中亚热带加积型红土及其所记录的第四纪环境变化探讨

摘要

全球环境变化与区域响应研究是当今科学界广为关注的研究课题。本文关注中国南方红土区红土沉积与环境变化研究热点，选择中国南、北方交接地带中亚热带长江中下游气候变化敏感区，以加积型第四纪红土沉积为研究载体，利用沉积学、土壤学、环境地球化学和年代学等研究方法，就其加积性特征、沉积环境、风化特征、理化性质展开系统研究和面上区域对比研究，在此基础上选择典型剖面进行ESR年代学研究，探讨中亚热带该类红土自第四纪以来的环境演化记录，为更大范围内红土与古环境记录的对比研究提供依据。在赣、浙、皖、湘等省境内大量野外工作的基础上，点面结合共获得7个红土剖面的各类分析样品1460余块，在实验室内完成粒度、磁化率、土壤色度、PH、主微量元素、稀土元素、粘土矿物、显微镜观察、ESR年代等测试分析。初步得到以下主要结论： 1、各剖面红土粒度组成有较好的一致性，显示风成特性。红土粒度分布范围一般在0～250μm，不含>2mm的砾石，粉砂(4～63μm)为优势粒级，各剖面平均值变化于48.12％～71.31％之间，10～63μm粒组充当第一众数粒级，各剖面平均含量为26.59％～45.05％，第一众数峰位于5～6φ(30～15μm)处，对应于风尘“基本粒级”。此外，样品粘粒(<4μm)含量高，各剖面介于27.57％～50.1％，充当第二众数粒级，第二众数峰位于9φ附近(2μm)或10φ～11φ之间(1～0.5μm)，指示红土区经历的较强风化成土作用。比较发现，该类红土在粒度组成、分布、图解参数特征值方面均与北方黄土相似，却明显不同于湿热气候条件下因粘化造成的风化残积相红土，其沉积母质显示风成特性，同时经历较强的风化成壤作用。 空间上，加积型红土粒度分布呈有规律的变化。沿皖南、浙北--赣北、浙中——湖南一线，粉砂含量自北向南减少，粘粒含量则有所增加，中值粒径和平均粒径由粗变细。位于北部的沙河、九江、宣城、安吉剖面按照自西向东的位置关系，还存在粉砂含量向东递减，平均粒径向东变细趋势。该趋势与冬季风向南推进并势力渐弱的风场特征和风化程度向南增强的趋势相吻合。 2、各剖面红土元素地球化学特征和粘土矿物组成具有较好的一致性。SiO<,2>、Al<,2>O<3,>和Fe<,2>O<,3>合计占85.19％～92.68％，K<,2>O、Na<,2>O、CaO、MgO大量淋失，与上陆壳(UCC)平均组成相比，富Ti、Fe、Al，贫K、Na、Ca、Mg。铁氧化物含量明显高于上陆壳平均值；SiO<,2>与(Fe<,2>O<,3>+Al<,2>O<,3>)线性负相关关系明显，显示红土化、强盐基淋失和脱硅富铝化特征。常量元素含量由大到小依次为：Si、Al、Fe、K、Ti、Mg、Ca、Na、Mn、P。<4um粒级的矿物组成中含有较多的石英、云母和高岭土，其次为长石、赤铁矿和针铁矿，部分样品含有绿泥石、伊利石和蒙脱石混层矿物。红土REE总量127.7～275.4 ug.g<'-1>，平均175.1 u g.g<'-1>。铁盘和铁锰结核的REE富集异常，385.46～1641.60ug.g<'-1>，平均823.33ug.g<'-1>，网纹层内“蠕虫状”白色斑纹的REE丰度略高于红色基质。然而所有样品的球粒陨石标准化REE分布模式都非常一致，表现为斜率为负值的，La-Eu曲线较陡、Eu-Lu曲线较缓、轻稀土(LREE)富集Eu亏损型。代表性样品的<'87>Sr/<'86>sr值介于0.722001～0.727741之间，多数样品该值大于0.725000，<'143>Nd/<'144>Nd比值0.511989～0.512098，εNd(0)介于-10.54～12.66之间。相比之下，红土REE配分模式、反映物源的Eu/Sm、Sm/Nd、La/Nd、Eu/Eu*(δ Eu)等特征参数、判别函数DF、物源指数PI值和Sr、Nd同位素值均与北方风尘沉积物相似。