黄土高原磁组构及其对冬季风演化的响应

黄土高原磁组构及其对冬季风演化的响应

1不同沉积方式样品的磁组构特征磁化率的各向异性（ams）由样品磁化率的椭圆形球体的长轴（k1）、中轴线（k2）和短轴（k3）表示。长轴方向往往代表沉积物中磁性颗粒优选排列方向。利用卡帕桥测量和计算出样品的磁组构参数,可以研究沉积颗粒优选排列方位所代表的沉积作用过程和环境信息。AMS被广泛地应用于研究沉积过程和判别沉积介质的动力方向。中国黄土作为一种典型的风成沉积物,对其研究表明黄土中磁性矿物颗粒的椭球体K1方向与黄土沉积时的主导风向一致,为我们利用AMS特征研究中国黄土-古土壤序列沉积动力学(古季风)过程提供了良好的条件。但是,磁组构各个参数的变化含义是什么?它的变化与古气候之间有什么联系?针对上述问题都需要在黄土高原地区进行更多的磁组构研究。2土壤条件及磁组构特征本次研究选取了位于甘肃省会宁县城北85km处的下高塬村附近的白草塬黄土剖面(36°18′N,105°6′E)作为研究对象。一方面该剖面(图1)位于六盘山以西,距离黄土物源区较近,沉积速率大,地层分辨率高,沉积连续,第四纪沉积厚度超过了200m,比较完整的记录了2Ma以来的内陆第四纪气候变化;另一方面该地区受夏季风的影响较小,为获得良好的磁组构特征提供了有利条件。白草塬剖面末次间冰期以来的沉积(S1)厚9.8m,由3层古土壤和夹于其间的2层黄土组成。直接反映了末次间冰期是由3个暖期和2个冷期组成,可与深海氧同位素第5阶段的5个亚阶段很好对应(图2)。从土壤发育程度看,上部两层古土壤(S1-1,S1-2)呈灰黑色,均有弱腐殖质诊断表层,具有A/AC土壤结构;最下部古土壤层(S1-3)呈褐红色,具团块状构造,粘粒含量较高,缺失诊断表层,具有风化B层(Bw层)。S1-3发育程度明显高于S1-1和S1-2,指示其对应的5e为深海氧同位素第5阶段中气候最为温湿的时期。与榆林蔡家沟剖面(见图2)以及甘肃会宁李家塬剖面的S1土壤结构对比一致,时间跨度约为126～75kaB.P.,大约5万年。末次冰期沉积(L1)厚16m,呈棕黄至褐黄色,疏松多孔,质地均一,粒粗,较难分辨发育其中的弱古土壤。该段可与深海氧同位素阶段2～4对应。全新世沉积为一层草原土(S0),厚1.4m,呈明显的灰褐色,含有丰富的有机质和少量的次生碳酸盐假菌丝体,根孔发育,土壤结构不明显,可与深海氧同位素第1阶段对应。为了详细研究末次间冰期以来黄土-古土壤序列的磁组构特征,野外用罗盘标定正北方向,采集古地磁样品224块,其中黄土采样间隔为20cm,古土壤间隔为10cm。实验室内统一加工成2cm×2cm×2cm的定向样品,获得有效样品220块。室内利用中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室的KLY-3s卡帕桥磁化率仪,沿3个正交面旋转测量后程序自动用Jelinek方法计算出AMS张量和相关参数。另外,以1cm的间隔采取散样2833个,分别做了粒度和磁化率测量。在磁组构研究中,选取的参数有:1)磁线理度(L)=K1/K2,反映颗粒优势取向排列的程度,受控于搬运介质方向的单一性及沉积动力强度等;2)磁面理度(F)=K2/K3,反映沉积颗粒呈层面随机分布的程度或沉积物中微层理构造的发育程度,亦与沉积压实作用有关;3)磁化率各向异性度(P)=K1/K3,反映沉积物中颗粒取向排列差异性程度,受控于沉积动力强度及沉积环境的稳定性;4)AMS的形状因子(T)=(2η2-η1-η3)/(η1-η3),T<0时为棒状椭球体(prolate),T>0时为扁状椭球体(oblate)。其中K1,K2,K3分别代表最大、中间、最小磁化率的轴向和大小;η1,η2,η3分别对应于3个磁化率轴的自然对数。3结果3.1剖面结构的变化为了较好地消除系统误差,对AMS相关参数进行了5点平滑处理。实验结果表明,本文研究区磁面理较磁线理发育,为扁状椭球体(图3a)。整体而言,磁线理和磁面理都较小。绝大部分F<1.02,呈现出典型的风成沉积物特征。通过对220块样品的统计平均,L值(1.0025±0.0028)的变化相对F(1.0067±0.0045)要小。P和F二者之间的正相关程度较高,R2=0.79(图3b),在研究剖面上也呈现出相同的变化趋势(图4d和4e),表明AMS的主导因素是磁面理。