元素地球化学揭示的长江中下游下蜀黄土物源及其环境意义

中晚更新世以来长江中下游地区粉尘堆积广泛发育,这些广义上可称之为"下蜀土"的区域粉尘堆积,典型代表有"九江下蜀土"、"安徽下蜀土"、"南京下蜀土"。其形成的年代及其粉尘堆积属性已基本明了,但是其物质来源却存在较大争议。详细分析了这些粉尘的元素地球化学特征,并与黄土高原黄土和红土进行了对比,结果表明:1)长江中下游的下蜀黄土均非来自北方的黄土高原,且九江、安徽、南京三地物源相互之间也存在显著差异,均为近源堆积,北方粉尘的作用过去被严重高估了;2)冰期背景下,长江中下游地区气候普遍恶化,区内大面积沙化和厚层粉尘堆积是现代亚热带湿润季风区对冰期气候环境响应的结果,是特殊地形条件和气候背景下冬季风近地面气流侵蚀—搬运裸露的河(湖)漫滩而形成的区域风沙—粉尘堆积体系,长江流域这种区域堆积体系及其地环境与地生态效应在以往的研究中没有得到应有的重视和认识。     

苏南及沿江地区柏山组,下蜀组的时代及成因

柏山组与下蜀组是江苏西南部丘陵山区的两个岩石地层单位,也是第四纪特定气候环境下形成的两类土状堆积。经与平原区第四纪地层对比,柏山组的层位与平原区的海门组上段至启东组下段相当,沉积时代为早更新世晚期到中更新世早期;下蜀组与平原区的启东组至湖组相当。沉积时代为中更新世晚期至晚更新世。柏山组网纹红土是早期干凉气候环境下堆积的黄土,经后期强烈湿热、氧化及流水冲刷后的产物,成因以洪冲积为主;下蜀组黄土是干凉气候环境下的产物,是风尘物质经流水改造后的产物,具多成因特点。     

南京下蜀土的地球化学特征及其物源指示意义

风尘堆积的物源研究对于揭示物源区的环境演化状况、重建古风场强度和古大气环流格局等都具有重要的意义。目前长江下游地区下蜀土的物质来源问题仍然存在争议。为了解决这一争议问题,本文以南京泰山新村下蜀土剖面为研究对象,开展了系统的地球化学研究。通过对南京下蜀土的常量元素、微量元素、Nd同位素进行测试,并与黄土高原同期黄土进行对比分析,探讨其对长江下游下蜀土的物源指示意义。南京下蜀土与北方黄土具有相似的常、微量元素UCC标准化曲线和稀土元素球粒陨石标准化曲线,但是它的Zr、Hf含量较高,Tl、Pb含量较低,且具有较高的SiO2/Al2O3、TiO2/Al2O3、Nb/Ta和GdN/YbN,较低的SiO2/TiO2、Zr/Hf、Y/Ho、Lu/Hf和εNd(0)值,说明南京下蜀土的物质来源明显有别于黄土高原黄土。南京下蜀土与长江中游下蜀土在地球化学特征方面有较多的相似性,指示其物质来源与中游下蜀土的物质来源相似,主要来源于长江中下游地区的松散沉积物。     

九江地区网纹红土的时代

长江中下游地区广泛发育网纹红土。本文对九江长虹大道剖面进行了初步研究。该剖面地层自下而上可分为河流相冲积砂砾石、以发育水平状网纹为特征的铁质网纹红土、以垂向网纹为特征的网纹红土、红色粘土和风成下蜀黄土,分别厚3.3、4.5、5.9、3.6和4.1m。磁性地层研究结果,布容正向极性带/松山反向极性带的界限出现于网纹红土层中部,距顶深部12.9m处;贾拉米洛正向极性亚带出现在铁质网纹红土层中,距顶深度15.1-16.1m处。根据CandeandKent古地磁极性年表的模式年龄和热释光年龄,计算出沉积速率,进而计算出各层的界限年龄。结果表明,铁质网纹红土沉积于1232-869kaBP;网纹红土大约沉积于869-392kaBP;红色粘土沉积于392-101kaBP。九江长虹大道剖面代表了该地区从河流沉积、铁质网纹红土、网纹红土、红色粘土到风成黄土沉积的演变过程,并显示出准0.4 Ma的周期变化。这与黄土高原、青藏高原构造层和地球公转轨道偏心率变化所反映的准0.4 Ma构造气候旋回基本一致。      