该类红土的沉积母质也经过多次搬运和高度混合，后期风化使REE分馏更复杂。 3、以九江地区JL红土剖面为典型剖面，开展了ESR年代学研究，利用剖面中上部获得的7个有效ESR年代数据，结合“粒度年龄模型”建立了该剖面2.1～0.23Ma的沉积时间序列和环境演化时间标尺，为进一步探讨更新世红土早、中更新世环境演化特征奠定了年代框架。按照年代标尺，网纹红土形成于2.1～0.44Ma，棕黄色土沉积于0.44～0.23Ma。 4、在综合分析各种环境指标的基础上，更新世红土的环境演化特征可以被划分为几个时段： 早更新世中期(网纹红土底部1<,-3>层，2.1～1.75Ma)，该时段中国亚热带气候条件较为适宜，总体为暖湿环境。但表现为低幅高频气候振荡和后期暖湿程度减弱特征，气候具有不稳定性。该时期与黄镇国所指的Q<,1><'2>红土期相对应，也可与北方午城黄土中部细粒古土壤组合W<,s-2>形成期的适宜气候事件进行对比，奥尔都维古地磁正极性亚期事件也记录于该时段，之后气候转凉。此时的亚热带环境具有中国北方和中国南方之间的过渡特征，既不象中纬度区相对干旱寒冷的严酷性大陆气候，也不如华南气候那样湿热。早更新世晚期(剖面1<,-2>～3层段，1.75～0.78Ma)，记录了1.75～1.58Ma、1.43～1.15Ma、0.93～0.78Ma三个气候温凉期和1.58～1.43 Ma、1.15～0.93Ma为两个相对湿热期，冬、夏季风呈阶段性强弱交替态势，前期偏干凉后期偏暖湿，气候的低幅高频振荡仍然存在。气候温凉时段母质增粗，风化成壤作用变差。三个温凉期可分别对应于1.7Ma“青藏运动C幕”隆升及北方1.2Ma、0.8Ma两个干冷孢粉气候事件和L<,15>和L<,9>两个砂质黄土层形成期。贾拉米洛事件则记录于1.15～0.93Ma暖期末，此处环境指标变化明显，可对应“昆仑-黄河运动A幕”隆升。 中更新世早期(剖面4～5层段，0.78～0.44Ma)为暖湿环境，夏季风增强，夏季降水增多。环境指标峰谷变化不同于之前的低幅高频颤动，表现为低频高幅特征，可能是中亚热带气候变化主导周期发生转型的信号。对应于Q<,2><'1>红土期、北方S<,5>成壤期、华北平原发生海侵事件和东部海平面上升。然而，该层段环境指标并没有揭示出比早更新世暖期更好的环境条件，也不一定是网纹发育的最盛期。 中更新世晚期(剖面6～8层段，0.44～0.23Ma)气候转为干凉，网纹红土发育中断，上覆下蜀类沉积，包括两个黄土层和之间的一个古土壤层。黄土层显示低磁化率、低红化率、低Rb/Sr比、低CIA、低粘土含量；古土壤层则显示相对较高磁化率、Rb/Sr比、红化率、CIA和粘土含量。水热条件以古土壤层更优。可与北方黄土的L<,4>、S<,3>、L<,3>进行对比。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节研究背景

第二节选题依据

第三节南方红土研究进展

第二章研究区、研究内容与研究方法

第一节研究区范围

第二节研究区自然地理特征

第三节研究内容与研究方法

第三章沉积-风化红土的加积性特征

第一节剖面构型

第二节红土颜色的剖面差异

第三节网纹形态结构及其剖面差异

第四节加积红土剖面中的铁锰富集层

第四章加积红土沉积-风化环境探讨

第一节粒度与沉积特征

第二节加积红土化学风化特征

第三节红土稀土元素及其物源判别

第五章典型剖面ESR年代学研究

第一节红土的年代学研究进展

第二节JL剖面ESR测年

第三节JL剖面沉积年代序列的建立

第六章更新世加积红土记录的第四纪环境变化探讨

第一节JL红土剖面环境指标记录

第二节中亚热带红土区早更新世环境变化特征

第三节中亚热带红土区中更新世环境变化特征

第七章结论与展望

第一节主要结论

第二节展望

参考文献

博士学习期间科研工作

致谢