吉云平, 杨振京, 赵华, 王利康, 杨劲松, 董秋瑶. (2016)河北阳原盆地井儿洼剖面常量元素地球化学特征揭示的中更新世晚期以来气候变化* [J]. 古地理学报, 18(3): 487-496
Ji Yunping, Yang Zhenjing, Zhao Hua, Wang Likang, Yang Jinsong, Dong Qiuyao. (2016)Climate change since the late Middle Pleistocene indicated by geochemical characteristics of major elements of Jing＇erwa section in Yangyuan Basin,Hebei Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(3): 487-496. DOI:10.7605/gdlxb.2016.03.034  
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河北阳原盆地井儿洼剖面常量元素地球化学特征揭示的中更新世晚期以来气候变化*
吉云平, 杨振京, 赵华, 王利康, 杨劲松, 董秋瑶
中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北石家庄 050061

第一作者简介 吉云平,女,1981年生,中国地质科学院在职博士研究生,助理研究员,主要从事第四纪地质与环境演变研究。E-mail: jiyp825@163.com。

通讯作者简介 杨振京,男, 1966年生,中国地质科学院水文地质环境地质研究所研究员,研究方向为第四纪地质与环境演变。 E-mail: yangzhenjing1966@163.com。

收稿日期:2015-12-07
基金:*国家自然科学基金青年科学基金项目(编号:40901001)、国家自然科学基金项目(编号:40972212)和中国地质调查局地质调查项目(编号:1212011120147)联合资助
摘要

阳原盆地发育一套第四纪河湖相地层,其中分布着丰富的古人类遗存,是研究古人类生存环境的理想地区之一。利用常量元素氧化物含量及其比值,研究了阳原盆地井儿洼剖面河湖相沉积物地球化学元素特征,以及阳原盆地近 220, ka以来的气候变化过程。结果表明:( 1)井儿洼剖面沉积物成分以 SiO2 、 Al2O3和 CaO为主,含量范围分别为 27.85%~53.23%、 3.38%~12.97% 和 5.43%~28.36%; Fe2O3和 MgO含量也较高(变化范围分别为 2.65%~7.67%和 1.93%~14.42%),整体反映出半湿润—半干旱的沉积环境。( 2)该区域中更新世晚期以来的气候表现为暖湿—偏冷偏湿—暖偏湿—凉偏湿—暖干的变化特征;各阶段水热组合特征以及内部明显的次级气候波动,显示了环境演化的复杂性。( 3)与深海氧同位素阶段的对比表明,本区气候变化与全球变化具有一致性的同时也存在明显的区域特征。

关键词: 阳原盆地; 井儿洼剖面; 常量元素; 古气候变化; 更新世
中图分类号:P532,P595 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)03-0487-10
Climate change since the late Middle Pleistocene indicated by geochemical characteristics of major elements of Jing＇erwa section in Yangyuan Basin,Hebei Province
Ji Yunping, Yang Zhenjing, Zhao Hua, Wang Likang, Yang Jinsong, Dong Qiuyao
Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,CAGS,Shijiazhuang 050061,Hebei

About the first author Ji Yunping,born in 1981,is a in￣service Ph.D. candidate of Chinese Academy of Geological Science. She is currently a research assistant and mainly engaged in researches on Quaternary geology and environmental evolution. E-mail:jiyp825@163.com.

About the corresponding author Yang Zhenjing,born in 1966,is a professor of Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Science, and he is mainly engaged in Quaternary geology and environmental evolution. E-mail: yangzhenjing1966@163.com.

