南京地区下蜀黄土磁化率曲线与环境意义

南京地区下蜀黄土磁化率曲线与环境意义

下蜀黄土广泛分布于长江上游，并在该地区形成并连续分布。许多学者对下蜀黄土进行的研究认为,在亚热带温湿的古环境下,下蜀黄土是风成堆积物受到显著的风化与成土作用改造的产物。然而,关于下蜀黄土堆积的时间、范围和驱动机制还存在不同的观点。下蜀黄土堆积过程仍然是第四纪地质学研究的重要内容之一。对于中国风尘黄土分布,多数学者认为其南界到达了长江以南,“广泛发育于北纬30°—49°之间”(刘东生等,1985)。众多学者对黄土高原研究已取得巨大成功(刘东生等,1985;安芷生等,1989;丁仲礼等,1991),但对江南,例如南京地区的研究,虽然许峰宇、李立文(1996)做过工作,但未做过系统的古地磁测年、磁化率和粒度分析工作,未建立与北方黄土地层的对比分析研究。本文的工作是初步使中国江南的第四纪风尘堆积研究系统化,进而讨论当时的沉积环境。一、材料和方法1采样剖面位置及样品采集下蜀黄土广泛分布于长江下游沿岸地带。在南京地区,笔者选择了两个剖面:江北的泰山新村剖面和江南的燕子矶剖面,其地理位置见图1。泰山新村剖面(N32°09′06′′,E118°42′25′′)位于南京市长江北岸东南大学浦口校区附近。当时为一建筑工地,正在施工过程中,挖掘机开采出新鲜剖面。经实地观察,确定其为下蜀黄土剖面,遂将其定为第一个工作面。该剖面垂直高度约12m,下部未见底,无明显层理,土质呈黄褐色,中间夹有红褐色古土壤条带。我们按5cm和10cm的采样间距,自上而下密集采样,共采集了144个古地磁样品以及供磁化率和粒度测试的袋装样品。燕子矶剖面(N32°08′43″,E118°48′48″)位于南京城东北侧的长江南岸燕子矶公园东南侧的公路边,刘东生先生等在《黄土与环境》(1985)中提到过这一剖面。笔者实地考察时,该剖面已被掘开,准备修筑护坡。经与施工队协商,笔者抢在施工前,在他们挖掘的新鲜断面上进行采样。该剖面垂直高度约23m,下部未见底,坡度在40°—45°之间,坡长约30m。整个剖面无明显条带,只在距顶十余米处有一界限。界限以上土质颜色较深,界限以下土质颜色较浅。按垂直距离5cm,自上而下密集采样,共采集了467个古地磁样品以及供磁化率和粒度测试的袋装样品。2磁化率、粒度和测量方法古地磁和磁化率测量在本系环境磁学实验室完成,使用捷克AGICO公司的JR-6A型旋转磁力仪和KLY-3型磁化率仪。由于是用圆柱形的古地磁盒子在野外直接采样,所以样品不需经过室内处理,直接上机测量即可。古地磁测量过程中,笔者采用交变退磁的方法清洗样品的次生剩磁,以0.5mT为间距,从0到22.5mT逐步退磁。当退磁强度超过22.5mT时,样品基本表现出自身的特征剩磁。磁化率测量主要测定了样品的体积磁化率。粒度测定在中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室进行,使用英国Malvern公司Mastersizer-S型激光粒度仪。粒度测定以20cm为间距选取样品,两个剖面共测量177个样品,其中泰山新村剖面67个,燕子矶剖面110个。样品测量前进行了较为彻底的前处理,以除去全样中的有机质、成壤作用过程中产生的碳酸盐和次生粘土矿物等,然后用超声波清洗仪震荡加以分散,再上机测量。二、研究结果1成分柱的确定探讨黄土序列所记录的环境信息时,首要问题是必须建立地层时间标尺,用以研究古气候变化的周期性波动,确定各影响因子在时间序列上的变化规律。笔者采用古地磁测年的方法来建立下蜀黄土地层的时间标尺(F.Helleretal.,1982;岳乐平等,1991;孙东怀等,1998;GuoZhen-tangetal.,2002;乔彦松等,2003;王晓勇等,2003)。笔者用交变退磁的方法处理采集的古地磁样品,通过JR-6A型旋转磁力仪测量出它们的特征剩磁,将所测结果绘制成古地磁变化曲线,得出随地层深度变化的古地磁极性柱(表1,图2、图3),与标准古地磁极性柱(R.汤普森等,1995)进行对比,获得了初步的随时间变化的古地磁极性柱(图4)。