毕业论文（设计）末次间冰期以来沙漠边缘黄土沉积的地球化学特征初探.doc

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1、末次间冰期以来沙漠边缘黄土沉积的地球化学特征初探于英鹏*（华东师范大学资源与环境科学学院地理系，上海 200062）摘 要：沙漠边缘地区黄土磁化率的增强机制与黄土高原地区有所不同，不宜用于夏季风强度变化的重建。所以，本文尝试将黄土高原地区常用的化学风化指标：化学蚀变指数（CIA）和Rb/Sr用于沙漠边缘地区白崖剖面夏季风演化的重建。结果显示，CIA可以较好地反映成壤作用，因而也可以较好地反映夏季风的变化，而Rb/Sr受源区因素和成壤因素共同作用，不能有效地指示夏季风的强度。同时，本文还选取了常见的反映粒度分选和冬季风变化的SiO2/TiO2和Zr/Rb，结果显示，SiO2/TiO2和Zr/Rb

2、能明确指示粒度分选作用和冬季风的变化。此外，Al-Ti-Zr三角图显示，物源在不同时期存在一定的变化，在全新世和末次间冰期黄土物质混合较为均匀，表明风尘经历了较长距离的搬运和较为充分的混合过程；在末次冰期黄土物质混合程度存在明显分异，意味着部分时段物源可能较近。关键词：沙漠边缘；黄土；地球化学；物质来源 0引言河西走廊东段祁连山北麓的山前地带覆盖有深厚的黄土沉积物，因地处青藏高原与西北内陆荒漠交汇处，所以该地黄土为揭示青藏高原隆升、区域气候变化以及沙漠演化历史提供了富有价值的记录13。然而，沙漠边缘地区成壤作用导致磁化率增强的机制与黄土高原不同46，可能受控于包括成壤作用在内的多种因素7,8，

3、因此，沙漠边缘黄土磁化率在恢复夏季风强度演化历史时存在缺陷。近年来，在黄土高原地区已经开展较多的地球化学方面的研究工作，有大量的地球化学指标用于古气候演化过程的重建。如，陈骏等认为黄土高原地区的Rb/Sr值能够反映风化强度，并与磁化率对比后认为Rb/Sr可以作为反映夏季风强度变化的指标911。刘连文等根据Zr、Rb在不同粒径粉尘中的富集情况认为Zr/Rb值能够反映冬季风环流的变化，可以作为反映黄土高原冬季风变化的代用指标12；此外，通过对黄土沉积物中酸不溶物Fe、Mg的化学分析，刘连文等指出酸不溶物中Fe/Mg值能够指示风化成壤的强度13。彭淑贞、郭正堂等通过对粒径小于50m的黄土颗粒与SiO

4、2/Al2O3的相关性分析，发现SiO2/Al2O3可以准确的揭示冬季风的变化特征14。靳鹤龄应用退碱系（K2O+Na2O+ CaO）/Al2O3）、钠钙比（Na2O/CaO）、硅铁铝率（SiO2/(Al2O3+Fe2O3)）等化学元素的综合参数来反映气候的变化15,16。庞奖励则通过分析黄土中的Ba/Sr、Ba/Ca和Sr/Ca等发现Ba/Sr对古候变化的反应十分灵敏，可作为很好的指示夏季风强度变化的代用指标17。根据Si和Ti的迁移性及其分别在粉尘粗、细粒级中富集的特征，Liu等将SiO2/TiO2值（摩尔比）作为指示冬季风强度的指标，并应用于黄土高原冬季风变化的解释18；他们还将Nesb

5、itt和Young定义的化学蚀变指数CIA用作夏季风强度的代用指标19。郭正堂等根据元素的迁移特征应用化学风化指数(CIW)来揭示末次间冰期黄土高原夏季风的变化特征20。上述指标具有反应灵敏，意义明确的优点，对于我们的气候重建工作具有参考意义。因而，本文选择了常用的地球化学指标（CIA、Rb/Sr、Zr/Rb、SiO2/TiO2）尝试着重建沙漠边缘地区季风演化历史并检验这些指标的可行性。述指标具有反应灵敏，意义明确的优点，对于我们的气候重建工作具有参考意义。因而，本文选择了常用的地球化学指标（CIA、Rb/Sr、Zr/Rb、SiO2/TiO2）尝试着重建沙漠边缘地区季风演化历史并检验这些指标的

