中更新世以来的哈尔滨黄土物源变化——来自TIMA自动定量矿物的证据北大核心CSCD

黄土隐含丰富的古气候信息,了解其物源变化对理解亚洲内陆干旱化、大气环流模式和亚洲季风演变至关重要。哈尔滨荒山剖面地层出露厚度大,地层连续,保存了松嫩平原最完整的黄土-古土壤序列。此外,重矿物在河流源-汇研究中得到广泛应用,但在风成沉积物中较少。定量矿物学方法分析速度快,能在较短时间内获得大量数据。因此,我们对哈尔滨黄土-古土壤序列进行TIMA(TESCAN Integrated Mineral Analyzer)自动定量矿物分析及年代学(OSL、ESR和14C)测试,以期了解哈尔滨黄土在冰期-间冰期时间尺度上的物源变化。结果表明:TIMA方法鉴别的矿物种类高于传统方法,且TIMA定量的重矿物含量与传统方法相比存在一定的差异,但两者揭示的重矿物组合基本一致。黄土-古土壤序列在15.1 m(234.2 ka)上、下地层的20—63μm组分的铁板钛矿、闪石类、锆石、磷灰石、金红石、钛铁矿、铬铁矿、榍石、辉石以及重矿物特征指数(ZTR和GZi)等存在明显不同的变化特征;然而,除了铁板钛矿和独居石外,<20μm组分并没有表现出如此特征。黄土-古土壤序列上、下地层重矿物组成的差异指示了哈尔滨黄土物源的变化。15.1 m以下,哈尔滨黄土除了接受松嫩沙地的近源粉尘贡献外,也有远源(比如,浑善达克和科尔沁沙地)粉尘的贡献。随着干旱化气候的加剧,松嫩沙地范围扩大,使得15.1 m以上黄土的远源贡献比例减少,近源贡献显著增加。即增强的气候干旱化导致的松嫩沙地粉尘源区范围扩大,是哈尔滨黄土物源发生变化的主要原因。     

哈尔滨黄土的粒度与地球化学特征及其对粉尘物源的指示

哈尔滨黄土位于欧亚黄土带的最东端，对它的风尘物源研究是深层次理解风尘堆积与区域构造-地貌-气候变化耦合关系的关键。然而，对哈尔滨黄土地球化学组成的研究尚未开展，对其性质还存在认识上的不统一。为此，我们研究了哈尔滨天恒山剖面L₁黄土层的粒度和地球化学组成，并对其化学风化和物源等展开讨论。为了示踪哈尔滨黄土的物源，我们还对东北沙地（浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼伦贝尔沙地和松嫩沙地）进行了表土采样和地球化学分析。结果表明：哈尔滨黄土不含细砂组分（125~250 μm），含有极细砂组分（63~125 μm，4.8%~10.5%），粉砂（4~63 μm）和黏土组分（<4 μm）占绝对优势，分别占73%~82%和12%~18%；粒度模式为三峰态分布（众数分别为36~40、8~10 μm和0.8 μm），与黄土高原典型黄土的粒度分布模式一致，但明显粗于黄土高原中部黄土。哈尔滨黄土经历了初级的化学风化过程，具有较低的成熟度和再循环历史。单靠地球化学方法不能很好地确定哈尔滨黄土的物源，但整合的方法（包括粒度、元素和同位素组成、MDS和PCA统计方法以及自然地理要素等）很好确定了哈尔滨黄土有一个混合源，松嫩沙地松花江水系沉积物为哈尔滨黄土提供了主要的粉尘贡献，浑善达克沙地和科尔沁沙地为哈尔滨黄土提供了部分细颗粒粉尘。     

1.08Ma以来中国东北赤峰地区黄土粒度变化及其揭示的沙地扩张事件

科尔沁和浑善达克沙地周边沉积了中国东北地区目前已知的保存完好、沉积年代最久远的黄土,是研究区域干旱化过程和沙地演化的理想材料。通过对内蒙古自治区赤峰市附近约1.08 Ma以来约60m厚黄土剖面的高分辨率粒度分析,发现该地区黄土具有典型风成沉积特征,并且其沉积过程受东亚季风在冰期-间冰期周期性变化影响。由于距离粉尘源区较近,这些黄土序列记录了中更新世以来冬季风增强导致的源区沙漠/沙地的阶段性干旱化和发生于~670ka和~943ka的两次沙漠/沙地扩张事件。新揭示的干旱化事件与中国西部-中部的环境演变过程一致,可能是中更新世气候转型时期阶段性全球冰量增加、温度降低驱动中国东北地区更新世气候演化的结果。     

