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2012 , Vol. 32 >Issue 5: 596 - 602

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.05.596

萨拉乌苏河流域MGS2层段粒度与CaCO3记录的千年尺度气候变化

  • 王丰年 , 1 ,
  • 李保生 , 1, 2 ,
  • 王江龙 3 ,
  • 牛东风 1 ,
  • 温小浩 1 ,
  • 李志文 4 ,
  • 司月君 1 ,
  • 杜恕环
展开
  • 1．华南师范大学地理科学学院, 广东 广州510631
  • 2. 中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室, 陕西 西安710061
  • 3. 广东省汕头市澄海中学, 广东 汕头 515800
  • 4.东华理工大学地球科学学院, 江西 南昌330013
  • 5. 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州510301
李保生,教授。E-mail:

作者简介：王丰年（1974-）,男,江西信丰人,博士研究生,研究方向为环境及其演变。E-mail:

收稿日期: 2011-09-30

  要求修回日期: 2011-12-12

  网络出版日期: 2012-05-20

基金资助

国家自然科学基金（编号49971009,40772118）、国家重点基础研究发展计划（973计划）（编号2010CB833405）资助

收起

Millennium-scale Climate Variations from the Record of Grain-size and CaCO3 During the Pleniglacial in the Salawusu River Valley, China

  • WANG Feng-nian , 1 ,
  • LI Bao-sheng , 1, 2 ,
  • WANG Jiang-long 3 ,
  • NIU Dong-feng 1 ,
  • LI Zhi-wen 4 ,
  • SI Yue-jun 1 ,
  • DU Shu-huan 5
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  • 1.School of Geography, South China Normal University, Guangzhou,Guangdong 510631, China
  • 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an,Shaanxi 710061, China
  • 3.Chenghai Middle-school, Shantou, Guangdong 515800, China
  • 4.College of Earth Science, East China Institute of Technology, Nanchang, Jiangxi 330013, China
  • 5.Key Laboratory of Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences,Guangzhou, Guangdong 510301, China

Received date: 2011-09-30

  Request revised date: 2011-12-12

  Online published: 2012-05-20

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本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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摘要

测定、分析毛乌素沙漠东南缘萨拉乌苏河流域米浪沟湾剖面MGS2层段的粒度与CaCO3,发现该层段不同沉积相粒度Mz和σ呈现峰谷变化,CaCO3含量在沙丘砂及其上覆的河流相和湖沼相中依次变化于0~2.94%（平均值0.39%）、0.14%~2.68%（1.43%）和0.39%~15.57%（8.82%）,并与Mz呈显著相关,构成与沉积旋回波动韵律相同的5.5个峰谷交替的粒度与CaCO3旋回。研究表明,毛乌素沙漠冬季风盛行时期沙丘砂强烈堆积,CaCO3发生迁移;夏季风盛行时期河流相和湖沼相发育,粉砂和粘土含量增加,CaCO3相对聚集。这些旋回代表东亚冬夏季风千年尺度交替变化的气候旋回。

关键词： 萨拉乌苏河流域; MGS2层段; CaCO3; 粒度; 千年尺度气候变化

本文引用格式

王丰年 , 李保生 , 王江龙 , 牛东风 , 温小浩 , 李志文 , 司月君 , 杜恕环 . 萨拉乌苏河流域MGS2层段粒度与CaCO3记录的千年尺度气候变化[J]. 地理科学, 2012 , 32(5) : 596 -602 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.05.596

Abstract

The MGS2 segment of the Milangguowan stratigraphical section in the Salawusu River Valley, southeast of China’s Mu Us Desert, records 5.5 sedimentary cycles consisting of dune sands alternating with fluvial or lacustrine facieses. Based on the grain-size and CaCO3 analysis, it was found that Mz and σ appear peaks and valleys in different sedimentary facieses. CaCO3 contents range from 0 to 2.94% (average 0.39%) in the dune sands, 0.14% to 2.68% (average 1.43%) in the fluvial facieses and 0.39% to 15.57% (average 8.82%) in the lacustrine, and appear 5.5 grain-size and CaCO3 cycles similar to the sedimentary facieses changes. And the CaCO3 contents have a significant correlation with Mz. The result show that the dune sands accumulate and CaCO3 moved greatly during the periods with a strong cold-dry winter monsoon. Whereas, the fluvial or lacustrine facieses developed, silt and clay increased and CaCO3 gathered largely when the warm-humid summer monsoon strengthened. The observed climate fluctuations on millennium-scale during the Pleniglacial to the alternations attributed the strength of the East Asian winter and summer monsoons.

