微量元素記錄的毛烏素沙漠全新世氣候波動①——以薩拉烏蘇流域DGS1層段為例

牛東風 李保生，2 王豐年 陳 瓊 舒培仙 溫小浩 陳 敏

（1.華南師范大學地理科學學院 廣州 510631；2.中國科學院地球環境研究所黃土與第四紀地質國家重點實驗室 西安 710061；3.惠州學院 廣東惠州 516007）

全新世因人類社會的形成和現今自然地理環境的奠定而成為過去全球變化研究的熱點，是第四紀最后一次盛冰期結束至今的溫暖期。在全球氣溫變暖的大背景下，北大西洋共發生了9次冷事件［1-2］，揭示了千百年尺度的氣候變化周期。深海［3］至內陸沉積［4］和東亞季風影響下的中國冰芯［5］、湖泊［6］、石筍［7］、沙地［8］、黃土［9］等也顯著體現了這些不穩定性特征。然而，全新世期間東亞季風如何影響中國沙漠—黃土的沉積體系，其記錄的氣候事件及發生時間是否可以與海洋和其它內陸沉積相對比等相關問題還有待深入研究。這對于探討全新世的全球氣候變化與中國沙漠區東亞季風環境演變的規律和二者之間的相關性具有重要意義。

位于毛烏素沙漠東南邊緣的薩拉烏蘇河流域是中國北方上更新統河湖相標準地層薩拉烏蘇組的命名地［10］，其上更新統—全新統為由風成砂、河湖相和古土壤等沉積相疊覆組成的沉積系列，詳細記錄了沙漠地區千百年尺度風沙活動的擴張與間斷［11-13］。在該地區，此類研究也取得了重要進展，認為全新世以來毛烏素沙漠曾經歷了類似于D／O振蕩式的東亞冬夏季風的波動［14-15］。然而這種變化的客觀存在仍然需要更多的地質材料進行佐證。鑒于此，本文選取臨近米浪溝灣剖面的滴哨溝灣剖面全新統的DGS1層段（以下稱DGS1），以微量元素為指標，結合年代測試結果，探討薩拉烏蘇流域全新世沙漠演化與季風環境變化之間的關系，以期加深對該區域環境演變過程的理解。

1 材料與方法

滴哨溝灣剖面位于毛烏素沙漠東南薩拉烏蘇河滴哨溝灣左岸，37°43′26.3″N，108°31′2.3″E，剖面頂部海拔1 309 m（圖1）。該剖面地層出露厚度62.70 m，時代自上而下屬全新統、上更新統和中更新統頂［16］。 DGS1的堆積厚度 4.84 m，包括湖沼相（LS）12層、古流動沙丘砂（D）3層、古固定—半固定沙丘砂（FD）3層、現代流動沙丘（0MD）1層、砂質古土壤（S）1層、泥炭（P）1 層及次生黃土（CS）1 層（圖2）。湖沼相以青灰色或灰白色細砂質粉砂為主，交織細小植物根系，質地硬，內有較多軟體動物化石。古流動沙丘為灰黃色細沙，分選均勻，較松散。古固定—半固定沙丘砂以灰黃色極細砂質細砂為主，分選好，較松散。砂質古土壤表現為棕灰色含粉沙的細沙，較緊實，屬弱成壤。泥炭以砂質沉積物為主，分選較好，黑色；次生黃土為深灰黃色粉沙，具水平層理，松散。

圖1 剖面地理位置（A）及航片（B）Fig.1 Location of the study area（A） and aerial photographs（B）

DGS1總共有7個樣品的年代測試結果，其中6個常規14C年代（表1）和1個 OSL年代（見圖2）。對14C年代采用Calib7.0程序中Intcal 13數據集［17］進行校正（表1）。在7個常規14C年代中，位于444 cm深度的9 450±52 a B.P.與454 cm深度的9 384±83 a B.P.出現倒置。根據地層層序律和線性回歸結果，9 384±83 a B.P.更符合“地層層序律”原則，故將9 450±52 a B.P.剔除。同時滴哨溝灣剖面DGS1底部已有大量的絕對年代值［18］，以這些年代結果為控制點，運用沉積速率線性內插方法建立時間標尺，各層位的年代見表2。由表1和圖2可以看出，DGS1層段的起始年代（21LS 底部）為 10 925±216 cal.a B.P.；終止年代（1CS 頂部）為1 800 ±100 a B.P.（OSL），可確定該層段屬于全新世堆積。

