趙慶 鄭祥民 周立旻 王輝 呂紅華 陳圓圓 任少芳
摘 要 【目的】東海島嶼晚更新世風(fēng)塵黃土堆積是我國黃土在東部長三角及外延海域重要的拓展,深化這一區(qū)域風(fēng)塵黃土沉積的物源特征和后期演化問題研究,對于認(rèn)識晚更新世區(qū)域古環(huán)境變化尤為重要?!痉椒ā吭贠SL測年和磁化率測試基礎(chǔ)上,基于東海島嶼典型風(fēng)塵黃土剖面(嵊山島黃土)的粒度分析,開展了粒度組成的端元分析,探討了其蘊含的古環(huán)境信息?!窘Y(jié)果與結(jié)論】嵊山島黃土沉積可提取出3個粒度端元(EM1~EM3),進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)EM1可能代表通過高空西風(fēng)氣流傳輸?shù)倪h(yuǎn)源黏粒組分,EM2可能代表以浮塵形式遠(yuǎn)距離懸浮搬運并隨風(fēng)力減弱而沉降堆積的細(xì)粉砂組分,EM3可能代表冬季風(fēng)驅(qū)動下的近地表短距離搬運堆積的粗粉砂組分。粒度端元分析結(jié)果表明,高空西風(fēng)輸送的黏粒端元組分和遠(yuǎn)距離懸浮運移的浮塵端元組分可能是沉積剖面主要粉塵來源;綜合年代學(xué)結(jié)果、百分頻率磁化率和顆粒中值粒徑等參數(shù)分析,認(rèn)為東海嵊山島黃土沉積過程在MIS3階段先后經(jīng)歷暖濕—冷干—暖濕的旋回波動;并且,所記錄的 MIS3階段氣候波動以及MIS2階段末次冰盛期和冰消期的古環(huán)境變化同深海氧同位素和古海平面變化趨勢相對應(yīng),說明東海陸架區(qū)域該時期環(huán)境演變與全球性氣候波動相協(xié)同。
關(guān)鍵詞 端元分析;嵊山島黃土;末次冰期;古氣候變化
第一作者簡介 趙慶,男,1982年出生,博士,工程師,地球化學(xué)與古環(huán)境,E-mail: zhaoq@admin.ecnu.edu.cn
通信作者 鄭祥民,男,教授,E-mail: xmzheng@re.ecnu.edu.cn
中圖分類號 P532 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A
0 引言
我國黃土沉積分布廣泛,黃土沉積中蘊含著豐富的環(huán)境變化信息,記錄了古氣候和古環(huán)境的變遷[1?7]。粒度作為黃土沉積的一項基本特征,受到沉積物源、搬運動力和沉積環(huán)境等因素影響,是古環(huán)境研究的重要指標(biāo),對重塑古環(huán)境演化過程、揭示古氣候變化具有重要作用[8?15]。通過對黃土粒度的研究,可以分析黃土沉積的搬運動力特征、傳輸途徑和源區(qū)范圍等,進(jìn)而表征季風(fēng)變化[16?23]。黃土沉積的不同粒級對環(huán)境變化的敏感程度不同[24],因此依托粒度特征的精細(xì)解構(gòu),提取黃土沉積的敏感粒級組分開展物源追蹤、古環(huán)境重建也顯得更加重要。粒度端元分析技術(shù)就是其中的重要部分,粒度端元分析模型[25]可以分離不同沉積動力作用下的沉積物粒度組分,揭示沉積動力組合和物源信息,進(jìn)而提取敏感粒級組分反演環(huán)境變遷,該技術(shù)已在黃土研究中取得系列成果[26?31]。
末次冰期以來,長江三角洲平原以及東海海域廣泛存在風(fēng)塵黃土沉積,對晚更新世以來長江三角洲及東海島嶼黃土沉積的相關(guān)研究,也成為反演末次冰期以來我國東部季風(fēng)區(qū)古環(huán)境變遷和古氣候變化的重要內(nèi)容[32?35]。與西部黃土相比,東海島嶼黃土沉積的厚度較小[32],黃土沉積除接受西北內(nèi)陸遠(yuǎn)源風(fēng)塵物質(zhì)外,來自東海陸架的近源風(fēng)塵物質(zhì)對島嶼黃土沉積也有一定貢獻(xiàn)[36?37]。