2018, Vol. 42
文章信息
- 郭若舜, 叶思源, 何磊, 赵俐红. 2018.
- GUO Ruo-shun, YE Si-yuan, HE Lei, ZHAO Li-hong. 2018.
- 全新世以来辽河三角洲地区的化学风化及其对气候变化的响应
- Chemical weathering and its implications regarding climate changes in the Liaohe Delta since the Holocene
- 海洋科学, 42(9): 38-50
- Marina Sciences, 42(9): 38-50.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20180209002
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文章历史
- 收稿日期：2018-02-09
- 修回日期：2018-04-16
2. 中国地质调查局滨海湿地生物地质重点实验室, 山东 青岛 266071;
3. 青岛海洋地质研究所, 山东 青岛 266071
2. Key Laboratory of Coastal Wetlands Biogeosciences, China Geological Survey, Qingdao 266071, China;
3. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China
研究第四纪气候变化一直是学者们长期关注的研究方向[1-3]。目前, 在研究古气候变化方面有很多的指标, 并已取得丰硕的成果, 但同时相关指标在研究某些区域古环境分析时存在一些局限, 如:利用大洋浮游有孔虫壳体或天然石笋碳酸钙中18O变化来揭示第四纪古气候变化[4-5], 虽然其反映的时间跨度长、受到的干扰小, 但通常受到材料样品稀缺的限制; 磁化率指标连续性、记录性较好, 能反演区域古气候古环境, 但其通常与古气候之间存在多解性[6-7]; 孢粉对气候较敏感, 能较好地反映气候信息, 常用来进行古气候重建[8-10], 但会受到孢粉产量及分辨率低(如三角洲地区海相地层)的影响。反而, 很多学者利用沉积物常量化学元素对区域的风化特征及古气候古环境进行分析和研究, 并已取得一些不错的进展, 如黄土[11-12]、红土[13-14]等。本文中, 我们也会借助于不同的元素和元素组合可以相互补充和印证的优点, 结合孢粉、石笋等指标展开更为全面的研究。
事实上, 沉积物中的化学成分和矿物成分特征能够揭示其相关地球化学行为[15], 通过对沉积物中相关成分的化学风化特征进行研究, 不仅有助于研究该地区的化学风化程度和趋势, 而且可以确定物源[16-17]、评价古气候环境[18-19]以及为区域构造分析[20-21]提供依据。
辽河三角洲是我国重要的河口三角洲之一。目前在对辽河三角洲沉积环境和古气候特征方面的研究取得了一些进展, 例如, 许坤等[22]利用LH10-1-1、海12等9口井的孢粉资料对辽东湾北部地区新生代以来的古气候演化模式进行了探索, 初步建立了该区的气候变化过程。王秀玲等[23]通过对下辽河滨海平原区田家镇LT钻孔样品不同种属孢粉所占的数量百分比进行分析, 将柱状样划分了7个孢粉组合带, 建立了该区全新世以来的古气候演化系列为: 温湿-暖湿-湿热-冷干-暖湿-凉干。李萍等[24]通过对辽东湾北部LH01孔柱状岩芯样品进行粒度、孢粉、有孔虫和测年多项环境指标测试, 建立了辽东湾北部晚更新世24 ka BP以来的古环境演变过程。因此可以看出, 大多数的研究都是从孢粉或粒度等指标来研究其气候演化模式, 而从地球化学分析的角度进行分析探讨还很欠缺, 因此其经历的化学风化过程尚不明确, 其中蕴含的大量古气候信息还有待进一步挖掘。
近年来, 前人利用辽河三角洲地区的ZK2孔作了很多的工作, 如:王雪飞等[25]、Liu等[26](该文献中钻孔编号为LHDC12-2)利用该孔对辽河口33 ka以来的沉积环境演化模式及生物硅记录进行了探讨; 何磊等[27]利用ZK2孔对辽河三角洲地区晚更新世晚期以来的碎屑矿物及其物源进行了研究, 结果表明自晚更新世晚期以来沉积物源没有发生明显的变化, 其主要物源来自辽河。这些前期工作为我们的研究奠定了基础, 本文中, 我们选择ZK2孔全新世地层的常量元素对辽河三角洲的化学风化特征进行研究, 以期为研究该区全新世的气候变化提供参考。