由于沉积速率随时间变化,不能采用均匀内插的方法建立时间标尺,因此笔者使用鹿化煜等(1997)提出的、根据粒度变化与沉积速率相关性设计的年代学模型:Tm=T1+(T2−T1)(∑i=1mCiHi)/(∑i=1nCiHi)Τm=Τ1+(Τ2-Τ1)(∑i=1mCiΗi)/(∑i=1nCiΗi)式中:Tm—某一测量层m年龄T1—开始的年龄控制点T2—结束的年龄控制点Ci—任一测量层的2—16μm颗粒的含量(%)Hi—任一测量层的厚度(cm)m—T1—Tm的测量层数n—T1—T2的测量层数通过计算,笔者得到了采样剖面地层深度与年代的关系(表2和表3):以上图表年代与黄土地层序列的对应关系,就是南京地区下蜀黄土地层的时间标尺。2磁化率曲线变化图5是燕子矶剖面的磁化率变化曲线,总体看来,南京地区下蜀黄土序列磁化率曲线具有以下特征:1)剖面磁化率变化幅度不是很大,最高值约为2.4×10-3SI,最低值约为0.4×10-3SI;2)峰谷波动旋回规律比较明显,燕子矶剖面磁化率曲线变化大致表现为三峰夹两谷态势,其中峰值段与剖面中的古土壤层相对应,谷值段则与黄土层相对应;3)峰值段内部有不同程度的波动变化,如燕子矶剖面的第2峰值段表现为明显的3个次峰和2个次谷交替出现。燕子矶剖面磁化率曲线记录了220ka以来3次大的冷暖气候旋回,3个峰值段对应的古土壤层代表了3个较为温暖湿润的成壤时期,前期干冷气候条件下堆积的黄土层表生带经历了生物化学成壤作用,土层中铁磁性矿物相对较高;而谷值段对应的2个黄土层则代表了两个气候较为干冷的时期,由于气候干冷,风力作用增强,粉尘堆积速率加快,干冷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,土层中铁磁性矿物的含量偏低(朱日祥等,1994;孙东怀等,1998;王晓勇等,2003;乔彦松等,2003)。3下蜀黄土粒级组成粒度分析对于了解下蜀黄土的沉积环境、物质来源、沉积过程、搬运营力和搬运机制有着重要的意义。笔者讨论和分析了下蜀黄土的颗粒组成特征,在沉积物粒度与古气候环境之间建立内在联系,探讨下蜀黄土的沉积环境。采用50μm、10μm和5μm分别作为砂粒/粗粉砂、粗粉砂/细粉砂以及细粉砂/粘粒的分界线。测量结果表明,南京下蜀黄土各粒级组成有如下特征(表4):砂粒组分(>50μm):所有分析样品中没有发现粒径>125μm的颗粒;粒径>100μm的细砂粒级含量很少,0—0.28%,平均值为0.05%(泰山新村剖面)和0.11%(燕子矶剖面);100—50μm粒级的含量一般为6%—13%,平均含量7.71%(泰山新村剖面)、9.34%(燕子矶剖面);整个砂粒组分(>50μm)平均含量为7.76%(泰山新村剖面)和9.45%(燕子矶剖面)。粗粉砂组分(50—10μm):剖面中50—10μm粒级的含量非常高,基本上在45%—65%之间,平均含量50.69%(泰山新村剖面)、50.3%(燕子矶剖面),成为下蜀黄土的众数粒级。该粒级也是北方典型黄土的众数粒级,为风尘的“基本粒组”(刘东生等,1985)。细粉砂组分(10—5μm):该粒级含量在13%—20%之间,平均16.83%(泰山新村剖面)、15.82%(燕子矶剖面),高于洛川黄土(12%)(刘东生等,1985)。粘粒组分(<5μm):南京下蜀黄土粘粒含量较高,一般为17%—30%,平均含量24.73%(泰山新村剖面)、24.44%(燕子矶剖面),仅低于粗粉砂组分,为下蜀黄土的次众粒级。若从砂粒(>50μm)、粉砂(5—50μm)、黏土(<5μm)三大组分来看,粉砂粒级含量最高,平均含量超过了65%,黏粒次之,砂粒最低。按照沉积物三因分类法,南京下蜀黄土全部属于黏土质粉砂。总的来说,不同层位黄土与古土壤的颗粒组成基本一致,表明二者原始物质的搬运营力是相同的。南京下蜀黄土粒度组成非常均一,不同层位样品的粒度组成以及粒度参数均表现出高度的均一性特征。两个剖面自上而下各粒级组成波动不大,未显示明显的粗细变化,平均粒径在16—22μm之间变化,全剖面平均粒径最高值与最低值相差不超过6μm。不同层位粒度组成的一致性表明,下蜀黄土原始物质在搬运过程中一直处于单一的营力作用之下,并且经过了充分的分选(鹿化煜等,1997;李徐生等,1997;李徐生等,2001;胡雪峰等,2004;孙继敏,2004)。三、讨论1古土壤磁化率曲线特征在南京下蜀黄土序列中,燕子矶剖面磁化率曲线能够与深海沉积氧同位素曲线(D.G.Martinsonetal.,1987)1—7阶段进行很好的对比,两者之间的细节变化具有一致性(图6)。