對東海嵊山島黃土沉積物源、沉積動力和沉積區(qū)域環(huán)境演變的研究,一直是東海島嶼黃土研究的重要內(nèi)容。通過粒度端元分析方法對東海島嶼黃土沉積過程研究,有利于深入分析嵊山島黃土沉積動力組合特征、判別物源信息變化,對末次冰期以來我國季風(fēng)區(qū)東海島嶼黃土沉積區(qū)域古氣候演變研究具有重要意義。本研究以位于我國季風(fēng)區(qū)風(fēng)塵堆積東緣的典型東海島嶼風(fēng)塵黃土堆積剖面(嵊山島黃土)為對象,聚焦剖面風(fēng)塵黃土樣品中的粒度特征,在端元分析方法基礎(chǔ)上結(jié)合年代學(xué)、環(huán)境磁學(xué)等指標(biāo),探討東海嵊山島黃土的沉積動力特征和區(qū)域古環(huán)境演變信息。
1 研究區(qū)域概況
嵊山島位于浙江沿海舟山群島外緣區(qū)域,處于東海馬鞍列島核心位置,隸屬舟山市嵊泗縣(圖1)。嵊山島屬浙江東部天臺山脈東延伸,地勢東部高西南低,島嶼面積約4.22 km2,海岸線總長度約19.26 km,地貌類型多低山丘陵。該區(qū)域位于東亞季風(fēng)區(qū)的東緣,氣候?qū)俦眮啛釒ШQ蠹撅L(fēng)氣候,受海洋氣流作用明顯,夏季盛行東南風(fēng),高溫多雨;冬季盛行西北風(fēng),低溫干燥,年均氣溫15 °C~17 °C,降水量達(dá)1 072 mm,嵊山島最高峰為陳錢山,海拔約213 m[38]。嵊山島主要由花崗巖組成,大部分區(qū)域基巖直接出露地表,在島嶼的山坡、山谷以及低洼地帶形成第四紀(jì)松散堆積物,片狀黃土覆蓋在基巖山坡上,并隨島嶼地勢起伏而變化[39]。嵊山島黃土沉積也是開展我國東亞季風(fēng)區(qū)域古環(huán)境變化研究的重要載體[32]。
所選黃土剖面位于舟山群島東北緣嵊山島的陳錢山東北坡位置(30.730° N,122.817° E),海拔約150 m(圖2)。剖面整體呈黃棕色和黃褐色,剖面黃土顆粒較細(xì),無明顯層理,沉積剖面上未見花崗巖風(fēng)化殘留物。剖面上部30 cm多植物根系,頂部10 cm土質(zhì)較為疏松受人為活動影響較大,整個剖面深度約280 cm,剖面底部為花崗巖基巖風(fēng)化殼,可見部分花崗巖風(fēng)化顆粒與黃土沉積相混合,黃土沉積剖面底部與該花崗巖風(fēng)化殼呈不整合接觸關(guān)系。綜合該研究區(qū)域的地形地貌和黃土沉積的剖面信息,可知該研究剖面為東海嵊山島一處典型的風(fēng)塵堆積。為獲取高分辨率古環(huán)境信息,同時考慮到人為活動影響,由地表以下5 cm至275 cm剖面深度以1 cm為間隔獲取黃土沉積樣品。
2 研究方法
2.1 粒度測試
本次研究共獲取樣品271個。將野外采集的樣品按照樣品編號置于30 ℃烘箱內(nèi)烘干,對經(jīng)恒溫烘干后的樣品進(jìn)行有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽的去除。首先,稱取0.1 g的黃土沉積樣品置于燒杯中,加入5%的雙氧水5 mL,并加熱煮沸使其充分反應(yīng),靜置冷卻后再加入0.2 mol/L的鹽酸并加熱煮沸,充分反應(yīng)冷卻后,再注入適量去離子水靜置24 h。靜置后的樣品溶液,去除去離子水并加入0.05 mol/L的六偏磷酸鈉試劑后進(jìn)行超聲震蕩,經(jīng)10~15 min的充分震蕩使樣品分散,冷卻后用于粒度的測定。樣品的粒度測試在華東師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院全球環(huán)境變化實驗室進(jìn)行,采用Mastersizer2000 激光粒度儀進(jìn)行測定,測試范圍在0.02~2 000 μm,測試誤差小于2%。
2.2 光釋光年代測試
