田洋玛珥湖中更新世以来磁化率特征及其环境意义*
2012-05-09杨士雄宗永强黄康有
杨士雄,郑 卓,宗永强,李 杰,黄康有
(1.中山大学地球科学系,广东 广州 510275;2.香港大学地球科学系,中国香港)
随着全球变化研究的不断深入,建立高分辨率的古气候、古环境指标,重建古气候、古环境记录,已成为日趋迫切的关键问题。在高分辨率的全球变化研究中,极地冰芯,洞穴石笋,陆地湖泊和海洋沉积物一直以来都是主要信息源。这其中,玛珥湖作为陆地湖泊的一种类型,其形成和保存高分辨率气候环境记录方面具有独特的优势,成为当今古气候、古环境研究中的亮点[1-2]。在中国,玛珥湖大量分布,可以提供丰富的环境变化信息,这对亚洲乃至全球的气候环境变化研究都具有重要意义。
在古气候记录中,沉积物磁化率作为恢复古气候、古环境状况的良好替代性指标,已经在不同类型沉积物如:黄土、冲积物、湖积物、风沙堆积和南方红土等古气候、古环境研究领域得到了广泛的应用[3-10]。但是由于湖泊沉积物磁化率在机制上的复杂性[11-15],湖泊中的磁性矿物的富集、保存、自生生成或反磁性矿物作用等均对磁化率会产生影响[16-17],使得不同地域、类型和尺度的湖泊其沉积物磁化率形成机制亦不相同,进而对气候指示意义也有差别[18]。
田洋玛珥湖位于我国雷琼地区雷州半岛东南部,其连续220多m厚的第四系沉积物为研究华南热带地区古气候、古环境演化提供了最佳研究材料。前人对田洋玛珥湖的研究,主要是磁性地层学[19]、沉积学[20-21]、年代学[22-23]、孢粉和微体古生物学[23-26]。上述研究为认识长时间序列的热带环境演变过程积累了大量资料。然而,由于20世纪80-90年代的研究结果无论在测年技术上,还是研究的分辨率精度相对较低,特别是对上部几十米的沉积物研究分辨率很低,使得对该区进行再研究成为必要。2008年,作者再次对田洋玛珥湖进行了钻探取样,拟重点对上部40 m岩芯进行高分辨率古环境与古气候研究。本文以精确定年为基础,通过磁化率分析,结合孢粉指标,探讨该区中更新世以来的气候环境演变,为热带以及中国华南地区全球变化研究提供新的参考依据。
2 研究区概况
田洋玛珥湖位于中国广东省雷州半岛的东南部徐闻县曲界区田洋村(20°31.194′N,110°18.052′E),现是一个洼地状旱玛珥湖。盆地呈SE-NW向伸展,平面上近椭圆形,长约4 100 m,宽约3 100 m,面积约8.11 km2。四周为火山喷发物形成的低平台地所环抱,其火山碎屑主要由玄武质火山角砾岩、凝灰岩组成,还含有少量早更新世湛江组砂页岩块,盆地基底为玄武岩[27]。湖盆海拔90 m,附近丘陵山地海拔250 m以下。该区是热带季风性气候,主要受东亚季风控制。东亚季风的变迁,即暖湿的西太平洋东南季风和印度洋西南夏季风、冷干的西伯利亚-蒙古冬季风的演变,控制着区内的气温、降水、及湖泊、植被等的演化过程。该区气候炎热湿润,属亚热带海洋性气候,年平均温度23.3℃。7月均温为29~38℃,1月均温14~18℃,最低温度记载为3.8℃,基本上无霜冻[28]。年降雨量1 500~1 700 mm之间,年蒸发量为1 700~1 800 mm之间。雨季(5-10月)占全年降水的89%,干湿季较分明,每年6-9月为台风季节,多雷阵雨和暴雨,日最大降雨量为231.9 mm[29]。雷州半岛南部的现代植被属南亚热带季风含季雨林的常绿阔叶林,原始森林保存较少。本区现以人工植被为主,地带性植被为半常绿季雨林。在旱地或山坡上,伴随着禾本科和蕨类植物如:芒萁繁盛的开放森林和热带草地发育,而一些半自然林植物树种有:Ficus,Ficus.altissima,Antiaristoxicaria,Syzygiumhancei,Elaeocarpusjaponicus,Artocarpustonkinensis,Antidesmabunius,Endospermumchinense等[24-25]。
3 材料与实验方法
