上新世红粘土环境磁学研究

摘要

中国北方大面积的风成沉积物，集中分布于黄河中游地区，厚度达几百米，形成壮观的黄土高原。第四纪沉积物由黄土层和古土壤层交替组成，其下伏一套砖红色的地层，由于地层出土三趾马化石，所以又称之为“三趾马红土”，后来命名为红粘土。上新世红粘土成因已经证明是风成沉积物。黄土高原毗邻亚洲内陆干旱区和青藏高原，同时受全球重要大气环流系统控制。夏季受东亚夏季风的影响，夏季风带来大量的水汽；冬季受西伯利亚高压控制，冬季风把亚洲内陆干旱区的粉尘带到黄土高原地区；且常年受西风的影响；同时，青藏高原的隆升对黄土高原形成和发展产生重要的影响。黄土一红粘土序列把陆地—海洋—大气系统联系起来，蕴藏着丰富的环境演变信息。　　第四纪黄土／古土壤序列，磁化率可以作为古夏季风代用指标，粒度（中值粒径）可以作为古冬季风代用指标，二者变化能够和深海氧同位素进行对比，所以中国黄土是与深海氧同位素、冰芯齐名三大古气候记录载体之一。学者最先研究是第四纪黄土沉积物，目前第四纪黄土／古土壤序列研究较成熟（包括磁学性质和古气候意义），晚第三纪红粘土研究较薄弱，需要加强磁学性质研究，挖掘古气候意义。加强晚第三纪红粘土研究，有助于理解亚洲内陆干旱化、青藏高原隆升、北极冰盖的发育和东亚季风演化等。　　本文选择佳县红粘土为研究对象，进行系统的环境磁学参数测量，结合非磁学手段（地球化学、磁选、X衍射等），综合分析红粘土磁性矿物的种类、磁畴分布、含量等磁学信息，探讨红粘土磁化率增强机制，以及磁化率变化能否作为古夏季风的代用指标的科学问题，试图分析为什么强发育红粘土获得比较低磁化率值，进而分析上新世红粘土记录的古气候演化。　　通过对佳县红粘土进行系统磁学参数研究，主要获得以下六点新的发现和认识：　　1、佳县红粘土磁性矿物种类与上覆黄土／古土壤序列类似，以亚铁磁性矿物为主（磁铁矿和磁赤铁矿），同时含有一定量的硬磁性矿物（赤铁矿和针铁矿，主要是赤铁矿）。红粘土含有大量超顺磁(SP)和单畴(SD)亚铁磁性矿物，通过King图定量分析，红粘土磁颗粒粒径大多数在0.2μm以下。强发育古土壤层磁颗粒粒径较细小，弱发育古土壤层和黄土层磁颗粒粒径较粗。强发育古土壤层含有较多的软磁性矿物，弱发育古土壤层和黄土层含有较多的硬磁性矿物。　　2、红粘土成壤过程中产生大量的细小亚铁磁性颗粒，且磁颗粒粒径恒定，这些细小磁颗粒导致磁化率值升高，红粘土磁化率增强机制与上覆黄土／古土壤序列类似。　　3、佳县红粘土序列，强发育和弱发育古土壤层磁性矿物种类一样，上覆的黄土层与古土壤层磁性矿物种类一样。高纬度西伯利亚和阿拉斯加，黄土层与古土壤层磁性矿物种类差异较大，黄土层含有较多的亚铁磁性矿物，古土壤层含有较多弱磁性铁的氢氧化物。红粘土磁化率增强机制与上覆黄土／古土壤序列类似，且成壤过程中产生磁颗粒粒径恒定，共同说明红粘土成壤环境与中国第四纪黄土／古土壤序列类似，与阿拉斯加、西伯利亚成壤环境不同。　　4、从空间上分析，黄土高原南北向6个剖面红粘土磁化率变化具有相似的趋势，且磁化率值自西北向东南方向逐渐增加，说明磁化率可以作为古夏季风的代用指标。从时间上分析，通过对红粘土与黄土／古土壤序列进行比较，红粘土序列中强发育古土壤层与弱发育古土壤层进行比较，发现强发育红粘土并非获得高磁化率，红粘土磁化率的变化不能够反映古夏季风的演化。其原因是红粘土与黄土／古土壤序列存在差异性，不能简单地运用第四纪黄土／古土壤序列气候与磁化率的转换函数来定量研究红粘土序列，需要获得红粘土序列气候与磁化率之间的转换函数，此时磁化率变化不仅从空间上而且从时间上，均可以作为古夏季风的代用指标。　　5、通过系统磁学参数分析发现，佳县红粘土序列自上而下，亚铁磁性矿物含量阶段性减少。亚铁磁性矿物含量控制磁化率的变化，所以亚铁磁性矿物含量减少是导致红粘土磁化率降低最主要原因。红粘土强成壤作用，且形成距今已有5～6Ma时间，促使不稳定磁赤铁矿向赤铁矿转化；随着深度增加／年代延长，成岩作用和铁氧化物老化作用导致磁信号衰减，这些因素可能导致亚铁磁性矿物含量减少。　　6、首次引入饱和等温剩磁的交变退磁（SIRMxmT）手段到红粘土研究中，此方法对样品中软磁性矿物与硬磁性矿物进行分离。自剖面底部到顶部，佳县红粘土的磁分离参数比值(SIRM100mT/SIRM、SIRM100mT/SIRM60mT、SIRM100mT/SIRM30mT)具有逐渐减小的趋势，同时段深海氧同位素具有逐渐增大的趋势。磁分离参数长尺度逐渐减小的趋势，主要反映了上新世黄土高原地区干、冷化和古夏季风强度逐渐减弱。

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