薛紅盼,曾方明
1.中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所,中國(guó)科學(xué)院鹽湖資源綜合高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810008
2.青海省鹽湖地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810008
3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049
青海湖地區(qū)位于中國(guó)東部季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高原高寒區(qū)的過(guò)渡帶,對(duì)氣候變化的響應(yīng)敏感[1]。青海湖地區(qū)因其獨(dú)特的地理位置和氣候條件,成為人們了解過(guò)去氣候和環(huán)境演變過(guò)程的重要窗口。
過(guò)去關(guān)于青海湖地區(qū)環(huán)境和氣候演變的研究主要集中在湖相沉積和風(fēng)成沉積(黃土、古土壤及風(fēng)成砂)[2-7]。然而,由于各類環(huán)境替代指標(biāo)的多解性導(dǎo)致重建的末次冰消期以來(lái)特別是早全新世的氣候特征存在不一致的認(rèn)識(shí)[5,8]。一些研究認(rèn)為全新世早期氣候溫干、湖面較低、水體含鹽量較高[3,5,9],而另一些研究認(rèn)為早全新世氣候暖潤(rùn)、湖面比現(xiàn)在高、水體含鹽量較低[2,4,10]。
青海湖地區(qū)的風(fēng)成沉積研究也存在認(rèn)識(shí)上的差異?;诠忉尮猓∣ptically Stimulated Luminescence,OSL)定年技術(shù),Liuet al.[11]對(duì)青海湖湖面變化過(guò)程的研究揭示早全新世湖面相對(duì)較低;中全新世湖面逐漸上升,在5 ka B.P.左右出現(xiàn)最高湖面;晚全新世湖面趨于下降。上述湖面變化過(guò)程與利用多個(gè)湖東風(fēng)成沉積剖面重建的古氣候演變過(guò)程可以相互印證[1,7,12],但與南岸哈拉力剖面[13]早全新世期間發(fā)育古土壤的溫濕氣候存在認(rèn)識(shí)上的差異。因此,青海湖地區(qū)的古氣候演變過(guò)程仍值得進(jìn)一步研究。
雖然對(duì)青海湖地區(qū)風(fēng)成沉積的地球化學(xué)特征及利用其重建古氣候信息的工作已有報(bào)道[1,6-7,14],但是利用這套沉積的地球化學(xué)相關(guān)指標(biāo)與磁化率、粒度、色度等指標(biāo)結(jié)合來(lái)重建古氣候變化的研究仍然較少。在前期OSL定年建立了剖面年代框架的基礎(chǔ)上[15-16],本研究對(duì)青海湖地區(qū)種羊場(chǎng)剖面(簡(jiǎn)稱為ZYC剖面)風(fēng)成沉積物的元素地球化學(xué)特征及其古氣候意義進(jìn)行分析,并結(jié)合磁化率、粒度和色度指標(biāo),旨在重建青海湖地區(qū)全新世期間古氣候演變過(guò)程,對(duì)驅(qū)動(dòng)其氣候變化的機(jī)制進(jìn)行初步探討。
青海湖位于青藏高原東北部,是我國(guó)最大的內(nèi)陸高原咸水湖泊。湖區(qū)為大通山、日月山、青海南山、橡皮山等山脈所環(huán)繞(圖1a)。湖水的補(bǔ)給主要來(lái)自北部和西北部的河流,其中布哈河的補(bǔ)給量約占總補(bǔ)給量的50%[17]。
青海湖地區(qū)的氣候?qū)侔敫珊祪?nèi)陸溫帶大陸性氣候,夏季時(shí)東亞夏季風(fēng)可滲入到該地區(qū)[2];湖區(qū)年平均溫度約為1.2℃;年均降水量為400 mm,60%的降水集中在6—9月[18]。湖區(qū)周邊呈環(huán)帶狀廣泛分布風(fēng)成沉積,以黃土和風(fēng)成砂為主。研究區(qū)的主要植被類型為半干旱—干旱和高寒地區(qū)所特有的高寒草甸、高寒草原和高寒灌叢等[19]。
ZYC剖面的經(jīng)緯度為36.63°N,100.87°E,海拔3 390 m(圖1a,b)。該剖面總采樣厚度為120 cm,從頂至底依次為:0~30 cm,灰色砂質(zhì)土壤層,現(xiàn)代植物根系豐富;30~80 cm,灰色粉砂質(zhì)古土壤層,植物根系較少,結(jié)構(gòu)致密;80~100 cm,灰黃色粉砂質(zhì)黃土層,較疏松;100~120 cm為淺黃色風(fēng)成砂,結(jié)構(gòu)疏松,未見(jiàn)底。
