山东仙境源黄土常量元素特征及其古气候环境意义

陈海涛，孔凡彪，徐树建，娄兆军，张军强

1. 山东科技大学地球科学与工程学院，青岛 266590

2. 山东省水土保持与环境保育重点实验室， 临沂大学资源环境学院，临沂 276000

3. 山东师范大学地理与环境学院，济南 250014

4. 长岛县自然资源局，烟台 265800

5. 临沂大学地质与古生物研究所，临沂 276000

黄土作为第四纪特定气候环境下形成的粉尘堆积，其蕴含着大气环流与沉积环境等信息，从而成为古气候环境研究的重要载体[1-3]。黄土经历了粉尘物质的搬运、堆积以及堆积后的改造过程，而化学元素的迁移、富集以及重新组合等行为记录着整个过程中气候环境的变化信息，通过研究黄土地层中化学元素的含量变化与组合特征可以有效揭示化学风化强度与古气候环境的演变过程[4-6]，又因不同化学元素之间的化学行为在表生环境中存在着差异，因此元素含量与相关参数在一定程度上也被用来指示黄土粉尘的物源信息[7-9]。元素地球化学作为黄土物源判别、化学风化强度及古气候环境演变分析的重要替代指标之一，在风尘堆积的研究中得到了广泛的应用[10-15]。

山东位于我国现代季风区的东部，保存了大量的黄土地层。山东黄土蕴含着东亚地区季风演变与环境变化信息，对我国古气候环境演化的研究具有重要的意义[16-19]。其中庙岛群岛作为山东黄土重要的分布区，其独特的海陆地理位置使该区黄土更完整地保存了中国东部季风区的环境演变信息。学者们对庙岛群岛展开的相关研究使我们对该区黄土的物源、成因以及环境意义有了较为整体认识，同时也表明了该区黄土存在的特殊性[20-22]，虽然对庙岛群岛黄土元素地球化学方面的研究有了初步的进展，但是相对于西北内陆以及南方等地区的研究而言仍较为薄弱[23]。对此，本文在已有研究的基础上对长岛县仙境源黄土的常量元素的组成特征进行了分析，同时通过与洛川黄土-古土壤[10]及山东其他黄土剖面[24]常量元素之间的对比来探讨其在粉尘物源和风化强度之间存在的差异性，并结合化学元素综合参数提取了仙境源黄土堆积过程中气候环境的演变信息。

1 材料与方法

1.1 剖面概况与样品采集

仙境源剖面（37°55′51.7″N、120°44′47.3″E）位于山东省烟台市长岛县南长山岛东部王沟村，海拔46.7 m，剖面厚度约 500 cm，未见底（图 1）。该区为暖温带季风气候，降水集中，雨热同期，夏季盛行东南风，冬季以西北风为主。基于野外观察沉积物颜色、岩性、沉积结构特征和层间接触关系等，该剖面自上而下可划分为：表土层（0～40 cm），暗灰棕色，结构疏松多孔，含有较多的植物根系，受流水和生物扰动明显；黄土层（40～280 cm），浅黄色粉砂质土，质地均匀，较疏松，垂直节理明显；古土壤层（280～340 cm），灰褐色粉砂质黏土，结构较为紧密，团粒结构比较明显；黄土层（340～370 cm），黄色粉砂质土，质地均匀，较疏松；古土壤层（370～390 cm），灰褐色粉砂质黏土，土壤团粒结构较为明显；黄土层（390～430 cm），黄色粉砂质土，质地均匀，有少量孔隙；古土壤层（430～460 cm），灰褐色粉砂质黏土，结构紧实，土壤团粒结构较明显；黄土层（460～500 cm），黄色粉砂质土，质地均匀。通过对仙境源剖面地层年代的研究，结果表明该剖面为晚更新世以来的黄土沉积[25]，本文根据该剖面的地层特征，在其40～490 cm 深度范围内共采集了27 个地球化学样品用于常量元素测试。

图1 仙境源剖面地理位置[24]Fig.1 Location of the Xianjingyuan loess section, Shanong Province[24]

1.2 研究方法

常量元素的测试在中科院广州地化所同位素地球化学重点实验室采用Rigaku 100e 型X 荧光光谱分析（XRF）完成，其具体过程为：样品在玛瑙研钵内研磨至 200 目以下，取约 2 g 样品置于 105 ℃的烘箱4 h，取出后置于干燥器中保存；称取1～1.2 g烘干的样品于瓷坩埚中，放入高温炉内煅烧3 h 后取出，待其冷却后称样品与坩埚的总量；然后称0.53～0.58 g 烧失后保留的样品于塑料瓶中，再称8 倍的Li2B4O7溶胶于塑料瓶中，盖好，震摇，使样品与溶胶混匀，加1 滴2%LiBr-1%NH4I 混合助熔剂于XRF 的专用铂金坩埚中，倒入混合样品，以数滴去离子水冲洗塑料杯，溶液倒入铂金坩埚，熔融制成玻璃饼用以测定常量元素。

