微量元素記錄的毛烏素沙漠全新世氣候波動(dòng)①——以薩拉烏蘇流域DGS1層段為例

牛東風(fēng) 李保生，2 王豐年 陳 瓊 舒培仙 溫小浩 陳 敏

（1.華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 廣州 510631；2.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710061；3.惠州學(xué)院 廣東惠州 516007）

全新世因人類社會(huì)的形成和現(xiàn)今自然地理環(huán)境的奠定而成為過去全球變化研究的熱點(diǎn)，是第四紀(jì)最后一次盛冰期結(jié)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(fā)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(nèi)陸沉積［4］和東亞季風(fēng)影響下的中國(guó)冰芯［5］、湖泊［6］、石筍［7］、沙地［8］、黃土［9］等也顯著體現(xiàn)了這些不穩(wěn)定性特征。然而，全新世期間東亞季風(fēng)如何影響中國(guó)沙漠—黃土的沉積體系，其記錄的氣候事件及發(fā)生時(shí)間是否可以與海洋和其它內(nèi)陸沉積相對(duì)比等相關(guān)問題還有待深入研究。這對(duì)于探討全新世的全球氣候變化與中國(guó)沙漠區(qū)東亞季風(fēng)環(huán)境演變的規(guī)律和二者之間的相關(guān)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(guó)北方上更新統(tǒng)河湖相標(biāo)準(zhǔn)地層薩拉烏蘇組的命名地［10］，其上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)為由風(fēng)成砂、河湖相和古土壤等沉積相疊覆組成的沉積系列，詳細(xì)記錄了沙漠地區(qū)千百年尺度風(fēng)沙活動(dòng)的擴(kuò)張與間斷［11-13］。在該地區(qū)，此類研究也取得了重要進(jìn)展，認(rèn)為全新世以來毛烏素沙漠曾經(jīng)歷了類似于D／O振蕩式的東亞冬夏季風(fēng)的波動(dòng)［14-15］。然而這種變化的客觀存在仍然需要更多的地質(zhì)材料進(jìn)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(tǒng)的DGS1層段（以下稱DGS1），以微量元素為指標(biāo)，結(jié)合年代測(cè)試結(jié)果，探討薩拉烏蘇流域全新世沙漠演化與季風(fēng)環(huán)境變化之間的關(guān)系，以期加深對(duì)該區(qū)域環(huán)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(shí)代自上而下屬全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)頂［16］。 DGS1的堆積厚度 4.84 m，包括湖沼相（LS）12層、古流動(dòng)沙丘砂（D）3層、古固定—半固定沙丘砂（FD）3層、現(xiàn)代流動(dòng)沙丘（0MD）1層、砂質(zhì)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(xì)砂質(zhì)粉砂為主，交織細(xì)小植物根系，質(zhì)地硬，內(nèi)有較多軟體動(dòng)物化石。古流動(dòng)沙丘為灰黃色細(xì)沙，分選均勻，較松散。古固定—半固定沙丘砂以灰黃色極細(xì)砂質(zhì)細(xì)砂為主，分選好，較松散。砂質(zhì)古土壤表現(xiàn)為棕灰色含粉沙的細(xì)沙，較緊實(shí)，屬弱成壤。泥炭以砂質(zhì)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(gè)樣品的年代測(cè)試結(jié)果，其中6個(gè)常規(guī)14C年代（表1）和1個(gè) OSL年代（見圖2）。對(duì)14C年代采用Calib7.0程序中Intcal 13數(shù)據(jù)集［17］進(jìn)行校正（表1）。在7個(gè)常規(guī)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(xiàn)倒置。根據(jù)地層層序律和線性回歸結(jié)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(shí)滴哨溝灣剖面DGS1底部已有大量的絕對(duì)年代值［18］，以這些年代結(jié)果為控制點(diǎn)，運(yùn)用沉積速率線性內(nèi)插方法建立時(shí)間標(biāo)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(cè)定結(jié)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(xiàn)代沙丘砂外，其余層位均以5 cm間距采集樣品，共獲得65個(gè)樣品進(jìn)行微量化學(xué)元素分析。分析工作在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所中心實(shí)驗(yàn)室采用分析儀器為帕納科公司生產(chǎn)的順序式波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀完成（型號(hào)：Axios，產(chǎn)地：荷蘭，采用超尖銳陶瓷X射線光管，功率可達(dá)4 KW，管流可達(dá)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(cè)。

