浑善达克沙地与锡林浩特全新世气候变化

浑善达克沙地与锡林浩特全新世气候变化

干沙地位于干草甸和漠草甸带，横跨半湿润半干旱和干旱气候区。年平均气温0.9～5.5℃。年均降水量240.3～422.6mm,蒸发量1455.4～2116.4mm,干燥度1.41～1.8。景观地球化学特点表现为硅铝-碳酸盐型风化壳。由于气候和地形的差异,影响了化学元素的积聚和迁移过程。全新世以来,区域气候有过多次冷暖干湿波动,环境化学作用也随之发生变化。本文根据浑善达克沙地全新世剖面化学元素分布特点和14C年代测定结果,讨论8kaBP以来地球化学元素迁移和积聚过程,进而推论其气候变化的规律。1区域地层的聚集特征1.1古土壤、丘间地、砂丘面水浑善达克沙地位于内蒙古高原东部,主要以固定、半固定沙丘为主,并有流动沙丘及湖泊、河流分布。全新世地层沉积包括风成沉积与河湖相沉积两种类型。风成沉积主要分布于沙地的中部和东部地区,可见的沙丘剖面厚度1～10m,由3～4层砂质古土壤与数层黄色至灰黄色风成砂叠覆而成(图1)。其中古土壤常以穹状覆盖于砂丘体之上。丘间地则是具有加积纹层的风成极细砂或粗粉砂与古土壤交替而成。此外在沙地的西部地区(苏尼特左旗、苏尼特右旗)还有风蚀戈壁沉积。河湖相沉积呈带状或岛状分布于沙地的宽阔洼地及河谷地带,由灰色或灰黄色河湖相沉积、黄色风成细砂、褐色古土壤叠覆而成;或完全由河湖相灰黑、青灰砂质粘土或砂质细砂组成。其地层厚度因地而异,但古土壤一般都发育在河湖相沉积之上的风成沉积中,如克什克腾旗西的源水头近地表是古土壤及风成砂,厚度分别为0.8～1.2m,下伏厚度达20～30m的风成砂与河湖相交错沉积,整个剖面厚近80m。1.2地层及古土壤层根据对区内5个发育较好的全新世剖面的岩性及沉积构造的对比分析,选择锡林郭勒盟锡林浩特市南7km(43°52′36.6″N,116°5′34.1″E)的风成砂与古土壤互层剖面作为全新世的代表,以5cm为间隔采集样品进行分析,以便研究该区地球化学环境的变迁。该剖面厚2.8m,由6层灰黄色风成细砂与6层灰、褐色古土壤叠覆而成,自上而下分为:1.弱发育古土壤。灰褐色粉砂质细砂,含有植物根系和虫孔,稍紧实,无层理,表面遭受风蚀,14C测年为(507±60)aBP。厚:10cm2.灰黄色风成细砂。松散、分选好,无层理。厚:20cm3.灰黑色古土壤。细砂,稍紧实,无层理,含有白色菌丝体,14C测年为(1154±65)aBP。厚:30cm4.灰黄色细砂。松散,分选较好,无层理。厚:20cm5.黑色古土壤。细砂质,紧实,无层理,土壤发育程度高,14C测年为(3003±46)aBP。厚:30cm6.浅灰黄色至灰色细砂。为过渡层。厚:10cm7.灰黑色砂质古土壤。紧实,无层理,含有白色菌丝体,14C测年为(4120±51)aBP。厚:20cm8.浅灰色细砂。与上层具有渐变关系,有微细水平加积纹层。厚:15cm9.灰黑色砂质古土壤。含白色钙质斑点,具有明显的CaCO3淋溶淀积现象,古土壤发育程度高,14C测年为(4826±85)aBP。厚:15cm10.灰黑色粗砂层。分选差,松散,与细砂层构成互层。厚:20cm11.砂质古土壤。粉砂质细砂,含有白色菌丝体,整个剖面中该层古土壤发育程度最高,顶部14C测年为(5332±74)aBP;底部14C测年为(6903±75)aBP。厚:35cm12.褐红色古土壤层。细砂质粉砂,与上层呈渐变关系。厚:25cm13.灰白色至褐红色极细砂。具有小的钙结层,结核很小,仅1cm左右,但胶结较差,多为硬质团块。厚:15cm14.灰黄色细砂层。分选好,无层理。厚:15cm,未见底2化学元素的分布特征2.1不同沉积类型的沉积物化学元素特征浑善达克沙地现代景观地球化学类型为硅铝-碳酸钙型。采用日本理学株式会社生产的X荧光光谱分析仪对48个不同类型的地表沉积物进行分析,结果表明(表1):SiO2的含量在68.37%～95.81%之间,平均含量84.02%;Al2O3含量范围为4.55%～11.33%,平均含量7.84%;Fe2O3含量1.15%～3.32%,平均含量1.85%;CaO含量0.31%～6.92%,平均含量1.35%;MgO含量0.11%～1.68%,平均含量0.51%;K2O含量2.17%～4%,平均含量2.86%;Na2O含量1.01%～3.15%,平均含量1.65%。