Key words： Salawusu River Valley; MGS2 segment; grain-size and CaCO3 content; millennium-scale climate variations

自末次冰期以来,全球气候经历剧烈变化,尤其是盛冰期到冰后期,在北大西洋地区甚至全球发生了一系列快速、高频率的气候事件。Dansgaard W,Grootes P M等[1~3]发现格陵兰冰芯记录末次冰期中的D/O循环气候波动;Bond G等[4~6]认为北大西洋在38~10 ka之间有13次冰漂事件; H事件和YD事件在低纬的深海沉积[7~9]、黄土[9~12]、湖泊沉积[13,14]、沙漠[15~17]、石笋[18]等也有记录;尤其是黄土和冰芯[17]记录中国35~15 ka B.P.存在千年尺度气候振荡。这为我们进一步理解季风环境变化与全球气候变化提供重要思路。
位于鄂尔多斯高原东南部洼地的萨拉乌苏河流域处于黄土高原与毛乌素沙漠的过渡带,蕴藏着丰富的晚第四纪气候环境演变的地质信息。自20世纪70年代末以来,该流域晚第四纪气候环境演化研究工作已经取得很大进展[19~25]。近年来有关学者认为,该流域米浪沟湾剖面晚更新世城川组上部即MGS2层段（MIS2）,由古流动沙丘砂与河湖相互相叠覆构成的沉积序列具有明显的沉积旋回[26],且这些旋回与大陆冰芯的时间-气候过程有较好的对应关系。为此,本文试图以粒度和CaCO3为主要的气候替代指标,结合其年代测定结果和古生态信息对该剖面的MGS2层段所蕴含的气候变化进行初步探讨。

1 MGS2地层序列及其年代

1.1 MGS2地层序列

MGS2层段所在的米浪沟湾剖面位于萨拉乌苏河中游流域米浪沟湾村NE约500 m的河流左岸(图1),37°45′47″N,108°33′05″E,剖面顶部海拔1 290 m,堆积厚度约83 m。MGS2层段指堆积深度为8.76~13.63 m的一套连续的沉积序列,共计11个层序,即20~30 D,含6层古流动沙丘砂,2层湖沼相,3层河流相,且相互叠覆(图2) (本文以D、FL、LS分别表示古流动沙丘砂、河流相、湖沼相) 。
Fig.1 The location of Salawusu River and the study area

图1 米浪沟湾地层剖面位置及其所在萨拉乌苏河流域概况

MGS2的古流动沙丘砂,呈灰黄色,以细砂为主,次为中砂、极细砂,松散、分选较均匀,有的层位可见明显的风成前积层理;河流相,灰黄色,以细砂为主,次为极细砂、中砂,粉砂相对含量增加,具明显流水层理,底部系钙板;湖沼相,青灰色,粉砂质细砂,粘土含量明显增加。

1.2 MGS2年代

MGS2层段及其邻近层位共有5个年代测试点,分别是18D(顶部)、24D(中部)、25LS(中部)、26 D(中部)和31S(中部)。其中,25LS(中部)和31S(中部)采用14C年代测定,测试材料分别是腹足类动物化石和土壤有机质,由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所14C年代实验室胡智育采用北京核仪器厂生产的低本底液体闪烁计数器测得,年代测定结果分别为15.611±0.219 ka B.P.和19.57±0.366 ka B. P.,然后采用Calib501[27]对其进行校正,最终年代结果分别为18.945±0.382 cal. ka B.P.和23.266±0.597 cal. ka B.P. 其它3个层位包括18D(顶部)、24D(中部)和26D(中部)采用TL(热释光)年代测定。测试材料均采用从样品中提取的<10 mm石英细粒。其中24D(中部)由北京大学热释光实验室郑公望采用英国牛津Littlemore科学仪器公司(Littlemore Scientific Co. Oxford UK)生产的7185型热释光断代仪测得,年代测定结果为14.458±0.867 ka B.P.;18D(顶部)和26D(中部)分别由中国科学院广州地球化学研究所和地球环境研究所热释光实验室采用英国牛津Littlemore科学仪器公司生产的711型热释光断代仪测得,年代测定结果依次为9.88±0.9 ka B.P.、19.236±1.554 ka B.P. (TL测试参数见表1)
Table 1 TL dating results of some horizons and their parameters in the MGS2

