西风区末次冰期以来昭苏黄土剖面微量元素分布特征及其环境意义

李传想，宋友桂

（1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2.中国科学院地球环境研究研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710075；3.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041；4.中国科学院大学，北京 100049）

西风区末次冰期以来昭苏黄土剖面微量元素分布特征及其环境意义

李传想1,2,3,4，宋友桂2

（1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；2.中国科学院地球环境研究研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710075；3.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041；4.中国科学院大学，北京 100049）

通过对新疆伊犁昭苏黄土剖面微量元素和粒度的测定分析，并与黄土高原黄土进行对比，揭示了西风区末次冰期以来黄土微量元素地球化学变化特征，探讨了其古气候意义。分析结果表明，伊犁黄土除Sr和Cr元素出现富集外，其他微量元素含量与黄土高原总体具有较好的相似性，可能表明末次冰期以来伊犁黄土形成环境较黄土高原干旱；伊犁黄土除Sr、Zn、Co和Ni元素含量分布变化比黄土高原稍大外，其他微量元素变化均比黄土高原小的多，可能意味着末次冰期以来伊犁地区环境变化幅度总体较黄土高原小的多。此外，研究结果还表明，伊犁黄土Zr元素主要赋存在粒径＞20 μm的粗颗粒中，暗示着黄土中锆石组分主要赋存于这种粗颗粒组分中；该剖面微量元素在风化成壤过程中，其迁移性由强至弱依次为Zr ＞ Y ＞ Sr ＞ Cr ＞ V ＞ Ga ＞ Rb ＞ Ni ＞ Cu ＞ Ba ＞ Th ＞ Zn ＞ Co ＞ U，均出现不同程度的富集，富集率均较低且变化幅度较小，可能指示末次冰期以来伊犁黄土沉积环境较为干旱且波动变化较小。

西风区；伊犁黄土；微量元素；地球化学；古环境

黄土中含有多种微量元素，由于其性质和行为差异，在地球化学过程中会发生淋失或富集，记录了大量的地质作用信息，因此引起人们广泛关注。表生环境下黄土元素的分布、赋存、迁移和配比规律，除受元素本身活动性不同的影响外，同时还受风化、迁移和沉积环境变化等而产生地球化学行为的差异（刘英俊等，1984；靳鹤龄，2003）。在相同区域，沉积物物源相对固定，微量元素的存在形式及性质基本相同的条件下，其含量的变化主要受控于气候环境的变化。因此，可利用黄土中某些微量元素的时、空分布变化特征作为气候变化的代用指标，来恢复古气候、古环境的变化规律（文启忠，1989；刁桂仪和潘景瑜，1996）。近年来，前人利用黄土微量元素指标在物源示踪及重建古气候方面的研究已取得不少成果（刁桂仪和文启忠，1979；文启忠等，1979；陈骏和汪永进，1999；庞奖励等，2001a；刘连文等，2002；Chen et al，2006），但这些研究主要集中于受东亚季风控制的黄土高原黄土分布区。

伊犁盆地地处研究程度较高的中国黄土高原和欧洲两大黄土区之间，该区风成黄土研究对揭示亚洲内陆干旱化、北半球粉尘来源、古西风环流和全球气候环境变化具有重要意义（宋友桂等，2010a）。然而，目前的研究尽管从年代学（李传想和宋友桂，2011a；Feng et al，2011；E et al，2012； Song et al，2012；Yang et al，2014）、沉积学（叶玮，2001；史正涛，2002；李传想和宋友桂，2012；李传想等，2012a）、矿物学（叶玮，2000；曾蒙秀和宋友桂，2013）、孢粉学（Li et al，2011；Zhao et al，2013）和环境磁学（Song et al，2008，2010；宋友桂等，2010b；李传想和宋友桂，2011b；Chen et al，2012；Liu et al，2012；李传想等，2013；Jia et al，2013）等不同方面做了不少有意义的探索，但其元素地球化学方面研究仍比较薄弱（李传想和宋友桂，2011c；Zhang et al，2013；李金婵等，2014），系统的微量元素研究更少。此外，先前对伊犁黄土为数不多的常量元素地球化学研究结果表明常量元素及相关参数对气候环境变化反映并不敏感（张文翔等，2011；李传想等，2012b）。因此，查明伊犁黄土微量元素地球化学特征，遴选出有效的古环境代用指标，揭示其所蕴藏的古环境变化信息，对认识和理解干旱–半干旱区环境演化具有重要意义。本文通过对伊犁盆地昭苏波马剖面黄土微量元素的测试分析，并与黄土高原的研究结果相对比，探讨了末次冰期以来伊犁黄土微量元素地球化学分布特征及其古环境意义。

