黃土高原磁組構(gòu)及其對(duì)冬季風(fēng)演化的響應(yīng)

黃土高原磁組構(gòu)及其對(duì)冬季風(fēng)演化的響應(yīng)

1不同沉積方式樣品的磁組構(gòu)特征磁化率的各向異性（ams）由樣品磁化率的橢圓形球體的長軸（k1）、中軸線（k2）和短軸（k3）表示。長軸方向往往代表沉積物中磁性顆粒優(yōu)選排列方向。利用卡帕橋測(cè)量和計(jì)算出樣品的磁組構(gòu)參數(shù),可以研究沉積顆粒優(yōu)選排列方位所代表的沉積作用過程和環(huán)境信息。AMS被廣泛地應(yīng)用于研究沉積過程和判別沉積介質(zhì)的動(dòng)力方向。中國黃土作為一種典型的風(fēng)成沉積物,對(duì)其研究表明黃土中磁性礦物顆粒的橢球體K1方向與黃土沉積時(shí)的主導(dǎo)風(fēng)向一致,為我們利用AMS特征研究中國黃土-古土壤序列沉積動(dòng)力學(xué)(古季風(fēng))過程提供了良好的條件。但是,磁組構(gòu)各個(gè)參數(shù)的變化含義是什么?它的變化與古氣候之間有什么聯(lián)系?針對(duì)上述問題都需要在黃土高原地區(qū)進(jìn)行更多的磁組構(gòu)研究。2土壤條件及磁組構(gòu)特征本次研究選取了位于甘肅省會(huì)寧縣城北85km處的下高塬村附近的白草塬黃土剖面(36°18′N,105°6′E)作為研究對(duì)象。一方面該剖面(圖1)位于六盤山以西,距離黃土物源區(qū)較近,沉積速率大,地層分辨率高,沉積連續(xù),第四紀(jì)沉積厚度超過了200m,比較完整的記錄了2Ma以來的內(nèi)陸第四紀(jì)氣候變化;另一方面該地區(qū)受夏季風(fēng)的影響較小,為獲得良好的磁組構(gòu)特征提供了有利條件。白草塬剖面末次間冰期以來的沉積(S1)厚9.8m,由3層古土壤和夾于其間的2層黃土組成。直接反映了末次間冰期是由3個(gè)暖期和2個(gè)冷期組成,可與深海氧同位素第5階段的5個(gè)亞階段很好對(duì)應(yīng)(圖2)。從土壤發(fā)育程度看,上部兩層古土壤(S1-1,S1-2)呈灰黑色,均有弱腐殖質(zhì)診斷表層,具有A/AC土壤結(jié)構(gòu);最下部古土壤層(S1-3)呈褐紅色,具團(tuán)塊狀構(gòu)造,粘粒含量較高,缺失診斷表層,具有風(fēng)化B層(Bw層)。S1-3發(fā)育程度明顯高于S1-1和S1-2,指示其對(duì)應(yīng)的5e為深海氧同位素第5階段中氣候最為溫濕的時(shí)期。與榆林蔡家溝剖面(見圖2)以及甘肅會(huì)寧李家塬剖面的S1土壤結(jié)構(gòu)對(duì)比一致,時(shí)間跨度約為126～75kaB.P.,大約5萬年。末次冰期沉積(L1)厚16m,呈棕黃至褐黃色,疏松多孔,質(zhì)地均一,粒粗,較難分辨發(fā)育其中的弱古土壤。該段可與深海氧同位素階段2～4對(duì)應(yīng)。全新世沉積為一層草原土(S0),厚1.4m,呈明顯的灰褐色,含有豐富的有機(jī)質(zhì)和少量的次生碳酸鹽假菌絲體,根孔發(fā)育,土壤結(jié)構(gòu)不明顯,可與深海氧同位素第1階段對(duì)應(yīng)。為了詳細(xì)研究末次間冰期以來黃土-古土壤序列的磁組構(gòu)特征,野外用羅盤標(biāo)定正北方向,采集古地磁樣品224塊,其中黃土采樣間隔為20cm,古土壤間隔為10cm。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)統(tǒng)一加工成2cm×2cm×2cm的定向樣品,獲得有效樣品220塊。室內(nèi)利用中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室的KLY-3s卡帕橋磁化率儀,沿3個(gè)正交面旋轉(zhuǎn)測(cè)量后程序自動(dòng)用Jelinek方法計(jì)算出AMS張量和相關(guān)參數(shù)。另外,以1cm的間隔采取散樣2833個(gè),分別做了粒度和磁化率測(cè)量。