中亚哈萨克斯坦va剖面地质特征及井筒尺度分析

中亚哈萨克斯坦va剖面地质特征及井筒尺度分析

在迄今为止的全球变化研究中，前25万a有两个完整的氧单元（即mis2和mis1），这是以往全球变化研究的重要步骤。该时间段全球范围内的气候均发生了多次剧烈的变化。具体的讲,过去25000a以来,全球气候经历了末次冰盛期(~20000a左右)和气候极度不稳定期(~15000a—~10000a),之后进入全新世,经历了全新世气候最宜期(~6000a)。此外,该时间段内还发生了一系列的气候突发事件,如H2事件(~24000a)、H1事件(~16000a)、YD事件(~12000a—~10000a)、~8200a事件以及~4200a降温事件。尽管目前已经制定了许多关于这一时期全球气候变化研究的国际计划,但对中亚干旱地区研究却相对较薄弱。中亚干旱区是世界上主要黄土分布区之一,位于研究较为详细的中国黄土高原黄土区和欧洲黄土区之间,对研究亚洲内陆干旱化、亚洲粉尘来源、亚洲季风和西风环流变化和二者在研究区相互作用历史以及全球气候变化均具有重要意义。众多的古气候研究者对黄土高原黄土-古土壤序列已做了广泛而细致的研究,结果一致表明黄土主要形成于寒冷而干燥的冰期,而古土壤形成于温暖湿润的间冰期。在中亚干旱区,早期古气候研究发现黄土形成于气候暖干的间冰期,而古土壤形成于气候冷湿的冰期,这与黄土高原正好相反。但是近期的研究发现中亚区古土壤层仍然形成于气候暖湿的间冰期,黄土-古土壤序列的形成主要受控于全球冰量的变化,其在轨道尺度上与东亚区具有气候上的正相位关系。但是关于中亚区亚轨道时间尺度上的黄土地层记录研究却相对薄弱,那么中亚区气候在亚轨道尺度上是如何变化的?本文选取位于中亚干旱区的VA黄土剖面(位于哈萨克斯坦中南面)作为研究对象,结合野外地层观察与实验指标(包括磁化率、碳酸盐、有机质和粒度)分析,在AMS14C测年基础上,分析了该剖面过去~25000a以来的剖面地层特征,并与研究区周边区域(欧洲黄土区和东亚黄土区)进行了对比分析。1实验设备与实验方法中亚干旱区(大约为50~110°N,35~50°E)西起哈萨克斯坦西部东至蒙古东部,包括中国西北和中北部。从气压分布上讲,研究区主要受其东部的西伯利亚高压和西部的亚速尔高压影响(冷季西伯利亚高压向西扩展,暖季亚索尔高压向东扩展,这二者在中亚干旱区形成了一个永久性高压脊,形成了中亚干旱带荒漠地带);从大气环流上讲,研究区位于以下两个气候系统的转换带:(1)西面为西风带控制的地中海、欧洲气候系统;(2)东面为亚洲季风控制的东亚气候系统。研究区属大陆性温带气候,年平均气温7~10℃,年降水量约为200~400mm,降水无明显季节性,以春季比例略高。地带性土壤为灰钙土,自然植被主要为干草原植被。本文选取的VA剖面位于哈萨克斯坦的中南部(图1),地理坐标为:43°10′29.64″N;69°19′2.6″E,距离其北面的莫因库姆(Moynkuml)沙漠仅有50km左右,海拔高度约为1000m,陆地景观完全为黄土沉积覆盖。剖面厚700cm,位于Valikhanov河谷的二级阶地上。采样间距为5cm,获得样品140个,年代样6个(表1)。实验室分析指标主要包括粒度、磁化率、有机质以及CaCO3含量,分析间距均为5cm。所有的实验分析均在兰州大学西部环境与气候变化研究院教育部重点实验室完成。