萨拉乌苏河流域MGS1 Rb和Sr记录的全新世千年尺度气候变化

牛东风,李保生,2*,魏建国,温小浩,舒培仙,司月君

(1.华南师范大学 地理科学学院,广东 广州 510631;2.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,陕西西安 710061;3.山东省 菏泽市 国土资源局 土地监管中心,山东 菏泽 274000)

0 引 言

全新世气候变化研究是预测气候未来变化趋势的重要依据[1–2]。冰芯[3]、深海沉积[4–5]、湖泊[6–7]以及亚洲季风区石笋[8]和泥炭记录[9–10]等揭示出全新世存在千年尺度气候波动。全新世期间东亚季风如何对中国沙漠施加影响的,特别是以冬季风为代表的寒冷事件是否也存在有如中国中纬度其他一些地点的寒冷气候频次甚至更多、这些气候事件与冰芯和海洋在时间上是否可以对比等相关问题还有待深入研究。显然,这一问题的探讨对于全新世全球变化与中国沙漠区域的东亚季风环境演变的理解具有重要意义。

中国沙区(沙漠和沙地)及受风沙流影响的戈壁地区广泛分布于中国北方的内陆盆地与高原[11]。其中,深受东亚季风影响的毛乌素沙漠萨拉乌苏流域位于中国沙区的中部,蕴藏着丰富的晚第四纪以来环境变化的地质信息[11–12](图 1)。近年来,Niuet al.[13–14]、Lüet al.[15]和王丰年等[16]分别通过萨拉乌苏河流域 12000 a BP以来地质序列(米浪沟湾剖面MGS1层段)的常量元素、磁化率和碳酸钙等的研究表明,全新世以来毛乌素沙漠曾经历了类似于北大西洋D/O振荡式的气候波动——千年尺度的东亚冬夏季风的循环。然而这种变化的客观存在仍然需要更多的地质材料进行佐证,本文仍然选择 MGS1层段,以Rb和Sr作为古气候代用指标,结合已有14C年代数据和最新的OSL年代结果,试图探讨毛乌素沙漠全新世期间的气候变化。以期为沙漠环境演化与气候变化提供新的科学依据。

1 研究区域概况与米浪沟湾剖面MGS1层段概述

萨拉乌苏河中下游流域位于鄂尔多斯高原东南部洼地[17],其上游即新桥以上的流域属于黄土丘陵-黄土高原。流域在中国气候分区上属于甘新温带干旱区与华北暖温带半湿润之间的内蒙古东部半干旱地区和中温带亚湿润大区[18]。多年平均温度6.0～8.5 ℃,1 月平均温度–9.5～–12 ℃,7 月平均温度为22～24 ℃;多年平均降水量东南部为440 mm,向西递减至250 mm,降水集中于7月至9月,全年蒸发能力为1800～2500 mm。

图1 萨拉乌苏河地理位置与研究区域Fig.1 Sketch maps showing the location of Salawusu River and the study area

地层沉积类型以米浪沟湾剖面较多、堆积较连续、该剖面位于萨拉乌苏河中游流域的米浪沟湾村 NE 500 m 的萨拉乌苏河左岸,地理坐标为 37°45′47.2″N,108°33′05.4″E,剖面顶部海拔为 1313 m,总厚度约83 m,包含更新统—全新统。由多层序互层的沙丘砂、河湖相和古土壤组成,含有丰富的脊椎动物化石与人类化石,是研究中国北方晚更新世以来生物地层与沙漠环境演变的理想地点之一[19]。

本文所讨论的MGS1位于米浪沟湾剖面0～9.44 m深度,包括全新统大沟湾组和滴哨沟湾组,其下伏的MGS2层段为上更新统上部城川组。MGS1/MGS2界面位于 21FL/22D也即大沟湾组/城川组的界面。该层段总共 22个层序(0MD～21FL),其中包含 1层现代流动沙丘砂(0MD)和 10层古流动沙丘砂(2D、4D、6D、8D、10D、12D、14D、16D、18D和20D),沙丘砂为灰黄色细砂,松散、分选较均匀,常见风成前积斜层理,个别层位见有铁质锈斑和植物残体;4层河流相(15FL、17FL、19FL和21FL,为暗灰黄色粉砂质极细砂或粉砂质细砂,具水平层理并常见铁质锈斑,其底部见有钙质胶结层)、5层湖沼相(3LS、5LS、7LS、9LS和13LS,深灰褐、灰黑色至灰绿色粉砂质极细砂或黏土质粉砂,含较多植物根系,一些层位含软体动物化石)和2层古土壤(1S/LS和11S,黑垆土型埋藏土,暗灰黑色至锈黄褐色粉砂质极细砂或粉砂质细砂,常在横向上与湖沼相发生相变)。沙丘砂与上覆河湖相或古土壤相互叠覆构成11个交替的沉积旋回,以CY表示,其中0MD和21FL各属半个旋回(图2)。

