青藏高原东北部全新世常量元素地球化学特征及环境演变_胡梦珺.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023胡梦珺，庄静，孙文丽，等.青藏高原东北部全新世常量元素地球化学特征及环境演变 J.中国沙漠，2023，43（2）：11-20.青藏高原东北部全新世常量元素地球化学特征及环境演变胡梦珺，庄静，孙文丽，郑登友，吉天琪，许澳康（西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070）摘要：对青藏高原东北部风成砂-古土壤序列泽库剖面（ZK剖面）常量元素氧化物含量及其比值进行分析，结合14C测年，揭示其常量元素地球化学特征，探讨了青藏高原东北部全新世环境演变。结果表明：（1）剖面沉积物的化学组成以SiO2、Al2O3、CaO为主，其中SiO2和CaO的标准差较高，对气候变化较为敏感。（2）自剖面底部向上SiO2含量和残积系数呈现先减少后增加的趋势，高值指示冷干的气候意义，CaO含量和退碱系数则相反，高值指示温湿的气候意义。（3）9.4 ka BP以来青藏高原东北部的气候经历了由温湿向冷干的转变过程，可划分为9.44.2 ka BP气候温湿期和4.2 ka BP至今气候冷干期；其中在6.66.2 ka BP、2.42.0 ka BP和1.71.5 ka BP存在次一级的气候波动。关键词：常量元素；全新世；环境演变；青藏高原东北部文章编号：1000-694X（2023）02-011-10 DOI：10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00103 中图分类号：P596 文献标志码：A0 引言 青藏高原东北部位于亚洲季风区西北缘，受季风环流和西风环流的共同影响1-2，对气候变化极其敏感，特殊的地理背景使其成为研究气候变化的理想场所。全新世是人类文明发展的重要地质历史时期，与现代人类关系密切，对该时期气候环境演变的研究已经成为古气候研究的热点。研究表明，全新世的气候变化不稳定且存在周期性的气候波动3-4。因此，研究全新世的气候环境演变，对于认识当前的气候变化和预测未来的气候变化具有重要意义。近几十年来，众多学者利用粒度、磁化率、元素和孢粉等多项气候代用指标分别对共和盆地5-7、青海湖盆地8-11和柴达木盆地12-14不同类型沉积物进行了研究，重建了青藏高原东北部全新世千年尺度的气候变化过程。然而，由于气候代用指标和测年结果的差异性，青藏高原东北部全新世以来的气候变化仍然存在一定的争议性，如共和盆地风成沉积微量元素记录的青藏高原东北部 9.24.6 ka BP气候相对冷干，4.60.7 ka BP气候相对暖湿15；而青海湖湖东沙地风成沉积粒度和磁化率记录的青藏高原东北部 9.04.2 ka BP水热组合条件较好，成壤作用较强，4.2 ka BP之后风沙活动增强，气候向干冷发展16。可见，利用不同的气候代用指标研究青藏高原东北部全新世的气候环境演变在千年尺度上仍存在较大的差异。因此，仍需对青藏高原东北部全新世的气候变化开展研究，为其提供补充资料。本文选取青藏高原东北部风成砂-古土壤序列泽库剖面（ZK剖面）为研究对象，通过对剖面沉积物常量元素的地球化学特征进行分析，结合14C测年，对区域全新世千年尺度的气候环境演变进行进一步研究。1 研究区概况 泽库县（3445 3532 N，10034 10208 E）位于青藏高原东北部，隶属于青海省黄南藏族自治州（图1）。地处昆仑山系西倾山北麓，全境东西较狭长，地势由东向西倾斜，境内大部分地区在海拔大于3 500 m。泽库县属高原大陆性季风气候，夏季短促凉爽，冬季漫长干冷、多大风。年均气温-2.4收稿日期：20220420；改回日期：20220707资助项目：国家自然科学基金项目（41171018，41161036）作者简介：胡梦珺（1974），女，甘肃庆阳人，博士，副教授，主要研究方向为寒旱区环境演变与元素地球化学。E-mail：中国沙漠第 43 卷2.8，年均降水量460 mm，年均蒸发量1 325.8 mm，年均日照时数2 5662 675 h。水资源较为丰富，境内有主要河流13条，其中泽曲河属县内最大河流，最后汇入黄河。植被以高寒草甸为主，土壤类型多样，以高山草甸土、高山灌丛草甸土、山地草甸土和沼泽土为主。2 数据来源与研究方法 2.1剖面概况与采样方法ZK剖面（3519 N，10054 E）为青藏高原东北部一山间盆地新月形沙丘，海拔 3 312.74 m，厚度338 cm。对ZK剖面进行高密度连续采样，按2 cm间隔共采集土壤样品169个，同时在剖面沉积质地明显差异处采集14C测年样品8个。根据野外观察剖面岩性特征及室内粒度分析，将ZK剖面划分为9层，具体形态特征描述如表1。2.2测定方法样品在室内自然风干、去除植物根系和杂质，称取风干样品 5 g，用振动磨研磨至粒径 200 目以下。取研磨后样品，用半自动压样机压制成外径为32 mm、外侧加以硼酸固定的同心圆饼状标本，采用荷兰帕纳科公司生产的X-Ray荧光光谱仪进行常量表1 ZK剖面地层特征Table 1 Stratigraphic characteristic of ZK profile深度/cm0343473739999129129176176213213267267282282338地层表土层（ZK1）风成砂层（ZK2）弱砂质古土壤层（ZK3）风成砂层（ZK4）弱砂质古土壤层（ZK5）风成砂层（ZK6）弱砂质古土壤层（ZK7）风成砂层（ZK8）弱砂质古土壤层（ZK9）特征描述灰褐色粉砂-细砂，块状结构，稍紧实，多现代植物根系暗灰色，稍紧实，可见植物根系暗褐色粉砂-细砂，块状结构，较紧实，可见少量植物根系浅灰色，稍紧实暗褐色粉砂-细砂，块状结构，稍紧实，可见少量植物根系灰黄色，稍紧实暗褐色粉砂-细砂，块状结构，稍紧实，可见少量菌丝体暗灰色，稍紧实暗褐色粉砂-细砂，块状结构，稍紧实，可见少量菌丝体图1研究区Fig.1Location of the studied area12第 2 期胡梦珺等：青藏高原东北部全新世常量元素地球化学特征及环境演变元素含量测定（测定误差小于5%）。