黄土高原2.6Ma以来伊利石结晶度变化及其古环境意义

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黄土高原完整的黄土-古土壤序列记录了2.6Ma以来的丰富的古气候信息,为研究第四纪古环境与古气候变化提供了很好的研究材料。黄土中含有大量的粘土矿物,粘土矿物是黄土物质组成中的重要组分,也是其中十分活跃,对气候非常敏感的部分,粘土矿物学在黄土研究中占据着不可忽视的作用,是黄土重要的研究方面之一。本文选取黄土高原地区自西北向东南的环县、西峰、长武、永寿和渭南五个黄土剖面,通过X射线衍射方法对五个剖面末次间冰期以来的粘土矿物做定性及半定量分析,并对其伊利石结晶度进行时空变化分析,在此基础之上,对邵寨剖面2.6 Ma以来黄土-古土壤序列的伊利石结晶度所记录的古环境信息进行初步探讨。本文的研究结果及认识主要有:(1)黄土高原末次间冰期以来黄土-古土壤粘土矿物主要类型为伊利石、绿泥石、高岭石和蒙脱石,在位于南部的永寿和渭南剖面古土壤层中还有少量的蛭石以及微量的层间羟基物矿物。黄土高原5个黄土剖面各地层粘土矿物的组成较为相似,其中主要以伊利石(69%~79.5%)为主,其次是绿泥石(7.3%~16.7%)和高岭石(6.3%~13.2%),蒙脱石(1.2%~7.2%)含量最少。(2)在粘土矿物的剖面变化和空间变化中,伊利石在古土壤层中的相对含量高于黄土层,且古土壤层中的伊利石呈现从西北向东南增加的趋势,而黄土层中变化较小。绿泥石在黄土层中较多,古土壤中较少,绿泥石变化在位置靠南的永寿和渭南剖面中更为显著,这种变化趋势与绿泥石在末次间冰期与全新世时期受湿热气候影响风化形成蛭石/绿泥石混层矿物有关。高岭石相对含量在五个研究剖面均较低,且变化波动小,这也可能与物质来源有一定的关系,可反映原始风尘的基本状况,受气候影响较少。蒙脱石的相对含量最少,但从地层对比来看,黄土层中相对较高而古土壤层较低,这可能与蒙脱石在末次间冰期和全新世时期受到丰沛的降水影响而进行风化有关。(3)黄土高原末次间冰期以来的伊利石结晶度KI值基本都呈现古土壤层高于下覆黄土层,伊利石结晶度KI值在末次间冰期S1中最高,全新世S0中次之,在末次冰期L1中最低,这种变化趋势在位置靠南的长武、永寿和渭南剖面更为显著;在空间上,古土壤S0与S1中伊利石结晶度KI值呈自西北向东南逐渐增加的变化趋势,而黄土层L1中伊利石结晶度KI值的增加趋势较小,这与磁化率的变化趋势能够较好的对应起来。对比了伊利石结晶度KI值在黄土与古土壤中增加幅度在空间上的变化发现,自西北向东南伊利石结晶度KI值在黄土与古土壤中增加幅度逐渐变大。在排除粒度效应与沉积速率的影响之外,发现,黄土层中伊利石结晶度KI值的变化主要受源区物质的影响所控制,而古土壤中的伊利石结晶度KI值与风化成壤作用密切相关,伊利石结晶度KI值与磁化率良好的相关关系也能较好的说明这个问题。上述特征表明,伊利石结晶度KI值可以作为东亚夏季风变化的一个有效指标。(4)从邵寨剖面2.6Ma以来的伊利石结晶度的变化记录中可以发现,整体上,伊利石结晶度KI值呈上升趋势,且在冰期-间冰期的旋回上,伊利石结晶度KI值与磁化率对比良好,尤其在0.8Ma以后,这表明,伊利石结晶度可在短时间尺度冰期-间冰期旋回中很好的指示化学风化作用。对冰期黄土层与间冰期古土壤层伊利石结晶度KI值进行考察后发现,二者指示意义并不一致。冰期黄土层的KI值从0.65Ma以来逐渐上升,指示了黄土高原地区的物源的不断扩大,这主要与青藏高原的阶段性隆升和全球冰量影响下,源区物质经变质成岩作用,并且在各种“高山过程”后,表生物质的增多有关。间冰期古土壤中的伊利石结晶度KI值以0.8Ma为界限,在早更新世时期KI值相对较低,且呈逐渐下降趋势,但在中更新世以后KI值则相对较高,这指示了东亚夏季风在中更新世前后势力强弱的不同。早更新世东亚夏季风较弱,中晚更新世夏季风较强,我们的研究结果也支持海表温度梯度所导致的沃克环流对东亚夏季风的影响这一假说,但不排除受到青藏高原阶段性隆升所导致的间冰期夏季风增强的影响有关。
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