1 地理背景

伊犁地区地处中国天山纬向构造带的西部，西邻为中亚戈壁沙漠区。研究区在地貌轮廓上为向西开敞的喇叭形，地势东高西低。据气象统计资料研究表明，伊犁地区高空一年四季都盛行西风（叶玮，2001）；冬季主要受北支西风气流影响，夏季南支西风北跃控制。伊犁河自东向西流经盆地最终注入哈萨克斯坦境内的巴尔喀什湖，上游有三大支流，即：特克斯河、喀什河及巩乃斯河，均有2 ～ 4级阶地发育，黄土主要堆积在河流阶地上及其低山丘陵区、山麓斜坡和沙漠边缘，厚度从数米到两百多米不等（Song et al，2014）。由于特殊的地形组合影响，南侧的天山阻挡了南来的塔克拉玛干沙漠干热气流，北侧天山节制北来的北冰洋寒流的袭击，西面敞开，可以充分接纳来自大西洋的湿润气流，在亚洲大陆内部腹地形成较湿润的温带大陆性半干旱气候，降水充沛（李江风等，2000），但是区内降水分布很不均匀，约为250 ～ 1000 mm，东多西少、山地多平原少，山地和高山区中山带可达500 ～ 1000 mm。本区年平均气温为2.6～9.2℃，7月平均气温14～23℃，1月为−6.8～−12℃（李江风等，2000）。随着由西向东海拔高度与水热条件的变化，植被逐渐由荒漠草原变为干草原，东部植被组成中蒿属减少，而禾本科的针茅增多；土壤则先由灰钙土变为栗钙土，后栗钙土又渐被暗栗钙土和黑钙土代替。

2 剖面地层与样品采集

伊犁昭苏波马剖面（ZSP）（80.25°E，42.69°N）位于伊犁哈萨克自治州昭苏县西南90 km的波马镇，处于盆地南缘伊犁河上游支流特克斯河的第二级阶地上，海拔1875 m（图1）。整个剖面从上至下可划分为S0（0～0.9 m ）、L1L1（0.9～2.3 m）、L1S1（2.3～5.2 m）、L1L2（5.2～6.5 m）和S1（6.5～6.9 m）共5个地层单元。该剖面由黄色或者浅色黄土与褐色或者红色古土壤（含弱发育古土壤）相互叠置构成，无侵蚀间断。其中，弱发育古土壤层L1S1和红色古土壤层S1分别含有虫孔和蜗牛化石，黄土层L1L1含有较多直径0.1～0.5 cm的钙结核。整个剖面出露厚度6.85 m，下部出露S1顶部，以下为河流砾石层。在剖面距顶部3 m、4 m、5 m和6 m处采集4个光释光测年样品，根据释光年代的结果外推该剖面黄土底部年龄为73.2 ka BP（Song et al，2012），主要系末次冰期以来的黄土沉积。粒度测试以5 cm间距采集了138个粉末样品；以15 cm间距进行元素分析取样，地层过渡段进行加密采集，共分析微量元素样品56个。

