劉 冰 靳鶴齡 孫 忠

(中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 蘭州 730000)

中晚全新世科爾沁沙地沉積物化學(xué)特征及其氣候變化①

劉 冰 靳鶴齡 孫 忠

(中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 蘭州 730000)

科爾沁沙地位于我國沙漠-黃土邊界帶和北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶,深受東亞季風(fēng)的影響,對(duì)全球氣候變化反應(yīng)非常敏感,是研究全球氣候變化的理想?yún)^(qū)域.L剖面磁化率、粒度和地球化學(xué)元素氧化物及其比值變化分析表明:中晚全新世研究區(qū)氣候極不穩(wěn)定,可以大致劃分為:①6.0~4.2 ka BP,氣候暖濕,夏季風(fēng)逐漸增強(qiáng),并占據(jù)主導(dǎo),冬季風(fēng)較弱,與全新世大暖期對(duì)應(yīng),但存在百年尺度的氣候波動(dòng),其中:6.0~5.6 ka BP,5.5~5.4 ka BP,4.9~4.7 ka BP,4.5~ 4.2 ka BP氣候暖濕;5.6~5.5 ka BP,5.4~4.9 ka BP,4.7~4.5 ka BP氣候相對(duì)冷干。②4.2~1.3 ka BP,氣候相對(duì)暖濕,與上一階段相比夏季風(fēng)有所減弱,其間也存在次一級(jí)波動(dòng),4.2~3.63 ka BP,3.57~3.4 ka BP氣候相對(duì)干冷; 3.63~3.57 ka BP,3.4~1.3 ka BP,氣候相對(duì)暖濕。③1.3~0.65 ka BP以來,氣候波動(dòng)頻繁,后期有向暖濕發(fā)展的趨勢。這些氣候變化與區(qū)域和全球變化具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,反映該區(qū)氣候變化與全球氣候變化具有高度一致性。

科爾沁沙地 地球化學(xué)元素 氣候變化

0 引言

季風(fēng)邊緣區(qū)對(duì)氣候變化比較敏感,是研究全球變化研究的理想場所,近期學(xué)術(shù)界對(duì)季風(fēng)邊緣區(qū)氣候變化的研究成果較多,但分歧較大,尤其是中晚全新世的氣候狀況一直是古氣候?qū)W家爭論的焦點(diǎn)。科爾沁沙地地處東亞季風(fēng)區(qū)的東北緣,是我國北方沙漠-黃土邊界帶和農(nóng)牧交錯(cuò)帶的重要組成部分,很早就成為古氣候研究的熱點(diǎn)地區(qū),20世紀(jì)80年代董光榮、裘善文等對(duì)科爾沁沙地全新世以來氣候變化作了大量研究[1,2],之后許多學(xué)者對(duì)科爾沁沙地氣候和環(huán)境變遷作了進(jìn)一步探討[3,4],但依然存在諸多爭論,期間很多學(xué)者利用孢粉、粒度、磁化率和測年技術(shù)研究科爾沁沙地的氣候變化與環(huán)境變遷[5～8],并取得顯著成果,但受研究方法、測試手段影響,仍然存在一些不盡如人意的地方,本文依據(jù)對(duì)科爾沁沙地考察所得的磁化率、粒度和化學(xué)元素等資料,探討中晚全新世以來區(qū)域氣候變化。

1 地層沉積特征與時(shí)代

1.1 剖面位置、樣品采集與分析

科爾沁沙地東部的巴西剖面(TL)位于吉林省雙遼市去內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市的公路旁邊(43°34'622″N,123°18'209″E),海拔159 m,地層出露于一小塬面邊緣,其旁有一已干涸的古河道。樣品沿剖面自上而下以2～4 cm間隔采集,共采集樣品154塊。磁化率、粒度、化學(xué)元素測定均由中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。磁化率測定首先將樣品裝入10 ml樣盒,用1/1000精度電子天平稱重后,用MS2型Bartinton磁化儀對(duì)樣品進(jìn)行3次測量,之后測量校正值,最后計(jì)算平均值。粒度測定采用Malvern size 2000激光粒度儀完成,測定誤差小于3%?；瘜W(xué)元素分析首先對(duì)野外采集的樣品晾干、碾磨,使其粒徑小于74μm,然后用3070E-X熒光光譜儀測定,測定誤差<5%。