两个冰期-间冰期旋回的黄土记录及其古气候意义

北京邻区枣沟、斋堂和赤峰黄土－古土壤剖面粒度和磁化率变化在幅度和相位上都有明显的差异。在两个冰期－间冰期旋回，磁化率记录具有冰量变化模式，而粒度记录具有轨道周期特点，粒度和磁化率之间的相位关系在从冰期向间冰期转换和冰期向间冰期过渡的过程中，既有滞后也有超前的表现，很难单纯以成土作用来解释。由于黄土粒度主要反映粉尘源区环境和古风场强度的变化，而磁化率主要记录的是沉积区的成壤作用，反映夏季风的强度变化，因此剖面粒度和磁化率变化的不协调说明古风场和粉尘源区变化与粉尘沉积区气候变化之间不统一。这可能意味着控制夏季风强度变化和控制冬季风强度变化的机制存在差异。     

表土分粒级碳酸盐与碳同位素分布特征及其凤尘源区示踪意义

对科尔沁沙地、松嫩沙地及哈尔滨道路松散裸土等不同区域表土样品进行粒度分级,分别测定碳酸盐含量和碳同位素组成,发现大部分沙地样品和全部道路表土样品的碳酸盐含量随粒度变细而增大.松嫩沙地的部分样品和科尔沁沙地的大部分样品碳酸盐含量随粒度变化还表现出其它复杂关系,风成砂和经历过强烈成壤作用改造的沙地样品中的碳酸盐含量与粒度的关系皆表现为随粒度变细而减小;大部分沙地样品和道路表土样品不同粒级组分的碳酸盐δ13C组成表现出随粒度变细而趋于偏正的特征,但变化范围较小.松嫩沙地和科尔沁沙地碳酸盐含量的地区差异性极不明显,且各粒级组分碳酸盐含量的变化幅度大大超过了其碳酸盐区域差异值,故不能作为区分松嫩沙地和科尔沁沙地风尘源区的示踪指标;而科尔沁沙地和松嫩沙地碳酸盐δ13C组成存在明显差异,且不同粒级组分碳酸盐δ13C值差别较小,是一个比碳酸盐含量更好的风尘源区示踪指标.     

鄱阳湖西南缘的历史近源风成堆积的粒度特征

在鄱阳湖西南缘，风成砂质堆积的下风向，有厚层黄棕壤发育，OSL年代显示，为末次冰期风沙和风尘堆积。在厚田—打鼓岭断面，对沙山到黄棕壤的沉积物粒度并结合地貌学进行分析，发现：沿现代冬季风方向（NE 30°）自东北向西南，地表沉积相为沙—沙黄土—粘黄土逐渐过渡，粒度组成和粒度参数表现出从北而南的系统性变化，显示搬运动力和物源均单一且稳定；粒度参数与物源地的距离，服从对数函数分异模式，在约20km范围之内，变化最剧烈，之后渐趋平稳，20 km是碎屑分选的特征距离。研究结果给出了鄱阳湖西南存在风沙—风尘堆积体系的证据，并揭示了近源风成堆积沉积指标的变化规律，可为粉尘堆积的物源示踪提供相关理论参考。     

晚新生代中国北方风尘沉积的可能物源及变化

中国北方风尘沉积是晚新生代中纬西风和冬季风输送的粉尘相互加积的结果。对北方风尘沉积物来源和搬运动力的分析表明,风尘沉积的物质来源具有多样性,物源类型和分布、传输路径随时间变化。认为亚洲中部山地古风化壳可能是中国北方早期风尘沉积,尤其是第三纪红粘土的重要物源之一;晚新生代的粉尘源区类型由山地因干旱化被风蚀的红色风化壳逐渐向盆地周边被抬升的中、新生代砂泥岩过渡,再由盆地周边过渡到盆地内部的中生代与新生代的河湖沉积物和沙漠。同时大气环流格局的变化相应地导致了粉尘源区分布和传输路径的迁移。     