图1 采样点位置及伊犁地区地理环境状况图（据宋友桂和史正涛（2010）图修改）Fig.1 The map showing the site of sampling and the geographical environment of Ili region (Modif ed from Song and Shi, 2010）

3 实验方法

元素分析每个样品取5 g，在恒温60℃下烘干24 h后，做过200目筛（约74 μm）的前处理。以硼酸作固定剂，在SL201型半自动压样机上以29 TN的压力压成圆饼状。在荷兰帕纳科公司PW4400型X射线荧光光谱仪上测试，微量元素相对标准偏差＜5%。样品粒度分析采用英国Malvern公司Mastersizer2000型激光粒度仪，前处理加入10% H2O 和10% HCl充分反应，去除样品中有机质和碳酸盐，再加入10 mL 30%的分散剂六偏磷酸钠溶液以便颗粒充分分散。以上测试分析均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完成。

4 实验结果

表1和图2为伊犁ZSP剖面14种微量元素的分析结果。可以看出，伊犁ZSP剖面黄土同种微量含量的最大值、最小值、平均值在所有层位之间差异均较小，微量元素含量变化与地层S0、L1L1、L1S1、L1L2和S1并没有统一的对比关系，与黄土高原有明显区别（张健等，2004；庞奖励等，2001a）。从整个剖面来看，黄土和古土壤微量元素含量之间差异很小：U、Th、Y、Zr、Ga、Rb、Sr、Ba、Cu、Zn、Co、Ni、Cr和V在剖面古土壤层中平均含量分别较黄土层高6.82%、3.73%、−1.38%、−3.64%、0.90%、1.60%、−0.81%、2.56%、2.52%、4.18%、4.84%、1.99%、0.27%、0.56%。图3为伊犁ZSP剖面黄土和古土壤样品微量元素平均值的对比，从中也可看出所有微量元素均落在斜率为1的直线上，两者微量元素含量具有较好的一致性。从图4可以看出，与上部陆壳（UCC）平均化学成分的对比表明，伊犁黄土微元素分布曲线近于平坦线型且靠近UCC分布曲线，表明伊犁黄土与UCC的化学组成比较接近。

表1 伊犁ZSP剖面微量元素含量（μg·g−1）及其与黄土高原风成沉积物的对比Table 1 The trace element contents （μg·g−1） of the ZSP section in the Ili region and their comparison with those of eolian deposits in the Chinese Loess Plateau

5 讨论

5.1 微量元素分布及其环境指示意义

从表1伊犁ZSP剖面S0、L1L1、L1S1、L1L2和S1各地层变异系数来看，除U、Co、Ni及S0层Sr、Zn超过10%外，其他微量元素均在0.58%～9.07%，其中仅S1层Co元素变异系数超过20%（24.36%），说明伊犁ZSP剖面各层微量元素含量变化相对较小。从整个剖面来看，黄土和古土壤各微量元素变异系数差异均小于5%。从图3伊犁黄土和古土壤层微量元素含量也可以看出，两者具有较好的一致性，可能意味着末次冰期以来伊犁黄土和古土壤形成时的环境变化差异较小，两者所经历的风化成壤作用程度基本相同；这与伊犁黄土和古土壤均经历了低等强度的化学风化作用且风化分异作用不明显（李传想和宋友桂，2011c）相一致。与黄土高原相比，除伊犁ZSP黄土剖面Sr、Zn、Co和Ni微量元素含量变异系数增幅分别比黄土高原大23.85%、11.47%、39.10%、28.38%外，U、Th、Y、Zr、Ga、Rb、Ba、Cu、Cr和V元素分别比黄土高原小110.45%、135.17%、130.67%、16.98%、208.84%、90.34%、349.31%、175.60%、226.60%、103.04%，表明伊犁黄土微量元素组成比较均一，其含量分布变化远小于黄土高原。但与黄土高原典型风成沉积物相比（图4），伊犁黄土微量元素除Sr和Cr含量分别富集58.67%和28.98%外，其他微量元素总体具有较好的相似性。在两研究区各微量元素含量基本一致的条件下，微量元素的分布存在这么大的差异可能是后期环境改造所致，可能暗示着末次冰期以来伊犁地区环境变化幅度总体较黄土高原小的多。

