末次間冰期以來沙漠邊緣黃土沉積的地球化學特征初探①

于英鵬劉現彬

(1.華東師范大學資源與環境科學學院 上海 200241;2.蘭州大學資源環境學院 蘭州 730000; 3.蘭州大學西部環境與氣候變化研究院 蘭州 730000)

末次間冰期以來沙漠邊緣黃土沉積的地球化學特征初探①

于英鵬1,2劉現彬3

(1.華東師范大學資源與環境科學學院 上海 200241;2.蘭州大學資源環境學院 蘭州 730000; 3.蘭州大學西部環境與氣候變化研究院 蘭州 730000)

沙漠邊緣地區黃土磁化率的增強機制與黃土高原地區有所不同,不宜用于夏季風強度變化的重建。所以,本文嘗試將黃土高原地區常用的化學風化指標:化學蝕變指數(CIA)和Rb/Sr用于沙漠邊緣地區白崖剖面夏季風演化的重建。結果顯示,CIA可以較好地反映成壤作用,因而也可以較好地反映夏季風的變化,而Rb/Sr受源區因素和成壤因素共同作用,不能有效地指示夏季風的強度。同時,本文還選取了常見的反映粒度分選和冬季風變化的SiO2/ TiO2和Zr/Rb,結果顯示,SiO2/TiO2和Zr/Rb能明確指示粒度分選作用和冬季風的變化。此外,Al-Ti-Zr三角圖顯示,物源在不同時期存在一定的變化,在全新世和末次間冰期黃土物質混合較為均勻,表明風塵經歷了較長距離的搬運和較為充分的混合過程;在末次冰期黃土物質混合程度存在明顯分異,意味著部分時段物源可能較近。

沙漠邊緣 黃土 地球化學 物質來源

河西走廊東段祁連山北麓的山前地帶覆蓋有深厚的黃土沉積物,因地處青藏高原與西北內陸荒漠交匯處,所以該地黃土為揭示青藏高原隆升、區域氣候變化以及沙漠演化歷史提供了富有價值的記錄[1～3]。然而,沙漠邊緣地區成壤作用導致磁化率增強的機制與黃土高原不同[4～6],可能受控于包括成壤作用在內的多種因素[7,8],因此,沙漠邊緣黃土磁化率在恢復夏季風強度演化歷史時存在缺陷。近年來,在黃土高原地區已經開展較多的地球化學方面的研究工作,有大量的地球化學指標用于古氣候演化過程的重建。如,陳駿等認為黃土高原地區的Rb/Sr值能夠反映風化強度,并與磁化率對比后認為Rb/Sr可以作為反映夏季風強度變化的指標[9～11]。劉連文等根據Zr、Rb在不同粒徑粉塵中的富集情況認為Zr/Rb值能夠反映冬季風環流的變化,可以作為反映黃土高原冬季風變化的代用指標[12];此外,通過對黃土沉積物中酸不溶物Fe、Mg的化學分析,劉連文等指出酸不溶物中Fe/Mg值能夠指示風化成壤的強度[13]。彭淑貞、郭正堂等通過對粒徑小于50μm的黃土顆粒與SiO2/ Al2O3的相關性分析,發現SiO2/Al2O3可以準確的揭示冬季風的變化特征[14]。靳鶴齡應用退堿系數((K2O+Na2O+CaO)/Al2O3)、鈉鈣比(Na2O/CaO)、硅鐵鋁率(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))等化學元素的綜合參數來反映氣候的變化[15,16]。龐獎勵則通過分析黃土中的Ba/Sr、Ba/Ca和Sr/Ca等發現Ba/Sr值對氣候變化的反應十分靈敏,可作為很好的指示夏季風強度變化的代用指標[17]。根據Si和Ti的遷移性及其分別在粉塵粗、細粒級中富集的特征,Liu等將SiO2/TiO2值(摩爾比)作為指示冬季風強度的指標,并應用于黃土高原冬季風變化的解釋[18];他們還將Nesbitt和Young定義的化學蝕變指數CIA用作夏季風強度的代用指標[19]。郭正堂等根據元素的遷移特征應用化學風化指數(CIW)來揭示末次間冰期黃土高原夏季風的變化特征[20]。上述指標具有反應靈敏,意義明確的優點,對于我們的氣候重建工作具有參考意義。因而,本文選擇了常用的地球化學指標(CIA、Rb/Sr、Zr/Rb、SiO2/TiO2)嘗試著重建沙漠邊緣地區季風演化歷史并檢驗這些指標的可行性。

此外,相對黃土高原主體而言,祁連山北麓的黃土沉積無疑離物源更近,至少有兩個潛在的物源離祁連山北麓的黃土沉積區很近。其一,北部的騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠以及干鹽湖構成了一個重要的物源[2,21];其二,祁連山北麓山前洪積扇也是潛在的物源[22,23]。因此該區黃土沉積對物源變化的響應有可能較黃土高原主體更加靈敏。因此,本文還試圖對物源在時間序列上的變化進行探討。

