靳建辉, 李志忠, 陈秀玲, 凌智永, 曹相东, 王少朴. (2010)新疆伊犁河谷晚全新世风沙沉积主量元素特征及其气候意义* [J]. 古地理学报, 12(6): 675-684
Jin Jianhui, Li Zhizhong, Chen Xiuling, Ling Zhiyong, Cao Xiangdong, Wang Shaopu. (2010)Major elements in aeolian sediments of the Late Holocene in Yili valley and their climatic implications[J]. Journal Of Palaeogeography, 12(6): 675-684. DOI:  
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新疆伊犁河谷晚全新世风沙沉积主量元素特征及其气候意义*
靳建辉1,2, 李志忠1,2,3, 陈秀玲1,2, 凌智永3, 曹相东3, 王少朴3
1 福建师范大学地理科学学院,福建福州 350007
2 湿润亚热带生态--地理过程教育部重点实验室(福建师范大学),福建福州 3500073
3 新疆师范大学地理科学与旅游学院,新疆乌鲁木齐 830054

第一作者简介:靳建辉,男,1981年生,山西晋城人,理学硕士,福建师范大学助教,研究方向为地貌与第四纪环境演变.联系电话:0591-83454691-6507;E-mail:jinjianhui1981@163.com.

通讯作者简介:李志忠,1962年生,男,四川绵阳人,理学博士(博士后),福建师范大学教授,博士生导师,主要从事风沙地貌与第四纪环境演变研究.联系电话:0591-83454691-6507;E-mail:lizzfz@163.com.

收稿日期:2010-04-09
基金:*"十一五"国家科技支撑计划项目(编号:2007BAC15B07)和新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(编号:200821103)共同资助
摘要

在新疆伊犁河谷塔克尔莫乎尔沙漠腹地,选择可克达拉剖面进行了光释光年代测定和主量元素含量分析,根据主量元素组合及其比值变化重建了研究区 3.71 ka BP以来的气候环境变化序列.结果表明,近 4 ka BP以来研究区气候环境演变大体经历 5个阶段的变化: 3.71~3.06 ka BP,冷湿; 3.06~2.78 ka BP,暖干; 2.78~2.10 ka BP,凉湿; 2.10~0.50 ka BP,冷湿; 0.50 ka BP以来,凉干气候为主,最近 100 a趋于暖干.研究区晚全新世以来的气候变化阶段与中国东部季风区以及北半球气候变化阶段有很好的可比性,但各气候变化阶段的水热组合又具有典型的西风带气候模式特征,并与中高纬度北大西洋区域的气候变化具有很好的遥相关.

关键词: 晚全新世; 主量元素; 地球化学; 气候变化; 塔克尔莫乎尔沙漠; 伊犁河谷
中图分类号:P512.2+1 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2010)06-0675-10
Major elements in aeolian sediments of the Late Holocene in Yili valley and their climatic implications
Jin Jianhui1,2, Li Zhizhong1,2,3, Chen Xiuling1,2, Ling Zhiyong3, Cao Xiangdong3, Wang Shaopu3
1 School of Geography Science,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,Fujian
2 Key Laboratory of Humid Subtropical Ecosystem and Geography,Ministry of Education,Fujian Normal University, Fuzhou 350007,Fujian
3 School of Geography and Tourism,Xinjiang Normal University,Ürümqi 830054,Xinjiang

About the first author Jin Jianhui,born in 1981,obtained his master degree in 2009.Now he is an assistant lecturer of Fujian Normal University,and is mainly engaged in geomorphology and the evolution of the Quaternary environment.

About the corresponding author Li Zhizhong,born in 1962,is a professor and doctoral supervisor of Fujian Normal University,and is mainly engaged in aeolian geomorphology and the evolution of the Quaternary environment.

Abstract

The Takelmukul Desert is a fixed and semi-fixed desert,which interlaces with mobile dunes,lakes and rivers.The deposits in the Holocene stratum of the study region belong to aeolian facies.The Kekedala geologic section is selected and sampled for analyzing major elements and dating the forming age.The distributing characters and the integrated parameters of chemical elements corporately indicats that the regional climate has aridization tendency and has experienced several cycles between cold-humid(cool-humid)and warm-arid since 4 ka BP.On the whole,the climatic change can be divided into 5 stages:3.71~3.06 ka BP,cold and humid;3.06~2.78 ka BP,warm and arid;2.78~2.10 ka BP,cool and humid;2.10~0.50 ka BP,cold and humid;0.50 ka BP to present,cool and arid. It tends to be warm and arid in recent 100 years. The climatic stages have fairly good comparability among the study region,eastern monsoon areas and northern hemisphere.The hydro-thermal characteristic of each stage has typical characteristics of westerly climatic zone in the study region and has fairly good teleconnection between study region and mid-high latitude north Atlantic region.The paleoclimatical record of Kekedala section possibly reflects regional difference of global climate change. It must be mentioned that all of the climatic changes are based on precondition of aridity.