江汉—洞庭地区与黄广—九江地区更新统划分与对比

为进一步厘清长江中游江汉—洞庭地区与黄广—九江地区更新统划分与对比,在区域地质调查基础上,识别出区内早更新世砾石层与上覆网纹红土之间的不整合关系,辅以年代学研究,开展了长江中游江汉—洞庭地区与黄广—九江地区第四系研究,建立了区域地层划分与对比格架。研究表明: 白沙井砾石层、阳逻砾石层、宜昌砾石层、九江砾石层等是区内短程河流的冲洪积相沉积,时代为早更新世晚期(Qp₁),而上覆网纹红土则形成于中更新世(Qp₂),二者之间为不整合接触,并以此为基础构建了区内第四纪更新世地层格架; 白沙井砾石层、阳逻砾石层、宜昌砾石层、九江砾石层与上覆网纹红土所代表的水动力条件和沉积环境的重大调整是长江三峡续接贯通的环境响应,暗示了长江上游“川峡二江”续接贯通的时限为早—中更新世之交。     

江汉—洞庭地区与黄广—九江地区更新统划分与对比

为进一步厘清长江中游江汉—洞庭地区与黄广—九江地区更新统划分与对比,在区域地质调查基础上,识别出区内早更新世砾石层与上覆网纹红土之间的不整合关系,辅以年代学研究,开展了长江中游江汉—洞庭地区与黄广—九江地区第四系研究,建立了区域地层划分与对比格架。研究表明: 白沙井砾石层、阳逻砾石层、宜昌砾石层、九江砾石层等是区内短程河流的冲洪积相沉积,时代为早更新世晚期(Qp₁),而上覆网纹红土则形成于中更新世(Qp₂),二者之间为不整合接触,并以此为基础构建了区内第四纪更新世地层格架; 白沙井砾石层、阳逻砾石层、宜昌砾石层、九江砾石层与上覆网纹红土所代表的水动力条件和沉积环境的重大调整是长江三峡续接贯通的环境响应,暗示了长江上游“川峡二江”续接贯通的时限为早—中更新世之交。     

赣北鄱阳湖地区土塘剖面第四纪红土地球化学特征及古气候意义

赣北鄱阳湖地区土塘剖面发育第四纪红土,自下而上可分为强网纹红土层、弱网纹红土层、微网纹红土层、均质红土层和下蜀黄土层。基于常量元素、粒度分析数据以及前人年代框架,初探土塘剖面化学风化特征及其古气候意义。(1)土塘剖面粒度组分均一,常量元素含量相近,风化淋溶强烈。(2)土塘剖面各地层间化学风化强度存在差异:下蜀黄土层为初期的去Na、Ca阶段;均质红土层为中期的去K阶段;微网纹红土层由去K阶段向去Si阶段过渡;网纹红土层已完全进入晚期去Si阶段。剖面常量元素的相对迁移能力为:Na₂O>MnO₂>CaO>P₂O₅>MgO>K₂O>SiO₂>Al₂O₃>TiO₂>Fe₂O₃。(3)中更新世以来赣北鄱阳湖地区气候总体上由暖湿趋于干冷,期间伴随多个明显的干湿旋回佐证强烈的淋溶与干湿交替作用是网纹红土发育的重要驱动因子。     