Fund:[Co-funded by the Young Scientists Foundation of National Natural Science Foundation of China(No.40901001),the National Natural Science Foundation of China(No.40972212),and the Geological Survey Project of China Geological Survey(No.1212011120147)]
Abstract

Filled up by a succession of Quaternary fluvial and lacustrine sediments,and containing a large number of remains of ancient human beings,Yangyuan Basin is one of the ideal regions to study the living environmental background of ancient human beings. Based on the contents and their ratios of major element oxides,geochemistry elements characteristics of Jing＇erwa section as well as the climate change process of Yangyuan Basin since 220,ka were studied. The results showed that:(1)The sediment of Jing＇erwa section was mainly composed of SiO2,Al2O3 and CaO,with the contents of 27.85%~53.23%,3.38%~12.97% and 5.43%~28.36% respectively. Contents of Fe2O3 and MgO,with the range of 2.65%~7.67% and 1.93%~14.42% respectively,are also considerable. Those reflected the environmental change from semi-humid to semi-arid.(2)The climate in this area since the late Middle Pleistocene varied from warm-wet,slightly warm-slightly wet,warm-slightly wet,cold-slightly wet to warm-dry. Features of hydrothermal combination and evident secondary climatic fluctuations of each period reflected the complexity of environmental evolution.(3)Comparison with the oxygen isotope phases of deep sea shows that the changing process of climate for the Yangyuan Basin not only responds to the trend of the global climate change but also bears obvious regional features.

Key words: Yangyuan Basin; Jing＇erwa section; major element; palaeoclimate change; Pleistocene

阳原盆地位于河北省西北部, 盆地西至阳原县东井集乡, 东至石匣桑干河河谷, 其北侧为熊耳山, 南侧为六棱山; 盆地东西长约80, km, 南北宽15~20, km, 是一个新生代断陷盆地(王乃梁等, 1996; 李润兰等, 2000)。盆地中发育一套河湖相地层, 该套地层从上新世晚期延续到更新世晚期(程国良等, 1978; 迟振卿等, 2010), 以其沉积连续、富含哺乳动物化石和古人类遗存等得天独厚的地质条件, 在中国第四纪地质研究中具有重要地位。前人对其从古人类、古环境、古生物、古地理等多方面进行了详细的研究, 取得了一系列重要成果(卫奇和谢飞, 1989; 夏正楷等, 1998, 2001; 刘海坤等, 2009; 陈兴强等, 2012; 庞其清等, 2015), 但这些研究成果多集中在阳原盆地东部地区, 对阳原盆地西部地区的研究较少。少数学者虽然对阳原盆地西部地区开展了一些研究, 并根据孢粉(闵隆瑞和迟振卿, 2003; Liu et al., 2014)、易溶盐(李容全等, 2000)、氧化铁(迟振卿等, 2002a)、磁化率和粒度(迟振卿等, 2002b)等不同的代用指标分析了该区的环境演变和气候变化, 但在长时间尺度上仍存在气候变化分辨率低等诸多问题。

作者通过对井儿洼剖面进行系统采样、分析和研究, 利用河湖相沉积物中常量元素氧化物含量及其比值参数的变化, 探讨了中更新世晚期以来该地区的气候变化过程, 并与全球气候变化进行了对比。

1 地层概况、年代控制及样品采集与分析
1.1 地层概况

井儿洼剖面(40° 6.5'N, 114° 20.17'E)位于河北省阳原县浮图讲乡井儿洼村西北约200, m, 桑干河南岸(图 1)。剖面取样厚度21.5, m, 岩性特征见表1。

图1 河北阳原盆地井儿洼剖面位置Fig.1 Location of Jing＇erwa section in Yangyuan Basin, Hebei Province

表1 河北阳原盆地井儿洼剖面岩性描述 Table1 Lithologic description of Jing＇erwa section in Yangyuan Basin, Hebei Province
1.2 年代控制