表1 滴哨溝灣DGS1層段14C年齡測定結果Table 1 14C dating ages and calendar ages of some horizons in the DGS1

圖2 DGS1沉積序列Fig.2 The sediment sequence of DGS1

表2 DGS1年代表Table 2 The chronological table of DGS1

在DGS1層段，除現代沙丘砂外，其余層位均以5 cm間距采集樣品，共獲得65個樣品進行微量化學元素分析。分析工作在中國科學院寒區旱區環境與工程研究所中心實驗室采用分析儀器為帕納科公司生產的順序式波長色散型X射線熒光光譜儀完成（型號：Axios，產地：荷蘭，采用超尖銳陶瓷X射線光管，功率可達4 KW，管流可達160 mA）。采用粉末壓片法制樣，具體步驟為：稱取4 g被研磨至過200目篩的樣品，將其在105℃下烘干后放入制樣模具，用硼酸鑲邊墊底，在30噸的壓力下壓成鑲邊外徑為32 mm的樣片放入干燥器中待測。

2 結果

2.1 微量元素在DGS1層段的分布特征

在DGS1層段中，各類微量元素的含量變化較大，同種元素在不同層位中也存在較大差別，為了便于描述和比較，將其變化范圍和平均值列于表3中，在垂直方向上的變化規律繪制于圖3中?？梢钥闯觯拭嬉許r、Ba、P的含量最高，分布范圍依次為152.36～1 627.62 mg／kg、399.5～550.17 mg／kg、197.27～618.17 mg／kg，平均值依次為536.67 mg／kg、486.99 mg／kg、361.11 mg／kg，其次為Zr，分布范圍和平均值為 70.99～216.52 mg／kg、131.47 mg／kg。其余11種元素的含量較少，平均值都低于100 mg／kg，尤其是Nb的含量最低，分布范圍和平均值為1.88～12.75 mg／kg、7.21 mg／kg。

2.2 微量元素在沉積相的變化特征

圖3 DGS1各微量元素的垂向分布特征Fig.3 The distribution of trace elements in the vertical aspect of DGS1

在不同沉積相中，諸微量元素的含量與分布范圍存在較大差異，將其分布范圍與平均值分別列于表3并顯示在圖3中。不同沉積相的微量元素含量有顯著變化，并呈現出不同的變化特征。如P、V、Cu、Zn、Sr、Ni、As、Pb 的含量變化主要呈現為泥碳＜古土壤＜沙丘砂＜湖沼相＜次生黃土，如Cu在沙丘砂的平均含量（10.79 mg／kg）低于整個層段（13.21 mg／kg）、湖沼相（14.66 mg／kg）和古固定—半固定沙丘砂（11.41 mg／kg），明顯低于次生黃土（20.84 mg／kg），高于古土壤（8.64 mg／kg）和泥碳（7.60 mg／kg）。 Co 呈現為泥碳＞古土壤＞沙丘砂＞湖沼相＞次生黃土，而 Cr、Rb、Nb、Ba、Y、Zr均呈現為古土壤＞沙丘砂＞湖沼相，與次生黃土和泥碳的關系變化較為復雜。如Zr在古土壤中的平均含量（159.88 mg／kg）高于整個層段（131.47 mg／kg）、湖沼相（116.05 mg／kg）、泥碳（82.14 mg／kg）和沙丘砂（139.82 mg／kg），低于次生黃土（181.80 mg／kg）。這些元素含量在沉積相上的顯著差異表明，DGS1的沙丘砂、湖沼相、古土壤等的沉積背景不同。

