祁连山东段黄土-古土壤环境磁学研究

祁连山东段黄土-古土壤环境磁学研究

20世纪80年代以来，磁化率作为气候代用指数在黄土-古土壤条件的研究中得到了广泛应用。通过对黄土-古土壤中磁性矿物磁化率变化机制以及与全球其他记录的对比,磁化率在黄土高原中部的研究中被广泛作为一个东亚夏季风的代用指标,其波动指示了东亚夏季风在地质历史时期的强弱变化。但事实上,影响磁化率强度的因素很多,其中包括磁性矿物种类、粒径大小等。目前较为广泛接受的磁化率反映气候变化的基本机制是在古土壤发育时期,成壤作用导致的超顺磁性颗粒的产生引起了土壤磁化率的增强,而黄土堆积时期较弱的成壤作用使其磁化率值降低。因此,磁化率高低的变化反映了土壤成壤强度的变化,而土壤成壤强度的大小与气温和降水的变化密切相关。在中国黄土高原腹地,引起气温降水变化的主要因素是东亚夏季风的进退。因此,磁化率作为夏季风演化的代用指标而得到了广泛的应用。在对黄土高原和中国其他地区黄土-古土壤序列的磁化率进行研究之后,吕厚远等建立了磁化率变化与气温以及降水之间的统计关系,并利用这种统计关系进一步恢复了不同区域古温度与古降水的变化。他们发现在黄土高原,磁化率随年均温和降水量的增加而增加,而长江流域则呈现相反的趋势,地处干旱区的新疆地区则变化复杂。叶玮等对西风区黄土-古土壤的磁化率变化进行研究后指出,在新疆地区,位于荒漠-草原地带的黄土-古土壤的磁化率变化表现为黄土高于古土壤,与黄土高原中部地区不同;而位于草原地带的黄土古土壤磁化率变化与黄土高原中部一致,并指出可能是湿度的变化控制了新疆地区黄土中磁化率的变化。Sun等指出对黄土磁化率做出贡献的不仅有成壤过程中形成的超顺磁性颗粒,而且本地源的较粗的磁性矿物颗粒也对磁化率作出了重要的贡献。碳酸盐淋溶、成壤作用、有机质分解和源区物质的贡献都对磁化率变化作出了贡献,任何单一的机制都无法解释黄土高原及周缘地区的磁化率变化。最近Zhu等对西伯利亚南部黄土的磁学研究发现,这一地区磁化率值在黄土中比在古土壤中要高,从而提出在成壤作用较小的地区黄土颗粒物中较粗的铁磁性物质对磁化率的贡献居于主导地位,因此粒径较粗的黄土磁化率反而较高。Liu等对位于中国西北的兰州九州台和临夏盆地的塬堡黄土沉积进行了环境磁学研究,认为区域气候变化的模式(如暖干和冷湿的搭配)可能对磁化率的变化也可以起到相当的作用。对于西部地区,作者在前人的基础上深入认识干旱半干旱地区磁化率的环境意义,对于进一步认识黄土高原腹地环境代用指标及西北地区黄土环境磁学的研究都具有重要意义。1沙沟剖面磁化率的分布及年龄测定研究区位于武威市黄羊镇和中路乡(图1)。在流经武威市黄羊镇的沙沟河共发育5级阶地,阶地上覆盖了巨厚的黄土-古土壤序列,为进行高分辨率的环境研究提供了良好的材料。而据此不远的中路乡一天然滑坡体也为我们进行环境变化研究提供了一个天然剖面。在祁连山东段地区,气候属半干旱—干旱区域,年降水量为150～400mm,天然植被主要是耐旱的半干旱高山类型。我们对位于祁连山东段的沙沟河最高级阶地和中路乡附近的黄土-古土壤系列进行了环境磁学的研究。沙沟河T5上覆黄土厚度达200m,在野外使用BartingMS-2野外磁化率仪以5cm为间隔测试磁化率值。中路剖面黄土沉积位于红层剥蚀面上,总厚度75.5m,磁化率的测量是结合磁化率各向异性的研究同时进行的。我们对两个剖面的年代测定都是依靠磁性地层学来进行的。通过测定,沙沟剖面黄土沉积其底部年龄约为0.83Ma,中路剖面的底部年龄约为1.4Ma(图2)。在野外,中路剖面下部38.5m以0.5m为间隔,上部37m以1m为间隔,自下而上采集手工定向样品,共采集样品105块。选取3块定向样品加工成2cm×2cm×2cm的标准样品,在兰州大学教育部西部环境重点实验室用捷克AGICO公司生产的高灵敏度旋转卡帕桥(KLY-3s)进行测试,实验结果见图4。