2 結(jié)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(guī)律繪制于圖3中?？梢钥闯?，全剖面以Sr、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(xiàn)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(xiàn)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(gè)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(xiàn)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(xiàn)為古土壤＞沙丘砂＞湖沼相，與次生黃土和泥碳的關(guān)系變化較為復(fù)雜。如Zr在古土壤中的平均含量（159.88 mg／kg）高于整個(gè)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(guān)關(guān)系

一般來說，沉積物中地球化學(xué)元素的含量及其遷聚程度受到物質(zhì)來源、風(fēng)化強(qiáng)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(zhì)來源和風(fēng)化強(qiáng)度的變化規(guī)律，并被廣泛應(yīng)用。為了探討微量元素的相互關(guān)系及其氣候意義，將Mz與各種微量元素進(jìn)行相關(guān)性分析（表4），可以看出Mz與 P、V、Cu、Zn、Sr呈顯著的正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)＞0.5），與Co呈顯著的負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為-0.6）；與Ba、Cr、As和Pb呈較好的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值＞0.3）；而與 Rb、Nb、Ni、Y、Zr只有弱相關(guān)性乃至無相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)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(duì)不同氣候環(huán)境的反映。

同時(shí)，從表 3 中發(fā)現(xiàn)，P、V、Cr、Ni、Cu、Zn、Pb 的之間相關(guān)系數(shù)均大于0.7，呈顯著的相關(guān)性，說明它們具有相似的地球化學(xué)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(xué)性質(zhì)較活躍的濕潤(rùn)氣候型元素，即當(dāng)氣候暖濕時(shí)，風(fēng)化淋溶作用強(qiáng)烈，易于隨溶液遷移，從原地淋出并聚集在地勢(shì)低洼處，而在干冷情況下，風(fēng)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(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，而與 Rb、Nb、Ba、Y、Zr呈微弱的正相關(guān)性甚至不相關(guān)，這或許與它們的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定有關(guān)［20，23］，遷移程度較弱，在風(fēng)化淋溶作用較強(qiáng)的環(huán)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(fù)相關(guān)關(guān)系，與Cu、Zn和As呈較好的正相關(guān)，這可能跟Sr元素主要富集在鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物中，容易在風(fēng)化成壤過程中伴隨土壤溶液或地表水進(jìn)行遷移而大量淋溶［24］有關(guān)。

表4 Mz與各微量元素之間的相關(guān)系數(shù)表Table 4 The correlation coefficient between Mz and trace elements

