赵倩, 胡凡根, 李志忠, 陈秀玲, 靳建辉, 张辉. (2015)福建晋江科任剖面老红砂主元素反映的晚更新世以来气候变化* [J]. 古地理学报, 14(5): 663-672
Zhao Qian, Hu Fangen, Li Zhizhong, Chen Xiuling, Jin Jianhui, Zhang Hui. (2015)Climate change during the Late Pleistocene indicated by major elements of “old red sand” in Keren sectionat Jinjiang, Fujian Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 14(5): 663-672. DOI:  
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福建晋江科任剖面老红砂主元素反映的晚更新世以来气候变化*
赵倩1,2,3, 胡凡根1,2,3, 李志忠1,2,3,4, 陈秀玲1,2,3, 靳建辉1,2,3, 张辉1,2,3
1 福建师范大学地理研究所,福建福州 350007
2 福建师范大学地理科学学院,福建福州 350007
3 湿润亚热带生态—地理过程教育部重点实验室,福建福州 350007
4 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 710075

第一作者简介 赵倩,女,1989年生,山东临沂人,理学硕士,研究方向为地貌与第四纪环境演变。E-mail:zhaoqian1987.xyz@163.com。

通讯作者简介 李志忠,1962年生,四川绵阳人,理学博士,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。E-mail:lizzfz@163.com。

收稿日期:2012-01-10
基金:*国家自然科学基金项目(批准号:41271031)、中国科学院黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金项目(编号:SKLLQG1113)、福建省自然科学基金项目(编号:2009J01208)、福建省公益类科研院所专项基金项目(编号:2009R10039-4)和福建省大学生创新性实验计划项目(编号:FJNU2011-034)共同资助
摘要

以福建晋江科任剖面老红砂为研究对象,对剖面主元素地球化学特征及其指示的古环境意义进行初步研究。结果表明:( 1)科任剖面以湿润型元素 SiO2、 Al2O3、 Fe2O3为主,含量范围依次为 68.88%~93.77%、 9.03%~19.1%和 2.14%~5.32%;干旱型元素 CaO、 Na2O、 MgO和 K2O的含量均小于 0.5%, K2O的含量略高于 2%,表现为较强烈淋溶;主元素分布特征、风化特征值、CIA值等均表明,科任剖面老红砂总体上属于轻度富铝化。( 2)对特征元素组合、元素比值和磁化率等古气候古环境代用指标进行分析,认为晚更新世中期以来,科任剖面记录了较干冷—暖湿—干冷—暖湿 4个阶段的气候变化: 55.9~43.9 ka BP和 27.0~10.8 ka BP两个时期,气候干冷,冬季风强烈,为风沙堆积的两个主要阶段; 43.9~27.0 ka和 10.8 ka以来,气候温暖湿润,为风沙经历强烈风化和红化作用阶段。

关键词: 晚更新世; 老红砂; 主元素; 气候变化; 科任剖面
中图分类号:P595 文献标志码:文章编号:1671-1505(2012)05-0663-10 文章编号:1671-1505(2012)05-0663-10
Climate change during the Late Pleistocene indicated by major elements of “old red sand” in Keren sectionat Jinjiang, Fujian Province
Zhao Qian1,2,3, Hu Fangen1,2,3, Li Zhizhong1,2,3,4, Chen Xiuling1,2,3, Jin Jianhui1,2,3, Zhang Hui1,2,3
1 Institute of Geography,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,Fujian
2 School of Geography Science,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,Fujian
3 Key Laboratory of Humid Subtropical Ecosystem and Geography,Ministry of Education,Fuzhou 350007,Fujian
4 State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology,Institute of Earth Environment,CAS,Xi'an 710075,Shaanxi

About the first author Zhao Qian,born in 1989,is a master candidate.She is mainly engaged in geomorphology and 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

This paper focuses on the research of “old red sand” section of Keren in southeast coast of Fujian Province. We analyzed the content of major elements and ratios of oxide in Keren section,and found that:(1)The old red sand was mainly composed of wet-type elments such as SiO2,Al2O3 and Fe2O3,and their content range change as 68.88%~93.77%,9.03%~19.1%,and 2.14%~5.32%,respectively.Dry-type elements such as CaO、Na2O and MgO,whose content are all below 0.5%,only the content of K2O is a bit higher than 2%,showing intensely eluviated.(2)Since the Late Pleistocene,the history of climate change recorded by Keren section can be divided into 4 stages,they are cold-dry,warm-wet,colder-dryer and warm-wet climates.And the major deposition phases of coast eolian sand took place under cold-dry climate during 55.9-43.9 ka BP and 27.0~10.8 ka BP,which had a lower sea level and strong winter monsoon environment.However,during 43.9~27.0 ka BP and since 10.8 ka BP,the climate significantly became warm and humid,also,which had a higher sea level.So,in these phases,the earlier deposition of coast a eolian sand experienced a strong weathering and reddening process.