井儿洼剖面附近地层有几个年代测定结果, 通过地层对比可以将其用于本剖面。已有研究表明, 25, ka以内的已校正14C年代是可信的, 而老于30, ka的14C年代可能被低估(隆浩和沈吉, 2015; Song et al., 2015)。根据前人年代测定结果及本次采样测得的年代, 共选择出5个年代测定结果(表 2):即迟振卿等(2010)所研究剖面0.95, m处的14C年代结果28350± 130 a, 校正后年龄为32742± 317 a BP(Liu et al., 2014), 相当于本剖面0.25, m处; 邱维理等(2001)等所研究剖面3.08, m处白垩质黏土的铀系测年结果为50.6± 6.7 ka BP, 对应于本剖面1.92, m处; 本剖面7.00, m、12.70, m和16.30, m处的光释光测年(OSL)结果分别为128.4± 5.5, ka、171.1± 9.0, ka和176.8± 8.5, ka。光释光测年由中国地质科学院第四纪年代学与水文环境演变重点实验室完成。

表2 河北阳原盆地井儿洼剖面地层年代简表 Table2 Dating of Jing＇erwa section in Yangyuan Basin, Hebei Province

根据这5个年龄数据, 首先获得了井儿洼剖面不同深度的沉积速率(图 2): 0~1.92, m沉积速率为9.35, cm/ka, 1.92~7.00, m沉积速率为7.03, cm/ka, 7.00~12.7, m沉积速率为14.54, cm/ka, 12.70~21.50, m沉积速率为15.52, cm/ka。总体来看, 井儿洼钻孔沉积速率介于7.03, cm/ka与15.52, cm/ka之间, 与附近剖面的沉积速率较一致(迟振卿等, 2002a)。其次, 在沉积速率估算的基础上, 运用线性内插和外推的计算方法, 获得了不同深度和沉积层位的年龄数据, 最终获得了井儿洼剖面的年龄序列, 该年龄序列与剖面附近一钻孔的年龄序列(迟振卿等, 2002a)基本一致。根据推算, 井儿洼剖面顶部的年龄为30.0 ka BP, 21.50, m处对应年龄约为218.8 ka BP, 该剖面记录了阳原盆地西部井儿洼地区近220, ka以来的沉积环境和气候变化过程。尽管目前年龄数据还很少, 但井儿洼剖面中更新世晚期以来的年代框架被近似界定, 可进行区域间的对比研究。

图2 河北阳原盆地井儿洼剖面岩性描述、深度— 年龄转换模式和沉积速率Fig.2 Lithology, depth-age relationship and deposition rates of Jing＇erwa section in Yangyuan Basin, Hebei Province

表3 河北阳原盆地井儿洼剖面常量元素氧化物含量及地球化学参数 Table3 Content of major element oxides and geochemical parameters of Jing＇erwa section in Yangyuan Basin, Hebei Province
1.3 样品采集与分析

对井儿洼剖面自上而下采集样品, 取样间距为5, cm, 共采集样品430个。测试前先将样品低温烘干后研磨成粉末, 过200目筛, 称取5 g左右样品, 使用YYJ-1型半自动压样机, 加硼酸将样品压制成直径4, cm圆饼状标本, 采用PW4400型X射线荧光光谱仪(测量误差小于5%)进行常量元素Si、Al、Ca、Fe、Mg、K、Na含量测定, 结果以氧化物形式给出, 单位为%(表3)。样品常量元素测试是在南京师范大学地理科学学院实验室完成的。

2 常量元素地球化学特征与环境意义
2.1 地球化学参数的指示意义

沉积物中化学元素的迁移和聚集既由其本身的物理化学性质决定, 也与其所处的气候环境密切相关。在湖泊沉积物中, SiO2等含量主要受外源控制, 随着水流发生迁移进入湖泊, 代表了流域侵蚀作用的强弱和流域地表径流的发育程度, 在一定程度上可以反映区域气候的干湿变化(陈敬安等, 1999)。