2 结果分析

2.1 仙境源黄土常量元素组成特征

由仙境源黄土剖面常量元素测试结果（表1）可知，样品中主要常量元素组合特征为SiO2、Al2O3、CaO、TFe2O3、K2O、Na2O、MgO，其中 SiO2含量最多，为61.56%～69.88%，平均含量为65.47%；Al2O3的含量为11.26%～13.02%，平均含量为11.81%；CaO 的含量为4.42%～7.48%，平均含量为6.00%；TFe2O3（TFe2O3=Fe2O3+FeO）的含量为3.51%～4.37%，平均含量为3.78%；K2O 的含量为2.06%～2.30%，平均含量为2.17%；Na2O 的含量为1.61%～1.85%，平均含量为1.75%；MgO 的含量为1.00%～1.66%，平均含量为 1.47%；而 TiO2、P2O5、MnO 的含量平均值分别为0.67%、0.08%与0.07%，含量较少；仙境源黄土中氧化物平均含量依次为SiO2＞Al2O3＞CaO＞TFe2O3＞ K2O＞ Na2O＞ MgO＞ TiO2＞ P2O5＞ MnO，其中SiO2、Al2O3和CaO 的平均含量之和为83.23%。

与上陆壳UCC[26]相比（表 1，图2），仙境源黄土中SiO2的含量与UCC 较为接近，CaO 的含量较为富集，而 Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O 和 K2O 的含量相对亏损，其中Na2O 含量的亏损较为明显，元素含量的变化与化学风化过程中碱金属元素易淋溶迁移、稳定元素相对富集有关[27]；与洛川黄土[10]相比，除CaO 表现为明显富集、Na2O 含量比较接近以外，其他元素均呈现亏损特征；与洛川古土壤[10]相比，仙境源黄土中SiO2、Na2O 的含量较为富集，而其他元素含量均呈不同程度的亏损；与山东平阴黄土[24]相比，除了MgO 含量较为接近之外，其他元素含量均呈不同程度的亏损，其中SiO2与CaO的亏损比较明显；而与同区域内砣矶岛黄土[23]的常量元素之间的差异并不明显，其中仙境源黄土中SiO2、K2O 和Na2O 的含量较砣矶岛略有亏损，而Al2O3、TFe2O3与CaO 相对于砣矶岛黄土略有富集且CaO 富集程度较为明显。

2.2 仙境源黄土化学风化强度判别

化学蚀变系数（CIA=[Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）]×100）指示长石风化成黏土矿物的程度，是衡量沉积物风化作用的代用指标[28-29]，式中的CaO*为硅酸盐相，对其计算采用McLennan[30]的方法。根据CIA 值的范围可以将风化强度划分为4 个阶段，分别为未受化学风化阶段（CIA＜50）、寒冷干燥气候条件下的初等化学风化阶段（50＜CIA＜65）、温暖湿润气候条件下的中等化学风化阶段（65＜CIA＜85）和炎热潮湿的强烈化学风化阶段（85＜CIA＜100）[11]。其中，上陆壳 UCC[26]（CIA 为 47.92）处于未受化学风化阶段；洛川黄土[10]（CIA 为63.73）处于寒冷干燥气候条件下的初等化学风化阶段；洛川古土壤[10]（CIA 为67.36）处于温暖湿润气候条件下的中等化学风化阶段；平阴黄土[24]（CIA 为53.67）与砣矶岛黄土[23]（CIA 为57.59）均处于初等化学风化阶段（图3）。仙境源黄土的CIA 值的变化范围为57.64～62.22，平均值为59.21，表明仙境源黄土也处于初等化学风化作用阶段，其中仙境源黄土与砣矶岛黄土的CIA 值分布较为集中，而平阴黄土的CIA 值分布比较分散，虽然部分CIA 值接近或者高于仙境源黄土，但CIA 值主要还是集中分布在低于仙境源黄土的一侧。各黄土剖面和UCC 经历的化学风化强度依次为上陆壳（UCC）＜平阴黄土＜砣矶岛黄土＜仙境源黄土＜洛川黄土＜洛川古土壤。

表1 仙境源黄土与砣矶岛黄土、平阴黄土、洛川黄土-古土壤的常量元素含量Table 1 Major elements contents of Xiangjiangyuan loess, Tuoji loess, Pingyin loess and Luochuan loess-paleoaol