图2 伊犁ZSP剖面微量元素含量垂相变化黄土层L1包括L1L1、L1S1、L1L2Fig.2 Distributions of the trace elements contents of the ZSP section in the Ili region

图3 伊犁ZSP黄土和古土壤微量元素含量的比较Fig. 3 Comparison of trace elements contents between loess and paleosol at the ZSP section in the Ili region

在风化成壤过程中，湿润的酸性淋溶条件导致Sr2+较容易以游离锶的形式随土壤溶液或地表水发生迁移，地层中大量的Sr被淋溶（庞奖励等，2001b），而干旱且无植被覆盖的条件则会阻止Sr的迁移，强烈的蒸发亦导致了Sr的地球化学积聚（邢光熹等，2003）。伊犁黄土Sr元素含量较黄土高原高的情况下，其分布变异系数较黄土高原小，可能是由于伊犁地区末次冰期以来相对干旱，Sr元素被淋溶发生迁移造成的重新分异作用不明显所致。与此同时，伊犁黄土中Sr元素与上地壳平均值具有较好的一致性（图4），也表明其没有发生淋失或者仅仅有很少淋失，这与伊犁塔勒德黄土研究结果具有较好的一致性（张文翔等，2011）。暗示着末次冰期以来伊犁黄土形成环境较黄土高原干旱。此外，有研究证实Cr是化学性质较稳定的过渡族元素，属湿润气候型元素（黄汝昌，1982），在干冷气候条件下，活性降低，淋失减少；而在暖湿气候条件下，易于随溶液迁移。伊犁黄土中Cr元素较黄土高原的富集也印证了伊犁黄土形成环境较黄土高原干冷。有研究证实在古土壤层中Zn、Ni、Co元素的含量出现峰值，发生这种元素富集的原因主要是由于粘土对元素的吸附作用造成的（李艳华，2011；张健等，2004），而对于伊犁ZSP剖面不同层位Zn、Ni和Co微量元素含量波动比黄土高原稍大，这可能与伊犁ZSP剖面粘土含量较黄土高原稍高（李传想等，2012a），从而发生粘土对Zn、Co和Ni微量元素的差异吸附作用所致。

5.2 微量元素的相关性

根据伊犁ZSP黄土样品的微量元素含量及＞20 μm粒度含量进行相关性分析（表2），发现伊犁昭苏剖面中Th与Ni、Co相关系数分别为0.680、–0.611；Y与Zr、Cr相关系数分别为0.607、0.602；Rb与Cu、Zn、V相关系数分别为0.664、0.809、0.685；Cu与Zn相关系数为0.742；Co与Ni、Cr相关系数分别为0.859、–0.751；Ni与Cr相关系数为–0.784；均具有显著的相关性。Zr元素与＞20 μm粒度含量具有较好的正相关性（R2=0.715），与＜20 μm粒度含量具有显著的反相关性（R2=–0.714），这说明Zr元素主要包含在粒径＞20 μm粒度粗颗粒中，＜20 μm粒度中含量较少。此外，有研究证实Zr主要赋存于锆石中（Chen et al，1999），可能表明伊犁黄土中锆石组分主要赋存于＞20 μm粒度粗颗粒中，这与黄土高原锆石粒径分布的研究结果基本一致（熊尚发等，2008；孙博亚等，2011）。

图4 伊犁ZSP黄土剖面微量元素的UCC标准化Fig.4 UCC-normalized pattern of trace elements of the ZSP loess section in the Ili region

表2 伊犁ZSP剖面黄土–古土壤序列微量元素含量、粒度相关系数Table 2 Related coeff cients of trace element and particle size at the ZSP section in the Ili region