Key words: Late Pleistocene; old red sand; major elements; climate change; Keren section
1 引言

老红砂是断续分布于闽东南、粤东和琼东北沿海的棕红色、红橙黄色为主的半胶结中— 细砂沉积, 是中国东南沿海独具特色的第四纪沉积物(朱孝宁等, 1988; 吴正等, 1995; 吴正和王为, 1997; 曾从盛等, 1997, 1999a)。老红砂作为一种典型的南方砂质红土, 在上世纪60年代至90年代得到广泛关注。前人主要对老红砂的成因、年代学、红化作用机理等进行了广泛的调查研究(吴正和王为, 1997; 曾从盛等, 1999b; 吴正等, 2000, 2001; 张家富等, 2007; 李志文等, 2011)。总体上认为老红砂是末次冰期低海平面时, 在强劲的东北风搬运作用下, 海滩砂不断向陆地推移, 最终在海岸带内侧陆地迎风坡堆积下来并经后期风化作用形成的。“ 老红砂” 的形成演变不仅反映着海陆交互作用带的动力环境特征, 也与古气候、海平面变迁等密切相关, 是全球变化研究的重要组成部分。

沉积物中的化学元素在表生环境下的地球化学行为作为一种替代性气候指标, 在指示第四纪沉积环境演变、古气候变化方面有着十分重要的意义。近年来, 很多学者通过对各类第四纪沉积物主量元素、风化特征及其特征元素比值的分析, 重建了地质历史时期的古气候、古环境(Guo et al., 1996, 2000; 李徐生等, 1999; 张西营等, 2004; Yang et al., 2011), 表明元素地球化学在古环境演化研究中具有良好的应用前景。前人对老红砂地球化学的研究主要集中在物质来源、成因判别和沉积环境研究等方面(陈伟光和张虎男, 1986; 朱孝宁, 1988; 朱孝宁等, 1988; 吴正等, 1995, 2000; 王建华, 1997; 王建华和梁致荣, 1997; 吕鹏, 1998; 曾从盛等, 1999a, 1999c; 曾从盛, 2000), 而对其所记录的古气候及环境变化研究相对薄弱。随着对老红砂研究的不断深入, 人们对老红砂的形成机制取得了较为统一的意见。在此基础上, 加强老红砂地球化学古气候记录的研究就显得尤为重要。

福建省位于中国东南沿海中亚热带与南亚热带的过渡区域, 是东亚季风演化的耦合区, 第四纪期间, 冰期— 间冰期气候的冷暖旋回变化, 气候带的南北移动, 必然在沉积物中留下烙印, 所以福建是全球气候变化的敏感地带, 其东部海岸带广泛分布的第四纪沉积物— — 老红砂是全球气候变化研究的良好信息载体。作者选取福建晋江典型的老红砂剖面— — 科任剖面并对其进行高密度采样, 在已有测年资料基础上建立剖面年代学框架, 通过对老红砂地球化学特征及其指示的古气候意义的研究, 重建研究区更新世晚期以来的气候环境演变历史。

2 研究区概况与剖面描述

老红砂主要见于闽东南、粤东和琼东北现代海岸风沙发育良好的地区, 呈单列或多列长条形沙堤沿海岸平原连续分布, 有的呈斑块状分布在近岸丘陵山坡上。文中老红砂剖面位于福建省东南沿海晋江市, 东北连泉州湾, 东与石狮市接壤, 东南濒临台湾海峡, 南与金门岛隔海相望(图1), 地质构造上处于长乐— 南澳剪切带(东南沿海变质带)中段, 地貌类型以侵蚀— 剥蚀低丘陵和侵蚀— 剥蚀台地为主, 包含红土台地、侵蚀剥蚀圆缓低丘陵、台间谷地、海积平原和风积垄地, 地势由西北向东南海面倾斜。气候类型属于南亚热带海洋季风气候, 年平均气温20.4, ℃, 1月均温11.9, ℃, 7月均温28.2, ℃, 年降水量911~1231, mm, 年均日照2130 h, 无霜期360 d。风向年变化的主要特点是冬季东北风和夏季西南风的季节更替, 且风速的年变化十分明显。植被类型属于亚热带常绿阔叶林, 地带性土壤为赤红壤。野外调查表明, 福建东南沿海的老红砂主要位于朝向北、东北方向的砂质海岸段。这与福建东南沿海的秋冬季节的盛行风向主要是偏北的东北向岸风、有利于海岸风沙堆积的风动力环境是一致的。

