指標(biāo)。

圖5 白崖剖面氣候代用指標(biāo)比較Fig.5 Comparison of climatic proxies in the Baiya loess section

圖5顯示CIA的高值與各土壤層有較好的對應(yīng)關(guān)系,可見CIA對成壤強(qiáng)度的反映是比較可靠的。研究區(qū)屬季風(fēng)影響區(qū),因而,反映風(fēng)化成壤作用的CIA可以作為夏季風(fēng)強(qiáng)度的指標(biāo)。在黃土高原地區(qū), Rb/Sr是也一個常用夏季風(fēng)代用指標(biāo)。不過,Rb/Sr在白崖剖面地層波動平緩,不能很好地指示白崖剖面成壤作用的發(fā)生。不僅如此,在MIS3晚期和MIS5時段部分土壤(L1S1的上部土壤層和S1的下部土壤層)的Rb/Sr值較平均值(實(shí)線)還略偏低(圖5);此外,MIS2與MIS4的Rb/Sr并未表現(xiàn)為顯著的低值。只有全新世的Rb/Sr值可以相對較好地反映成壤作用。這說明,除了風(fēng)化作用之外,還有其它因素參與塑造Rb/Sr的變化.iO2/TiO2、Zr/Rb的變化與粒度具有較好的一致性,在全新世、MIS3以及MIS5都表現(xiàn)為低值,而在MIS2和MIS4則為高值。對于粒度事件的響應(yīng),Zr/Rb的變幅比SiO2/TiO2顯著,如(圖5)中的b、c事件,通過曲線對比,還可以發(fā)現(xiàn)Zr/Rb與<20μm顆粒含量的變化更接近,如,a事件二者均較平緩,e事件則較突出.iO2/TiO2則與>63μm顆粒含量(躍移組分)的變化更相像。如a事件二者都較突出,b、c事件二者的變幅則相對較小。

通過前面的分析,我們認(rèn)為CIA具有明確的化學(xué)風(fēng)化指示意義,可以作為東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的指標(biāo).iO2/TiO2和Zr/Rb的變化與粒度的變化對應(yīng)關(guān)系較好,而且相關(guān)分析表明,Zr/Rb和SiO2/TiO2與中值粒徑(Md)具有很好的相關(guān)關(guān)系(Zr/Rb和SiO2/TiO2與中值粒徑(Md)的相關(guān)系數(shù)分別為0.824和0.907)。因而,SiO2/TiO2和Zr/Rb可以作為冬季風(fēng)強(qiáng)度的代用指標(biāo)。另外,由于SiO2/TiO2與聯(lián)系沙漠-黃土演變過程中耦合關(guān)系的沉積學(xué)指標(biāo)(>63μm的顆粒含量)具有更好的對應(yīng)關(guān)系[37](圖5)。因此,SiO2/TiO2也適合作為聯(lián)系沙漠-黃土演變過程中耦合關(guān)系的地球化學(xué)指標(biāo)。值得關(guān)注的是,圖6中Zr/Rb和SiO2/TiO2與CIA呈較好負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.575和-0.657)。這暗示了夏季風(fēng)強(qiáng)度變化一定程度上影響風(fēng)塵沉積物粒度的變化,主要影響機(jī)制為:當(dāng)夏季風(fēng)強(qiáng)盛時,騰格里沙漠南緣北退,沙漠面積縮小,物源區(qū)相對變遠(yuǎn),導(dǎo)致風(fēng)塵沉積物的顆粒變細(xì);相反,當(dāng)夏季風(fēng)衰退時,沙漠邊緣南進(jìn),沙漠面積擴(kuò)張,物源區(qū)相對沉積區(qū)較近,風(fēng)塵沉積物的顆粒變粗。

