镇江下蜀黄土磁化率记录的古气候意义

镇江下蜀黄土磁化率记录的古气候意义

20世纪70年代，随着稳定平等理论的完善和分析技术的迅速改进，深圳沉积物中的孔虫和氧平等的研究取得了进展，建立了海洋第四纪古环境乃至世界冰量变化的记录模式。根据近年来中国北方风成堆植物的研究结果，黄土-古土壤条件的磁化率曲线可以作为东亚夏季风变化的使用指标，也是中国北方古气候的记录模式。下蜀黄土作为长江中下游地区重要的第四纪沉积物，其结论与下游蜀黄土形成良好的对比。长江中下游地区的下蜀黄土及其后代对研究和显示世界第四纪变化具有其重要性。然而，由于下蜀黄土的沉积量和沉积速度小于北方黄土，下蜀黄土反映的古环境信息的精度往往不高。通过谨慎选择，对江苏省镇江港的下蜀黄土段进行了详细的野外观察和样品分析。系统磁化率研究表明，自s2以来，下蜀黄土磁化率数据的古代气候变化与代表世界冰量变化的深度-地壳运行率呈良好的比例。下蜀黄土的研究和发展。1结构与结构概况大港剖面位于江苏省镇江市以东约20km处(图1),地处面向长江的下蜀黄土岗地北坡的国亨化工厂工地,为宁镇山脉与茅山山脉相互交汇地段,属北亚热带气候,年平均气温为15.4℃,冬季一月平均气温约2.4℃,年均降水量约1066mm.剖面顶高海拔26.5m,剖面总厚59.5m,其中上部0～18.5m深度为人工剖面,以下18.5～59.5m为钻孔取样.根据出露剖面和钻孔样品的沉积结构特征、沉积物颜色、紧实程度、层间接触关系等对剖面进行层次划分,整个剖面(钻孔)表土层以下可分为16个层次,自上而下依次为:表土层,棕黄色粘土质粉砂,结构疏松,受流水和生物扰动明显,厚0.4～0.5m;1.古土壤层,黄褐色粘土质粉砂,结构松散,有孔隙,见植物根系,厚0.3～0.4m;2.黄土层,棕色粘质粉砂,结构致密,含较多铁锰胶膜,该层有弱成土作用,厚2.2～2.5m;3.古土壤层,棕褐色粘土质粉砂,中上部结构致密,下部结构较疏松,厚4.4～4.6m;4.黄土层,棕黄色粘土质粉砂,结构疏松,有细小孔隙,中部含少量铁锰胶膜,颜色偏深,厚9.0～9.5m;5.古土壤层,黄褐色粘土质粉砂,质地较纯,中上部结构较致密,下部结构相对较疏松,厚6.5m;6.黄土层,黄棕色粘土质粉砂,厚1m;7.古土壤层,黄褐色粘土质粉砂,含少量铁锰质结核,厚0.9m;8.黄土层,棕黄色粘土质粉砂,厚2.1m;9.古土壤层,棕褐色粘土质粉砂,结构较致密,含较多铁锰质结核,厚0.8m;10.黄土层,浅黄色粘土质粉砂,结构较疏松,厚1.8m;11.古土壤层,棕褐色粘土质粉砂,质地较纯,手感较细腻,厚2.1m;12.黄土层,灰黄色粘土质粉砂,中上部含较多铁锰质结核,中部夹含青白色高岭土团块,厚12.4m;13.古土壤层,粘土质粉砂,见铁锰质结核,厚2.9m;14.黄土层,灰黄色粘质粉砂,厚3.0m;15.古土壤层,棕红色粘土质粉砂,结构致密,富含铁锰质结核,厚2.6m;16.残积层,棕红色残积风化土层,未见底.剖面中,7个黄土层与8个古土壤层交替叠置形成下蜀黄土-古土壤旋回序列.全剖面按10cm密度共采集磁化率测试样品595块,全部采用BartingtonMS2型磁化率测试仪进行室内质量磁化率测试、计算,获得了完整的下蜀黄土剖面磁化率变化曲线(图2).2原则:磁化率曲线与政策执行的时域关系由于缺乏明显的岩石地层学标志,下蜀黄土还没有实现统一的地层学划分和对比.