圖1 ZYC剖面位置(a.底圖來(lái)自Google Earth)與照片(b)Fig.1 (a)Location(base map from Google Earth)and(b)photograph of ZYC section
散樣樣品采樣間隔為2 cm,共采集60個(gè)。OSL測(cè)年樣品不定間隔共采集了6個(gè),其年齡分別為0.9±0.1 ka(深20 cm)、1.1±0.1 ka(深30 cm)、4.9±0.4 ka(深49 cm)、6.5±0.6 ka(深68 cm)、8.2±0.7 ka(深80 cm)和10.0±1.0 ka(深107 cm)[15-16]。OSL年齡與地層層序分布一致。假定剖面頂部的年代為0ka,依據(jù)剖面的OSL年齡采用線性內(nèi)插和外推的方法,計(jì)算出剖面各深度的沉積年齡,剖面底部(深120 cm)的年代約為11 ka,黃土層與風(fēng)成砂層過(guò)渡處(深100 cm)年代約為9.54 ka。
樣品自然風(fēng)干之后用于實(shí)驗(yàn)分析。主、微量元素含量測(cè)試:樣品在瑪瑙研缽中充分磨細(xì),并使其通過(guò)200目不銹鋼網(wǎng)篩,采用壓片法測(cè)定元素的含量,儀器為荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的Axios X射線熒光光譜儀,各元素分析誤差小于10%。
磁化率的測(cè)試采用英國(guó)Bartington MS2型雙頻率磁化率儀完成,具體測(cè)試過(guò)程與曾方明等[20]描述一致。粒度樣品經(jīng)過(guò)去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽之后采用激光粒度儀Malvern Mastersizer 2000進(jìn)行顆粒粒徑的測(cè)試。磁化率和粒度數(shù)據(jù)見(jiàn)已發(fā)表文章[21]。
色度用CIE1976 L*、a*、b*表色系統(tǒng)進(jìn)行表示,L*代表亮度,變化于黑(0)與白(100)之間,表示土壤的明暗程度;a*代表紅度,變化于紅綠之間;b*代表黃度,變化于黃藍(lán)之間[22]。色度測(cè)試在日本Konica Minolta CM2500-C分光測(cè)色儀上進(jìn)行。
種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積的主、微量元素組成和含量見(jiàn)表1。主量元素以SiO2(平均50.43%)、Al2O3(平均12.03%)、CaO(平均10.21%)、Fe2O3(平均4.20%)、MgO(平均2.35%)、K2O(平均2.34%)和Na2O(平均1.56%)為主。TiO2、P2O5和MnO元素含量均小于1%。種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積物相比于UCC(上地殼)[23](圖2a),顯著富集CaO,虧損Na2O。Fe2O3、TiO2、P2O5和MnO含量與UCC相近,SiO2、Al2O3、K2O含量較低。微量元素UCC[23]標(biāo)準(zhǔn)化圖(圖2b)顯示,種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積物相比于UCC[23]有顯著的Nb虧損,富集V、Cr、Co、Ni、Y、Zr、La,Ba、Nd、Pb的含量接近于UCC。
圖2 ZYC剖面風(fēng)成沉積物主量元素(a)和微量元素(b)UCC[23]標(biāo)準(zhǔn)化圖Fig.2 UCC[23]?normalized abundances of elements for the aeolian deposit samples from the ZYC section(a)major elements;(b)trace elements
表1 ZYC剖面風(fēng)成沉積物的主量元素和微量元素含量Table 1 Major?element and trace?element concentrations of aeolian deposit samples from ZYC section