3 討論

3.1 DGS1的堆積—風(fēng)化過程

毛烏素沙漠現(xiàn)代冬、春季節(jié)，以偏北風(fēng)為主的冬季風(fēng)盛行，寒冷干燥，風(fēng)沙活動(dòng)加劇、化學(xué)風(fēng)化微弱；夏秋季節(jié)，以東南季風(fēng)為主的夏季風(fēng)加強(qiáng)，雨量增大，流水作用活躍，部分沙丘得以固定，以風(fēng)化成壤作用和河湖沉積為主要營(yíng)力，化學(xué)風(fēng)化作用增強(qiáng)。所以，在冬夏季風(fēng)交替的毛烏素沙漠的沉積序列或許是古亞洲季風(fēng)的真實(shí)氣候的地層記錄［25］。圖3顯示，大部分元素在在流動(dòng)沙丘砂和古流動(dòng)沙丘砂的含量分布范圍上比較相近，表明這些古流動(dòng)沙丘沉積時(shí)的環(huán)境有如現(xiàn)代流動(dòng)沙丘。同時(shí)，古風(fēng)成砂掃描電鏡分析結(jié)果也顯示了磨圓度高，表面存在蝶形坑、上翻解理薄片等風(fēng)成特征［26］（圖4）。表明這些古流動(dòng)沙丘沉積環(huán)境近似現(xiàn)代流動(dòng)沙丘。作為全新世某一個(gè)時(shí)期的風(fēng)沙活動(dòng)來說，只是現(xiàn)代這種風(fēng)沙情景在過去的重復(fù)，代表了過去多期冬季風(fēng)盛行。基于此，我們傾向于將 0MD、2D、4D、6D、8FD、18FD、20FD 歸結(jié)為以冬季風(fēng)主導(dǎo)的、氣候惡化的階段。可以想象，在西伯利亞—蒙古高壓推動(dòng)下的冬季風(fēng)盛行時(shí)期，來自北方的干寒西北氣流吹揚(yáng)大量粗粒碎屑形成風(fēng)沙流，形成流動(dòng)沙丘。此時(shí)的氣候寒冷干燥，不穩(wěn)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(chǎn)生了風(fēng)力搬運(yùn)過程中顆粒之間的摩擦、碰撞導(dǎo)致的粗細(xì)變化等物理風(fēng)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(shì)力減弱，夏季風(fēng)增強(qiáng)，降水增加，氣候炎熱，利于植被恢復(fù)，使風(fēng)沙活動(dòng)減弱甚至終止，顆粒細(xì)化。同時(shí)也產(chǎn)生了較強(qiáng)的流水搬運(yùn)或風(fēng)化成壤的物理—化學(xué)風(fēng)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(zhǎng)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(fā)育期，微量元素呈現(xiàn)為增加或減少的兩種變化趨勢(shì)。上述微量元素在沉積相中的分布規(guī)律表明，P、V、Cu、Zn、Sr、Ni、As、Cr、Pb 在表生地球化學(xué)條件下屬于易遷移—較穩(wěn)定的元素，在古土壤發(fā)育期，強(qiáng)烈的風(fēng)化淋溶和成壤作用，導(dǎo)致其含量低于風(fēng)成砂中的含量。在湖沼相發(fā)育期，由于其匯聚了周邊的水流，將周邊環(huán)境的此類元素匯集于湖泊中，導(dǎo)致含量較高。這一現(xiàn)象從次生黃土的含量變化也能體現(xiàn)出來，次生黃土屬于流水搬運(yùn)后的沉積物，匯集了周邊環(huán)境的多種元素，其含量在全剖面幾乎都呈現(xiàn)為峰值。 Co、Rb、Nb、Ba、Y、Zr在表生地球化學(xué)條件下是相對(duì)穩(wěn)定的元素或惰性元素。在古土壤發(fā)育期，強(qiáng)烈的風(fēng)化淋溶和成壤作用使P等易溶元素淋濕，Co等相對(duì)穩(wěn)定元素則相對(duì)聚集，形成峰值。在湖沼相發(fā)育期，周邊流水及其溶解的元素匯聚于此，導(dǎo)致P等活動(dòng)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(duì)較低。在沙丘砂發(fā)育過程中，如果某些時(shí)期的水熱條件較好，古流動(dòng)沙丘得以固定，形成固定—半固定沙丘砂，成壤作用加強(qiáng)，礦物質(zhì)風(fēng)化，產(chǎn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)的風(fēng)砂沉積應(yīng)該是干冷的東亞冬季風(fēng)在過去多次盛行的結(jié)果，屬于以冬季風(fēng)為主導(dǎo)的氣候惡化階段。以最低值出現(xiàn)的古土壤和以最高值出現(xiàn)的湖沼相，是在夏季風(fēng)主導(dǎo)作用下的大氣溫濕度增加而導(dǎo)致化學(xué)風(fēng)化能力加強(qiáng)的結(jié)果。古固定—半固定沙丘砂亦是相對(duì)于沙丘砂稍濕熱的氣候環(huán)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(fēng)成砂活動(dòng)期的干冷氣候與風(fēng)沙活動(dòng)停滯及風(fēng)化成壤作用增強(qiáng)期的暖濕氣候組成的沉積—?dú)夂蛐?，進(jìn)而指示了該區(qū)全新世以來的冷暖氣候波動(dòng)規(guī)律。