在沉積剖面10 cm、100 cm、150 cm和250 cm深度取樣,在暗室紅光條件下完成樣品前處理,取出采集的樣品,除去兩端可能曝光部分,剩余樣品依次使用30%雙氧水和10%的鹽酸去除樣品中有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽,經(jīng)過濕篩和去除重礦物,以及氫氟酸刻蝕等步驟,獲得測年所需石英顆粒。采樣管兩端樣品用于U、Th、K以及含水量指標(biāo)測定,利用單片再生劑量法(Single Aliquot Regenerative-dose,SAR)完成所提取石英等效劑量De測定[40]。樣品含水量為實測含水量,樣品的U、Th、K含量以中子活化法(NAA)測試,樣品光釋光年代測量在南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院光釋光測年實驗室完成。
2.3 磁學(xué)參數(shù)測試
將所采集樣品置于35 ℃的烘箱內(nèi)恒溫烘干。稱取7 g烘干的樣品用塑料保鮮膜包起來,裝入體積為10 mL的磁學(xué)專用塑料盒中,使用華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室英國制造的Bartington雙頻磁化率儀MS2進(jìn)行磁化率的測定。分別對樣品低頻質(zhì)量磁化率(χlf)和高頻質(zhì)量磁化率(χhf)進(jìn)行測定,并計算百分頻率磁化率(χfd%),計算公式為:χfd%=(χlf-χhf)/χlf×100%。
2.4 銣、鍶元素測試
將采集黃土樣品置于瑪瑙研磨碗中研磨后過50 μm篩。稱取約5 g研磨后的過篩樣品倒入直徑約4 cm、厚約0.5 cm的圓形模具中央,將樣品送至壓樣機(jī)壓制。壓樣機(jī)加壓并保持在37.5 t/M2約30 s后,自然泄壓,待測樣品制備完成。將制作好的樣品置于X熒光光譜儀(XRF)(日本)進(jìn)行測試,完成所需Rb、Sr等元素測定,測試過程中使用GSD-9標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)量控制,樣品分析誤差小于5%。
2.5 粒度端元分析
端元分析可以把粒度數(shù)據(jù)分解為多個端元,并認(rèn)為不同的端元是由不同物源在特定的動力機(jī)制和沉積環(huán)境下分選而來[25]。本研究采用Paterson端元分析軟件[41],在MATLAB R2019環(huán)境下加載Analysize-Masters程序,在假定1~10個端元前提下,分別通過程序中非參數(shù)化選項和參數(shù)化選項(在參數(shù)化分析選項下選擇Gen.Weibull分布函數(shù)),對嵊山島黃土沉積剖面粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行端元分析。
3 結(jié)果和討論
3.1 年代結(jié)果
嵊山島黃土沉積在剖面深度10 cm、100 cm、150 cm和250 cm處光釋光年代測試結(jié)果分別為0.4±0.1 ka、35.03±3 ka、42.41±4 ka 和51.67±4 ka(表1)。嵊山島黃土沉積的采樣剖面質(zhì)地均一,未發(fā)現(xiàn)明顯的地層倒置情況,結(jié)合光釋光年代測定結(jié)果,嵊山島黃土堆積于末次冰期時期。
3.2 粒度分布特征
選取嵊山島黃土剖面20 cm、30 cm、50 cm、100 cm、150 cm、200 cm、250 cm深度樣品粒度頻率分布曲線為典型代表(圖3a):不同深度樣品粒度頻率分布曲線特征基本一致,剖面粒度頻率曲線呈現(xiàn)顯著的“三峰”分布特征;第一眾數(shù)組粒徑主要集中在16~36 μm,第一眾數(shù)組粒徑向粗粒端減少較快,向細(xì)粒端減少較緩慢,指示較弱的搬運動力條件下粗粒物質(zhì)堆積較少;第一眾數(shù)組在向細(xì)粒端減少過程中,在3~10 μm 出現(xiàn)第二眾數(shù)組,該眾數(shù)組顆粒較細(xì),粒度均小于20 μm,是通過風(fēng)力懸浮搬運的重要組分;在0.2~2 μm出現(xiàn)第三眾數(shù)組,成為剖面的超細(xì)粒組分,黃土高原黃土和古土壤中也普遍存在超細(xì)粒組分,該超細(xì)顆粒組分一定程度上與成壤作用有關(guān)[42]。