江西九江红土堆积的粒度特征及成因研究

在南方红土的研究中, 区分不同地区红土地层的成因类型是研究区域古环境演化的关键。以江西九江红土剖面为例, 通过系统的粒度分析, 并与西峰黄土、古土壤样品及代表性河、湖相沉积的粒度特征进行对比, 结果表明, 九江红土与西峰黄土、古土壤样品具有相似的粒度分布特征, 而与河、湖相沉积有较大区别。其中, 九江剖面上部的下蜀土与西峰黄土粒度特征相近, 而剖面下部的网纹红土与西峰古土壤样品更为相似, 表明江西九江红土堆积与中国北方黄土一样属于风尘堆积。研究成果为古环境信息的进一步提取奠定了基础。      

江汉—洞庭地区与黄广—九江地区更新统划分与对比

为进一步厘清长江中游江汉—洞庭地区与黄广—九江地区更新统划分与对比,在区域地质调查基础上,识别出区内早更新世砾石层与上覆网纹红土之间的不整合关系,辅以年代学研究,开展了长江中游江汉—洞庭地区与黄广—九江地区第四系研究,建立了区域地层划分与对比格架。研究表明:白沙井砾石层、阳逻砾石层、宜昌砾石层、九江砾石层等是区内短程河流的冲洪积相沉积,时代为早更新世晚期(Qp_1),而上覆网纹红土则形成于中更新世(Qp_2),二者之间为不整合接触,并以此为基础构建了区内第四纪更新世地层格架;白沙井砾石层、阳逻砾石层、宜昌砾石层、九江砾石层与上覆网纹红土所代表的水动力条件和沉积环境的重大调整是长江三峡续接贯通的环境响应,暗示了长江上游"川峡二江"续接贯通的时限为早—中更新世之交。     

江西九江中更新世红土物质来源研究

华南地区广泛分布中更新世红土。目前, 对其物质来源尚有争议。九江红土剖面的沉积时代已得到很好限定, 同时由于其沉积连续、地层出露较好, 是开展中更新世红土物质来源研究的理想剖面。通过对九江中更新世红土2件碎屑锆石样品的分析, 共获得177颗谐和锆石U-Pb年龄, 主要峰值集中在新元古代(816 Ma、801 Ma和991 Ma)、古元古代(2019 Ma、2022 Ma和2481 Ma)和新太古代(2502 Ma), 并具有不显著的中生代峰值(135 Ma)。将其与潜在远源和近源物源区的锆石U-Pb年龄组成进行对比, 结果发现中国北方戈壁、沙漠和黄土高原、塔里木盆地、华北平原并不是九江中更新世红土的主要源区。庐山北麓早更新世发育的洪积扇为九江中更新世红土发育提供了充足物质。九江中更新世红土和九江晚更新世黄土的碎屑锆石U-Pb年龄组成存在明显差别, 后者主要来自长江河漫滩的碎屑物质。不同的气候条件主导了九江地区红土和黄土的发育, 二者都受控于青藏高原构造隆升产生的环境变化。     

The rare earth element compositions of sediments from the loess tableland in the Liyang Plain,southern China: implications for provenance and weathering intensity

To identify the weathering intensity and to deduce the provenance of sediments (black-brown soil and loess) from the loess tableland in the Liyang Plain is of great importance for understanding the development and origin of civilization of this critical region in China. The geochemical results show similar REE distribution patterns among sediments sampled from the YC profile in the Liyang Plain, reticulated red soils from the Dongting lake area, Xiashu loess in Zhenjiang, and loess from the Loess Plateau in China. These similarities imply a single provenance, from dust storms. REEs, especially the LREE/HREE ratio and Eu anomaly, can trace weathering intensity. Higher LREE/HREE ratios, and remarkably Eu anomalies, are present in the top loess (L₀), Lower LREE/HREE ratios and insignificant Eu anomalies are present in black-brown soil (S₀*) from the Liyang Plain. These demonstrate that the black-brown soils have undergone a lower intensity of weathering than the loess of YC profile. Moreover, CIA values for sediments from the YC profile provide powerful evidence to support the above result. Comparisons of analyses of the REE contents of sediments from the YC profile, of reticulated red soils from the Dongting Lake area, Xiashu loess from the Yangtze River, and loess from the Loess Plateau, clearly show the weathering intensity decreases according to the following sequence: reticulated red soil from the Dongting Lake area > sediments of YC profile from the Liyang Plain, which formed from dust storms ≈ Xiashu loess from lower reach of the Yangtze River > loess from the Loess Plateau.     