Key words: Late Holocene; major element; geochemistry; climatic change; Takelmokul Desert; Yili valley

最近20年来, 国内外学者利用地球化学方法, 提取第四纪风成沉积物中化学元素含量及其比值变化记录的古气候信息, 在中国黄土沉积第四纪环境演变研究中取得很多重要成果(文启忠等, 1989, 1995; Gallet et al., 1996; Gallet, 1998; 赵锦慧等, 2004), 同时也在中国毛乌素沙漠(陈渭南等, 1994; 李后信等, 2002; 靳鹤龄等, 2005), 巴丹吉林沙漠(高全洲等, 1998), 浑善达克沙地(靳鹤龄等, 2003)风成沙与其他沉积交替沉积序列的第四纪环境演变研究方面取得重要进展, 这些研究成果揭示了晚第四纪以来中国东部季风区不同时空尺度, 不同分辨率的第四纪气候环境演化格局.在中国新疆, Liu(1993, 1994)较早研究了塔里木盆地第四纪沉积物的地球化学特征; 余素华和文启忠(1991)报道了北疆黄土及河湖相沉积的地球化学特征及其古气候意义; 叶玮(2001)研究了伊犁河谷黄土的地球化学特征及其古气候意义; 杨万志等(2008)报道了新疆区域地球化学参数特征.上述研究工作给出了新疆各个区域第四纪不同沉积类型的化学元素丰度值及其变化特征, 为其他研究者讨论新疆各地第四纪地层剖面化学元素的相对富集或迁移提供了重要的背景参数.此外, 一些学者的研究涉及北疆古尔班通古特沙漠(陈惠中等, 2001)以及南疆塔克拉玛干沙漠周边河湖相沉积以及风沙--冲积层叠覆序列的地球化学记录(钟巍, 1993; 关有志和李志忠, 1994; 冯起等, 1996; 冯启和王建民, 1998; 钟巍等, 1999, 2005; 舒强等, 2001; 谢宏琴等, 2005), 并据此探讨新疆各地全新世气候变化模式.总体来看, 中国西风带干旱环境的表生元素地球化学研究比较薄弱, 干旱区风沙--古土壤沉积序列元素迁移的古气候意义尚待深入探讨.

塔克尔莫乎尔沙漠位于新疆伊犁河谷西部, 为中国典型西风气候带影响下发育的固定--半固定沙漠.研究表明, 西风带新疆的全新世气候变化与北大西洋区域的气候变化存在着遥相关(Bö hner.2006; 陈发虎等, 2006; 安成邦和陈发虎, 2009), 全新世以来伊犁塔克尔莫乎尔沙漠基本上处于半荒漠环境, 植被覆盖度较高, 随着气候变化发育了连续沉积的古风成沙--古土壤地层序列, 因而这里是研究西风带沙漠沉积地球化学特征, 提取古气候变化记录的良好场所.作者基于沙漠腹地可克达拉剖面的年代学和主量元素测试数据分析, 探讨了研究区晚全新世以来古风沙--古土壤地层序列主量元素含量及其比值变化的古气候意义, 并据此重建了晚全新世以来的古气候变化序列.

1 区域概况

伊犁塔克尔莫乎尔沙漠为固定--半固定沙漠, 常年被北半球中纬度西风环流所控制, 研究区自西与哈萨克斯坦的卡拉库姆沙漠隔河相对, 东西长约40, km, 南北宽约15~40, km, 自西向东成一梯形, 面积485 km2, 是伊犁河谷面积最大的沙漠, 整个沙漠面积占霍城县土地总面积的9%(图 1).根据柯本气候分类, 研究区属于寒冷冬干气候, 最热月平均气温大于22℃ , 年均气温8.4~9.2℃ , 年平均降水量200~330, mm, 降水季节分配比较均匀, 无明显干旱季节, 春季降水偏多, 冬季约有10~25, cm积雪.非地带性土壤为风沙土, 地带性土壤为灰钙土, 沙漠南部和东南部为以驼绒蔾群系(Form.Ceratoides latens)为代表的温带半灌木, 矮半灌木荒漠, 沙漠西部和中部为以白梭梭群系(Form.Haloxylon ammodendron)为代表的温带矮半乔木荒漠, 植被覆盖度可达40%~75%.根据新疆地球化学景观区划(刘拓等, 2001), 研究区属于典型的半干旱荒漠地球化学景观区.