1.2 剖面沉積特征及時(shí)代

根據(jù)野外調(diào)查科爾沁沙地東部TL剖面可劃分為18層,其中,9層風(fēng)成砂、2層古土壤、6層砂質(zhì)古土壤和1層生草層。多層砂質(zhì)古土壤和風(fēng)成砂的交替出現(xiàn),表明地層沉積以來,氣候發(fā)生了多次暖濕、冷干變化。地層中的風(fēng)成砂為灰黃色、黃色、灰褐色的細(xì)砂和極細(xì)砂,松散至稍緊實(shí),分選差至好,一般無層理,部分具有水平疊加紋層;砂質(zhì)古土壤為灰黃色、黑褐色、灰黑色的細(xì)砂質(zhì)粉砂和極細(xì)砂,緊實(shí)至稍硬,無層理,分選中等,部分含有白色菌絲體、蟲孔和根套;古土壤為灰褐色至黑色的粉砂和細(xì)砂,緊實(shí)至堅(jiān)硬,無層理;生草層為灰褐色粉砂至細(xì)砂,緊實(shí)略堅(jiān)硬,無層理,含有白色菌絲體。剖面采集年代樣品13塊,在蘭州大學(xué)14C年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有機(jī)碳14C年代測定,并利用Calibration4.3和Calibration5軟件對(duì)測定結(jié)果進(jìn)行校正[9,10](圖1、表1)。考慮到風(fēng)成砂和古土壤沉積速率存在明顯差異,作者利用Kukla等磁化率推年公式[11,12],建立剖面的年代序列,本文只研究剖面約526 cm以上的地層沉積相,即中全新世6.0 ka BP以來氣候的變化過程。

圖1 科爾沁沙地TL剖面深度-年代模式Fig.1 The depth-agemodel of TL section in Horqin desert

表1 地層年代測定結(jié)果及年代糾正Table1 Results of strata dating and correction

2 磁化率與粒度特征及氣候意義

黃土-古土壤序列的磁化率變化與古氣候變化的相關(guān)事實(shí)已得到廣泛的認(rèn)可,研究表明[12]淋溶過程對(duì)磁性礦物富集導(dǎo)致磁化率值的增高起到很大作用,即氣候濕潤程度越高,持續(xù)時(shí)間越長,形成的細(xì)粒的鐵磁性礦物就越多,相應(yīng)磁化率值就越高,反之亦然。實(shí)驗(yàn)分析表明低頻磁化率與高頻磁化率波動(dòng)范圍為6.27 X10-8～19.26 X 10-8m3.g-1和5.80 X 10-8～17.25 X10-8m3.g-1,平均值為11.84 X10-8m3.g-1和11.71 X10-8m3.g-1,且在古土壤和砂質(zhì)古土壤中值較高,分別為14.94 X 10-8m3.g-1, 13.57 X 10-8m3.g-1和11.73,10.58 X 10-8m3.g-1,而在風(fēng)成砂中表現(xiàn)為相對(duì)低值,分別為9.73 X 10-8m3.g-1和8.79 X 10-8m3.g-1(表2)。磁化率值變化與地層沉積相變化有很好一致性,即磁化率高值階段對(duì)應(yīng)古土壤和砂質(zhì)古土壤層,低值階段則對(duì)應(yīng)風(fēng)成砂層(圖2),這一變化特征客觀的反映了區(qū)域氣候的暖濕、冷干過程。此外,平均粒徑與中值粒徑亦能反映區(qū)域氣候狀況,平均粒徑是度量沉積物顆粒直徑大小平均狀況的物理量,反映了搬運(yùn)營力的強(qiáng)度,干冷氣候環(huán)境下,化學(xué)風(fēng)化減弱,沉積物顆粒平均粒徑增大,相反,溫暖濕潤環(huán)境下,化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度較大,粘化作用增強(qiáng),沉積物顆粒的平均粒徑減小。中值粒徑是在粒度累積頻率曲線上含量50%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒度值,其反應(yīng)的古氣候意義與平均粒徑相似。圖2中平均粒徑與中值粒徑曲線趨勢大體相似,粒徑值增大時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)成砂層,粒徑減小時(shí)對(duì)應(yīng)砂質(zhì)古土壤和古土壤層,且砂質(zhì)古土壤中上述參數(shù)值大于古土壤層,說明古土壤發(fā)育時(shí)期溫濕程度最佳,砂質(zhì)古土壤次之,風(fēng)成砂堆積時(shí)則最差,應(yīng)當(dāng)為冷干的氣候階段。粒度指標(biāo)反映的氣候變化過程與地層沉積相表現(xiàn)相一致。

