大廠凹陷MIS3階段以來沉積物地球化學特征分析

劉曉燕, 戴訓也, 袁四化

(1.河北省地震動力學重點實驗室, 三河 065201; 2.防災科技學院地球科學學院, 三河 065201;3.中國地質大學(北京) 地球科學與資源學院, 北京 100083)

晚更新世末次冰期期間,北大西洋深海沉積物有孔蟲氧同位素記錄表明,氣候經歷了劇烈的降溫階段(MIS2)[1]、反復多次的千年尺度的大規(guī)模冰筏碎屑Heinrich事件[2]和冰消期期間的多次冷暖交替氣候事件,其中新仙女木事件(Younger Dryas,YD)是冰期向全新世冰后期的最后一次快速氣候變冷事件[3],這次事件的出現也標志著氣候狀態(tài)正式轉暖進入全新世冰后期階段。 同時期內,中國東亞季風區(qū)也經歷了明顯的冷暖變化。這些氣候事件與地質載體中記錄的氣候變化基本同步,如中國南方的洞穴石筍[4]、中國黃土高原的黃土[5]以及黃、渤海的沉積物[6-7]。

圖1 區(qū)域地質背景及采樣剖面位置圖Fig.1 Regional geological background and geographical position of the sampling profile

學者們在中國北方季風區(qū)開展大量工作。Li等[7]認為在山東半島萬年時間尺度上不同沉積載體的季風變化特征與全球氣候變化具有較為一致的認識。Yang等[8]認為,在末次冰盛期(Last Glacial Maximum, LGM)期間和YD時期冬季風占主導,溫暖期則伴隨夏季風的增強。同樣在毛烏素沙漠區(qū)千年尺度的氣候變化也反映了東亞冬季和夏季季風的交替變化,這是該時期全球氣候變化的區(qū)域反應[9]。華北地區(qū)發(fā)育大面積河湖相沉積,為古氣候研究的良好載體,研究認為日照是該區(qū)最后一次冰消融變暖的最終觸發(fā)因素。保定平原氣候記錄表明,該區(qū)河流沉積相變與區(qū)域黃土氣候變化密切相關[10]。北京平原區(qū)的河湖相沉積記錄表明,該區(qū)存在千年尺度氣候事件,與全球氣候具有一定同步性[11]。但是有關千年尺度的事件的記錄存在差異,另外關于該區(qū)的末次冰期的氣候記錄也存在一些不同認識[8,12-13]。大廠凹陷位于華北平原西北,緊鄰北京平原,該區(qū)作為區(qū)域地質凹陷區(qū),第四系沉積物發(fā)育良好,具備研究古氣候的天然載體,雖然前人在該區(qū)開展過相關研究,但限于孢粉氣候帶的劃分[14]、磁化率變化旋回分析[15]、磁性地層學[16-17]等方面。在前人工作基礎上,現采用高密度14C測年方法和地球化學指標綜合分析大廠凹陷天然剖面末次冰期-冰消期的沉積物千年尺度古氣候演變特征,討論氣候變化驅動因素,研究結果可有助于全方位理解中國華北地區(qū)季風氣候區(qū)特征,為全球氣候變化研究提供基礎數據。

1 區(qū)域地質背景與采樣剖面

研究區(qū)位于北京平原東部,東亞季風區(qū)的西北部,屬于現代河流形成的沖積平原。整體位于華北平原的北緣,北倚燕山,西鄰太行,東南至渤海。晚新生代地層發(fā)育[18-20],不同時期的斷陷活動使該區(qū)形成了一系列地壘與地塹[21]。其中大廠凹陷與大興凸起被三河-平谷地震帶的發(fā)震斷裂夏墊斷裂相隔開來(圖1)。第四紀期間,受夏墊斷裂的活動性影響,兩盤發(fā)生不同程度的差異沉積[22]。作為下降盤的東南盤,第四系沉積較為發(fā)育和連續(xù),是研究第四紀古環(huán)境演變的良好場所。前人在該區(qū)已開展古地震旋回周期[23-24]、磁性地層學[25]和天文旋回[15]等相關研究,為本研究的開展奠定基礎。

