末次冰期东海嵊山岛黄土元素地球化学特征及其古气候意义_赵庆.pdf

年第 卷第 期，地 球 与 环 境 末次冰期东海嵊山岛黄土元素地球化学特征及其古气候意义赵庆，王辉，郑祥民，周立旻，陈圆圆，吕红华，任少芳（华东师范大学 地理科学学院 地理信息科学教育部重点实验室，上海）摘 要：以东部季风区浙江省舟山群岛嵊山岛黄土沉积为研究对象，在光释光测年基础上，探讨黄土沉积的元素地球化学等特征并揭示其记录的古气候意义。光释光年代结果显示，嵊山岛黄土堆积于末次冰期时期。黄土中地球化学成分以、和 为主，占比.，与黄土高原洛川剖面中黄土层和古土壤层以及镇江下蜀黄土样品相比，嵊山岛黄土常量元素中的铝、铁元素表现为相对富集，钙、钠和钾元素相对亏损，化学蚀变指数 为.。从东部嵊山岛到西北黄土高原洛川，不同区域黄土风化强度差异显著，总体表现为：嵊山岛黄土镇江下蜀黄土陆源页岩洛川古土壤洛川黄土上陆壳（）。嵊山岛黄土沉积剖面磁化率平均值为.，磁化率随剖面深度变化明显。结合磁化率指标，嵊山岛黄土地球化学记录揭示了末次冰期间冰阶时期气候大体呈现由暖湿至冷干再至暖湿的波动特征，这与会宁黄土、下蜀黄土等所反映的 时段气候变化情况具有一致性。嵊山岛黄土沉积记录末次冰期间冰阶时期气候特征也与全球气候变化具有一致性。关键词：岛屿黄土；地球化学元素；化学风化；气候变化中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：.收稿日期：；改回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）。第一作者简介：赵 庆（），男，博士，工程师，研究方向为地球化学和古环境演变。：通讯作者：王 辉（），男，博士，讲师，研究方向全球变化。：我国黄土沉积分布十分广泛，从西部山麓盆地到中部黄土高原，再至东部平原，并一直延伸到东海岛屿，黄土沉积记录的气候变化可与大洋沉积以及冰芯所记录的全球气候形成很好对应。末次冰期气候总体干冷，我国黄土沉积记录显示末次冰期气候波动频繁，除百年到千年尺度的 旋回外，也呈现出早期气候干冷，中期气候温湿波动加剧，再至晚期气候干冷的演化过程，在末次冰期中期气候相对温湿的 时段也呈现出早期相对温湿至中期冷干，再至相对温湿的波动旋回特征。黄土磁化率作为反映夏季风强弱的一项重要指标，记录地质历史时期气候演变特征。黄土沉积中的地球化学元素特征，尤其是地球化学元素迁移淋溶和富集特征，揭示了黄土沉积所经历化学风化的程度，这与当时气候具有密切联系。前人不仅对黄土高原黄土沉积的地球化学元素和磁化率特征等开展大量研究，揭示当时气候变化情况，同时也对地处不同气候区域的新疆黄土、长江中下游下蜀黄土，以及南方红土等开展了深入研究。除此以外，位于东部典型季风区的岛屿黄土也受到一定关注，但关于东海嵊山岛黄土沉积年代、黄土中地球化学元素特征，以及其所记录的气候变化等研究工作比较有限。本文在光释光测年基础上，对东海嵊山岛黄土地球化学元素组成、化学风化强度等进行综合分析，并在与下蜀黄土、洛川黄土等对比分析基础上，探讨东海嵊山岛屿黄土地球化学元素构成特征、风化强度等，同时结合黄土剖面磁化率变化，进一步揭示岛屿黄土所蕴含的古气候变化意义。研究区概况 嵊山岛隶属舟山市嵊泗县，位于浙江省东部，处于浙江舟山渔场中心区域，位于东海马鞍列岛核心位置（图）。嵊山岛地势东面高，西南低，呈西北东南走向，地貌类型为低山、丘陵。岛屿南北长约.，东西宽约.，总面积约.，海岸地 球 与 环 境 年图 嵊山岛采样点示意图 线.，且曲折多变，沿岸多为岩礁底质，岩壁陡峭。陈钱山是嵊山岛最高峰，海拔.。嵊山岛主要由花岗岩基岩组成，大部分基岩裸露地表，在裸露花岗岩基岩山坡上，覆盖着片状黄土层，与第四纪松散沉积物混杂，厚度随岛上地形起伏变化。嵊山岛气候属北亚热带海洋季风气候，受海洋气流作用明显，冬季受内陆高压影响，盛行西北风，低温干燥；夏季盛行东南风，在季风作用主导下高温多雨。从地面累年值月值数据分析可知，嵊泗列岛夏季累年最多风向为南风，冬季累年最多风向为西北风，多年平均气温为.