西峰剖面午城黄土古风化强度变化与早更新世季风环境演化

西峰剖面午城黄土古风化强度变化与早更新世季风环境演化 西峰剖面午城黄土古风化强度变化与早更 新世季风环境演化 第27卷第4期 2007年7月 第四纪研究 QUATERNARYSCIENCES Vo1.27,No.4 July,2007 文章编号1001—7410(2007)04—645—06 西峰剖面午城黄土古风化强度变化与 早更新世季风环境演化木 周鑫??郭正堂??彭淑贞?郝青振? 肖国桥??葛俊逸??秦利?? (03,9国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室,西安710075; ?中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029;?中国科学院研究生院,北京100049) 摘要游离铁(FeD)/全铁(FeT)比值被土壤学界用来反映土壤化学风化强度,并已在风尘堆积的古环境研究中 得到较好应用.然而,迄今对第四纪黄土古风化强度的研究多集中于中更新世以来的序列,只有少数剖面的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 包含午城黄土.文章基于西峰剖面661个样品的FeD和FeT分析,建立了该剖面午城黄土的古风化强度序列,并 与剖面原有1.2Ma以来的序列进行对比.结果表明,早更新世古土壤的风化强度与后期相比总体较低,而黄土层 的风化强度总体偏高,反映了较小的冰期一间冰期反差;古风化强度的波动总体上与深海氧同位素有较好的一致 性,体现了全球冰量变化对我国北方季风环境的控制.2.6,1.6Ma期间,古土壤的 平均风化强度在整个第四纪最 低,指示了较弱的夏季风环境效应.从约1.6Ma开始到1.2Ma,古土壤和黄土层的风 化强度均增加,并开始有较显 着的约100ka周期.这些特征在深海氧同位素记录中没有表现,而与热带地区一些 环境特征相吻合,从而指示了 低纬过程对我国北方早更新世季风环境的显着影响. 主题词午城黄土FeD/FeT古风化强度夏季风 中图分类号P534.631,P941.74文献标识码A 1引言 我国北方第四纪黄土一古土壤序列是东亚和全 球环境变化研究的重要记录….由于冬,夏季风环 流在冰期一间冰期旋回尺度上的消长,冰期时黄土 高原主要处于冬季风的控制之下而堆积黄土,间冰 期时则由于夏季风的效应而发育古土壤.因此, 黄土与古土壤的交替指示了冬,夏季风环境效应在 轨道尺度上的变化. 游离铁(FeD)/全铁(FeT)是土壤学界使用的 评价土壤风化强度的指标之一,它反映了含铁硅 酸盐矿物在化学风化过程中释放出来的铁的比例. 根据FeD/FeT建立的黄土古风化强度序列可以较 客观地反映东亚夏季风强度的变化,但已有的 研究多集中于第四纪后期,而早第四纪午城黄土的 古风化强度研究相对较少.迄今为止,只有灵台剖 面的午城黄土有较高分辨率的FeD/FeT序 列".Guo等对西峰和长武剖面1.2Ma以来的 FeD/FeT变化进行了研究,而西峰午城黄土的 FeD/FeT序列尚未获得.由于西峰剖面是第四纪黄 土研究中的经典剖面之一,建立该剖面FeD/FeT序 列,与其他剖面结合进行空间对比和相互印证,有益 于进一步认识早更新世我国北方季风环境变化. 本文通过FeD/FeT测试,建立西峰剖面午城黄 土的古风化强度序列,并与该剖面和其他剖面已有 记录对比,分析我国北方早更新世古风化强度的变 化特征及其反映的季风环境变化历史,并在前人基 础上进一步探讨第四纪季风环境演化与全球变化的 关系. 2材料与 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 西峰剖面(35.45N,107.49E)是黄土高原中部 的代表性剖面.该地现代年平均温度和平均年降水 量分别为8.3?和555.3ram.以lOcm的间距采集 第一作者简介:周鑫男25岁硕士研究生环境科学专业E— mail:zx8267xjtu@sina.com ?中国科学院知识创新 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 项目(批准号:KZCX2一Yw一117)和国家自然科学基 金项目(批准号:40231001)资助 2007—04—30收稿,2007—05—25收修改稿 通讯作者:郭正堂E—mail:ztguo@mail.igctm.ac.cn 第四纪研究2007正 散样661个,风干后用Bartington磁化率仪测量其低 频磁化率.