图1 福建晋江科任剖面位置图Fig.1 Location of Keren section at Jinjiang, Fujian Province

科任剖面位于晋江半岛滨海地带, 地理坐标24° 34'56.3″N, 119° 39'14.1″E(图 1), 采样剖面系海岸带老红砂侵蚀残留的台地经人工开挖后形成的垂直剖面。整个剖面厚度约12, m, 顶部为乔灌草等耐旱植被覆盖的平地, 底部未见底, 从上至下大致可分为4个层段, 各层段之间岩性逐渐过渡(表 1)。在对剖面进行实地观察采样时, 未见科任剖面中存在角砾石层或沉积间断面, 且沉积构造在水平方向上多表现为无明显层理的块状沉积构造, 各个层段之间岩性为逐渐过渡, 说明科任老红砂剖面其沉积是相对连续的。由于表层0~20, cm受人为扰动, 因此以下分析只讨论剖面22.5~1200, cm范围。

表1 福建晋江科任剖面岩性特征描述 Table1 Lithologic characteristics of Keren section at Jinjiang, Fujian Province
3 常量元素含量和磁学参数测试

在野外自下而上, 对科任剖面按照2.5, cm间隔等间距采样481块。主元素分析使用荷兰PANalytical公司生产的Minipal 4荧光光谱仪完成。首先将采集的样品晾干、碾磨过200目筛, 使样品成粒径小于75, μ m的粉末, 然后称取粉末试样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。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%, 主元素含量主要以氧化物形式给出。主元素含量测试在南京师范大学地理科学学院实验室完成。

元素组成矿物大多数都具有一定的磁学特性。为判断科任部面老红砂地球化学元素组成与老红砂沉积物矿物磁学特征之间的关系, 深入分析元素地球化学反映的气候环境变化, 在实验室同时采用英国Bartington 公司生产的MS2型磁化率仪测定了科任老红砂样品的磁化率。实验步骤:样品在38, ℃烘箱中烘干、磨碎(以不损伤自然颗粒为度)后, 过孔径2, mm筛, 装入10 mL专用塑料样品盒, 称量、压实, 供磁测。测定的磁学参数包括:(1)低频磁化率(χ lf)和高频磁化率(χ hf); (2)频率磁化率(χ fd), 按公式:

χ fd(%)=(χ lf-χ hf)/χ lf× 100%计算。 磁化率实验测试在福建师范大学湿润亚热带生态— 地理过程教育部重点实验室土壤磁学实验室完成。实验得到的地球化学元素含量、特征元素比值以及磁学参数的计算和制图, 分别采用Excel 2003、Origin V8.0和CorelDRAW 12.0等软件完成。

科任剖面年代标尺采用吴正等(2000)、曾从盛等(1999c)发表的4个年代学数据, 即在埋深1.22 m、4.9 m、5.93, m和11.59, m处的测年数据, 依次为10± 1 ka(热释光, TL)、15.2 ka(电子自旋共振, ESR)、25.7 ka(ESR)、54± 5 ka(TL), 并据此构建整个剖面的年代学框架。

4 结果分析
4.1 主元素分布的古气候意义

表生地球化学元素的迁移和聚集过程, 既受其自身的物理化学性质影响, 同时也与所处的气候环境有密切关系(高尚玉等, 1985; 刘东生, 1985; 文启忠, 1989)。K、Na等碱金属元素化学性质极活泼, 往往在湿润环境中最先以离子形式被淋溶; Ca、Mg活动性中等或较强, 随着气候湿润程度的增强与持续, 紧随K、Na之后被溶解、淋溶迁移。相反, Si、Al和Fe的化学性质比较稳定, 在潮湿且酸性介质中相对富集(温小浩等, 2009)。磁化率指低频磁场中(0.1 T)样品的磁化强度与磁场强度之比, 是样品中铁磁性矿物含量的主要指标, 磁化率的高低与磁性矿物类型和颗粒大小密切相关, 但主要还是受其中磁性组分浓度高低的影响, 磁性矿物浓度的变化对磁化率的大小起主导作用, 控制了其基本变化规律(杨晓强和李华梅, 1999; 李明启等, 2005)。磁化率广泛应用于第四纪古环境的恢复与重建, 一般说来, 磁化率高值指示气候较湿热, 低值指示气候较干冷(刘秀铭等, 1990; Liu et al., 1992; 刘青松和邓成龙, 2009)。