6、可行性。此外，相对黄土高原主体而言，祁连山北麓的黄土沉积无疑离物源更近，至少有两个潜在的物源离祁连山北麓的黄土沉积区很近。其一，北部的腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠以及干盐湖构成了一个重要的物源2,21；其二，祁连山北麓山前洪积扇也是潜在的物源22,23。因此该区黄土沉积对物源变化的响应有可能较黄土高原主体更加灵敏。因此，本文还试图对物源在时间序列上的变化进行探讨。1材料与实验方法本文选择位于甘肃省武威市张义镇白崖村的白崖剖面（N37o32 E102o48，海拔约2400m）（图1）作为研究对象。该剖面南接祁连山，北临腾格里沙漠，距现代沙漠不足50km，年均降水量约105mm，年平均气温约7.9oC

7、，属干旱地区3。剖面顶部为残余的全新世古土壤（S0）厚约1.4m。L1厚约29m(1.4m30.35m)，S1厚约5.15m（30.35m35.50m）。根据野外观察，S1与L2之间有明显的界限，表明S1底部经受一定的侵蚀作用。因此，野外只观察到两层古土壤，这可能与青藏高原东北缘在末次间冰期的构造抬升存在关联1。野外样品采集从剖面顶部开始，以5cm为间隔连续采样，共采集样品730个。其中5-6m的样品在搬运中丢失，实际共得710个样品。粒度由Mastersizer 2000激光粒度仪测得，共测710个样品。取样品约0.2g放入已清洗干净且带有编号的烧杯中，加入浓度为10%的H2O2并煮沸（去除

8、有机质），待气泡减少至均匀沸腾时加入10%HCL(去除碳酸盐)，继续煮至烧杯内无气泡产生，停止加热，加入蒸馏水直至烧杯满（不能溢出），静置24小时后用橡皮管抽去上层清水，加入(NaPO3)6（六偏磷酸钠）作为分散剂，在超声波振荡器上振荡7分钟，最后加入激光粒度仪中测量。化学元素含量在Panalytical Magix PW2403型X荧光光谱（XRF）仪上测得，测量的标准差约为2%。化学元素分析以20cm为间隔，共分析了183个样品，实验过程见Wang等24。所有实验均在兰州大学西部环境教育部重点实验室完成。2结果2.1 常量元素含量特征对于未测定的元素XRF仪以CO3 给出，白崖剖面CO3含

9、量在7.84%18.9%之间，平均为12.50%。元素含量经公式（E(校正值)=E（测量值）/(1-CO3/100)）校正，校正后，样品中含量在1%以上的氧化物有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O。整个剖面SiO2的含量在55.98%66.49%之间，平均为61.5%；Al2O3含量在11.84%14.49%之间，平均为13.21%；CaO含量在7.34%15.22%之间，平均为10.25%；Fe2O3含量在4.53%6.29%之间，平均为5.46%；MgO含量在2.93%4.21%之间，平均为3.63%；K2O含量在2.41%2.97%之间，平均为2.68%；

10、Na2O含量在2.08%2.96%之间，平均为2.39%。其中SiO2、Al2O3、CaO为主要的化学成分，三种主要元素含量总和平均为84.96%。样品中含量在0.1%1%的氧化物有TiO2、P2O5。TiO2含量在0.62%0.82%之间，平均为0.75%。P2O5含量在0.15%0.2之间，平均为0.17%。图1研究区位置及采样点Fig.1Location of study region and sampling site表1和（图2）将白崖剖面经校正的常量元素氧化物与上陆壳（UCC）主要常量元素含量（）进行了比较。表1 常量元素含量Tab.1 Content of major eleme