其中,S0表现为高值,可与氧同位素曲线阶段1对比,为一高温期;L1可以划分为两层黄土(L1LL1、L1LL2)和一层弱发育的古土壤(L1SS1),L1LL1和L1LL2可与阶段2和4对比,L1SS1可与阶段3对比;S1古土壤层由3个古土壤亚层(S1SS1、S1SS2、S1SS3)和2个弱成土亚层(S1LL1、S1LL2)叠置而成,磁化率曲线具有明显的三峰夹两谷形式,正好可与氧同位素阶段5对比,表明这一时期的古气候特点是在湿热的背景下有两次干冷波动,其中S1SS1、S1SS2、S1SS3分别对应于5a、5c、5e,S1LL1、S1LL2对应于5b、5d;L2黄土磁化率曲线整体呈谷形,但中下部有一次峰,下部磁化率偏高,与阶段6的曲线特征相吻合;S2古土壤层未见底,目前获得的磁化率曲线特征可与7a和7b对比。由于全球气候变化的区域响应具有地区特性,同时古地磁测年自身存在一定的偏差,因此图6中两条曲线的形状虽然吻合,年代却存在差异,磁化率曲线反映的各个气候阶段的持续时间与MIS曲线并不一致,但两者的变化趋势是一致的。所以燕子矶剖面磁化率曲线也在一定程度上反映了全球气候的变化。2气候变化的区域差异下蜀黄土堆积时期的气候总体上以干冷为主,与北方黄土堆积时的气候环境较为类似。它记录的气候环境变化呈现出明显的旋回波动特征。磁化率指标清楚地记录到古气候环境的旋回变化,磁化率的峰谷变化记录了下蜀黄土堆积过程中经历的冷—暖、干—湿气候旋回波动:冰期干冷气候条件下,冬季风作用加强,有利于黄土堆积,成壤作用相对减弱;而在间冰期暖湿气候条件下,夏季风及降水强度明显加强,黄土层表生带经历了生物化学成壤作用,形成古土壤层,黄土堆积减缓或发生沉积间断。这种发育模式与黄土高原典型黄土的发育模式是一致的。从气候变化的总趋势来看,燕子矶剖面的磁化率曲线表现出由干冷向暖湿演化的趋势,但前者没有后者明显,这与南京地区的地理区位有关。南京地区靠近东海,受海洋性气候影响较大,总体气候环境偏暖湿,因此磁化率的波动范围不是很大,变化趋势不是特别明显(刘东生等,1990;安芷生等,1991a、1991b、1994;丁仲礼等,1989;AnZhi-shengetal.,1990;LiuDong-shengetal.,1985;黄姜侬等,1988;赖忠平等,2001;鹿化煜等,1998;杨浩等,1996)。此外,下蜀黄土堆积序列对全球古气候变化有着积极的响应。下蜀黄土所记录的古气候波动与反映全球气候变化的深海沉积氧同位素记录有着良好的对应关系,特别是燕子矶剖面的磁化率曲线可与深海沉积氧同位素进行细节上的对比,这表明下蜀黄土保存了丰富的全球变化气候信息,揭示了长江中下游地区对全球古气候变化有着非常积极的响应。四、下蜀黄土古气候特征长江以南地区的第四纪风尘堆积具有堆积时间长、沉积连续的特点。作为古环境信息的载体,它记录了形成过程中环境变迁的丰富信息。通过对南京地区下蜀黄土的研究,提取其记录的气候环境信息,可以阐明这一地区更新世以来的环境变迁规律。它与北方黄土-古土壤序列以及深海氧同位素阶段进行对比,可以验证古气候变化的全球一致性以及东亚季风区气候的特殊性。我们通过系统的磁性地层学沉积学研究,对南京地区下蜀黄土-古土壤堆积序列得出以下新认识:1下蜀黄土磁化率记录的气候环境变化呈现出明显的旋回波动特征,它所记录的古气候波动与北方黄土记录有着良好的对应关系,特别是220kaB.P.以来下蜀黄土记录(燕子矶剖面磁化率曲线)可与深海沉积氧同位素记录1—7阶段进行细节上的对比,两者之间的细节变化具有一致性。其中,S0表现为高值,可与氧同位素曲线阶段1对比,为一高温期;L1可以划分为两层黄土(L1LL1、L1LL2)和一层弱发育的古土壤(L1SS1),L1LL1和L1LL2可与阶段2和4对比,L1SS1可与阶段3对比;2S1古土壤层由3个古土壤亚层(S1SS1、S1SS2、S1SS3)和2个弱成土亚层(S1LL1、S1LL2)叠置而成,磁化率曲线具有明显的三峰夹两谷形式,正好可与氧同位素阶段5对比,表明这一时期的古气候特点是在湿热的背景下有两次干冷波动,其中S1SS1、S1SS2、S1SS3分别对应于5a、5c、5e,