常量元素分析结果以氧化物形式给出，单位为%。常量元素测定在中国科学院西北生态环境资源研究院沙漠与沙漠化重点实验室完成。年代测定在中国科学院地球环境研究所加速器质谱中心完成，测年结果如表2所列。依据上述测年结果，计算出ZK剖面的沉积速率，进而推算出129 cm处的年代约为2 002 a BP。3 ZK剖面常量元素地球化学特征及古气候意义 3.1常量元素氧化物含量特征常量元素的含量可以用来判定沉积物的物源及沉积环境等特征，对古气候环境具有指示意义17。ZK剖面常量元素氧化物含量的总体特征为（表 3）：SiO2、Al2O3、CaO 含量较高，范围分别为63.73%71.62%、9.44%10.58%、3.49%6.28%，平均 值 分 别 为 67.85%、9.91%、4.59%；Fe2O3、Na2O、K2O、MgO次之，范围分别为 2.92%3.42%、2.27%2.55%、1.77%2.00%、1.00%1.47%，平均值分别为3.13%、2.39%、1.90%、1.18%。全剖面中常量元素氧化物的平均含量呈现出 SiO2Al2O3CaOFe2O3Na2OK2OMgO的规律。ZK剖面中，SiO2（1.85%）和 CaO（0.65%）的标准差较高，表明 SiO2和 CaO含量随气候波动变化明显，对气候变化敏感。从垂直方向上看（图2、表3），ZK剖面常量元素氧化物含量随深度的变化特征为：SiO2含量自剖面底部向上呈现出波动性地先减少后增加的趋势；Na2O含量的波动变化相对较小；CaO含量自剖面底部向上呈现出波动性地先增加后减少的趋势；MgO、K2O、Al2O3、Fe2O3含量自剖面底部向上呈现出表2ZK剖面14C测年数据Table 2The data of 14C ages of the ZK profile深度/cm3034737599103171176213218262267282286332337样品编号XA12698XA12699XA12700XA12701XA12702XA12703XA12704XA1270513C/13C-25.58-24.68-24.64-24.52-24.79-25.88-24.94-26.16误差（1）0.140.090.080.090.090.100.080.09pMC/%pMC92.0982.4580.1674.2262.1151.0748.5135.18误差（1）0.360.310.270.240.300.200.220.1914C年龄/a BP14C年龄6621 5501 7772 3953 8265 3995 8118 393误差（1）3130272639313643校正年代/a BP6641 5131 7092 4614 2906 2776 6659 480表3ZK剖面常量元素氧化物含量（%）Table 3Content of major element oxides of the ZK profile氧化物SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2O地 层ZK168.929.723.021.084.222.391.87ZK269.839.923.071.093.922.371.92ZK369.319.903.091.103.972.411.90ZK469.429.703.091.073.842.401.86ZK568.6510.033.211.174.312.381.92ZK667.769.943.121.195.102.371.91ZK765.7210.063.141.305.442.401.91ZK865.719.893.171.265.092.401.89ZK966.239.903.211.244.902.401.90全剖面平均值67.859.913.131.184.592.391.90标准差1.850.270.100.110.650.030.05变化范围63.7371.629.4410.582.923.421.001.473.496.282.272.551.772.0013中国沙漠第 43 卷峰谷交替的变化趋势，峰值多出现在弱砂质古土壤层，谷值多出现在风成砂层。以深度213 cm为界，在深度213 cm以下SiO2含量的平均值（65.89%）低于深度 213 cm 以上 SiO2含量的平均值（68.98%）；Na2O（2.40%）、CaO（5.14%）、MgO（1.27%）、K2O（1.90%）、Al2O3（9.95%）、Fe2O3（3.17%）含量的平均值 均 高 于 深 度 213 cm 以 上 Na2O（2.38%）、CaO（4.23%）、MgO（1.12%）、K2O（1.89%）、Al2O3（9.87%）、Fe2O3（3.10%）含量的平均值。SiO2在风成砂层中含量（68.18%）较高，表现为相对富集，在弱砂质古土壤层中含量（67.48%）较低（表3）；Na2O（2.40%）、CaO（4.66%）、MgO（1.20%）、K2O（1.91%）、Al2O3（9.97%）、Fe2O3（3.16%）则相反，在弱砂质古土壤层中含量较高，表现为相对富集，在风成砂层中 Na2O（2.39%）、CaO（4.49%）、MgO（1.15%）、K2O（1.89%）、Al2O3（9.86%）、Fe2O3（3.11%）含量较低。3.2常量元素氧化物比值特征由于化学风化过程中活动性元素的迁移淋失会造成稳定性元素浓度的相对增加，使得单个元素的绝对含量不能真实地反映风化成壤过程中元素的地球化学行为18。而地球化学元素综合参数可以克服单一元素对环境响应的不确定性19，能够更好地反映沉积物的化学风化程度和气候演变规律。本文选取了化学蚀变指数、钠钾比、硅铝比、残积系数和退碱系数对ZK剖面各地层沉积环境进一步深入分析（表4，图3）。化学蚀变指数（CIA=Al2O3/