1 材料與實驗方法

本文選擇位于甘肅省武威市張義鎮白崖村的白崖剖面(N37°32'E102°48',海拔約2 400 m)(圖1)作為研究對象。該剖面南接祁連山,北臨騰格里沙漠,距現代沙漠不足50 km,年均降水量約105 mm,年平均氣溫約7.9℃,屬干旱地區[3]。剖面頂部為殘余的全新世古土壤(S0)厚約1.4 m.L1厚約29 m(1.4～ 30.35 m),S1厚約5.15 m(30.35～35.50 m)。根據野外觀察,S1與L2之間有明顯的界限,表明S1底部經受一定的侵蝕作用。因此,野外只觀察到兩層古土壤,這可能與青藏高原東北緣在末次間冰期的構造抬升存在關聯[1]。野外樣品采集從剖面頂部開始,以5 cm為間隔連續采樣,共采集樣品730個。其中5～6 m的樣品在搬運中丟失,實際共得710個樣品。粒度由Mastersizer 2000激光粒度儀測得,共測710個樣品。取樣品約0.2 g放入已清洗干凈且帶有編號的燒杯中,加入濃度為10%的H2O2并煮沸(去除有機質),待氣泡減少至均勻沸騰時加入10%HCl(去除碳酸鹽),繼續煮至燒杯內無氣泡產生,停止加熱,加入蒸餾水直至燒杯滿(不能溢出),靜置24小時后用橡皮管抽去上層清水,加入(NaPO3)6(六偏磷酸鈉)作為分散劑,在超聲波振蕩器上振蕩7分鐘,最后加入激光粒度儀中測量。化學元素含量在 Panalytical Magix PW2403型X熒光光譜(XRF)儀上測得,測量的標準差約為2%。化學元素分析以20 cm為間隔,共分析了183個樣品,實驗過程見Wang等[24]。所有實驗均在蘭州大學西部環境教育部重點實驗室完成。

圖1 研究區位置及采樣點Fig.1 Location of study region and sampling site

2 結果

2.1 常量元素含量特征

對于未測定的元素XRF儀以CO3給出,白崖剖面 CO3含量在 7.84%～18.9%之間,平均為12.50%。元素含量經公式(E校正值=E測量值/(1-CO3/ 100))校正,校正后,樣品中含量在1%以上的氧化物有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O。整個剖面SiO2的含量在55.98%～66.49%之間,平均為61.5%;Al2O3含量在11.84%～14.49%之間,平均為13.21%;CaO含量在7.34%～15.22%之間,平均為10.25%;Fe2O3含量在4.53%～6.29%之間,平均為5.46%;MgO含量在2.93%～4.21%之間,平均為3.63%;K2O含量在2.41%～2.97%之間,平均為2.68%;Na2O含量在2.08%～2.96%之間,平均為2.39%。其中SiO2、Al2O3、CaO為主要的化學成分,三種主要元素含量總和平均為84.96%。樣品中含量在0.1%～1%的氧化物有TiO2、P2O5.iO2含量在0.62%～0.82%之間,平均為0.75%.2O5含量在0.15%～0.2之間,平均為0.17%。

表1和(圖2)將白崖剖面經校正的常量元素氧化物與上陸殼(UCC)主要常量元素含量(%)進行了比較。

表1 常量元素含量Table1 Content ofmajor elements

表1和圖2顯示,白崖剖面中SiO2、Al2O3含量與UCC較接近,CaO的含量相對UCC顯著富集,MgO、TiO2、Fe2O3相對UCC富集;Na2O、K2O則相對UCC表現出較弱的虧損.i的化學性質相對穩定,主要以氧化物的形式存在,化學行為以遷移為主[26～28].1的SiO2平均含量較S0、S1高,風化最弱時對應的SiO2值(62.41%)高于風化最強時的 SiO2含量(58.77%)(表1)。在S0、S1、CIAmax三個階段,TiO2、Al2O3、Fe2O3值均高于相對應的L1和CIAmin,說明在化學風化作用增強的時候,三種氧化物在土壤中趨于富集。不過,TiO2的變化比Al2O3、Fe2O3復雜(表1),即L1的TiO2含量比風化最弱點的TiO2含量略低.a、Mg為較易遷移的元素,在黃土中多以碳酸鹽的形式存在[26]。在我國北方干旱半干旱地區研究表明:土壤發育時CaO和MgO的含量相對減少(除淀積層),而在風沙和黃土堆積時期其含量相對增加[27,28]。但是白崖剖面中CaO和MgO含量在對應于風化較強的時段富集,如S0、S1發育的時段,而在風化較弱的在L1階段的含量卻相對減少,這與黃土高原內部 CaO和 MgO的遷移變化情況形成反差[27～29]。一方面,說明在整體風化強度不高的情況下,白崖剖面CaO和MgO的淋溶是極其有限的;另一方面,可能暗示了在干旱的源區碳酸鹽表聚作用在暖濕期增強,從而導致沉積區黃土中碳酸鹽含量也隨之增加。值得注意的是,CaO含量比MgO含量表現出更復雜的變化規律,即S0、L1以及S1的CaO含量不在風化最弱點對應的CaO含量和風化最強點對應的CaO含量之間,意味著除了風化淋溶作用,源區物質的化學組成可能是更為重要的控制因素。從化學風化弱的CIAmin到化學風化強的CIAmax過程中,K2O逐漸富集,而Na2O逐漸虧損(圖2),但本研究剖面中的K2O、Na2O均相對UCC出現微弱虧損。綜觀白崖剖面,隨著風化作用的增強,脫Na富Fe、Mg是較為顯著的變化特征.a的變化規律不清。

