中亞哈薩克斯坦va剖面地質特征及井筒尺度分析

在迄今為止的全球變化研究中，前25萬a有兩個完整的氧單元（即mis2和mis1），這是以往全球變化研究的重要步驟。該時間段全球范圍內的氣候均發生了多次劇烈的變化。具體的講,過去25000a以來,全球氣候經歷了末次冰盛期(~20000a左右)和氣候極度不穩定期(~15000a—~10000a),之后進入全新世,經歷了全新世氣候最宜期(~6000a)。此外,該時間段內還發生了一系列的氣候突發事件,如H2事件(~24000a)、H1事件(~16000a)、YD事件(~12000a—~10000a)、~8200a事件以及~4200a降溫事件。盡管目前已經制定了許多關于這一時期全球氣候變化研究的國際計劃,但對中亞干旱地區研究卻相對較薄弱。中亞干旱區是世界上主要黃土分布區之一,位于研究較為詳細的中國黃土高原黃土區和歐洲黃土區之間,對研究亞洲內陸干旱化、亞洲粉塵來源、亞洲季風和西風環流變化和二者在研究區相互作用歷史以及全球氣候變化均具有重要意義。眾多的古氣候研究者對黃土高原黃土-古土壤序列已做了廣泛而細致的研究,結果一致表明黃土主要形成于寒冷而干燥的冰期,而古土壤形成于溫暖濕潤的間冰期。在中亞干旱區,早期古氣候研究發現黃土形成于氣候暖干的間冰期,而古土壤形成于氣候冷濕的冰期,這與黃土高原正好相反。但是近期的研究發現中亞區古土壤層仍然形成于氣候暖濕的間冰期,黃土-古土壤序列的形成主要受控于全球冰量的變化,其在軌道尺度上與東亞區具有氣候上的正相位關系。但是關于中亞區亞軌道時間尺度上的黃土地層記錄研究卻相對薄弱,那么中亞區氣候在亞軌道尺度上是如何變化的?本文選取位于中亞干旱區的VA黃土剖面(位于哈薩克斯坦中南面)作為研究對象,結合野外地層觀察與實驗指標(包括磁化率、碳酸鹽、有機質和粒度)分析,在AMS14C測年基礎上,分析了該剖面過去~25000a以來的剖面地層特征,并與研究區周邊區域(歐洲黃土區和東亞黃土區)進行了對比分析。1實驗設備與實驗方法中亞干旱區(大約為50~110°N,35~50°E)西起哈薩克斯坦西部東至蒙古東部,包括中國西北和中北部。從氣壓分布上講,研究區主要受其東部的西伯利亞高壓和西部的亞速爾高壓影響(冷季西伯利亞高壓向西擴展,暖季亞索爾高壓向東擴展,這二者在中亞干旱區形成了一個永久性高壓脊,形成了中亞干旱帶荒漠地帶);從大氣環流上講,研究區位于以下兩個氣候系統的轉換帶:(1)西面為西風帶控制的地中海、歐洲氣候系統;(2)東面為亞洲季風控制的東亞氣候系統。研究區屬大陸性溫帶氣候,年平均氣溫7~10℃,年降水量約為200~400mm,降水無明顯季節性,以春季比例略高。地帶性土壤為灰鈣土,自然植被主要為干草原植被。本文選取的VA剖面位于哈薩克斯坦的中南部(圖1),地理坐標為:43°10′29.64″N;69°19′2.6″E,距離其北面的莫因庫姆(Moynkuml)沙漠僅有50km左右,海拔高度約為1000m,陸地景觀完全為黃土沉積覆蓋。剖面厚700cm,位于Valikhanov河谷的二級階地上。采樣間距為5cm,獲得樣品140個,年代樣6個(表1)。實驗室分析指標主要包括粒度、磁化率、有機質以及CaCO3含量,分析間距均為5cm。所有的實驗分析均在蘭州大學西部環境與氣候變化研究院教育部重點實驗室完成。