根據(jù)粒度分析結(jié)果,嵊山島黃土剖面黏土(小于5 μm)含量為26.45%,細(xì)粉砂含量(5~16 μm)32.25%,中粉砂含量(16~32 μm)25.24%,粗粉砂含量(32~63 μm)14.37%,砂(大于63 μm)含量均值為1.69%。根據(jù)謝帕德三角分類法在沉積物分類研究中的應(yīng)用,對嵊山島黃土沉積剖面粒度特征進(jìn)行分類(圖3b),嵊山島黃土沉積粒徑集中分布在粉砂和黏土質(zhì)粉砂中,黃土沉積顆粒整體較細(xì),結(jié)合黃土剖面粒度分布頻率曲線,黃土沉積以粉砂級粒徑為主,這也反映嵊山島黃土屬風(fēng)塵堆積。
3.3 端元數(shù)量和特征
基于Analysize-Masters的粒度端元分析程序,對嵊山島黃土沉積樣品粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行非參數(shù)化和參數(shù)化端元分析,并在此基礎(chǔ)上,確定嵊山島黃土沉積粒度端元。根據(jù)以下原則確定粒度端元[29,43],在最優(yōu)端元確定過程中體現(xiàn)粒度數(shù)據(jù)集和端元總體相關(guān)度的線性相關(guān)系數(shù)應(yīng)大于0.9,以達(dá)到最優(yōu)擬合效果;體現(xiàn)粒度曲線與端元擬合形狀誤差的角度偏差值應(yīng)越小越好,當(dāng)角度偏差在5度以下,滿足端元曲線形狀擬合要求,同時體現(xiàn)各個端元獨立性的端元相關(guān)度應(yīng)盡量的小,端元相關(guān)度大說明端元之間分布重合,存在過度擬合情況,在分析中滿足以上擬合原則基礎(chǔ)上,盡量選擇少的端元數(shù)量。
通過綜合比較參數(shù)化和非參數(shù)化端元分析結(jié)果,確定嵊山島黃土剖面粒度端元。非參數(shù)化端元模型分析顯示當(dāng)端元數(shù)大于等于2時,角度偏差均小于5°,線性相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,端元相關(guān)系數(shù)波動上升。根據(jù)角度偏差小于5°,線性相關(guān)系數(shù)大于0.9,端元數(shù)和端元相關(guān)系數(shù)取小原則,非參數(shù)化模型分解端元數(shù)應(yīng)取2,此時線性相關(guān)系數(shù)為0.993,角度偏差為4°,端元相關(guān)度為0.499(圖4a,b)。通過參數(shù)化端元模型分析,當(dāng)端元數(shù)大于等于3時,角度偏差、線性相關(guān)度滿足要求,端元相關(guān)度有所波動。按照端元數(shù)確定原則,在參數(shù)化分析條件下,分解端元數(shù)取3,線性相關(guān)度為0.995,角度偏差為3.1°,端元相關(guān)度為0.045(圖4c,d)。此時參數(shù)化端元分解的線性相關(guān)度好于非參數(shù)化分解結(jié)果,同時角度偏差和端元相關(guān)度也均小于非參數(shù)化分析結(jié)果,故應(yīng)對嵊山島黃土剖面粒度選擇參數(shù)化端元分解方法,最終確定3個端元進(jìn)行深入分析。