風(fēng)成沉積物的磁化率和粒度分別可以指示研究區(qū)降水、溫度的變化及區(qū)域內(nèi)風(fēng)沙活動(dòng)的強(qiáng)弱,已被用于氣候和環(huán)境演變過(guò)程的重建[24-26]。種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積的磁化率和粒度數(shù)據(jù)已被Liuet al.[21]報(bào)道,故本文僅做簡(jiǎn)單論述。剖面磁化率值變化范圍為(17.02×10-8~70.7×10-8)m3/kg,中值粒徑(Md)變化范圍為10.19~140.84μm,其中古土壤層的中值粒徑最小,磁化率值最高。
ZYC剖面風(fēng)成砂層的亮度(L*)值較高,古土壤層L*值較低(表2),與黃土高原渭南和西峰黃土剖面[27]及毛烏素沙漠風(fēng)成沉積剖面類似[28]。ZYC剖面風(fēng)成砂層的TOC含量較低,而古土壤層的TOC含量較高[16]。ZYC剖面L*和TOC含量[16]呈高度負(fù)相關(guān)(R2=0.71,P<0.01,圖3a),表明種羊場(chǎng)剖面L*主要受TOC含量變化的控制。在青藏高原東北部,研究表明沉積物中TOC含量與沉積時(shí)期的年降水量、植被覆蓋程度和溫度密切相關(guān)[29]。因此,對(duì)于種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積物,L*可以指示區(qū)域植被覆蓋程度的變化,從而間接地反映研究區(qū)古氣候演變過(guò)程。
表2 ZYC剖面風(fēng)成沉積物色度測(cè)試結(jié)果Table 2 Color parameters of aeolian deposits from ZYC section
ZYC剖面總體上在古土壤層與砂質(zhì)土壤層的過(guò)渡處a*值最高,風(fēng)成砂層的a*值最低,a*值自風(fēng)成砂層至砂質(zhì)土壤層有增高的趨勢(shì)(表2、圖3c)。黃土高原渭南和西峰黃土剖面(不考慮渭南剖面L2/S1過(guò)渡地層)的a*與磁化率之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性,且a*的變化被認(rèn)為與風(fēng)化成壤作用密切相關(guān)[27]。但是,ZYC剖面的a*與磁化率之間不相關(guān)(R2=0.01,P=0.42,圖3b)。然而,控制種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積a*變化的因素有待進(jìn)一步探究。因此,在重建青海湖地區(qū)古氣候和環(huán)境演變過(guò)程時(shí)具有局限性,需謹(jǐn)慎使用。
通常利用CIA(chemical index of alteration,CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100,化學(xué)蝕變指數(shù),摩爾數(shù))來(lái)評(píng)價(jià)沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度[30],并利用Al2O3-(CaO*+Na2O)-K2O(A-CN-K)三元圖(各氧化物為摩爾數(shù))[31]來(lái)推斷沉積物的風(fēng)化趨勢(shì),其中CaO*指硅酸鹽中CaO的含量。本次研究按照文獻(xiàn)[32]所描述的方法進(jìn)行了磷酸鹽的校正并估算了硅酸鹽中CaO的含量。
風(fēng)化程度的強(qiáng)弱與氣候和環(huán)境的變化密切相關(guān),通常化學(xué)風(fēng)化程度的增強(qiáng)與較高的溫度和降水有關(guān),反之亦然[30]。已有研究表明,CIA值從低到高依次代表未風(fēng)化(<50)、弱風(fēng)化(50~60)、中等風(fēng)化(60~80)和強(qiáng)風(fēng)化(>80)(圖4)[33]。種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積的CIA值變化范圍為53.49~65.60,平均值為61.08(圖4),低于西寧全新世黃土(CIA=68.8,YJC剖面,未發(fā)表數(shù)據(jù))。