图1 塔克尔莫乎尔沙漠可克达拉剖面位置Fig.1 Location of Kekedala section in Takelmukul Desert

2 研究方法

可克达拉剖面位于霍城至63团公路北侧(43° 58'13.1″N, 80° 32'38.9″E, 海拔605, m).该剖面表层为现代风沙层, 疏松, 发育植物根系, 主体由灰黄色, 棕色, 灰棕色风成沙(细沙, 极细沙)与灰黑色古土壤(含弱成土壤)相互叠置构成.其中, 风成细沙, 极细沙层分选较好, 颜色呈淡棕色, 灰棕色, 结构略紧实, 有云母碎片等碎屑矿物.灰黑色粉沙质古土壤和弱成土壤层质地较细, 有较多植物根系, 含有少量白色斑点状的碳酸钙淀积和灰褐色腐殖质斑点.剖面出露厚度为3.60, m, 无风蚀或侵蚀不整合面, 未见底.根据风成沙光释光测年和沉积相分析, 该剖面主要为晚全新世以来的连续沉积, 空间连续性较好, 且与伊犁黄土--古土壤序列, 北疆黄土具有较好的可比性, 是该区域典型代表性剖面(图 2).

图2 可克达拉剖面综合柱状图Fig.2 Comprehensive column of Kekedala section

颜色值依据的是门赛尔颜色系统和颜色命名法在剖面中, 按照5, cm间隔等间距采样73块.主量元素分析在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室完成.实验仪器是日本理学株式会社生产的3070 E-X荧光光谱仪.首先将采集的73块样品晾干, 碾磨, 使其粒径小于75, μ m, 然后称取粒度小于75, μ m的粉末试样4.0 g, 用低压聚乙烯镶边垫底, 在30, t压力下压制成试样直径为30, mm的圆片.

图3 新疆伊犁河谷可克达拉剖面光释光(OSL)年代以及主量元素含量特征Fig.3 OSL ages and major element content at Kekedala section in Yili valley, Xinjiang

在X射线管电压为50 kV, 电流为50 mA, 粗狭缝, 真空光路的工作条件下, 用已建立好的各元素测量条件对样品进行测试, 通过计算机处理后得到被测样品的分析结果, 元素测量实验误差小于5%, 主量元素含量以氧化物形式给出, 其随剖面变化特征见图3.为探讨主量元素变化与沉积物粒度组成, 有机质含量的关系, 采用Master Sizer-2000激光粒度分析仪测试样品的粒度组成, 采用铬酸钾--浓硫酸消煮法测定了有机碳(TOC)含量, 并对元素含量与粒度组成, TOC含量进行了对比分析(图 4).

图4 可克达拉剖面地球化学参数揭示的气候变化阶段Fig.4 Stages of climatic change shown by geochemical indicators in Kekedala section

在可克达拉剖面中采集风成沙光释光(OSL)测年样品3个, 深度分别为自表层向下1.65 m, 2.10 m和3.60 m.测年在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所释光实验室完成.测试采用了粒径63~180, μ m的粗颗粒石英矿物进行OSL年代的测量.样品制备和测量均在装置有微弱红光灯的暗室中进行.OSL信号测量在丹麦国家实验室生产的Risoe-OSL/TL-DA15释光测量仪上完成, 测量仪上装置有剂量率为0.0104 Gy/sec的 90Sr/90Yβ 标准源.所得测年结果自上而下分别为:1.88± 0.29 ka BP, 2.23± 0.19 ka BP, 3.71± 0.38 ka BP.

利用上述年代数据, 基于磁化率和粒度年龄模型(陈一萌等, 2006), 分别以0~1.88 ka BP, 2.23~3.71 ka BP为控制点计算剖面不同深度的沉积层年龄; 再分别以0~2.23 ka BP, 1.88~3.71 ka BP为控制点计算剖面不同深度的沉积层年龄, 并对两次所得结果进行内插和外延, 建立了可克达拉剖面近4 ka BP以来的年代序列(表 1).