1 区域背景辽河三角洲是我国重要的河口三角洲之一, 是由辽河、大辽河以及大凌河等多条入海河流共同加积而成, 其地理位置为40°40′~41°25′N, 121°25′~ 122°55′E, 面积范围约5 200 km2(图 1)[28]。
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| 图 1 辽河三角洲分布范围及ZK2孔位置图 Fig. 1 Location of the Liaohe Delta and distribution of core ZK2 |
辽河三角洲属于暖温带大陆性半湿润季风气候, 同时兼具大陆性和海洋性气候, 气候的总体特点为冷凉湿润、四季分明、雨热同季。年均气温为8.4℃, 春季平均气温为8.7℃, 夏季平均气温23.1℃, 秋季平均气温为9.9℃, 冬季的平均气温为–7.8℃。年平均降水量为611.6~640.0 mm, 主要集中于夏季, 占全年降雨量的63%, 而年均蒸发量则达到1 392.0~ 1 705.0 mm[29]。
研究区构造上包括辽西凹陷、辽西凸起、辽中凹陷、辽东凸起和辽东凹陷5个二级构造单元, 形成了凹凸相间的构造格局。下辽河平原是新生代发育起来的断陷盆地, 辽河三角洲位于下辽河平原的南部, 是由多条河流形成的复合三角洲, 其大地构造地处华北陆台, 燕辽沉降带东端、辽河断陷南部。进入新生代第四纪以后, 由于受新构造运动影响, 下辽河平原的海陆轮廓的变化异常频繁, 自晚更新世以来, 下辽河平原共发生了3次海侵, 分别为水源海侵、先锋海侵以及盘山海侵[30]。
从区域出露地表的岩性来看, 辽河中下游流域范围内大部分地区被第四纪松散沉积物所覆盖, 上游支流地区分布面积不大的太古和元古代片麻状花岗岩, 太古代片麻岩、斜长角闪岩, 燕山期二长花岗岩, 中、上元古界碎屑岩、碳酸盐岩, 侏罗系火山熔岩和火山碎屑岩, 白垩系砂岩等[27]。
辽河三角洲地区ZK2孔(40°45′18.33″N, 122°07′11.23″E)位于辽宁营口市大辽河口, 距营口市北西约10 km处, 该孔孔深41.4 m, 高程4.24 m, 取心率 > 90%[26-27]。前人[25-27]将ZK2孔全新世地层(孔深0~14.45m)自下而上划分为3个沉积单元(图 2), 简述如下:
U1(高程–8.86~–10.21 m)湖相沉积, 该沉积相的年代在11 000—8 820 cal a BP之间, 主要为灰色粉砂及黏土质粉砂, 平均粒径Ф为5.96±0.07, 可见水平层理, 含少量贝壳碎片。
U2(高程1.74~ –8.86 m)海相沉积, 年代在8 820— 1 295 cal a BP, 由灰色黏土质粉砂与粉砂质黏土互层组成, 平均粒径Φ为4.88±0.09。U2有孔虫含量相对丰富(图 2), 有孔虫丰度和简单分异度平均值分别为2 865和12。优势组合主要为Protelphidium tuberculatum和Ammonia beccarii vars., 该组合超过75%。根据粒度和微体古生物特征把U2划分为5个沉积亚相: U2-1潮坪沉积(高程–7.26~ –8.86 m); U2-2浅海沉积(高程–6.06~ –7.26 m); U2-3前三角洲(高程–4.36~ –6.06 m); U2-4三角洲前缘(高程–0.96~ –4.36 m); U2-5下三角洲平原相沉积(高程1.74~ –0.96 m)。
U3(高程4.24~1.74 m), 该沉积单元主要包括1 295 cal a BP以来的地层, 主要为黄色、黄褐色黏土质粉砂, 平均粒径Φ为6.00±0.08, 水动力条件较U2减弱。底栖有孔虫组合丰度和多样性明显低于U2组, 以A. beccarii vars.与Psedononionella variabilis两种为绝对优势种, 优势度在98%以上, 反映半咸水盐沼的环境, 为上三角洲平原沉积。
2 材料和方法按照20~30 cm间距对ZK2孔进行取样, 孔深14.45 m之上共取得57个样品, 进行常量元素测试分析。样品在国土资源部海洋地质实验检测中心利用荷兰帕纳科公司Axios PW4400 X-射线荧光光谱仪进行常量元素测试, 具体流程为:样品在120℃的烘箱内烘8 h后, 称取已烘干的样品4.0 g, 放入模具内拨平, 用低压聚乙烯镶边垫底, 在30 t压力下压制成试样直径为32 mm、镶边外径为40 mm的圆片, 然后测定SiO2、Al2O3、CaO、Na2O、K2O、MgO和Fe2O3等常量组分的质量分数, 测试过程中利用海洋沉积物标样GBW07315对测试结果进行标定, 元素质量分数的相对标准偏差 < 5%。