不同沉积类型的沉积物化学元素也有较大差异。从表1中不难看出,流动沙地、半流动沙地、半固定沙地及固定沙地的化学元素特征具有明显的差异:随着沙地活动性增大,其SiO2含量呈递增趋势,即使半流动沙地与半固定沙地间的差异较小,但前者仍大于后者;K2O含量的变化与SiO2含量的变化一致;CaO含量的变化则相反;Al2O3、Na2O及Fe2O3、MgO、TiO2含量变化表现出的规律性较差。2.2古土壤高于风成砂的特征剖面化学元素分布具有如下变化规律(表2,图2):SiO2含量为72.7%～92.72%,平均含量81.9%,且表现出风成砂中含量高于古土壤中含量的特征;Al2O3含量为5.65%～11.27%,平均含量9.06%,表现出古土壤高于风成砂的特征;Fe2O3含量1.44%～3.14%,平均含量2.12%,古土壤中含量高于风成砂;CaO含量0.44%～4.66%,平均含量1.54%,古土壤中含量高于风成砂;MgO含量0.22%～1.43%,平均含量0.72%,古土壤中含量高于风成砂;K2O含量2.53%～3.52%,平均含量3.11%,古土壤中含量高于风成砂;Na2O含量1.14%～2.14%,平均含量1.7%,古土壤中含量高于风成砂。2.3湿润气候对古土壤钙、镁的淋失控制气候、地形和化学元素自身条件是影响地层中化学元素迁移的主要因素。地球化学研究结果表明,地层中化学元素氧化物变化反映着地层沉积环境的演化过程,是探讨气候变化的理想指标。表生地球化学元素中硅的化学性质相对稳定,且多以氧化物的形式存在,在反映气候变化的风化壳形成过程中,它较铝、铁的氧化物性质活泼,在温湿条件下先于铝、铁淋失。故浑善达克沙地的地层剖面中古土壤的SiO2含量相对较低(见表2);反之,在相对干冷的气候条件下,SiO相对富集,因此浑善达克沙地的地层剖面中风成砂的SiO2含量较高。铝、铁的化学性质相似,它们都较硅的化学性质稳定。温暖湿润环境下,由于其他元素的大量淋失导致铝、铁的相对富集;干旱多风的环境下,土壤水分偏碱性,其他元素不易淋失,而造成铝、铁含量相对减小。故浑善达克沙地古土壤中铝、铁含量明显高于风成砂中的含量(见表2)。钙、镁氧化物属于碱土金属,是化学性质中等或较强的元素,化学风化过程中钙、镁氧化物的析出一般在钾、钠之后,铝、铁之前。从气候条件分析,只有在半干旱半湿润的气候条件下,钙、镁才能被较多地淋溶迁移。钾、钠都是化学性质活泼的元素,表生带的风化作用中钾、钠均为可溶盐,容易产生淋溶迁移。但在植物生长较好的温湿条件下,植物对于钾、钠具有一定的吸附作用,植被死亡以后,它们又回到土壤层,造成钾、钠的相对富集。因此,地层中钾、钠含量的增加反映气候发生暖湿变化,浑善达克沙地古土壤中钾、钠含量高于风成砂,正是对这一规律的反映(见表2)。为了便于研究古气候的变化,化学元素的综合参数被广泛应用于研究之中,主要有如下几种参数:硅铁铝率(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))硅较铁、铝活泼,干旱气候条件下,由于硅淋失较少,而其值较大;湿润气候条件下硅因淋溶而减少,铁、铝相对富集,其值较小(图3)。图3中硅铁铝率变化有5个明显的高峰,表明气候出现了5次干冷事件。淋溶系数(SiO2/(RO+R2O))SiO2较CaO、Mg和K2O、Na2O的化学活动性差,且更难溶于水,故风化过程中淋失较难。一般情况下,温湿气候时CaO、Mg和K2O、Na2O的淋失会导致其值增大,但实际情况下由于生物吸附作用超过它们的淋失率,反而导致其值降低(图3)。残积系数((Al2O3+Fe2O3)/(RO+R2O))该值减小,说明风化淋溶作用较弱,气候干旱;该值增大,说明Al2O3、Fe2O3残积较多,气候温暖湿润。