2008年1月由中山大学和英国杜伦大学联合在湖心(图 1)完成了120 m岩芯取样工作(TYC孔),并对全部岩芯进行了冷冻保藏。取芯率平均高达98.7%,整个岩芯颜色变化为:0~6.94 m黄褐色粘土;6.94~8 m:黑色粘土,含大量植物碎屑;8~19 m:青灰色粘土,含黄褐色火山角砾,及植物碎屑;19~31 m:灰黑色粘土,含黄褐色火山角砾,及少量植物碎屑;31~42 m:深灰色粘土,含少量植物碎屑;42~120 m:青灰硅藻土,部分略带褐色。本文研究对象为岩芯上部40 m。磁化率样品分析按间隔5 cm取样,然后装入8 mL无磁性立方体形样品测量盒内,压实,称重,共获取磁化率样品746个。之后,在广州大学孢粉实验室利用捷克AGICO公司生产的系列卡帕桥(MFK1)磁化率仪对沉积物样品进行低频质量磁化率与高频质量磁化率测量。为了保证测试精度,高、低频质量磁化率均重复测试3次,并求其算术平均值。最后计算得频率磁化率。
图1 田洋玛珥湖TYC孔地理和位置图
本文共测定了7个AMS14C年龄和3个光释光年龄,测年材料及结果见表 1。所有14C年龄数据均采用国际通用的Calpal_A年龄校正软件Calpal 2007 Hulu曲线进行校正[30]。GZ14C年代数据由中国科学院广州地球化学研究所AMS-14C制样实验室和北京大学核物理与核技术国家重点实验室联合完成;BETA14C年代数据年代数据由美国迈阿密BETA实验室完成;SUERC14C年代数据由苏格兰大学SUERC实验室完成;光释光年龄数据由香港大学光释光实验室完成。由于第四纪测年范围、材料和技术的限制,基于AMS14C 和光释光测年数据,将TYC孔地层花粉百分含量曲线与SPECMAP氧同位素曲线[31]进行拟合,建立该孔年代框架(图 2)。根据木本花粉含量与SPECMAP氧同位素曲线冰期与间冰期具有很好的一致性变化以及绝对测年数据的指导,我们建立了一系列年龄控制点,控制点年龄之间以线性插值及外推估算其各深度年龄,建立了该钻孔岩芯前40 m 346 kaBP约MIS 9阶段以来的湖泊沉积序列。
表 1 田洋玛珥湖TYC孔剖面年代数据
图 2 田洋TYC孔上部40 m木本植物花粉含量与SPECMAP氧同位素曲线年代拟合图
4 结果与讨论
4.1 磁化率环境意义
在陆相湖泊中,沉积物磁化率对环境变化的响应一直处于讨论阶段。由于湖泊所处地理位置、当地地质地貌条件和气候系统的不同,其古环境指示意义却不尽相同。首先,物质来源是湖泊沉积物磁化率变化的主导因素[32]。在气候温暖湿润期,大量降水带来大量的碎屑物质在湖泊沉积,导致磁化率升高;反之在气候寒冷干旱期,碎屑来源减少磁化率较低。其次,湖泊周围地表植被覆盖也会对磁化率影响[33]。在物源相对稳定的地区,植被覆盖度较低时,水动力对地表的侵蚀强烈,带入大量碎屑物质到湖中沉积,沉积物的磁化率较高;反之,当物源区植被覆盖度较高时,水动力对地表的侵蚀减弱,湖泊中碎屑物沉积减少,沉积物的磁化率较低。再次,在气候温暖湿润期,湖泊生产率较高,湖中的生物活动和细菌作用导致有机质分解并消耗大量氧,形成稳定的还原环境,软磁性细颗粒的磁铁矿会被分解,湖内沉积物中细颗粒亚铁磁性矿物的含量减少,磁化率降低;反之在气候寒冷干燥期,湖泊较小,生产率低,对磁性矿物影响较小[34-35]。然而,玛珥湖的封闭性沉积实际上反映了当地的气候特别是降雨量的变化以及湖盆植被覆盖状况。田洋玛珥湖剖面磁化率表现出与孢粉有很好的对应关系(图 3)。在气候温暖湿润时期,湖面较高,湖盆出露少,湖盆上植被覆盖较好,通过降水带入湖泊中沉积的碎屑物质含量较低,导致磁性矿物(磁铁矿等)减少,磁化率较小;另一方面,在寒冷干燥的气候环境时期,大气降水较少,湖面降低,湖盆大面积出露,湖盆上植被覆盖较差,即使是相对较小的降水,也能将湖盆上的大量碎屑物质带入湖中沉积,导致该时期磁化率值较高。据此,磁化率增高主要受控于外源磁铁矿输入量增加,其高值主要反映降水减少,湖面的下降,降水对湖盆冲刷将其大量的磁性矿物带入湖中心沉积,同时也叠加降温的信号[36];反之,气候温暖湿润,降水增加,磁化率值较低。相邻地区的湖光岩玛珥湖磁化率结果也以此相互应证[37]。
