廬山、黃山和天山地區(qū)第四紀沉積物鐵元素的對比研究

廬山、黃山和天山地區(qū)第四紀沉積物鐵元素的對比研究

廬山、黃山和黑水第四紀沉積環(huán)境是國內(nèi)外地質(zhì)科學家關(guān)注的一個重要課題。多年來，許多科學家從不同角度研究了這個問題，取得了許多成果。但目前對這一重大問題尚未取得統(tǒng)一性的認識和最后定論,尤其是對上述地區(qū)沉積物的研究還不夠全面,而近年利用沉積物的多種實驗分析綜合指標解決重大地學問題已獲不少成功經(jīng)驗,因此,本文根據(jù)大量野外調(diào)查和剖面沉積物采樣后的Fe3+/Fe2+、古地磁、孢粉、粒度、粘土礦物、氧化物、巖性和物源鑒定、新構(gòu)造運動與網(wǎng)紋紅土的分析,對廬山、黃山和天目山地區(qū)第四紀沉積環(huán)境提出以下新的研究結(jié)果。1物理單元古溫度與開發(fā)期私家車5年平均氣溫的關(guān)系地層中的鐵元素是對氣候變化最為敏感的元素之一。近年來,某些學者已應(yīng)用地層中高價鐵與低價鐵的比值來推測第四紀沉積物所反映的古氣候變化。筆者主要選擇了有代表性的、沉積厚度較大的廬山大校場、廬山東麓漿粕廠、黃山逍遙溪、天目山姚砂嶺四處剖面(圖1)作Fe3+/Fe2+分析。其中,廬山大校場剖面厚度6.4m,采樣10個;漿粕廠中段剖面厚18.5m,采樣9個;黃山逍遙溪剖面厚5.8m,采樣8個;天目山姚砂嶺剖面厚12.5m,采樣8個。樣品由南京大學現(xiàn)代分析中心采用氧化還原滴定法測定。由于各地區(qū)現(xiàn)在的年平均氣溫總是位于該地區(qū)第四紀最冷和最熱氣候之間,又由于各地區(qū)第四紀沉積物中赤鐵礦的礦化程度與古氣候的冷暖變化呈線性相關(guān),即赤鐵礦的礦化程度越高,氣候愈濕熱,反之則氣候愈干涼。鑒于此,若將各剖面采樣點的Fe3+/Fe2+相加,其平均值應(yīng)大致接近現(xiàn)今年平均氣溫值。這樣,可先求出各采樣點的Fe3+/Fe2+值,再求出地層中的Fe3+/Fe2+平均值,將前者與后者相比較,小于平均值的測點表明此點形成時的年平均氣溫比現(xiàn)今要低,相反則比現(xiàn)今偏高。由于廬山海拔1164m的牯嶺現(xiàn)今年平均氣溫為11.4℃,按海拔每上升100mm氣溫下降0.6℃的遞減率計算,海拔約1060m的大校場剖面現(xiàn)今年平均氣溫約為12℃;海拔約32m的漿粕廠剖面以附近九江市為參照值,其現(xiàn)今年均氣溫約17℃;黃山逍遙溪剖面以太平縣氣象站觀測到的同海拔(600m)處資料*為準,其現(xiàn)今年均氣溫約13.6℃;天目山姚砂嶺剖面以同海拔(約300m)的山麓氣象站觀測資料為計,其現(xiàn)今年平均氣溫為14.9℃。根據(jù)上述年均溫背景值,可得出三個地區(qū)第四紀古溫度的推算值(表1)。表1可見,廬山大校場剖面測定的古溫度值最低為年均溫2.82℃,最高為19.60℃;漿粕廠剖面最低為7.62℃,最高為21.19℃;黃山逍遙溪最高為14.24℃,最低為11.42℃;天目山姚砂嶺最低為3.41℃,最高為20.39℃。盡管還需要做更多的加密采樣分析工作,但上述分析結(jié)果表明:這三個地區(qū)在第四紀時最低年平均氣溫并未低于0℃,因此不具備冰川發(fā)育條件。2剖面位置及特征依據(jù)在上述三個地區(qū)共采古地磁樣品288個,由地質(zhì)礦產(chǎn)部成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所古地磁實驗室協(xié)助測試。在交變退磁中發(fā)現(xiàn),極性一般在23.87～47.75A/mm之間最穩(wěn)定,故擇定此段剩余磁化強度作為本征值,并據(jù)此得出磁性地層極性柱。筆者已在另文中討論了廬山地區(qū)第四紀地層剖面的古地磁測試和巖性物源鑒定的結(jié)果,本文不再贅述。