本次研究的剖面位于大廠凹陷西緣夏墊齊心莊(圖1),構造位置屬于夏墊斷裂的上盤。采樣剖面厚約9 m,未見底,早期沉積物以黑色、黑灰色黏土夾粉砂為主,晚期沉積物以黃褐色、土黃色黏土質粉砂和黏土為主,如圖2所示。剖面自下而上的順序分別采集了8件放射性碳14C測年樣品和15件地球化學沉積物樣品,樣品的14C年齡的測試由北京大學考古研究所完成。

圖2 采樣剖面及深度-沉積年齡擬合圖Fig.2 Chart of sample profile and sedimentary ages

2 測試方法

本次地球化學元素測試使用儀器是(ICP-MS)ELEMENT ME-MS61型雙聚焦電感耦合等離子質譜儀,根據實驗要求,測試過程中加入標準樣3件。將所采集的第四紀沉積物樣品自然風干后,用瑪瑙研缽研制至200目,依次用王水、鹽酸、硝酸和高純水在110 ℃煮容器,分別放置2 d,最后一步每2 d煮沸1次共煮2次。然后采用酸溶法分解樣品,具體步驟如下:①樣品稱量前在105 ℃溫度下烘干2～3 h;②在精密天平上沉重0.05 g;③加高純水潤濕樣品;④加硝酸1 mL,氫氟酸0.5 mL,放置電熱板上140 ℃蒸干;⑤加硝酸1.5 mL,氫氟酸0.5 mL,雙氧水0.5 mL放入高壓伏,擰緊,放入烘箱,溫度設定為190 ℃,烘干48 h;⑥放置電熱板140 ℃蒸近干,加硝酸1 mL,140 ℃蒸干;⑦加50%硝酸3 mL擰緊放入高壓伏,放入150 ℃烘箱烘干12 h;⑧定溶上機測試。

3 實驗結果

3.1 剖面年齡

通過8個加速器質樸獲取的放射性碳14C年齡之間的線性插值建立了齊心莊沉積剖面的年齡模型(圖2)。結果表明,該剖面沉積序列的年齡跨度為8.2～32.5 ka B.P.。該結果與前人在相鄰沉積剖面的年代測試結果一致[16,26],整體平均沉積速率為26.6 mm/a。

3.2 主要氧化物含量結果

表1為主要氧化物的測試結果,表明:SiO2值為最高,其次為Al2O3,另外TFe2O3和CaO的值相差不多,說明本剖面沉積物呈現明顯的富硅、鋁現象。圖3為齊心莊剖面的氧化物含量隨著深度的垂直變化,整體上看,Al2O3與TFe2O3、MgO、CaO、MnO等含量具有基本一致的變化趨勢,且隨氣候變化呈現不同的變幅。

表1 齊心莊剖面沉積物主要氧化物含量Table 1 Typical trace main oxyde content of sediment profile in Qixinzhuang

3.3 沉積物微量元素測試結果

表2為該剖面沉積物的微量元素測試結果,表明:微量元素的Sr和Ba相對其他微量元素呈現明顯的高值。圖4為齊心莊剖面的微量元素含量隨著深度的垂直變化。Sr和Ba呈現較為一致的變化規(guī)律,與Rb、Sc、V、Pb和Cr 5種元素呈現的變化趨勢相反?？傮w表現出5段大致相似的變化規(guī)律,一定程度上反映了環(huán)境變化的規(guī)律。

圖3 齊心莊剖面沉積物XRF分析曲線Fig.3 Vertical profile of the XRF analysis of the sediments in Qixinzhuang section

表2 齊心莊剖面沉積物典型微量元素含量Table 2 Typical trace element content of sediment profile in Qixinzhuang

續(xù)表

圖4 齊心莊剖面沉積物微量元素質量分數曲線Fig.4 Vertical profile of trace elements versus depth of the sediments in Qixinzhuang section

4 古氣候分析與討論

4.1 沉積物主量元素含量變化分析

過去氣候特征可以通過影響沉積物中的地球化學行為的方式而被記錄下來[27],表生沉積物中的元素含量變化直接反映氣候、沉積環(huán)境及元素自身化學性質的影響[27-29]。K、Na屬于活潑易溶元素,在化學風化作用初期,便易發(fā)生流失;隨著化學風化程度的加深,較為穩(wěn)定的元素Ca、Mg等元素也以碳酸鹽的形式發(fā)生流失;環(huán)境變化越是溫暖,地表沉積物中的穩(wěn)定元素的流失越徹底,最終Si元素也以膠體的形式流失,最終風化的物質通過不同的地質營力在合適的地貌位置沉積下來。因此,沉積物中不同性質的氧化物的含量的多少可以反映環(huán)境變化的程度[30-31]。