圖2 TL剖面磁化率與粒度指標(biāo)在地層中的變化(巖性圖例同圖1)Fig.2 Changing ofmagnetic susceptibility and grain size indicators with depth in TL section,Horqin

表2 古土壤和風(fēng)成砂磁化率、粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table2 Statistics of themagnetic susceptibility and grain size in paleosol and aeolian sands

3 地球化學(xué)元素在地層中的變化特征及指征意義

3.1 地層中地球化學(xué)元素分布特征

科爾沁沙地TL剖面常量地球化學(xué)元素包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2,其中,含量最高者為 SiO2,含量范圍在75.78%～ 87.45%,平均值為84.79%,標(biāo)準(zhǔn)差1.54。其次是Al2O3、Fe2O3,前者含量范圍在4.88%～7.60%,平均值為6.00%,標(biāo)準(zhǔn)差0.50;后者含量范圍在1.23%～ 1.67%,平均值為1.41%,標(biāo)準(zhǔn)差0.08。再次為K2O、Na2O、CaO、MgO,其中,K2O含量范圍在1.88% ～2.66%,平均值為2.35%,標(biāo)準(zhǔn)差0.13.a2O含量范圍在0.74%～1.11%,平均值為0.90%,標(biāo)準(zhǔn)差0.07.aO含量范圍在0.26%～0.75%,平均值為0.42%,標(biāo)準(zhǔn)差0.09.gO含量范圍在0.14%～ 0.41%,平均值為0.25%,標(biāo)準(zhǔn)差0.05。含量最低者為 TiO2,含量范圍在 0.14～0.24%,平均值為0.18%,標(biāo)準(zhǔn)差0.02。上述諸元素氧化物在地層中分布除SiO2含量在古土壤層中小于砂質(zhì)古土壤層和風(fēng)成砂層外,其它元素氧化物在古土壤中含量均大于砂質(zhì)古土壤層和風(fēng)成砂層(表3)。

表3 古土壤和風(fēng)成砂化學(xué)元素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table3 Statistics of chem ical elements in paleosol and aeolian sands

圖3 TL剖面化學(xué)元素在地層中的變化(巖性圖例同圖1)Fig.3 Changing of chemical elements concentration with depths in TL section,Horqin

地球化學(xué)元素氧化物含量在地層中表現(xiàn)出顯著的規(guī)律性,按照各元素含量變化可明顯的劃分為以下3個(gè)階段(圖3):A階段(約526～318 cm),地層主要發(fā)育古土壤和風(fēng)成砂母質(zhì)基礎(chǔ)上形成的砂質(zhì)古土壤,是氣候相對(duì)暖濕、風(fēng)沙堆積過程減弱甚至停止,生草成壤的產(chǎn)物。這一時(shí)期地球化學(xué)元素中SiO2含量相對(duì)較低,Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量相對(duì)較高,表明氣候狀況有利于沙地區(qū)的生草成壤過程.階段(318～119 cm),地層主要發(fā)育砂質(zhì)古土壤和部分古土壤,SiO2含量相對(duì)較高,Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2表現(xiàn)為相對(duì)低值,氣候狀況與上一階段相似,但強(qiáng)度可能有所降低?；^大,出現(xiàn)多次峰谷交替現(xiàn)象。其間各階段又存在次一級(jí)的波動(dòng),A階段中515 cm以下,492～424 cm, 406～380 cm,350～318 cm SiO2含量為呈現(xiàn)低值狀態(tài),Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量相對(duì)較高,與發(fā)育砂質(zhì)古土壤和古土壤的地層記錄一致;515～492 cm,424～406 cm,380～350 cm SiO2含量相對(duì)較高,而Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量表現(xiàn)為低值,地層記錄主要為風(fēng)成砂堆積.階段中304～268 cm,255～215 cm,187～119 cm SiO2含量相對(duì)較低,Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量相對(duì)較高,地層記錄表現(xiàn)為砂質(zhì)古土壤;318～304 cm,268～255 cm,215～187 cm SiO2含量相對(duì)較高,Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量表現(xiàn)為低值,風(fēng)成砂在這一時(shí)期廣泛發(fā)育.階段中90～70 cm,剖面中所有元素含量均相對(duì)較低,40～30 cm,20～0 cm SiO2含量相對(duì)為低值, Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量相對(duì)較高;119～90 cm,70～40 cm,30～20 cm SiO2含量表現(xiàn)為高值,而Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量表現(xiàn)為明顯的低值,各元素含量的波動(dòng)變化與地層中風(fēng)成砂和砂質(zhì)古土壤(古土壤)交替發(fā)育相對(duì)應(yīng)。