湖泊外源碳酸盐主要来源于湖盆流域的母岩, 不能反映湖泊现代沉积的环境信息。因此, 只有自生碳酸盐才真正具有气候变化指示意义。对于湖泊沉积物中的碳酸盐沉淀来说, 包括流域侵蚀带来的陆源碎屑成分和湖泊自生碳酸盐成分, 所以定量区分自生碳酸钙和外源碳酸钙比较困难。湖泊沉积物中碳酸盐矿物主要包括方解石(CaCO3)和白云石(CaMg[CO3]2)。在淡水湖泊中, 特别是在湖水蒸发量很大的湖泊中, 自生方解石沉淀占了相当比重。因此, 沉积物中CaO/MgO 的比值变化近似地反映湖泊中自生碳酸钙沉淀的相对多少, 进而可以反映出当时环境气温的高低, 该比值偏高, 则表明当时气候比较温暖; 反之, 则表明气候比较寒冷(孙千里等, 2010; 杜晨等, 2012)。

钠和钾是活性极强的碱金属元素, 并且在水体中分布均一, 其含量是盐度的直接标志。由于钾比钠的原子半径大, 更容易失去电子, 因此其还原性比钠强, 性质也更活泼。在还原条件下, 水体盐度越高, 钠和钾越容易被伊利石吸附或进入晶格, 且相对于钠, 钾元素的吸附量更大(文华国等, 2008)。因此, K2O/Na2O可以反映湖水盐度的高低, 该值大, 说明水体的盐度较高; 反之, 说明水体盐度较小。

铝硅酸盐在风化作用下一般转变为黏土矿物, 只有在极端湿热的条件下黏土矿物才能进一步发生红土化作用, 使黏土矿物再分解, 硅、铝分离, 硅随水迁移, 而铝则在原地堆积并风化形成最终产物铝土矿。铁是受氧化还原作用影响比较大的元素。在还原条件下, 铁呈二价, 溶解迁移; 在氧化环境中, 二价铁极易被氧化成三价铁发生沉淀, 相应地湖泊沉积物中铁的含量就会降低。因此, 湖泊沉积物中硅铝比SiO2/Al2O3和硅铝铁比SiO2/(Al2O3+Fe2O3)与风化强度呈正比, 其值越大, 风化程度就越强。

在湿润环境中通常是K、Na 等化学性质极活泼的碱金属元素最先以离子形式被淋溶, 随着气候湿润程度的增强与持续, Ca、Mg等活动性中等或较强的元素紧随K、Na 之后被溶解、淋溶迁移(赵倩等, 2012)。而Al元素在风化过程中活动性弱, 几乎被等量地迁移到碎屑沉积物中去。因此, Al2O3/K2O(Al/K)常用来反映沉积物源区化学风化程度(姚政权等, 2009)。

退碱系数(ω =(K2O+Na2O+CaO)/Al2O3)反映了活动组分与惰性组分之间的关系, 与气候条件密切相关。在湖泊沉积物中, 其值越高, 表明进入湖泊的惰性组分越少, 源区的风化作用越弱, 水热条件差, 气候环境处于干旱期; 反之, 则风化作用强, 水热条件优越, 气候环境处于湿润期(杜晨等, 2012)。

2.2 常量元素地球化学特征

由表3可知, 井儿洼剖面常量元素氧化物总含量在67.94%~83.23%之间, 平均含量为77.98%。其中, SiO2平均含量为46.52%(介于27.85%~53.23%之间), Al2O3平均含量为9.82%(介于3.38%~12.97%之间), CaO平均含量为9.77%(介于5.43%~28.36%之间), Fe2O3平均含量为4.54%(介于2.65%~7.67%之间)、MgO平均含量为3.82%(介于1.93%~14.42%之间)、K2O平均含量为2.05%(介于0.88%~2.83之间)、Na2O平均含量为1.46%(介于0.03%~2.15%之间)。井儿洼剖面沉积物常量元素氧化物含量表现为SiO2> Al2O3> CaO> Fe2O3> MgO> K2O> Na2O, 整体表现出半湿润— 半干旱沉积环境下的常量元素氧化物含量特征, 可以推断当时为半湿润— 半干旱环境。

2.3 区域气候环境演化

根据上述常量元素氧化物含量及其比值的变化特征(表 3; 图3, 图4), 可将阳原盆地近220, ka以来的气候变化分为以下5个阶段:

第1阶段:218.8~182.0, ka, 对应于剖面深度的15.80~21.50, m。该时段井儿洼剖面沉积物以黏土、粉砂质黏土和粉砂为主, 显示水动力条件较弱, 沉积环境为湖沼相。该阶段元素氧化物含量较高, SiO2/Al2O3值和SiO2/(Al2O3+Fe2O3)值处于剖面低值段, 退碱系数值较高, CaO含量、MgO含量、CaO/MgO值、K2O/Na2O值处于剖面的峰值段。整体反映了温暖湿润的气候特点。该阶段相当于深海氧同位素7阶段(Martinson et al., 1987)。在195.0~194.6, ka、192.7~188.8, ka、184.3~182.4, ka 等3个时段元素氧化物含量及比值参数均出现大幅度的变化, 反映出气候在这3个时段一度恶化, 具体原因还有待进一步研究。青藏高原东部诺尔盖盆地钻孔自生碳酸盐的碳氧同位素记录反映出该时段气候为温干(吴敬禄和王苏民, 1997)。

第2阶段:182.0~131.5, ka, 对应于剖面的8.25~15.80, m。该时段沉积物黏土含量减小, 细砂含量增加, 显示水动力条件增强, 沉积环境转变为浅湖相。该阶段氧化物含量较高, K2O/Na2O值和退碱系数为谷值段, Fe2O3含量在该阶段呈下降趋势, Al2O3含量为剖面最大值。反映出偏冷偏湿的气候特点。该阶段对应于深海氧同位素6阶段(Martinson et al., 1987), 但与其气候特点存在差异。值得注意的是, 诺尔盖盆地钻孔自生碳酸盐的碳氧同位素记录反映出该时段气候为偏暖偏湿(吴敬禄和王苏民, 1997), 而银川盆地孢粉反映出该时段气候为凉较湿润(杨振京等, 2001)。

第3阶段:131.5~78.8, ka, 对应于剖面的3.90~8.25, m。该时段沉积物岩性以含黏土粉砂为主, 除水平层理外, 还出现了小型交错层理, 显示水动力条件较强, 沉积环境为滨浅湖相。该阶段CaO/MgO 值处于峰值段。Fe2O3含量在该阶段呈上升趋势。K2O/Na2O值波动上升, 反映出湖泊水位波动下降, 湖水盐度升高。显示出温暖偏湿的气候特点。该阶段为末次间冰期, 对应于深海氧同位素5阶段(Martinson et al., 1987)。阳原盆地东部郝家台地区在该时期发育了S1古土壤(杨小强等, 2003)。青藏高原西部甜水海湖区的研究, 也反映出该阶段气候以温湿为主(余素华等, 1997)。根据萨拉乌苏河流域酒房台剖面分析, 150~75, ka期间气候以温湿为主, 夹多次气候波动(闵隆瑞等, 2009)。北京平原区钻孔的孢粉组合指示该阶段气候温暖湿润(赵淑君等, 2008)。

第4阶段:78.8~53.6, ka, 对应于剖面的2.13~3.90, m。该时段剖面中沉积物岩性以细砂为主, 沉积环境为滨湖相。该阶段CaO含量、MgO含量、Fe2O3含量、Al2O3含量处于曲线谷值段, SiO2/Al2O3值和SiO2/(Al2O3+Fe2O3)值较高。显示出凉偏湿、水热不同期的气候特点。这与前人利用氧化铁变化分析出的环境特点一致(迟振卿等, 2002a)。该阶段为末次冰期早冰间, 对应于深海氧同位素4阶段(Martinson et al., 1987)。据河套盆地临河凹陷区的钻孔分析, 约80~40, ka气候较为湿润(刘哲等, 2014)。黄河流域地区在40~60, ka也出现了强夏季风降雨过程(梅西等, 2014)。杭州湾地区该时段海平面下降, 气候温凉干燥(王建华等, 2006)。