溫暖濕潤的氣候條件下,化學風化程度高,淋溶作用相對較強,活潑元素大量遷移,而Al、Mg、Mn穩(wěn)定元素相對富集。而SiO2和Na2O的變化規(guī)律和Al2O3、TFe2O3、MgO相反,在濕潤氣候條件下,最容易被流失的Na2O,在剖面的總含量相對較少,反映了該區(qū)總體溫濕的氣候背景。K2O的變化規(guī)律與Al2O3、TFe2O3、MgO含量在垂向上出現了較為一致性的現象,而K2O與Na2O具有較為一致的化學性質,這有悖于元素的性質與氣候的關系,認為可能原因是K+已被吸附所導致。這一點在其他研究中也有出現[32]。

對于微量元素來講,一般通過微生物的活動呈現富集和虧損的狀態(tài)。微生物的活動性的強弱則受氣候環(huán)境變化的直接影響[27]。溫度高、環(huán)境濕潤則有利于微生物的活動,則微量元素較為富集,反之,則含量較低。因此,可以通過微量元素的多少來反映環(huán)境變化的趨勢。

4.2 沉積物元素比值含量的古氣候意義

鑒于沉積物含量變化的復雜性,那么在確定沉積物地質營力和來源的情況下,則可以較有效地分析其在氣候環(huán)境變化的趨勢。通過分析前人在該剖面相鄰剖面開展的沉積物粒度分析可知[26],在齊心莊剖面的沉積物平均粒徑的變化與本文研究的氧化物及微量元素的變化,二者之間并不存在明顯的相關性,那么可以推測沉積環(huán)境對其含量變化的影響較小。

基本上,即含量的變化可以反映出氣候變化的趨勢。在第四紀古氣候環(huán)境的反演過程中,除了直接應用單個氧化物或微量元素環(huán)境指標以外,還常采用氧化物含量比值來反映氣候變化趨勢[31-36]。Al2O3含量高表明為濕熱的環(huán)境條件;在沉積物中,Na元素含量高時說明為降水少、干旱的環(huán)境,K/Na的比值大說明為濕熱的氣候條件;K/Na減小,說明氣候趨于干旱的自然環(huán)境。Al/Na比值高,說明氣候濕熱;比值小,環(huán)境較干旱。

在表現風化程度方面,化學蝕變指數(chemical index of alteration, CIA)和化學風化指數(chemical index of weathering, CIW)這兩個指標應用廣泛,其數值越大,說明風化程度越高。一般而言,當CIA介于0.4～0.5表示沉積物未受化學風化,CIA介于0.5～0.65反映的為寒冷干燥的氣候條件[37]。其中,化學蝕變指數(CIA)表達式為

(1)

表達式實質上是Al2O3與不穩(wěn)定氧化物的比值,該值與風化程度成正相關,比值越大,風化強度越大。表達式中CaO*的計算方法為CaO*=0.35×2Na2O/62。

化學風化指數(CIW)表達式為

(2)

CIW與CIA計算原理相似,但在計算過程去除了元素K,這是為了后期成巖作過程中K的沉積再循環(huán)作用對結果產生影響,所以在鉀元素含量高的地層中CIW則不太適用。

圖5 元素比值隨深度變化曲線與CHZK1鉆孔δ13Corg[11]、粒度參數[44]、格陵蘭冰芯氧同位素[37]和葫蘆洞石筍氧同位素對比圖[42]Fig.5 Comparison of element ratios with depth and δ13Corgin CHZK1 borehole[11], grain size parameters[44],Greenland ice core oxygen isotope[37]and oxygen isotope correlation diagram of Huludong stalagmite[42]

另外,定量化古溫度方面主要考慮沉積物的赤鐵礦的礦化程度,一般來說,與氣候的冷暖變化呈線性關系,即赤鐵礦的礦化程度越高,則反映的氣候越加炎熱濕潤;相反,赤鐵礦的礦化程度越低,則反映氣候干燥和涼爽[37]。推算公式為