在磁組構(gòu)研究中,選取的參數(shù)有:1)磁線理度(L)=K1/K2,反映顆粒優(yōu)勢(shì)取向排列的程度,受控于搬運(yùn)介質(zhì)方向的單一性及沉積動(dòng)力強(qiáng)度等;2)磁面理度(F)=K2/K3,反映沉積顆粒呈層面隨機(jī)分布的程度或沉積物中微層理構(gòu)造的發(fā)育程度,亦與沉積壓實(shí)作用有關(guān);3)磁化率各向異性度(P)=K1/K3,反映沉積物中顆粒取向排列差異性程度,受控于沉積動(dòng)力強(qiáng)度及沉積環(huán)境的穩(wěn)定性;4)AMS的形狀因子(T)=(2η2-η1-η3)/(η1-η3),T<0時(shí)為棒狀橢球體(prolate),T>0時(shí)為扁狀橢球體(oblate)。其中K1,K2,K3分別代表最大、中間、最小磁化率的軸向和大小;η1,η2,η3分別對(duì)應(yīng)于3個(gè)磁化率軸的自然對(duì)數(shù)。3結(jié)果3.1剖面結(jié)構(gòu)的變化為了較好地消除系統(tǒng)誤差,對(duì)AMS相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了5點(diǎn)平滑處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文研究區(qū)磁面理較磁線理發(fā)育,為扁狀橢球體(圖3a)。整體而言,磁線理和磁面理都較小。絕大部分F<1.02,呈現(xiàn)出典型的風(fēng)成沉積物特征。通過對(duì)220塊樣品的統(tǒng)計(jì)平均,L值(1.0025±0.0028)的變化相對(duì)F(1.0067±0.0045)要小。P和F二者之間的正相關(guān)程度較高,R2=0.79(圖3b),在研究剖面上也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)(圖4d和4e),表明AMS的主導(dǎo)因素是磁面理。此外,黃土層與古土壤層的磁組構(gòu)特征也存在一定的差異。表1中分別給出了不同單元的L,F,P平均值。通過對(duì)比可以看出,古土壤層的F,P值均比其下伏的母質(zhì)黃土層要低,磁線理發(fā)育程度相近。圖4d,4e和4f分別給出了T,P,F隨剖面厚度變化的對(duì)比圖。其中,黃土的磁面理平均值為1.007,而古土壤為1.004,因此黃土的磁面理與各向異性度均強(qiáng)于古土壤。T值一般>0,位于扁狀橢球體區(qū),與圖3a結(jié)果一致,但在古土壤與黃土層的弱發(fā)育古土壤中,T值偏低趨向于0,有的甚至為負(fù)值,表現(xiàn)為棒狀橢球體。整體趨勢(shì)上,T,P,F三者曲線較為相似,特別是自深海氧同位素第2階段以來,三者均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)(見圖4d,4e和4f),這與Zhu等研究的靈臺(tái)地區(qū)結(jié)果一致。3.2偏角dmys與磁面理的分布圖4中我們還給出了AMS的幾個(gè)參數(shù)以及古氣候代用指標(biāo)(粒度和磁化率)隨剖面厚度變化的對(duì)比圖。圖4b和圖4c可以看出,黃土堆積時(shí)期,磁化率值的變化較小,而粒度則呈現(xiàn)出頻繁的粗細(xì)變化,因而本研究區(qū)主要受到冬季風(fēng)的影響,夏季風(fēng)則只在幾個(gè)成壤較強(qiáng)時(shí)期有所反映,從而為我們研究AMS提供了有利條件。由圖4i可以看出,K1的偏角Dmax大部分集中位于90°～180°或270°～360°之間,而傾角Imax(見圖4h)則相應(yīng)位于15°之下(平均值為11°),表明磁化率最大軸(K1)與磁面理平行,AMS長軸平行于風(fēng)向;K3傾角>60°(平均值為71°),近垂直于磁面理(見圖4g),表明AMS短軸與沉積面近乎垂直。此外,隨著粉塵粒度增加,F值也相應(yīng)增大,與中值粒徑呈正相關(guān)關(guān)系(見圖4b和4d)。