粒度分析前處理方法與鹿化煜等(1997)相同,先用HCl除去樣品中碳酸鹽,再用H2O2水除去有機物,最后將用分散劑充分分散后的樣品在英國Malvern公司生產的Mastersizer2000型激光粒度儀上測量完成,該儀器的測量范圍為0.02~2000μm,實驗誤差<1%,共測試粒度樣140個;磁化率測量(0.47kHz)是采用英國Bartington儀器公司生產的MS2型磁化率儀進行的,測量時將同一樣品以不同方向放入磁化率儀測量三次,取其平均值,共測試了140個樣品的磁化率值;有機質(TOC)測量采用K2Cr2O7-H2SO4滴定法進行測量,共測試樣品140個;CaCO3采用氣量法進行測量,共測試樣品140個。年代測量在美國亞利桑拉大學加速器14C實驗室完成。2結果2.1個年代控制點間的沉積速率如前所述,該剖面共獲得6個年代數據,結果詳見表1。分析發現年代和深度二者之間具有較好的相關關系(R2=0.933,見圖2:A:年代—深度關系)。假設每兩個年代控制點之間的沉積速率不變,同時假定剖面頂部年齡為0,根據剖面深度與年代回歸方程,通過線性內插方法每一個深度得到一個年代值,剖面頂端和底端那一部分年代值則通過線性外推獲得。由于年代點AA64280和AA80229發生倒轉,在已有的資料之上無法判定其相對可靠性,因此,本文分別用這兩個年代推到出一組年代數據,之后將得到的兩組年齡數據在每個深度點取其平均值,最終年代深度關系如圖2(B)所示,結果顯示該剖面大致記錄了~2600014CaBP以來的沉積歷史。2.2資源發育特征實驗室分析指標主要包括粒度,碳酸鹽,磁化率,有機質4個指標。已有的研究表明中亞黃土主要為風成黃土,因此黃土顆粒的粒度組成可以反應當時的風動力大小。以往很多研究已經證實粒度是風成黃土記錄的古氣候研究中一個具有重要指示意義的指標,其粘土顆粒(<2μm)含量可以用來指示沉積時的成壤作用強度,成壤作用越強則粘土含量越高,而砂(>63μm)含量通常被用來指示風力大小。中國黃土高原的研究顯示富含碳酸鹽是風成黃土的顯著特征,主要包含原生和此生兩類,古土壤碳酸鹽含量低于黃土。磁化率是另外一個指示土壤古土壤層的重要指標,歐洲黃土以及黃土高原的研究均表明磁化率在古土壤層要高于黃土層,因此可以用來指示古土壤層。有機質含量與磁化率變化類似,古土壤層具有高有機質含量。根據實驗室指標分析,如圖3所示,VA剖面頻率磁化率在0.08%~5.39%之間變化,平均值約為1.38%;碳酸鹽含量在19.7%~7.45%之間變化,平均含量約為13.3%;有機質含量在1.4%~11.9‰之間變化,平均含量約為3.2‰;粒度分析顯示該剖面以粉砂含量為主,平均含量高達66%,其次為砂顆粒,含量在11%~62%之間變化,平均值約為27.2%,粘土含量最低,在2.8%~8.5%之間變化,平均含量約為6.1%。根據年代模式大致估算了各時間段的沉積速率(圖3),總體上講VA剖面末次冰期沉積速率要高于全新世,代表了冰期相對強盛的風力環境,最高沉積速率發生在末次冰盛期,反映了末次冰盛期極強的風力條件。根據實驗分析結果并結合野外地層觀測,VA剖面主要分為以下5個沉積單元:單元一:(0~100cm)形成于過去500014Ca以來(晚全新世以來),實驗數據分析結果顯示該沉積單元具高磁化率(平均含量為3.5%)、高有機質含量(平均含量為7‰)和高碳酸鹽含量(平均含量為14.6%)特征,這些指標含量均遠高于剖面的平均值。同時碳酸鹽含量高值出現在該層中下部,說明碳酸鹽在沉積后發生了強烈的淋溶作用。