图2 米浪沟湾MGS1层段Fig.2 Sketch showing composition of MGS1 at Milanggouwan

2 材料与方法

2.1 年 代

对MGS1层段11个样品进行了年代测试,其中8个14C年代、2个TL年代和3个OSL年代(见图2)。其中,14C年代均采用常规方法测试,由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所14C实验室测定。2个TL年代和3个OSL年代的测试材料是小于10 μm的石英颗粒。OSL和 TL年代测试分别在中国地质矿产部水文地质工程地质研究所和中国科学院广州地球化学研究所热释光实验室完成。14C和释光年代的测试材料在采集过程中确保没有污染和曝光,14C年代经 Calib7.0[20]校正(2个误差值)示于表 1,释光年代及其参数见表2。

20D顶部的OSL年代为测试结果为(11600±900) a BP,这相当于新仙女木事件结束的年代[21]。剖面底界(即 21FL)的年龄按平均沉积速率外推,大约在12000 a BP左右,据此大致以 12000 a BP作为MGS1/MGS2的时间界限。由于MGS1层段年代测试结果符合“地层层序律”原则,对此可以为之控制点运用沉积速率线性内插方法建立该剖面的时间标尺,按测定的两个相邻年龄之间的堆积厚度分段计算出平均沉积速率,并通过内插获得各个层位时间标尺(图3)。其中,11层沙丘砂层位年代时间分别为: 0～960 a BP、1350～2240 a BP、2470～3530 a BP、4000～4180 a BP、4290～4350 a BP、4380～4760 a BP、5040～5920 a BP、6570～8270 a BP、9020～9700 a BP、9880～10160 a BP 和 10580～11080 a BP。

表1 MGS1地层14C年龄测试结果Table 1 The 14C geochronological dating results of the MGS1 stratigraphic sediments

表2 热(光)释光年龄测试结果Table 2 TL and OSL dating results of the MGS1 stratigraphic sediments

图3 MGS1层序与时间标尺Fig.3 Diagram showing the relationship between age scale and MGS1segment stratigraphic sequence for the Milanggouwan section

2.2 粒度分析

为进一步确定 MGS1层段沉积相的岩性特征,对该层段主要以5 cm间距(少数为3 cm、4 cm、6 cm或7 cm)采样所得的151个样品做了粒度分析,使用仪器为Malvern Mastersizer2000 M激光粒度分析仪(测量范围 0.02～2000 μm),具体实验流程参考黄土粒度分析方法[21]。粒度单位采用 ϕ值表示,转换公式为克伦宾[19]制定的φ=–log2d(d为粒径 mm)。根据Folket al.制定的公式[22]计算了MGS1粒度参数Mz(平均粒径)、σ(标准离差)并显示于图2。

现结合分析数据主要对 Mz(φ)和σ阐述如下:MGS1中 Mz(φ)和σ的分布范围分别为 2.05～5.09 φ和0.43～2.12,均值分别为2.91 φ和0.68。古沙丘砂、河流相、湖沼相和古土壤 Mz(φ)分别为 2.05～2.83 φ、2.19～3.05 φ、2.76～4.35 φ和 2.75～5.09 φ,均值分别为2.50 φ、2.62 φ、3.45 φ和 4.1 φ;σ分别为 0.44～1.01、0.43～0.80、0.62～1.64和0.75～2.12,均值分别为0.62、0.67、1.36和1.52。结合图2可看出,沙物质高度集中的古流动沙丘砂分选最好,其次为河流相,而黏土等细粒物质含量相对增高的湖沼相和古土壤分选性最差。这一结果进一步说明,上述划分的 MGS1 11个沉积相旋回实际上也是相同数量的粒度粗细的变化旋回。

2.3 微量元素

MGS1微量元素分析样品基本上按上述沉积序列间隔15 cm采样,共采集了63个样品进行分析。样品采用日本理学3070E型X-荧光光谱仪测定。样品及制备过程如下: 先将样品低温(38 ℃)烘干,过2 mm筛去除杂物,使用振动磨样机研磨90 s,确保粉末样品均能通过200目(＜ 74 μm),然后取6.0 g样品以硼酸镶边垫底,在 30 T压力下保压时间 30 s,最后压制为直径3.2 cm圆饼进行测试。校正曲线使用27个国家土壤成分分析标准物质(GSS2～GSS28),6个水系沉积物成分分析标准物质(GSD2a、GSD7a、GSD9～GSD12),6个岩石成分分析标准物质(GSR1～GSR6)。实验过程中加入GSS17标准样品进行控制,微量元素的实验误差±5%,仪器检测限为1 μg/g。样品分析在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所中心实验室完成。