在不同的地層單元中(圖5),古土壤的CIA值最高,表明古土壤在相對(duì)濕熱的氣候條件下經(jīng)歷了較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化作用,而底部風(fēng)成砂和黃土的CIA值較低,指示兩者可能在相對(duì)干燥的氣候狀態(tài)下遭受了較弱的化學(xué)風(fēng)化作用。種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積CIA值顯示種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積經(jīng)歷了弱風(fēng)化、中等程度的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度,其波動(dòng)變化反映青海湖地區(qū)全新世期間經(jīng)歷了較大的冷暖、干濕交替。
A-CN-K三元圖(圖4)顯示種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積與預(yù)測(cè)的從UCC到PAAS(Post-Archean Australian Shale)的風(fēng)化趨勢(shì)線一致[31],靠近斜長(zhǎng)石一側(cè),與A-CN軸平行,表明種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積仍處于斜長(zhǎng)石風(fēng)化早期Ca和Na的去除階段。
圖4 ZYC剖面風(fēng)成沉積物樣品的A?CN?K三元圖(底圖引自文獻(xiàn)[31])和CIA值UCC和PAAS[23];Ka.高嶺石;Sm.蒙脫石;IL.伊利石;Mu.白云母;Bi.黑云母;Pl.斜長(zhǎng)石;Ksp.鉀長(zhǎng)石;Hb.角閃石;Cpx.單斜輝石Fig.4 Chemical index of alteration(CIA)values and A?CN?K ternary diagram(base map from reference[31])for aeolian deposit samples from ZYC sectionUCC and PAAS[23];Ka=kaolinite;Sm=smectite;IL=illite;Mu=muscovite;Bi=biotite;Pl=plagioclase;Ksp=K?feldspar;Hb=hornblende;Cpx=clinopyroxene
在氣候變化影響下,根據(jù)相對(duì)穩(wěn)定元素和易遷移元素的不同地球化學(xué)行為,學(xué)者們提出了Rb/Sr比值、(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O比值(各氧化物為摩爾數(shù))來(lái)重建古氣候變化,較高的Rb/Sr比值和較低的(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O比值可指示相對(duì)濕熱的氣候條件[39-40]。種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積的Rb/Sr比值變化范圍為0.26~0.57,平均值為0.36,古土壤層具有較高的Rb/Sr比值(圖5f),對(duì)應(yīng)古土壤層較高的CIA值(圖5i)。(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O比值(圖5g)變化范圍為21.80~53.43,平均值為40.06,變化趨勢(shì)與Rb/Sr比值和CIA值相反。值得注意的是,Rb/Sr比值、(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O比值與CIA值峰值位置明顯不同,可能與不同指標(biāo)對(duì)氣候變化響應(yīng)的敏感程度不同有關(guān)。
綜合ZYC剖面地球化學(xué)相關(guān)指標(biāo)、粒度、磁化率及色度和剖面地層特征,并與其它古氣候替代指標(biāo)作比較(圖5),我們對(duì)青海湖地區(qū)氣候演變過(guò)程進(jìn)行分析,初步認(rèn)為青海湖地區(qū)11.0 ka B.P.以來(lái)氣候演變經(jīng)歷了11.0~6.5 ka B.P.、6.5~1.1 ka B.P.和1.1~0 ka B.P.三個(gè)階段。