从伊犁ZSP剖面黄土微量元素Ba–Rb–Sr、Cr–Co–Th和Cr–Co–Zr三角图中可以看出，这些元素分布比较集中，说明这些元素相关性极显著（图5）。其中，在Ba–Rb–Sr三角图中，剖面中所有样品3种元素分布点的集中分布于右下角，表明Ba、Rb、Sr三者中Ba的影响力最大，而Sr影响力最小；在Cr–Co–Th三角图中，剖面样品3种元素的分布点集中分布于右下角，表明Cr、Co、Th三者中Cr的影响力最大，而Th影响力最小；在Cr–Co–Zr三角图中，剖面样品3种元素集中分布于左下角，表明Cr、Co、Zr三者中影响较大的是Zr元素，Co 元素影响最小。综上可知，伊犁昭苏黄土微量元素Ba、Cr、Zr分布较集中，影响力相对较大。

图5 伊犁ZSP黄土剖面Ba–Rb–Sr, Cr–Co–Th和Cr–Co–Zr三角图Fig.5 Triangle diagram of Ba–Rb–Sr, Cr–Co–Th and Cr–Co–Zr at the ZSP loess section in the Ili region

5.3 微量元素的活动性与迁移特征

微量元素在伊犁ZSP黄土剖面中的变化显示了它们的地球化学特征不同，体现了它们的相对活动性。要了解某一元素在风化成壤过程中真正的地球化学行为，通常用某一种稳定性元素作为参照，计算样品中其他元素的变化率，来获知元素的迁移与富集程度（陈骏和季峻峰，1997）。Zr在化学风化过程中非常稳定，通常被作为稳定元素来衡量其他元素的迁移情况（Hutton，1977），因此，本文利用Zr元素作为参照，计算伊犁黄土中其他元素的变化率来获得微量元素的相对活动性。

计算公式为：Δ(%) = [(Xs/Is) / (Xp/Ip) –1]×100%。式中Xs、Is代表样品中元素X和参比元素I的含量；Xp、Ip为上述元素在原始母质中的含量。若Δ＜0，则反映元素X相对参比元素易迁出，活动性强；若Δ＞0，反映元素X相对富集，活动性弱（陈骏和季峻峰，1997）。选择剖面中通常认为风化相对较弱的L1层（不含弱发育古土壤）近似代表风化母质，计算剖面微量元素含量的变化率百分数。

考虑风成黄土具有较一致的粉尘源区，导致黄土剖面中化学元素分异除与黄土母质中的矿物成分、粒度有关外（庞奖励等，2001a），主要外部原因还有由于其沉积以后气候环境变化引起的生物地球化学循环过程的改变（刘东生，1985；文启忠，1989；陈骏等，2001b）。计算结果如图6所示，伊犁黄土微量元素的迁移性由强至弱依次为：Zr ＞Y ＞ Sr ＞ Cr ＞ V ＞ Ga ＞ Rb ＞ Ni ＞ Cu ＞ Ba＞Th ＞ Zn ＞ Co ＞ U，此序列中从左至右元素的相对富集程度依次增加。一般被认为容易发生淋失的Sr元素，其与Zr元素相比，并没有发生淋失而出现少量富集（富集率为1.76%），这与在伊犁其他剖面黄土研究结果相一致（张文翔等，2011）；此外，对在表生环境中的地球化学行为类似于Sr的Ca元素的研究显示ZSP剖面黄土CaO含量也呈现富集的特征（李传想等，2012b），表明末次冰期以来伊犁昭苏黄土沉积环境可能相对干旱。但各微量元素富集率除U（6.49%）和Co（5.27%）超过5%外，其他微量元素均为1% ～5%（图6）。虽然伊犁昭苏黄土微量元素均以淀积富集为主，出现不同程度的富集，但富集率均较低且变化幅度较小，也可以表明末次冰期以来伊犁黄土沉积环境较为干旱且波动变化较小。