表1 伊犁河谷可克达拉剖面光释光年代序列 Table1 OSL age succession of Kekedala section in Yili valley
表2 可克达拉剖面主量元素含量及区域背景值 Table2 Content of major elements at Kekedala section and their background values
3 主量元素含量特征与其气候意义
3.1 主量元素含量特征由图3和表2可以看出, 随着剖面中古风成沙--古土壤沉积序列的交替变化, 各元素含量都有明显的峰谷波动变化.除了SiO2, Na2O在风沙层中的含量较高外, 其他大部分元素的氧化物如Al2O3, CaO, Fe2O3, K2O和MgO等在古土壤层中的含量均高于或略高于古风成沙.其中, SiO2含量46.26%~67.91%, 平均57.65%, 其在风成沙中的含量高于古土壤; 其次, Al2O3和CaO含量较高, 两者均为古土壤中含量高于风成沙中含量.再次是Fe2O3, 含量2.57%~7.16%, 平均4.32%, 也是在古土壤中的含量略高于风成沙.含量最低的是K2O, MgO和Na2O, 依次为2.28%~3.1%, 1.09%~3.51%和1.68%~2.85%, 平均值分别是2.63%, 2.49%和2.19%, 其中K2O和MgO也表现为古土壤含量略高于风成沙的特征.

依据区域地化元素背景参数比较分析(杨万志等, 2008), 可克达拉剖面中的K2O, CaO, MgO, SiO2, Fe2O3和Al2O3等6种主量元素氧化物含量的平均值总体上高于天山区域地球化普元素背景值, 仅Na2O含量均值低于天山背景值; 而可克达拉剖面古土壤中Na2O, CaO, MgO和 SiO2含量低于已发表的伊犁河谷黄土和古土壤中的含量(叶玮, 2001), 但略高于北疆黄土中的含量, 即晚全新世以来, 研究区处于低Na2O含量, 高K2O, CaO, MgO, SiO2, Fe2 O3, Al2O3含量的地球化学环境中, 具有硅酸盐--碳酸盐风化壳的元素组合特征, 也具有半荒漠地球化学景观的元素迁移特征.尤其是剖面古土壤样品中K2O, CaO, MgO, Fe2 O3和Al2O3等元素氧化物含量的均值高于天山区域主量元素背景值, 表明这些元素在研究区古土壤中明显富集, 而Na2O, SiO2含量均值则低于天山区域元素背景值, 表明这些元素在古土壤中分散迁移; 剖面风成沙样品中Na2O, CaO, MgO, Fe2 O3和Al2O3等元素氧化物含量均值低于或略低于背景值, 表明这些元素在古风成沙中相对分散, 而K2O, SiO2 的均值高于背景值, 表明它们在风成沙中是相对富集的(图 3, 图4).

3.2 主量元素含量变化的气候意义

研究表明, 在表生环境中控制化学元素迁移的因素主要包括气候, 地形, 风场以及元素本身的地球化学性质(文启忠等, 1989; 陈一萌等, 2006).在可克达拉剖面风成沙--古土壤序列中, 不同性质化学元素的含量在不同类型沉积物中有明显差异.一般来说, 在表生环境中, K2O, Na2O, CaO, MgO, SiO2, Fe2 O3和Al2O3的化学活泼性依次减弱.在湿润气候条件下来自硅酸盐矿物的SiO2先于Al, Fe淋失.新疆伊犁河谷受西风环流影响, 现代降水量呈现从西至东依次减弱的规律, 降水量明显多于新疆其他地区.表2可以看出, 研究区古土壤SiO2含量明显低于北疆黄土以及天山山区背景值, 表明研究区化学风化作用与新疆其他区域相比较强, 可能表明硅酸盐在古土壤形成的气候湿润时期淋失过程相对比较充分.可克达拉剖面中古土壤中SiO2含量相对较低, 可能是受到硅酸盐矿物中SiO2风化淋失作用影响; 反之, 在干旱气候条件下, 硅酸盐淋溶不充分, 硅酸盐矿物的风化作用非常微弱, SiO2相对富集.故可克达拉剖面风成沙中SiO2含量较古土壤中多.Al, Fe的化学性质较为相近, 比较稳定而不易淋溶迁移.在湿润气候环境中, 由于其他元素大量淋溶迁移, 且Al, Fe等稳定性元素多富集在细颗粒中, 导致沉积物中Al, Fe含量相对较多; 而Fe2O3和Al2O3含量较低时, 反映了区域气候干旱, 降水减少.故可克达拉剖面古土壤中Al, Fe含量高于风成沙中的含量, 这与古土壤的粒度组成可能有一定相关性(图 3, 图4).