圖2為三個地區(qū)磁性地層剖面對比圖。需要指出的是,在確定各剖面年代時還參照了孢粉、沉積學特征、磁化率、元素和氧化物分析結(jié)果,還參照了前人有關(guān)這些地區(qū)的古地磁資料,全新世14C測年資料和華地區(qū)區(qū)域地層表。根據(jù)所測剖面的磁性地層特征,可得出以下新的認識:1)三個地區(qū)第四紀剖面主要以正極性為主。除廬山漿粕廠和天目山登龍橋有明顯的早更新世松山極性世地層外,其它剖面均缺失Q1地層。剖面厚度最大、沉積連續(xù)的廬山漿粕廠剖面,其極性柱在22m深度可見B/M界線。該極性柱可與日本琵琶湖和A.考克斯年表極性柱作較為吻合的對比。2)多年來學者們都認為網(wǎng)紋紅土是在中更新世濕熱環(huán)境下形成的。但前人在劃分地層時均忽視了姑塘鄱陽湖畔沉積物在古地磁上主要呈正極性和具網(wǎng)紋化的重要現(xiàn)象。此次通過古地磁樣品測試發(fā)現(xiàn)(圖2),此處的“冰磧物”在古地磁極性柱中主要呈正極性,且在剖面特征上主要是呈絳紅色深度網(wǎng)紋化的泥和礫石混雜堆積層,其中的礫石磨圓度高,礫徑多為10～20cm。礫石經(jīng)薄片偏光鏡下鑒定,主要為肉紅色石英巖、黃色變質(zhì)石英砂巖、灰黃長石石英砂巖、黑灰色霏細巖。這些巖性與李四光先生提出的“王家坡冰川谷”源頭小天池一帶的灰白色長石砂巖、肉紅色千枚巖、灰色石英閃長巖、灰黑色石英斑巖巖性是不同的,但與贛江上游和鄱陽湖中Q2白砂井組巖性較相似。因此可以認為,所謂“鄱陽期冰磧”實際上是與網(wǎng)紋紅土同期的中更新世(Q2)沉積物,在成因上,應(yīng)屬于以古贛江流水搬運為主兼有湖相和洪積相沉積。3)廬山大校場剖面以正極性為主,結(jié)合剖面特征可將此地層分為:深度5～6.3m的中更新統(tǒng)Q2;深度1.2～5m左右的上更新統(tǒng)Q3;深度0～1.2m的全新統(tǒng)Q4。此剖面的磁性地層特征筆者也已在另文討論,本文不再重述。4)黃山逍遙溪剖面以布容正極性為主。從與其它剖面比較看,該剖面缺失早、晚更新世地層,而且中更新世地層無顯著網(wǎng)紋化特征。從分析看,它們應(yīng)當是中更新世后期在黃山山體大幅度抬升后,由高處搬運來的物質(zhì)在此處(山麓地帶)的堆積。因此處當時所處的海拔已有一定高度,且中更新世后期氣候的濕熱化程度已明顯不如中更新世初期,所以此剖面Q2地層僅呈深紅色但并未網(wǎng)紋化。筆者認為,缺失早、晚更新世地層的原因,可能是當時此地處于一個規(guī)模較小的抬升和剝蝕環(huán)境所致。3中、晚更新世地層水動力環(huán)境特征三個地區(qū)第四系中尤其是更新統(tǒng)孢粉較貧乏。三個地區(qū)共采集孢粉樣品48個,其中35個樣品含57種孢粉,其中木本30種,草本21種,蕨類5種,藻類1種,現(xiàn)擇主要剖面概述如下:1)廬山大校場:在中更新世地層中發(fā)現(xiàn),距地表5.95nm處孢粉較多,木本有水青岡、胡桃、楓香、樺木、櫟、柃木、柏、榆、大戟;草本有豆料、薔薇、藜、香蒲、馬鞭草科、毛茛科、莎草科、黑三棱。距地表5.70m和6.15m處孢粉較少,前者只有松、鐵杉、禾本科、莎草科和蕨;后者僅見個別松。在晚更新世地層中于4.3m處發(fā)現(xiàn)有少量松、樺木、薔薇、禾本科、蒿、鐵線蕨和狐尾藻;在2.9m處見少量松、櫟、黑三棱、眼子菜、石竹和狐尾藻;在2.8m處和全新世地層1m處僅見松。分析認為,該剖面孢粉多寡總體上與水動力條件有關(guān),孢粉較多的部位,沉積物粒徑一般較細(圖3),如5.9m和2.3m處均為細砂和礫石透鏡體,表明水動力條件較弱;而孢粉較少的部位沉積物一般礫徑較粗(多為砂礫石層),表明水動力條件太強,或者是由過于干涼的冰緣環(huán)境所致(如1m深處應(yīng)為全新世初低溫環(huán)境)。從孢粉組合類型看,中更新世地層5.95m深處較多喜暖闊葉樹水青岡、胡桃、楓香等,應(yīng)能反映出當時溫暖濕潤的沉積環(huán)境。