图6 伊犁ZSP剖面黄土微量元素相对于Zr元素的迁移率F ig.6 Migration ratio of trace elements calculated relative to stable element Zr at the Zhaosu loess section in the Ili region

6 结论

（1）从含量来看，伊犁黄土的微量元素除Sr和Cr出现富集外，其他微量元素与黄土高原总体具有较好的相似性，可能暗示着末次冰期以来伊犁黄土和古土壤所经历的化学风化成壤程度基本相同，其形成环境较黄土高原干旱。

（2）从变异系数来看，微量元素在伊犁黄土和古土壤层中含量分布变化差异较小；两研究区各微量元素含量基本一致，但伊犁昭苏剖面除Sr、Zn、Co和Ni微量元素含量分布变化比黄土高原稍大外，其他微量元素变化均比黄土高原小的多，可能表明末次冰期以来伊犁黄土和古土壤形成时的环境变化差异较小，其环境变化幅度总体较黄土高原小的多。

（3）微量元素含量与粒度的相关性分析结果表明，伊犁黄土中Zr元素主要包含在粒径＞20 μm的粗颗粒中，黄土中锆石组分主要赋存于这种粗颗粒组分中。伊犁昭苏剖面Ba–Rb–Sr、Cr–Co–Th和Cr–Co–Zr三角图表明，Ba、Cr、Zr元素分布较集中，影响力相对较大。

（4）伊犁黄土风化过程中，微量元素的迁移性由强至弱依次为Zr ＞Y ＞ Sr ＞ Cr ＞ V ＞ Ga ＞ Rb ＞Ni ＞ Cu ＞ Ba ＞ Th ＞ Zn ＞ Co ＞ U。虽然各微量元素均出现不同程度的富集，但富集率均较低且变化幅度较小，可能表明末次冰期以来伊犁黄土沉积环境较为干旱且波动变化较小。

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The characteristics of distribution of trace elements and their paleoclimatic implications at the Zhaosu Loess Section in Westerly Area since the Last Glacial Period

LI Chuan-xiang1,2,3,4, SONG You-gui1
(1. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041, China; 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710075, China; 3. Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Process, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China; 4. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on trace elements and grain size analysis of Zhaosu loess from Yili basin in Xinjiang, the authors reveal trace element variation characteristics in the westerly zone since the last glacial period, and discuss its palaeoclimatic signif cance. The results show that the content of other trace elements with the exception of the enrichment of Sr and Cr elements in the Ili loess have a better consistency with the Chinese Loess Plateau, which may indicate that the environment of the Ili loess formation was more arid than that of the Chinese Loess Plateau since the Last Glacial Period. The changes in distribution of contents of Sr, Zn, Co and Ni elements are slightly larger than that of the Chinese Loess Plateau, and the rest much smaller than it, which suggest that therange of environmental change in the Ili region since the Last Glacial Period was much smaller than the Chinese Loess Plateau. In addition, the results also imply that the Zr element of the Ili loess mainly contained in the coarse grain size ＞20 μm, which may indicate zircon components of the Ili loess dominatedly enrich in this kind of coarse particle size. In the process of weathering and pedogenesis, the trace elements migration intensity of Ili loess in the order from strong to weak was Zr ＞ Y ＞ Sr ＞ Cr ＞ V ＞ Ga ＞ Rb ＞ Ni ＞ Cu ＞ Ba ＞ Th ＞ Zn ＞ Co ＞ U, which there exist different degrees of enrichment, and small changes in the lower level of enrichment, suggesting that the environment was more arid and less f uctuating when the Ili loess deoposited.

Westerly area; Ili loess; trace elements; geochemistry; palaeoenvironment

P595；P532

：A

：1674-9901(2014)02-0056-11

10.7515/JEE201402002

2014-02-28

国家自然科学基金项目（41172166，41290250）；国家重点基础研究规划项目（2013CB955904）

宋友桂，E-mail: syg@ieecas.cn