表3 DGS1不同沉積相中各微量元素的分布范圍與平均值Table 3 Distribution and average value of each different phase deposition of trace elements of DGS1（mg／kg）

2.3 微量元素的相關關系

一般來說，沉積物中地球化學元素的含量及其遷聚程度受到物質來源、風化強度和植被吸附等因素的影響［19］。 眾所周知，Mz（平均粒徑）的變化正好揭示了物質來源和風化強度的變化規律，并被廣泛應用。為了探討微量元素的相互關系及其氣候意義，將Mz與各種微量元素進行相關性分析（表4），可以看出Mz與 P、V、Cu、Zn、Sr呈顯著的正相關（相關系數＞0.5），與Co呈顯著的負相關（相關系數為-0.6）；與Ba、Cr、As和Pb呈較好的相關性（相關系數絕對值＞0.3）；而與 Rb、Nb、Ni、Y、Zr只有弱相關性乃至無相關性（相關系數的絕對值小于0.3）。這表明沉積物微量元素受顆粒粒徑變化的影響不盡相同，Nb、Ni、Y和Zr幾乎不受顆粒大小變化的影響，很可能是對不同氣候環境的反映。

同時，從表 3 中發現，P、V、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb 的之間相關系數均大于0.7，呈顯著的相關性，說明它們具有相似的地球化學行為或某些共同的控制因素。一般來說，V、Cr、Ni［20］、P、Cu、Zn 和 Pb［21-22］等是化學性質較活躍的濕潤氣候型元素，即當氣候暖濕時，風化淋溶作用強烈，易于隨溶液遷移，從原地淋出并聚集在地勢低洼處，而在干冷情況下，風化和淋溶作用作用減弱，淋失減少，容易富集在原地。Co與上述元素呈較強的負相關性，而與 Rb、Nb、Ba、Y、Zr呈微弱的正相關性甚至不相關，這或許與它們的化學性質比較穩定有關［20，23］，遷移程度較弱，在風化淋溶作用較強的環境下，容易在原地富集而成為峰值。Sr與Co、Rb、Y、Zr、Nb、Ba 之間為較顯著的負相關關系，與Cu、Zn和As呈較好的正相關，這可能跟Sr元素主要富集在鉀長石、斜長石等硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物中，容易在風化成壤過程中伴隨土壤溶液或地表水進行遷移而大量淋溶［24］有關。

表4 Mz與各微量元素之間的相關系數表Table 4 The correlation coefficient between Mz and trace elements