AMS14C年代测试工作由美国Beta公司完成, 采用质量光谱加速器(AMS)进行测年工作, 共获得测年数据11个(表 1)。对年龄进行了区域海洋库效应校正, 并采用校正软件Calib Rev.7.0.2进行日历年校正, 14C半衰期以5 568 a计, 海相样品的地区贮存库数值与全球平均贮存值之间的差值ΔR=(–178±50)a[31]。对于测年数据和历史记录均缺乏的目标地层单元的时间确定, 我们采用模式时间概念, 即利用相邻的或目标地层单元内部某一已知的沉积速率来计算目标地层单元沉积时间, 本文也称由此计算的时间为模式时间。本钻孔获得的最新年龄是2 180 cal a BP, 位于孔深4.33 m处, 最老年龄位于全新世地层底部13.05 m处, 为8 820 cal a BP(模式时间), 指示其发育于全新世海侵时期, 对应于MIS1(深海同位素阶段)阶段[26]。
| 实验室编号 | 深度/m | 测试材料 | 校正后年龄 | 校正后年龄中值 |
| ZK2FA-1 | 4.33 | 贝壳 | 2 320—2 040 cal a BP | 2 180 cal a BP |
| ZK2FA-2 | 5.4 | 贝壳 | 3 140—2 800 cal a BP | 2 970 cal a BP |
| ZK2F39 | 5.6~5.7 | 有孔虫 | 4 770—4 390 cal a BP | 4 580 cal a BP |
| ZK2FA-5 | 7.42 | 贝壳 | 4 820—4 500 cal a BP | 4 660 cal a BP |
| ZK2F54 | 7.8~7.9 | 有孔虫 | 4 420—4 120 cal a BP | 4 270 cal a BP |
| ZK2FA-3 | 9.96 | 贝壳 | 5 560—5 280 cal a BP | 5 420 cal a BP |
| ZK2F75 | 9.9~10.0 | 有孔虫 | 5 940—5 690 cal a BP | 5 815 cal a BP |
| ZK2FA-4 | 10.72 | 贝壳 | 7 590—7 410 cal a BP | 7 500 cal a BP |
| ZK2F85 | 11.1~11.2 | 有孔虫 | 7 160—6 880 cal a BP | 7 020 cal a BP |
| ZK2FA-6 | 12.9 | 贝壳 | 8 100—7 850 cal a BP | 7 975 cal a BP |
| ZK2FA-7 | 13.05 | 贝壳 | 8 410—8 190 cal a BP | 8 300 cal a BP |
表 2为ZK2孔中全新世地层常量元素质量分数ω, 从表中可以看出SiO2和Al2O3是该层的主要成分, 两者的平均质量分数分别为67.98%和12.43%;而其他元素质量分数都比较低, 其中K2O和Fe2O3质量分数相当, 分别为3.11%和3.43%, Na2O、MgO质量分数为2.33%、1.45%, CaO质量分数最低为1.39%。常量元素质量分数的排序特征为: Si > Al > Fe > K > Na > Mg > Ca。
| 沉积环境 | 样品编号 | 样品数/个 | 深度/ m | 数值范围 | ω/×10–2 | ||||||
| SiO2 | Al2O3 | CaO | MgO | Fe2O3 | K2O | Na2O | |||||
| 上三角洲平原 | E1—E6 | 6 | 0~2.5 | 最大值 | 67.15 | 13.93 | 1.33 | 1.96 | 4.84 | 3.05 | 2.12 |
| 最小值 | 65.32 | 12.67 | 1.17 | 1.63 | 3.45 | 2.93 | 1.80 | ||||
| 平均值 | 65.85 | 13.60 | 1.24 | 1.86 | 4.53 | 2.98 | 1.88 | ||||
| 下三角洲平原 | E7—E17 | 11 | 2.5~5.2 | 最大值 | 72.27 | 13.81 | 1.86 | 2.08 | 4.90 | 3.22 | 2.75 |
| 最小值 | 65.35 | 11.01 | 1.17 | 0.96 | 2.07 | 2.94 | 1.85 | ||||