圖4 TL剖面化學(xué)元素環(huán)境指標(biāo)在地層中的變化(巖性圖例同圖1)Fig.4 Changing of environment variation indicatorswith depth in TL section,Horqin

地球化學(xué)元素氧化物的比值剖面中同樣存在著規(guī)律性的變化,其變化較地球化學(xué)元素氧化物更為明顯(圖4),也可劃分為3個(gè)階段:A階段(約526～ 318cm),硅鐵鋁率(SiO2/(Al2O3+Fe2O3))、淋溶系數(shù)(SiO2/(RO+R2O))、退堿系數(shù)((CaO+K2O+Na2O)/ Al2O3)、鈉鈣比(Na2O/CaO)、CIW(Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O))[23]值呈減小趨勢,殘積系數(shù)(Al2O3+Fe2O3)/(RO+R2O)、Sr元素及Sr/Ba為增大趨勢;B階段(318～119 cm),硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值呈減小趨勢,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba呈緩慢增大趨勢;C階段(119～0 cm),硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值、殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba峰谷波動(dòng)明顯。其間各階段又存在次一級(jí)的波動(dòng),A階段中515 cm以下,492～424 cm, 406～380 cm,350～318 cm硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值為相對(duì)低谷,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba為相對(duì)高峰;515～492 cm,424～406 cm, 380～350 cm硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值表現(xiàn)為峰值,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba為谷值.階段中304～268 cm,255～215 cm,187～ 119 cm硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值相對(duì)較低,殘積系數(shù)Sr元素及Sr/Ba值相對(duì)較高; 318～304 cm,268～255 cm,215～187 cm硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值相對(duì)較高,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba值相對(duì)較低.階段中90～70 cm,40～20cm,10～0cm硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值相對(duì)較小,殘積系數(shù)Sr元素及Sr/Ba相對(duì)較大;119～90 cm,70～40 cm,20～10 cm硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值相對(duì)較大,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba值相對(duì)較小。圖4顯示地球化學(xué)參數(shù)的波動(dòng)變化與地層的記錄風(fēng)成砂與砂質(zhì)古土壤(古土壤)交替發(fā)育表現(xiàn)出高度的一致性。

3.2 地球化學(xué)元素的指征意義

已有研究結(jié)果表明[13～18],地層中化學(xué)元素的淋溶、遷移、聚集能解釋古氣候變化,地層中化學(xué)元素氧化物及其比值變化反映著地層沉積環(huán)境與氣候的演變過程,是探討氣候變化的理想指標(biāo)。

地層中的主要化學(xué)元素為Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti,且多以氧化物的形式存在,其活動(dòng)性強(qiáng)弱為: K2O→Na2O→CaO→MgO→SiO2→Fe2O3→Al2O3→TiO2.、Na是化學(xué)性質(zhì)極活潑的元素,在化學(xué)風(fēng)化過程中,最先析出,在化學(xué)分異的過程中,最后沉淀。通常在暖濕情況下,K、Na易于淋失,含量降低。若植被覆蓋較好,植物對(duì)于K、Na具有一定的吸附作用,植被死亡以后,它們又回到土壤層,造成K、Na的相對(duì)富集[19]。因此,地層中K2O、Na2O含量的增加反映氣候發(fā)生暖濕變化,科爾沁沙地古土壤中K2O、Na2O含量高于風(fēng)成砂,正是對(duì)這一規(guī)律的反映.a、Mg屬于堿土金屬,是化學(xué)性質(zhì)中等活潑或較強(qiáng)的元素,在化學(xué)風(fēng)化過程中,析出在K、Na之后,Al、Fe之前,在化學(xué)分異過程中,其沉淀在Al、Fe之后,K、Na之前。在沉積演變過程中,Ca、Mg集中在Al、Fe富集之后,K、Na富集之前的過渡階段。從氣候條件分析,相對(duì)暖濕的氣候條件下,Ca、Mg才被較多的淋溶遷移,即過渡型氣候特別是半干燥氣候條件下,CaO、MgO富集最為有利[20,21].l、Fe、Ti三者化學(xué)性質(zhì)相似,且比較穩(wěn)定,在化學(xué)風(fēng)化過程中最后析出,在化學(xué)分異過程中最先沉淀,在潮濕氣候條件下的酸性水介質(zhì)中,沉積物中別的易溶元素被溶解遷移,Al元素富集;向干旱氣候演變時(shí),水介質(zhì)由酸性轉(zhuǎn)為堿性,別的易溶元素含量逐漸富集,Al元素含量相對(duì)降低,即Al2O3含量較高的地層反映暖濕環(huán)境,而Al2O3含量低的地層指示干旱環(huán)境[13]。故科爾沁沙地古土壤中Al2O3、Fe2O3含量明顯高于風(fēng)成砂中的含量.i的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,在反映氣候變化的風(fēng)化殼形成過程中,它比Al2O3、Fe2O3化學(xué)性質(zhì)活潑,在溫濕條件下,先于Al、Fe淋失,相反,在干冷氣候條件下,化學(xué)作用相對(duì)較弱,Si相對(duì)富集,因此,沉積物地層中的SiO2增多或減少可視為氣候干冷、暖濕的波動(dòng)指標(biāo)[22].r為化學(xué)性質(zhì)比較活潑的元素,遷移能力較強(qiáng),在風(fēng)化成壤的過程中為活動(dòng)性組分,易被地表水和地下水帶走導(dǎo)致含量低值。然而本剖面受地形影響(古河道旁)使得Sr含量于暖濕氣候條件下增加,而干旱氣候條件下含量降低。