粒度分析前处理方法与鹿化煜等(1997)相同,先用HCl除去样品中碳酸盐,再用H2O2水除去有机物,最后将用分散剂充分分散后的样品在英国Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪上测量完成,该仪器的测量范围为0.02~2000μm,实验误差<1%,共测试粒度样140个;磁化率测量(0.47kHz)是采用英国Bartington仪器公司生产的MS2型磁化率仪进行的,测量时将同一样品以不同方向放入磁化率仪测量三次,取其平均值,共测试了140个样品的磁化率值;有机质(TOC)测量采用K2Cr2O7-H2SO4滴定法进行测量,共测试样品140个;CaCO3采用气量法进行测量,共测试样品140个。年代测量在美国亚利桑拉大学加速器14C实验室完成。2结果2.1个年代控制点间的沉积速率如前所述,该剖面共获得6个年代数据,结果详见表1。分析发现年代和深度二者之间具有较好的相关关系(R2=0.933,见图2:A:年代—深度关系)。假设每两个年代控制点之间的沉积速率不变,同时假定剖面顶部年龄为0,根据剖面深度与年代回归方程,通过线性内插方法每一个深度得到一个年代值,剖面顶端和底端那一部分年代值则通过线性外推获得。由于年代点AA64280和AA80229发生倒转,在已有的资料之上无法判定其相对可靠性,因此,本文分别用这两个年代推到出一组年代数据,之后将得到的两组年龄数据在每个深度点取其平均值,最终年代深度关系如图2(B)所示,结果显示该剖面大致记录了~2600014CaBP以来的沉积历史。2.2资源发育特征实验室分析指标主要包括粒度,碳酸盐,磁化率,有机质4个指标。已有的研究表明中亚黄土主要为风成黄土,因此黄土颗粒的粒度组成可以反应当时的风动力大小。以往很多研究已经证实粒度是风成黄土记录的古气候研究中一个具有重要指示意义的指标,其粘土颗粒(<2μm)含量可以用来指示沉积时的成壤作用强度,成壤作用越强则粘土含量越高,而砂(>63μm)含量通常被用来指示风力大小。中国黄土高原的研究显示富含碳酸盐是风成黄土的显著特征,主要包含原生和此生两类,古土壤碳酸盐含量低于黄土。磁化率是另外一个指示土壤古土壤层的重要指标,欧洲黄土以及黄土高原的研究均表明磁化率在古土壤层要高于黄土层,因此可以用来指示古土壤层。有机质含量与磁化率变化类似,古土壤层具有高有机质含量。根据实验室指标分析,如图3所示,VA剖面频率磁化率在0.08%~5.39%之间变化,平均值约为1.38%;碳酸盐含量在19.7%~7.45%之间变化,平均含量约为13.3%;有机质含量在1.4%~11.9‰之间变化,平均含量约为3.2‰;粒度分析显示该剖面以粉砂含量为主,平均含量高达66%,其次为砂颗粒,含量在11%~62%之间变化,平均值约为27.2%,粘土含量最低,在2.8%~8.5%之间变化,平均含量约为6.1%。根据年代模式大致估算了各时间段的沉积速率(图3),总体上讲VA剖面末次冰期沉积速率要高于全新世,代表了冰期相对强盛的风力环境,最高沉积速率发生在末次冰盛期,反映了末次冰盛期极强的风力条件。根据实验分析结果并结合野外地层观测,VA剖面主要分为以下5个沉积单元:单元一:(0~100cm)形成于过去500014Ca以来(晚全新世以来),实验数据分析结果显示该沉积单元具高磁化率(平均含量为3.5%)、高有机质含量(平均含量为7‰)和高碳酸盐含量(平均含量为14.6%)特征,这些指标含量均远高于剖面的平均值。