圖2 白崖剖面常量元素與UCC比較Fig.2 Comparison ofmajor elements between the Baiya loess section and the UCC

圖3 白崖剖面Al-Ti-Zr三角圖Fig.3 Ternary diagram of Al-Ti-Zr in the Baiya loess section

2.2 穩定元素Al-Ti-Zr組合特征

在各種元素中,Al、Ti、Zr通常被認為是風化中最穩定的元素.l、Ti、Zr的含量會隨著易溶元素的淋失而發生改變,但沉積物中Al、Ti、Zr含量的相對比例特征能夠從源區物質中繼承下來,很少發生改變。因此,在沉積作用經歷了風化、搬運,不同來源物質的混合以及分選等過程的前提下[30],Al-Ti-Zr三角圖可以反映物源的變化[31]。圖3中以三角形重心為圓心畫圓(虛線圓),圓心代表沉積物Al-Ti-Zr平均值所在點。通過分析樣品中Al-Ti-Zr散點分布情況,認為Al-Ti-Zr散點離圓心越近,分布越集中,表示物質的混合越好;相反,Al-Ti-Zr散點離圓心較遠,分布較分散,表明物質混合較差。據此可以判斷古氣候演化及源區變遷問題。圖3顯示在S0和S1階段Al-Ti-Zr分布與上陸殼(UCC)和后太古代澳洲頁巖(PAAS)[25]比較接近,在L1階段Al-Ti-Zr分布則出現了顯著的分異,一部分Al-Ti-Zr散點離UCC和PAAS較近,另一部分散點則離UCC和PAAS較遠。

2.3 化學風化特征

圖4 白崖剖面A-CN-K圖(風化階段劃分據文獻[19])Fig.4 A-CN-K diagram of the Baiya loess section

化學蝕變指數[CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)X 100]是量度源區以及沉積區的化學風化程度的代用指標[19],式中主成分均指摩爾數, CaO*表示硅酸鹽中的CaO。因而,CIA主要反映的是硅酸鹽(主要是長石礦物)的風化,由于不存在元素遷移后再淀積的情況,故能很好地反映沉積物形成時的化學風化情況,因而在化學風化研究中得到了廣泛的應用[19,32]。圖4直觀地表示出沉積物的風化程度(A-CN-K中的A值實際上就是CIA)和風化趨勢?？梢钥闯?白崖剖面的CIA值分布在50～60之間(圖4),處于風化的初級階段。由斜長石-鉀長石連線出發,隨著風化作用的增強,風化的趨勢(圖4中箭頭所指方向)指向伊利石,這與黃土高原主體地區的化學風化特征一致[33]。

3 討論

3.1 氣候變化與物源變遷

在圖3中,我們已經觀察到一個現象,在土壤發育的時段,如S0和S1發育的時段,Al-Ti-Zr散點較為集中,與三角形的重心(碎屑沉積物的Al-Ti-Zr平均值)和PAAS的Al-Ti-Zr值距離較近;而在黃土堆積盛行的時段,如L1沉積時段,Al-TiVZr散點相對較分散,有部分點離三角形重心(碎屑沉積物的Al-Ti-Zr平均值)和PAAS的Al-Ti-Zr值距離較遠。這一現象表明,在S0和S1發育時段,風塵的混合更為均一,而在L1堆積時段,風塵的混合程度存在較顯著的分異。進一步而言,氣候可能影響著風塵的搬運-沉積的混合過程。具體而言,在夏季風強盛的時期,季風控制的降水鋒面往西往北推進,沙漠收縮,土壤在黃土堆積區的發育普遍增強。沙漠的收縮意味著物源的遠離,因而,在源區和沉積區之間,風塵進行搬運-沉積,再搬運-沉積的循環過程有可能增多,最終沉積的風塵的混合度更為均一。在夏季風衰退的時期,季風控制的降水鋒面往南回撤,造成沙漠-黃土過渡帶上植被覆蓋度降低,沙漠擴張,因而沉積區普遍沉積弱風化的黃土。沙漠的擴張,意味著物源的逼近,因而,沉積區可能更多地接收了近源的物質,即搬運-沉積,再搬運-沉積的循環過程的頻次會相對減少,最終沉積的風塵混合程度可能表現的不夠均一?？偠灾?氣候變得濕潤的時候,物源開始變遠;反之,則物源變近,這與前人的研究[34]是一致的。