此外,黄土层与古土壤层的磁组构特征也存在一定的差异。表1中分别给出了不同单元的L,F,P平均值。通过对比可以看出,古土壤层的F,P值均比其下伏的母质黄土层要低,磁线理发育程度相近。图4d,4e和4f分别给出了T,P,F随剖面厚度变化的对比图。其中,黄土的磁面理平均值为1.007,而古土壤为1.004,因此黄土的磁面理与各向异性度均强于古土壤。T值一般>0,位于扁状椭球体区,与图3a结果一致,但在古土壤与黄土层的弱发育古土壤中,T值偏低趋向于0,有的甚至为负值,表现为棒状椭球体。整体趋势上,T,P,F三者曲线较为相似,特别是自深海氧同位素第2阶段以来,三者均呈现出明显的下降趋势(见图4d,4e和4f),这与Zhu等研究的灵台地区结果一致。3.2偏角dmys与磁面理的分布图4中我们还给出了AMS的几个参数以及古气候代用指标(粒度和磁化率)随剖面厚度变化的对比图。图4b和图4c可以看出,黄土堆积时期,磁化率值的变化较小,而粒度则呈现出频繁的粗细变化,因而本研究区主要受到冬季风的影响,夏季风则只在几个成壤较强时期有所反映,从而为我们研究AMS提供了有利条件。由图4i可以看出,K1的偏角Dmax大部分集中位于90°～180°或270°～360°之间,而倾角Imax(见图4h)则相应位于15°之下(平均值为11°),表明磁化率最大轴(K1)与磁面理平行,AMS长轴平行于风向;K3倾角>60°(平均值为71°),近垂直于磁面理(见图4g),表明AMS短轴与沉积面近乎垂直。此外,随着粉尘粒度增加,F值也相应增大,与中值粒径呈正相关关系(见图4b和4d)。4土壤-磁面理-冬季风黄土作为风成成因的粉尘堆积,其形成经历了粉尘产生、搬运、沉积和后生变化等完整的过程,因此记录了大尺度空间范围内的古风场特征。本文研究和讨论主要基于4个前提:1)粉尘物质堆积时的磁性颗粒长轴优势取向与主导风向平行,这一点已被前人工作证实;2)黄土-古土壤磁化率各向异性主要由磁性颗粒在一定程度上的定向分布和排列所导致;3)甘肃会宁白草塬地区气候干旱,成壤作用较弱,因而对原生磁组构影响较轻;4)如果AMS的某个参数在时间或空间上与古气候的代用指标具有相似变化趋势,那么认为它们受同样的气候驱动机制影响。磁面理主要受到铁磁性矿物分布以及后期压实作用的控制,而粉尘的粒度大小(包括磁性矿物颗粒)又受到冬季风强度的影响,因此,冬季风的强度、粉尘粒径大小以及磁面理之间存在着一定的内在联系(见图4b和4d)。一般来说,冬季风越强,搬运和输送的粉尘颗粒就越粗,从而在沉积过程中呈现出更大的面理。当然,后期的沉积压实过程对黄土的磁面理也有较大的影响,可能将磁性颗粒的长轴旋转至沉积面,从而改变磁面理。黄土与古土壤层在AMS特征上的差异表明了在古土壤形成的过程中,后期改造如成土作用等从一定程度上削弱了其成土以前母质黄土的磁组构特征,这与它们在不同的气候条件下是有一定关联的。由图4可知,P,F和中值粒径总体上呈现出一致的变化趋势。F值的波动,从某种意义上讲,指示出了该地区冬季风强度的衰弱与增长,关于这一点还有待进一步深入研究和探讨。前人的研究表明,K1偏角(Dmax)能很好地指示冬季风的主导风向。由图4i可知,绝大部分样品点K1的偏角指示,S1以来该地区冬季风主导风向为NW向。为了进一步说明和探讨Dmax与风向之间的关系,我们做了等面积赤平投影图和玫瑰花图(图5)。一般来说,黄土的初始AMS主要由当时的地球引力和风力强度决定。地磁场和重力对风成黄土磁化率各向异性影响甚小,从而各向异性主要受气流控制。而黄土的沉积受着冬季风和夏季风的交替控制,一方面,冬季风从我国西北物源区搬运粉尘物质沉积于黄土高原;另一方面,夏季风在不断改造冷期时堆积的黄土,使之土壤化,这样在某种程度上也就破坏了冬季风形成的磁面理、磁线理等,进而影响黄土的AMS。研究区位于甘肃会宁,气候干旱,离物源区近,主要受冬季风的影响和控制(见图4b和4d),因此夏季风对该地区的AMS影响不会太强烈,而AMS特征则主要反映了冬季风的强度与方向。由图5a得知,Dmax主要位于NW向,表明该地区盛行冬季风主要集中在NW向。另外,还统计得出Dmax玫瑰花图(见图5b)。可以看出,S1以来,主导风向主要集中在308.9°(图中双向箭头所示