11、nts常量元素UCCS0L1S1CIA（Max）CIA（Min）SiO26658.7761.9259.9258.7762.41TiO20.50.780.750.780.810.76Al2O315.213.3113.1413.6814.3512.43Fe2O34.55.855.385.886.295.2MgO2.23.853.583.843.883.43CaO4.212.1710.0310.7010.6310.24Na2O3.92.482.392.302.212.96K2O3.42.582.682.732.882.41UCC的元素组成据文献25，S0，L1和S1分别为对应地层的常量元素含量平均值

12、，CIA（max）和CIA（min）分别代表风化最大值和最小值对应的常量元素含量。图2 白崖剖面常量元素与UCC比较Fig.2 Comparison of major elements between the Baiya loess section and the UCC 表1和图2显示，白崖剖面中SiO2 、Al2O3含量与UCC较接近，CaO的含量相对UCC显著富集，MgO、TiO2、Fe2O3相对UCC富集；Na2O、K2O则相对UCC表现出较弱的亏损。Si的化学性质相对稳定，主要以氧化物的形式存在，化学行为以迁移为主2628。L1的SiO2平均含量较S0、S1高，风化最弱时对应的SiO

13、2值（62.41%）高于风化最强时的SiO2含量（58.77%）（表1）。在S0、S1、CIA(max)三个阶段，TiO2、Al2O3、Fe2O3 值均高于相对应的L1和CIA(min)，说明在化学风化作用增强的时候，三种氧化物在土壤中趋于富集。不过，TiO2的变化比Al2O3、Fe2O3复杂（表1），即L1的TiO2含量比风化最弱点的TiO2含量略低。Ca、Mg为较易迁移的元素，在黄土中多以碳酸盐的形式存在26。在我国北方干旱半干旱地区研究表明：土壤发育时CaO和MgO的含量相对减少（除淀积层），而在风沙和黄土堆积时期其含量相对增加27,28。但是白崖剖面中CaO和MgO含量在对应于风化较强

14、的时段富集，如S0、S1发育的时段，而在风化较弱的在L1阶段的含量却相对减少，这与黄土高原内部CaO和MgO的迁移变化情况形成反差2729。一方面，说明在整体风化强度不高的情况下，白崖剖面CaO和MgO的淋溶是极其有限的；另一方面，可能暗示了在干旱的源区碳酸盐表聚作用在暖湿期增强，从而导致沉积区黄土中碳酸盐含量也随之增加。值得注意的是，CaO含量比MgO含量表现出更复杂的变化规律，即S0、L1以及S1的CaO含量不在风化最弱点对应的CaO含量和风化最强点对应的CaO含量之间，意味着除了风化淋溶作用，源区物质的化学组成可能是更为重要的控制因素。从化学风化弱的CIA(min)到化学风化强的CIA(

15、max)过程中，K2O逐渐富集，而Na2O逐渐亏损（图2），但本研究剖面中的K2O、Na2O均相对UCC出现微弱亏损。综观白崖剖面，随着风化作用的增强，脱Na富Fe、Mg是较为显著的变化特征。Ca的变化规律不清。2.2 稳定元素Al-Ti-Zr组合特征图 3白崖剖面Al-Ti-Zr三角图Fig.3 Ternary diagram of Al-Ti-Zr in the Baiya loess section在各种元素中，Al、Ti、Zr通常被认为是风化中最稳定的元素。Al、Ti、Zr的含量会随着易溶元素的淋失而发生改变，但沉积物中Al、Ti、Zr含量的相对比例特征能够从源区物质中继承下来，很少发

16、生改变。因此，在沉积作用经历了风化、搬运，不同来源物质的混合以及分选等过程的前提下30，Al-Ti-Zr 三角图可以反映物源的变化31。图3中以三角形重心为圆心画圆（虚线圆），圆心代表沉积物Al-Ti-Zr平均值所在点。通过分析样品中Al-Ti-Zr散点分布情况，认为Al-Ti-Zr散点离圆心越近，分布越集中，表示物质的混合越好；相反，Al-Ti-Zr散点离圆心较远，分布较分散，表明物质混合较差。据此可以判断古气候演化及源区变迁问题。图3显示在S0和S1阶段Al-Ti-Zr分布与上陆壳（UCC）和后太古代澳洲页岩（PAAS）25比较接近，在L1阶段Al-Ti-Zr分布则出现了显著的分异，一部分

