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中国沙漠, 2023, 43(6): 98-110 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00057

古尔班通古特沙漠南缘风沙沉积记录的中晚全新世气候变化

邹晓君,1,2, 马运强1,2, 李志忠,1,2,3, 靳建辉1,2,3, 刘瑞1,2, 谭典佳1,2, 陶通炼1,2

1.福建师范大学,地理科学学院,福建 福州 350117

2.福建师范大学,湿润亚热带生态地理过程国家重点实验室培育基地,福建 福州 350117

3.福建师范大学,地理研究所,福建 福州 350117

Mid-Late Holocene climate change recorded by eolian sand deposition in the southern margin of Gurbantunggut Desert

Zou Xiaojun,1,2, Ma Yunqiang1,2, Li Zhizhong,1,2,3, Jin Jianhui1,2,3, Liu Rui1,2, Tan Dianjia1,2, Tao Tonglian1,2

1.College of Geographical Science /, Fujian Normal University,Fuzhou 350117,China

2.Key Laboratory for Humid Subtropical Eco-Geographical Processes of the Ministry of Education /, Fujian Normal University,Fuzhou 350117,China

3.Institute of Geography, Fujian Normal University,Fuzhou 350117,China

通讯作者: 李志忠(E-mail: lizz@fjnu.edu.cn

收稿日期: 2023-03-10   修回日期: 2023-05-10  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  42071011
福建师范大学研究生科研创新基金项目

Received: 2023-03-10   Revised: 2023-05-10  

作者简介 About authors

邹晓君(1998—),女,广东河源人,硕士研究生,主要从事风沙地貌与环境演变研究E-mail:2902370140@qq.com , E-mail:2902370140@qq.com

摘要

古尔班通古特沙漠是中国受西风环流影响最明显、面积最大的固定半固定沙漠,但全新世以来沙漠风沙活动的时空变化特征及其成因尚存争议。选取沙漠南部边缘两处沙丘(沙垄)剖面加密采样,进行光释光测年和砂样粒度组分测试,基于光释光年龄概率密度分析和风积物粒度端元分析,综合提取风积序列光释光年代和粒度参数记录的风沙气候变化信息。结果表明:(1)从风积物粒度端元组分提取的敏感组分是区域风沙活动信息的重要气候代用指标,近源搬运的粗组分主要反映沙丘尺度的风沙活动信号,远源输送的细组分反映沙漠尺度的风沙活动信号;(2)上风边缘高输沙势地区的风积序列较多记录了沙丘尺度风沙活动信号,而下风低输沙势地区的风积序列较多记录了沙漠尺度的风沙活动信号;(3)全新世中晚期以来,研究区风沙活动强度变化可划分为5.0~3.5、3.5~1.8、1.8 ka BP至今3个阶段,风沙活动的区域性和阶段性特征是北半球西风环流变化、气候干湿变化以及局地尺度风动力、砂物质来源、植被覆盖等因素综合作用的结果。

关键词: 风沙沉积序列 ; OSL年龄概率密度 ; 粒度端元分析 ; 中晚全新世 ; 古尔班通古特沙漠

Abstract

The Gurbantunggut Desert is the largest fixed and semi-fixed desert in China which is affected by the westerly circulation most obviously. However, the spatio-temporal characteristics and causes of desert aeolian sand activities since the Holocene are still controversial. Therefore, we selected two sand dunes (sand ridges) profiles at the southern edge of the desert, sampled and measured optically stimulated luminescence (OSL) age and grain size composition of sand samples. Based on the probability density analysis of OSL ages and the end-member analysis of aeolian grain size, the information of aeolian climate changes recorded by OSL ages and grain size parameters was extracted comprehensively. The results show that: (1) The sensitive components extracted from the grain size end-member components of aeolian deposits are important climatic proxies for regional sand activity information. The coarse components transported from near sources reflect the aeolian activities signal at the dune scale, and the fine components transported from far sources reflect the aeolian activities signal at the desert scale. (2) The aeolian sand activity signals at dune scale were mostly recorded by the sand deposition in the upwind edge area with high sand drift potential, while the aeolian sand activity signals at desert scale were mostly recorded by the sand deposition in the downwind area with low sand drift potential. (3) Since the middle and late Holocene, the intensity of aeolian sand activity in the study area can be divided into three stages: 5.0-3.5 ka, 3.5-1.8 ka BP and 1.8 ka BP. The regional and periodic characteristics of aeolian sand activity were the results of the combined effects of westerly circulation changes in the Northern Hemisphere, arid and humid changes of climate, local-scale wind power, sand source, vegetation coverage and other factors.