科任老红砂剖面的元素组成以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主, 三者合计平均含量超过了95%(表2)。其中, SiO2的含量介于68.88%~93.77%之间, 平均值为85.962%; Al2O3的含量介于9.03%~19.1%之间, 平均值为12.141%; Fe2O3的含量介于2.14%~5.32%之间, 平均值为2.955%; 而老红砂中CaO、Na2O、MgO、K2O等的组分含量很低。其中, CaO的含量介于0.09%~0.2%之间, 平均值为0.125%; Na2O的含量介于0.08%~0.17%之间, 平均值为0.109%; MgO的含量介于0.15%~0.38%之间, 平均值为0.209%; K2O的含量介于1.8%~2.71%之间, 平均值为2.255%(表2)。可能由于研究区海岸风成砂风化、红化过程中长期处于湿热气候环境, 导致Na、Mg、Ca大量被淋失; 另一方面, 湿热的环境有利于植物的大量生长, 从而使得更多的K元素被吸收, 在成土成壤过程中得以保存。因此, 老红砂主量元素组成中, 除了K易于被黏土吸附, 含量略高于2%外, 其他易溶组分的含量基本上低于1%。

表2 福建晋江科任剖面主元素含量与风化特征值分布特征 Table2 Distribution characteristics of major elements content and weathering characteristic values of Keren section at Jinjiang, Fujian Province

从表3中可以看出, 科任剖面老红砂常量元素含量由大到小依次为:SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO、CaO、Na2O。常量元素组成与花岗岩风化壳的化学全量组合特征相似, 说明老红砂的最初物源可能主要是花岗岩风化碎屑, 这与研究区广泛分布的花岗岩风化壳具有较好的一致性。从表3还可以看出, 与花岗岩风化壳相比, 科任剖面老红砂的化学成分有高硅、低铁、低铝的特点, 这表明, 海岸风沙沉积后, 后期遭受的化学风化程度不如花岗岩风化壳, 这可能是因为海岸带风沙持续的加积过程使得早期风沙沉积遭受的化学风化强度减弱。由于风沙沉积为风力作用吹扬搬运海滩砂的二次沉积物, 其堆积时沉积物中长石类及铁镁硅酸盐类矿物含量不会太高, 而使得石英占绝对优势。因此, 与现代海岸沙丘砂(风成砂)和海滩砂相比, 老红砂则显示低硅、高铁铝的特点, 表明老红砂的硅铝铁率低于现代风成砂和海滩砂。这说明老红砂的富铝化程度比现代风成砂和海滩砂要高, 即老红砂的风化程度高于现代风成砂和海滩砂。这种富铝铁化现象和较强的化学淋蚀作用, 反映了科任剖面老红砂由风沙堆积阶段到后期红化阶段所经历的强烈化学风化作用。

表3 科任部面老红砂与其他岩石主量元素平均值 Table3 Major elements average ralues of old red sand in Keren section and otker rocks

在老红砂沉积物中, 其磁化率的大小显然主要受控于Fe2O3含量的变化。从图2可以看出, 科任剖面Fe2O3含量的变化与磁化率具有较好的一致性, 当磁化率较高, 代表气候较湿热时, Fe2O3含量较高, 而当磁化率较低, 指示气候较干冷时, Fe2O3含量较低。这主要是因为, 当气候较湿热时, 较强的风化淋溶作用导致化学性质较稳定、属略可迁移的Fe相对富集, 从而使磁性矿物浓度增高、磁化率增大。

图2 福建科任剖面主元素含量变化Fig.2 Variation of major element content of Keren section at Jinjiang, Fujian Province

4.2 特征元素比值、相关性分析及其古气候意义

为了进一步探讨科任剖面老红砂的主元素地球化学特征及其风化程度, 采用剖面风化特征值等进行分析。氧化物分子比常被用来度量风化程度(朱丽东等, 2007), 主要包括硅铝系数(SiO2/Al2O3)、铝铁系数(Al2O3/Fe2O3)、铝铁硅系数((Al2O3+Fe2O3)/SiO2)、化学蚀变指数(CIA=Al2O3× 100/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O))和风化淋溶系数(ba=(K2O+Na2O+CaO+MgO)/Al2O3)(表 2, 图3)。研究表明, 硅铝系数和铝铁系数越小, 铝铁硅系数越大, 风化程度就越强, 并依此将中国南方富铝化风化壳划分为强度、次强、中等、轻度4个等级(黄镇国等, 1996)。土壤的风化淋溶系数(ba)值愈大, 表明风化淋溶作用愈弱, 这类土壤的发育程度越弱(张雪林, 1995)。CIA指数作为判断源区化学风化强度的指标已被广泛应用, CIA值越高, 指示化学风化程度越强(Honda and Shimizu, 1998; 冯连君等, 2003)。据研究, 现今地球上主要矿物和一些反映典型气候的现代沉积物的CIA值具有一定的范围值, 例如上地壳CIA平均值为50, 更新世冰碛岩为50~55, 更新世冰川黏土为60~65, 平均页岩为70~80, 亚马孙泥岩为80~90, 残留黏土为80~100(Nesbitt and Young, 1984; Nesbitt et al., 1996)。科任剖面CIA介于78.06~88.51之间, 接近于平均页岩和亚马孙泥岩的CIA值。表明科任剖面老红砂总体上是在湿热的亚热带气候条件下经过较强化学风化作用的产物。