除地球化學(xué)元素氧化物的百分含量外,地球化學(xué)元素氧化物比值也能很好的揭示區(qū)域氣候變化和環(huán)境演化的過程。硅鐵鋁率用于反映沉積物的淋溶狀況,Si較Al、Fe活潑,干旱氣候條件下,由于硅淋失較少而其值較大;濕潤氣候條件下硅因淋溶而減少,鐵、鋁相對(duì)富集,其值較小。淋溶系數(shù)也用于反映沉積物的淋溶狀況,一般情況下,溫濕氣候時(shí)CaO、MgO和K2O、Na2O的淋失會(huì)導(dǎo)致其值增大,但實(shí)際情況下由于生物吸附作用超過它們的淋失率,反而導(dǎo)致其值降低。殘積系數(shù)反映化學(xué)風(fēng)化過程中的殘積狀況,該值減小,說明風(fēng)化淋溶作用較弱,氣候干旱;該值增大,說明Al2O3、Fe2O3殘積較多,氣候溫暖濕潤。退堿系數(shù)反映地層沉積物中堿金屬與堿土金屬元素淋失狀況,在地層沉積物風(fēng)化過程中,Al2O3化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,淋失量較小;K2O、Na2O和CaO等堿金屬與堿土金屬元素的化合物則隨降水的增多和溫度的升高淋失程度不斷增大。因此,退堿系數(shù)值增大表明堿金屬與堿土金屬元素化合物淋失較少,氣候相對(duì)干冷;相反,退堿系數(shù)值減小表明堿金屬與堿土金屬元素化合物淋失較多,Al2O3相對(duì)富集,氣候溫暖濕潤。在本區(qū),地層發(fā)育古土壤的濕潤時(shí)期,其值較小.a2O/ CaO是環(huán)境荒漠化程度的指數(shù),反映荒漠化發(fā)展的狀況,Ca是草原環(huán)境的標(biāo)型元素,Na是荒漠草原的標(biāo)型元素,比值增大表明環(huán)境向荒漠草原發(fā)展,比值減小表明環(huán)境向干草原方向發(fā)展.a是化學(xué)性質(zhì)較活潑且遷移能力較強(qiáng)的元素,由于土壤、植被對(duì)兩者的吸附作用不同,暖濕氣候條件下Ba比Sr的被吸附能力強(qiáng),因此Sr/Ba可以用來反映氣候變化,本剖面由于處于古河道的邊緣,導(dǎo)致暖濕時(shí)期Sr被向下淋溶遷移富集增多,而Ba含量相對(duì)減少,比值增大。除上述外各元素氧化物比值指標(biāo)外CIW也被廣泛用于沉積物風(fēng)化程度和古氣候變化研究之中。

4 區(qū)域氣候變化過程及對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)

4.1 區(qū)域氣候變化過程

科爾沁沙地東部TL剖面地層沉積相、磁化率、粒度特征及地球化學(xué)元素氧化物及其比值變化(圖2、3、4)和剖面年代序列(圖1、表1)認(rèn)為中晚全新世以來區(qū)域氣候發(fā)生多次變化,氣候變化可分為3個(gè)階段:

A階段:6.0～4.2 ka BP 高頻、低頻磁化率平均值為剖面最大,而平均粒徑和中值粒徑則最小,地球化學(xué)元素指標(biāo)中 SiO2含量較低,Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量較高,硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值呈減小趨勢,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba值呈增大趨勢,氣候溫暖濕潤,但其間依然存在多次波動(dòng),6.0～5.6ka BP,5.5～ 5.4ka BP,4.9～4.7ka BP,4.5～4.2ka BP,磁化率為明顯峰值,平均粒徑和中值粒徑較小,SiO2含量處于低值,Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量處于相對(duì)高值,硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW相對(duì)較低,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba則相反,地層發(fā)育砂質(zhì)古土壤和古土壤,其是在風(fēng)成砂母質(zhì)基礎(chǔ)上風(fēng)沙堆積過程減弱甚至停止、生草成壤過程的產(chǎn)物。這種氣候條件更有利于沉積物的風(fēng)化和淋溶,同時(shí)也導(dǎo)致鐵鋁氧化物的大規(guī)模富集,植被向草原方向演替,氣候溫暖濕潤。5.6～5.5 ka BP,5.4 ～4.9 ka BP,4.7～4.5ka BP,平均粒徑和中值粒徑表現(xiàn)為峰值,而磁化率明顯降低,SiO2含量相對(duì)較高, Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量相對(duì)較低,硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值呈高值,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba呈低值,地層發(fā)育風(fēng)成砂,植被向荒漠草原方向更替,氣候應(yīng)為干旱-半干旱氣候。

B階段:4.2～1.3 ka BP,高頻、低頻磁化率比上一階段有所下降,而平均粒徑和中值粒徑則有所上升,地化指標(biāo)中SiO2含量比上一階段有所上升, Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量與上一階段相比有明顯下降,硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW與上一階段相比有所增大,而殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba則有所減小,氣候相對(duì)溫涼,但其間依然存在暖濕,冷干的氣候波動(dòng)。4.2～3.63 ka BP,(3682～3690cal.a BP的古土壤野外考察認(rèn)為可能是沖洪積事件所形成,所以氣候階段將其歸并,未單獨(dú)列出這一事件)3.57～3.4 ka BP磁化率較低,平均粒徑和中值粒徑較高,SiO2含量表現(xiàn)為相對(duì)高值, Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量表現(xiàn)為相對(duì)低值,硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW為相對(duì)高值,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba相對(duì)較低,風(fēng)成砂的出現(xiàn)代表的是風(fēng)沙活躍、流沙面積擴(kuò)大的冷干氣候,植被為荒漠草原,氣候干冷;3.63～3.57 ka BP,3.4～1.3 ka BP平均粒徑和中值粒徑較低,磁化率較高,SiO2含量較低,Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量相對(duì)較高,硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW表現(xiàn)為相對(duì)低值,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba相對(duì)較高,氣候相對(duì)暖濕,主要發(fā)育古土壤和砂質(zhì)古土壤,植被可能有所好轉(zhuǎn)。

C階段:1.3～0.65 ka BP地層發(fā)育多層風(fēng)成砂和砂質(zhì)古土壤,高頻、低頻磁化率幾近剖面的最低值,平均粒徑和中值粒徑總體較高,并出現(xiàn)多次高低波動(dòng);SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2等氧化物含量呈現(xiàn)多次峰谷交替,硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW值、殘積系數(shù)等也表現(xiàn)為明顯的波動(dòng),表明此階段氣候變化頻繁的暖濕、冷干波動(dòng)。根據(jù)磁化率推年模式,本階段中1.3～1.15 ka BP,1.0～0.95 ka BP,0.8～0.7 ka BP平均粒徑和中值粒徑較高,磁化率較低,SiO2含量相對(duì)較高,Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和TiO2含量相對(duì)較低,硅鐵鋁率、淋溶系數(shù)、退堿系數(shù)、鈉鈣比、CIW為峰值,殘積系數(shù)、Sr元素及Sr/Ba相對(duì)較低,地層發(fā)育風(fēng)成砂,說明氣候相對(duì)干冷,1.1～1.0 ka BP,0.95～ 0.8 ka BP,0.7～0.65 ka BP磁化率較大,而中值粒徑和平均粒徑相對(duì)較小,化學(xué)元素及其比值狀況與上一階段相反,地層發(fā)育沙質(zhì)古土壤,表明氣候相對(duì)暖濕。