Keywords: sand deposition sequence ; OSL age probability density ; grain size end-member analysis ; mid-late Holocene ; Gurbantunggut Desert

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本文引用格式

邹晓君, 马运强, 李志忠, 靳建辉, 刘瑞, 谭典佳, 陶通炼. 古尔班通古特沙漠南缘风沙沉积记录的中晚全新世气候变化. 中国沙漠[J], 2023, 43(6): 98-110 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00057

Zou Xiaojun, Ma Yunqiang, Li Zhizhong, Jin Jianhui, Liu Rui, Tan Dianjia, Tao Tonglian. Mid-Late Holocene climate change recorded by eolian sand deposition in the southern margin of Gurbantunggut Desert. Journal of Desert Research[J], 2023, 43(6): 98-110 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00057

0 引言

利用风积物中富含的石英、长石矿物颗粒,采用释光测年方法对风沙沉积序列直接定年,是20世纪80年代风沙地貌年代学研究的重要突破1-3。世界沙漠释光年龄数据的不断积累更新,不仅改变了人们对全球气候变化背景下沙漠在各个时空尺度上同步扩张和收缩的传统认知,也改变了人们对风沙沉积序列与气候强迫之间直接联系的认识4-6。由于固定半固定沙漠中的沙丘大部分被灌草植物固定、具有相对稳定的特性,因此这些固定半固定沙丘中的新月形沙丘链、线形沙丘(纵向沙垄)等风积序列成为提取区域沙漠环境演变历史的重要材料,尤其是线形沙丘在世界沙漠分布中的广泛性以及顺风向延展的特性,成为重建区域沙漠风沙活动历史的重要档案7-11

古尔班通古特沙漠位于中国西北地区准噶尔盆地中部,面积4.88万km2,是中国受西风环流影响最明显、面积最大的固定半固定沙漠12-14,风沙地貌以广泛分布覆盖植被的各种类型线形沙丘(沙垄、树枝状沙垄和蜂窝状沙垄等)为特色,在沙漠西南部还分布有较大面积的新月形沙丘链12-15。以探地雷达探测沙丘的内部构造16-17及现代沙丘动态监测18结果显示,这些沙丘和沙垄在相当长的地质时期内稳定性很高。目前关于全新世以来古尔班通古特沙漠气候演变历史的研究,大多来自沙漠周边黄土-古土壤序列、湖泊沉积、泥炭和石笋记录19-27,而直接来自沙漠内部沙丘风积序列的古气候记录较少。前人在古尔班通古特沙漠全新世风沙气候变化规律的认识上分歧较大28-33表1),可能因为来自沙漠沙丘风积序列的直接测年资料较少,不同沙丘(沙垄)风积序列空间变化特征不明确,沙丘尺度和沙漠尺度记录间的内在联系尚不清楚。

表1   前人对古尔班通古特沙漠全新世气候变化规律的研究

Table 1  Previous studies on the understanding of the Holocene climate change law in the Gurbantunggut Desert

前人研究研究对象测年方法结论
陈惠中等[28]古尔班通古特沙漠西南部沙垄剖面14C、TL剖面沉积序列反映了全新世以来气候变化特征与中国东部季风区沙区一致
Li等[29]古尔班通古特沙漠南部线形沙丘和丘间地钻孔风积物OSL认为全新世以来研究区风沙活动主要受西风环流的影响
Lu等[30]古尔班通古特沙漠风积序列OSL在全新世大暖期,古尔班通古特沙漠分布范围大幅缩小,与整个中国北方沙漠/沙地分布范围的变化趋势一致
东丽娜等[31]
Ji等[32]巴里坤盆地风成沉积序列OSL全新世以来新疆北部风沙活动总体反映了西风气流影响下的气候变化规律
徐宇杰等[33]古尔班通古特沙漠及周边多个风积、黄土古土壤序列OSL