3 结果与分析

结合表3和图4,可以看出MGS1层段Rb和Sr元素变化具有以下几个特点。

(1) Rb、Sr含量和Rb/Sr比值在不同层位不等甚至存在较大差别。Rb分布范围为51.40～124.00 μg/g,Sr为 98.60～397.30 μg/g,两者均值分别为 65.27 μg/g和154.46 μg/g;Rb/Sr比值的分布范围为0.17～0.54,均值为0.44;Rb、Sr含量和Rb/Sr比值在该层段垂直方向上表现出不规则的锯齿状波动曲线。

(2) 不同沉积相中Rb、Sr含量和Rb/Sr比值具有一定的变化趋势。Rb和 Sr含量在沙丘砂中相对较低;在河湖相和古土壤中相对较高,Rb和Sr含量按照沙丘砂—河流相—湖沼相—古土壤的顺序依次升高。而Rb/Sr比值在沙丘砂中较高,河湖相和古土壤中较低,显示出与Rb、Sr相反的变化趋势(表2)。Rb、Sr之间及两者分别与Mz之间显示具有良好的相关性,其相关系数在 0.43之上(图 5a～5c),但Rb/Sr比值与Mz显示出较差的相关性(图5d)。

表3 MGS1层段不同沉积相的Rb、Sr含量和Rb/Sr比值Table 3 Rb,Sr and Rb/Sr data for different sedimentary facies in MGS1 segment

图4 MGS1层段Rb、Sr和Rb/Sr分布Fig.4 Diagram showing Rb,Sr and Rb/Sr distributions in the MGS1 segment

(3) Rb、Sr含量随沉积旋回变化呈现明显的分布规律: 由沙丘砂至上覆河湖相或古土壤 Rb和 Sr含量相应由低增高,构成了多重峰谷交替的不规则的锯齿状Rb和Sr相对迁移－聚集的过程线。据此,也可以将该层段的 11个沉积旋回视为与之相同的Rb-Sr变化旋回。Rb/Sr的分布总体上显示出与 Rb和Sr含量的这种变化的相反趋势,即Rb/Sr比值由沙丘砂至上覆河湖相相对降低(图4)。

4 讨 论

关于 Rb和 Sr在化学风化过程中的分离现象,特别是 Rb/Sr比值与气候的关系,早在 20世纪 60年代就引起了有关学者的关注。例如,Dasch通过研究美国中东部地区出露的各类岩石风化剖面,认为Rb和Sr在风化过程中地球化学性质迥异,Rb/Sr比值的大小与风化程度之间呈正相关关系[18]。自 20世纪末,中国学者采用 Rb/Sr比值研究中国黄土高原黄土和古土壤形成时的气候变化[23],Rb/Sr比值被认为是化学风化程度的有效代理指标,主要是由于Rb主要分散在含钾矿物中,如白云母、黑云母和钾长石;而 Sr主要分散在含钙矿物中,如斜长石、角闪石、辉石和碳酸盐。由于白云母、黑云母和钾长石等富铷矿物比碳酸盐、斜长石、角闪石和辉石等富锶矿物稳定,因此在化学风化过程中Sr的活动性比Rb强,从而造成风化剖面中Rb和Sr的分离[24]。在这里我们将MGS1的Rb、Sr含量和Rb/Sr比值与指示亚洲冬夏季风强度的气候替代指标——平均粒径、磁化率进行比较,发现它们之间具有很好的对应关系,因而我们认为Rb/Sr比值的大小可以作为指示冬夏季风强度的一个重要的气候代用指标[23–26]。

图5 Sr与Rb(a)以及 Rb(b)、Sr(c)和Rb/Sr(d)与Mz相关散点图Fig.5 Scatter diagrams for Sr-Rb(a),Rb-Mz(b),Sr-Mz(c) and Rb/Sr-Mz(d)