| 平均值 | 69.71 | 11.63 | 1.35 | 1.23 | 2.65 | 3.16 | 2.57 | ||||
| 三角洲前缘 | E18—E31 | 14 | 5.2~8.6 | 最大值 | 74.53 | 12.47 | 2.35 | 1.63 | 3.43 | 3.42 | 2.94 |
| 最小值 | 66.26 | 10.39 | 1.19 | 0.82 | 1.74 | 3.13 | 2.44 | ||||
| 平均值 | 70.43 | 11.03 | 1.36 | 1.11 | 2.31 | 3.26 | 2.63 | ||||
| 前三角洲 | E32—E39 | 8 | 8.6~10.3 | 最大值 | 67.33 | 13.27 | 1.59 | 1.97 | 4.39 | 3.21 | 2.37 |
| 最小值 | 65.43 | 12.30 | 1.34 | 1.57 | 3.24 | 3.06 | 2.25 | ||||
| 平均值 | 66.78 | 12.76 | 1.48 | 1.73 | 3.72 | 3.14 | 2.31 | ||||
| 浅海沉积 | E40—E44 | 5 | 10.3~11.5 | 最大值 | 69.13 | 13.75 | 1.62 | 1.75 | 4.43 | 3.13 | 2.37 |
| 最小值 | 65.49 | 11.62 | 1.47 | 1.23 | 2.70 | 3.03 | 2.11 | ||||
| 平均值 | 67.60 | 12.68 | 1.53 | 1.49 | 3.44 | 3.10 | 2.24 | ||||
| 潮坪沉积 | E45—E49 | 5 | 11.5~13.1 | 最大值 | 67.06 | 16.09 | 1.70 | 2.22 | 7.56 | 3.09 | 2.12 |
| 最小值 | 59.57 | 13.34 | 1.33 | 1.59 | 4.22 | 2.91 | 1.66 | ||||
| 平均值 | 63.88 | 14.49 | 1.55 | 1.84 | 5.47 | 2.99 | 1.93 | ||||
| 湖相沉积 | E50—E58 | 8 | 13.1~14.45 | 最大值 | 69.37 | 14.89 | 1.40 | 1.91 | 6.54 | 3.03 | 2.44 |
| 最小值 | 62.76 | 12.34 | 1.17 | 1.28 | 2.91 | 2.80 | 1.76 | ||||
| 平均值 | 67.17 | 13.38 | 1.30 | 1.53 | 4.17 | 2.92 | 2.15 | ||||
为研究常量元素在不同时期的含量变化, 我们做出了相关元素随时间的变化趋势图(图 3)。从常量元素整体含量曲线变化形态上看, 各种元素的含量变化呈波动的特征, 具体表现为以下。
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| 图 3 ZK2孔全新世地层中的常量元素含量变化曲线 Fig. 3 Curves of major element contents in the Holocene strata of core ZK2 |
湖相沉积U1:该沉积层属湖相沉积, 中值粒径较高, 粒度较细, 其常量元素从老到新分布呈两种模式:其一是SiO2、Na2O、CaO和K2O的含量呈现出递降的趋势; 其二是Al2O3、MgO、Fe2O3的百分含量呈递增的趋势。
海相沉积U2:相对于U1层, 中值粒径下降, 粒度变粗, 水动力条件变强。该沉积单元的Al2O3、Fe2O3和MgO呈递降的变化趋势, SiO2、Na2O和K2O呈递增的变化趋势。
上三角洲平原沉积U3:相对于U2层, 中值粒径升高, 粒度变细, 水动力条件减弱。各常量元素含量变化不大, 稍有波动, 但较其下伏的海相地层来讲, SiO2、Na2O和K2O的百分含量减少, Al2O3、MgO和Fe2O3的含量增加。
总的来说, 指示湿润型的氧化物Al2O3、Fe2O3和MgO变化趋势大体一致, 自下而上大致呈递增-递减-递增的特点; 而与其含量变化曲线形态相反的是SiO2和Na2O, 它们是指示干旱型的氧化物[32]。这表明气候环境总体上是向湿润-干旱-湿润方向转变, 进而对研究该区的化学风化强度提供了参考依据。
3.2 化学风化强度现在应用较广泛的指示化学风化程度的地球化学指标是化学蚀变指数CIA, 它是Nesbitt等[33]提出的用来评价沉积物化学风化程度的指标, 其表达式为:
上式中n (Al2O3)、n (Na2O)、n (K2O)、n (CaO*)均为氧化物物质的量, 其中CaO*为硅酸盐矿物中CaO物质的量, 不包括碳酸盐组分(如碳酸盐和磷酸盐)中的CaO含量。由于部分样品测试结果中包括了碳酸钙在内, 因此Nesbitt[33]建议用一定方法加以修正, 以在碳酸钙含量未知情况下求取CIA计算中所需要的CaO*。本文采用了McLennan[34]所推荐的方法, 进行了计算和校正, 即: n(CaO′)=n(CaO)–10n(P2O5)/3, 若计算后的n(CaO′) < n(Na2O), 则认为n(CaO*)= n(CaO′); 若计算后的n(CaO′) > n(Na2O), 则认为n(CaO*)= n(Na2O), 本文中所有n(CaO*)值据此方法获得。
CIA指数能有效地指示长石风化成黏土矿物(如高岭石)的程度, 不存在元素迁移后再淀积的情况, 能很好地反映沉积物形成时的化学风化情况[12, 35]。n(Na)/n(K)(物质的量之比)是衡量样品中斜长石风化程度的重要指标, 同样可以用于表征堆积物的化学风化程度。斜长石中往往以钠长石居多, 而钾长石、伊利石和云母富含K, 由于斜长石比钾长石风化得快, 因而n(Na)/n(K)与风化强度成反比, n(Na)/n(K)变化曲线与CIA参数曲线呈现相反的变化特征[13]。
据ZK2孔全新世各常量元素数据, 作出CIA与n(Na)/n(K)随时间的变化曲线(图 4), 结果显示:湖相沉积化学风化强度较强, 其CIA为56.50~64.56, 平均值为59.55, 并且在该层位中CIA逐渐增大, n(Na)/n(K)逐渐减小, 表明化学风化作用逐渐增强; 海相沉积为低等的化学风化程度, n(Na)/n(K)逐渐呈上升的趋势, 表明总体上化学风化强度在减弱, 具体表现为:潮坪沉积的CIA为57.73~65.40, 平均值为61.00, 并且在全新世地层中, 该层位的化学风化作用相对来说最强; 浅海沉积的CIA在53.15~58.84, 平均值为56.27;前三角洲的CIA为55.31~ 57.20, 平均值为56.33;三角洲前缘的CIA为49.27~ 56.32, 平均值为51.63, 该层位的CIA在全新世地层中达到了最低; 下三角洲平原的CIA为51.38~62.28, 平均值为53.50;到了上三角洲平原沉积相中时, n(Na)/n(K)骤减, 化学风化强度增强, CIA为58.17~ 62.43, 平均值为61.29。
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| 图 4 ZK2孔全新世以来的CIA和n (Na)/n (K)变化曲线图 Fig. 4 Variation curves of CIA and n (Na)/n (K) in core ZK2 since the Holocene |
ZK2孔全新世地层的CIA和n (Na)/n (K)参数的散点图, 见图 5, 总体来说, CIA为50~65, 该区的化学风化强度不高, 基本属寒冷干燥的气候条件下低等的化学风化程度。湖相沉积数据分布跨度较大, 化学风化强度较强; 潮坪沉积数据分布较零散, 同样经历了低等的化学风化过程, 但较湖相沉积来说化学风化作用有所增强, 甚至有的达到了温暖湿润气候下中等的化学风化程度; 相比潮坪沉积, 浅海沉积遭受的化学风化作用变弱; 前三角洲数据分布较集中, 化学风化程度不高, 为寒冷干燥的气候条件下低等的化学风化程度; 三角洲前缘总体处于化学风化的初期, 甚至有的数据显示没有遭受化学风化作用, 属于全新世地层中风化最弱的时期; 下三角洲平原仍处于化学风化作用的初期, 但比三角洲前缘的风化强度稍强; 上三角洲平原遭受的化学风化作用, 较下三角洲平原来说显著增强, 虽仍属于低等的化学风化程度, 但已到达低等风化的末期阶段。
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| 图 5 ZK2孔全新世以来的CIA-n (Na)/n (K)关系散点图 Fig. 5 Scatter diagram of CIA-n (Na)/n (K) in core ZK2 since the Holocene |
根据质量平衡原理、长石淋溶动力学实验和矿物稳定性的热力学计算, Nesbitt和Young等[33, 36]提出了大陆化学风化趋势预测的两个三角模型图, 即A-CN-K(Al2O3-CaO*+Na2O-K2O三角图)和A-CNK- FM(Al2O3-CaO*+Na2O+K2O-FeOT+MgO三角图), 此模型可以反映化学风化趋势以及化学风化过程中主成分和矿物变化。
