渭河流域典型黄土剖面的环境磁学特征及其古气候意义

1、第 32 卷第 1期冰 川 冻 土Vol . 32 No . 12 0 10 年 2月J OU RNAL O F GL ACIOL O GY AND GEOCR YOL O GYFeb. 2 0 1 0文章编号:100020240 (2010) 0120091207渭河流域典型黄土剖面的环境磁学特征及其古气候意义贾佳1 ,夏敦胜2 ,1, 金 明1 , 王训明2 , 魏海涛1 ,刘现斌1(1 .西部环境教育部重点实验室 , 甘肃兰州 730000 ; 2 . 中国科学院寒区旱区环境与工程兰州大学研究所3沙漠与沙漠化重点实验室 , 甘肃兰州 730000)摘要: 对黄土高原南部耀县全新世黄土地层

2、的形成及保存环境进行了研究. 结果表明: 地层中磁性矿物主要为软磁性矿物 , 硬磁性矿物对地层的磁学性质贡献小; 随着成壤强度的增加 , 硬磁性矿物的相对含量在减少. 本区全新世地层的形成和保存环境为氧化环境 , 适宜用磁学手段反演全新世古气候.对磁化率和频率磁化率、无磁滞剩磁磁化率的对比分析 , 可以看出 : 成壤强度较低时 , 细粒磁性矿物相对于磁性矿物总量的增加速率相对较快 ; 成壤强度较高时 , 细粒磁性矿物的相对含量会达到或趋近饱和 , 相对于磁性矿物总量的增加速率相对较慢. 研究表明 , 在黄土地层中 , fd % 和ARM /等指示细粒磁性矿物的磁学参数可以显示更细微的气候变化;

3、 在古土壤中 , lf 的气候指示意义相对更好.关键词: 磁学参数; 黄土; 耀县剖面中图分类号: P534. 63文献标识码 : A0 引言20 世纪 80 年代 , Heller 和刘东生 1 等首先发现黄土地层很好地记录了古地磁事件 , 同时也注意到地层的低频磁化率变化很大 , 古土壤层的低频磁化率可达黄土层的数倍以上.此后 , 两人通过黄土古土壤地层磁化率与深海氧同位素的对比发现 , 黄土古土壤地层的磁化率很好的记录了古气候的变化 2 , 很多关于古土壤磁化率增强机制的假说也随之提出 3 - 6 . 随着研究的深入 , 学者们普遍发现或认可了成壤过程中细粒强磁性颗粒形成是古土壤层磁化率

4、增强的主要原因 7 - 9 , 同时也发现细粒强磁性矿物与磁化率的变化趋势存在差别 10 . 由于细粒强磁性矿物的古气候意义更明确 , 学者们普遍支持以反映细粒磁性矿物含量的参数指示古气候变化 9 - 12 . 然而在前人的研究结果中发现: 在黄土中 , 频率磁化率可以显示更细微的气候事件; 在发育较强的古土壤中 , 磁化率的波动性更大. 这是否意味着反映细粒磁性矿物含量的磁学参数 , 其可以反映的古气候条件是有一定上限的. 本研究希望对这一重要的科学问题做出初步探索.1 研究剖面与方法1 . 1研究剖面黄土高原南缘的耀县地区(图 1) 位于西安市以北 200 km , 属于暖温带大陆性半湿润

5、气候 , 年均温13 , 年降水量 554 mm. 耀县剖面 ( 3453N ,10845E) 位于西安至铜川高速公路旁 , 耀县县城南. 露头为一人工取土坑道 , 厚约 23 m 的黄土 古土壤的序列 , 其中上部 4 m 厚的沉积物为全新世风尘沉积物 13 - 14 . 地层描述如下:(1) 060 cm : 现代土壤层 , 受耕作扰动.(2) 6090 cm : S0 S1 , 古土壤层 , 灰棕色粘质粉砂土 , 紧实 , 含有大量生物毛孔和钙菌丝.(3) 90137 cm : S0 L 1 , 黄土层 , 浅黄色粉砂土 , 松散的团粒状结构.收稿日期: 2009207211 ; 修订日

6、期: 2009209227基金项目: 国家自然科学基金项目(40871080 ; 40972116 ; 90502008) 资助作者简介: 贾佳(1985 ) , 男 , 河北石家庄人 , 2007 年毕业于天津师范大学 , 现为在读硕士研究生 , 主要从事环境磁学与干旱区环境变化研究.E2mail : jiaj07 lzu. cn3 通讯作者: 夏敦胜 , E2mail : dsxia lzb. ac. cn92冰川冻土32 卷(4) 137210 cm : S0 S2 , 古土壤层 , 红棕色粘质粉砂转磁力仪测量 , 磁滞回线使用 V F TB 测量. 以上实土 , 紧实 , 含大量的生物