11.0~6.5 ka B.P.,ZYC剖面CIA值、Rb/Sr比值、磁化率值和TOC含量[16]為低值,有增高的趨勢(shì),L*值、中值粒徑、(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O比值均為高值,剖面發(fā)育風(fēng)成砂、黃土及部分古土壤(圖5m),這些記錄揭示該時(shí)期青海湖地區(qū)風(fēng)化作用較弱,氣候可能相對(duì)溫暖干旱,與基于烯烴重建的青海湖地區(qū)夏季溫度顯示該時(shí)期氣溫較高(圖5j)[34]和重建的青藏高原東北緣年均降水量顯示這一時(shí)期降水量較低(圖5k)[35]相印證。在這種氣候條件下青海湖湖面較低(圖5l)[11],區(qū)內(nèi)風(fēng)沙活動(dòng)較強(qiáng),風(fēng)成砂沉積發(fā)育(圖5a)[6-7,15-16,36-37]。
6.5~1.1 ka B.P.,ZYC剖面CIA值、Rb/Sr比值、磁化率值和TOC含量[16]都呈高值,且達(dá)到峰值,而L*值、中值粒徑、(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O比值顯著降低,剖面古土壤發(fā)育(圖5m)。盡管這些指標(biāo)峰值出現(xiàn)的時(shí)間不一致,但是它們均揭示該時(shí)期青海湖地區(qū)風(fēng)化作用可能較強(qiáng),為暖濕期,這與重建的青藏高原東北緣年均降水量顯示這一時(shí)期降水量較高(圖5k)[35]和基于烯烴重建的青海湖地區(qū)夏季溫度顯示該時(shí)期溫度相對(duì)較高(圖5j)[34]相吻合。在這種暖濕氣候條件下,可能造成青海湖湖面上升,出現(xiàn)高湖面,古湖岸堤地貌證據(jù)顯示全新世最高湖面出現(xiàn)在約5.0 ka B.P.(圖5l)[11]。由于這一暖濕氣候持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),冷暖波動(dòng)少,風(fēng)沙活動(dòng)弱,成壤作用較強(qiáng),區(qū)內(nèi)古土壤發(fā)育較厚(圖5a)[6-7,15-16,36-37]。
1.1 ka B.P.至今,剖面發(fā)育砂質(zhì)土壤(圖5m),CIA值、Rb/Sr比值、TOC含量[16]、磁化率值、(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O比值、中值粒徑和L*值波動(dòng)變化,該時(shí)期青海湖地區(qū)風(fēng)成砂和古土壤交替出現(xiàn)(圖5a)[6-7,15-16,36-37],重建的該地區(qū)夏季溫度較高(圖5j)[34],降水量較低(圖5k)[35],表明青海湖地區(qū)氣候變得干旱。古湖岸堤地貌證據(jù)也顯示在約1.1 ka B.P.以后青海湖湖面下降(圖5l)[11]。
亞洲季風(fēng)在很大程度上影響了包括青海湖盆地在內(nèi)的中國(guó)北部沙漠或沙地的演化,其強(qiáng)弱變化可導(dǎo)致氣候的干濕變化,從而造成風(fēng)成砂和古土壤在風(fēng)成沉積剖面中出現(xiàn)[7,41]。本次研究結(jié)果揭示青海湖地區(qū)全新世早期氣候相對(duì)溫暖干旱,可能由于早期太陽(yáng)輻射增加(圖5h)[38]導(dǎo)致蒸發(fā)強(qiáng)度較高,造成青海湖地區(qū)有效濕度降低,使得風(fēng)沙活動(dòng)加強(qiáng),風(fēng)成砂沉積發(fā)育(圖5a)[6-7,15-16,36-37],青海湖處于低湖面(圖5l)[11]。而全新世中期,太陽(yáng)輻射(圖5h)[38]逐漸減弱可能導(dǎo)致蒸發(fā)強(qiáng)度逐漸降低,造成青海湖地區(qū)有效濕度增加,氣候進(jìn)入濕潤(rùn)期,青海湖地區(qū)古土壤沉積大量發(fā)育(圖5a)[6-7,15-16,36-37],青海湖湖面在約5.0 ka B.P.達(dá)到最高(圖5l)[11]。全新世晚期,太陽(yáng)輻射變?nèi)酰杲涤炅繙p少(圖5k)[35],導(dǎo)致氣候變干,發(fā)育風(fēng)成砂沉積(圖5a)[6-7,15-16,36-37]。