淮河上游全新世风成黄土-土壤物质来源研究

通过对淮河上游地区河南新郑全新世黄土—古土壤剖面磁化率和粒度的测量分析，揭示了淮河上游地区沙质黄土和古土壤的物质来源。该区黄土—古土壤磁化率明显低于黄土高原区，而粒度明显比黄土高原区粗，属于沙质黄土。通过两地区粒度分布的对比，揭示了它们有不同的粉尘源区，分属于不同的风成系统。淮河上游地区黄土是近源风尘沉积物，粉尘主要来源于孟津以东黄河冲积、洪积扇的松散河流沉积粉沙，实质是黄土高原水土流失的产物。黄河的频繁决口、改道、泛滥沉积为其提供了丰富的物源，其粗颗粒粉尘产生和搬运堆积的动力是东北风。淮河上游地区全新世早期粉尘是近源粗颗粒堆积，堆积速率可达18．6cm／ka，是黄土高原南部地区的2．3倍。     

淮河上游全新世黄土及其沉积动力系统研究

对淮河上游禹州YPC剖面与陇东XJN剖面和关中盆地JYC剖面黄土沉积物进行的分析对比,发现淮河上游地区全新世黄土-土壤剖面与陇东和关中盆地具有相同的沉积和成壤变化过程,但磁化率明显低于陇东和关中盆地,而粒度明显比陇东和关中盆地粗。分析认为,淮河上游和黄土高原地区分属不同的风力系统,有不同的粉尘源区。淮河上游是近源风尘沉积物,粉尘主要来源于黄河下游泛滥平原的风沙地带。其粉尘产生和搬运的动力与黄土高原显著不同,它主要是冬半年华北平原盛行的东北风力系统。     

颖河上游全新世黄土古土壤物质来源研究

淮河支流颖河上游嵩山东麓丘陵台地与河流阶地一典型全新世黄土-古土壤剖面磁化率、粒度成分和 >0.1 mm粒级百分比含量分析结果显示, 该地黄土磁化率明显偏低, 粒度比黄土高原地区粗, 表明该地黄土具有不同的粉尘源区, 由不同风力系统形成。深入论证分析揭示出颖河上游黄土是近源风尘沉积物, 粉尘主要来源于孟津以东黄河冲积、洪积扇的松散河流沉积物。黄河下游的频繁决口、改道、泛滥沉积为风沙活动提供了丰富的物源, 形成风沙活动的动力是东北风。3 100 a B.P.以后气候趋于干旱, 黄河下游泛滥频率增加, 风沙活动范围扩大, 沙尘暴活动强烈。     

地球化学组成揭示的杜蒙沙地化学风化和沉积再循环特征及其对风尘物质贡献的指示

对杜蒙沙地的河流冲积砂、河漫滩泥质粉砂、沙质古土壤和风成沙等不同类型沉积物进行了采样（27组）,对这些样品的细颗粒组分（<63 μm）进行了常量元素、微量元素、稀土元素（REE）和Sr-Nd同位素比值等地球化学分析,就杜蒙沙地的化学风化、沉积再循环特征及其对风尘物质的贡献等展开了讨论。结果显示,杜蒙沙地的地球化学组成表现出空间的均一性,低的化学蚀变指数CIA（48~56,平均52）及A-CN-K和A-CNK-FM图解均表明了杜蒙沙地仅遭受了低级的化学风化程度。沙地的成分成熟度较低,大部分河流沉积物表现出初次循环沉积特征,系大兴安岭东侧中酸性岩浆母岩风化剥蚀的产物经嫩江搬运堆积形成;古土壤表现出与河流沉积物相同的初次循环特征,表明古土壤的成土母质是河流沉积物,这与野外地层出露情况一致;风成沙表现出再循环沉积特征,系河流沉积物就地起沙搬运堆积形成。不活动元素比值、REE和Sr-Nd同位素比值等物源判别图解,结合植被和地貌状况,一致表明杜蒙沙地与东北平原中东部的风尘物质没有地球化学亲缘关系,其对该地区（甚至下风向更远地区）的大气风尘的贡献很小。     

黄土高原现代天然降尘的组成、通量和磁化率

黄土高原现代天然降尘的季节性变化研究表明，矿物粉尘是天然粉尘的主要组成成分，有机质和污染物以夏季粉尘中含量最高，粉尘的磁化率在80－150单位之间，明显高于冰期黄土，指示着间冰期时原始粉尘的磁化率就已受到气候条件的影响，粉尘沉积通量的季节性变化在高原北部较大，中部和南部变化较小，年累积通量也是北部明显高于基本相当的其它地区，分析粉尘沉积的气候过程认为，黄土坑原的天然防尘主要表现为常态存在的非尘暴降尘，大部分为近距离低空再搬运粉尘，其沉积通量与地表的干燥度密切相关，部分来自内陆远源沙漠，通过高空西风气流转输，冬季风粉尘在大部分黄土高原略高于其它季节粉尘，而在西北部显著增高。     