图3 福建晋江科任剖面风化强度特征变化Fig.3 Variation of weathering characteristics of Keren section at Jinjiang, Fujian Province

从表2和图3可以看出, 科任剖面的硅铝系数在3.61~10.17之间变动, 平均值为7.213; 铝铁系数在3.57~5.44之间变动, 平均值为4.15; 铝铁硅系数介于0.12~0.35之间, 平均值为0.177。科任剖面老红砂沉积显示高CIA值和低ba值的特征, 其中CIA、ba平均值分别为82.853和 0.225。研究表明, 中国南方Q2红土ba值均小于0.1, Q3红土ba值均在0.2以上, 科任剖面老红砂ba值在0.15~0.3之间, 介于Q2、Q3红土ba值之间, 这些都显示出科任剖面老红砂经历了多雨水的淋溶风化成壤环境, 土壤中的K2O、CaO、Na2O、MgO等易溶组分淋失较充分。

相关分析(图 4)表明, 科任剖面的SiO2含量与Al2O3、Fe2O3含量均表现出较好的负线性相关关系, 相关系数R2分别达到了0.76077、0.83273。依据中国南方红土富铝化风化壳的分类标准(曾从盛等, 1999b), 科任剖面属于轻度富铝化类型, 且硅铝系数和铝铁硅系数两者具有很好的指数关系, R2达到了0.98475。黄英和符必昌(2002)指出, 研究南方红土的化学组成时, 将Al2O3和Fe2O3 作为整体进行分析更为客观。作者以倍半氧化物(R2O3=Al2O3+Fe2O3)的形式讨论科任剖面老红砂的R2O3与SiO2 含量间的关系时, 发现两者具有很好的负线性相关关系, R2达到了0.82923, 表明科任剖面老红砂样品的元素组合特征符合亚热带地区脱硅富铝或脱硅富铝铁的基本成土过程的特点。

图4 福建晋江科任剖面主元素及特征值相关性分析Fig.4 Correlation analysis between major element content and ratio of characteristic elements of Keren section at Jingiang, Fujian Province

5 科任剖面所记录的气候环境变化

综上所述, 科任剖面Ca、Na、Mg、K、Si、Al、Fe等主元素氧化物的百分含量及其分布特征呈有规律的波动变化, 硅铝系数、铝铁系数、铝铁硅系数、化学蚀变指数CIA和风化淋溶指数ba也有明显的峰谷变化(表2; 图 2, 图3)。表明科任剖面老红砂发育过程中, 区域气候条件可能经历了多次冷暖干湿的旋回变化。基于前人测年数据确定的科任剖面年代标尺, 根据主元素含量、特征元素比值和磁化率等多个变量的变化特点, 利用DPS软件对其进行多变量有序数据最优分割, 结合样品的岩性变化特征和研究区临近区域晚更新世以来气候变化的研究成果, 可将研究区最近55.9 ka以来的气候环境变化划分为4个阶段(图 2, 图3)。

阶段Ⅰ :相当于剖面深度12.0~9.5, m, 年代距今约55.9~43.9 ka, 大约为晚更新世中期的早玉木冰期。本段岩性以暗黄橙色和暗棕红色的中细砂层为主。CaO、Na2O、MgO、K2O含量总体表现出有规律波动递增趋势, 呈两谷一峰的变化特征。其中, K2O在此阶段达到最高, 为2.506%; Al2O3的含量则呈现递减趋势, Fe2O3最小, 只有2.665%; 铝铁硅系数(R2O3/SiO2)和CIA值表现为波动递减, 其中CIA达到最小值82.065%; ba值呈波动递增, 最高达0.233。同时, 样品的低频磁化率(χ lf)和高频磁化率(χ hf)总体呈增加趋势, 而频率磁化率(χ fd)的变化趋势大致呈反相位关系, 自下而上逐渐减小, 反映磁性矿物和亚铁磁性矿物含量的波动下降。以上常量元素组合及其比值特征, 以及磁化率变化特点, 总体上反映比较干冷的气候特点, 期间包含多个冷暖波动。研究(曾从盛等, 1999b)表明, 随着全球末次冰期的到来, 出现了玉木冰期早期的全球性海退, 中国东海的岸线大致东移到100, m等深线的陆架上, 大陆性气候大大增强, 冬季风加强, 使闽东南沿海的气候变得寒冷干燥。此时海平面相对下降, 裸露宽广的海滩, 寒冷干燥的气候有利于强烈的冬季风活动, 海岸带风砂堆积广泛发育。