3.2 地球化學指標的氣候指示意義

前人在利用地球化學指標重建古氣候方面的研究已取得不少成果[9～18,20,26～29,35,36],如前所述,因磁化率在沙漠邊緣區的增強機制并非僅依賴于成壤作用,所以對其進行氣候解譯存在不確定性,本研究中的磁化率也存在類似的問題。鑒于此,本文選擇了兩個常見的風化指標CIA、Rb/Sr試圖用于夏季風演化歷史的重建。同時,選擇了SiO2/TiO2和Zr/Rb這兩個常用指標作為候選的冬季風指標。

圖5 白崖剖面氣候代用指標比較Fig.5 Comparison of climatic proxies in the Baiya loess section

圖5顯示CIA的高值與各土壤層有較好的對應關系,可見CIA對成壤強度的反映是比較可靠的。研究區屬季風影響區,因而,反映風化成壤作用的CIA可以作為夏季風強度的指標。在黃土高原地區, Rb/Sr是也一個常用夏季風代用指標。不過,Rb/Sr在白崖剖面地層波動平緩,不能很好地指示白崖剖面成壤作用的發生。不僅如此,在MIS3晚期和MIS5時段部分土壤(L1S1的上部土壤層和S1的下部土壤層)的Rb/Sr值較平均值(實線)還略偏低(圖5);此外,MIS2與MIS4的Rb/Sr并未表現為顯著的低值。只有全新世的Rb/Sr值可以相對較好地反映成壤作用。這說明,除了風化作用之外,還有其它因素參與塑造Rb/Sr的變化.iO2/TiO2、Zr/Rb的變化與粒度具有較好的一致性,在全新世、MIS3以及MIS5都表現為低值,而在MIS2和MIS4則為高值。對于粒度事件的響應,Zr/Rb的變幅比SiO2/TiO2顯著,如(圖5)中的b、c事件,通過曲線對比,還可以發現Zr/Rb與<20μm顆粒含量的變化更接近,如,a事件二者均較平緩,e事件則較突出.iO2/TiO2則與>63μm顆粒含量(躍移組分)的變化更相像。如a事件二者都較突出,b、c事件二者的變幅則相對較小。

通過前面的分析,我們認為CIA具有明確的化學風化指示意義,可以作為東亞夏季風強度的指標.iO2/TiO2和Zr/Rb的變化與粒度的變化對應關系較好,而且相關分析表明,Zr/Rb和SiO2/TiO2與中值粒徑(Md)具有很好的相關關系(Zr/Rb和SiO2/TiO2與中值粒徑(Md)的相關系數分別為0.824和0.907)。因而,SiO2/TiO2和Zr/Rb可以作為冬季風強度的代用指標。另外,由于SiO2/TiO2與聯系沙漠-黃土演變過程中耦合關系的沉積學指標(>63μm的顆粒含量)具有更好的對應關系[37](圖5)。因此,SiO2/TiO2也適合作為聯系沙漠-黃土演變過程中耦合關系的地球化學指標。值得關注的是,圖6中Zr/Rb和SiO2/TiO2與CIA呈較好負相關(相關系數分別為-0.575和-0.657)。這暗示了夏季風強度變化一定程度上影響風塵沉積物粒度的變化,主要影響機制為:當夏季風強盛時,騰格里沙漠南緣北退,沙漠面積縮小,物源區相對變遠,導致風塵沉積物的顆粒變細;相反,當夏季風衰退時,沙漠邊緣南進,沙漠面積擴張,物源區相對沉積區較近,風塵沉積物的顆粒變粗。

相對CIA而言,Rb/Sr的指示意義不是十分明確,因而不宜作為夏季風強度的代用指標。根據Rb、Sr元素物理和化學的賦存形式,一般認為黃土地層中Rb/Sr主要受源區粉塵的物質的化學組成、搬運分選作用和風化成壤強度的影響[9].b/Sr在白崖剖面的變化并非與成壤強度完全對應,僅在一些時段Rb/Sr的峰值與CIA的峰值存在對應。例如,全剖面Rb/Sr值與 CIA呈正相關關系(r=0.4),但是在MIS2二者的相關系數僅為0.161(圖6)。這說明,在離干旱物源區更近的白崖剖面的Rb/Sr除了受控于風化作用外,還受控于其它因素,即搬運分選作用或(和)源區粉塵物質的化學組成。風塵沉積物中粗顆粒含量常用來反映冬季風的強弱變化即風力的搬運分選作用[38],Rb/Sr值與Md的相關系數為0(圖6),這暗示了搬運分選過程對Rb/Sr的影響可以忽略。因而,源區粉塵物質的化學組成對Rb/Sr值變化具有重要的決定作用。

圖7中Rb、Sr在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(灰色矩形框)段呈現相同的變化趨勢,即二者在風化程度相對較強的時候均增加,由此可見,Rb/Sr的異常主要是Sr增加造成的。由于Sr與Ca離子半徑、電位等地球化學參數相近,因而Sr的遷移規律與Ca相似[39]?？梢酝ㄟ^以下兩個方面來解釋:1)降水增加,導致Sr從高地向低地匯集[40,41],沖積扇、河床、干鹽湖等潛在物源中Sr的含量因而增加,所以黃土堆積時Sr的含量也相應增加,Rb/Sr值相對降低;2)潛在的物源多屬于干旱區,在地下水位足夠高的情況下,強烈的蒸發作用會使易溶鹽因毛細效應產生表聚現象[42],Sr、Ca等易溶鹽的含量在地下水位較高的情況下因表聚作用增高,從而降低了物源區的Rb/Sr值。事實上,我們從圖5可以觀察出Rb/Sr與CIA在MIS5和MIS3雖然在整體趨勢上相反,但是峰、谷存在對應關系。這說明在整體風化強度較低(初級風化)的情況下,源區的Rb/Sr信號較為顯著。因此,在風化程度較低的沙漠邊緣地區,Rb/Sr值不能同黃土高原地區一樣很好地指示風化程度,因為它包含了較為顯著的物源濕度信號。