第5阶段:53.6~30.0, ka, 对应于剖面的0~2.13, m。该时段地层颜色呈灰白色, 岩性为细砂、黏土质粉砂, 沉积环境为滨湖相。该阶段地层中夹数层钙板, 氧化物含量及比值参数均处于剖面极值段, 其中CaO含量、MgO含量、K2O/Na2O值、SiO2/Al2O3值和退碱系数值均处于峰值段, 其他元素氧化物含量和参数比值均处于谷值段。反映出暖干的气候特点。该阶段后期降水量快速减少, 水体盐度大幅升高, 指示水位下降, 最后湖泊消亡。该阶段属于末次冰期里的间冰阶, 对应于深海氧同位素MIS3阶段(Martinson et al., 1987)。河套盆地临河凹陷区该时段气候初期略湿, 逐渐转干(刘哲等, 2014)。该时段宁夏银川水洞沟地区气候相对比较温暖湿润(刘德成等, 2011)。本段顶部10, cm厚的黄土状土堆积(31.0~30.0, ka), 属湖泊消亡后的残坡积或洪坡积层, 其时代与末次盛冰期相对应, 同时期虎头梁和大同县等地发育有冻融褶曲和古冰楔(杨景春等, 1983)。

图3 河北阳原盆地井儿洼剖面常量元素含量变化Fig.3 Variation of major element content of Jing＇erwa section in Yangyuan Basin, Hebei Province

图4 河北阳原盆地井儿洼剖面地球化学参数变化(δ 18O曲线据Martinson等, 1987)Fig.4 Variation of geochemical parameters of Jing＇erwa section in Yangyuan Basin, Hebei Province(the δ 18O curve is from Martinson et al., 1987)

将井儿洼剖面气候变化与深海氧同位素阶段(Martinson et al., 1987)比较发现, 各阶段冷暖变化具有较好的可比性。但气候特点还是存在差异的, 如井儿洼气候变化的第2阶段, 对应于深海氧同位素6阶段, 内部气候变化波动剧烈, 元素含量和地球化学参数反映出气候以偏冷偏湿为主。分析井儿洼剖面各阶段水热组合特征, 既有暖湿、冷干组合, 也有暖干、凉湿组合, 而且阶段内部次级波动明显, 显示了环境演化的复杂性。这也与之前夏正楷等(1998)关于中国东部地区第四纪气候变化除了冷干与暖湿的气候更替之外, 还存在暖干和冷湿气候更替的观点相一致。气候变化及水热组合上明显的区域特征, 可能与该区构造活动有关。

3 结论

通过对阳原盆地井儿洼剖面常量元素含量与相关地球化学参数的分析, 并结合剖面岩性特征, 可以得出以下结论:

1)井儿洼剖面沉积物以SiO2 、Al2O3和Fe2O3为主, 含量范围分别为27.85%~53.23%、3.38%~12.97% 和 2.65%~7.67%; CaO和MgO含量也较高(变化范围分别为5.43%~28.36% 和 1.93%~14.42%), 表现出SiO2> Al2O3> CaO> Fe2O3> MgO> K2O> Na2O的特征, 整体反映出半湿润— 半干旱的沉积环境。

2)根据常量元素氧化物含量及相关地球化学参数的变化特征, 可将阳原盆地中更新世晚期以来的气候变化分为5个阶段:218.8~182.0, ka, 气候温暖湿润; 182.0~131.5, ka, 气候偏冷偏湿; 131.5~78.8, ka, 气候温暖偏湿; 78.8~53.6, ka, 气候凉偏湿; 53.6~30.0, ka, 气候以暖干为主。各阶段内还有气候冷暖干湿波动变化。井儿洼剖面元素含量和地球化学参数反映出的水热气候组合, 既有暖湿、冷干, 也有暖干、凉湿, 显示出了环境变化的复杂性。

3)通过与深海氧同位素阶段对比, 发现本区气候变化与全球变化具有一致性的同时也存在明显的区域特征。气候变化及水热组合上明显的区域特征, 可能与该区构造隆升有关, 其影响过程尚需进一步研究。

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