阶段Ⅱ :相当于剖面深度9.5~6.0, m, 年代距今约43.9~27.0 ka, 大约为晚更新世晚期的玉木亚间冰期。本段岩性以棕红色中细砂层为主。CaO、Na2O、MgO、K2O含量总体均呈现由下到上减少, 反映比较温暖湿润的气候环境, K、Na、Ca、Mg等化学性质较为活泼的元素被淋失。铝铁硅系数和CIA值大致由下往上表现为先增后减, 整体上波动递增; ba值呈现先减后增, 总体上较小。同时, 本段样品的低频磁化率(χ lf)和高频磁化率(χ hf)总体呈减小趋势; 相反, 频率磁化率(χ fd)大致自下而上逐渐增加, 总体上反映玉木亚间冰期气候较为暖湿的阶段, 继早玉木冰期的海退之后, 研究区发生了玉木亚间冰期的海侵, 气候回暖, 夏季风加强, 有利于早期风成砂发生红化作用。研究(吴正和王为, 1997; 曾从盛, 1993, 1997)发现, 在距今38~34.8 ka, 华南沿海地区发生了一次明显的海侵; 闽东北沿海在44~39 , ka, BP和34~22 ka BP期间分别发生了两次海侵。

阶段Ⅲ :相当于剖面深度6.0~1.8, m, 年代距今约27.0~10.8 ka, 大约为晚更新世晚期, 相当于晚玉木盛冰期。本段岩性以淡棕红色中细砂层为主。其中, CaO、Na2O、MgO含量自下而上递增; SiO2含量总体呈现增长趋势, 并在此阶段达到最大, 为87.946%, Al2O3达到最低值为11.269%。本段样品的低频磁化率(χ lf)和高频磁化率(χ hf)自下而上呈增加趋势, 频率磁化率(χ fd)自下而上大致表现出减小趋势。常量元素组合与风化特征值以及磁化率特征, 均反映以干冷气候为主的特点。总体上显示比第Ⅰ 阶段的早玉木冰期更为寒冷干燥。很多研究(吴正等, 1995; 吴正和王为, 1997; 曾从盛等, 1999b)表明, 末次盛冰期全球海平面有较大幅度的下降, 中国东海大陆架裸露范围更大, 在强劲冬季风作用下, 海岸带加积发育了新的大规模的海岸带风成沙丘, 为研究区后续老红砂持续发育提供了广泛的物质基础。

阶段Ⅳ :相当于剖面深度1.8~0.225, m, 约为10.8, ka全新世以来的沉积。本段岩性以红棕色中细砂为主。其中, CaO、Na2O、MgO含量先增后减; K2O和SiO2的含量自下而上呈减少趋势, 并在此阶段达到最低值, 分别为2.095%和80.199%; 相反, Al2O3、Fe2O3含量总体呈增加趋势, 并在这一时期达到最高值, 分别为14.182%和3.184%; 硅铝系数和铝铁系数大致自下而上呈减小趋势, 达到最小值, 分别为5.798和3.723; 铝铁硅系数和CIA值自下而上总体表现为波动递增, 此阶段达到最高值, 分别为0.227和85.384; ba值自下而上总体表现为减小趋势, 后期增大, 最小为0.191。常量元素组合及风化特征值反映出气候总体上呈现由干冷向暖湿过渡的特点, 期间也包含多个冷暖波动, 但总体上趋于暖湿。这些特点均表明, 随着末次盛冰期结束, 研究区气候开始转暖。前人研究(曾从盛, 1997)显示, 在距今6 ka和3 ka, 闽东北地区出现了两次海平面上升。这一时期, 闽东南沿海地区的气候逐步趋于温暖接近现代气候, 并且干湿季较明显, 有利于末次盛冰期风成砂发生强烈的红化作用。

6 结论

通过对福建晋江科任剖面主元素含量与风化特征值随深度的阶段性变化分析, 并结合剖面岩性和磁化率变化特征, 可以得出以下初步结论:

1)晋江科任剖面老红砂的主元素氧化物以SiO2、Al2O3、Fe2O3为主, CaO、Na2O、MgO、K2O的含量较低, 主元素氧化物含量和硅铝系数、铝铁系数、铝铁硅系数、化学蚀变指数(CIA值)等显示, 海岸带风砂堆积之后经历了较强的风化淋溶(氧化), 但科任剖面老红砂风化成壤阶段总体上属于轻度富铝化。