末次间冰期以来渭河上游气候演化的黄土记录研究

对渭河上游樊家台剖面末次间冰期以来黄土地层的粒度与CaCO3进行综合分析表明,末次间冰期时,受夏季风影响较大,粒度较细,CaCO3有较强的淋溶与淀积,气候呈现较为暖湿的特点;末次冰期时,受冬季风影响较强,粒度较粗,CaCO3淋溶淀积微弱,气候较为干冷。间冰期早期（相当于深海氧同位5e阶段）由于夏季风较强,粉尘堆积较少,古土壤向下发育,并与下部土壤融合,导致粒度较5a、5c阶段粗;2阶段的早期,由于粉尘源区出现了高湖面,环境湿度大,造成此时段早期黄土粒度较晚期细;表现出区域气候的特点。     

“成都粘土”的成因、物源、时代及其古环境问题

"成都粘土"由Thorp和Dye于1936年命名,用以指示分布在四川盆地西部、西北部丘陵及高阶地上的含钙质结核粘土。Thorp和Dye并提出,"成都粘土"可能是遭受风化的风尘堆积。在四川盆地西北部,发育完整的第四纪粘土剖面,自上而下可分为三层:"成都粘土"、褐色粘土及网纹红土。在Thorp和Dye之后的70多年间,"成都粘土"成为土壤学家、地理学家和地质学家所共同关注的研究对象。但是,"成都粘土"的成因、物源、时代及其古环境意义,以及"成都粘土"与青藏高原黄土、黄土高原黄土的关系是一个长期争论的、有待解决的科学问题。"成都粘土"作为可能的风成堆积,针对其的研究,对认识和了解地质时期,尤其是冰期和冰消期四川盆地西部及其周边地区风向、大气环流格局及强度,以及风尘源区的植被覆盖及干旱化等古环境变化是十分有意义的。此外,"成都粘土"及其下伏的褐色粘土和网纹红土是著名的超固结性、胀缩性和裂隙性粘土,对于这一特殊土体的研究亦具有重要的理论和实践意义。为此,就有关成都粘土的研究历史进行了回顾,并对今后的研究工作提出如下建议:1.深入调查成都粘土的分布范围及其地貌分布特征;2.开展成都粘土的精细年代学研究并建立标准剖面;3.褐色粘土和网纹红土的成因及物源的深入研究;4.确认"成都粘土"、褐色粘土及网纹红土三者间的关系及可能存在的沉积间断;5.阐明"成都粘土"与川西高原黄土、黄土高原黄土之间的物源关系;6.重建"成都粘土"的风尘传输过程及机制;7.探索各层粘土的成因及后期风化改造对其超固结性、胀缩性和裂隙性发育的影响。     

哈尔滨沙尘暴的化学特征及其物质源探讨

对哈尔滨2002年3月20日的沙尘沉降物进行了收集。地球化学元素分析表明,哈尔滨沙尘暴沉降物化学成分以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主,三者之和达77.8%,比兰州沙尘暴沉积物高8.72%,比兰州黄土高7.06%。V、Rb、Nb、Ba等微量元素含量要明显高于兰州沙尘,而Ni、Cu、Pb、Zn、As、Sr则低于兰州沙尘。Ca、Na、Sr元素的富集因子明显小于1,为亏损元素;Mg、K、Si、Fe、Mn、P、Ti、Co、Ni、V等元素的富集因子都在1左右,主要是地壳来源,来源于地表土的风力起尘。Cu、Pb、Zn、Cr、Se等元素有一部分来自于地壳源之外的其他污染源;As、Cd和Sb元素的富集因子大于10,为大气污染来源。沙尘的化学组成及富集因子、判别函数、物源指数、地表土的粘粒率、化学风化指标等分析表明,西北黄土的元素组成非常接近兰州沙尘,而明显不同于哈尔滨沙尘,哈尔滨沙尘源区不同于西北黄土及兰州沙尘,其气候生物状况和化学风化程度要明显好于或高于西北沙尘源区。     

高海拔干旱区湖泊沉积物多指标记录的环境变化研究——以阿克赛钦湖为例

青藏高原西北部湖泊沉积物记录了丰富的区域气候环境变化信息,对于揭示青藏高原西风-季风环流系统变化及其相互作用过程具有重要意义.通过对青藏高原西北部高海拔干旱区典型湖泊阿克赛钦湖沉积岩芯粒度、总无机碳(Total inorganic carbon,TIC)、总有机碳(Total organic carbon,TOC)、总...     