通过对比该剖面磁化率衄线与Heslop 等?根据轨道调谐法建立的洛川剖面磁化率时间 序列获得年龄控制点,进行线性内插建立时间标尺. 样品的游离铁和全铁分别用CBD方法?和酸溶 法?提取,在WFD—Y2型原子吸收光谱仪上测定 (比色波长为248.3rim),分析精度分别为11%和 0.4%.FeD/DeT序列的频谱分析采用最大熵谱方 法,用Guiot(2001)编制的3PBase程序进行计算. 3结果与讨论 3.1午城黄土古风化强度与季风环境演化 已有研究表明,FeD/FeT主要反映黄土一古土 壤序列的化学风化强度'.在现代气候条件 下,黄土高原地区从晚秋至翌年早春土壤的平均温 度低于或接近0oC,化学风化主要受控于当地夏季 的温度和降水,而温度,降水与东亚季风环流的强度 密切相关.因此,黄土高原地区风化成壤强度更多 地反映了当时东亚夏季风的环境效应'. l34 .. 图1为西峰剖面午城黄土FeD/FeT,磁化率,灵 台103午城黄土的FeD/FeT及深海氧同位素记录? 的对比.西峰和灵台两剖面的序列在变化趋势上有 很好的可对比性,证实了它们指示区域气候变化的 有效性.但是,西峰FeD/FeT的波动范围约为 15.5%,24.3%,而灵台总体上高于西峰,变化范围 在25%,42%之间.这与两剖面的地理位置的不 同及130ka以来黄土的Rb/Sr16],600ka以来特征 层位FeD/FeT所揭示的风化强度空间变化是一 致的,指示了夏季风的环境效应在西峰总体上弱于 灵台. 两剖面古土壤层的FeD/FeT都高于相邻的黄 土层.这种与冰期一问冰期旋回对应的变化,与深 海氧同位素记录有较好的一致性.与西峰1.2Ma 以后的FeD/FeT序列对比(图2),午城黄土的一 个突出特点是黄土层风化强度偏高,古土壤层偏低, 体现了早第四纪间冰期较弱的夏季风和较小的冰 期一间冰期反差,与土壤学的研究结果?一致. 2.6—1.6Ma期间(见图1),西峰剖面古土壤的 风化强度虽然呈现出若干次较大的波动,但整体上 1200 图1 Fig.1 18002000 年代/kaB.p. 西峰和灵台剖面午城黄土的FeD/FeT序列及其与深海氧同位素记录的对比 VariationsofFeD/FeTintheWuehengLoessFormationatXihngandLingtai[.]and comparisionwiththemarineoxygenisotoperecord[】 ? 垒 静 暂 ,0|哥忙靼磷 505050 233445 伯???{寻0 4期周鑫等:西峰剖面午城黄土古风化强度变化与早更新世季风环境演化 0200400600800100012001400160018002000220024002600 年代/kaB.P. 图2西峰剖面午城黄土与1.2Ma以来…的FeD/FeT序列的对比 Fig.2VariationsofFeD/FeTratiointheXifengQuaternaryloesssection.Dataofthelast1.2M aarefromref.[7] 较弱,指示了较弱的夏季风环境效应.而在1.6Ma 左右(见图2),古土壤的风化强度明显增加,指示了 夏季风环流的增强.夏季风效应在1.6Ma前后开 始增强,与朝那剖面方解石含量变化所揭示的 1.5Ma前后夏季风的显着增强具有一致性.但 这种趋势与同时期深海氧同位素记录指示的全球冰 量变化并没有可比性(见图1). 为进一步揭示黄土古风化强度变化所反映的季 风环境变化特征,我们对西峰午城黄土的FeD/FeT 序列进行频谱分析,并与深海氧同位素记录的频 谱特征进行对比(图3).早更新世古风化强度序列 越 薏| 艇 25-20Ma 24~19Ma 23-18Ma 2.2~17Ma 21—16Ma 2.0-15Ma 1.9—14Ma 1.8--13Ma 17~1.2Ma 整体上存在显着的约40ka周期,与地轴斜度的周期 一 致-z,这与同时期深海氧同位素的频谱特 征是一致的.但FeD/FeT的约20ka岁差周期 较深海氧同位素显着.另外,古风化强度序列从 1.6Ma开始出现较显着的偏心率所具有的约100ka 周期,而在深海氧同位素记录中没有体现.100ka 周期在深海氧同位素记录中从大约1.0—0.9Ma出 现,即所谓的中更新世转型.