Ca, Mg属于碱土金属元素, 化学性质介于K, Na与Fe, Al之间, 是中等活泼元素.在半干旱半湿润的气候环境中, CaO, MgO可以发生较多的淋溶迁移.K, Na为化学性质极活泼元素, 只有在干旱和极端干旱环境中有利富集(靳鹤龄, 2003).在表生环境中的含K, Na的可溶性盐类指示的沉积环境是有差异的.在气候湿润条件下, 旺盛的植物对钾盐具有较强吸附作用, 造成元素K的相对富集; 当气候变干, 植物大量死亡后, K回归土壤, 淋失迁移.而在湿润气候条件下, 可溶性钠盐易于淋失(Liu, 1993).另外, K, Na等元素的化学迁移也与粘粒和有机质的吸附作用有关, 研究显示K, Na等元素的含量与沉积物黏土含量呈正相关关系.因此, 可克达拉剖面古土壤中K2O的含量略高于风成沙中的含量, 可能反映了水热条件较好时期植被对K的吸附作用, 以及土壤细颗粒组分和土壤有机质对K 的积聚作用.而风成沙中Na2O的含量略高于古土壤中的含量, 可能反映了上覆地层对下部层位的风化淋溶对Na元素迁移作用的影响.同时风沙层在温度, 流体介质, 时间和压力等因素的影响下, 细粒矿物在向伊利石转化的过程中会释放出部分Si4+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Na+等阳离子, 使得风沙层中Na含量较上覆古土壤地层含量丰富, 风沙层的淋滤过程也可能造成下部古土壤层中Ca元素的富集(图 3, 图4).另外, 研究区在西风环流和北部冷高压影响下, 有可能含有北大西洋, 中亚, 西亚远源搬运的细粒物质, 也可能含有近源搬运的粗粉砂物质, 从而对剖面化学元素组分的变化产生影响.

3.3 地球化学参数的气候意义

沉积物特征元素比值可以消除影响化学元素迁移的多种复杂因素, 并指示元素的相对富集程度和沉积环境特征(Harnois, 1988; 王国平等, 2005).根据研究区地球化学环境特点, 作者选取几种气候环境代用指标进行系统分析(图4):

残积系数[(Al2O3+Fe2O3)/(RO+R2O)]指示风化淋溶作用的强弱.其比值越小, 说明风化淋溶强度越弱, 反映气候越干旱; 反之, 说明风化淋溶作用强烈, 反映气候湿润.可克达拉剖面的残积系数变化出现4~5个明显的峰值段, 表明研究区可能存在4~5个相对湿润的气候阶段.

化学风化指数[Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O)]是表明风化程度的指标.该指数增大表示沉积物化学风化作用增强, 沉积环境的水热组合状况相对优越.反之, 说明风化作用减弱, 沉积环境水热条件较差.可克达拉剖面化学风化指数与残积系数大致同步变化, 呈现4~5个较明显的旋回变化, 表明近3.7 ka BP以来研究区经历过4~5个气候相对湿润--干旱的变化时期.

图5 可克达拉剖面地球化学指标变化及与其他地区对比(a--格陵兰GISP2冰芯δ 18O变化曲线(据Bond等, 1997); b--北大西洋VM 29-191赤铁矿颗粒含量变化曲线(据Bond等, 1997); c--北大西洋夏季表层水温变化曲线(据Moros等, 2004); d--北大西洋VM 29-191浮冰碎屑记录(据Moros等, 2004); e, f--可克达拉剖面地球化学参数变化曲线)Fig.5 Changing of geochemical indicators in Kekedala section and contrast with other areas

退碱系数[(K2O+Na2O+CaO)/Al2O3]也可指示气候环境的干湿变化.Na2O, CaO和K2O的化学性质较活泼, 容易发生淋溶, 因此该系数增大时, 表明气候环境趋向于干旱; 反之表明气候环境趋向于湿润.从图4可知, 在研究区发育古土壤的湿润期, 退碱系数减小, 残积系数和化学风化指数增大, 这些指标较好地反映了沉积环境的变化.