东海浪岗山列岛风尘沉积的新证据

通过对浪岗山黄土粒度组成、磁化率、碳酸盐、微量化学元素、粘土矿物进行测试和分析,并与其他黄土地层对比发现:1)浪岗山黄土具有10~50μm粒组富集、磁化率为69.3×10-8~93.8×10-8m3kg-1、粘土矿物以伊利石为主(64.91%~79.35%)等与其他风成黄土相似的风尘沉积特征;2)根据红外释光测年(IRSL)结果,浪岗山黄土剖面底部的沉积年代为41.0±2.5 kaB.P.,而沉积速率较快(约为1.53 mm/a),应为晚更新世短期内快速堆积的一例风成黄土地层;3)与内陆黄土相比,浪岗山黄土大于50μm粒组均超过10%,明显偏高,表明该剖面除接受来自西北内陆的远源风尘物质外,还接受来自东海陆架的“近源”风尘物质;4)与内陆黄土相比,浪岗山黄土磁化率变化范围不大、碳酸盐含量极低、蛭石含量偏高、微量元素含量偏低,应考虑剖面沉积后气候环境的长期改造作用。     

北冰洋阿尔法脊晚第四纪沉积有机质的来源变化及其古环境意义

为探讨晚第四纪有机碳埋藏情况变化与海冰覆盖和环流等变化之间的关系,分析了北冰洋阿尔法脊08B85-D孔沉积物的Mn和Ca含量、粒度组成、有机碳含量和有机碳δ13C组成。结果表明有机碳含量并不具备冰期-间冰期旋回性,有机碳来源具有4种不同模式,海冰覆盖程度和波弗特环流的强度共同决定了阿尔法脊处有机碳来源的构成,在MIS7内若干时段海冰覆盖极少,极盛的波弗特环流可将陆源有机质直接输送至阿尔法脊处,使沉积有机质中陆地来源占主导,形成了具有地层对比意义的独特信号。在MIS6-MIS1,08B85-D孔有机碳始终以海洋源贡献占主导,与海冰覆盖程度维持在较高水平,限制了陆源有机碳的输送有关,特别是在MIS6和MIS4-MIS3时,海冰很盛,波弗特环流有可能消亡。     

罗马尼亚Mircea Voda剖面黄土粒度特征及其成因指示

Mircea Voda剖面是欧洲典型的黄土剖面之一,本文对Mircea Voda黄土剖面序列S0-S3进行了系统的粒度分析,并与中国黄土高原典型的黄土剖面洛川剖面、西峰剖面等进行了对比研究。结果显示,黄土粒度组成以粒径为4μm-63μm粉砂为主,其平均含量为78. 22%,呈现出风成成因的基本特征,且不同深度样品的粒度组成具有较高的均一性,显示该区黄土具有相同的物质来源。粒度频率曲线呈现为以突出的第一众数20μm～35μm,分选较好的单峰正偏态分布特征,说明粉尘在沉积之前经过了充分的混合。粒级主要组分集中在粗粒端,但在细粒端1μm附近存在第2个分量,这种特征与中国黄土高原黄土的粒度特征十分相似。计算得沉积物环境判别参数Y值均小于-2. 741 1,通过与水成沉积物判别值Y的比较,进一步证实了Mircea Voda剖面黄土为风成成因特征。     

哈尔滨沙尘暴沉降物特征研究

从沉积学角度对哈尔滨2002年3月20日的沙尘暴沉降物进行了粒度组成和化学成分分析。研究结果表明,沙尘含有大量的粗颗粒物质,表现出明显的三峰分布特征,说明它是由多种成因的组分构成。其粒度组成以粉砂(4~8Ф)为主,占71.18%,大于4Ф的砂粒组分占21.69%,小于8Ф的粘土组分仅占7.13%,平均粒径Mz为5.14Ф。沙尘主要化学成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3,三者之和达77.8%。Mg、K、Si、Fe、Mn、P、Ti、Co、Ni、V等元素的富集因子都在1左右,主要是地壳来源;Cu、Pb、Zn、Cr、Se等元素有一部分来自于地壳源之外的其他污染源;而As、Cd和Sb元素主要来自于大气污染源。粒度组成、化学组成及富集因子、判别函数、物源指数等分析表明,哈尔滨沙尘的粒度及元素组成明显异于兰州黄土及沙尘,其沙尘源区不同于西北黄土及兰州沙尘。强风作用下较粗颗粒的沙尘就地扬起,与长距离搬运的粉尘相互混合,形成了哈尔滨沙尘暴沉降物。