因此,本文的结 果显示,约100ka周期在我国北方黄土古风化强度 中的出现显着早于深海氧同位素记录,且在时间上 与1.6Ma前后风化强度的加强有一致性. 频率/ka-.频率/ka-: 图32.6—1.2Ma期间西峰剖面FeD/FeT序列与深海氧同位素的谱分析对比 分析窗口为500ka,步长为100ka Fig.3SpectralanalysesoftheXifengFeD/FeTandmarine6timeseriesforthe2.61.2Mainterv a1c"] withaslidingwindowlengthof500kaandaslidingstepof100ka ?侣? 毒鬯 648第四纪研究2007焦 3.2早第四纪季风环境演化与全球变化的关系 研究表明,午城黄土古风化强度序列在冰期一 间冰期尺度上的波动特征(见图1),显着的约40ka 周期(见图3)及整体较弱的冰期一间冰期反差,均 与深海氧同位素记录一致,指示了全球冰量变化对 我国北方早更新世季风环境的变化有较强的控制作 用.这在过去的研究中已有深人的认识.这种 控制作用可能主要通过对西伯利亚高压强度的影 响,进而影响冬季风强度以及粉尘沉积速率.此 外,冰量变化对黄土高原季风环境的影响还可能通 过影响海表温度以及进而影响夏季风带来的水汽的 多少而实现. 但是,午城黄土古风化强度变化也包含了一系 列用全球冰量变化所不能解释的特征.其中, 1.6Ma前后风化强度的加强及约100ka周期的出 现,序列中包含的更为显着的约20ka周期等特征在 深海氧同位素记录中均没有表现,表明这些特征与 全球冰量变化没有直接的动力学联系.那么,其他 因素必然对我国北方早第四纪环境也起到明显的控 制作用. 东亚夏季风环流来自低纬海洋.低纬过程对季 风环流的影响是首先需要考虑的因素.前人研 究发现,1.6Ma前后,热带和亚热带地区的古 气候记录中存在一次气候转变,表现为海洋中生物 成因碳酸盐沉积通量的降低,东西太平洋浮游有孔 虫氧同位素值梯度的增加,而高纬的记录在此时较 为稳定.黄土记录的季风环流变化与热带一亚热带 上述过程的变化在时间上的一致,进一步指示了夏 季风环流在1.6—1.2Ma期间与深海氧同位素记录 差异可能来源于低纬过程的驱动. 1.6Ma前后黄土一古土壤序列古风化强度出现 显着的约100ka周期,早于反映冰量的深海氧同位 素记录中该周期的出现时间,也表明该周期不是来 自高纬地区冰量的信号.已有研究揭示出,岁差周 期通过调节低纬太阳辐射变化而对亚洲夏季风环流 有主导控制作用.在地球轨道周期中,岁差变化 受到偏心率周期的调控,每个偏心率周期中包含了 4到5个岁差周期.因此,1.6Ma前后黄土一古 土壤序列古风化强度在加强的同时出现显着约 100ka周期及序列整体上更为显着的约20ka周期, 清晰地指示了低纬过程对我国早第四纪季风环境的 影响;1.6Ma前后黄土一古土壤序列古风化强度开 始出现的约100ka周期显然源于偏心率对岁差的调 制,进而通过夏季风环流传递到我国北方. 因此,虽然黄土一古土壤序列的古风化强度与 夏季风环流本身的强度密切相关,但它更多地体现 了夏季风的环境效应,是高纬过程和低纬过程分别 通过对冬,夏季风环流和内陆干旱的控制而共同作 用的结果. 既然夏季风环流本身主要受控于岁差周期引起 的低纬太阳辐射的变化',且这种特征在石笋 研究'弛中得到证实,那么,随之而来的一个问题 是:为什么我国第四纪黄土无论从地层结构还是各 种指标上,早第四纪均以地轴斜度的41ka周期为主 导周期,晚第四纪以约100ka周期为主导周期,更多 地体现了全球冰量变化的特征?我们认为,这种现 象主要源于:黄土和古土壤层的交替出现,不仅取决 于夏季风本身的强度,而且受粉尘堆积速率的控制, 二者均对风化成壤强度有显着影响.由于全球冰量 对西伯利亚高压强度的控制而影响风尘源区干旱 度,进而影响黄土堆积速率的变化.午城黄土一古 土壤序列地层结构和不少指标显示的40ka主导周 期以及后来的序列显示的约100ka周期,体现了黄 土堆积速率对地层结构的主导控制作用.在这 种背景下,夏季风本身的约20ka周期的效应被大为 减弱. 4结论 本文基于西峰剖面午城黄土的FeD和FeT测 试,建立了该剖面早第四纪的古风化强度序列. 2.6—1.6Ma期间,古土壤整体较低的风化强度指示 了第四纪初期较弱的夏季风环境效应.从1.6Ma 开始,黄土和古土壤的风化强度都呈增加趋势,指示 了夏季风环流的加强.早更新世古土壤的风化强度 与后期相比总体较低,而黄土层的风化强度总体偏 高,反映了较小的冰期一间冰期旋回反差.