锡林浩特剖面中残积系数出现2个明显的峰值(图3),表明有两个相对温暖湿润的气候阶段。退碱系数((K2O+Na2O+CaO)/Al2O3))Al2O3在风化过程中相对稳定,淋失较少。K2O、Na2O、CaO的化学性质较活泼,容易发生淋溶和积聚,本区地层在发育古土壤的湿润时期,其值增大,表明古土壤发育时为草原环境。钠钙比(Na2O/CaO)Ca是草原环境的标型元素,Na是荒漠草原的标型元素,Na2O/CaO是环境荒漠化程度的指数,反映荒漠化发展的状况。比值增大表明环境向荒漠草原方向发展,比值减小表明环境向干草原方向发展。3古土壤气候半干旱-干旱综合地层化学元素分布特点及化学元素的气候指征意义,近8kaBP来地层中SiO2含量、Na2O/CaO波动式地增加,铁、铝含量不断减少,表明气候变化具有不断干旱化的趋势。同时残积系数、退碱系数、钠钙比的变化具有明显的阶段性,即7.1kaBP前其值小于或大于平均值,7.1～5.5kaBP其值大于或小于平均值,5.5～3.5kaBP其值小于或大于平均值,3.5kaBP之后钠钙比总大于平均值,残积系数波动式地减少,退碱系数波动式地增加。据此可将气候变化划分为如下几个阶段:8060～7100aBP气候相对干旱,地层堆积风成砂,地层沉积物的硅铁铝率、淋溶系数、残积系数及钠钙比都表现出由大变小的规律,SiO2含量在83%左右(见表1),表明沙丘以半流动、半固定为主,应为荒漠草原或干草原环境。这与敦德冰芯揭示的低温事件对应,此时恰是新冰期的第一冷期,区域气候为寒冷半干旱-干旱。7100～5500aBP气候温暖半湿润,地层发育古土壤,硅铁铝率、淋溶系数、退碱系数呈现低值,残积系数增大,表明温度升高,降水增多,淋溶作用增强,沉积物的残积成份增多,气候温暖湿润程度达到全新世之最,SiO2含量仅有77.08%(表1),远低于固定沙丘的含量,表明沙丘被完全固定,环境为草原。5500～3500aBP地层出现多次古土壤与风成砂的更替,沉积物残积系数较低,退碱系数增大,硅铁铝率、淋溶系数及钠钙比出现多次波动,表明这一时期气候出现剧烈的波动,其中5.5～5kaBP期间地层出现风成砂沉积,硅铁铝率、淋溶系数及钠钙比明显增大,气候干旱,在时间上与新冰期第二冷期对应;5～4.5kaBP地层发育古土壤,硅铁铝率、淋溶系数及钠钙比减小,铁铝含量增大,气候出现暖湿波动,气候半干旱。内蒙古土默特平原北部气候变化过程与此十分相似;4.5～4kaBP地层中再次出现风成砂沉积,SiO2含量增加,铁铝含量少,硅铁铝率、淋溶系数及钠钙比增大,气候出现干旱波动;4～3.5kaBP地层再次发育古土壤,地层中硅、钾、钠含量降低,铁、铝、钙、镁含量增大,硅铁铝率、淋溶系数及钠钙比减小,表明气候出现湿润波动,但从钙镁含量增大的事实来看,降水增大的幅度不大,整个环境应该为荒漠草原,气候半干旱。3500aBP至今地层中同样出现了多次古土壤与风成砂的更替,SiO2含量普遍偏大,铁、铝、钙、镁含量偏小,钾、钠波动式地增加,硅铁铝率、淋溶系数及钠钙比较大,为全新世最为干旱的时期。其中3.3～2.2kaBP期间地层发育古土壤,土壤发育程度仅次于全新世鼎盛时期,此时地层沉积物中的SiO2含量明显减小,铁、铝、钙、镁含量增加,硅铁铝率、淋溶系数、退碱系数及钠钙比呈明显的谷值,气候半干旱-半湿润;2.2～1.9kaBP地层沉积风成砂,SiO2含量明显增大,铁、铝、钙、镁、钾、钠的含量也明显减小,出现谷值,硅铁铝率、淋溶系数、退碱系数及钠钙比则明显增大,表明气候出现干旱波动,元素淋溶小,植物少,植物对元素的吸附作用小,气候干旱;1.9～0.9kaBP地层发育古土壤,铁、铝、钾及钠明显增多,硅铁铝率、淋溶系数及钠钙比出现明显的谷值,气候出现湿润波动,古土壤上部形成时间大约为850～1050aBP,时间上与中世纪暖期接近(公元900～1300年);0.9～0.3kaBP地层出现风成砂沉积,SiO2的含量、硅铁铝率、淋溶系数、退碱系数及钠钙比值明显增加,铁、铝含量减小,气候出现干旱波动,风沙活动最强烈的时间与小冰期时间一