參數(shù)化端元分解的端元粒度頻率分布曲線顯示(圖5),EM1的眾數(shù)粒徑為3.88 μm,是黃土剖面細(xì)粒端元,處于黏土粒級范圍;EM2 的眾數(shù)粒徑為11.25 μm,處于細(xì)粉砂粒級范圍;EM3的眾數(shù)粒徑為31.70 μm,屬中粉砂向粗粉砂過渡范圍。3個端元粒度組分特征顯示(表2),EM1、EM2、EM3平均粒徑分別為3.38 μm、10.44 μm和30.56 μm,和每個端元的眾數(shù)粒徑較為一致。3個分解端元粒度頻率分布特征均為單峰分布,EM1、EM3呈正偏特征,EM2呈負(fù)偏特征。隨著端元粒度組分粒徑的增大,峰態(tài)呈現(xiàn)高和窄的特征,分選性增強,細(xì)粒端元EM1峰態(tài)相對寬平,峰值較低,分選較差,EM2、EM3峰態(tài)高窄,峰值陡峭,分選性增強。
3.4 端元所揭示的黃土沉積信息
EM1眾數(shù)粒徑為3.88 μm,處于黏粒級范疇,沉積剖面該組分含量范圍0.32%~40.63%,平均含量25.00%。黃土沉積中黏粒組分受到成壤作用影響,相關(guān)研究顯示風(fēng)化成壤作用產(chǎn)生的細(xì)粒組分粒徑小于1 μm[44],EM1端元中大于1 μm組分約占87%(圖6)。根據(jù)EM1與其他端元以及小于2 μm粒級含量關(guān)系(表3),EM1與EM2呈負(fù)相關(guān),指示EM1也不是黏附于EM2搬運而來。通過對黃土高原黃土和長江中下游下蜀黃土粒度端元分解,顯示均存在2~8 μm的眾數(shù)粒徑分布端元,并認(rèn)為該端元組分可以代表高空西風(fēng)氣流傳輸?shù)倪h(yuǎn)源組分[45?46]。因此,嵊山島黃土沉積EM1端元相對于黃土高原和下蜀黃土較為相似的端元組分和眾數(shù)粒徑,可以代表高空西風(fēng)遠(yuǎn)源輸送組分;同時EM1與小于2 μm粒級含量顯著正相關(guān),考慮黃土風(fēng)化成壤作用影響的粒度組分多在2 μm以下,黏粒組分反映黃土堆積時較暖濕的氣候條件[47],嵊山島黃土剖面粒度端元EM1可能代表了高空西風(fēng)輸送的遠(yuǎn)源組分,該組分同時也可能受濕沉降的影響。
EM2眾數(shù)粒徑為11.25 μm,屬于細(xì)粉砂粒級范疇,沉積剖面該組分含量范圍31.92%~78.14%,平均含量為45.60%,占比較高。黃土沉積中平均粒徑在20 μm以下的細(xì)粒組分,可以在高空氣流作用下進(jìn)行遠(yuǎn)距離懸浮搬運[48],也可以來自鄰近粉塵源區(qū),同時也可隨浮塵作用過程以細(xì)顆粒物形式直接沉降[49]。根據(jù)EM2 端元粒度頻率累積曲線,該粒度端元中20 μm以下的細(xì)粒組分占比超過80%(圖6),同時與EM1顯著負(fù)相關(guān),指示與剖面細(xì)粒組分傳輸方式的差異性,與EM3的顯著負(fù)相關(guān)指示該組分同剖面中的粗粒組分傳輸方式也有不同,與沉積剖面中值粒徑的顯著負(fù)相關(guān),也進(jìn)一步揭示較強的風(fēng)力作用可能對EM2端元組分沉積具有一定的阻滯作用。因此,嵊山島黃土剖面粒度端元EM2可能代表了以浮塵形式搬運傳輸并隨風(fēng)力減弱而發(fā)生沉降的粒級組分。
EM3眾數(shù)粒徑為31.70 μm,基本屬于粗粉砂粒級范疇,沉積剖面該組分含量范圍2.10%~42.23%,平均含量為29.39%。黃土沉積中20~70 μm顆粒組分多伴隨塵暴作用,以低空短距離懸移方式傳輸[50],相關(guān)研究顯示20~100 μm顆粒組分為近地面短距離搬運組分,黃土中21~54 μm沉積組分也與冬季風(fēng)強度呈正相關(guān)關(guān)系[51?52]。黃土粒度端元分解顯示,37 μm顆粒組分為黃土高原冬季風(fēng)搬運組分[53]。根據(jù)EM3端元粒度頻率累積曲線,該粒度端元中20 μm以上的顆粒組分占比近80%(圖6)。EM3端元組分顆粒較粗,從端元粒度頻率分布曲線可以看出,粒度頻率分布曲線峰值較高、峰區(qū)較窄,反映該端元組分搬運距離較小,距離物源較近。同時,EM3同沉積剖面中值粒徑顯著正相關(guān),指示該端元組分也是冬季風(fēng)變化的指示組分,推測嵊山島黃土剖面EM3端元組分可能代表了冬季風(fēng)驅(qū)動下的近地表短距離搬運沉積組分。
