不同年代腾格里沙漠演化的时间序列

不同年代腾格里沙漠演化的时间序列

地质时期沉积物的形成和发展是沙漠形成和发展的直接或间接迹象。风是一种有效的分选介质,沙物质在搬运和堆积过程中产生沉积分异,在其下风向出现相应的风尘沉积相带,二者在成因与分布上具有孪生关系。只要某个地质时期地表曾经存在沙漠,在当地地层中就会留下古风成砂,而下风向外缘地带出现风尘沉积。因此,沙漠外缘地带的风成沉积中记录着能够间接指示沙漠演化的信息。有关腾格里沙漠的变迁曾不同程度地开展了一些工作,但是末次冰期以来沙漠演化的时间序列仍不清楚,不同时期空间展布尚无报道。鉴于此,作者对腾格里沙漠东南缘进行了广泛的地质、地貌调查,选择风成相带拟初步建立较为明确的沙漠演化的时空格局。腾格里沙漠演化时空格局的建立,对于完善我国沙区环境演化的研究和认识我国干旱区环境的变化与全球变化的关系具有一定的科学意义。1层分布、典型剖面和时间序列1.1级台阶上的沙地腾格里沙漠东南缘的香山北麓发育两级台地,一级台地为山前冲洪积台地,由厚约50m的冲洪积相构成。中卫县东台乡、西台乡就位于这一级台地上。一级台地上可以见到片状沙地,多为“古沙翻新”。与一级台地比较,中卫南山剖面所在的二级台地,并未见到冲洪积相沉积物。台面上随处可见裸岩,在较低洼的地段可见到黄土、亚砂土叠覆的风成沉积物。亦出现片状沙地,为亚砂土活化所致。通过台面上冲沟切割的风成沉积物露头剖面,初步可以确定,台面上普遍存在三层风积物,即未见底的马兰黄土、亚砂土、全新世黄土。1.2覆亚砂土土壤条件中卫南山剖面位于中卫县城南,香山山前二级台地前缘,中兴公路右侧,距中卫县城24.5km(图1)。剖面a与部面b相距20m,剖面a的下伏马兰黄土顶部具有明显的侵蚀面,测年结果也证明与上覆亚砂土在时间上不连续,但剖面b保存较完整。剖面地层自上而下为:①.生草层呈暗棕色,疏松多孔,多见根系。现代植被主要为针茅属植物,间有刺旋花、猫头刺、骆驼蓬、芨芨草等。厚0.1m②.砂黄土颜色较浅,呈褐黄色,见较多的植物根系,多见大孔隙。厚0.8m③.弱砂质古土壤颜色较上层变深,为黄褐色,见假菌丝体,紧实、坚硬,粘性大。厚0.4m④.砂黄土岩性同②层。厚0.35m⑤.亚砂土灰黄色,颜色、质地均匀,砂层松散,无其它异物出现。厚5.5m⑥.砂黄土浅黄色,坚硬紧实,土层质地均匀,砂性大,偶见大孔隙,未见底。厚4.8m1.3瓦马里沙漠南方缘砂底界为确定剖面地层沉积年龄,共采取了3个14C年代样品和4个TL年代样品(图1)。图1(a)侵蚀面下马兰黄土TL测年为(56.8±4.1)kaB.P.,而图1(b)该层黄土的顶部14C测年为(22.46±0.43)kaB.P.,表明图1(a)下伏黄土顶部已遭剥蚀,因此,图2马兰黄土沉积的起止年龄分别为(61±4)kaB.P.与(22.46±0.43)kaB.P.;亚砂土顶、底界年龄分别为(11.4±0.8)kaB.P.和(19.12±1.4)kaB.P.;亚砂土上覆砂黄土底界年龄为(10.78±0.13)kaB.P.,古土壤顶界年龄为(5.26±0.09)kaB.P.。考虑到测年手段和样品采集的误差,将亚砂土开始堆积的年龄定为20kaB.P.。由于亚砂土与上覆砂黄土沉积连续性较好,而且在界面处测年结果相接近,将11kaB.P.作为亚砂土堆积结束年龄和上覆黄土开始堆积年龄是合理的。结合团不拉水剖面全新世砂质古土壤出现的年龄(8.09±0.13)kaB.P.和典型剖面沉积结构与古土壤顶界的绝对年龄,将8.1～5.2kaB.P.定为该区的统一成壤期。这样可初步建立腾格里沙漠东南缘沙漠演化的时间序列,即:60～20kaB.P.,末次冰期早、中期;20～11kaB.P.,末次盛冰期;11～8.1kaB.P.,全新世初期;8.1～5.1kaB.P.,全新世中期;5.1kaB.P.至现代,全新世后期。