17、Al-Ti-Zr散点离UCC和PAAS较近，另一部分散点则离UCC和PAAS较远。2.3 化学风化特征化学蚀变指数CIA=Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)100是量度源区以及沉积区的化学风化程度的代用指标19，式中主成分均指摩尔数，CaO*表示硅酸盐中的CaO。因而，CIA主要反映的是硅酸盐（主要是长石矿物）的风化，由于不存在元素迁移后再淀积的情况，故能很好地反映沉积物形成时的化学风化情况，因而在化学风化研究中得到了广泛的应用19,32。图4直观地表图4白崖剖面A-CN-K图（风化阶段划分据文献19）Fig. 4 A-CN-K diagram of the Baiya l

18、oess section示出沉积物的风化程度（A-CN-K中的A值实际上就是CIA）和风化趋势。可以看出，白崖剖面的CIA值分布在5060之间（图4），处于风化的初级阶段。由斜长石钾长石连线出发，随着风化作用的增强，风化的趋势(图4中箭头所指方向)指向伊利石，这与黄土高原主体地区的化学风化特征一致33。 3讨论3.1 气候变化与物源变迁在图3中，我们已经观察到一个现象，在土壤发育的时段，如S0和S1发育的时段，Al-Ti-Zr散点较为集中，与三角形的重心（碎屑沉积物的Al-Ti-Zr平均值）和PAAS的Al-Ti-Zr值距离较近；而在黄土堆积盛行的时段，如L1沉积时段，Al-Ti-Zr散点相对

19、较分散，有部分点离三角形重心（碎屑沉积物的Al-Ti-Zr平均值）和PAAS的Al-Ti-Zr值距离较远。这一现象表明，在S0和S1发育时段，风尘的混合更为均一，而在L1堆积时段，风尘的混合程度存在较显著的分异。进一步而言，气候可能影响着风尘的搬运沉积的混合过程。具体而言，在夏季风强盛的时期，季风控制的降水锋面往西往北推进，沙漠收缩，土壤在黄土堆积区的发育普遍增强。沙漠的收缩意味着物源的远离，因而，在源区和沉积区之间，风尘进行搬运沉积，再搬运沉积的循环过程有可能增多，最终沉积的风尘的混合度更为均一。在夏季风衰退的时期，季风控制的降水锋面往南回撤，造成沙漠黄土过渡带上植被覆盖度降低，沙漠扩张，因

20、而沉积区普遍沉积弱风化的黄土。沙漠的扩张，意味着物源的逼近，因而，沉积区可能更多地接收了近源的物质，也即搬运沉积，再搬运沉积的循环过程的频次会相对减少，最终沉积的风尘混合程度可能表现的不够均一。总而言之，气候变得湿润的时候，物源开始变远；反之，则物源变近，这与前人的研究34是一致的。3.2 地球化学指标的气候指示意义 图 5 白崖剖面气候代用指标比较Fig. 5 Comparison of climatic proxies in the Baiya loess section前人在利用地球化学指标重建古气候方面的研究已取得不少成果9-18,20,26-29,35,36，如前所述，因磁化率在沙漠

21、边缘区的增强机制并非仅依赖于成壤作用，所以对其进行气候解译存在不确定性，本研究中的磁化率也存在类似的问题。鉴于此，本文选择了两个常见的风化指标CIA、Rb/Sr试图用于夏季风演化历史的重建。同时，选择了SiO2/TiO2和Zr/Rb这两个常用指标作为候选的冬季风指标。图5显示CIA的高值与各土壤层有较好的对应关系，可见CIA对成壤强度的反映是比较可靠的。研究区属季风影响区，因而，反映风化成壤作用的CIA可以作为夏季风强度的指标。在黄土高原地区，Rb/Sr是也一个常用夏季风代用指标。不过，Rb/Sr在白崖剖面地层波动平缓，不能很好地指示白崖剖面成壤作用的发生。不仅如此，在MIS3晚期和MIS5时