钠钙比[Na2O/CaO]是反映干旱荒漠化程度的指标.因为Na的化学性质比Ca活泼, 它析出在Ca的前面.Na是荒漠草原的标型元素, Ca是草原, 干草原的标型元素(高全洲等, 1998).钠钙比增大表明沉积环境荒漠化程度增强, 反之则向湿润草原方向发展.

淋溶系数[Si2O/(RO+R2O)]和硅铁铝率[Si2O/(Al2O3+Fe2O3)]均表示表生环境化学元素的淋溶迁移强度.一般情况下, 湿润气候条件下硅铁铝率较小, 淋溶系数较大, 而干旱气候条件下硅铁铝率较大, 淋溶系数较小, 但也会出现不同情况(李后信等, 2002).干旱半干旱地区耐旱, 耐盐碱植物的吸附作用有可能超过其淋失率, 出现淋溶系数与上述规律相反的情况.可克达拉剖面中钠钙比, 淋溶系数和硅铁铝率变化均同期出现4~5个明显的高值段, 表明区域气候有过4~5次干旱期, 在干旱期沉积环境向荒漠化方向发展(图 4).

4 晚全新世气候变化阶段及区域对比

综上所述, 3.71 ka BP以来伊犁塔克尔莫乎尔沙漠的气候变化总体上有干旱化趋势.根据主量元素含量变化特征, 并以地球化学参数, TOC和粒度参数作为变量进行最优分割分析, 可将可克达拉剖面3.71 ka BP以来的气候环境变化分为5个阶段(图 4).各个阶段中的冷期与同期北大西洋表层水温以及浮冰碎屑记录的冷事件有较好的对应关系(图 5)(Bond et al., 1997; Moros et al., 2004; 蒋辉等, 2006).

阶段Ⅰ :3.71~3.06 ka BP, 剖面中出现1次风成沙与弱成古土壤的交替旋回.从整体上看, 沉积物平均粒径(Mz)3.42~8.03Φ , 均值为5.86Φ , TOC含量也较高, SiO2含量较低, 平均含量仅57.27%, Fe, Al, Ca, Mg含量较高, K波动增加, Na波动减小, 退碱系数, 硅铁铝率均值在全剖面中最小, 残积系数的均值最大, 反映为气候较湿润时期.中国东部季风区此时正处于第4新冰期向新温暖期过渡的阶段, 北半球总体则处于第3新冰期(Denton, 1973).其中, 3.71~3.56 ka BP为古风成沙沉积(), SiO2含量有所增加, Fe, Al, Ca, Mg含量有所减少(图 3), 淋溶系数, 硅铁铝率, 退碱系数及钠钙比呈现较明显的峰值, 化学风化指数和残积系数呈现较明显谷值(图 4), 表明气候干旱, 植被稀少, 植物对元素的吸附作用小于其淋失率.3.56~3.06 ka BP发育弱成古土壤(), 可能在北半球第3新冰期冷干气候背景下, 该区至少出现过1次温凉湿润的气候波动.此时Fe, Al明显增多, 因植物增加, 细颗粒组分增加, 吸附增强, K含量也增多, Na含量减少, 硅铁铝率, 淋溶系数, 钠钙比, 退碱系数出现明显的谷值, 化学风化指数和残积系数出现明显峰值, 显示本阶段由凉湿, 冷湿向暖干逐渐过渡的气候变化过程.

阶段Ⅱ :3.06~2.78 ka BP, Mz为2.55 Φ , 为全剖面峰值段, 风沙粒径很粗; SiO2含量也很高, 平均值达60.51%, Fe, Al, Ca, Mg含量最小; 低含量的TOC也反映气候干旱, 植被稀疏, 植物有机质对元素的富集作用很小, 活泼元素淋失也减弱, 因此K含量波动减少, Na含量增大(图 3).该阶段残积系数较小, 退碱系数增大, 并出现多次波动, 同时钠钙比, 硅铁铝率及淋溶系数出现振幅较大的波动(图 4), 表明气候出现较剧烈变化.各项元素地球化学指标均反映为干旱气候期.此时中国东部季风区正由新温暖期向干冷期过渡.从全球变化来看, 北半球此时处于第3新冰期与第4新冰期之间的暖期阶段(Denton, 1973).