图2 仙境源黄土与砣矶岛黄土、平阴黄土、洛川黄土-古土壤常量元素的UCC 标准化对比Fig.2 UCC normalized pattern of major elements of the Xiangjiangyuan loess and its comparison with Tuoji loess, Pingyin loess and Luochuan loess-paleoaol

因不同矿物之间的风化速率不同，且斜长石的风化速率远大于钾长石，因此Na/K 比值可通过衡量样品中斜长石风化程度近而来表示化学风化程度，该比值与风化程度成反比[31]。由图3 可知，仙境源黄土样品中的Na/K 比值分布较为集中，并且与CIA 指数之间大致呈现为负相关性；同时，仙境源黄土中的Na/K 比值与砣矶岛黄土较为接近；平阴黄土的Na/K 比值较为分散，虽然部分样品的Na/K比值低于仙境源黄土并达到了与洛川黄土相当的程度，但Na/K 比值总体仍高于仙境源黄土；而洛川黄土与洛川古土壤的Na/K 比值均低于仙境源黄土。可以看出，上陆壳（UCC）、平阴黄土、砣矶岛黄土、仙境源黄土、洛川黄土、洛川古土壤的Na/K比值总体呈现为逐渐减小的变化趋势，与CIA 指数呈现出的化学风化强度变化规律较为一致。

图3 仙境源黄土与砣矶岛黄土、平阴黄土、洛川黄土-古土壤化学风化参数CIA 与Na/K 关系散点图Fig.3 The scatter diagram of CIA and Na/K molar ratio of Xiangjiangyuan loess, Tuoji loess, Pingyin loess and Luochuan loess-paleoaol

A-CN-K（Al2O3-CaO*+Na2O-K2O）三角模型图可以反映剖面地层的化学风化趋势[28,32]。将仙境源黄土数据点投到A-CN-K 三角模型图上可以看出（图4），仙境源黄土的数据点也大致与CN-A 连线平行，表明剖面中的斜长石先开始风化分解，Ca、Na 流失，其中，仙境源黄土与砣矶岛黄土分布较为集中且重复性较高；平阴黄土的数据样点也呈现较为分散的特点，虽有部分样品数据呈现的风化强度高于仙境源黄土，但总体仍集中分布于风化强度弱于仙境源黄土的一侧；而仙境源黄土中虽然也有部分样点达到了风化强度与洛川黄土相近的位置，但总体仍弱于洛川黄土；各黄土中Ca、Na 的流失程度大致呈现为平阴黄土＜砣矶岛黄土＜仙境源黄土＜洛川黄土＜洛川古土壤，说明风化强度逐渐增加，与CIA指数和Na/K 比值呈现出的变化特征较为相似。

图4 仙境源黄土与砣矶岛黄土、平阴黄土、洛川黄土-古土壤的A-CN-K 三角图Fig.4 A-CN-K diagram of Xiangjiangyuan loess, Tuoji loess,Pingyin loess and Luochuan loess-paleoaol

3 讨论

3.1 仙境源黄土常量元素揭示的粉尘物源与环境差异

虽然黄土堆积后的风化过程会使化学元素发生迁移与富集等化学行为[26,28]，但通过各黄土经历的化学风化强度可知，除洛川古土壤达到了中等化学风化强度以外，仙境源黄土、砣矶岛黄土、平阴黄土与洛川黄土均经历了初等化学风化阶段，从而使化学元素受堆积后的影响较小而较好地保留了粉尘源区的信息。而在黄土常量元素中，Si、Al、Ti 多存在于稳定矿物中，在搬运与风化过程中受外界因素的影响较小，不易流失[33-34]；同时Fe 元素在风化过程中多为价态之间的转变，没有明显的迁移行 为[16,33,35]， 因 此 本 文 选 用 SiO2-Al2O3, TiO2/Al2O3-SiO2/Al2O3以及TFe2O3-Al2O3散点图来对各剖面的粉尘物源进行分析。可以看出（图5），仙境源与洛川两个黄土样品在SiO2-Al2O3, TiO2/Al2O3-SiO2/Al2O3和TFe2O3-Al2O3散点图中的分布区域存在较为明显的差异，表明其在粉尘物源之间的不同；因此我们认为，仙境源黄土与洛川黄土-古土壤在元素组成上存在的差异以及在水热条件较好条件下风化强度却低于洛川黄土-古土壤的特征主要是因为粉尘物源的不同。