南京地区下蜀黄土磁性地层年代与古环境变化

通过对南京江北泰山新村下蜀土剖面所采的144个样品和南京江南燕子矶下蜀土剖面所采的467个样品所进行的古地磁测年、磁化率测量和粒度测定,建立了南京地区下蜀黄土地层220kaB.P.以来较精细的时间标尺;在此工作基础上,将南京下蜀黄土堆积所记录的环境信息同北方经典黄土、深海沉积氧同位素记录进行了对比,发现燕子矶剖面磁化率曲线能够与深海沉积氧同位素曲线1—7阶段进行良好的对比,两者之间的细节变化具有一致性,其中S0表现为高值,可与氧同位素曲线阶段1对比,为一高温期;L1可以划分为两层黄土(L1LL1、L1LL2)和一层弱发育的古土壤(L1SS1),L1LL1和L1LL2可与阶段2和4对比,L1SS1可与阶段3对比;S1古土壤层由3个古土壤亚层(S1SS1、S1SS2、S1SS3)和2个弱成土亚层(S1LL1、S1LL2)叠置而成,磁化率曲线具有明显的三峰夹两谷形式,正好可与氧同位素阶段5对比,表明这一时期的古气候特点是在湿热的背景下有两次干冷波动,其中S1SS1、S1SS2、S1SS3分别对应于5a、5c、5e,S1LL1、S1LL2对应于5b、5d;L2黄土磁化率曲线整体呈谷形,但中下部有一次峰,下部磁化率偏高,与阶段6的曲线特征相吻合;S2古土壤层未见底,目前获得的磁化率曲线特征可与7a和7b对比。以上研究结果确立了江南风尘堆积的古气候全球变化意义。     

近13万年来黄土高原干湿气候的时空变迁

第四纪时期，黄土高原粉尘物质的搬运、沉积及其后的成土过程受控于干湿气候的变化。对黄土高原这一特定地区而言，风成沉积序列在地域上的差异主要与东亚地区的季风环流在时间和空间上的变化有关。本文的研究揭示出，近１３万年里，最为显著的成壤期有６期，与这６个成壤期对应的时段也应当是夏季风环流加强、气候温湿的时期；在空间上，全新世适宜期及末次间冰期中与深海氧同位素阶段５ａ，５ｃ，５ｅ对应的时期，夏季风足可以深入到毛乌素沙漠腹地，并具有占优势的环境效应。在阶段３的早、晚期及５ｂ时期夏季风虽然也能深入沙漠－黄土边界带，但其环境效应在黄土高原北部及毛乌素沙漠南缘已不再显著。在阶段２、阶段４及阶段３的中期夏季风已不能深入沙漠－黄土边界带。     

新近纪以来中国黄土高原的风尘记录

通过对黄土高原中部两个典型的风尘堆积序列的岩性和磁性地层研究 ,认为中国黄土高原风尘堆积的开始发育年龄至少约为 7.2 Ma B.P.。以红粘土和黄土—古土壤交互出现的风尘沉积 ,不仅真实地记录了东亚季风气候的形成演化 ,而且可能包含了青藏高原的阶段性隆升、北半球冰盖形成演化及大冰期发生等构造气候事件的印记。反映粉尘源区的干燥度及携带粉尘的大气环流强度的风尘沉积速率自 7.2 Ma B.P.开始、尤其是 4.5 Ma B.P.以来逐渐增大 ,似乎暗示了自新近纪以来亚洲内陆粉尘源区干旱化的逐级发展和东亚冬季风环流强度的逐渐增加     