阶段Ⅲ :2.78~2.10 ka BP, 剖面中出现两次古土壤与风成沙沉积旋回, Mz为4.67Φ , 沉积物粒度组成趋于变细, 同时TOC含量趋于增加.其中, 风成沙以极细沙为主, 有弱成古土壤发育.SiO2含量较低, 平均含量55.90%, Al, Ca, Mg含量较高, Fe含量最高, TOC含量增加, 植物吸收使元素K富集, 但元素Na含量较低(图 3).淋溶系数, 硅铁铝率, 退碱系数及钠钙比较上阶段减小, 残积系数与化学风化指数比上阶段增加(图 4), 表明气候较上阶段湿润.但从Ca, Mg含量增大, 钠钙比增大看, 降水增加幅度较小, 显示为荒漠草原环境, 并且荒漠化有增强趋势, 气候比较干旱.其中, 2.75 ka BP左右发育弱成古土壤(), 硅铁铝率, 钠钙比, 淋溶系数以及退碱系数均表现为峰值, 而残积系数和化学风化指数为谷值.古土壤层上部夹杂腐殖质和植物根系, 显示出古气候从相对暖干转向相对凉湿.在2.63~2.23 ka BP期间发育1个古土壤()--风成沙旋回, 硅铁铝率, 钠钙比及淋溶系数减小为谷值, 化学风化指数及残积系数增大, 表现为峰值, 但退碱系数增, 反映古气候转向相对冷湿.北疆古尔班通古特沙漠西南隅的莫索湾剖面也显示在2.72 ka BP和2.34 ka BP前后有过两次沙质弱成古土壤发育时期(陈慧中等, 2001).总体上看, 研究区处于凉湿向冷湿气候变化, 可能对应中国东部季风区干凉向温湿气候的过渡阶段, 此阶段中, 北半球大部分处于相对温暖期(Denton, 1973).

阶段Ⅳ :2.10~0.50 ka BP, 剖面中有3次古土壤与风成沙交替的沉积旋回.总体上看, SiO2含量较高, Al, Mg, Fe 含量波动减小, 硅铁铝率及淋溶系数较大, 退碱系数最大.残积系数与化学风化指数均有减小, K含量较高, Ca含量最高, Na含量与上阶段基本持平.随着CaO含量增加, 钠钙比较小(图 4, 图5), 显示环境向干草原发展的趋势.北半球气候逐步向小冰期冷湿气候过渡.其中, 2.10~1.88 ka BP发育1个次级古土壤()--风成沙旋回, 残积系数, 化学风化指数出现峰值, 退碱系数, 淋溶系数, 硅铁铝率及钠钙比出现谷值, 显示区域气候经历干旱--较湿润--干旱的波动变化.在1.88~1.32 ka BP期间也发育1个次级古土壤()--风成沙旋回, 残积系数, 化学风化指数出现较小峰值, 而退碱系数, 淋溶系数, 硅铁铝率及钠钙比出现较小谷值, 表明区域气候经历干旱--较湿润--干旱的波动变化.第3期古土壤()形成时间大约为1.32~0.5 ka BP, 与中世纪暖期(900~1300 A.D.)在时间上较为接近, 同时新疆古里雅冰芯记录的公元1100年也是区域气候转折的关键点(姚檀栋等, 1996), 但是中国西部10~13世纪的暖期并不十分明显, 而转向寒冷变化趋势比东部地区要显著(王绍武和龚道溢, 2000).同时, 冰岛北部陆架在2.10~0.50 ka BP期间有3次明显的降温事件, 研究区此阶段发育的3次古风成沙--古土壤沉积旋回可能是这3次降温事件的产物.

阶段V:0.50 ka BP至今, 剖面上部残积系数和化学风化指数趋于减小, 但两者的均值都较大; 硅铁铝率, 淋溶系数, 钠钙比及退碱系数也在增大(图 4), 但其均值都较小, 在持续增大过程中出现1次谷值波动, 表明本阶段发生1次较强烈的寒冷事件.该阶段元素含量及其比值总体反映为相对温凉干旱气候, 而最近100 a以来区域气候迅速转向暖干.上述变化特征对应北半球16~19世纪发生的小冰期寒冷气候期以及20世纪初延续至今的全球气候变暖.前人研究表明, 0.50~0.10 ka BP期间, 北半球气候偏冷, 天山雪线降低, 冰雪覆盖增加, 北疆古尔班通古特沙漠在该时期也以风沙沉积为主, 表现出干冷多风的气候特点, 但在0.38 ka BP发生1次短暂的, 相对冷湿的气候波动(Denton, 1973; 姚檀栋等, 1996; 王绍武和龚道溢, 2000).