2)基于TL和ESR测年初步确定剖面的年代标尺, 根据主元素氧化物含量及风化特征值的变化特征, 可将研究区最近55.9 ka以来的气候变化划分为4个阶段:55.9~43.9, ka, 总体呈现较干冷的特点, 其中包含多个次级冷暖波动; 43.9~27.0, ka, 气候较温暖湿润; 27.0~10.8, ka, 总体呈现干冷气候为主, 其中也包含多个次级冷暖波动; 10.8 ka以来, 总体呈现趋向暖湿变化并接近现代的气候特征。

3)由科任剖面老红砂地球化学沉积特征分析, 在万年时间尺度上, 从55.9 ka以来, 研究区海岸带老红砂发育经历了两个风沙堆积阶段和两个后期风化淋溶(红化)阶段, 即:55.9~43.9 ka和27.0~10.8 ka两个阶段, 东南沿海冬季风加强, 海岸带东北风力强劲; 同时海平面下降, 裸露的广阔海滩提供了丰富的沙源, 因此形成两期较大规模的风沙堆积; 而43.9~27.0 ka和10.8 ka以来, 东南沿海冬季风减弱, 同时海平面上升, 气候温暖湿润, 早期堆积的风沙经历强烈的风化淋溶和红化作用。

致谢 马鹏、齐升吉、吴美榕、祝淑雅、林舒倩等参与了野外采样和部分室内实验工作,在此一并表示感谢!

作者声明没有竞争性利益冲突.