通过仙境源黄土与平阴黄土的样品在SiO2-Al2O3与TFe2O3-Al2O3散点图中的分布可以看出，二者之间有着较高的重合区域，结合化学组成与化学风化强度之间呈现出的相似性，说明山东内陆黄土与庙岛黄土具有相似的粉尘物源与气候环境背景；但对于平阴黄土的风化强度总体较弱于仙境源黄土，我们认为是因平阴剖面位于鲁中南山地，仙境源剖面位于庙岛岛屿，地理位置的不同使两个地区受到的海陆作用之间存在差异，进而使气候产生了区域性的差异；而对于平阴黄土中的各风化判别指标、SiO2-Al2O3与TFe2O3-Al2O3样品点的分布均呈现出较为分散的分布特征，对此我们认为可能与其粉尘的物质来源有关，即平阴黄土除了有末次冰期时期莱州湾裸露地层的粉尘物质以外，还可能接受了黄泛平原的近源物质[18,24]，这一点在平阴黄土SiO2与Na2O 等粗粒度效应的元素含量较高的特征中也有体现[24]。此外，对于平阴黄土中出现部分样品的风化强度较强于仙境源黄土并达到与洛川黄土相似的强度，结合平阴黄土的样品点在SiO2-Al2O3与TFe2O3-Al2O3的散点图中与洛川黄土之间的重合区域相对较多，对此我们推测平阴黄土可能比仙境源黄土更易接受来自西北内陆的粉尘物质。

仙境源黄土与砣矶岛黄土在化学元素组成与风化强度之间呈现为较高的相似性，并且两个剖面在 SiO2-Al2O3, TiO2/Al2O3-SiO2/Al2O3和 TFe2O3-Al2O3散点图中的分布比较集中且重合度较高，从而表明了同区域内的仙境源与砣矶岛黄土在粉尘物源与区域环境上的一致性；而在粉尘物源与区域环境相似的背景下，砣矶岛黄土的化学风化强度总体略低于仙境源黄土。通过野外基础调查我们发现，砣矶岛剖面堆积位置为山地且较为孤立，而仙境源剖面堆积位置基本为山间盆地，对此我们认为其可能因两个剖面所在地形之间的差异使水、热条件发生变化，进而对风化强度产生了影响。

图5 各黄土剖面 SiO2-Al2O3（a）, SiO2/Al2O3-TiO2/Al2O3（b）及 TFe2O3-Al2O3（c）散点图Fig.5 Plots of SiO2-Al2O3（a）, SiO2/Al2O3-TiO2/Al2O3（b）and TFe2O3-Al2O3（c）of Xiangjiangyuan loess, Tuoji loess, Pingyin loess and Luochuan loess-paleoaol

3.2 仙境源黄土化学元素综合参数对古气候环境的指示意义

由于单个化学元素并不能很好地指示气候环境的变化，因此化学元素综合参数在黄土古气候研究中得到了较为广泛的应用[6,36]。其中，残积系数（Al2O3+Fe2O3）/（CaO+MgO+Na2O）指示着风化淋溶作用的强弱，当Al、Fe 残积较多时，系数值增加，表明气候暖湿[37]；退碱系数（Na2O+CaO）/Al2O3指示着化学元素的淋溶迁移，因Na、Ca 化学性质较活泼，易迁移，而Al 相对稳定，因此当气候暖湿时，该系数值减小[38]；化学风化淋溶系数（Na2O+CaO+K2O）/A12O3）指示着黄土中活动组分与惰性组分间的消长关系，当气候湿润时，土壤的淋溶作用越强，该系数值对应减小[39]。因此，本文通过采用以上三种化学元素综合参数并结合Na/K 值与CIA 指数，来对仙境源黄土堆积过程中环境演变信息进行综合分析。