最近,刘东生等明确提出了以深海沉积氧同位素阶段(即MIS)为对比基础的陆相气候地层方案,建立以MIS为参照系统而划分和对比的中国第四纪地层表.受此启发,我们尝试将下蜀黄土的磁化率曲线作为对比标志与MIS进行气候地层对比.镇江下蜀黄土-古土壤磁化率曲线自上(S0)至下(S7)可划分出7个较明显的峰谷旋回,与深海沉积氧同位素阶段(MIS)对比(图2),下蜀黄土沉积应为中、晚更新世的风尘堆积,推测其下限年代约为700～800kaBP,即达到了中更新世早期.大港剖面地下水位深度约为23.7m,从图2看来,自L3往下,各地层地下水的长期浸泡对磁化率产生了较大的次生改造作用,L3以下的磁化率曲线虽然仍清楚地显示了旋回波动规律,但已不能精确地指示古气候变化,本文不做过多讨论.S2以来下蜀黄土磁化率曲线能够与深海沉积氧同位素曲线1-7阶段进行良好的对比,两者之间表现出来的细节变化有着惊人的相似性.其中,S0表现为高值,可与氧同位素1阶段对比,为一高温期.L1可以进一步划分为3层黄土(L1-1、L1-3、L1-5)和两层弱发育的土壤(L1-2、L1-4),这与北方黄土有着很好的对应.L1-1和L1-5磁化率呈较明显谷值,可分别与氧同位素2和4对比;L1-2、L1-3、L1-4整体上可与氧同位素阶段3对应,其两个峰和一个谷的组合与氧同位素曲线及北方黄土磁化率曲线对应良好,暗示三者之间存在的一致性.末次间冰期发育的S1古土壤层由3层古土壤亚层(S1-1、S1-3、S1-5)夹两层弱成土亚层(S1-2、S1-4)叠置而成,磁化率曲线形成明显的三峰夹两谷的形式,正好可与深海氧同位素曲线5阶段相对比,表明这一时期的古气候特点是在湿而热的背景下有两次干冷波动,这也是首次在下蜀黄土记录中发现相当于深海氧同位素5a,5b,5c,5d和5e亚阶段的波动特征.其中S1-1、S1-3、S1-5磁化率曲线呈峰值,分别对应于深海氧同位素曲线的5a、5c和5e;S1-2和S1-4磁化率曲线呈谷值,对应于氧同位素5b和5d.L2黄土层磁化率曲线整体呈谷形,但该层中部成土作用较强,磁化率值较高,从而形成两谷夹一峰曲线形态,可与深海氧同位素阶段6及洛川黄土L2层相对比,3者均反映了总体冷干、中间经历过相对暖湿的气候环境.大港剖面中与深海氧同位素曲线可比性最好的是S2古土壤层,首先,该层与S1相类似,磁化率曲线亦表现为三峰(S2-1、S2-3、S2-5)夹两谷(S2-2、S2-4)的变化态势,反映了该时期古气候演变也经历了3次暖湿间夹两次相对干冷的波动,这与深海氧同位素阶段7正好对应;同时,磁化率曲线揭示,S2古土壤发育期内各个次级气候期的相对湿热程度依次为S2-1>S2-3>S2-5>S2-2>S2-4,这与深海氧同位素曲线7阶段所揭示的气候变化情况完全吻合,表明该段时期两者无论是大的气候波动还是次一级的冷暖变化均存在可比的一致性.3测试的局限性和未来研究方向下蜀黄土-古土壤沉积序列记录了该区古气候的冷暖旋回历史,剖面中的古土壤层指示了温暖湿润的成壤时期,当时由于气候温和多雨,地表植被繁茂,植物根系发达,前期风尘堆积作用形成的地表物质经历了较强的生物化学成壤作用;黄土层则代表了干凉时期的风尘堆积,由于气候干冷,风力作用加强,而地表植被密度小,附近干枯的河床湖滩裸露,冬季风带来的北方粉尘和附近的河湖相沉积物增多,粉尘堆积速率加快,干凉期之前形成的土壤层被埋藏而成为古土壤,地表的生物化学成壤作用较弱.