7、毛孔和钙菌丝.验均在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成.(5) 210260 cm : S0 L 2 , 黄土层 , 浅红黄色粉砂土 ,松散的团粒状结构 , 弱成壤层.(6) 260320 cm : S0 S3 , 古土壤层 , 暗棕色到黑棕色粘土 , 紧实 , 含大量生物毛孔和钙菌丝.(7) 320400 cm : L 1 , 马兰黄土 , 微黄色的粉砂土 ,下部发现一个石灰淀积层(弱土壤发育) , 发育大量直径为 12 mm 的钙结核 , 向下逐渐过渡为具有松散团粒结构的典型马兰黄土.图 1研究剖面位置Fig. 1 Map showing t he Loess Plateau and t

8、 he po sition of t he p rofiles mentio ned in t his paper2 耀县剖面全新世地层的形成和保存环境有效湿度的增加会增强地层的成壤作用 , 进而增加磁性矿物的亚铁磁性矿物的含量 , 同时可以显著减小磁性矿物晶体的粒径 3 ,9 ,15 , 这些因素都会造成地层磁化率的增强.但随着有效湿度的增加 ,在成壤过程中形成的亚铁磁性矿物可能转化为反铁磁性矿物 , 降低地层的磁化率 16 - 18 . 这是由于当水分过多时 , 地层就会由原来的氧化环境转化为还原环境 , 使在氧化环境中可保持稳定的亚铁磁性矿物 , 转化为在还原环境中可保持稳定的褐铁矿等反

9、铁磁性矿物. 这种现象在西伯利亚和阿拉斯加黄土中常见 16 - 18 . 黄土高原部分地区的部分层位也可见古土壤层磁化率降低的现象 , 如图 2 所示 , 由西北向东南 , S1 古土壤层的磁化率由逐渐增强到逐渐减弱过渡 , 但野外观察的地层发育程度是在逐渐增强. Ding Zho ngli 等 19 - 20 在对黄土高原地层的研究中指出 , 磁化率与成壤强度的正相关性仅适用于形成和保存在氧化条件下的地层 , 对于有潜育化作用1 . 2 实验方法的地层 , 磁化率的变化可能出现更多可能.样品在室内自然风干后 , 取 5 5g 用塑料薄膜渭河流域的扶风、岐山和清湫村等全新世黄土包紧 , 装入专

10、用样品盒并压实. 对所有样品进行低古土壤剖面的磁化率变化趋势也存在很大差别(图频磁化率 (lf ) 、高频磁化率 (hf ) 、无磁滞剩磁3) . 这表明通过磁化率反演黄土高原南部地区全新( A RM) 、等温剩磁( IRM) 、饱和等温剩磁( SIRM) 、世黄土古土壤地层记录的古夏季风变化趋势的过磁滞回线的系统测定. lf 和hf 使用 Bartingto n 公程中 , 要注意地层的形成和保存环境对磁化率的影司生产的 MS2 型磁化率仪测定 , 计算频率磁化率响.fd % = (lf - hf ) /lf 100 . A RM 用交变退磁仪如图 4 所示 , 施加 100 m T 磁场时

11、 , 全新世地(A F demagnetizer ) 和 Mol spin Minispin 小旋转磁层的磁性矿物基本达到饱和剩余磁化强度的 75 %力仪测量 , 并计算无磁滞剩磁磁化率(ARM ) . IRM 、以上 , 全新世古土壤地层的磁性矿物基本达到饱和SIRM 用 MM PM 5 强磁仪和Mol spin Minispin旋剩余磁化强度的80 %以上 ,明显高于马兰黄土层.1图 2黄土高原典型剖面地层 S02S1 的磁化率曲线20 Fig. 2The magnetic susceptibility p rofiles of typical paleo sol2loess f rom

12、S0 to S1 of Loess Plateau ( reference 20)1 期贾 佳等: 渭河流域典型黄土剖面的环境磁学特征及其古气候意义93图 3渭河流域全新世黄土剖面磁化率曲线21 - 23 Fig. 3The magnetic susceptibility p rofiles of typicalHolocene paleo sol2loess of Weihe drainageareas ( references 21 - 23 )IRM100300 m T / SIRM 、IRM3001000 m T / SIRM 曲线也显示 , 全新世地层的磁性矿物中 , 硬磁性矿物对剩

13、余磁化强度的贡献明显低于马兰黄土地层 ,这种现象在全新世古土壤层中表现的尤为明显.由此可知 , 全新世古土壤地层的磁性矿物以软磁性矿物为主 , 硬磁性矿物含量明显低于马兰黄土. 还原环境中的稳定矿物 , 主要是褐铁矿 , 其中多数磁性矿物呈现反铁磁性特征 , 具有很高的剩磁矫顽力和矫顽力 , 为硬磁性矿物.Liu 等 16 - 18 对阿拉斯加和西伯利亚中东部的黄土沉积区地层的磁学特征研究表明: 有效湿度高的地区 , 地层表现为还原环境; 在还原环境下 , 磁化率、饱和磁化强度、饱和剩余磁化强度等磁学参数与成壤强度呈反比 , 而且剩磁矫顽力、矫顽力相对于成壤强度的变化没有规律 , 均保持较高值