若與表1Fe3+/Fe2+推算的古溫度特征相對照,可以發(fā)現(xiàn)Fe3+/Fe2+測定出的高溫值(如6.0m處的14.21℃、4.1m處的17.79℃、2.8m處的16.22℃)與5.9m、4.3m和2.9m深度較多的孢粉和較多喜暖闊葉樹孢粉較吻合;而較低溫度值(2.82℃、5.55℃)則與深度1m和5.7m較少的孢粉或草本多的孢粉相吻合。這間接說明:廬山山體較高部位(1000m以上)在第四紀中經(jīng)歷過顯著的冷熱交替變化,從孢粉組合看,中、晚更新世均有較多喜暖闊葉樹的濕熱環(huán)境,而冷的環(huán)境由于孢粉貧乏或者以草本為多,但對應(yīng)的沉積物礫徑又較粗,因此可認為屬干冷或干涼的冰緣環(huán)境。2)漿粕廠剖面:共分析樣品9塊,但僅發(fā)現(xiàn)2塊樣品含孢粉,其深度分別為距地表10.75m和3m,巖性均為網(wǎng)紋化粘土礫石層,層位上分別屬于中、晚更新統(tǒng)。前者僅見個別松、蒿和水龍骨科孢粉,后者可見少量松、鐵杉、卷柏、蒿、蘆草、鐵線蕨和水龍骨科孢粉,該剖面還具有大規(guī)模交錯層理和河流相沉積韻律。因此可知,該剖面孢粉貧乏主要是水動力條件太強所致。至于古氣候特點,從表1可知當時年均氣溫并未低過0℃,應(yīng)以濕熱環(huán)境為主。3)黃山逍遙溪:在中更新世地層5.95m和3.3m處發(fā)現(xiàn)下列孢粉:前者見個別松、櫟、香蒲;后者含較多松、櫟、楓香、楊梅、冬青、鵝耳櫪、木樨科、薔薇、狐尾藻和馬鞭草孢粉。這明顯反映出前者干涼、后者暖濕的差異。這與表1的測定結(jié)果也是一致的。4)天目山姚砂嶺:該剖面中更新統(tǒng)地層厚約12m,但僅在12.2m、9.1m深度發(fā)現(xiàn)較多孢粉(均在亞粘土礫石層中),前者有松、櫟、胡桃、杉、鵝耳櫪、忍冬科、蒿、香蒲、水龍骨科、禾本科、蕨;后者有松、胡桃、榛、禾本科、蒿、水龍骨科和蕨。從表1可知,兩處對應(yīng)的古年平均氣溫分別為12.92℃和8.45℃。前者應(yīng)屬于暖濕氣候期,后者可能屬于涼濕氣候。而在3.4m、9.8m、11.2m深度僅見個別松的孢粉,從表1可知這幾處正是古年均氣溫處于3.41～8.61℃的低溫階段。孢粉的貧乏除與氣候變冷有關(guān)外,是否與當?shù)匚挥诰跋恿鞒錾娇谔幩畡恿l件較強有關(guān),還需進一步探討。5)在天目山龍王廟剖面發(fā)現(xiàn)有大量水龍骨科單縫孢和較多冷杉及個別鐵杉、榿木、松、椴蒿、禾本科、睡蓮科和陰地蕨等的孢粉組合,反映當時為冷濕環(huán)境。其14C測年資料為(17560±367)aB.P.。分析認為,此冷濕環(huán)境除帶有全球氣候影響特征外,主要與此地位于深窄峽谷背陰處有關(guān)。從其沉積物、孢粉特征和本區(qū)Fe3+/Fe2+推算的古溫度值看,當時并非冰川沉積環(huán)境,而應(yīng)屬于較冷濕的沉積環(huán)境。4形成結(jié)晶度分布特征除了上述分析外,還對三個地區(qū)沉積物作了粒度,粘土礦物、元素和氧化物分析,現(xiàn)扼要介紹各項分析結(jié)果。1)據(jù)粒度參數(shù)、頻率曲線、CM圖象分析得出:三個地區(qū)主要剖面C值多>1000μ,但M值變化較小,CM點值多分布在滾動搬運為主的區(qū)域。與具有混雜堆積特征的國內(nèi)外冰磧和泥石流CM圖象對比,大校場剖面的CM點值更多地類似冰緣和泥流沉積;而漿粕廠、天目山姚砂嶺剖面的點值則兼有泥流、水石流和河流沖積現(xiàn)象,反映出多成因沉積的特點。黃山逍遙溪剖面CM點值近于垂直M軸,其C值可比M值>10000倍。結(jié)合地貌部位調(diào)查,可認為這是由坡地重力作用和坡面季節(jié)流水搬運交替進行,并受新構(gòu)造運動掀斜影響的沉積特征。