表1 MGS2及相关层位的热释光年代测定值和测试参数

层位/样品编号 深度 (m) U (10-6) Th (10-6) K(10-6) 年剂量（m Gy） 总剂量 (Gy) TL (ka B.P.)
18D/TGD-627 8.44 0.92±0.05 6.07±0.12 1.91±0.015 2.48±0.08 186.20±13.96 9.88±0.9
24D/PKG586 10.525 1.834 8.514 1.140 2.652 33.562±4.774 14.458±0.867
26D/XAL895 11.645 5.5 4.1 1.70 3.16 60.806±3.21 19.236±1.554
由图2可见,MGS2的上限即19FL/20D的界面,依据19FL上覆的18D(9.88±0.9 TL ka B.P.)和该界面之下的24D(14.458±0.867 TL ka B.P.)的测年结果,按这两个年代之间的沉积速率(45.45 cm/ka)内插计算,可得知MGS2上界面的年代为10.58 ka B.P.同理,依据与MGS2下限即30D/31S的界面最邻近的两个年代数据即26D(19.236±1.554 TL ka B.P.)和31S(23.266±0.597 cal. ka B.P.)及两者间沉积速率(54.34 cm/ka)并内插计算,得知此层段下界面的年代为22.89 ka B.P. 这就是说MGS2的年代应该大致在23~11 ka B.P.同理,采用线性内插法可以进一步算出该层段各个层序之间的时间界限(表2、图2)。
Table 2 The ages (ka BP)of each layer in the MGS2

表2 MGS2各层位年代

层位 深度（m） 起止年龄 (ka B.P.) 层位 深度（m） 起止年龄 (ka B.P.)
20D 8.99~8.76 11.09~10.58 21FL 9.39~8.99 11.97~11.09
22D 9.74~9.39 12.63~11.97 23FL 10.27~9.74 13.90~12.63
24D 10.78~10.27 16.47~13.90 25LS 11.41~10.78 19.11~16.47
26D 11.88~11.41 19.67~19.11 27LS 12.10~11.88 20.07~19.67
28D 12.50~12.10 20.81~20.07 29FL 12.74~12.50 21.25~20.81
30D 13.63~12.74 22.89~21.25
Fig.2 The sedimentary sequences and ages in the MGS2 of the Milanggouwan section

图2 米浪沟湾剖面MGS2沉积序列与时间标尺

由此可见,MGS2层段年代大致在23~11 ka B.P.,持续时间仅12 ka,而该层段含11个层序,则平均每一个层序的持续时间近1 ka,这说明MGS2层段可能蕴含着ka尺度的环境变化信息。

2 CaCO3

按5 cm(个别3或6 cm)的采样间距,在MGS2层段自上而下共采集98个样品,其中古流动沙丘砂57个样品,河流相24个样品,湖沼相17个样品,并且每个样品经烘干后,分别进行CaCO3测定。实验采用气量法,使用希腊生产的 Boscomb Calcimeter 仪器,每个样品测试3~4次[28]。步骤：称取一定量的样品与过量的HCl作用后,记录其产生的CO2气体的体积和反应时的气温,依据理想气体方程 PV=nRT计算出CO2的含量,再推算出CaCO3的含量。
CaCO3测定结果列于图3,存在以下变化特征：
1） CaCO3含量总体上变化较大,分布范围在0~15.57%之间,平均值为2.11%,表现出不规则的呈锯齿状波动的分布曲线(图3)。
Fig. 3 CaCO3 contents and the variations in the MGS2

图3 MGS2层段CaCO3含量及其变化

2） 随CaCO3含量的变化,CaCO3分布曲线自下而上波动幅度总体逐渐增大(图3)。MGS2中30D-20D层序CaCO3的平均含量分别为：0.23%(30D),0.51%(29FL),0.07%(28D),0.58%(27LS),0.03%(26D),11.36%(25LS),0.51%(24D),1.49%(23FL),1.48%(22D),1.93%(21FL),0.32%(20D)。
3） 不同沉积相CaCO3含量有明显的差别(图3)。CaCO3含量在古流动沙丘砂中呈谷态,分布范围为0~2.94%,平均值为0.39%;在河流相中,CaCO3含量相比前者呈峰态,分布范围为0.14%~2.68%,平均值为1.43%;而CaCO3在湖沼相中含量最高,呈明显峰态,分布范围为0.39%~15.57%,平均值为8.82%。因此,随着沙丘砂与河流相或湖沼相的多次相互交替,CaCO3含量由谷态到峰态,形成一系列有规律的波动。