3 討論

3.1 DGS1的堆積—風化過程

毛烏素沙漠現代冬、春季節，以偏北風為主的冬季風盛行，寒冷干燥，風沙活動加劇、化學風化微弱；夏秋季節，以東南季風為主的夏季風加強，雨量增大，流水作用活躍，部分沙丘得以固定，以風化成壤作用和河湖沉積為主要營力，化學風化作用增強。所以，在冬夏季風交替的毛烏素沙漠的沉積序列或許是古亞洲季風的真實氣候的地層記錄［25］。圖3顯示，大部分元素在在流動沙丘砂和古流動沙丘砂的含量分布范圍上比較相近，表明這些古流動沙丘沉積時的環境有如現代流動沙丘。同時，古風成砂掃描電鏡分析結果也顯示了磨圓度高，表面存在蝶形坑、上翻解理薄片等風成特征［26］（圖4）。表明這些古流動沙丘沉積環境近似現代流動沙丘。作為全新世某一個時期的風沙活動來說，只是現代這種風沙情景在過去的重復，代表了過去多期冬季風盛行。基于此，我們傾向于將 0MD、2D、4D、6D、8FD、18FD、20FD 歸結為以冬季風主導的、氣候惡化的階段?？梢韵胂?，在西伯利亞—蒙古高壓推動下的冬季風盛行時期，來自北方的干寒西北氣流吹揚大量粗粒碎屑形成風沙流，形成流動沙丘。此時的氣候寒冷干燥，不穩定礦物如云母、角閃石、綠簾石等礦物的成壤作用十分微弱，基本上只產生了風力搬運過程中顆粒之間的摩擦、碰撞導致的粗細變化等物理風化，微量元素的遷移聚集程度微弱。反之，西伯利亞—蒙古高壓勢力減弱，夏季風增強，降水增加，氣候炎熱，利于植被恢復，使風沙活動減弱甚至終止，顆粒細化。同時也產生了較強的流水搬運或風化成壤的物理—化學風化過程，礦物逐漸破碎、分解，釋放大量微量元素，疊加植被生長吸收和枯枝落葉釋放的影響，提高了微量元素的遷移聚集程度。 在湖沼相（5LS、7LS、10-17LS、19LS、21-22LS）、古土壤（3S）和泥碳（9P）發育期，微量元素呈現為增加或減少的兩種變化趨勢。上述微量元素在沉積相中的分布規律表明，P、V、Cu、Zn、Sr、Ni、As、Cr、Pb 在表生地球化學條件下屬于易遷移—較穩定的元素，在古土壤發育期，強烈的風化淋溶和成壤作用，導致其含量低于風成砂中的含量。在湖沼相發育期，由于其匯聚了周邊的水流，將周邊環境的此類元素匯集于湖泊中，導致含量較高。這一現象從次生黃土的含量變化也能體現出來，次生黃土屬于流水搬運后的沉積物，匯集了周邊環境的多種元素，其含量在全剖面幾乎都呈現為峰值。 Co、Rb、Nb、Ba、Y、Zr在表生地球化學條件下是相對穩定的元素或惰性元素。在古土壤發育期，強烈的風化淋溶和成壤作用使P等易溶元素淋濕，Co等相對穩定元素則相對聚集，形成峰值。在湖沼相發育期，周邊流水及其溶解的元素匯聚于此，導致P等活動性元素含量較高，而Co等惰性元素受其“稀釋作用”影響，含量相對較低。在沙丘砂發育過程中，如果某些時期的水熱條件較好，古流動沙丘得以固定，形成固定—半固定沙丘砂，成壤作用加強，礦物質風化，產生了一定的遷移聚集作用，故其元素含量的變化也主要呈現為 P、Cr、V、Cu、Zn、Sr、Ni、As、Pb 的含量低于沙丘砂，而 Co、Rb、Nb、Ba、Y、Zr的含量則高于沙丘砂。

圖4 DGS1部分沙丘砂在掃描電鏡分析下的表面結構特征Fig.4 Surface texture feature of quartz grain by SEM of DGS1

綜上，DGS1 微量元素以 P、V、Cu、Zn、Sr、Ni、As、Cr、Pb為高值出現的風砂沉積應該是干冷的東亞冬季風在過去多次盛行的結果，屬于以冬季風為主導的氣候惡化階段。以最低值出現的古土壤和以最高值出現的湖沼相，是在夏季風主導作用下的大氣溫濕度增加而導致化學風化能力加強的結果。古固定—半固定沙丘砂亦是相對于沙丘砂稍濕熱的氣候環境，但弱于古土壤和湖沼相。因此，沙丘砂或古固定—半固定沙丘砂與湖沼相或古土壤組成的峰谷交替可視為風成砂活動期的干冷氣候與風沙活動停滯及風化成壤作用增強期的暖濕氣候組成的沉積—氣候旋回，進而指示了該區全新世以來的冷暖氣候波動規律。

3.2 DGS1的氣候波動過程

上述分析顯著體現了微量元素的變化特征與氣候環境之間的密切關系。為了探討DGS1在全新世的氣候變化過程，根據微量元素之間的相關性分析結果，選擇呈顯著負相關性的Rb、Sr作為氣候代用指標。據研究，二者屬于典型的離散型元素，風化過程中，Rb的活動性比Sr弱，Rb因離子半徑較大，容易被黏土礦物吸附而保留在原地，Sr因離子半徑較少，較容易以游離 Sr的形式隨土壤水淋失［24，27-28］。 因此，二者在剖面中顯示為顯著的負相關關系。剖面中的Rb和Sr呈顯著的負相關性，相關系數為-0.61。因此，將二者的變化曲線繪制于圖5中，顯示多個出峰谷交替的特征，據此大致可以將這些波動及其揭示的氣候變化分為四個階段進行討論：

