寶雞固川盆地全新世黃土－土壤剖面元素地球化學(xué)特征

萬紅蓮，黃春長(zhǎng)，龐獎(jiǎng)勵(lì)，查小春

（1寶雞文理學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞721013；2陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062）

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)黃土高原古氣候與成壤環(huán)境進(jìn)行了大量研究，獲得了一系列氣候代用指標(biāo)，這些指標(biāo)不僅揭示了氣候變化規(guī)律，而且也被用作研究黃土高原其他地區(qū)第四紀(jì)以來氣候變化的基礎(chǔ)和參照標(biāo)準(zhǔn)［1－19］．但對(duì)渭河上游地區(qū)黃土－古土壤剖面元素地球化學(xué)指標(biāo)的研究較少，對(duì)含有古洪水滯流層的黃土－古土壤剖面研究更少［20］．本文在對(duì)陜西省寶雞市固川鎮(zhèn)（GCZ）含有古洪水滯流層的全新世黃土－古土壤剖面沉積學(xué)和水文學(xué)研究［21－22］基礎(chǔ)上對(duì)該剖面的元素地球化學(xué)指標(biāo)分布、變化規(guī)律進(jìn)行研究，以期揭示其對(duì)古環(huán)境的指示意義以及萬年時(shí)間尺度上的環(huán)境變化，同時(shí)探討古洪水滯流層的地球化學(xué)判別方法．

1 剖面的地層劃分

研究地點(diǎn)位于渭河寶雞峽谷固川盆地中心，這里也是龍山文化與西周文化遺址分布區(qū)（圖1）．研究剖面（WH－GCZ）位于一條沖溝壁陡坎，地層出露齊全，露頭良好，沒有受到人類活動(dòng)干擾，中心位置地理坐標(biāo)為34°24′14．9″N，106°58′11．9″E，剖面頂部高程660m．在全新世晚期黃土L0與全新世中期古土壤S0的界限位置，發(fā)現(xiàn)水平層狀結(jié)構(gòu)的古洪水沉積物一組3層；而在全新世晚期黃土L0中發(fā)現(xiàn)西周文化層，在全新世中期古土壤S0中發(fā)現(xiàn)龍山文化晚期文化層．對(duì)剖面進(jìn)行清理后，在詳細(xì)觀察和土壤地層劃分的基礎(chǔ)上，以每4cm間隔進(jìn)行高密度系統(tǒng)采樣，共采集沉積學(xué)樣品55個(gè)．此外，分別在剖面不同層位采集光釋光樣9個(gè)，其中包括60～65cm古洪水滯流沉積層和72～78cm全新世中期古土壤S0上部的光釋光樣2個(gè)，用黑色塑料袋密封包裝同其他樣品一并運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室．所有實(shí)驗(yàn)均在陜西師范大學(xué)環(huán)境變遷實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行并完成．

通過野外宏觀形態(tài)特征的觀察，結(jié)合土壤學(xué)、地層學(xué)和沉積學(xué)特征以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)剖面進(jìn)行詳細(xì)的地層劃分和描述（表1）．其中，古洪水平流滯流層水平展布，與黃土和古土壤界限清晰，在顏色、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等方面有非常明顯的區(qū)別．

圖1 研究地點(diǎn)位置圖Fig．1 Location of the study sites

表1 WH－GCZ全新世剖面地層劃分及描述Tab．1 Pedostratigraphic subdivision and descriptions of the WH－GCZ profile in the Weihe River valley

2 實(shí)驗(yàn)方法和年代確定

所采樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干后，采用英國(guó)Bartington公司生產(chǎn)的MS—B2磁化率儀測(cè)定其磁化率．化學(xué)元素使用荷蘭Panalytical公司生產(chǎn)的PW2403X－Ray熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)定，主要測(cè)定Si、Al、Fe、K、Na、Mg、Ca、Mn等常量元素和Sr、Co、Ni、Cr、Rb、Zn、Cu等微量元素的含量．分析過程中均加入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品（GSS－11和GSS－12）進(jìn)行誤差控制．樣品光釋光（OSL）年齡用RФse—Date—15斷代儀器進(jìn)行測(cè)定．

對(duì)于渭河流域，曾經(jīng)有人進(jìn)行了大量的全新世黃土－土壤地層與環(huán)境變遷研究，在若干典型剖面建立了可靠的年代框架［23－25］．如圖2所示，渭河寶雞峽谷WH－GCZ剖面與涇河中游全新世JH－ETC剖面結(jié)構(gòu)完全相同，對(duì)比良好［23－25］，因而ETC剖面的年代框架可以用于GCZ剖面．通過與ETC剖面對(duì)比，可以確定全新世中期古土壤S0與晚期黃土L0的界限為3 100aB．P．．在GCZ剖面渭河古洪水滯流沉積層恰好夾在這個(gè)界面，故而初步判定渭河古洪水事件發(fā)生在3 100aB．P．前后，即大約3 200～3 000aB．P．．