22、段部分土壤（L1S1的上部土壤层和S1的下部土壤层）的Rb/Sr值较平均值（实线）还略偏低（图5）；此外，MIS2与MIS4的Rb/Sr并未表现为显著的低值。只有全新世的Rb/Sr值可以相对较好地反映成壤作用。这说明，除了风化作用之外，还有其它因素参与塑造Rb/Sr的变化。SiO2/TiO2、Zr/Rb的变化与粒度具有较好的一致性，在全新世、MIS3以及MIS5都表现为低值，而在MIS2和MIS4则为高值。对于粒度事件的响应，Zr/Rb的变幅比SiO2/TiO2显著，如（图5）中的b、c事件,通过曲线对比，还可以发现Zr/Rb与63mm颗粒含量（跃移组分）的变化更相像。如a事件二者都较突出，b

23、、c事件二者的变幅则相对较小。通过前面的分析，我们认为CIA具有明确的化学风化指示意义，可以作为东亚夏季风强度的指标。SiO2/TiO2和Zr/Rb的变化与粒度的变化对应关系较好，而且相关分析表明，Zr/Rb和SiO2/TiO2与中值粒径（Md）具有很好的相关关系（Zr/Rb和SiO2/TiO2与中值粒径（Md）的相关系数分别为0.824和0.907）。因而，SiO2/TiO2和Zr/Rb可以作为冬季风强度的代用指标。另外，由于SiO2/TiO2与联系沙漠黄土演变过程中耦合关系的沉积学指标（63mm的颗粒含量）具有图6气候代用指标的相关性Fig. 6 Relation of climatic

24、proxies更好的对应关系37（图5）。因此，SiO2/TiO2也适合作为联系沙漠黄土演变过程中耦合关系的地球化学指标。值得关注的是，图6中Zr/Rb和SiO2/TiO2与CIA呈较好负相关（相关系数分别为0.575和0.657）。这暗示了夏季风强度变化一定程度上影响风尘沉积物粒度的变化，主要影响机制为：当夏季风强盛时，腾格里沙漠南缘北退，沙漠面积缩小，物源区相对变远，导致风尘沉积物的颗粒变细；相反，当夏季风衰退时，沙漠边缘南进，沙漠面积扩张，物源区相对沉积区较近，风尘沉积物的颗粒变粗。相对CIA而言，Rb/Sr的指示意义不是十分明确，因而不宜作为夏季风强度的代用指标。根据Rb、Sr元素物理

25、和化学的赋存形式，一般认为黄土地层中Rb/Sr主要受源区粉尘的物质的化学组成、搬运分选作用和风化成壤强度的影响9。Rb/Sr在白崖剖面的变化并非与成壤强度完全对应，仅在一些时段Rb/Sr的峰值与CIA的峰值存在对应。例如，全剖面Rb/Sr值与CIA呈正相关关系（r=0.4），但是在MIS2二者的相关系数仅为0.161（图6）。这说明，在离干旱物源区更近的白崖剖面的Rb/Sr除了受控于风化作用外，还受控于其它因素，即搬运分选作用或（和）源区粉尘物质的化学组成。风尘沉积物中粗颗粒含量常用来反映冬季风的强弱变化即风力的搬运分选作用38，Rb/Sr值与Md的相关系数为0（图6），这暗示了搬运分选过程对

26、Rb/Sr的影响可以忽略。因而，源区粉尘物质的化学组成对Rb/Sr值变化具有重要的决定作用。图7中Rb、Sr在I、II、III（灰色矩形框）段呈现相同的变化趋势，即二者在风化程度相对较强的时候均增加，由此可见，Rb/Sr的异常主要是Sr增加造成的。由于Sr与Ca离子半径、电位等地球化学参数相近，因而Sr的迁移规律与Ca相似39。可以通过以下两个方面来解释：1）降水增加，导致Sr从高地向低地汇集40,41，冲积扇、河床、干盐湖等潜在物源中Sr 的含量Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer

27、. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first sate

28、llite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet t

29、he privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule han

30、ging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday

31、, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me becaus

32、e I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from

33、 feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grou

34、nded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersoni

35、c descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower l

36、evel of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses th

37、e boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something rese

38、mbling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to E