三峡巫山黄土Sr-Nd同位素组成与物源示踪

巫山黄土作为中国南方黄土的重要组成部分,弄清该区的物源将为破译这一宝贵沉积记录提供重要的环境信息.对巫山黄土剖面进行了系统取样和Sr-Nd同位素分析,并与黄土高原同期黄土及近源的河流沉积物等进行了比较.结果表明,巫山黄土的87Sr/86Sr值变化范围为0.717 411~0.719 163,平均值为0.717 998,与黄土高原末次冰期黄土的87Sr/86Sr值（变化范围为0.718 235~0.719 673,平均值为0.718 623）几乎一致;巫山黄土ε_Nd（0）值在-10.1~-11.7之间,平均值为-11.4,明显与长江上游现代河漫滩沉积物ε_Nd（0）值（-5.9~-7.2）差别较大,而与黄土高原黄土ε_Nd（0）值（-9.2~-11.3）接近.研究结果表明巫山黄土的粉尘主要为北方输入,与黄土高原黄土同源.据此认为,巫山黄土的形成并不是因为冰期导致三峡地区干旱河滩干涸暴露而引发粉尘近源堆积,这与近年来长江下游下蜀黄土的研究结果有所不同.      

中新世风尘堆积的地球化学特征及其与上新世和第四纪风尘堆积的比较

文章对秦安中新世黄土-古土壤序列中黄土层样品的常量、微量和稀土元素地球化学特征进行研究,并与西峰第四纪黄土和晚中新世-上新世的风成三趾马红土样品进行对比。结果表明,不同时代的风尘堆积具有大致相似的元素配分模式,并与上地壳平均成分高度接近,表明它们的物质均来自很广阔的物源区,经过多次循环和远距离搬运,并在搬运过程中实现了多种矿物成分高度混合,是远源风尘物质的典型特征。秦安中新世黄土与西峰第四纪黄土相比,常量元素组配特征也有一些区别,主要表现为K,Fe,Mg的轻微富集、Na元素的轻微亏损及相对较高的烧失量,与中新世黄土较细的粒度和相对温湿的气候条件有关。与世界上一些物源较近较小的黄土相比,我国北方不同时代的风尘堆积均具有Cs相对富集、Zr和Hf相对亏损的特征,与粉尘远距离传输过程中的物质分异有关,是沙漠黄土的特点。     

灵台黄土-红粘土序列的磁性地层及粒度记录

甘肃灵台县任家坡黄土－红粘土剖面的磁性地层学研究表明;中国北方连续的风成堆积可下推到705MdB．P。第三纪红粘土的粒度组成从上到下变化很小,与黄土－古土壤序列的粒度大幅度变化形成强烈的反差,意味着晚第三纪时期的气候总体上要比第四纪时期稳定。在705～2．6MaB．P．的红粘土沉积中,可分出的110～115个土壤B层与钙质结核层的组合,初步表明在这个时期有约110～115次气候旋回。     

中国东部的第四纪风尘堆积与季风变迁

历史时期的雨土及近代尘暴的研究证实,风尘堆积与冬半年强冷气流活动有关。中国东部第四纪风尘堆积(黄土和下蜀土)分布的时、空变化及其粒度的不断增粗表明,第四纪以来冬季风强度是不断增加的。季风强度的变化主要与青藏高原越来越快的整体隆升有关。青藏高原上升产生了高原季风,并对西风气流和蒙古冷高压发生影响,即从三方面对季风起到增强作用。另一方面是中新生代以来地球气候变冷,使中、高纬地带的海陆分布和地形对大气环流有更大的影响。