進(jìn)一步來看，WH－GCZ剖面所在位置正是考古學(xué)界記錄的固川文化遺址所在地．在全新世晚期黃土L0之中發(fā)現(xiàn)西周文化層［26］，其考古學(xué)年齡為3 000～2 720aB．P．；在全新世中期古土壤S0之中發(fā)現(xiàn)龍山文化文化層，其考古學(xué)年齡為4 800～4 000aB．P．，而古洪水滯流沉積層恰恰出現(xiàn)在這兩個(gè)文化層之間．對(duì)光釋光樣進(jìn)行測(cè)年所得結(jié)果分別是：60～65cm古洪水滯流沉積層的OSL測(cè)年數(shù)據(jù)為3 064±237aB．P．；72～78cm全新世中期古土壤S0上部的OSL測(cè)年數(shù)據(jù)為3 060±197aB．P．，這就證明根據(jù)地層對(duì)比判定的古洪水事件發(fā)生年代是正確的 （圖2）．

圖2 渭河WH－GCZ剖面與涇河JH－ETC剖面地層年代對(duì)比Fig．2 Pedostratigraphic correlations between the WH－GCZ profile of the Weihe River and the JH－ETC profile in the middle reaches of the Jinghe River

3 結(jié)果分析

3．1 磁化率

WH－GCZ剖面的低頻磁化率（Xlf）和高頻磁化率（Xhf）的變化趨勢(shì)極為相似，故以高頻磁化率（Xhf）為例來進(jìn)行分析．高頻磁化率（Xhf）的總體變化范圍為61．7×10－8～193．3×10－8m3／kg．剖面中磁化率數(shù)值在垂直方向上表現(xiàn)為波動(dòng)變化，峰值出現(xiàn)在古土壤層（S0）中，磁化率平均值為159．7×10－8m3／kg；表明該時(shí)段是全新世以來最為溫暖的時(shí)期，氣候溫暖濕潤(rùn)，生物風(fēng)化成壤作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致古土壤層的形成［27］．馬蘭黃土（L1）的磁化率平均值最低，為72．0×10－8m3／kg，表明其形成時(shí)期氣候較古土壤時(shí)期寒冷干旱，沙塵暴堆積旺盛，并且堆積之后幾乎沒有成壤改造［28］．表土層（TS）由于長(zhǎng)期農(nóng)耕的影響促進(jìn)了一定的成壤改造，磁化率有所增加，最大值達(dá)113．8×10－8m3／kg．古洪水滯流層（SWD）磁化率值與古土壤（S0）比較接近，表明其物質(zhì)可能是被暴雨所侵蝕流域內(nèi)的地表土壤和風(fēng)化層被流水搬運(yùn)和沉積過程中發(fā)生了二次分選的產(chǎn)物（圖3）．

圖3 WH－GCZ剖面磁化率曲線圖Fig．3 Diagrams showing the magnetic susceptibility of the WH－GCZ profile in the Weihe River

3．2 常量元素

WH－GCZ黃土－古土壤剖面常量元素以氧化物（Fe2O3、CaO、K2O、MgO、Na2O、SiO2、Al2O3）的形式分析．

研究剖面各常量元素含量的變異系數(shù)都很低，表明常量元素的組成具有高度的一致性．而且在整個(gè)剖面上SiO2、Al2O3和Fe2O3三者平均含量之和均超過了70．0%，這種富鐵硅鋁現(xiàn)象說明該地氣候比較濕熱．同時(shí)可以看出SWD中各種氧化物的值均介于黃土和古土壤之間．SWD中MgO、CaO、Na2O含量低于黃土，而SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O含量高于黃土，這說明古洪水沉積層與黃土層的物質(zhì)來源不同，黃土是沙塵暴的直接沉積物，古洪水SWD則是地表土壤和風(fēng)化層被流水搬運(yùn)和沉積過程中發(fā)生了二次分選（表2）．

表2 WH－GCZ剖面常量元素含量及與其他沉積物［4，29］的對(duì)比Tab．2 Content of major element in the WH－GCZ profile and other deposits%

SWD和S0一樣，主要常量元素為SiO2、Al2O3和Fe2O3，三者平均含量之和均超過80．0%．SWD中其他常量元素的含量除MgO含量低于UCC和母質(zhì)外，其余元素的含量變化情況和S0比較相似．但詳細(xì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，SWD中除CaO和Na2O的含量高于S0外，其余元素含量均低于S0，說明SWD與古土壤的理化性質(zhì)有明顯的區(qū)別，因?yàn)镾WD未經(jīng)過明顯的風(fēng)化成壤改造（表2，圖4）．