14、. 如表 1 所示 , 耀县剖面黄土古土壤地层的磁化率、饱和磁化强度、饱和剩余磁化强度与成壤强度呈正相关 ,矫顽力和剩磁矫顽力与成壤强度呈反相关 ,且图 4耀县剖面地层和 IRM 、SIRM 曲线Fig. 4The st ratigrap hic subdivisions and t he curves ofIRM and SIRM inYaoxian p rofile表 1耀县剖面典型样品磁学参数Table 1Magnetic parameters of typical samples in Yao xian p rofile深度lf /fd/ARM /fd %M s/M rs/HcHcr/

15、 cm (10 - 8 m3 kg - 1 ) (10 - 8 m3 kg - 1 ) (10 - 8 m3 kg - 1 )/ %ARM /(10 - 5 Am2 kg - 1 ) (10 - 5 Am2 kg - 1 ) / m T/ m T21122 . 7310 . 82537 . 788 . 814 . 389757 . 59878 . 937 . 5433 . 6241120 . 0911 . 36523 . 959 . 464 . 369884 . 04832 . 067 . 1536 . 10167259 . 4528 . 361354 . 1710 . 935 . 22143

16、60. 731307 . 836 . 4927 . 49207227 . 3625 . 361142 . 6111 . 165 . 0313139. 901188 . 016 . 6127 . 87215259 . 1828 . 181425 . 4910 . 875 . 5013943. 101334 . 136 . 1527 . 42285260 . 7328 . 361248 . 9410 . 884 . 7914258. 881316 . 366 . 3527 . 87321135 . 0913 . 82630 . 0310 . 234 . 6610312. 01804 . 316 .

17、 8934 . 6235184 . 917 . 91348 . 729 . 314 . 117469. 2575 . 767 . 15 39 . 2038966 . 365 . 09244 . 057 . 673 . 68516 . 9442 . 4194冰川冻土32 卷数值很低 , 全新世古土壤层的矫顽力低于 7 m T 、剩磁矫顽力低于 30 m T , 指示地层的磁性矿物以亚铁磁性矿物为主 , 反铁磁性矿物对磁学性质的贡献低 , 与西峰剖面的磁学特征更接近.磁滞回线经常被用来指示磁性矿物的种类 24 .本研究选取深度为 167 cm 、207 cm 、285 cm 和 321 cm 的样

18、品做磁滞回线的分析(图 5) . 167 cm 和 207 cm 深的两个样品是全新世古土壤高磁化率地层的典型样品 , 位于古土壤层的中部; 207 cm 和 321 cm 深的样品是全新世古土壤层低磁化率地层的典型样品 , 位于古土壤层底部. 图 5 显示 , 曲线均在约 100 m T 发生斜率的明显转折 , 且具有高磁化率的样品 , 磁化强度更高 , 表明高磁化率的样品中软磁性矿物含量高. 样品在 1 T 处闭合 , 说明样品中均含有高矫顽力磁性矿物 ,但在10 0 m T以上曲线间已图 5耀县剖面典型样品的磁滞回线Fig. 5Magneic hysteresis loop s of t

19、ypicalsamples in t he Yaoxian p rofile经非常接近 , 表明高矫顽力磁性矿物含量低并可能含有一定数量的顺磁性矿物.由以上论述可知 , 耀县地区全新世地层的磁性矿物主要为软磁性矿物为主 , 硬磁性矿物对地层的磁学性质贡献小; 随着成壤强度的增加 , 硬磁性矿物的相对含量在减少. 地层的磁学特征与成壤作用的关系更接近于典型黄土高原的黄土古土壤剖面. 因此 , 耀县地区全新世地层的形成和保存环境为氧化环境 , 磁学手段可以反演本区域的全新世古气候.3 讨论与结论lf 反映样品中亚铁磁性矿物的总体含量 , 同时受到磁性矿物晶体粒径的影响; fd 和ARM 分别指示样

20、品中 SP/ SD 边界和较细 SD 磁性颗粒的含量 9 ,24 - 26 , fd % 和ARM /分别表示 SP/ SD 边界和较细 SD 磁性颗粒对磁化率的贡献量. 如图 6 所示:lf 与fd 和ARM 等参数的变化趋势基本一致 , 表明磁化率与地层中细粒磁性矿物含量具有很好的正相关性. 然而lf 与fd % 和ARM /参数的变化趋势存在较大差别 , 在古土壤层中lf 曲线的波动更大 , 而黄土地层中fd % 和ARM /的波动更大. 前人在研究中早已注意到了这种现象 , 并提出fd % 和ARM /的古气候意义更好 , 可以反映细微的气候变化. 由于fd 和ARM 指示的是样品中细