3 粒 度

粒度分析采用Malvern Mastersizer 2 000 M激光粒度仪(测量范围0. 02~2 000 mm),实验流程参考黄土粒度分析方法[29],其实验结果显示：古流动沙丘砂以细砂为主,占70.67％,其次是中砂、极细砂,分别占14.76％,12.83％,粉砂和粘土含量甚微;河流相也以细砂为主,占59.83％,其次是极细砂、中砂,分别占24.87％,10.53％,粉砂含量明显增多,占4.70％,粘土含量少;湖沼相中细砂最多,占40.89％,其次是粉砂、极细砂,分别占25.97％,22.43％,中砂含量明显减少,仅占5.11％,而粘土含量明显增加,占5.59％。另按Folk和Ward [30]制定的Mz(平均粒径)和σ(标准离差)公式：
Mz= (Φ16 +Φ50 +Φ84) /3
σ = (Φ84-Φ16)/4 + (Φ95-Φ5)/6.6
古流动沙丘砂Mz和σ分别为2.10~3.02 Φ和0.45~0.92,平均值为2.48 Φ和0.61;河流相Mz和σ分别为2.36~3.03 Φ和0.52~0.93,平均值为2.75 Φ和0.76;湖沼相Mz和σ分别为2.75~4.44 Φ和0.77~2.02,平均值依次为3.71 Φ和1.58。其中,古流动沙丘砂颗粒最粗,分选最好;其次是河流相,颗粒仅比前者略细,分选相对略差;湖沼相颗粒最细,但分选最差。显然,MGS2层段中由沙丘砂与河湖相或古土壤构成的沉积旋回和粒度旋回与CaCO3含量变化有相似波动规律。
为进一步说明MGS2层段中这三种沉积相的粒度与CaCO3含量之间的关系,绘制Mz-CaCO3散点图(图4)。由图可知,三者都具一定的集中分布性。另外,古流动沙丘砂与河流相两者的分布区间接近,但有明显区别,而湖沼相的分布区间又明显不同于前两者。具体表现为：古流动沙丘砂主要集中在Mz/2.10~3.00 Φ-CaCO3<1%的区间,河流相主要集中在Mz/2.50~3.00 Φ-CaCO3/1%~2.5%的区间内,两者都有少部分重叠;而在Mz/3.50~4.50 Φ-CaCO3>3%区间,则为湖沼相。那么,可以认为Mz/2.50 Φ-CaCO3/1%是湖沼相、河流相与古流动沙丘砂的显著分野,且从Mz/2.10~3.00 Φ-CaCO3<1%到Mz>2.50 Φ-CaCO3>1%,河流相、湖沼相样点相对增多并最终替代古流动沙丘砂样点。
Fig. 4 The scatter of Mz(Φ)-CaCO3(%) in different sedimentary facieses of the MGS2

图4 MGS2不同沉积相Mz(Φ)-CaCO3(%)