4.2 區(qū)域氣候變化對(duì)全球變化的響應(yīng)

科爾沁沙地地層沉積物氣候代用指標(biāo)和地層測年結(jié)果表明,中晚全新世以來氣候經(jīng)歷了多次變化,且包含了不同的氣候變化階段和氣候事件,其變化與相鄰區(qū)域和全球變化具有較好的一致性。 ka BP氣溫比以前略涼干[31]。施雅風(fēng)等對(duì)全新世大暖期研究認(rèn)為6～5 ka BP氣候激烈波動(dòng),出現(xiàn)強(qiáng)烈降溫[24],關(guān)中地區(qū)全新世古土壤發(fā)育中斷,被一層黃土分割[32],班公錯(cuò)湖面下降[33]。阿爾卑斯山地冰川開始發(fā)育[34],非洲發(fā)生撒哈拉干旱事件或氣候危機(jī)[35]。4.9～4.2 ka BP氣候暖濕程度總體有所增加,但期間氣候仍然出現(xiàn)暖濕、冷干波動(dòng)(其中4.7～ 4.5 ka BP氣候相對(duì)干冷),西遼河流域研究表明4.8 ～4.0 ka BP為大暖期亞濕潤階段[36],內(nèi)蒙古中部土默特平原北部在5～4.1 ka BP氣候溫暖濕潤[37],毛烏素沙地在4.35 ka BP前后發(fā)育古土壤[38],岱海在約4.5 ka BP時(shí)期出現(xiàn)高湖面[39～41],鄂爾多斯、調(diào)角海子在4.5～4.0 ka BP發(fā)育古土壤[42],同一時(shí)期為科爾沁地區(qū)沼澤、泥炭形成的高峰期、主要成壤期,均表明氣候溫暖濕潤。

4.2 ～3.63 ka BP氣候相對(duì)干冷,整個(gè)環(huán)境應(yīng)該為荒漠草原,氣候?yàn)榘敫珊?與渾善達(dá)克沙地中晚全新世氣候變化顯示出極大的相似性[12],岱海自4.5 ka BP后木本植物減少[41],烏蘭圖雅、崔海亭認(rèn)為此時(shí)為科爾沁沙地的擴(kuò)展期[42,43],西藏泥炭剖面研究也表明4.0 ka BP前后全新世適宜期結(jié)束[44],石羊河古終端湖泊在大約4.0 ka BP前后由一個(gè)穩(wěn)定的湖泊環(huán)境演變?yōu)闇\湖沼環(huán)境[45],蒙古Hon-Tou Nor湖研究表明全新世適宜期的結(jié)束時(shí)間大約為4.0 ka BP[46]。3.57～3.4 ka BP,氣候相對(duì)干冷,地層發(fā)育風(fēng)成砂,此時(shí)渾善達(dá)克沙地為荒漠草原,這與全新世大暖期結(jié)束有關(guān)系。

3.63 ～3.57 ka BP氣候相對(duì)溫暖濕潤,對(duì)應(yīng)于全新世大暖期次適宜期,渾善達(dá)克沙地地層中發(fā)育古土壤,土壤發(fā)育程度僅次于全新世鼎盛時(shí)期,鄂爾多斯在同時(shí)期也發(fā)育古土壤。3.4～1.3 ka BP氣候相對(duì)暖濕,但比前一時(shí)期有所下降,騰格里沙漠3.4～1.8 ka BP夏季風(fēng)強(qiáng)盛,植被蓋度很高,濕潤指數(shù)甚至高于全新世大暖期[12],科爾沁沙地、松嫩沙地、呼倫貝爾沙地出現(xiàn)多次成壤期,印度洋季風(fēng)比較強(qiáng)盛[12],共和盆地、毛烏素沙地普遍發(fā)育有古土壤[47],民勤盆地湖泊沉積有機(jī)質(zhì)含量增大[48],表明夏季風(fēng)較強(qiáng)。