Nesbitt等[37]根据元素活动性顺序将化学风化过程划分为初期脱Na、Ca, 中期去K和晚期脱Si等3个阶段。据图 6显示, ZK2孔沉积物的风化趋势线基本与A-CN边平行, 说明遭受的化学风化作用很弱, 基本处于化学风化的初期阶段。并且数据点靠近A-CN一侧, K2O的含量较低, 这是K在风化过程产生的黏土中进行离子交换和吸附的结果, 反映长石矿物的化学风化很弱, 仅仅斜长石经历了较弱的脱Ca和Na的风化过程, 而钾长石基本处于较稳定的状态。随着风化作用的不断进行, Ca和Na逐渐递减, Al元素发生富集, 但还未进入脱K阶段, 并且有逐渐向Sm-IL连线靠近的趋势, 表明风化过程中风化程度的增强促使蒙脱石和伊利石等黏土矿物的形成。相对于其他沉积相来说, 湖相沉积和潮坪沉积的数据点更靠近A点, 斜长石的Na、Ca丢失程度更为显著, 反映在化学风化时, 硅酸盐矿物(如长石)经历了更强的风化过程, 可能有的数据已达到中等的化学风化程度, 这与CIA化学风化指数和n (Na)/n (K)指示的结果吻合。三角洲前缘和下三角洲平原的数据点在Pl-Ks的连线上, 说明经历的化学风化作用更弱。湖相沉积、潮坪沉积和上三角洲平原沉积, 数据点以几乎与A-CN线平行的趋势向A-K边靠近, 而远离Pl-Ks基线, 有更靠近Sm-IL连线的趋势, 这说明在化学风化时, 它们的硅酸盐矿物经历了更明显的风化, 斜长石的脱Ca和Na过程更为显著, 但钾长石的风化仍很弱, 脱K不明显, 说明总体上还未进入中等的化学风化阶段, 仍处于化学风化的初期阶段, 其化学风化产物以伊利石和蒙脱石为主, 未达到以高岭石和三水铝石为主的阶段。
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| 图 6 ZK2孔全新世A-CN-K化学风化趋势三角图 Fig. 6 A-CN-K ternary diagram of core ZK2 since the Holocene |
A-CN-K图解可以反映碱金属和Al的含量变化以推测经历的化学风化程度, 但不能反映Fe、Mg等元素的迁移变化规律或风化过程。所以, 根据常量元素含量表作出A-CNK-FM(Al2O3-CaO*+Na2O+K2O- FeOT+MgO)三角图, 它可以指示浅色矿物和暗色矿物的风化趋势, 并反映Fe、Mg等其他金属元素的特征[33]。由图 7可见, Fe、Mg分异程度较高, 样品数据点在长石附近, 由此可以推断样品的矿物含量以长石为主, 并且样品点未超过图中虚线, 说明总体上处于低等的化学风化程度。三角洲前缘和下三角洲平原更靠近CNK顶点, 含有的Ca、Na和K等组成浅色矿物的元素较多, 亦即是说石英、长石含量较多, 说明仍处于以长石风化为主的早期阶段; 而上三角洲平原、潮坪沉积和湖相沉积更靠近FM顶点, 暗色矿物(绿泥石、角闪石、辉石和黑云母等)含量相对较多, 说明风化产物中绿泥石等高等风化作用矿物含量增多, 化学风化作用达到较强的阶段[33, 36]。
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| 图 7 ZK2孔全新世A-CNK-FM化学风化趋势三角图 Fig. 7 A-CNK-FM ternary diagram of core ZK2 since the Holocene |
综上所述, 各沉积相处于化学风化的最初阶段, 缺少有效的化学风化过程, 遭受的化学风化程度较低。三角洲前缘和下三角洲平原沉积相中Ca、Na淋失严重, 含量很少, 而K基本无亏损, 经历的风化作用较弱, 上三角洲平原、潮坪沉积和湖相沉积含有的Ca、Na和K元素相对较少, 化学风化作用较强, 这与CIA和n (Na)/n (K)得出的结论一致。
4.2 区域风化与气候前面我们利用化学风化参数CIA、n (Na)/n (K)和A-CN-K、A-CNK-FM三角形图解对辽河三角洲全新世以来的化学风化特征进行了研究, 总体来说, 该区域的化学风化程度大致经历了增强-最强-较强-减弱-增强的过程。11.0—8.8 cal ka BP:湖相沉积时期, 化学风化程度较高, 且该时期的风化程度逐渐增强; 8.8—6.9 cal ka BP:潮坪沉积时期, 风化程度基本已达到全新世时期的最强阶段; 6.9—4.6 cal ka BP:发育的沉积相有浅海沉积、前三角洲, 该时期的化学风化程度有从强变弱的趋势; 4.6—1.3 cal ka BP:三角洲前缘、下三角洲平原沉积时期, 此时的风化程度较低, 基本属于全新世时期风化最弱的阶段; 1.3 cal ka BP—至今:三角洲向前推进, 形成上三角洲平原相, 风化强度增强。