圖5 種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積的多指標(biāo)記錄及與其它記錄的比較(a)青海湖盆地多個(gè)風(fēng)成沉積剖面的OSL年代[6?7,15?16,36?37]ZYC剖面多指標(biāo)記錄;(b)亮度(L*)(;c)TOC含量[16](;d)中值粒徑(;e)磁化率(;f)Rb/Sr;(g)(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O(;h)30°N 7月太陽(yáng)輻射[38];(i)CIA;(j)基于烯烴重建的青海湖夏季溫度記錄[34];(k)以花粉為基礎(chǔ)重建的青藏高原東北緣年均降水量(PANN)記錄[35];(l)青海湖湖面變化[11];(m)種羊場(chǎng)剖面地層Fig.5 Multi?proxy records of aeolian deposit samples from ZYC section and comparison with other records:(a)aeolian deposit OSL ages from the Qinghai Lake area[6?7,15?16,36?37];(b)lightness(L*);(c)total organic carbon(TOC)content[16];(d)median size(Md);(e)magnetic susceptibility(MS);(f)Rb/Sr ratio;(g)(CaO+Na2O+MgO)/Ti2O ratio;(h)30°N insolation in July[38];(i)CIA;(j)alkenone?based summer temperature record from Lake Qinghai[34];(k)pollen?based annual precipitation(PANN)record in northeastern Tibetan Plateau[35];(l)Holocene lake level variation of Qinghai Lake[11];(m)stratigraphy of the ZYC section
綜上所述,我們初步認(rèn)為亞洲季風(fēng)和太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱變化可能造成有效濕度的高低變化,從而導(dǎo)致青海湖地區(qū)氣候干濕交替變化。
(1)青海湖種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積的主量元素相比UCC顯著富集CaO,虧損Na2O,微量元素相比UCC有顯著的Nb虧損,而富集V、Cr、Co、Ni、Y、Zr、La。
(2)CIA值和A?CN?K三元圖表明種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積經(jīng)歷了弱風(fēng)化、中等程度的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度,仍處于斜長(zhǎng)石風(fēng)化早期Ca和Na的去除階段。CIA值的波動(dòng)變化反映青海湖地區(qū)全新世期間經(jīng)歷了較大的干濕變化。
(3)種羊場(chǎng)風(fēng)成沉積物的亮度(L*)與TOC含量呈高度負(fù)相關(guān),可以間接地反映研究區(qū)古氣候演變過(guò)程,而紅度(a*)與磁化率之間不相關(guān),其控制因素有待進(jìn)一步探究,在重建青海湖地區(qū)古氣候和環(huán)境演變過(guò)程時(shí)具有局限性,需謹(jǐn)慎使用。
(4)ZYC剖面的多指標(biāo)分析結(jié)果和剖面地層特征揭示青海湖地區(qū)在11.0~6.5 ka B.P.時(shí)期,風(fēng)化作用較弱,氣候可能相對(duì)溫暖干旱,青海湖可能處于低湖面;6.5~1.1 ka B.P.時(shí)期風(fēng)化作用可能較強(qiáng),為暖濕期,青海湖為高湖面時(shí)期;1.1 ka B.P.至今,氣候變得干旱。亞洲季風(fēng)和太陽(yáng)輻射的強(qiáng)弱變化可能造成有效濕度的高低變化,從而導(dǎo)致青海湖地區(qū)氣候干濕交替變化。
致謝 劉向軍博士組織了種羊場(chǎng)剖面的野外考察和取樣工作,中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所王德榮高級(jí)實(shí)驗(yàn)師幫助測(cè)定了樣品的元素含量,兩位審稿專家和編輯部老師提出了建設(shè)性的修改意見(jiàn),一并致謝!