4.2 田洋玛珥湖中更新世以来的古环境演化
田洋玛珥湖TYC孔上部40 m岩芯剖面磁化率变化特征显著,由于样品中细颗粒磁性矿物对高频磁场的滞后所致[38],高频质量磁化率的值较低频质量磁化率值略低。低频质量磁化率在(0.10~128.45)×10-9m3/kg之间变化,平均值为31.66×10-9m3/kg。高频质量磁化率在(0.10~123.81)×10-9m3/kg之间变化,其平均值为30.52×10-9m3/kg。高频和低频质量磁化率这两个参量的变化趋势是一致的。因此,下面仅讨论低频质量磁化率(简称磁化率)。考虑到湖泊中磁化率的形成机制的复杂性,结合孢粉指标[39]对湖泊磁化率所反映的古气候与古环境进行探讨。根据孢粉以及磁化率的变化规律,将田洋玛珥湖地区中更新世以来的古环境演化划分为9个阶段(表 2)。
表 2 田洋玛珥湖TYC孔各阶段磁化率特征
346~301.4 kaBP,磁化率为低值区。孢粉中木本植物含量较高,草本植物含量较低,喜阴湿的蕨类植物较不发育。木本植物以-热带亚热带栎属、栲属、无患子科、五加科、山茶科、蕈树属等含量为主,具有热带中低海拔雨林的特色,气候温暖湿润。南海海面表层水温平均约为27.31℃[40];而全球海平面高度与现在想当[41];在欧洲希腊Tenaghi Philippon地区,植被也呈现出木本植物相对发育[42]。此时期,田洋地区降水较为丰沛,湖泊较深,湖中心接受的沉积物质主要来源于降水对湖盆的冲刷,此时湖面较广,湖盆出露少,湖盆上植被覆盖好,致使进入湖中心沉积的外源物质少,磁化率较低。
301.4~248.8 kaBP,磁化率较上阶段值高。草本植物含量平均高达60%,取代木本植物成为优势植物,蕨类植物含量也较高,气候寒冷干燥。该时期灌木类植物如榛木属、杜鹃花科、杨梅属等较上阶段含量增高,植被可能为热带稀树草地的景观。南海海面表层水温约为23.18℃[40],全球海平面高度约为-85 m[41],欧洲希腊Tenaghi Philippon地区,此时木本植物较不发育[42]。此时期温度相对较低,降水较为减少,导致湖面高度下降,湖盆大面积出露,大量的陆源碎屑物质从湖盆上进入湖中心沉积,磁性矿物增多,磁化率升高。
248.8~188.8 kaBP,磁化率又转为低值区。木本植物孢粉繁盛,草本植物极不发育,蕨类植物含量也有所降低。南亚热带低山常绿阔叶树种栎属、栲属、冬青属、木兰属,无患子科等植物含量迅速增加,热带低地雨林植物如桃金娘科、大戟科等含量也升高,山地针叶植物显著减少,植被类型可能热带中低海拔雨林景观,湖面升高,草本植物、蕨类植物被湖水淹没,孢粉主要来之于周围山地森林。此时,湖中心磁性矿物质来源相对减少,磁化率降低。南海海面表层水温升高至26.27℃[40],较上阶段有所回升,全球海平面也呈现升高趋势,平均为-20 m[41]。欧洲希腊地区的研究也表明此时期木本植物繁盛[42]。
188.8~125.2 kaBP,磁化率含量急剧升高,达到整个剖面的最大值。孢粉表现出草本植物繁盛,木本、蕨类植物极不发育。喜暖的植物主份如蕈树属、冬青属、无患子科基本上消失。只有栎属、栲属等适应范围较广的种类存活下来。取而代之是草本植物大量繁盛,平均含量高达74%,如禾本科、蒿属、莎草含量较高。由于蕨类植物一般喜阴湿环境生长[43],表明此时期气候寒冷干燥,不利于蕨类植物的发育,湖面有大幅度下降,暴露的湖盆上生长着大量草本植物。热带疏林草地的扩大和喜阴湿环境的蕨类减少表明气候相对偏冷干。南海海面表层水温也急剧降低至23.35℃[40],全球海平面下降最低可达-120 m[41]。欧洲地区气候寒冷,木本植物极不发育[42]。此时期,田洋湖面大幅度降低,湖盆大面积出露,湖中磁性矿物沉积剧增,磁化率达到最大值。