仙境源黄土的堆积过程主要经历了MIS5、MIS4、MIS3 与 MIS2 四个阶段[25]（图 6）。在 MIS5 阶段内，CIA 指数与残积系数总体较高并在MIS5a 时期出现了最高峰值（其年代大致为81.43 ka），退减系数、淋溶系数与Na/K 值偏小并对应出现了最低谷值，表明该阶段内的风化淋溶与风化成壤作用较强，气候较为暖湿，整体与中国东亚季风区MIS5 时期的暖湿气候之间存在良好的对应关系[40]，并且水热条件在MIS5a 时期达到了最佳[41-42]；同时MIS5a 也对应为海平面的上升时期[43-44]，此时仙境源黄土中的粗粒组分含量减小，细粒组分含量增加[25]。在MIS4阶段内，残积系数减小且出现最低谷值，退碱系数与淋溶系数增大并出现最高峰值，同时Na/K 比值增加，CIA 指数减小，表明该阶段内的风化淋溶与风化作用较弱，气候环境呈现为干冷特征；同时该阶段的海平面较低[44]，仙境源黄土中的粗粒组分含量增加[25]。在MIS3 阶段内的残积系数与CIA 指数相对于MIS4 阶段有所增加，但比MIS5阶段要小；退减系数、淋溶系数与Na/K 比值相对于MIS4 阶段有所减小，但总体上大于MIS5 阶段；表明MIS3 阶段内的风化淋溶作用与风化成壤作用虽相对于MIS4 阶段有所增强，但仍较弱于MIS5 阶段。而风化淋溶与化学风化该阶段的MIS3a（其年代大致为28～41 ka）和 MIS3c（其年代大致为 52～58 ka）两个时期较强，在 MIS3b（其年代大致为 41～52 ka）时期减弱的变化过程与MIS3 弱暖期阶段的全球温度变化过程较为一致[45]；进一步结合仙境源黄土粒度组分含量与MIS3 阶段海平面的波动变化[44-45]我们认为，仙境源黄土细粒级组分含量增加、化学风化增强同样与海平面的上升时期存在着对应关系。MIS2 阶段内的各指标均出现明显的阶段性变化，我们对其做了进一步的阶段性划分，在深度170～280 cm 范围内残积系数与CIA 指数明显减小并呈现为低值的波动变化，退减系数、淋溶系数与Na/K比值出现增加且呈现为高值的波动变化，表明该阶段内的化学淋溶作用与风化作用均比较弱，与末次冰盛期的干冷气候存在对应关系；同时该时期内的海平面迅速下降[44]，仙境源黄土中的粗粒组分含量与沉积速率均出现增加的变化[25]。40～170 cm 范围内的残积系数相对于冰盛期有所增加、退减系数与淋溶系数出现减小，且均趋于平稳的波动变化，表明在该时期的化学淋溶作用相对于阶段早期有所增强，气候由干旱转向湿润的变化；Na/K 比值呈现出减小的变化趋势，但CIA 指数却呈现出明显的波动变化。通过推测CIA 指数波动峰值与谷值的年代将其大致划分为5 个阶段并与气候事件进行对比后发现，CIA 指数增加阶段1（年代范围为15.12～14.54 ka）大致与 Meiendorf 间冰段存在着对应关系；而后的减小阶段2（年代范围为14.54～13.96 ka）大致对应着OD 冷事件发生时期；增加阶段 3（年代范围为 13.96～13.37 ka）大致与和的快速升温阶段相对应；随后出现的减小波动 4（年代范围为 13.37～12.60 ka）则对应着YD 冷事件发生时期；最后的CIA 指数增加阶段5（年代范围为 12.60～11.82 ka）则对应为 YD 事件后期的温度快速回升阶段[46-48]，对此我们认为，仙境源黄土的化学风化强度在末次冰消期出现的波动变化是对该时期冷暖气候事件的区域性响应。

图6 仙境源黄土剖面元素综合参数深度变化图Fig.6 Variation of integrated element parameters of Xianjingyuan loess

4 结论

（1）仙境源黄土中常量元素以 SiO2、Al2O3和CaO 为主，常量元素含量呈现为SiO2＞Al2O3＞CaO＞Fe2O3＞K2O＞Na2O＞MgO＞TiO2＞P2O5＞MnO 的组合特征。

（2）CIA 指数、Na/K 比值以及 A-CN-K 三角形模型结果显示仙境源黄土处于初等化学风化阶段；并通过化学综合参数进一步表明，仙境源黄土从MIS5 到MIS2 阶段的堆积过程中大致经历了5 次暖湿-干冷的变化，其中在MIS5 阶段气候最为暖湿，风化强度最强，MIS2 阶段的末次冰盛期气候最为干冷，风化强度最弱，以及在MIS2 阶段末次冰消期内气候变化的不稳定初步表明仙境源黄土记录的气候环境变化是对全球气候变化的区域性响应，并在堆积过程中受到海平面升降的影响。

（3）仙境源黄土与砣矶岛黄土以及平阴黄土的常量元素组成和化学风化强度对比表明，山东黄土的粉尘物源与气候环境总体存在着较高的相似性，但其之间的差异表明了海陆位置与地形的影响使气候存在区域性的差异，而仙境源黄土与平阴黄土之间的明显差异除了因气候的影响以外，也受到粉尘物质来源的影响，进一步体现了山东黄土物质来源与成因复杂性的特点；而对于仙境源黄土与洛川黄土-古土壤之间存在的差异性，我们认为主要是因二者的粉尘物质来源不同。