2实验结果与分析为了确定剖面中磁化率的主要携带矿物,我们首先进行了岩石磁学的研究。选取代表性样品进行了三轴等温剩磁和饱和等温剩磁实验。三轴等温剩磁实验首先在样品的X、Y、Z轴上分别加2.2、0.4和0.12T的外加磁场,然后在热退磁仪上加热退磁,观察剩磁强度的变化。热退磁的温度从室温开始,先以50℃为间隔逐渐加热到550℃,550℃以后退磁温度分别是580、620、650和690℃。饱和等温剩磁实验从测量天然剩磁开始,观察外加磁场强度逐渐加大过程中剩磁的变化。外加磁场的强度在0～100mT间以20mT为间隔,100～400mT以100mT为间隔,400～1000mT以200mT为间隔,1000mT以上以400mT为间隔,最大外加磁场为2.2T(仪器可达的最大外加磁场)。加大到2.2T以后施加反向磁场,以10mT为间隔逐步加到100mT和200mT。全部实验在兰州大学教育部西部环境重点实验室完成。岩石磁学的实验结果见图3。从图中我们可以看出:中路和沙沟的样品在外加磁场达到300mT时等温剩磁就达到饱和等温剩磁的90%,而样品的解阻温度在580～600℃表明样品中的铁磁性物质以软磁矿物(磁铁矿和磁赤铁矿)为主。虽然在580℃时高矫顽力的分量变化不大表明样品中存在一定量的赤铁矿,但考虑到软磁矿物的磁化率远高于赤铁矿,我们认为沙沟和中路剖面黄土沉积物中主要的载磁矿物和黄土高原中部地区是一致的,即磁铁矿和磁赤铁矿占主导,还含有一定量的赤铁矿。图4为沙沟和中路剖面磁化率变化曲线,可以看出沙沟和中路磁化率的变化幅度集中在15～110之间,沙沟剖面的磁化率值整体小于中路,二者共同的特征主要有两点:(1)磁化率变化的幅度在剖面的上部显著大于下部,尤其在S5沉积之后;(2)无论是沙沟剖面还是中路剖面,磁化率的变化和黄土-古土壤序列的变化都不尽一致。在许多时段内,如中路剖面中S5与S4之间的L5的磁化率值反而较大,L2沉积中也呈现相同的特征;而沙沟剖面中虽然表现没有中路剖面明显,但类似的特征同样存在,如L6的磁化率值要高于典型黄土高原区成壤作用最为强烈的S5,而相比S5与S4,L5同样也是磁化率的一个相对高值区。另外,两个剖面的变化显示:磁化率存在一个明显的由底部向上逐渐升高的趋势。这些特征和黄土高原典型地区磁化率的变化之间存在着较大的差异。在此,我们对这种差异进行了一些初步的探讨。3成壤作用及磁化率分布的特征依据结合我们的岩石磁学研究和前人对黄土高原典型区域黄土岩石磁学的研究,我们认为祁连山东段影响黄土磁化率的铁磁性矿物种类和黄土高原典型地区没有差异。这样,因为磁性矿物差异导致的磁化率变化在本区域应该是不存在的。而研究区由于地处西北内陆干旱-半干旱地区,降水稀少,碳酸钙淋溶作用在这一地区不大强烈,碳酸钙的稀释作用对磁化率的影响也是较弱的,这种稀释作用在西北干旱—半干旱地区磁化率的变化中应当不是起主导作用的因素。同时,降水较少,气候干旱,成壤作用微弱,土壤中超顺磁性颗粒的产生可能很少。剖面中黄土-古土壤序列和磁化率峰、谷值的不相匹配同样暗示由于成壤作用引起的超顺磁性颗粒增大导致的磁化率增强在研究区可能并不成立。岩石磁学的研究表明,引起磁铁矿磁化率增强的粒度集中在两个范围内,一是粒径<0.05μm的超顺磁性颗粒,另外一组则集中在30～50μm之间。对典型黄土高原来讲,粒度<0.05μm的超顺磁性颗粒是引起黄土-古土壤系列磁化率变化的主导因素,而对紧邻黄土沉积源区的祁连山东段地区而言,更新世以来,随着东亚冬季风势力的逐步增强,沉积物粒度逐渐变粗,其中所含的粗颗粒的磁铁矿含量可能较大,从而对磁化率作出了主要贡献,并控制着磁化率的变化。这可能就是我们两个剖面中磁化率由底部向上逐渐增大的原因,虽然细节的对比可能存在困难,部分原因可能是在古土壤强烈发育的时期细粒的物质也会发生一定的作用从而使磁化率的变化更为复杂。同样的磁化