4 結論

通過對騰格里沙漠西南緣白崖剖面常量元素地球化學特征的初步分析,可以得出以下兩點認識:

(1)末次間冰期以來白崖剖面的黃土物源存在變化,氣候濕潤的時候,物源較遠;反之,物源較近。

圖6 氣候代用指標的相關性Fig.6 Relation of climatic proxies

(2)白崖剖面的化學風化處于初級階段,CIA是較好的夏季風代用指標,而Rb/Sr的意義較復雜,它疊加了源區濕度的信號,不宜直接用于指示夏季風的強度變化.iO2/TiO2和Zr/Rb與粒度有較好的對應關系,是良好的指示冬季風強度變化的代用指標,此外,SiO2/TiO2也可反映物源距離的變化。

圖7 Rb、Sr隨剖面深度的變化Fig.7 Rb、Sr Variationswith depth

References)

1 潘保田,鄔光劍,王義祥,等。祁連山東段沙溝河階地的年代與成因[J]?？茖W通報,2000,45(24):2669-2675[Pan Baotian,Wu Guangjian,Wang Yixiang,et al.The age and causes of Shagou River terraces in Eastern Qilian Mountains[J].hinese Science Bulletin, 2000,45(24):2669-2675]

2 張虎才。騰格里沙漠南緣武威黃土稀土元素及黃土沉積模式[J]。蘭州大學:自然科學版,1998,34(4):157-164[Zhang Huicai.The REE ofWuwei Loess in south vicinity of Tengger desertand amodel for Loess Accumulation[J].ournal of Lanzhou University:Natural Sciences,1998,34(4):157-164]

3 吳海斌,郭正堂,方小敏,等。250kaBP前后中國北方干旱區的擴張及其原因[J]。科學通報,2002,47(17):1341-1346[Wu Haibin,Guo Zhengtang,Fang Xiaomin,et al.The expansion and reasons of arid region in Northern China around 250 kaBP[J].hinese Science Bulletin,2002,47(17):1341-1346]

4 Zhou L P,Oldfield F,Wintle A G,Robinson SG,etal.Partly pedogenic origin ofmagnetic variations in Chinese loess[J].ature,1990, 346:737-739

5 Maher BA,Thompson R.Mineralmagnetic record of the Chinese loess and paleosols[J].eology,1991,19:3-6

6 Liu Qingsong,Deng Chenglong,Torrent J,etal.Review of recent developments in mineralmagnetism of the Chinese loess[J].uaternary Science Reviews,2007,26(3-4):368-385

7 孫繼敏,丁仲禮。淺議中國黃土磁化率的物理意義[J]。地球物理學進展,1995,10(4):88-93[Sun Jinmin,Ding Zhongli.Preliminary studying on the physicalmechanism ofmagnetic susceptibility of Chinese Loess[J].rogress in Geophysics,1995,10(4):88-93]

8 管清玉。末次冰期旋回氣候高度不穩定性研究[D]。蘭州:蘭州大學,2006[Guan Qingyu.A study of the highly unstable climate in Last Glacial Cycle[D].anzhou:Lanzhou University,2006]

9 陳駿,汪永進,陳旸,等。中國黃土地層Rb和Sr地球化學特征及其古季風氣候意義[J]。地質學報,2001,75(2):259-266[Chen Jun,Wang Yongjin,Chen Yang,etal.Rb and Sr geochemical characterization of the Chinese loess and its implicatons for palaeomonsoon climate[J].cta Geologica Sinica,2001,75(2):259-2 66]

10 陳駿,安芷生,汪永進,等。最近800ka洛川黃土剖面中Rb/Sr分布和古季風變遷[J]。中國科學:D輯,1998,28(6):488-504 [Chen Jun,An Zhisheng,Wang Yongjin,et al.The Rb/Sr distribution and ancientmonsoon changes in Luochuan section recently 800 ka [J].cience in China:Series D,1998,28(6):488-504]

11 陳駿,汪永進,季俊峰,等。陜西洛川黃土剖面的Rb/Sr值及其氣候地層學意義[J]。第四紀研究,1999,(4):350-356[Chen Jun,Wang Yongjin,Ji Junfeng,et al.Rb/Sr variations and its climatic stratigraphical significance of a loess-paleosol profile from Luochuan,Shaanxi Province[J].uaternary Sciences,1999,(4): 350-356]