同时碳酸盐含量高值出现在该层中下部,说明碳酸盐在沉积后发生了强烈的淋溶作用。粒度数据显示粘土含量在该单元也远高于剖面的平均值,高达8%,说明成土作用对细颗粒贡献较大。此外野外观测发现该层具有结构破坏掉但有机质富集的土壤A层以及Bc层(图2)。上述的实验结果(高磁化率、高有机质、高粘土含量)以及野外观测结果都显示该层为土壤层。单元二:(100~200cm)形成于~1000014CaBP—~500014CaBP间(早全新世)。实验室分析显示,与上覆的土壤层相比较,该层磁化率、有机质、以及粘土含量均相对较低,碳酸盐平均含量约为12.9%,低于上覆土壤层;粉砂含量高于上覆土壤层,尽管砂含量低于上覆土壤层,但颗粒平均粒径高于上覆土壤层。此外野外观察发现该层几乎没有发现生物活动痕迹,也没有任何的潜育化现象出现。综上所述,该层为典型的黄土层。单元三:(200~450cm)形成于~1900014CaBP—~1000014CaBP间(末次冰消期)。实验数据显示该层磁化率平均值约为0.94%,低于剖面平均值,碳酸盐平均含量约为13.7%,与剖面平均值接近,但高于上覆的黄土层,有机质平均含量约为2.4‰,低于剖面平均值。该层变化最为明显的指标为粘土含量,其明显高于上覆黄土层,平均含量接近第一层古土壤,达7.5%(说明成土作用相对较强),砂含量平均值为23.1%,远低于剖面平均值,颗粒组分总体偏细。野外观测发现该层具有无结构的土壤A层,同时可以明显观察到大量的树根沉积痕迹以及微弱的潜育化现象。综合上述分析该层为弱土壤层。单元四:(450~600cm)形成于~2200014CaBP—~1900014CaBP(末次冰盛期)。实验分析表明该层磁化率平均值约为0.88%,低于剖面平均值且略低于其上覆土壤层,碳酸盐含量平均值为12%,有机质平均含量约为2‰,均低于剖面平均值,同时粘土含量5%也低于剖面平均值并远低于上覆第三层弱土壤层以及表层土壤层,粉砂含量变化较小,但砂含量达到了32%,明显高于剖面平均值也远高于土壤层的砂含量。该层另外一个显著特征就是极高的沉积速率(50mm/100a),达到了全新世沉积速率(20mm/100a)的2.5倍,也高于冰期时其他时段的沉积速率。野外观察发现该层沉积物具有黄土的典型结构—块状结构且有微弱的潜育化现象(浅蓝色斑点状)。综合上述讨论,我们推测该层为弱潜育化的黄土层,代表了末次冰盛期的沉积。单元五:(600~700cm)形成于过去~2600014CaBP—~2200014CaBP以来,磁化率、碳酸盐以及有机质的含量均明显偏低,但是变化比较微弱。该层变化最为明显的指标是粒度指标,从图3可以看出个粒级颗粒含量变化范围很大,各粒级含量的最大值最小值均出现在该层。具体来讲,粘土含量平均值约为4.8%,变化范围为2.8%~8.1%,而粉砂平均含量为62.9%,变化范围为34.6%~85.5%,砂含量则变化更为剧烈,最低值仅有6%,而最高值却达到了62.5。沉积物粒度如此大范围的变化似与风尘黄土沉积具有较大的差距,粒度频率分布曲线也表现为明显的双峰组成,该层沉积物应包含有其它搬运动力所搬运的沉积物,结合剖面地理位置(位于Valikhanov河谷二级阶地),该层为受河流影响的黄土层。综上,VA剖面除底部黄土沉积受到河流影响以外,其它均为典型的风尘沉积。在MIS2单元发育了一层弱潜育化的黄土层(末次冰盛期)和一层弱土壤层(末次冰消期),全新世早期主要为黄土沉积,而晚期发育土壤层。