，平均降水为 。八九月份潮位最高，二三月份潮位最低，潮汐类型为半日潮，最大潮差约.，所处海域海水盐度约。研究材料与方法 本研究所选取的研究剖面位于嵊山岛陈钱山东北坡海拔 处（.，.）。整个剖面质地较为均一（图），上部 为人类活动干扰层，土质较为松散，且有较多植物根系及腐烂痕迹，无明显层理，人类活动干扰层以下为黄土层，质地坚硬，致密度随深度增加而增加，垂直节理发育，钙质结核明显，并有少量的铁锰结核，剖面底部为基岩风化层。从本研究地层所处地形、地貌、沉积信息以及基岩母质等信息可以看出该剖面是东海岛屿风成黄土典型剖面，而非基岩坡积、人为堆积等所致。通过对剖面的详细观察后开展系统取图 采样点剖面示意图 样，此剖面总厚度为，剖面 至地表，受人为活动影响较大，取 个样品。从 的地层按照 的间隔取得样品。第 期赵 庆等：末次冰期东海嵊山岛黄土元素地球化学特征及其古气候意义在磁化率分析中，将野外采集的所有样品置于 的烘箱内恒温烘干。称取 烘干的样品用塑料保鲜膜包起来，装入体积为 磁学专用塑料盒中，压紧盖好后，利用华东师范大学河口海岸学国家重点实验室的 双频磁化率仪（英国）进行磁化率测定。在地球化学元素分析过程中，将黄土样品置于玛瑙研磨碗中研磨，并过 筛。称取约 研磨后的过筛样品倒入直径约、厚约.的圆形磨具中央，将样品送至压样机压制。压样机加压并保持在.约 后，自然泄压，待测样品制备完成。将制作好的样品置于 荧光光谱仪（）（日本）中进行测试，完成所需、等常量元素和、等微量元素测定，测试过程中使用 标准物质进行质量控制，样品分析误差小于。表 嵊山岛黄土剖面光释光年代测定结果 剖面深度 （）（）实测含水量 环境剂量率（）等效剂量 年龄 嵊山岛屿剖面.在光释光年代测定过程中，选取嵊山岛黄土剖面深度、和 位置，剥去采集剖面的表层样品，然后用长约 ，直径约 的钢制采样管进行光释光样品采集。用避光材料封闭钢制采样管一端，用塑料锤将采样管另一端垂直砸入黄土新鲜剖面采集光释光样品。所有光释光样品均以常规前处理方法获得石英颗粒，即样品前处理在暗室条件下开展，取出采样管两端样品开展、以及含水量测定，采样管中心样品分别用双氧水和盐酸去除有机质和碳酸盐，过湿筛并去除重矿物后，通过蚀刻去除长石并消除石英颗粒表面影响，最终获得 的中石英颗粒和 的粗石英颗粒进行测年。所有石英等效剂量（）均以单片再生剂量法（）完成测试，所有样品的、含量均以中子活化法（）测试，样品含水量为实测含水量，考虑到地质时期含水量变化，给定绝对误差，样品光释光年代测量在南京大学地理与海洋科学学院光释光测年实验室完成。结果与讨论.黄土沉积年代 如表 所示，嵊山岛黄土沉积在剖面深度、和 处光释光年代样品等效剂量测试结果分别为.、和，相应年代测试结果分别为.、.、.和.。根据已有的对东部岛屿黄土沉积年代分析，也显示浪岗山和嵊山岛黄土沉积于末次冰期时期。嵊山岛黄土沉积的采样剖面质地均一，同时结合剖面不同深度测年结果，未发现明显的地层倒置情况，所以认为该黄土剖面为连续沉积，结合光释光年代测定结果，嵊山岛黄土堆积于末次冰期时期。.元素含量特征及分布模式 根据表 中嵊山岛黄土与黄土高原洛川黄土、洛川古土壤、镇江下蜀黄土、以及上陆壳（）和陆源页岩中常量元素平均含量的比较可知，嵊山岛黄土沉积中常量元素组成主要为、和，平均百分含量分别为.、.和.。、和 的平均百分含量分别为.、.、.、.、.、.和.，剖面中常量元素含量顺序呈现 的变化规律。从各区域风成沉积中常量元素平均化学组成可以看出，嵊山岛黄土中除 含量稍高以外，其他常量元素平均含量与不同区域的风成沉积大体一致。几处风成沉积中、和 三种主要成分平均含量均在 以上，三种成分平均含量和其在陆源页岩和上陆壳（）中含量较为接近，指示几处沉积物质在搬运堆积过程中混合较为均匀。与其他几处不同区域的风成沉积相比，嵊山岛黄土沉积中平均百分含量稍低，、和 平均百分含略高，三种成分平均百分含量之和达.。地 球 与 环 境 年表 嵊山岛黄土中常量元素含量及与其他风成沉积的比较 样品类别指标最小值.