相對CIA而言,Rb/Sr的指示意義不是十分明確,因而不宜作為夏季風(fēng)強(qiáng)度的代用指標(biāo)。根據(jù)Rb、Sr元素物理和化學(xué)的賦存形式,一般認(rèn)為黃土地層中Rb/Sr主要受源區(qū)粉塵的物質(zhì)的化學(xué)組成、搬運(yùn)分選作用和風(fēng)化成壤強(qiáng)度的影響[9].b/Sr在白崖剖面的變化并非與成壤強(qiáng)度完全對應(yīng),僅在一些時段Rb/Sr的峰值與CIA的峰值存在對應(yīng)。例如,全剖面Rb/Sr值與 CIA呈正相關(guān)關(guān)系(r=0.4),但是在MIS2二者的相關(guān)系數(shù)僅為0.161(圖6)。這說明,在離干旱物源區(qū)更近的白崖剖面的Rb/Sr除了受控于風(fēng)化作用外,還受控于其它因素,即搬運(yùn)分選作用或(和)源區(qū)粉塵物質(zhì)的化學(xué)組成。風(fēng)塵沉積物中粗顆粒含量常用來反映冬季風(fēng)的強(qiáng)弱變化即風(fēng)力的搬運(yùn)分選作用[38],Rb/Sr值與Md的相關(guān)系數(shù)為0(圖6),這暗示了搬運(yùn)分選過程對Rb/Sr的影響可以忽略。因而,源區(qū)粉塵物質(zhì)的化學(xué)組成對Rb/Sr值變化具有重要的決定作用。

圖7中Rb、Sr在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(灰色矩形框)段呈現(xiàn)相同的變化趨勢,即二者在風(fēng)化程度相對較強(qiáng)的時候均增加,由此可見,Rb/Sr的異常主要是Sr增加造成的。由于Sr與Ca離子半徑、電位等地球化學(xué)參數(shù)相近,因而Sr的遷移規(guī)律與Ca相似[39]?？梢酝ㄟ^以下兩個方面來解釋:1)降水增加,導(dǎo)致Sr從高地向低地匯集[40,41],沖積扇、河床、干鹽湖等潛在物源中Sr的含量因而增加,所以黃土堆積時Sr的含量也相應(yīng)增加,Rb/Sr值相對降低;2)潛在的物源多屬于干旱區(qū),在地下水位足夠高的情況下,強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用會使易溶鹽因毛細(xì)效應(yīng)產(chǎn)生表聚現(xiàn)象[42],Sr、Ca等易溶鹽的含量在地下水位較高的情況下因表聚作用增高,從而降低了物源區(qū)的Rb/Sr值。事實(shí)上,我們從圖5可以觀察出Rb/Sr與CIA在MIS5和MIS3雖然在整體趨勢上相反,但是峰、谷存在對應(yīng)關(guān)系。這說明在整體風(fēng)化強(qiáng)度較低(初級風(fēng)化)的情況下,源區(qū)的Rb/Sr信號較為顯著。因此,在風(fēng)化程度較低的沙漠邊緣地區(qū),Rb/Sr值不能同黃土高原地區(qū)一樣很好地指示風(fēng)化程度,因?yàn)樗溯^為顯著的物源濕度信號。

4 結(jié)論

通過對騰格里沙漠西南緣白崖剖面常量元素地球化學(xué)特征的初步分析,可以得出以下兩點(diǎn)認(rèn)識:

(1)末次間冰期以來白崖剖面的黃土物源存在變化,氣候濕潤的時候,物源較遠(yuǎn);反之,物源較近。

圖6 氣候代用指標(biāo)的相關(guān)性Fig.6 Relation of climatic proxies

(2)白崖剖面的化學(xué)風(fēng)化處于初級階段,CIA是較好的夏季風(fēng)代用指標(biāo),而Rb/Sr的意義較復(fù)雜,它疊加了源區(qū)濕度的信號,不宜直接用于指示夏季風(fēng)的強(qiáng)度變化.iO2/TiO2和Zr/Rb與粒度有較好的對應(yīng)關(guān)系,是良好的指示冬季風(fēng)強(qiáng)度變化的代用指標(biāo),此外,SiO2/TiO2也可反映物源距離的變化。

圖7 Rb、Sr隨剖面深度的變化Fig.7 Rb、Sr Variationswith depth

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Geochem ical Characteristics of Loess Deposition since Last Interglacial at Desert M argin and Its Provenance and Climatic Imp lications

YU Ying-peng1,2WANG Hai-bin3LIU Xian-bin3
(1.College of Resources and Environmental Science,East China Normal University,Shanghai200241; 2.College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000; 3.Research School of Arid Environment and Climate Change,Lanzhou University,Lanzhou 730000)