古风化 强度在冰期一间冰期尺度的波动及其显着的约 40ka周期,体现了全球冰量变化对我国北方季风环 境的较强控制作用.但是,1.6Ma开始的夏季风效 应的加强,约100ka周期的出现及风化强度更为突 出的约20ka周期等特征均难以用全球冰量变化解 释.我们认为,低纬热带过程对季风环流的控制是 导致这些现象的主要原因. 参考文献(References) 1刘东生等着.黄土与环境.北京:科学出版社.1985.1—481 LiuTungshengela1.LO~BBandtheEnvironment.Beijing:Science 4期周鑫等:西峰剖面午城黄土古风化强度变化与早更新世季风环境演化649 Press,1985.1—481 2AnZhisheng,LiuTungsheng,LuYanchoueta1.Thelong?term paleomonsoonvariationrecordedbytheloess—paleosolsequencein CentralChina.QuaternaryInternational.1990.7/8:9195 3DuchaufourP.Pedologie,Tome1:PedogeneseetClassification. 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Throughanalyzing661samplesfromtheWuchengLoessFormation,apaleo— weatheringtimeseriesis0btained thatcoverstheintervalfrom2.6Mato1.2Ma.ThenweexaminethemonsoonalenvironmentchangesatextIla一0bita1 andorbitalscalesandattempttoexplorethelinksofpaleomonsoonevolutionwithglobalclimate. Incomparisonwiththeportionofthelast1.2Ma,EarlyPleistoceneweatheringisweakerinsoilswhilestronger inloess,indicatingratherweakglacial— interglacialcontrasts.TheEarlyPleistocenechangesofweatheringintensity atorbitalfrequenciesaredominatedbythe40一 kaobliquityband.Thissuggestsadominantcontrolofglobalice— volumeonthemonsoonclimateinNorthernChina,probablythroughmodulatingthedustaccumulationratesandthe strengthofthewintermonsoon.FeD/FeTprogressivelyincreasessince1.6Mainbothsoiland loessunits. suggestingincreasedsummermonsoonintensities.Thesetrendsareinconsistentwiththema rineoxygenisotope record,butmatchwellaseriesofenvironmentalchangesintropicalandsub— tropicalregions.suggestinganorigin oflow—latitudeforcing.Anearlyonsetofthe100一 kacyclesisalsoobservedat1.6Ma,whichisunlike1yt0be linkedtoglobalicevolume.Rather,itisattributabletothemodulationofprecessionbyeccentr icityandthe consequentimpactsonthesummermonsoon. Keywords Summermonsoon EarlyPleistoceneWuchengLoessFormation,FeD/FeTratio,paleo—weatheringintensity, "