(3)

式(3)中:t為推算的古溫度值;T為某地區(qū)的現今年平均氣溫;M為某樣品Fe3+/Fe2+與平均值之差;m為各樣品的Fe3+/Fe2+平均值,計算結果如圖5所示。

4.3 氣候變化及影響因素分析

14C測年結果表明,大廠凹陷齊心莊剖面的沉積時代從32.5 ka到8.2 ka,跨越深海氧同位素3階段-1階段(MIS3-MIS1)[1],主體處于深海氧同位素2階段(MIS2),MIS3階段為末次冰期中的一個較溫暖的間冰階狀態(tài),MIS2時為末次冰期的全盛期階段,也稱為末次冰盛期階段,MIS1包括末次冰消期至冰后期的氣候狀態(tài)[1,38]。同期的暗針葉林孢粉記錄表明,北京地區(qū)此時處于極端寒冷的氣候[39]。

來自格陵蘭冰芯,北大西洋,歐亞大陸的古氣候記錄表明,在末次冰盛期期間氣候不穩(wěn)定并包括一系列萬年-百年尺度氣候事件[40-45],如B?lling-Aller?d暖期(B-A,14.7～12.9 ka)和新仙女木事件(12.9～11.7 ka)等(圖5)。這些氣候證據也同樣發(fā)現在東亞季風區(qū),葫蘆洞地區(qū)14.7～12.9 ka溫暖和濕潤狀態(tài)以及12.9～11.7 ka寒冷干旱的氣候狀態(tài)可能與B-A暖期與新仙女木事件有互相對應的關系[42]。北京地區(qū)的千年尺度H氣候事件,相對前后時期末次冰期盛冰期(MIS2)呈現相對寒冷的氣候狀態(tài),這種變化與區(qū)域全球事件具有一定的同頻性[11]。另外,該區(qū)石筍δ18O記錄也表明其變化可反映區(qū)域夏季風強弱變化,指示該區(qū)氣候受區(qū)域氣候的影響[46]。

大廠凹陷地區(qū)氣候指標中變化比較強烈波動出現在14.7～10.7 ka時段,氣溫較之前也具有明顯的波動(圖5),此時古溫度呈現從8～19 ℃大幅度的變化,主量、微量元素、CIA、CIW等指標在該時段也出現相同的從高而低的變化特征。北大西洋西部的中緯度的海洋表面溫度迅速增加到15～17 ℃[47]。對于32.5～14.7 ka B.P.的主量、微量元素變化及氣溫的變化中,古溫度整體變幅不大,基本維持在10 ℃左右,除K/Na與Al/Na氧化物比值變幅較大,CIA與CIW的變化幅度較弱或基本維持不變,這一點與前人在鄰區(qū)北京平原昌平鉆孔的研究結果具有一定可比性[11],整體趨勢的變化與格陵蘭冰芯氧同位素所呈現趨勢也基本一致,但是與此時葫蘆洞石筍氧同位素呈現的變化趨勢稍有不同[42],這可能與不同研究載體的取樣密度有關?？傮w上說,該區(qū)氣候變化的規(guī)律和特征受控于整體冬季季風區(qū)域內的氣候變化機制影響。這些地質記錄支持了MIS3-1階段的東亞季風區(qū)對全球氣候事件的沉積響應。

5 結論

在大廠凹陷西緣的齊心莊剖面開展了放射性碳14定年和地球化學主、微量測試研究工作。定年顯示,該區(qū)整體沉積速率較快,沒有出現沉積間斷,這與所處的構造地貌位置相關。在MIS3-1(30.55～10.8 ka)期間,14.7～11.7 ka的古溫度顯示8～19 ℃的大幅度變化,這與其他地球化學指標綜合表明該區(qū)氣候與東亞季風區(qū)氣候變化具有很好的一致性,而這種一致性也體現在全球B-A暖期與YD新仙女木冷期事件。但在MIS2早期氣候變化趨勢與區(qū)域氣候對比,細節(jié)存在偏差,這與采樣密度的多寡不無關系,今后可以加強本區(qū)更長時間尺度和更高密度的相關研究。