本文采用Rb、Sr含量和Rb/Sr比值对米浪沟湾剖面 MGS1所进行的讨论,实际上也是对东亚冬夏古季风气候波动的一种验证,进而揭示全新世是否存在有如极地冰芯所记录的类似的 DO事件也即千年尺度的气候波动。据研究,萨拉乌苏河流域至少在150 ka BP时就已经具备了洼地河谷区的地貌雏形,并且持续到全新世[18]。显然,MGS1时期这里具有地势低洼的沉积环境,是流沙堆积和水流汇集的理想场所。可以设想,在这种形势下,当干冷的东亚冬季风盛行时,该地沉积的沙丘砂中的Rb和 Sr基本上是一种机械的侵蚀搬运与堆积过程的产物,不同时期堆积的沙丘砂在Rb和Sr含量上的不同反映的只是其物源区与搬运途中“母岩”的差别,而堆积之后所受的化学风化作用的影响较小。但东亚夏季风盛行时期,受较强生物化学作用的影响,活动性较高的Sr元素从河流四周的正地形可以首先淋溶并随水汇集到低洼地区;若某一时期降水增多,坡面水流作用加强,先前“残积”在正地形地表的较稳定的Rb也可随水汇集到低洼地区。这样就形成了Rb和 Sr含量在古沙丘砂层位为谷、在河流湖沼相中表现为峰、且化学性质较稳定的Rb和活动性较高的Sr呈同步变化趋势的现象。值得注意的是,上述MGS1中 Rb/Sr比值在河湖相中相对下伏的沙丘砂降低(图4)的现象。这似乎是由于河湖相堆积时东亚夏季风发生的频次较高、剖面周围正地形上的化学风化作用较强、导致较多的活动性强的Sr被淋溶并堆积于此。Rb和 Sr特别是后者在湖相中聚集的现象也见于中国半干旱地区的其他一些地点,如内蒙古岱海全新世9～4 ka期间,夏季风强度及降水量的增强使得流域内沉积物Sr的含量显著增加,从而导致Rb/Sr比值减小[27]。

除了Rb和Sr在剖面上的这种变化形式外,在Rb-Mz和Sr-Mz的散点分布上也明显的体现出这一点,即沙丘砂Mz(φ)低值与较低含量的Rb和Sr对应,河湖相/古土壤/河流相的 Mz高值与较高含量的 Rb和Sr对应,且都具有R2＞ 0.43的相关系数;沙丘砂与河湖相/古土壤/河流相在Rb-Mz和 Sr-Mz图中也十分清楚地能够区分(图5b和5c中虚线所示)。据此也可以认为沙丘砂与古土壤、湖相、河流相大体是可视为冬季风与夏季风占主导时不同气候条件下的产物。

有意义的是,MGS1湖沼相层位1S/LS、5LS和13LS含有腹足类化石经过鉴定主要有伸展瓦娄蜗牛(Vallonia patens)、白旋螺(Gyraulusalbus)、赤琥珀螺(Succineaerythrophana)和小土蜗(Galba pervia)等,这些化石种类均属现生种,当今生活在中国大陆颇为温暖湿润的水域或陆地草丛环境,这从一个侧面印证了1S/LS、5LS和13LS发育时期,温暖湿润的环境占主导地位,即夏季风的影响相对较强。这些层位Rb、Sr含量的峰和Rb/Sr比值的谷对应,也反映出当时的淋溶作用较强,导致Sr含量升高。由此可见,Rb和Sr含量和Rb/Sr比值的峰谷变化的旋回实际上是东亚冬夏季风的交替变化旋回引起的。

据此,可以将构MGS1的11个Rb和Sr含量及Rb/Sr比值旋回看作是东亚冬夏季风互为交替演化旋回。也就是说,将沙丘砂层位 Rb和 Sr含量呈现的低谷和与之同步发生的 Rb/Sr比值的峰视为冬季风形成的谷峰,MGS1沙丘砂堆积时期视为毛乌素沙漠的“沙漠堆积期”,将其间的河湖相和古土层位Rb和Sr含量呈现的峰和与之同步发生Rb/Sr比值的谷视为夏季风形成的峰谷,可称之为毛乌素沙漠的“间沙漠期”。如果这一看法正确,那么说明毛乌素沙漠自 MGS1开始堆积的全新世以来存在 11次冬夏季风交替演变的过程,按照平均来算,每个旋回大致持续1000 a,显然,Rb和Sr指示的MGS1的气候变化是一个千年尺度的气候变化。

11层风成沙丘砂层位所代表的气候事件在时间和气候性质上有如湖光岩[28]、若尔盖[29]和敦德[30]等地记录的多时期寒冷事件。特别是与北大西洋11000 a BP以来的寒冷波动[31]较一致。据此可以认为,MGS1 Rb和 Sr含量揭示出来的全新世千年尺度的气候突变事件在北半球的低纬、中纬和高纬度具有普遍性,这为全新世北半球变化的沙漠区域响应增添了新的材料。

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