众所周知, 化学风化程度受植被发育情况、气候、地形等多种因素影响, 而其中气候因素中的降水量和温度起着至关重要的作用, 一般来讲, 在寒冷干燥的气候条件下, 化学风化作用较弱, 反之, 在温暖湿润的气候条件下, 化学风化作用较强[13]。因此, 深入研究一个地区所经历的化学风化程度, 对了解其经历的气候转变过程有积极的意义。本文中, 我们利用化学风化参数CIA和n(Fe)/n(Mg), 与中国董歌洞石笋δ18O演化曲线[5]、辽宁暖和洞石笋δ18O曲线[38]和北半球42°N太阳辐射[26]作比较, 进而了解辽河三角洲全新世以来的气候转变过程(图 8)。
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| 图 8 ZK2孔全新世以来的化学风化参数与贵州董歌洞石笋δ18O演化曲线[5]、辽宁暖和洞石笋δ18O曲线[38]和北半球太阳辐射曲线[26]的比较 Fig. 8 Comparison between the chemical weathering parameters and the evolution curve of the stalagmite δ18O in Dongge Cave, Guizhou; [5] Nuanhe Cave, Liaoning; [38] and the northern hemisphere isolation[26] in the ZK2 core since the Holocene |
从图 8可知, 辽河三角洲ZK2孔全新世以来的化学风化参数CIA和n(Fe)/n(Mg)与中国董歌洞石笋δ18O、辽宁暖和洞石笋δ18O数据的波动趋势基本一致, 并与其中的气候事件(编号1、2、3、4、5)在时间尺度上有很好的对应关系, 仅仅由于测年误差导致存在100年左右的偏差。因此, 我们根据化学风化程度和石笋数据之间的对应关系, 同时结合前人在该区利用孢粉数据对气候环境的研究[23-24], 将该区全新世以来的气候变化过程分为如下五个阶段。
全新世早期(11.0—8.8 cal ka BP):我们通常把新仙女木事件(YD)结束的时间(11.5 ka BP)作为全新世的开始, 而它的结束也就意味着气温的回升。该时期的北半球夏季太阳辐射较强, 夏季风增强, 而中国作为季风气候区, 深受夏季季风的影响, 从而导致降雨量增加, 并且冬季太阳辐射较弱, 说明此时受干冷冬季风的影响较弱, 因此该区的温度逐渐上升, 化学风化程度逐渐增强, CIA由56.50增长到64.56, δ18O逐渐负偏, 有孔虫丰度和简单分异度有增加的趋势, 气候逐步向温湿方向发展。同时, 李萍等[24]的研究结果也是全新世的早期, 气候由凉稍润向温暖稍润转变。
全新世早中期(8.8—6.9 cal ka BP):由于该时期的北半球夏季太阳辐射依然较强, 温度持续上升, 石笋δ18O负偏显著, 有孔虫含量继续增加。据李萍等[24]的研究, 该时期孢粉浓度明显增加, 气候温暖较润, 因而迎来了大暖期(8.5—3.0 ka BP), 导致此时的化学风化程度较高, CIA平均值达到了61.00, 气候暖湿。但大量的研究证实全新世暖期并不是一个持续的暖期, 这期间有多次剧烈的气候波动和寒冷事件[23]。据中国董歌洞石笋δ18O数据, 在8.4—8.1 cal ka BP期间, 该地的δ18O较高, 气温较冷, 而这次冷事件就是北大西洋冰芯δ18O记录的“8.2 ka BP”事件[39-40], 受这次冷事件的影响, 导致辽河三角洲全新世在8.1—7.7 cal ka BP期间, 所遭受的化学风化程度明显降低。而随着温度的上升, 海侵范围逐渐扩大, 在7 cal ka BP左右全新世最大的海侵——盘山海侵, 达到了最大规模, 此时的温度最高, 导致辽河三角洲在7.2 cal ka BP左右, 化学风化达到了最大。