圖4 WH－GCZ剖面常量元素的UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線分布及與其他剖面對(duì)比圖Fig．4 Curves of major element for the WH－GCZ profile standardized by UCC and comparison with other profiles

3．3 微量元素

選取固川剖面中Sr、Co、Ni、Cr、Rb、Zn、Cu等7個(gè)微量元素與其他沉積物進(jìn)行對(duì)比分析（表3）．GCZ剖面SWD、古土壤層和黃土層中Cu、Cr、Ni、Zn、Co元素含量均明顯高于典型黃土背景值，而Sr元素含量在所有層位均低于典型黃土背景值，Rb元素含量除在馬蘭黃土層（L1）低于背景值外，在其余層位則高于背景值．

從GCZ剖面微量元素的UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線分布圖（圖5）可以看出，古洪水滯流層（SWD）、古土壤（S0）和馬蘭黃土層（L1）中的微量元素分布曲線的變化趨勢(shì)極為相似，其中微量元素Rb、Zn、Cu的分布曲線均靠近UCC分布曲線．Cr、Sr、Ni、Co元素的數(shù)據(jù)點(diǎn)則顯著偏離了上部陸殼的平均組成，與UCC相比表現(xiàn)出一些元素較明顯的虧損而另一些元素富集的特征，這可能是大陸化學(xué)風(fēng)化的效應(yīng)．不同地區(qū)的風(fēng)成沉積物相比，GCZ剖面黃土與洛川、關(guān)中黃土的微量元素含量差異較大，同種微量元素在古洪水沉積層（SWD）、古土壤（S0）與黃土（L1）中的變化趨勢(shì)是一致的，表明微量元素的變化主要由母質(zhì)決定（表3，圖5）．

表3 WH－GCZ剖面微量元素含量及與其他沉積物［4，29］的對(duì)比Tab．3 Content of trace element in the WH－GCZ profile and other deposits mg／kg

圖5 WH－GCZ剖面微量元素的UCC標(biāo)準(zhǔn)化曲線分布及與其他剖面對(duì)比圖Fig．5 Curves of trace element for the WH－GCZ profile standardized by UCC and comparison with other profiles

4 討論

4．1 磁化率

磁化率是表征物質(zhì)磁學(xué)特征的物理量，可以推斷樣品記載的環(huán)境變化信息、分析古氣候變化規(guī)律、為古環(huán)境研究提供可靠的磁學(xué)證據(jù)．由于古洪水滯流層磁化率較高，表明其物質(zhì)可能是被暴雨所侵蝕流域內(nèi)的地表土壤和風(fēng)化層被流水搬運(yùn)和沉積過程中發(fā)生了二次分選的產(chǎn)物．

通過與涇河中游全新世黃土土壤剖面地層結(jié)構(gòu)的對(duì)比，獲得了WH－GCZ剖面的基本年代框架．發(fā)現(xiàn)全新世古洪水滯流層正好處于全新世晚期黃土與全新世中期古土壤的界限位置，由于該界限在渭河流域被測(cè)定為3 100aB．P．，故可以初步斷定全新世古洪水滯流層記錄的特大洪水發(fā)生在3 200～3 000 a B．P．．根據(jù)古洪水滯流層上下的文化層，進(jìn)一步確證了古洪水發(fā)生的年代．而古洪水滯流層SWD和古土壤層S0上部的OSL測(cè)年數(shù)據(jù)更加確定了古洪水發(fā)生的年代．這個(gè)時(shí)期正是全球性的氣候從大暖期向干旱期突變轉(zhuǎn)折的時(shí)期［30］．世界各地的全新世氣候變化研究成果表明，該階段氣候劇烈變化，季風(fēng)格局發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，干旱與洪澇事件皆有發(fā)生．WH－GCZ剖面SWD（55～70cm）的磁化率由高降低，在64cm處存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折，由于磁化率可以很好的指示氣候變化，所以這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)指示了季風(fēng)氣候的轉(zhuǎn)型，即氣候發(fā)生突變，降水變率增大，從而導(dǎo)致特大洪水事件的發(fā)生．