3分析与讨论的结果3.1研究区mis2层序对土壤沉积的控制作用研究区位于其西面的欧洲黄土与其东面中国黄土高原的过渡带上(图1),因此对该地区的黄土与其周围的黄土记录气候对比研究有助于更好地理解西风带和亚洲季风之间的相互作用历史,以及西伯利亚高压和亚索尔高压之间的相互关系,具有重要的古气候学意义。本文从这两大黄土区分别选择两个研究相对细致的黄土古土壤序列进行对比,结果如图4所示。图4显示,欧洲的Nussloch剖面和Harmignies剖面在~2500014CaBP—~1000014CaBP均发育了弱土壤层以及潜育化的黄土层。对位于德国境内的Nussloch剖面地层研究表明,该剖面在MIS2分别发育了两层弱土壤和两层潜育化黄土层,在早全新世主要为黄土沉积而晚全新世发育土壤层;对位于比利时境内Harmignies剖面研究同样显示该剖面在MIS2单元发育了三层弱土壤层和两层潜育化黄土层,全新世地层与Nussloch剖面类似。欧洲黄土地层记录到MIS2的弱土壤层以及潜育化黄土层在本文的研究剖面(VA剖面)都有记录,而且除了本文选取的两个欧洲黄土序列以外,欧洲其他地区的很多剖面地层也具有同样的特征。另外对同样位于中亚区的Romantic剖面(VA剖面东面的阿拉木图地区)的地层分析也发现了MIS2阶段的潜育化现象。而本文选自中国黄土高原具有代表性的两个剖面(分别为黄土高原东部蔡家沟剖面,西部的北源剖面)以及其他很多黄土序列记录到的MIS2时段均为典型的黄土沉积,没有任何弱土壤层记录潜育化特征,且全新世地层也与VA剖面具有反相位的关系,也就是说黄土高原早全新世发育土壤层,而晚全新世发育黄土层(图4)。综上,过去~2500014Ca以来VA剖面沉积地层与欧洲黄土沉积地层相似,与东亚区黄土沉积具有较大的差别。具体来讲就是VA剖面的地层特征(包括黄土的潜育化以及MIS2时段弱土壤的发育)与我们所选择的欧洲两个黄土剖面有很好的对应关系,而与东亚区黄土沉积地层差别较大,VA剖面记录的MIS2单元广泛潜育化现象在东亚黄土区没有任何相应的发现,说明研究区MIS2单元气候比东亚区偏湿润。VA剖面全新世的地层发育与东亚区具有反相位关系说明研究区主要受西风环流控制,具有西风区黄土沉积的典型特征,这与前人的研究结论是一致的。3.2研究区的黄土沉积特征以前的研究者对东亚黄土-古土壤序列的研究发现,东亚区黄土-古土壤序列的变化可以归因为季风(包括夏季风和冬季风)强弱变化,也就是在暖湿的间冰期东亚夏季风增强而冬季风减弱,发育土壤层;而在冷干的冰期时,夏季风减弱冬季风加强,主要为黄土沉积。VA剖面位于中亚黄土沉积区,该黄土沉积区主要为地中海型气候,受西风环流控制。降水主要发生在冬季,冬季(冷季)气候湿润而夏季(暖季)气候相对干燥。因此研究区的黄土沉积应该有典型的西风区黄土沉积特征。VA剖面记录到出现在MIS2单元的潜育化现象则反映了西风环流控制的气候特征,也就是温暖干燥的夏季沉积黄土,而在寒冷湿润的冬季则在母质黄土沉积基础上发生潜育化。而在末次冰消期的弱土壤层的发育则反映了研究区在这段时间相对湿润环境下黄土沉积速率与土壤形成之间的竞争关系。在气候比较湿润的条件下,如果黄土沉积速率高于土壤发育速率则主要发育黄土层;反之如果黄土沉积速率低于土壤形成速率则发育弱土壤层。VA剖面反映的全新世地层序列与东亚区具有反相位的关系。东亚区的大量研究表明早全新世气候湿润,发育古土壤层,研究者将其归因为亚洲夏季风早全新世强盛,且总体上受控于太