3.5 粒度端元的環(huán)境意義
黃土沉積過程受沉積動力和沉積環(huán)境綜合影響,黃土沉積中值粒徑變化與沉積速率、古氣候變化等關(guān)系密切[54?55],黃土粒度可以指示冬季風(fēng)強度的變化[10]。頻率磁化率反映沉積地層中超順磁顆粒含量情況,進(jìn)而指示沉積時古氣候的溫濕程度和持續(xù)時間[56]。同時,黃土沉積中元素比值可以作為古氣候變化的代用指標(biāo),其中銣鍶比值反映黃土沉積時段濕熱條件,可以作為古季風(fēng)氣候要素中夏季風(fēng)環(huán)流強度指標(biāo)[57]。嵊山島黃土剖面銣鍶比值總體呈現(xiàn)隨剖面深度減小,先波動降低,然后有所升高后再波動降低的變化特征。結(jié)合嵊山島黃土沉積光釋光年代測定結(jié)果,同時對比深海氧同位素記錄和古海平面變遷情況[58?60],認(rèn)為嵊山島黃土剖面大體堆積于末次冰期階段。在此基礎(chǔ)上,對嵊山島黃土沉積粒度端元所揭示的剖面沉積過程及其古環(huán)境意義進(jìn)行綜合分析(圖7)。
嵊山島黃土沉積從剖面底部至75 cm深度附近,大體對應(yīng)深海氧同位素MIS3階段。該沉積時段,銣鍶比值隨剖面深度減小呈現(xiàn)波動減小后又波動上升的變化規(guī)律,剖面銣鍶比(Rb/Sr)平均值為1.24,標(biāo)準(zhǔn)偏差0.06,存在高值波動區(qū)域。剖面百分頻率磁化率(χfd%)平均值為11.17%,略高于剖面平均數(shù)值,標(biāo)準(zhǔn)偏差2.63。中值粒徑(Md)平均值為13.91 μm,與剖面整體平均值相比變化不大,同時存在低數(shù)值波動區(qū)域,標(biāo)準(zhǔn)偏差1.59。該沉積時段,黃土沉積剖面EM1端元組分平均含量24.45%,標(biāo)準(zhǔn)偏差5.62,呈波動上升變化趨勢并出現(xiàn)高值波動區(qū)域。EM3端元組分平均含量為29.75%,標(biāo)準(zhǔn)偏差6.07,存在明顯的低數(shù)值波動區(qū)域,在一定程度上指示冬季風(fēng)強度的減弱和塵暴活動的減少,EM2 端元組分平均含量為45.83%,標(biāo)準(zhǔn)偏差8.72,存在高值波動區(qū)間,反映此沉積階段冬季風(fēng)活動強度的減弱,更多以浮塵形式搬運的EM2端元組分沉降堆積。黃土沉積的頻率磁化率與東亞夏季風(fēng)關(guān)系密切,也是古降水量的代用指標(biāo)[61],銣鍶比值反映風(fēng)化成壤強度,記錄夏季風(fēng)環(huán)流強度[62]。剖面銣鍶比值的高值波動,百分頻率磁化率值的波動上升,以及EM3端元組分的低值波動和EM1端元組分的波動上升,一定程度上也指示了末次冰期間冰階時期夏季風(fēng)活動的增強和嵊山島黃土沉積所經(jīng)歷的較暖濕的沉積環(huán)境。
結(jié)合沉積剖面銣鍶比(Rr/Sr)、百分頻率磁化率(χfd%)和中值粒徑(Md)變化,對嵊山島黃土剖面分離出的3個端元組分進(jìn)一步分析。第一,從剖面底部275 cm 至155 cm 深度附近,大體對應(yīng)MIS3c 階段。此時段深海氧同位素偏輕,古海平面上升,嵊山島黃土沉積剖面銣鍶比處于高值區(qū)域波動,平均值為1.27,標(biāo)準(zhǔn)偏差0.05,隨剖面深度減小呈波動下降的趨勢;百分頻率磁化率處于高值波動區(qū)域,平均值為10.85%,標(biāo)準(zhǔn)偏差2.36,與此同時中值粒徑平均值為13.45 μm,標(biāo)準(zhǔn)偏差1.58,更多在低值區(qū)域波動,銣鍶比值和百分頻率磁化率共同指示嵊山島黃土沉積在MIS3c時段較暖濕的氣候特征。