The loess deposition at desertmargin holds a good archive of climatic change as such area is sensitive to variations of Asian Monsoon.However,due to the complexity ofmagnetic enhancementmechanism in loess at desert margin,magnetic susceptibility is not suitable for summermonsoon reconstruction.In this paper,we investigated the geochemical characteristics of loess deposition since last interglacial at desertmargin and try to screen good geochemical indicators ofweathering and sorting of loess deposition at desertmargin.In doing so,we investigated a loess site at Baiya which is located 50 km south to Tengger Desert.The Baiya loess section in this study consists of S0,L1 and S1,corresponding to the Holocene,the last glacial,and the last interglacial respectively。730 sampleswere collected from this section.All of them were subjected tomagneticmeasurement using Bartington MS2B and grain size analysis using Malvern Mastersizer 2000.183 sampleswere subjected to chemical elements determination using X-ray fluorescence(XRF)analysis on Panalytical Magix PW2403 spectroscope.All the lab workswere carried out at the Key Laboratory ofWestern China's Environmental Systems(Ministry of Education),Lanzhou University.

The geochemical results from thewhole section show that the content of SiO2,Al2O3is close to that of UCC,the content of CaO,MgO,TiO2,Fe2O3was enriched relative to that of UCC;the contentof Na2O,K2O was depleted relative to that of UCC.As the chemicalweathering strengthened,the striking phenomenon of elements behavior of this section is the depletion of sodium and the enrichment of iron and magnesium.However,the behavior of calcium was equivocal,which is probably caused by weak leaching in deposition area and strong evaporating-induced ascending of Ca in source area.Generally,the chemicalweathering in the study area isweak and on its initialweathering stage as expressed by the low chemical index of alteration(CIA)which spanned from 50 to 60。

Four frequently-used geochemical indicatorswere tested in current study,e.g。,CIA,the ratio of Rb to Sr(Rb/ Sr),themolar ratio of SiO2to TiO2(SiO2/TiO2),and the ratio of Zr to Rb(Zr/Rb).IA is sensitive to reflect the weathering and the pedogenesis,and thus can be used as a proxy of Asian Summer Monsoon strength.The Rb/Sr is a good indicator of chemicalweathering when itwas applied in themain body of the Chinese loess Plateau.However,it didn'twork well at Baiya section.We assumed that the problem ismainly caused by the behavior of Sr.That is,under warmer and wetter climate,more Sr waswashed into source area,strong evaporation induced ascending of Sr to surface soilwith the capillary force,leading to the decrease of Rb/Sr.When such sourcematerialwas transported to the deposition area,the post-depositional Rb/Sr didn't increase significantly because of relatively weaker leaching at desertmargin.In short,the ultimate Rb/Sr at Baiya section contained both weathering signal and sourcematerial signal, and itwas not suitable for reconstructing summer monsoon variations.The other two geochemical indicators,SiO2/ TiO2and Zr/Rb closely follow the variation of grain sizes,and they are positively correlated to themedian grain size (the coefficient r is 0.907,0.824,respectively),thus,they can be used as indicators ofwintermonsoon intensity.In addition,SiO2/TiO2and Zr/Rb are negatively correlated to CIA(the coefficient r is-0.657,-0.575 respectively),suggesting summermonsoon is also an important factor affecting the grain size variation through modulating the expansion and contracti on of desert。

In current study,we also aimed to examine the provenance of loessmaterial at different climatic stages.Al,Ti, Zr is themost stable element during chemical weathering.Their individual contentmight change in response to the chemicalweathering;however,the ratios of Al-Ti-Zr can be inherited from the source area as they are very stable.We thus used the ternary diagram of 15Al2O3,Zr,and 300TiO2to trace the potential change of provenance(source material and/or source region).he Al-Ti-Zr ternary diagrams showed that loess deposition during the the Holocene and the Last Interglacial period(So and S1)was wellmixed while the loess deposition during the Last Glacial(L1) was not homogeneouslymixed.We suggested that the dust has experienced long distance transport and more thorough mixing processes during interglacial period while the sourcematerial didn't undergo thorough mixing processes during glacial period as the source was probably getting closer。

desertmargin;loess;geochemical indicators;material sources

于英鵬 男 1985年出生 碩士研究生 環(huán)境變化 E-mail:pyy.lzu@163.om

P593 P931.6

A

1000-0550(2012)02-0356-10

①國家自然科學(xué)青年基金項目(批準(zhǔn)號:40801005)和西部環(huán)境變化國家創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項目(批準(zhǔn)號:40721061)資助。

2010-12-20;收修改稿日期:2011-06-29