21、粒磁性矿物的绝对含量 , 而fd % 和ARM /指示的是样品中细粒磁性矿物对样品磁化率的贡献量 , 是相对含量. 因此 , fd % 和ARM /值的大小会受到lf 的影响. 古土壤层lf 值大 , fd % 和ARM /值受的影响也就大; 黄土层lf 值小 , fd % 和ARM /值受的影响也就小. 因此 , 古土壤层原本很明显的气候信息在 fd % 和 ARM /参数中却反映的不明显 , 而黄土层原本很弱的气候信息却被fd % 和ARM /参数相对的放大.图 6耀县剖面基本磁学参数变化Fig. 6Changes of t he magnetic parameters in t he Y

22、ao xian p rofile1 期贾 佳等: 渭河流域典型黄土剖面的环境磁学特征及其古气候意义95图 7耀县剖面磁学参数对比Fig. 7Scatter plot s of t he magnetic parameters in Yaoxian p rofile图 7 (a) 和图(c) 显示 , 随着磁化率的增加 , 耀县剖面的细粒磁性矿物对磁化率的贡献也在不断增加 , 但增加的速率在不断减小. 在全新世地层中 ,细粒磁性矿物对磁化率的贡献量都很高 , 在图 7 (a)已经看不出 SP/ SD 边界磁性颗粒对磁化率贡献率明显的继续增加 , 图 7 (c) 也表明 SD 磁性颗粒对磁化率贡献

23、率的增加趋势也明显趋缓.这可能指示 ,在黄土高原地区 , 成壤过程中形成的磁性矿物 , 其细粒磁性矿物的含量会饱和; 当fd % 达到 10 %12 % , SP/ SD 边界颗粒对磁化率的贡献率就保持为一基本恒定的值. 在黄土高原地区黄土 古土壤地层的环境磁学研究中很少发现百分频率磁化率超过12 % , 这种现象支持上述推测. ARM /参数在磁化率达到 200 10 - 8 m3 kg - 1 之后依然显示出继续上升的趋势 , 因此不排除当磁化率达到 300 10 - 8m3 kg - 1 后 SD 磁性颗粒含量依然不饱和的可能.随着磁化率的增加 , 地层中 SP/ SD 边界的磁性颗粒和

24、 SD 磁性颗粒的对磁化率的贡献率逐渐达到饱和或趋于饱和 , 这也可能是古气候信息在古土壤层的fd % 和ARM /等参数中表现不明显的原因.饱和等温磁化强度( M s) 可以指示地层中磁性矿物的含量 , 由于获取相对困难 , 本研究仅选取部分有代表性的样品(深度为 21 、41 、167 、207 、215 、 285 、319 、321 、351 cm 的样品) 进行测量. 将测量结果与fd 和ARM 等参数对比 ( 图 7b 、d) , 结果显示 : 细粒磁性矿物含量与样品中磁性矿物的总量呈正相关 , 而且磁性矿物含量低时 , 与细粒磁性矿物的比值大 ; 磁性矿物含量高时 , 与细粒磁性

25、矿物比值低. 这暗示: 地层成壤程度较低时 , 相对于磁性矿物总量细粒磁性矿物增加的速率快; 地层成壤程度高时 , 相对于磁性矿物总量细粒磁性矿物增加的速率慢. 成壤发育强的黄土 古土壤地层中磁性矿物的总量和细粒磁性矿物的含量主要受成壤作用控制 , 与前人的研究结果基本一致 12 ,27 - 28 .由以上论述可以推断 , 造成fd % 和ARM /在反映黄土古土壤中的古气候信号时存在差别的原因可能是细粒磁性矿物会随着磁化率的增加而逐渐达到或趋于饱和 , 尤其是 SP/ SD 边界的细粒磁性96冰川冻土32 卷矿物可能当fd % 达到 10 %12 %时饱和 , 这就使得在成壤强度高的地层中

26、, 细粒磁性矿物的气候指示意义不及成壤强度较弱的地层. 进一步对磁性矿物总量与细粒磁性矿物含量的分析表明: 成壤强度较低时 , 细粒磁性矿物增加的速率相对较快; 成壤强度较高时 , 磁性矿物总量增加的速率相对较快. 因此 , 在黄土地层中 , fd % 和ARM /等指示细粒磁性矿物对磁化率贡献量的磁学参数可以显示更细微的气候变化 , 在古土壤中 , lf 的气候指示意义相对更好.参考文献( References) : 1 Heller F , Liu T S. Magnetost ratigrap hical dating of loess depo sit s in China J . N

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