12 劉連文,陳駿,陳旸,等。最近130Ka以來黃土中Zr/Rb值變化及其對冬季風的指示意義[J]?？茖W通報,2 002,47(9):702-706[Liu Lianwen,Chen Jun,Chen Yang,et al.The Zr/Rb value change and its implications on the winter wind form loess in the last 130 ka[J].hinese Science Bulletin,2002,47(9):702-706]

13 劉連文,陳駿,王洪濤,等。一個不受風力分選作用影響的化學風化指標:黃土酸不溶物中Fe/Mg值[J]。科學通報,2001,46 (4):578-582[Liu Lianwen,Chen Jun,Wang Hongtao,et al.A sorting not influence by wind from the chemical weathering indices: Fe/Mg values in acid-insolublematerial from the loess[J].hinese Science Bulletin,2001,46(4):578-582]

14 彭淑貞,郭正堂。風塵堆積中SiO2/Al2O3值與粒度的關系及其對東亞冬季風的指示意義[J]。中國科學:D輯,2001,31(增刊): 209-214[Peng Shuzhen,Guo Zhengtang.The relationship of SiO2/ Al2O3values and grain size in eolian deposits and the implications for East Asian wintermonsoon[J].cience in China:Series D,2001, 31(Suppl):209-214]

15 靳鶴齡,蘇志珠,孫忠。渾善達克沙地全新世中晚期地層化學元素特征及其氣候變化[J]。中國沙漠,2003,23(4):366-371[Jin Heling,Su Zhizhu,Sun Zhong.Characters of chemical elements in strata ofMiddle and Late Holocene in Hunshandake Desertand the indicated climatic changes[J].ournal of Desert Research,200 3,23 (4):366-371]

16 靳鶴齡,李明啟,蘇志珠,等。薩拉烏蘇河流域地層沉積時代及其反映的氣候變化[J]。地質學報,2007,8 1(3):307-315[Jin Heling,LiMingqi,Su Zhizhu,et al.Sedimentary age of strata in the Salawusu River Basin and climatic changing[J].cta Geologica Sinica,2007,81(3):307-315]

17 龐獎勵,黃春長,劉安娜,等。黃土高原南部全新世黃土-古土壤序列若干元素分布特征及意義[J]。第四紀研究,2007,(3): 357-364[Pang Jiangli,Huang Chunchang,Liu Anna,et al.Ba/Sr and Rb/Sr ratio of Holocene loess-palaeosol sequences and its significance in South Loess Plateau China[J].uaternary Sciences,2007, (3):357-364]

18 Liu T S,Guo ZT,Liu JQ,etal.Variation ofeastern Asianmonsoon over the last 140 000 years[J].ulletin Societ Geologique France, 1995,166:221-229

19 Nesbitt HW,Young G M.Early Proterozoic climates and plate motions inferred from major element chemistry of lutites[J].ature, 1982,299:715-717

20 Guo Z T,Liu T S,Guiot J.etal.High frequency pulses of East Asianmonsoon climate in the last two glaciations:Link with the North Atlantic[J].limate Dynamics,1996,12:701-709

21 張虎才,馬玉貞,彭金蘭,等。距今42～18ka騰格里沙漠古湖泊及古環境[J]。科學通報,2002,47(24):18 47-1857[Zhang Hucai,Ma Yuzhen,Peng Jinlan,et al.Ancient lake and the environment in Tengger Desert between 42-18 kaBP[J].hinese Science Bulletin,2002,47(24):1847-1857]

22 Derbyshire E,Meng X M&Kemp R A.Provenance,transport and characteristics of modern Aeolian dust in western Gansu Province, China,and interpretation of the Quaternary loess record[J].ournal of Arid Environments,1998,39:497-516

23 Guan Q Y,Pan B T,Gao H S,et al.Geochemical evidence of the Chinese loess provenance during the Late Pleistocene[J].alaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2009,270(1-2):53-58

24 Wang H B,Liu L Y,Feng Z D.Spatiotemporal variations of Zr/Rb ratio in three last interglacial paleosol profiles across the Chinese Loess Plateau and its implications for climatic interpretation[J].hinese Science Bulletin,2008,53(9):1413-1422

25 Taylor SR,McLennan SM.The Continental Crust:Its Composition and Evolution[M].lackwell,Oxford,1985:9-56

26 文啟忠,等。中國黃土地球化學[M]。北京:科學出版社,1989: 36-114[Wen Qizhong,et al.Geochemistry of Chinese Loess[M].eijing:Science Press,1989:36-114]

27 文啟忠。黃土剖面中氧化物的比值和相對淋溶、積聚值在地質上的意義[J]。地球化學,1981,12(4):381-387[Wen Qizhong.Ratios of oxides and relative values of weathering leaching or accumulation in Luochuan loess section,Shaanxi province and their geological significance[J].eochimica,1981,12(4):381-387]

28 文啟忠,刁桂儀,賈蓉芬,等。黃土剖面中古氣候變化的地球化學記錄[J]。第四紀研究,1995,6(3):223-231[Wen Qizhong, Diao Guiyi,Jia Rongfang,et al.Geochemical records of paleoclimate change in loess sections[J].uaternary Sciences,1995,6(3):223-231]