第一階段（圖5中 A區）起止年代為11 000～10 130 a B.P.。該階段Rb的含量降低，Sr含量升高，顯示氣候變得濕熱，冬季風逐漸減弱，夏季風增強，為轉暖期。沉積相由末次冰期的流動沙丘（22D）轉變為湖沼相或固定—半固定沙丘（21LS、20FD、19LS和18FD），說明在暖濕程度增強的條件下，沙丘逐漸固定，甚至在局部地區形成了暫時性湖泊和沼澤，湖沼相發育。期間18FD（10 130～10 460 a B.P.）和20FD（10 570～10 610 a B.P.）代表了轉暖過程中的兩次冷事件，可與Bond等［29］發現的北大西洋冷事件中的10.3 ka對比。該階段的開始時間也基本同步于祁連山敦德冰芯記錄的10.75 ka。

第二階段（圖5中B區）起止年代為10 130～6 590 a B.P.。該階段Rb呈現為低谷而Sr呈現為峰值，說明該時期氣候十分濕熱，夏季風強盛，降水豐富，在地層上以灰白色的湖沼相堆積為主要特色，內含大量軟體動物化石，是全新世的大暖期。豐富的降水使該處形成了暫時性湖泊，匯聚了周圍環境中以Sr為代表的易溶性元素，形成峰值，而以Rb為代表的惰性元素由于遷徙能力較弱，湖中聚集數量較少而呈現為谷值。因此，判斷該階段為全新世大暖期。與侯光良等［30］根據中國全新世氣溫集成序列資料認為全新世鼎盛期出現在8～6.4 ka B.P.基本相符。

第三階段（圖5中 C區）起止年代為6 590～3 760 a B.P.。該階段微量元素Rb含量逐漸升高而Sr含量迅速降低，說明氣候逐漸轉冷，為全新世的轉冷期。該階段的夏季風逐漸減弱，冬季風開始增強，風沙活動增強，更多的沙物質進入湖泊中，導致微量元素含量的變化。與陳云等［31］發現的該階段表現為快速降溫變干過程相符。

圖5 DGS1中微量元素Rb、Sr的含量揭示的全新世氣候變化Fig.5 Holocene climate change process revealed by the content change of Rb，Sr of DGS1

第四階段（圖5中 D區）起止年代3 760～0 a B.P.。該階段微量元素Sr和Rb均呈現為低谷，但存在變化幅度相對較小的頻繁波動，為寒冷的氣候波動頻繁時期。該階段的沉積相由前期的湖沼相演變為多種沉積相，如沙丘砂（0MD、2D、4D、6D、8FD）、湖沼相（5LS、7LS）、古土壤（3S）和泥碳（9P），說明氣候不穩定且波動頻繁，期間2D、4D、6D是氣候急劇變冷的結果。這與侯光良等［29］認為晚全新世4 ka B.P.以來氣候為相對較冷的結果相一致。另外，其中0MD（0～1 800 a B.P.）可與北大西洋冷事件 0.4／1.4 ka 對比，6D（2 820～3 140 a B.P.）可與北大西洋冷事件 2.8 ka對比，9P（3 380～3 760 a B.P.）可與北大西洋冷事件4.2 ka對比，次生黃土 1CS（1 800～1 980 a B.P.）所代表的的氣候回暖期與 GISP2［32］和侯光良等［30］的氣溫集成序列顯示的小冰期之前的1 ka B.P.前后有一次短暫的溫暖期相一致。

致謝 樣品采集由趙欣楠、司月君協助完成；化學元素分析由中科院寒旱所孫忠完成；OSL年代由中國地質科學院趙華測定；14C年代由中科院寒旱所胡智育測定，再此一并感謝。

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