該沉積時段,剖面EM1端元組分上升并在相對高值區(qū)間波動,此時代表冬季風(fēng)活動強度的EM3端元組分出現(xiàn)低值波動區(qū)域,平均值為28.01%,標(biāo)準(zhǔn)偏差6.37,指示冬季風(fēng)活動的減弱,這也使得浮塵形式傳輸?shù)腅M2端元組分沉降通量增加,出現(xiàn)高值波動,剖面平均含量達(dá)48.04%,標(biāo)準(zhǔn)偏差8.86。第二,從剖面深度155~100 cm,大體可以對應(yīng)MIS3b階段。此時段深海氧同位素偏重,古海平面下降,嵊山島黃土剖面銣鍶比值波動降低至低數(shù)值區(qū)間,平均值降至1.19,標(biāo)準(zhǔn)偏差0.04;百分頻率磁化率平均值為10.97%,標(biāo)準(zhǔn)偏差2.07,同樣出現(xiàn)低值區(qū)域,后呈波動上升的趨勢;中值粒徑波動上升,平均值為14.75 μm,標(biāo)準(zhǔn)偏差1.51,銣鍶比值和百分頻率磁化率的降低,以及中值粒徑的增大,均指示該沉積時段的冰階氣候特征。此時,EM1端元組分略顯低值波動,但較前一階段變化不十分明顯,代表冬季風(fēng)強度的EM3端元組分處于高值區(qū)域并波動上升,平均值達(dá)33.14%,標(biāo)準(zhǔn)偏差4.33,指示冬季風(fēng)強度的增加。冬季風(fēng)活動的增強對浮塵組分EM2 的沉降起到一定阻滯作用,該階段EM2組分平均含量41.07%,標(biāo)準(zhǔn)偏差6.04,較上一階段有所降低。第三,從剖面深度100~75 cm,大體可以對應(yīng)MIS3a階段。此時段深海氧同位素偏輕,古海平面上升,嵊山島黃土剖面銣鍶比值波動升高,平均值為1.24,標(biāo)準(zhǔn)偏差0.04;剖面百分頻率磁化率該階段同樣呈現(xiàn)一定的高值波動,平均值達(dá)13.16%,標(biāo)準(zhǔn)偏差3.81;中值粒徑呈波動下降特征,平均值為14.18 μm,標(biāo)準(zhǔn)偏差0.90。剖面銣鍶比值的升高和百分頻率磁化率的高值波動,均指示該階段較為暖濕的氣候特征。此時,EM1端元組分呈現(xiàn)波動上升趨勢,代表冬季風(fēng)強度的EM3端元組分含量波動減小,平均值降至30.02%,標(biāo)準(zhǔn)偏差4.39,指示冬季風(fēng)活動強度減弱,這也使得更多的EM2端元組分發(fā)生沉降,EM2端元組分平均含量達(dá)46.13%,標(biāo)準(zhǔn)偏差8.56,較前一階段有所上升。第四,從剖面深度75~25 cm,大體可以對應(yīng)MIS2階段。末次盛冰期階段海平面下降,陸架出露面積擴(kuò)大,洞穴石筍和陸地植被記錄指示季風(fēng)活動減弱[63?64],末次冰消期全球氣溫波動上升,季風(fēng)活動增強,并伴隨千年尺度的氣候波動[65?66]。該時段深海氧同位素由偏重向偏輕波動,古海平面下降至低點后又快速回升,嵊山島黃土剖面中銣鍶比值、百分頻率磁化率和中值粒徑波動顯著。此時反映冬季風(fēng)強度的EM3端元組分含量先波動增大后減小,EM2端元組分呈現(xiàn)先下降后波動上升的變化趨勢,共同指示冬季風(fēng)活動由強至弱的變化過程;EM1端元組分呈現(xiàn)波動上升的變化趨勢,在一定程度上指示夏季風(fēng)活動不斷波動增強的變化情況。
對我國不同地區(qū)MIS3階段氣候研究顯示,該時段氣候總體呈現(xiàn)間冰階時期的暖濕特征,氣候變化呈現(xiàn)“兩峰夾一谷”的波動特點,MIS3a和MIS3c階段氣候相對暖濕或溫濕,MIS3b階段氣候相對冷干[67]。通過對南京下蜀黃土研究,顯示我國東部季風(fēng)區(qū)在末次冰期回暖期MIS3階段氣候呈現(xiàn)早期暖濕至中期冷干和晚期相對暖濕的演變特征[68],南京葫蘆洞石筍δ18O曲線顯示MIS3時段東亞季風(fēng)的波動加強[69]。甘肅會寧黃土和陜西渭南黃土等研究顯示,黃土沉積均記錄了MIS3時期氣候所經(jīng)歷的溫濕至冷干再至溫濕的旋回波動[15,70]。