嵊山岛黄土最大值.平均值.洛川黄土平均值.洛川古土壤平均值.镇江下蜀黄土平均值.上陆壳（）平均值.陆源页岩平均值.在洛川黄土、洛川古土壤和镇江下蜀黄土中，、和 三种成分平均含量之和分别为.、.和.，区域气候差异可能是造成几处风成沉积常量元素含量差异的主要原因。根据表 数据，在计算嵊山岛黄土中常量元素含量平均值基础上，结合洛川黄土、洛川古土壤和镇江下蜀黄土中常量元素平均含量和上陆壳（）中相应元素含量情况进行对比分析，形成不同区域黄土堆积中常量元素的 标准化曲线分布图（图）。图 洛川黄土、洛川古土壤、镇江下蜀黄土和嵊山岛黄土常量元素 标准化曲线图 ，洛川黄土、洛川古土壤、镇江下蜀黄土和嵊山岛黄土中常量元素的 标准化分布曲线较为相似，大部分常量元素与 的比值呈现较为一致的波动规律。不同区域黄土、古土壤中常量元素的 标准化数值波动较为一致，变化范围为.，变化范围为.，变化范围为.，变化范围为.，变化范围为.，变化范围为.，变化范围为.，变化范围为.，变化范围为.，变化范围为.，除铝元素以外，其他各常量元素 标准化数值变幅均在.以内，变化幅度均值为.，这也进一步揭示了嵊山岛黄土可能与洛川黄土、镇江下蜀黄土具有相似的沉积基础。与洛川黄土、洛川古土壤及镇江下蜀黄土相比，嵊山岛黄土常量元素中的铝和铁表现为相对富集，钙、钠和钾元素相对亏损较高。这主要是由于各黄土堆积所处不同区域气候差异所引起淋溶程度差异及堆积后期所经历的化学风化强度不同所致。.化学风化特征 在黄土化学风化研究方面，黄土中元素氧化物比率通常可以作为沉积剖面风化程度的度量指标。常用的元素地球化学参数包括：化学蚀变指数 第 期赵 庆等：末次冰期东海嵊山岛黄土元素地球化学特征及其古气候意义（），公式中氧化物为分子摩尔数，为硅酸盐矿物中摩尔量，其他参数有残积系数（）（），淋溶系数（）和退碱系数（）等。在化学风化过程中，长石蚀变，大量的离子态碱金属淋溶流失，随着风化强度的变化，、淋溶，、富集，尤其是 的含量也随之发生明显变化。所以化学蚀变指数 可以很好表征黄土所经历的化学风化程度。虽然几处不同区域黄土的沉积基础较为相似，但由于区域环境的差异使得不同区域的黄土沉积所经历的化学风化过程也不相同。根据表 可知，嵊山岛黄土 数值范围为.，平均值为.，与陆源页岩、上陆壳（）、镇江下蜀黄土、洛川黄土和古土壤相比，嵊山岛黄土化学蚀变指数 数值最大，指示嵊山岛黄土经历最强的化学风化作用。和上陆壳（）及陆源页岩相比，从东部岛屿至西北洛川，不同区域黄土风化强度序列为：嵊山岛黄土镇江下蜀黄土陆源页岩 洛川古土壤 洛川黄土 上陆壳（）。淋溶系数和退碱系数反映黄土沉积在化学风化过程中相对易溶性元素和惰性组分之间的消长关系，指示化学风化过程中钙、钠等易溶性元素的淋溶迁移情况，气候温暖湿润时淋溶系数和退碱系数数值减小，化学风化强度高；残积系数常反映黄土沉积在化学风化过程铁、铝元素的相对富集和沉淀情况，与化学风化强度呈正比关系。尽管洛川黄土、洛川古土壤、镇江下蜀黄土和嵊山岛黄土有着较为相似的沉积基础，但由于化学风化程度的差异，也使得几处黄土中的特征元素比值有所差异。如图 所示，特征元素比值的变化规律也进一步反映几处黄土剖面化学风化程度差异。从洛川黄土、洛川古土壤，镇江下蜀黄土到嵊山岛黄土，几处黄土残积系数随化学蚀变指数的增大而增大，淋溶系数和退碱系数随化学蚀变指数的增大而减小，指示由洛川黄土、古土壤，到镇江下蜀黄土再至嵊山岛黄土，更多的钙和钠元素被淋溶，更多的铝和铁元素富集，这也一定程度上指示了洛川黄土、镇江黄土和嵊山岛黄土所经历风化作用依次增强。三角图（即 ）可以较为直观地反映化学风化过程中矿物成分的变化，反映沉积剖面所经历的化学风化状况，用来图 不同区域黄土沉积在化学蚀变指数与残积系数、淋溶系数、退碱系数关系图中的位置 指示沉积物化学风化过程中矿物成分变化和风化趋势。根据物质质量平衡的原理，通过对矿物淋溶和稳定性的计算，结合嵊山岛黄土数据，以及上陆壳、洛川黄土和镇江下蜀黄土数据。从图 中所显示的各个