2粒度参数结果分析该剖面共采集124个样品,以10cm为间距等距采样。室内分析由中国科学院兰州冰川冻土研究所粒度分析室完成,采用筛析和移液管方法分析,按福克-沃德公式计算粒度参数。其结果,细砂含量在亚砂土中最高,马兰黄土中最低,全新世黄土细砂含量介于二者之间,弱沙质古土壤次于全新世黄土,粘土含量在弱沙质古土壤中最高,亚砂土中最低。粗粉砂、细粉砂含量,在马兰黄土中最高,亚砂土中最低,而在弱砂质古土壤中的含量则高于全新世黄土。现代表土与全新世黄土各粒级含量基本接近(表1)。3亚砂源区及沉积相沉积物的粒度组成通常与沉积物源区、沉积动力以及沉积后的风化作用有关。事实上,颗粒在搬运过程中的改造也是一方面的原因,就目前的研究水平,不予考虑这一过程与风化作用的影响。黄土研究表明,黄土物质主要由冬季风和西风带从西部和北部沙漠搬运而来。鹿化煜等认为,黄土中较粗颗粒含量变化与东亚冬季风强度变化正相关,具有全球的气候意义。丁仲礼等将大于63μm(小于4Φ)的颗粒含量作为联系沙漠-黄土演变过程中耦合关系的沉积学指标。4Φ是粉砂与细砂的分界线,小于4Φ的颗粒,一般来说不易被风作长距离的搬运,因此这个粒级的大量出现首先指示了沙漠的扩张,即黄土等物质的源区离剖面所在地不远。可见,该剖面的细砂(小于4Φ)含量能够指示腾格里沙漠演化。该剖面的亚砂土细砂含量最高(图2),亚砂土沉积是腾格里沙漠扩张的直接证据之一,因此,探究亚砂土的源区将有助于了解扩张事件。根据研究区不同地点风成沉积物粒度对比(表2),该剖面亚砂土细砂含量高达70.26%,含有粘土组分,无中砂组分;腾格里沙漠及黄河南岸沙丘均有中砂组分,无粘土组分。就粉尘迁移而言,可以看出前者与后二者之间的区别,即前者为粉尘沉积区,后者为风蚀区。根据盛行风向及地理位置推断,亚砂土物源区应该是腾格里沙漠或其西北方位干旱区。另外该剖面处在香山二级台地前缘,无其他动力条件下的沉积物,因此就地起沙的可能性很小,即便存在就地起沙现象,沙物质中则一定会有中砂组分,中砂组分一般属风力不易搬运粒级。所以该剖面亚砂土是由风力搬运所致,其主要物源区是腾格里沙漠。亚砂土堆积过程表明该时段冬季风相当强盛。根据L.莫尔德维的实验结果表明:4.32～6.64Φ的粗粉砂在空气中极易浮动,<4.32Φ的颗粒,随粒径的变粗,搬运系数变小,在空气中浮动性能越来越差。该剖面亚砂土差浮动颗粒含量高低悬殊较大,高达83.10%,低至58.24%。不难发现,易浮动和差浮动颗粒含量随风力增大而分别相对降低和增高,随风力变小而分别增高和降低。差浮动颗粒搬运过程不同于易浮动颗粒。易浮动颗粒由于风力压力作用而进入高空,由高空气流输送,输送距离可相当地远。由于粒径的差异,差浮动颗粒在较大空气压力作用下才能进入气流中,受重力影响,其只能随近地面风前进。当挟带源于腾格里沙漠的差浮动颗粒的偏北风循香山北坡而上时遇山体阻挡,风力减小,从而导致亚砂土沉积。中卫南山剖面亚砂土细砂含量最高且堆积时段为20～10kaB.P.,恰好对应末次冰期盛冰期,其时气候恶劣,冬季风强盛。因此可以说,该时段腾格里沙漠向东南方向大规模扩展。相比之下马兰黄土细砂含量最低,其堆积时间为60～20kaB.P.,说明当时腾格里沙漠的范围远没有到达盛冰期的位置。全新世黄土及古土壤的细砂含量介于亚砂土和马兰黄土之间,与现代表土的细砂含量接近,我们可以推测,盛冰期腾格里沙漠的扩展事件奠定了东南缘现代沙漠环境的格局。加之野外考察发现,甘塘等地一带均分布着古沙丘,表明腾格里沙漠在末次盛冰期扩展范围之广阔,而全新世沙漠环境的演化发生在盛冰期所奠定的格局之上。在气候较适宜的全新世风成沉积的细砂含量高于末次冰期早、中期,这指示了全新世沙漠环境更接近剖面地点。4末次冰期中国动力学环境的确立通过绝对测年与风成沉积物粒度组成的分析,可以认为60kaB.P.以来腾格里沙漠经历了5个演化阶段,各个阶段沙漠的空间范围存在差别。末次冰期早、中期