MIS2階段經(jīng)歷的末次盛冰期至冰消期的氣候條件改變在長江古河槽沉積和高原湖泊中均有記載[71?72]。結(jié)合嵊山島黃土沉積剖面銣鍶比值、百分頻率磁化率和中值粒徑變化特征,沉積剖面粒度端元組分也反映了末次冰期東海嵊山島區(qū)域MIS3時段古氣候早中晚三個階段的旋回波動,同時對MIS2階段末次冰盛期和冰消期古環(huán)境變化有一定響應(yīng),表明末次冰期東海嵊山島古環(huán)境演變與全球氣候變化關(guān)系密切。黃土、冰芯、海洋沉積均記錄MIS2階段氣候變化情況,以及MIS3時段季風(fēng)活動增強氣候暖濕程度呈現(xiàn)“兩峰夾一谷”的波動特征[21,60,73],在黃土高原西峰等區(qū)域,黃土記錄顯示MIS3階段氣候暖濕程度與深海氧同位素變化較一致,均顯示MIS3c階段相比MIS3a階段更加暖濕的氣候特征。嵊山島位于北亞熱帶季風(fēng)區(qū),氣候變化受東亞季風(fēng)系統(tǒng)影響,黃土沉積剖面銣鍶比值、百分頻率磁化率以及粒度端元組分,均顯示MIS3c階段更加暖濕的氣候特征。東亞季風(fēng)系統(tǒng)的演化受到全球冰量和太陽輻射等自然因素的調(diào)控,太陽輻射和全球冰量影響季風(fēng)強度變化,進(jìn)而對黃土沉積速率等產(chǎn)生影響[22,74]。孫東懷等[75]對黃土高原黃土研究顯示黃土磁化率與全球冰量變化關(guān)系較為密切,渭南等黃土沉積所反演的氣候變化情況與深海氧同位素所反映的全球冰量變化具有一致性,同時季風(fēng)氣候變化的趨勢幅度也受到太陽輻射變化的影響[21,76]。嵊山島黃土沉積剖面端元組分、銣鍶比值和百分頻率磁化率等所指示的末次冰期氣候波動與深海氧同位素總體變化較為一致,變化幅度略有差異,在一定程度上指示了地處東亞季風(fēng)區(qū)的嵊山島末次冰期氣候變化可能是對全球冰量變化的響應(yīng),說明末次冰期東海嵊山島古環(huán)境演變在體現(xiàn)區(qū)域性特征基礎(chǔ)上,與全球氣候變化密切相關(guān)。
4 結(jié)論
(1) 嵊山島黃土沉積主要由粉砂和黏土質(zhì)粉砂構(gòu)成,黃土沉積顆粒整體較細(xì)。EM1端元可能代表高空西風(fēng)遠(yuǎn)距離搬運的黏粒組分;EM2端元可能代表以浮塵形式搬運傳輸并隨風(fēng)力減弱而發(fā)生沉降的細(xì)粉砂組分;EM3端元可能代表冬季風(fēng)驅(qū)動下近地表短距離搬運沉積的粗粉砂組分。通過高空西風(fēng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腅M1端元組分,受到濕沉降的影響;以浮塵形式搬運沉降的EM2端元可以間接指示區(qū)域冬季風(fēng)強度變化;EM3端元可以作為冬季風(fēng)強度變化的敏感指標(biāo)。結(jié)合各端元組分在沉積剖面中的含量變化,推測高空西風(fēng)輸送的黏粒端元組分和遠(yuǎn)距離懸浮運移的浮塵端元組分可能是嵊山島黃土沉積剖面主要粉塵來源。
(2) 嵊山島黃土沉積剖面銣鍶比值、百分頻率磁化率和中值粒徑變化及剖面粒度端元組分進(jìn)一步揭示了末次冰期MIS3階段東海嵊山島黃土沉積過程大體經(jīng)歷暖濕至冷干再至暖濕的旋回波動,以及對MIS2階段末次冰盛期和冰消期古環(huán)境變化的響應(yīng);并且,同深海氧同位素和古海平面變化趨勢形成對應(yīng),指示末次冰期嵊山島區(qū)域氣候變化也與全球氣候變化密切相關(guān)。初步表明參數(shù)化粒度端元分析方法在開展東海嵊山島黃土沉積動力和沉積環(huán)境等研究中具有一定的可行性。
致謝 感謝各位評審專家和編輯部老師提出的寶貴修改意見。
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