29 余素華,文啟忠,張士三,等。中國西北地區晚第四紀黃土中鎂鋁地球化學與古氣候意義[J]。沉積學報,1994,12(1):112-116 [Yu Suhua,Wen Qizhong,Zhang Shisan,et al.The geochemistry and paleoclimate significance ofmagnesium and aluminium in loess of Late Quaternary in northwestern China[J].cta Sedimentologica Sinica,1994,12(1):112-116]

30 Sawyer E.The influence of source rock type chemical weathering and sorting on the geochemistry of clastic sediments from the QueticoMetasedimentary Belt,Superior Province[J].hemical Geology,1986, 55:77-95

31 Garcia D,FontiellesM,Moutte J.Sedimentary fractionationsbetween Al,Ti and Zr and the genesis of strongly Peraluminous Granites[J].ournal of Geology,1994,102:411-422

32 陳駿,安芷生,劉連文,等。最近2.5 Ma以來黃土高原風塵化學組成的變化與亞洲內陸的化學風化[J]。中國科學:D輯,2001, 31(2):136-145[Chen Jun,An Zhisheng,Liu Lianwen,et al.The changes in chemical composition of dust from the Loess Plateau and chemicalweathering Asian inland since the last2.5 Ma[J].cience in China:Series D,2001,31(2):136-145]

33 梁美艷,郭正堂,顧兆炎。中新世風塵堆積的地球化學特征及其與上新世和第四紀風塵堆積的比較[J]。第四紀研究,2006,26 (4):657-664[Liang Meiyan,Guo Zhengtang,Gu Zhaoyan.Geochemical characteristic s of the Miocene eolian deposits and comparison with the Pliocene and Quaternary eolian deposits[J].uaternary Sciences,2006,26(4):657-664]

34 Yang S L,Ding Z L.Advance-retreat history of the East-Asian summermonsoon rainfall belt over northern China during the last two glacial interglacial cycles[J].arth and Planetary Science Letters, 2008,274(3-4):4 99-510

35 陳渭南,高尚玉,孫忠。毛烏素沙地全新世地層化學元素特點及其古氣候意義[J]。中國沙漠,1994,14(1):22-30[Chen Weinan,Gao Shangyu,Sunzhong.On the Holocene geochemical landscape characteristics and its paleoclimatic meaning,MU US Sand Sea[J].ournal of Desert Researh,1994,14(1):22-30]

36 趙錦慧,王丹,樊寶生,等。延安地區黃土堆積的地球化學特征與最近13萬年東亞夏季風氣候的波動[J]。地球化學,2004,33 (5):495-500[Zhao Jinhui,Wangdan,Fan Baosheng,et al.Geochemical characteristics of the loess depositat Yan'an and its implication to changes of East Asia summermonsoon during the past 130 ka [J].eochimica,2004,33(5):495-500]

37 丁仲禮,孫繼敏,劉東生。聯系沙漠-黃土演變過程中耦合關系的沉積學指標[J]。中國科學:D輯,1999,29(1):82-87[Ding Zhongli,Sun Jimin,Liu Dongsheng.A sedimentary indicator contact the coupling during evolution of Desert-Loess deposition[J].cience in China:Series D,1999,29(1):82-87]

38 劉連文,陳駿,季峻峰,等。陜西洛川黃土的粒度分維值及其意義[J]。高校地質學報,1999,5(4):412-417[Liu Lianwen,Chen Jun,Ji Junfeng,et al.Grain-size fractal dimension of loess-paleosol and its significance[J].eological Journal of China Universities, 1999,5(4):412-417]

39 劉連文,陳駿,陳旸,等。黃土的連續提取實驗及Rb/Sr值意義[J]。土壤學報,2002,39(1):65-70[Liu Lianwen,Chen Jun, Chen Yang,et al.Sequential extraction procedure of loess and paleosol and the implications of Rb/Sr ratios[J].cta Pedologica Sinica,2002,39(1):65-70]

40 金章東,張恩樓。湖泊沉積物Rb/Sr比值的古氣候意義[J]?？茖W技術與工程,2002,2(3):20-22[Jin Zhangdong,Zhang Enlou.Paleoclimate implication of Rb/Sr ratios from lake sediments[J].cience Technology and Engineering,2002,2(3):20-22]

41 劉宇飛,李保生,楊藝,等。末次間冰期我國半干旱盆地Rb、Sr的遷移聚集規律與環境演化——以沙拉烏蘇河流域米浪溝灣剖面研究結果為例[J]。中國沙漠,2006,26(3):341-344[Liu Yufei,Li Baosheng,Yang Yi,etal.Moving and accumulating law of Rb,Sr with environment evolving in semiarid basin of China during the Last Interglacial:Reflected by study result on Milanggouwan stratigraphic section in the Salawusu River Valley[J].ournal of Desert Researh,2006,26(3):341-344]

42 李生宇,雷加強,徐新文,等。流動沙漠地區灌溉林地鹽結皮層特征的初步研究[J]。北京林業大學學報,2007,29(2):41-49 [Li Shengyu,Lei Jiaqiang,Xu Xinwen,et al.Characteristics of salt crust layers in the forests irrigated with saline water in mobile desert [J].ournal of Beijing Forestry University,2007,29(2):41-49]