4土壤-磁面理-冬季風(fēng)黃土作為風(fēng)成成因的粉塵堆積,其形成經(jīng)歷了粉塵產(chǎn)生、搬運(yùn)、沉積和后生變化等完整的過程,因此記錄了大尺度空間范圍內(nèi)的古風(fēng)場(chǎng)特征。本文研究和討論主要基于4個(gè)前提:1)粉塵物質(zhì)堆積時(shí)的磁性顆粒長軸優(yōu)勢(shì)取向與主導(dǎo)風(fēng)向平行,這一點(diǎn)已被前人工作證實(shí);2)黃土-古土壤磁化率各向異性主要由磁性顆粒在一定程度上的定向分布和排列所導(dǎo)致;3)甘肅會(huì)寧白草塬地區(qū)氣候干旱,成壤作用較弱,因而對(duì)原生磁組構(gòu)影響較輕;4)如果AMS的某個(gè)參數(shù)在時(shí)間或空間上與古氣候的代用指標(biāo)具有相似變化趨勢(shì),那么認(rèn)為它們受同樣的氣候驅(qū)動(dòng)機(jī)制影響。磁面理主要受到鐵磁性礦物分布以及后期壓實(shí)作用的控制,而粉塵的粒度大小(包括磁性礦物顆粒)又受到冬季風(fēng)強(qiáng)度的影響,因此,冬季風(fēng)的強(qiáng)度、粉塵粒徑大小以及磁面理之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系(見圖4b和4d)。一般來說,冬季風(fēng)越強(qiáng),搬運(yùn)和輸送的粉塵顆粒就越粗,從而在沉積過程中呈現(xiàn)出更大的面理。當(dāng)然,后期的沉積壓實(shí)過程對(duì)黃土的磁面理也有較大的影響,可能將磁性顆粒的長軸旋轉(zhuǎn)至沉積面,從而改變磁面理。黃土與古土壤層在AMS特征上的差異表明了在古土壤形成的過程中,后期改造如成土作用等從一定程度上削弱了其成土以前母質(zhì)黃土的磁組構(gòu)特征,這與它們?cè)诓煌臍夂驐l件下是有一定關(guān)聯(lián)的。由圖4可知,P,F和中值粒徑總體上呈現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)。F值的波動(dòng),從某種意義上講,指示出了該地區(qū)冬季風(fēng)強(qiáng)度的衰弱與增長,關(guān)于這一點(diǎn)還有待進(jìn)一步深入研究和探討。前人的研究表明,K1偏角(Dmax)能很好地指示冬季風(fēng)的主導(dǎo)風(fēng)向。由圖4i可知,絕大部分樣品點(diǎn)K1的偏角指示,S1以來該地區(qū)冬季風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹W向。為了進(jìn)一步說明和探討Dmax與風(fēng)向之間的關(guān)系,我們做了等面積赤平投影圖和玫瑰花圖(圖5)。一般來說,黃土的初始AMS主要由當(dāng)時(shí)的地球引力和風(fēng)力強(qiáng)度決定。地磁場(chǎng)和重力對(duì)風(fēng)成黃土磁化率各向異性影響甚小,從而各向異性主要受氣流控制。而黃土的沉積受著冬季風(fēng)和夏季風(fēng)的交替控制,一方面,冬季風(fēng)從我國西北物源區(qū)搬運(yùn)粉塵物質(zhì)沉積于黃土高原;另一方面,夏季風(fēng)在不斷改造冷期時(shí)堆積的黃土,使之土壤化,這樣在某種程度上也就破壞了冬季風(fēng)形成的磁面理、磁線理等,進(jìn)而影響黃土的AMS。研究區(qū)位于甘肅會(huì)寧,氣候干旱,離物源區(qū)近,主要受冬季風(fēng)的影響和控制(見圖4b和4d),因此夏季風(fēng)對(duì)該地區(qū)的AMS影響不會(huì)太強(qiáng)烈,而AMS特征則主要反映了冬季風(fēng)的強(qiáng)度與方向。由圖5a得知,Dmax主要位于NW向,表明該地區(qū)盛行冬季風(fēng)主要集中在NW向。另外,還統(tǒng)計(jì)得出Dmax玫瑰花圖(見圖5b)。可以看出,S1以來,主導(dǎo)風(fēng)向主要集中在308.9°(圖中雙向箭頭所示