粒度數據顯示粘土含量在該單元也遠高于剖面的平均值,高達8%,說明成土作用對細顆粒貢獻較大。此外野外觀測發現該層具有結構破壞掉但有機質富集的土壤A層以及Bc層(圖2)。上述的實驗結果(高磁化率、高有機質、高粘土含量)以及野外觀測結果都顯示該層為土壤層。單元二:(100~200cm)形成于~1000014CaBP—~500014CaBP間(早全新世)。實驗室分析顯示,與上覆的土壤層相比較,該層磁化率、有機質、以及粘土含量均相對較低,碳酸鹽平均含量約為12.9%,低于上覆土壤層;粉砂含量高于上覆土壤層,盡管砂含量低于上覆土壤層,但顆粒平均粒徑高于上覆土壤層。此外野外觀察發現該層幾乎沒有發現生物活動痕跡,也沒有任何的潛育化現象出現。綜上所述,該層為典型的黃土層。單元三:(200~450cm)形成于~1900014CaBP—~1000014CaBP間(末次冰消期)。實驗數據顯示該層磁化率平均值約為0.94%,低于剖面平均值,碳酸鹽平均含量約為13.7%,與剖面平均值接近,但高于上覆的黃土層,有機質平均含量約為2.4‰,低于剖面平均值。該層變化最為明顯的指標為粘土含量,其明顯高于上覆黃土層,平均含量接近第一層古土壤,達7.5%(說明成土作用相對較強),砂含量平均值為23.1%,遠低于剖面平均值,顆粒組分總體偏細。野外觀測發現該層具有無結構的土壤A層,同時可以明顯觀察到大量的樹根沉積痕跡以及微弱的潛育化現象。綜合上述分析該層為弱土壤層。單元四:(450~600cm)形成于~2200014CaBP—~1900014CaBP(末次冰盛期)。實驗分析表明該層磁化率平均值約為0.88%,低于剖面平均值且略低于其上覆土壤層,碳酸鹽含量平均值為12%,有機質平均含量約為2‰,均低于剖面平均值,同時粘土含量5%也低于剖面平均值并遠低于上覆第三層弱土壤層以及表層土壤層,粉砂含量變化較小,但砂含量達到了32%,明顯高于剖面平均值也遠高于土壤層的砂含量。該層另外一個顯著特征就是極高的沉積速率(50mm/100a),達到了全新世沉積速率(20mm/100a)的2.5倍,也高于冰期時其他時段的沉積速率。野外觀察發現該層沉積物具有黃土的典型結構—塊狀結構且有微弱的潛育化現象(淺藍色斑點狀)。綜合上述討論,我們推測該層為弱潛育化的黃土層,代表了末次冰盛期的沉積。單元五:(600~700cm)形成于過去~2600014CaBP—~2200014CaBP以來,磁化率、碳酸鹽以及有機質的含量均明顯偏低,但是變化比較微弱。該層變化最為明顯的指標是粒度指標,從圖3可以看出個粒級顆粒含量變化范圍很大,各粒級含量的最大值最小值均出現在該層。具體來講,粘土含量平均值約為4.8%,變化范圍為2.8%~8.1%,而粉砂平均含量為62.9%,變化范圍為34.6%~85.5%,砂含量則變化更為劇烈,最低值僅有6%,而最高值卻達到了62.5。沉積物粒度如此大范圍的變化似與風塵黃土沉積具有較大的差距,粒度頻率分布曲線也表現為明顯的雙峰組成,該層沉積物應包含有其它搬運動力所搬運的沉積物,結合剖面地理位置(位于Valikhanov河谷二級階地),該層為受河流影響的黃土層。綜上,VA剖面除底部黃土沉積受到河流影響以外,其它均為典型的風塵沉積。在MIS2單元發育了一層弱潛育化的黃土層(末次冰盛期)和一層弱土壤層(末次冰消期),全新世早期主要為黃土沉積,而晚期發育土壤層。