4．2 化學(xué)元素

沉積物中化學(xué)元素的遷移與聚集除與其本身的理化性質(zhì)有關(guān)外，還受到當(dāng)時(shí)氣候環(huán)境的影響．在溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的常量元素會(huì)以氧化物的形式保留在地層中，而活動(dòng)性中等或較強(qiáng)的元素則可以較多地被溶解和遷移．WH－GCZ剖面中各個(gè)沉積層的SiO2、Al2O3和Fe2O3三者平均含量之和均超過70．0%，其中SiO2的含量較高（超過50．0%），說明土壤中的淋溶作用不是很強(qiáng)．相對(duì)而言，CaO、MgO、K2O、Na2O的含量都比較低，其中MgO、K2O和Na2O的含量均低于3．0%，CaO的含量剖面間差異較大，在1．76%～9．83%之間變化，可能與剖面形成過程中氣候溫暖濕潤(rùn)和寒冷干旱交替影響有關(guān)．S0中CaO含量明顯低于L1、洛川、關(guān)中古土壤和UCC，表明S0形成時(shí)期，氣候溫暖濕潤(rùn)，導(dǎo)致Ca淋溶遷移，并且WH－GCZ剖面所處地區(qū)是關(guān)中降水量最多的地區(qū)，有利于元素的遷移轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致脫Ca過程的加強(qiáng)．SWD中CaO含量明顯低于L1、洛川、關(guān)中古土壤和UCC，說明SWD在被流水搬運(yùn)和沉積過程中發(fā)生了二次分選，但未經(jīng)過明顯的風(fēng)化成壤改造，所以SWD與古土壤的理化性質(zhì)有明顯的區(qū)別．

文獻(xiàn)［31－33］認(rèn)為微量元素Sr、Co、Ni、Cr、Rb、Zn、Cu的含量變化與黏土礦物以及有機(jī)質(zhì)含量變化有密切關(guān)系．WH－GCZ剖面上微量元素Sr、Co、Ni、Cr、Rb、Zn、Cu含量在剖面自上而下的發(fā)生波動(dòng)變化，除Cr外，其他差異不大．Cu、Ni、Cr微量元素在古土壤層中都有一定程度的富集，是通過植物在生長(zhǎng)過程中根部的吸附而聚集的原因．而在古洪水滯流層（SWD）含量也較高，是洪水滯流物黏性吸附作用的結(jié)果；Zn、Rb在風(fēng)化成壤過程中相對(duì)比較穩(wěn)定，而且在剖面上的含量變化與磁化率呈正相關(guān)關(guān)系，這與陳俊等對(duì)陜西洛川所做的研究結(jié)論一致［34］；Sr屬于顯著移動(dòng)的元素，其濃度隨CaO濃度變化而變化，在剖面的S0和SWD中含量低，黃土層中含量都較高．但SWD中的Sr含量卻高于S0，主要是L0中被淋溶的Sr富集淀積在SWD中的緣故；Co含量在剖面上的變化則是由上向下遞減；Ni含量在剖面垂直方向波動(dòng)變化，在古土壤層出現(xiàn)峰值．

Cr、Cu、Zn在WH－GCZ剖面S0和SWD中的含量明顯高于洛川和關(guān)中古土壤，特別是Cr在S0中的含量是洛川古土壤的近8倍；Ni元素含量稍低于洛川古土壤，卻遠(yuǎn)低于關(guān)中古土壤；Co、Rb元素含量在整個(gè)剖面上介于洛川古土壤和關(guān)中古土壤之間；Sr元素含量在SWD介于洛川古土壤和關(guān)中古土壤之間，而在S0則低于洛川和關(guān)中古土壤．與上部陸殼（UCC）平均化學(xué)成分的對(duì)比表明，S0和SWD中Sr含量較低，其余元素含量均高于UCC．與之下伏的母質(zhì)相比，剖面中所有微量元素含量都低．

5 結(jié)論

WH－GCZ剖面磁化率分析結(jié)果顯示：低頻磁化率（Xlf）、高頻磁化率（Xhf）以及頻率磁化率（Xfd）均在古洪水滯流層發(fā)生波動(dòng)或明顯的轉(zhuǎn)折，而且頻率磁化率（Xfd）與低頻磁化率（Xlf）、高頻磁化率（Xhf）曲線呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明該次特大洪水發(fā)生在氣候轉(zhuǎn)型時(shí)期，即降水變率增大，從而導(dǎo)致特大洪水事件的發(fā)生．在全球變化和季風(fēng)氣候轉(zhuǎn)折變化的背景下，渭河流域氣候平衡狀態(tài)也被打破，氣候變化劇烈，植被退化，水土資源惡化，干旱災(zāi)害頻發(fā)．而渭河上游特大洪水事件的自然記錄，表明干旱與洪水都有發(fā)生．

地球化學(xué)元素分析結(jié)果顯示：WH－GCZ剖面中滯流沉積層中的常量元素含量與其下部的古土壤層及剖面中的其他黃土層明顯不同；而WH－GCZ剖面中滯流沉積層中的微量元素與其下部的古土壤層及剖面中的其他黃土層含量不同，但變化趨勢(shì)相似，說明古洪水滯流層與黃土層的來源物質(zhì)不同，而且被流水搬運(yùn)和沉積過程中發(fā)生了二次分選，但又未經(jīng)過明顯的成壤改造，因而SWD與古土壤的理化性質(zhì)有明顯的區(qū)別．

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