2)三個地區(qū)上述剖面40個樣品經(jīng)伊利石(dool)X衍射峰測出的兩種結(jié)晶度指數(shù)發(fā)現(xiàn):廬山大校場開形指數(shù)Ns值在1.6～4.3之間,山下漿粕廠為1～3.6,黃山在1～2之間,天目山為1～1.4。長寬比指數(shù)Hw值依次分別是:大校場2.5～30.8,漿粕廠1.03～7,黃山1.95～5,天目山為3.92～10。這兩種結(jié)晶度指數(shù)表明:廬山地區(qū)受濕熱和干冷影響的風化度均為最高,黃山地區(qū)次之,天目山地區(qū)較弱。分析認為,這是因廬山和黃山地區(qū)海拔較高部分(>1000m)的山體面積比天目山地區(qū)小、感熱敏感度高所致。3)對天目山登龍橋剖面曾被前人稱作“冰川紋泥”的沉積物所做的地球化學分析發(fā)現(xiàn):其CaO和Na2O含量值分別為0.17和0.31mg/kg,比其上部非“冰川紋泥”地層沉積物的CaO值(0.82mg/kg)和Na2O值(0.83mg/kg)要低得多。這表明所謂的“冰川紋泥”淋溶風化程度比同剖面非“冰川紋泥”更為顯著。結(jié)合此“冰川紋泥”所處的地層層位和其具有的顯著網(wǎng)紋化現(xiàn)象,筆者認為它并非冰川紋泥,而應(yīng)屬中更新世初濕熱環(huán)境下形成的網(wǎng)紋土層。5新構(gòu)造運動的區(qū)域和沉積特點總結(jié)所做的各項工作,可將三個地區(qū)第四紀沉積環(huán)境歸納如下:在第三紀末和早更新世初,受喜馬拉雅造山運動的影響,本區(qū)曾有過一次升降運動。這次運動主要表現(xiàn)為第三紀末的抬升(造成剝蝕)和早更新世初的小規(guī)模下降(局部沉積),使得本區(qū)大多缺失第三紀地層,而在山前地帶和廬山地區(qū)沿江一帶堆積了粗粒河流相沉積物。早更新世的大部分時期,構(gòu)造運動在本區(qū)主要表現(xiàn)為小規(guī)模隆起,造成本區(qū)當時的丘陵景觀。由于有小幅度隆起,故以剝蝕作用為主,使得本區(qū)大部分地方缺失Q1地層,僅在山前局部地帶,例如廬山東麓漿粕廠和天目山登龍橋剖面下部保存有與雨花臺礫石層和九江礫石層特征相似的Q1沉積物。從此沉積物特征看,當時應(yīng)屬于溫濕氣候環(huán)境。中更新世初,本區(qū)新構(gòu)造運動以規(guī)模不大的沉降為主。受其影響,區(qū)內(nèi)Q2地層分布較廣。從孢粉組合看,當時植被以木本占絕對優(yōu)勢,常綠闊葉和落葉闊葉林成分幾乎各占一半。從區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的網(wǎng)紋紅土礫石層看,當時的氣候為年平均氣溫在18～22℃、年降水在1000～2000mm的常綠闊葉和落葉闊葉林下的濕熱氣候。在這種強烈的氧化環(huán)境下,Fe2O3、Al2O3和K2O、MgO及SiO2大量積聚,而CaO、Na2O和Sr元素則被大量淋溶。由于地形起伏和小氣候的影響,各地沉積物經(jīng)受的濕熱化程度亦有不同,但網(wǎng)紋化現(xiàn)象和二元相結(jié)構(gòu)是這一時期沉積物的主要表征。黃山地區(qū)可能因當時地勢相對較高,所以Q2沉積厚度小,網(wǎng)紋化程度亦不如廬山和天目山顯著。中更新世中期之后,本區(qū)新構(gòu)造抬升逐漸達到最大幅度。廬山成為突起的地壘式斷塊山,黃山和天目山也逐漸抬升到最大高度,它們的山麓地帶則形成丘陵地形。受構(gòu)造運動影響,廬山、天目山部分地區(qū)網(wǎng)紋紅土被抬升到海拔1000～～1200m高度(如廬山大校場、西谷和中谷,天目山平溪源頭陽山谷地)成為變位網(wǎng)紋紅土。這個時期氣候也逐漸變得干冷,植被主要有松、樺木、椴、榆、鐵線蕨科、禾本科、菊科、蒿等。在山地,當時處于冰緣環(huán)境,山體基巖受寒凍風化崩裂后,先是在山頂和坡面堆積,后受重力、流水和凍融蠕移、雪蝕影響,逐漸向低處搬運