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针对以上问题,选取古尔班通古特沙漠南缘风况条件差异较大的两个区域,在西南边缘新月形沙丘链和东南边缘线形沙丘(沙垄)采砂剖面上观测采样,于室内进行光释光(Optically stimulated luminescence,OSL)法测年和砂样粒度组成测试,依据测得的OSL年龄数据并统计其他沙丘(沙垄)风积物OSL年龄进行概率密度分析,并基于风积物粒度组成测试数据、采用粒度端元分析法提取风沙活动信号。综合OSL概率密度分析和粒度端元分析提取的敏感粒级变化特点,探讨古尔班通古特沙漠南部全新世中晚期以来风沙活动特征及其形成机制,有助于深化我们对未来全球气候变化背景下古尔班通古特沙漠在不同时空尺度上气候变化规律的认识。

1 材料与方法

1.1 采样区概况

古尔班通古特沙漠位于北半球中纬度西风带控制的中亚干旱区,是中国西北地区受西风环流影响最明显的沙漠。沙漠地处准噶尔盆地中央,南部天山平均海拔4 000~5 000 m,海拔3 500 m以上有永久积雪和冰川分布,高山冰雪融水和山区降雨成为山麓冲积平原和沙漠边缘绿洲的重要水源(图11234。现代沙漠气候类型为典型的温带干旱荒漠气候,年平均气温为5~7 ℃,年蒸发量2 000 mm左右,年降水量100~185 mm,冬季有10~30 cm厚的稳定积雪,水热配置条件较好,为短命植物提供良好条件,常见白梭梭群落(Haloxylon persicum)、蛇麻黄群落(Ephedra distachya)、驼绒藜群落(Ceratoides latens)灌木和短命类植物,植被覆盖度约15%以上1434-36

图1

图1   研究区位置、沙丘(沙垄)剖面和对比剖面

MS: [28];WTG: [29];DDHZ: [37];XM、MG、XQ: [38]

Fig.1   Location of sand dune ( sand ridge ) profiles and correlation profiles in the study area (MS profile28; WTG profile29; DDHZ profile 37; XM、MG、XQ profile38


古尔班通古特沙漠全年受西风气流控制,冬季同时受蒙古-西伯利亚高压影响。沙漠起沙风主要为西风,其次为北风1214-15。在西风、西北风和东北风控制下,古尔班通古特沙漠形成以沙垄和树枝状沙垄为主的风沙地貌,沙垄的排列在沙漠西部多为西北-东南走向,而沙漠中部和北部呈南北向排列,并形成树枝状沙垄,南部受西北风、东北风和地方风的影响形成新月形沙丘链、蜂窝状沙垄和复合沙垄等,这些沙丘和沙垄大多被植物所固定,以致固定、半固定沙丘(沙垄)占整个沙漠沙丘面积的80%以上。沙丘和沙垄高度10~50 m,主体一般不移动,但丘顶会随着盛行风变化发生峰脊摆动、形成流沙带14。古尔班通古特沙漠沙源主要来自于古河湖相砂质沉积物、准噶尔盆地内隆起地带基岩风化产物和现代河湖相沉积物等1236

古尔班通古特沙漠南部东西方向近地面风况条件差异较大。其中,沙漠西南边缘毗邻准噶尔盆地西部山地大风口和广袤的戈壁荒漠,西风、西北风长驱直入,平均风速2 m·s-1,平均最大风速5 m·s-1,起沙风频率较高,为26%,克拉玛依至莫索湾的合成输沙势RDP高达160 UV,年风向变率(RDP/DP)达0.85,为整个准噶尔盆地输沙势的高值区域,这里自西向东,依次分布草灌丛沙丘、新月形沙丘链和蜂窝状沙丘(链)等;在沙漠东南边缘,西风、西北风受天山北坡反射气流影响,风况复杂,平均风速1.3 m·s-1,平均最大风速3.6 m·s-1,起沙风频率较低,为12%,阜康、吉木萨尔一带输沙势大多小于130 UV,年风向变率(RDP/DP)低于0.8,成为输沙势低值区域,这里自南向北,依次分布草灌丛沙堆、小型沙垄、不对称的大型复合蜂窝状沙垄等1214-1539-40