鑒于風(fēng)成砂和古土壤沉積速率存在較大差異,作者利用磁化率推年方式計(jì)算出本區(qū)間內(nèi)各層風(fēng)成砂和古土壤的發(fā)育年齡并結(jié)合地層沉積相的變化,認(rèn)為1.3～1.15 ka BP,1.0～0.95 ka BP,0.8～0.7 ka BP地層發(fā)育風(fēng)成砂,氣候相對(duì)干冷,同一時(shí)期渾善達(dá)克沙地地層中古土壤的磁化率、有機(jī)質(zhì)和濕潤指數(shù)均較低,接近全新世平均水平,平均粒徑較大[12],北大西洋于1.4ka BP出現(xiàn)最后一次浮冰事件,科爾沁沙地1.1 ka BP以前屬于風(fēng)沙活動(dòng)期。1.15～1.0 ka BP, 0.95～0.8 ka BP,0.7～0.65 ka BP地層發(fā)育砂質(zhì)古土壤,氣候較為暖濕,此時(shí)岱海出現(xiàn)溫暖事件的記錄,為中世紀(jì)暖期。

5 結(jié)論

(1)中晚全新世以來,東亞季風(fēng)區(qū)東北緣氣候變化表現(xiàn)出極度的不穩(wěn)定性,這一特征在全新世大暖期和之后均有明顯的反映:①6.0～4.2 ka BP,氣候暖濕,夏季風(fēng)逐漸增強(qiáng),并占據(jù)主導(dǎo),冬季風(fēng)較弱,與全新世大暖期對(duì)應(yīng),但存在百年尺度的氣候波動(dòng),其中: 6.0～5.6 ka BP,5.5～5.4 ka BP,4.9～4.7 ka BP, 4.5～4.2 ka BP氣候暖濕;5.6～5.5 ka BP,5.4～4.9 ka BP,4.7～4.5 ka BP氣候相對(duì)冷干。②4.2～1.3 ka BP,與上一階段相比夏季風(fēng)有所減弱,其間也存在次一級(jí)波動(dòng),4.2～3.63 ka BP,3.57～3.4 ka BP氣候相對(duì)干冷;3.63～3.57 ka BP,3.4～1.3 ka BP,氣候相對(duì)暖濕。③1.3～0.65 ka BP以來,氣候波動(dòng)頻繁,后期有向暖濕發(fā)展的趨勢。

(2)通過與其他地區(qū)氣候變化對(duì)比,發(fā)現(xiàn)本區(qū)氣候變化與其它地區(qū)氣候變化具有較好的一致性,說明科爾沁沙地氣候變化是對(duì)全球變化的響應(yīng),科爾沁沙地很好的記錄了氣候變化的信息,是研究中晚全新世氣候變化的理想場所。

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Chem ical Characteristics of Sediments in Horqin Desert and Climatic Change during the M idd le and Late Holocene

LIU Bing JIN He-ling SUN Zhong
(Cold and Arid Regions Environments and Engineering Research Institute,Chinese Academ y of Sciences,Lanzhou 730000)

The Horqin desert,intensely influenced by East Asian monsoon,is located in the desert-loess boundary belt and agricultural and animal husbandry interlaced zone in North China.The geographic setting suggests that the Horqin desert is very sensitive to the global climatic change,so it is an ideal zone for studying the response of global climatic change.Analysis on magnetic susceptibility,grain size and oxides and ratios of chemical elements from TL profile during themiddle and late Holocene indicates that the regional climate is very unstable,which is classified into the following phases:①From 6.0 ka BP to 4.2 ka BP,the summermonsoonal strength is continuously increased and dominated this region,the warm and humid climate is corresponding to the Holocene thermalmaximum period,but exists climatic fluctuation on centennial scale,accompanyingwith weakerwintermonsoon.During this period,the climate iswarm and humid in 6.0～5.6 ka BP,5.5～5.4 ka BP,4.9～4.7 ka BP,4.5～4.2 ka BPwhile it is relatively cold and dry in 5.6～5.5 ka BP,5.4～4.9 ka BP,4.7～4.5 ka BP。②From 4.2 ka BP to 1.3 ka BP,compared with the former phase,the regional climate becomes relatively warm and humid but have smaller fluctuations, accompanying with the declined summermonsoonal strength.The climate is dominated by cold and dry in 4.2～3.63 ka BP,3.57～3.4 ka BP while it is relatively warm and humid in 3.63～3.57 ka BP,3.4～1.3 ka BP。③From 1.3 ka BP to 0.65 ka BP,the regional climate is frequently fluctuated and tends to warm and humid in the later stage.These climatic changes in Horqin desert are very coincidentwith the regional and global climatic change,reflecting the obvious consistency between them.

Horqin desert;geochemical element;climatic change;global change

劉冰 男 1985年出生 博士研究生 干旱區(qū)環(huán)境演變 E-mail:liubing900426@163.om

P512.2

A

1000-0550(2012)03-0536-11

2011-05-04;收修改稿日期:2011-08-31