3.2 DGS1的氣候波動(dòng)過程

上述分析顯著體現(xiàn)了微量元素的變化特征與氣候環(huán)境之間的密切關(guān)系。為了探討DGS1在全新世的氣候變化過程，根據(jù)微量元素之間的相關(guān)性分析結(jié)果，選擇呈顯著負(fù)相關(guān)性的Rb、Sr作為氣候代用指標(biāo)。據(jù)研究，二者屬于典型的離散型元素，風(fēng)化過程中，Rb的活動(dòng)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(fù)相關(guān)關(guān)系。剖面中的Rb和Sr呈顯著的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.61。因此，將二者的變化曲線繪制于圖5中，顯示多個(gè)出峰谷交替的特征，據(jù)此大致可以將這些波動(dòng)及其揭示的氣候變化分為四個(gè)階段進(jìn)行討論：

第一階段（圖5中 A區(qū)）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(fēng)逐漸減弱，夏季風(fēng)增強(qiáng)，為轉(zhuǎn)暖期。沉積相由末次冰期的流動(dòng)沙丘（22D）轉(zhuǎn)變?yōu)楹酉嗷蚬潭ā牍潭ㄉ城穑?1LS、20FD、19LS和18FD），說明在暖濕程度增強(qiáng)的條件下，沙丘逐漸固定，甚至在局部地區(qū)形成了暫時(shí)性湖泊和沼澤，湖沼相發(fā)育。期間18FD（10 130～10 460 a B.P.）和20FD（10 570～10 610 a B.P.）代表了轉(zhuǎn)暖過程中的兩次冷事件，可與Bond等［29］發(fā)現(xiàn)的北大西洋冷事件中的10.3 ka對(duì)比。該階段的開始時(shí)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(qū)）起止年代為10 130～6 590 a B.P.。該階段Rb呈現(xiàn)為低谷而Sr呈現(xiàn)為峰值，說明該時(shí)期氣候十分濕熱，夏季風(fēng)強(qiáng)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(nèi)含大量軟體動(dòng)物化石，是全新世的大暖期。豐富的降水使該處形成了暫時(shí)性湖泊，匯聚了周圍環(huán)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(shù)量較少而呈現(xiàn)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(jù)中國(guó)全新世氣溫集成序列資料認(rèn)為全新世鼎盛期出現(xiàn)在8～6.4 ka B.P.基本相符。

第三階段（圖5中 C區(qū)）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(zhuǎn)冷，為全新世的轉(zhuǎn)冷期。該階段的夏季風(fēng)逐漸減弱，冬季風(fēng)開始增強(qiáng)，風(fēng)沙活動(dòng)增強(qiáng)，更多的沙物質(zhì)進(jìn)入湖泊中，導(dǎo)致微量元素含量的變化。與陳云等［31］發(fā)現(xiàn)的該階段表現(xiàn)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(qū)）起止年代3 760～0 a B.P.。該階段微量元素Sr和Rb均呈現(xiàn)為低谷，但存在變化幅度相對(duì)較小的頻繁波動(dòng)，為寒冷的氣候波動(dòng)頻繁時(shí)期。該階段的沉積相由前期的湖沼相演變?yōu)槎喾N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(wěn)定且波動(dòng)頻繁，期間2D、4D、6D是氣候急劇變冷的結(jié)果。這與侯光良等［29］認(rèn)為晚全新世4 ka B.P.以來氣候?yàn)橄鄬?duì)較冷的結(jié)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(duì)比，6D（2 820～3 140 a B.P.）可與北大西洋冷事件 2.8 ka對(duì)比，9P（3 380～3 760 a B.P.）可與北大西洋冷事件4.2 ka對(duì)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(xié)助完成；化學(xué)元素分析由中科院寒旱所孫忠完成；OSL年代由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院趙華測(cè)定；14C年代由中科院寒旱所胡智育測(cè)定，再此一并感謝。

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