我们所做的大港剖面L1黄土层底部OSL测年为(59.6±2.7)kaBP,L2黄土层下部OSL年龄为(135.8±8.0)kaBP,所测的两个年龄值比相对应的深海氧同位素阶段的时间标尺都要偏新一些,似乎下蜀黄土的沉积时代与深海氧同位素时代之间存在一定的时差问题,即下蜀黄土的沉积时代滞后于深海氧同位素时代.对于这个问题,可能存在两方面的原因.首先要考虑的是光释光测年的误差:由于大港剖面处于亚热带地区,剖面遭受过较强的风化作用,我们虽然选用了热稳定性较好的石英颗粒作为被测矿物,采用了绿光释光测年技术(GLSL)进行测定,但还是不能保证能完全避免石英矿物的释光信号存在异常衰减(anomalousfading)现象的可能性,从而有可能造成所测年龄值低于实际年龄值;其次,下蜀黄土序列对气候变化的响应与深海氧同位素组成对气候变化的响应可能确实存在一定的相位差,深海沉积记录受全球冰量变化的直接驱动,对气候的响应可能要更为敏感一些.尽管对黄土-古土壤序列磁化率值变化的机制还在进一步的探索之中,但对成土过程中形成的非常细小的强磁性颗粒造成古土壤磁性增强这一点已得到广泛认可.当气候温暖湿润,成壤作用加强,细颗粒的铁磁性矿物富集,引起古土壤高磁化率值;黄土则反之.因此,黄土-古土壤磁化率变化是区域古气候变化的直接反映,并被作为区域夏季风变迁的代用指标.而深海沉积物氧同位素曲线记录了全球冰量的变化,当冰量加大、水温降低时出现较高的负异常值;当冰量减少、水温升高时则出现较低的负异常值.因此δ18O的变化是全球古气候变化的直接反映,能提供较完整的全球变化信息.下蜀黄土磁化率记录与深海氧同位素记录之间的对比,实际上反映的是下蜀黄土分布地区——长江中下游陆区对大洋海域古气候乃至全球古气候变化的响应.从对比中可以看出,一方面,下蜀黄土记录的古气候变化能够与深海氧同位素进行较详细的对比,表明下蜀黄土保存了丰富的全球变化气候信息,揭示了最近20多万年以来,长江中下游地区对全球古气候变化有着较积极的响应,下蜀黄土堆积序列可以做为该地区全球变化研究的古相似体(Pale-analogue);另一方面,更详细的比较可以发现,下蜀黄土记录的古气候变化在某些阶段又具有明显的区域特征,如末次间冰期内(对应地层S1),次一级的旋回次数虽然可以和深海沉积记录对比,但各个间冰阶之间所体现的相对温湿程度差异却与深海记录有所不同,表现为S1-1间冰阶最为温湿,而不是深海氧同位素5e阶段对应的S1-5间冰阶,反映出古气候演化在陆地和海域的水热状况存在着一定的差异.这种差异可能是由于下蜀黄土分布区为东亚季风活跃活动区,区域古气候变化深受季风气候的影响而具有鲜明的区域特征.从这个意义上说,下蜀黄土的磁化率记录可能反映了全球气候变化效应与东亚古季风气候影响的叠加作用.黄土高原黄土-古土壤序列以其沉积连续、地层完整详细而被认为是最好的陆相古气候信息载体之一,可与深海沉积物和极地冰芯记录相媲美.而长江中下游地区下蜀黄土等风成堆积序列沉积速率及沉积通量均要低于北方黄土序列,因而一直被认为在古气候信息记录上显得精度不高,对古气候变化的反映不够敏感.本次测试研究却表明,镇江下蜀黄土磁化率记录与深海沉积记录的可比性在某些阶段(如S2和S1)甚至超过了洛川黄土.这种情况可能的原因是:一方面下蜀黄土堆积区距海域更近(图1),受