参考文献
1 陈伟光, 张虎男. 1986. 再论老红砂的成因及其地质地理意义[J]. 热带地理, 6(3): 247-254. [文内引用:1]
2 冯连君, 储雪蕾, 张启锐, 等. 2003. 化学蚀变指数(CIA)及其在新元古代碎屑岩中的应用[J]. 地学前缘, 10(4): 539-544. [文内引用:1]
3 高尚玉, 董光荣, 李保生, 等. 1985. 萨拉乌苏河第四纪地层中化学元素的迁移和聚集与古气候的关系[J]. 地球化学, 14(3): 269-276. [文内引用:1]
4 黄英, 符必昌. 2002. 红土化学成分的变化特征[J]. 昆明理工大学学报, 27(4): 63-70. [文内引用:1]
5 黄镇国, 张伟强, 陈俊鸿. 1996. 中国南方红色风化壳[M]. 北京: 海洋出版社, 1-312. [文内引用:1]
6 李明启, 靳鹤龄, 张洪, 等. 2005. 浑善达克沙地磁化率和有机质揭示的全新世气候变化[J]. 沉积学报, (4): 683-689. [文内引用:1]
7 李徐生, 杨达源, 鹿化煜. 1999. 皖南风尘堆积序列氧化物地球化学特征与古气候记录[J]. 海洋地质与第四纪地质, 19(4): 75-82. [文内引用:1]
8 李志文, 李保生, 孙俪, 等. 2011. 中国东南沿海老红砂的研究现状与展望[J]. 中国沙漠, 31(1): 49-57. [文内引用:1]
9 刘东生. 1985. 黄土与环境[M]. 北京: 科学出版社, 238-255. [文内引用:1]
10 刘青松, 邓成龙. 2009. 磁化率及其环境意义[J]. 地球物理学报, 52(4): 1041-1048. [文内引用:1]
11 刘秀铭, 刘东生, Heller F, 等. 1990. 黄土频率磁化率与古气候冷暖变换[J]. 第四纪研究, (1): 42-50. [文内引用:1]
12 吕鹏. 1998. 闽南沿海老红砂的成因与发育模式[J]. 热带地貌(增刊), 19(2): 33-62. [文内引用:1]
13 王建华. 1997. 华南晚更新世老红砂的元素风化迁移规律[J]. 中山大学学报(自然科学版), 36(增刊): 78-83. [文内引用:1]
14 王建华, 梁致荣. 1997. 粤琼“老红砂”的岩矿特征与成因研究[J]. 热带地理, 17(3): 253-259. [文内引用:1]
15 温小浩, 李保生, 郑琰明, 等. 2009. 岭南东江流域一级阶地网纹红土的时代及其粒度特征[J]. 地理与地理信息科学. 25(5): 59-63. [文内引用:1]
16 文启忠. 1989. 中国黄土地球化学[M]. 北京: 科学出版社, 1-285. [文内引用:1]
17 吴正, 王为. 1997. 华南沿海老红砂的成因与古地理环境[J]. 中国科学(D辑), 27(6): 537-542. [文内引用:4]
18 吴正, 王为. 2001. 闽粤沿海老红砂多期沉积地层的发现及其意义[J]. 中国沙漠, 21(4): 328-332. [文内引用:1]
19 吴正, 黄山, 胡守真, 等. 1995. 华南海岸风沙地貌研究[M]. 北京: 科学出版社, 1-146. [文内引用:3]
20 吴正, 王为, 谭惠忠, 等. 2000. 闽南粤西沿海老红砂的沉积年代[J]. 科学通报, 45(5): 533-537. [文内引用:3]
21 杨晓强, 李华梅. 1999. 泥河湾盆地沉积物磁化率及粒度参数对沉积环境的响应[J]. 沉积学报, (S1): 763-768. [文内引用:1]
22 曾从盛. 1993. 福建晚更新世海侵问题探讨[J]. 热带海洋, 12(1): 39-45. [文内引用:1]
23 曾从盛. 1997. 闽东北沿海晚第四纪海侵与海面变动[J]. 福建师范大学学报(自然科学版). 13(4): 94-101. [文内引用:3]
24 曾从盛. 2000. 闽东南沿海老红砂的地球化学特征[J]. 中国沙漠, 20(3): 248-251. [文内引用:1]
25 曾从盛, 陈居成, 吴幼恭. 1997. 中国东南沿海老红砂研究综述[J]. 台湾海峡, 16(3): 363-370. [文内引用:1]
26 曾从盛, 陈居成, 吴幼恭. 1999a. 闽东南沿海老红砂研究[M]. 北京: 地质出版社, 1-74. [文内引用:2]
27 曾从盛, 陈居成, 吴幼恭. 1999 b. 闽东南沿海老红砂与晚第四纪环境演变[J]. 中国沙漠, 19(2): 110-114. [文内引用:4]
28 曾从盛, 陈居成, 吴幼恭. 1999 c. 闽东南沿海老红砂沉积地层与形成时代[J]. 中国沙漠, 19(4): 338-342. [文内引用:1]
29 张雪林. 1995. 晚更新世红土母质土壤的发生学特征及其分类[J]. 土壤学报, 32(3): 271-277. [文内引用:1]
30 张西营, 马海州, 谭红兵, 等. 2004. 青藏高原东北部黄土沉积化学风化程度及古环境[J]. 海洋地质与第四纪地质, 24(2): 43-47. [文内引用:1]
31 张家富, 袁宝印, 周力平. 2007. 福建晋江“老红砂”的释光年代学及对南方第四纪沉积物释光测年的指示意[J]. 科学通报, 52(22): 2646-2654. [文内引用:1]
32 朱丽东, 周尚哲, 李凤全, 等. 2007. 南方更新世红土氧化物地球化学特征[J]. 地球化学, 36(3): 295-302. [文内引用:1]
33 朱孝宁. 1988. 粤东海岸中段沙坝及“老红砂”沉积地貌的特征与演化[J]. 热带地貌, 9(1): 18-62. [文内引用:2]
34 朱孝宁, 吴正, 周曾权, 等. 1988. 粤东沿海“老红砂”成因再探[J]. 热带海洋, 7(4): 46-53. [文内引用:1]
35 Guo Z T, Liu T, Guiot J, et al. 1996. High frequency pulses of East Asian monsoon climate in the last two glaciations: Link with the North Atlantic[J]. Climate Dynamics, 12: 701-709. [文内引用:1]
36 Guo Z T, Biscaye P, Wei L Y, et al. 2000. Summer monsoon variations over the last 1. 2, Ma from the weathering of loess-soil sequences in China[J]. Geophysical Research Letters, 27: 1751-1754. [文内引用:1]
37 Honda M, Shimizu H. 1998. Geochemical, mineralogical and sedimentological studies on the Taklimakan Desert sand s[J]. Sedimentology, 45(6): 1125-1143. [文内引用:1]
38 Liu X M, John Shaw, Liu T S, et al. 1992. Magnetic mineralogy of Chinese loess and its significance[J]. Geophysical Journal International, 108: 301-308. [文内引用:1]
39 Nesbitt H W, Young G M. 1984. Prediction of some weathering trends of plutonic and volcanic rocks based on thermodynamic and kinetic considerations[J]. Geochim Cosmochim Acta, 48(7): 1523-1534. [文内引用:1]
40 Nesbitt H W, Young G M, McLennan S M, et al. 1996. Effects of chemical weathering and sorting on the petrogenesis of siliciclastic sediments, with implications for provenance studies[J]. Journal of Geography, 104(5): 525-542. [文内引用:1]
41 Yang X P, Scuderi L, Liu T, et al. 2011. Formation of the highest sand dunes on Earth[J]. Geomorphology, 135: 108-116. [文内引用:1]