5 讨论与结论

新疆伊犁塔克尔莫乎尔沙漠腹地可克达拉剖面古风成沙--古土壤沉积旋回主量元素含量以及特征元素比值的变化特征, 记录了研究区晚全新世以来古气候环境的波动变化序列, 显示出3.7 ka BP以来研究区气候环境波动式干旱化的发展趋势.最近3.7 ka BP以来, 研究区气候环境变化可以划分为5个相对冷湿(凉湿), 暖干(温干)交替的气候变化阶段.研究表明, 可克达拉剖面主量元素含量, 特征元素比值以及TOC含量与粒度参数等气候环境替代指标所揭示古气候环境的冷暖干湿波动, 既与北半球气候变化阶段具有大致同步的变化特征, 也与西风带周边其他区域的气候变化记录具有很好的可比性.值得注意的是, 本区各个阶段气候变化事件与西风带中高纬度北大西洋区域的气候变化具有明显的遥相关, 说明研究区气候变化有可能主要受全球变化的驱动, 同时也表现出鲜明的区域特点.

全新世晚期以来, 研究区气候演变主要表现为相对冷湿与暖干交替的西风带模式, 表生地球化学环境和元素迁移过程也表现出较明显的区域特点.在相对冷湿气候期, 植物覆盖较好, 化学风化较强, 成土作用有所增强, 并发育具有灰钙土性质的古土壤, CaO, MgO , Fe2 O3和Al2O3等多数元素富集, 仅有SiO2 , Na2O等元素氧化物含量相对减少; 在干暖气候期, 风力作用较强, 风成沙发育, 植物作用衰退, 多数元素分散淋失, SiO2, Na2O等元素氧化物含量相对增加.有研究显示中亚西风影响区全新世气候变化框架与亚洲季风区中晚全新世季风衰落的变化模式显著不同, 具有近似反相位的变化特征.广大的中亚内陆干旱区中晚全新世湿润气候不太可能是东亚季风深入内陆造成的, 更可能是通过西风环流与高纬度北大西洋, 北极涛动相联系, 其驱动机制有可能是北半球温度, 全球冰量和青藏高原等因素, 这有待更深入研究.因此, 可克达拉剖面元素含量及其比值变化所指示的气候环境变化特征, 不同于中国东部季风区风沙层与古土壤, 河湖相旋回交替所记录的气候环境变化特点, 这表明了全球气候变化响应的区域差异性.

全新世晚期以来, 可克达拉剖面中K2O, Na2O , CaO和MgO等化学活泼性元素氧化物含量以及钠钙比值的标准差和变异系数大都小于1, 退碱系数, 残积系数, 化学风化指数的标准差和变异系数也很小, 说明各个主量元素含量变化范围相对于平均值的系统偏离较小, 即3.7 ka BP以来, 研究区半干旱的气候条件总体上没有很大变化, 表生地球化学环境基本上属于半荒漠地球化学景观.因此, 依据主量元素含量以及地球化学比值参数变化所划分的气候干湿变化阶段具有相对意义.

另外, 受剖面碳酸盐含量的影响, 文中所用残积系数和化学风化指数等环境待用指标在风沙层中可能比真实值偏小, 而退碱系数与真实值相比可能偏大.风化淋溶过程中, 上部层位中K, Na, Ca, Mg等活泼元素的向下迁移对剖面各沉积层的化学组成变化有部分误差, 对研究区气候含义解释的分辨率造成一定影响.考虑到研究区基本属于半荒漠地球化学环境, 风化淋溶过程对上述元素淋滤的作用有限, 所以不会改变研究区沉积期气候含义的总体解释, 百年尺度上的误差不显著.对西风影响下的风沙层来讲, 物源的多样性也会干扰对气候意义的解读.研究显示(杨德福和彭淑贞, 2001)不同粒级组分接受化学风化以及在物源区停留的历史不尽相同.一些元素因为物质加入而丰富, 另一些元素则因化学风化分异迁移而亏损.历史时期气候带的微弱偏移, 干旱区域的微弱扩大或缩小, 都会导致地球化学示踪元素的不确定性.以上因素对研究区风沙沉积主量元素的分布特征有一定影响, 有待在今后的研究工作中综合上述因素, 合理设计实验, 继续深入探讨西风带影响下的干旱区化学元素变化与气候环境的耦合关系.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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