Geochem ical Characteristics of Loess Deposition since Last Interglacial at Desert M argin and Its Provenance and Climatic Imp lications

YU Ying-peng1,2WANG Hai-bin3LIU Xian-bin3
(1.College of Resources and Environmental Science,East China Normal University,Shanghai200241; 2.College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000; 3.Research School of Arid Environment and Climate Change,Lanzhou University,Lanzhou 730000)

The loess deposition at desertmargin holds a good archive of climatic change as such area is sensitive to variations of Asian Monsoon.However,due to the complexity ofmagnetic enhancementmechanism in loess at desert margin,magnetic susceptibility is not suitable for summermonsoon reconstruction.In this paper,we investigated the geochemical characteristics of loess deposition since last interglacial at desertmargin and try to screen good geochemical indicators ofweathering and sorting of loess deposition at desertmargin.In doing so,we investigated a loess site at Baiya which is located 50 km south to Tengger Desert.The Baiya loess section in this study consists of S0,L1 and S1,corresponding to the Holocene,the last glacial,and the last interglacial respectively。730 sampleswere collected from this section.All of them were subjected tomagneticmeasurement using Bartington MS2B and grain size analysis using Malvern Mastersizer 2000.183 sampleswere subjected to chemical elements determination using X-ray fluorescence(XRF)analysis on Panalytical Magix PW2403 spectroscope.All the lab workswere carried out at the Key Laboratory ofWestern China's Environmental Systems(Ministry of Education),Lanzhou University.

The geochemical results from thewhole section show that the content of SiO2,Al2O3is close to that of UCC,the content of CaO,MgO,TiO2,Fe2O3was enriched relative to that of UCC;the contentof Na2O,K2O was depleted relative to that of UCC.As the chemicalweathering strengthened,the striking phenomenon of elements behavior of this section is the depletion of sodium and the enrichment of iron and magnesium.However,the behavior of calcium was equivocal,which is probably caused by weak leaching in deposition area and strong evaporating-induced ascending of Ca in source area.Generally,the chemicalweathering in the study area isweak and on its initialweathering stage as expressed by the low chemical index of alteration(CIA)which spanned from 50 to 60。

Four frequently-used geochemical indicatorswere tested in current study,e.g。,CIA,the ratio of Rb to Sr(Rb/ Sr),themolar ratio of SiO2to TiO2(SiO2/TiO2),and the ratio of Zr to Rb(Zr/Rb).IA is sensitive to reflect the weathering and the pedogenesis,and thus can be used as a proxy of Asian Summer Monsoon strength.The Rb/Sr is a good indicator of chemicalweathering when itwas applied in themain body of the Chinese loess Plateau.However,it didn'twork well at Baiya section.We assumed that the problem ismainly caused by the behavior of Sr.That is,under warmer and wetter climate,more Sr waswashed into source area,strong evaporation induced ascending of Sr to surface soilwith the capillary force,leading to the decrease of Rb/Sr.When such sourcematerialwas transported to the deposition area,the post-depositional Rb/Sr didn't increase significantly because of relatively weaker leaching at desertmargin.In short,the ultimate Rb/Sr at Baiya section contained both weathering signal and sourcematerial signal, and itwas not suitable for reconstructing summer monsoon variations.The other two geochemical indicators,SiO2/ TiO2and Zr/Rb closely follow the variation of grain sizes,and they are positively correlated to themedian grain size (the coefficient r is 0.907,0.824,respectively),thus,they can be used as indicators ofwintermonsoon intensity.In addition,SiO2/TiO2and Zr/Rb are negatively correlated to CIA(the coefficient r is-0.657,-0.575 respectively),suggesting summermonsoon is also an important factor affecting the grain size variation through modulating the expansion and contracti on of desert。

In current study,we also aimed to examine the provenance of loessmaterial at different climatic stages.Al,Ti, Zr is themost stable element during chemical weathering.Their individual contentmight change in response to the chemicalweathering;however,the ratios of Al-Ti-Zr can be inherited from the source area as they are very stable.We thus used the ternary diagram of 15Al2O3,Zr,and 300TiO2to trace the potential change of provenance(source material and/or source region).he Al-Ti-Zr ternary diagrams showed that loess deposition during the the Holocene and the Last Interglacial period(So and S1)was wellmixed while the loess deposition during the Last Glacial(L1) was not homogeneouslymixed.We suggested that the dust has experienced long distance transport and more thorough mixing processes during interglacial period while the sourcematerial didn't undergo thorough mixing processes during glacial period as the source was probably getting closer。

desertmargin;loess;geochemical indicators;material sources

于英鵬 男 1985年出生 碩士研究生 環境變化 E-mail:pyy.lzu@163.om

P593 P931.6

A

1000-0550(2012)02-0356-10

①國家自然科學青年基金項目(批準號:40801005)和西部環境變化國家創新研究群體科學基金項目(批準號:40721061)資助。

2010-12-20;收修改稿日期:2011-06-29