125.2~69.3 kaBP,磁化率为低值区。此时期气候又转变为湿热,主要表现为植被以木本植物占优势,如低地雨林植物桃金娘科、大戟科等含量较高,山地针叶植物如陆均松属、杉科等有较高含量。蕨类植物也相当发育,草本植物含量相对较低,气候较为温暖湿润。湖面上升,导致磁性矿物来源相对减少,磁化率降低。而在南海,海平面表层水温也呈现相对高值,约为27.29℃[40],全球海平面升至约-40 m[41]。高纬度地区,气候也较为温暖,木本植物繁盛[42]。
69.3~40.43 kaBP,相对于上阶段MIS 5 期,该阶段气候总体偏凉。南海海面表层水温约为23.5℃[40],较上阶段明显偏低;而全球海平面高度此时期也下降至约-83 m[41];而高纬度地区的欧洲,木本植物含量也较低,平均约为30%左右[42],以上数据都表明此时期温度相对较低,降水相对较少。此时期田洋湖面下降,磁化率值较上阶段有所升高。由于湖面的大幅下降,暴露的湖盆边上大量的草本植物繁盛,如禾本科、蒿属、菊科、莎草科等,致使木本植物含量相对较低,以栎属、榛木属为主,推测植被类型可能为亚热带疏林草地,气候呈现多次冷暖波动,总体气候偏凉干。
图3 田洋玛珥湖TYC孔磁化率与木本、草本、蕨类植物孢粉与南海海面表层水温[40],全球海平面高度[41]以及Tenaghi Philippon木本植物花粉[42]对比图(花粉以陆生植物花粉为基数计算而蕨类植物以所有统计孢粉数为基数计算)
40.43~25.5 kaBP。南海海面表层水温较上阶段有所下降低,约为23 ℃[40],全球海平面下降至约-100 m[41],此时期高纬地区森林植被较不发育,木本质物较上阶段低[42]。以上数据都表明此时期气候趋向于冷期过度阶段。而此时期田洋玛珥湖沼泽植被发育,热带草地进一步扩大,草本含量较上一阶段更高。森林植被稀疏,林木类型显示出针叶-阔叶混交林特色,如松属、罗汉松属、栎属、栲属、榛木属等。田洋湖盆水渐减少,沼泽密布,森林植被也逐渐分化,沉积物主要为植物腐烂沉积为主,致使该阶段的磁化率相对较低。
25.5~10.8 kaBP,气候寒冷干燥,南海海平面表层水温降至最低值22.21 ℃[40],全球海平面下降最低达-120 m[41]。田洋湖呈现一个逐渐变干的过程。湖泊沉积物为黄褐色粘土,说明湖盆上冲积物不断在湖泊中堆积,湖泊变干。草本植物含量较高,总体上植被表现为草地进一步扩大,林地成片状分布。由于气候寒冷干燥,湖泊变干,湖盆中心接受的沉积物质来源几乎为零的状态,致使磁化率一直保存在低值阶段。
10.8~0 kaBP,由于后期人类对干玛珥湖改造变为耕地,以伴人植物为主的植物花粉如水稻、甘蔗、伞形科等大量出现。磁化率由于受后期人类活动的影响使其值不断增高。此时期磁化率不具备气候替代指标的特性。
5 结 论
沉积物中磁化率值的高低主要是由磁性矿物的种类、含量和磁性颗粒的大小决定。陆相湖泊沉积物中它们受气候、物源、搬运介质、沉积环境等因素控制。因此,湖泊沉积物中磁化率具复杂性。但当在物源和沉积环境一定时,结合岩性、古生物、粒度及地球化学等资料,湖泊磁化率可作为气候环境变化的代用指标。
通过分析,田洋玛珥湖沉积物磁化率与孢粉有很好的对应关系,其与气候变化的关系为:磁化率的低值与气候暖湿对应,降水相对较多;磁化率的高值则与气候寒冷或温凉相对应,降水强度较小。距今约35万年来,田洋玛珥湖气候环境演化经历了9个不同的阶段: 346~301.4 kaBP,气候相对暖湿,降水较为丰沛。301.4~248.8 kaBP,气候寒冷干燥,降水相对减少。248.8~188.8 kaBP,气候相对暖湿,降水相对增加。188.8~125.2 kaBP,气候寒冷干燥。125.2~69.3 kaBP,气候较为暖湿。69.3~40.43 kaBP,气候偏凉。40.43~25.5 kaBP,气候偏凉但较上阶段温度偏低,此时玛珥湖呈现出沼泽化过渡阶段。25.5~10.8 kaBP,气候寒冷干燥,玛珥湖变干成为干玛珥湖。10.8 kaBP以来,由于后期人类活动对玛珥湖的改造,磁化率值不断升高。
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