4 讨论与结论

毛乌素沙漠现代沙丘砂57个样品的CaCO3分析结果[31]显示,其含量范围为0~2.8%,平均含量0.58%。如果将其与MGS2层段的古流动沙丘砂做对比,两者的CaCO3含量分布范围几乎一致,都存在0值,且平均值非常接近;并且古流动沙丘砂与现代沙丘在Mz和σ的分布范围与平均值分别相似。这表明MGS2层段的古流动沙丘砂的沉积环境可能与毛乌素沙漠现代沙丘砂的形成环境类似,揭示出类似于现代毛乌素沙地的干冷多风沙流的主导气候曾经在MGS2时期多次盛行。据此,可以将其中的CaCO3含量基本上视为一种机械的侵蚀–搬运–堆积过程的结果。相同和不同层位沙丘砂在CaCO3含量上的不同,反映物源区与搬运途中母岩的差异性,且堆积之后所受到的化学风化作用相当有限。如果本区受到夏季风即海洋的暖湿气团的影响增强,较好的水热条件将抑制冬季风作用的强度,降水增多,导致洼地积水并形成河流、湖泊。在这种环境背景下,在正负地形上形成河流相和湖沼相。由于夏季风对冬季风的抑制作用,使得堆积风沙的风力大为减弱,故导致河湖相中粗粒级含量降低、Mz（Φ）增大。同时,夏季风盛行的时期也有利于生物化学风化作用,对于地表物质可以分解为较多的细粒,并被水流搬运到河湖沼泽中。从而使得MGS2中河湖相粉砂和粘土含量增加。夏季风盛行的时期的水热环境有利于MGS2堆积区域周围高地CaCO3淋溶,并随水流堆积而相对富集,如25LS具有较高的CaCO3含量,这可能与湖沼发育时受到周围河湖水汇聚有关。
图4进一步说明这几类沉积相的粒度与CaCO3旋回间的关系。如图所示,随着沙丘砂、河湖相和古土壤的Mz (Φ)值增大—颗粒变细,CaCO3含量相应增高。近年研究表明,沙漠风沙流物质的机械破碎度<3.32Φ与干冷多风环境密切相关,同时也导致沙物质中高度贫钙[21]。从MGS2的Mz-CaCO3散点图(图4)上也不难看出这一现象。该层段沙丘砂Mz(Φ)-CaCO3(%)分布于Mz/2.10~3.00 Φ-CaCO3<1.00%。因此,MGS1沙丘砂的贫钙特征是相当明显的,同时也说明这些沙丘砂反映了其时的干冷多风的风沙流沉积环境。自Mz/2.50 Φ-CaCO3/1.00%,河流相样点随Mz (Φ)值的增长,CaCO3含量略微增高,湖沼相样点随Mz (Φ)值的增长,CaCO3含量显著增高。根据MGS2沙丘砂沉积环境与毛乌素沙漠现代沙丘形成环境类似的推断,可以进一步认为,从Mz>2.5Φ-CaCO3>1.00%, 河流相、湖沼相样点增多并替代沙丘砂,可以解释为这是驱动沙丘砂的冬季风动力的衰减所致。因此,MGS2样点在Mz>2.5 Φ-CaCO3>1.00%范围显示冬季风对CaCO3增长的作用受限。即在抑制冬季风携带Mz<2.5 Φ能力的气候条件下,较高含量的CaCO3滋生。由此可见,MGS2的河流相、湖沼相沉积与发育期间风沙流已经不是沉积物贡献的主要的地貌营力。大量研究结果[32,33]表明,第四纪以来中国北方东部地区东亚冬夏季风是两个对立统一的主体气候,两者在中国东部沙区表现为互为消长的关系。据此进一步推论,MGS2河流相、湖沼相形成时应该主要受到东亚夏季风环境的影响。随着来自东南的夏季风向中国西北的推进,不仅大大抑制了冬季风作用,同时还给萨拉乌苏河流域乃至毛乌素沙漠带来更多的降水,气候温暖潮湿,河湖沼泽发育。从上述认识出发,可以将粒度特征和CaCO3含量分布在沙丘砂所呈现的谷态和在河流相、湖沼相所呈现的峰态特征（图3）视为这是分别由东亚冬夏季风增强的体现。
MGS2层段所含的生物化石信息也一定程度上印证这种看法。20D/24D含大量的安氏鸵鸟(Struthiolithus anderssoni)蛋片化石,指示了当时干冷的荒漠环境[26],这与CaCO3含量呈谷态对应;25LS含大量的赤琥珀螺(Succinea erythrophana Ancey)、小土蜗[Galba pervia (Martens)]和西伯利亚旋螺[Gyraulus sibiricus (Dunker)]等腹足类动物化石,其现生种生活在温暖湿润的环境[26],这与CaCO3含量呈峰态对应。
基于上述分析,我们认为MGS2沙丘砂粒度特征和CaCO3含量的低谷和应该是现代干冷的东亚冬季风在过去多次发生的结果,代表了以沙漠堆积为主导的沉积环境。而沙丘砂嗣后的河流相、湖沼相中CaCO3的峰态则是现代暖湿的东亚夏季风在过去多次盛行的产物。这样一来,MGS2中粒度和CaCO3含量在谷峰上的先后交替即可近似视为一个东亚冬夏季风环境交替的气候旋回,自盛冰期至冰后期以来该地经历5.5个与沉积旋回对应的气候旋回。即5.5个干冷—相对暖湿的气候旋回,指示ka尺度的环境变化。
值得注意的是,MGS2与MIS2(23~10 ka B.P.)在时间上几乎一致,并存在着相似的气候波动。MIS2期间H2和H1事件[4],分别与MGS2中干冷环境的30和24 D在时间上吻合。MGS2在晚冰期形成3次代表干冷环境的风成砂层24、22、20D和两次代表相对暖湿的河流相23FL、21FL。其中,3个风成砂层年代可依次与最老仙女木期(The Oldest Dryas)、老仙女木期(Older Dryas)和新仙女木期(Younger Dryas) [1]相对应,而这两层河流相时间上分别与博林期(Bolling)和阿勒罗德期(Allerod) [1]对应。除此之外,CaCO3含量在MGS2层段中20D迅速降低,呈明显谷态,表明气候可能发生突变。25LS的CaCO3含量大幅增加及其波动,表明气候可能快速回升,且存在剧烈的波动,这类似于中国古里雅[19]的升温以及YD时期的剧烈气候波动。这些表明,萨拉乌苏河流域MGS2层段所指示的ka尺度季风环境变化,是北半球气候变化在东亚地区的表现,反映为干冷冬季风和暖湿夏季风的相互交替的变化特征。

The authors have declared that no competing interests exist.

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