全新世中期(6.9—4.6 cal ka BP):此阶段海平面继续升高直至最高海泛面, 三角洲开始建造并向海推进, 贝壳碎屑和有孔虫含量增加, 有孔虫丰度和简单分异度较高, 孢粉含量较高[23-24], CIA平均值为56.3, 其风化强度依然较强, 气候温湿。但该时期夏季太阳辐射逐渐减弱, 冬季太阳辐射增强, 温度逐渐下降, 化学风化程度有呈逐渐减弱的趋势。并且湖光岩玛珥湖的孢粉记录及磁化率等指标[41-42]都共同指示了中全新世温度逐渐下降, δ18O值显著正偏, 气候由暖湿朝温湿方向演变, 且在5.5 cal ka BP左右发生了一次较弱的冷气候事件, 编号为4。
全新世中晚期(4.6—1.3 cal ka BP):该阶段三角洲继续向海推进, 有孔虫丰度和简单分异度降低, 该阶段孢粉含量较上阶段明显降低[23]。该时期夏季太阳辐射逐渐减弱, 冬季太阳辐射增强, 温度较低, 并且化学风化程度在该时期属于最弱阶段, CIA均值降至52.565, 气候冷干。并且据中国董歌洞石笋δ18O数据显示, 这期间有几次较强的气候事件, 编号分别为1、2、3, 较强烈的是发生在4.4—3.9 cal ka BP期间的事件, 该事件被认为是一次全球或者至少是北半球的气候异常事件[43]。较多的研究[5, 44-45]认为, 该事件的结果是中国大范围、持续性的干旱, 温度下降, 而这次气候事件也导致了中国新石器文明(NCC)的衰落, 与辽河三角洲发生在4.5—4.1 cal ka BP期间化学风化程度较弱的特征相符。
全新世晚期(1.3 cal ka BP—至今):该时期夏季太阳辐射达到最弱阶段, 但是由于当今社会人类的影响, 该时期的温度并没有持续下降, 而是有所回升, 风化程度增强, CIA均值增至61.29, 底栖有孔虫组合丰度和多样性略有增加, 气候温干。据中国董歌洞石笋δ18O数据显示, 该时期发生了一次气候事件, 编号为0, 但是由于ZK2钻孔上部数据的缺失, 本文不对这次气候事件进行探讨。
总的来说, 该区的气候变化过程与本地区孢粉[23-24]的研究结果也基本一致, 此气候变化过程为:全新世早期(11.0—8.8 cal ka BP):化学风化程度逐渐增强, 气候逐步向温湿方向发展; 全新世早中期(8.8—6.9 cal ka BP):化学风化程度最强, 气候暖湿; 全新世中期(6.9—4.6 cal ka BP):风化强度较强, 但有减弱的趋势, 气候温湿; 全新世中晚期(4.6—1.3 cal ka BP):化学风化程度在该时期属于最弱阶段, 气候冷干; 全新世晚期(1.3 cal ka BP—至今):气候温干, 风化程度有所增强。
5 结论1) 指示湿润型的氧化物Al2O3、Fe2O3和MgO变化趋势大体一致, 自下而上大致呈递增-递减-递增的特点; 而与其含量变化曲线形态相反的是SiO2和Na2O, 它们是指示干旱型的氧化物。从而表明气候环境总体上是向湿润-干旱-湿润方向转变。
2) 利用化学蚀变指数CIA公式计算显示的结果是, 湖相沉积化学风化强度较强, 其CIA为56.50~ 64.56。海相沉积中CIA有逐渐减小的趋势, 表明总体上化学风化强度在减弱, 具体表现为:潮坪沉积的CIA为57.73~65.40, 化学风化作用相对来说最强; 浅海沉积的CIA为53.15~58.84;前三角洲的CIA为55.31~57.20;三角洲前缘的CIA为49.27~56.32, 该层位的CIA值在全新世地层中达到了最低; 下三角洲平原的CIA为51.38~62.28。上三角洲平原的CIA为58.17~62.43, CIA变大, 化学风化强度增强。总体来说, 该区遭受的化学风化强度经历了增强—最强—较强—减弱—增强的过程。
3) 研究区遭受的化学风化作用很弱, 仅仅斜长石经历了较弱的脱Ca和Na的风化过程, 基本处于化学风化的初期阶段。三角洲前缘和下三角洲平原沉积相中Ca、Na淋失严重, 含量很少, 而K基本无亏损, 经历的风化作用较弱, 上三角洲平原、潮坪沉积和湖相沉积含有的Ca、Na和K元素相对较少, 化学风化作用较强,
4) 研究发现该区风化程度与全新世气候条件及近期人类活动增强有比较好的对应关系。全新世早期(11.0—8.8 cal ka BP):化学风化程度逐渐增强, 气候逐步向温湿方向发展; 全新世早中期(8.8—6.9 cal ka BP):化学风化程度最强, 气候暖湿; 全新世中期(6.9— 4.6 cal ka BP):风化强度较强, 但有减弱的趋势, 气候温湿; 全新世中晚期(4.6—1.3 cal ka BP):化学风化程度在该时期属于最弱阶段, 气候冷干; 全新世晚期(1.3 cal ka BP—至今):气候温干, 风化程度有所增强。
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