3分析與討論的結果3.1研究區mis2層序對土壤沉積的控制作用研究區位于其西面的歐洲黃土與其東面中國黃土高原的過渡帶上(圖1),因此對該地區的黃土與其周圍的黃土記錄氣候對比研究有助于更好地理解西風帶和亞洲季風之間的相互作用歷史,以及西伯利亞高壓和亞索爾高壓之間的相互關系,具有重要的古氣候學意義。本文從這兩大黃土區分別選擇兩個研究相對細致的黃土古土壤序列進行對比,結果如圖4所示。圖4顯示,歐洲的Nussloch剖面和Harmignies剖面在~2500014CaBP—~1000014CaBP均發育了弱土壤層以及潛育化的黃土層。對位于德國境內的Nussloch剖面地層研究表明,該剖面在MIS2分別發育了兩層弱土壤和兩層潛育化黃土層,在早全新世主要為黃土沉積而晚全新世發育土壤層;對位于比利時境內Harmignies剖面研究同樣顯示該剖面在MIS2單元發育了三層弱土壤層和兩層潛育化黃土層,全新世地層與Nussloch剖面類似。歐洲黃土地層記錄到MIS2的弱土壤層以及潛育化黃土層在本文的研究剖面(VA剖面)都有記錄,而且除了本文選取的兩個歐洲黃土序列以外,歐洲其他地區的很多剖面地層也具有同樣的特征。另外對同樣位于中亞區的Romantic剖面(VA剖面東面的阿拉木圖地區)的地層分析也發現了MIS2階段的潛育化現象。而本文選自中國黃土高原具有代表性的兩個剖面(分別為黃土高原東部蔡家溝剖面,西部的北源剖面)以及其他很多黃土序列記錄到的MIS2時段均為典型的黃土沉積,沒有任何弱土壤層記錄潛育化特征,且全新世地層也與VA剖面具有反相位的關系,也就是說黃土高原早全新世發育土壤層,而晚全新世發育黃土層(圖4)。綜上,過去~2500014Ca以來VA剖面沉積地層與歐洲黃土沉積地層相似,與東亞區黃土沉積具有較大的差別。具體來講就是VA剖面的地層特征(包括黃土的潛育化以及MIS2時段弱土壤的發育)與我們所選擇的歐洲兩個黃土剖面有很好的對應關系,而與東亞區黃土沉積地層差別較大,VA剖面記錄的MIS2單元廣泛潛育化現象在東亞黃土區沒有任何相應的發現,說明研究區MIS2單元氣候比東亞區偏濕潤。VA剖面全新世的地層發育與東亞區具有反相位關系說明研究區主要受西風環流控制,具有西風區黃土沉積的典型特征,這與前人的研究結論是一致的。3.2研究區的黃土沉積特征以前的研究者對東亞黃土-古土壤序列的研究發現,東亞區黃土-古土壤序列的變化可以歸因為季風(包括夏季風和冬季風)強弱變化,也就是在暖濕的間冰期東亞夏季風增強而冬季風減弱,發育土壤層;而在冷干的冰期時,夏季風減弱冬季風加強,主要為黃土沉積。VA剖面位于中亞黃土沉積區,該黃土沉積區主要為地中海型氣候,受西風環流控制。降水主要發生在冬季,冬季(冷季)氣候濕潤而夏季(暖季)氣候相對干燥。因此研究區的黃土沉積應該有典型的西風區黃土沉積特征。VA剖面記錄到出現在MIS2單元的潛育化現象則反映了西風環流控制的氣候特征,也就是溫暖干燥的夏季沉積黃土,而在寒冷濕潤的冬季則在母質黃土沉積基礎上發生潛育化。而在末次冰消期的弱土壤層的發育則反映了研究區在這段時間相對濕潤環境下黃土沉積速率與土壤形成之間的競爭關系。在氣候比較濕潤的條件下,如果黃土沉積速率高于土壤發育速率則主要發育黃土層;反之如果黃土沉積速率低于土壤形成速率則發育弱土壤層。VA剖面反映的全新世地層序列與東亞區具有反相位的關系。東亞區的大量研究表明早全新世氣候濕潤,發育古土壤層,研究者將其歸因為亞洲夏季風早全新世強盛,且總體上受控于太