1.2 材料与方法

在沙漠西南边缘(45°15′39″N,86°36′05″E)选取相对高度约10 m、走向NE-SW的新月形沙丘链工程采砂剖面,在顺沙丘链走向的沙丘顶部清理剖面出露厚度约360 cm(MT,图2)。自上而下,0~80 cm为枯枝落叶层和古风砂互层,以水平层理或倾角2°~5°的缓斜层理为主,古风成砂为灰黄色细砂质,植物根系发达,发育多个薄层砂质古土壤和生物土壤结皮;80~170 cm为淡黄色细砂层,见薄层生物土壤结皮和少量植物根系,质地较紧实,呈均匀块状构造;170~360 cm为淡灰色细砂层,发育倾角25°~28°、倾向SE的斜层理,为典型古风砂层。在剖面上清理开挖深度约10~20 cm的新鲜刻槽,自上而下于0.6、1.5、3.6 m深度采集OSL样品3个,并间隔10 cm采集环境代用指标样品37个,分别用于OSL测年和粒度参数测试。在垂直沙丘链走向的背风坡采砂剖面上(ML),于地面以下约2.5 m深度,从沙丘链核部沿合成输沙方向间隔约10 m采集3个样品进行OSL测年。

图2

图2   沙丘(沙垄)剖面沉积构造与OSL采样

Fig.2   Sedimentary structure and OSL sampling of dune (sand ridge) sections in this paper


在沙漠东南边缘(44°38′21″N,88°07′47″E)、相对高度约8 m大致呈NWW-SEE走向的线形沙丘(沙垄)采砂剖面上,清理出露剖面厚度约440 cm (WT),剖面整体显示灰黄色,以极细砂为主,无明显层理,大致呈块状构造。自上而下,0~50 cm结构松散,薄层枯枝落叶与风砂层交互成层,含较多植物根系;深度50~230 cm,见生物土壤结皮残片和少量植物根系,质地紧实;230 cm以下为均匀块状构造,质地较紧实。在剖面上清理开挖深度约10~20 cm的新鲜刻槽,自上而下间隔0.5 m采集OSL样品7个,并等间距10 cm采集环境代用指标样品共45个,用于粒度参数测试。

OSL测年实验根据Aitken41的实验程序进行前处理,在暗室弱红光下(中心波长为661 nm的发光二级管阵光源)打开野外采样管包装,去除钢管两端可能曝光、污染的部分,保留中心样品供等效剂量测定。从中取出约20 g测定含水量,后将样品烘干充分研磨,直至全部通过63 μm的筛子,供测定样品U、Th、K含量。由于采集样品为细粉砂及细砂,故提取90~150 μm粗颗粒组分进行等效剂量测定。依次使用10%浓度的盐酸、30%浓度的双氧水去除样品中的碳酸盐和有机质,清洗烘干后的样品用磁选仪去除磁性矿物。得到的混合矿物用多钨酸钠重液提取石英颗粒,用40%浓度的氢氟酸浸泡去除残留的部分长石及石英表面受到α射线影响的表层部分,再用稀盐酸去除上述反应生成的氟化物并用高纯水清洗烘干,后上机检测是否残留长石,若有明显的红外信号,则需再次加入氢氟酸进行处理。最终获取粒度90~150 μm的纯净石英颗粒,采用单片再生剂量法(Single aliquot regenerative-dose,SAR)42-43,在丹麦产Risoe DA-20-C/D型热/光释光自动测量系统上完成等效剂量测定。样品U、Th含量用NexION 300D等离子体质谱仪测定,K含量用Z-2000石墨炉原子吸收分析仪测定。样品含水量结合采样地点实际情况统一估算为5%,为了反映整个埋藏时期的平均含水量,引入±5%的变化量。根据年龄(A)=等效剂量(De)/剂量率(D)公式计算获得样品OSL年龄。以上实验均在中国地震局地壳应力研究所OSL测年实验室完成。

样品粒度测试按激光粒度仪标准程序进行。样品依次添加稀盐酸和双氧水去除碳酸钙和有机质,加入分散剂(六偏磷酸钠)并经过振荡摇匀后,采用Malvern Mastersizer 2000激光衍射粒度分析仪进行测试。该仪器测量范围为0.02~2 000 μm,每个样品重复测量3次取平均值,基本保证测量误差小于5%。根据沉积物粒度标准分级体系44,将样品按粒径划分为黏粒(<2 μm)、粉砂(2~63 μm)和砂粒(63~2 000 μm)3个级别,其中砂粒又细分为极细砂(63~125 μm)、细砂(125~250 μm)、中砂(250~500 μm)、粗砂(500~1 000 μm)和极粗砂(1 000~2 000 μm)5个等级。采用Folk & Ward公式45计算获得样品的平均粒径(Mz)、中值粒径(Md)、分选系数(σ)、偏度(SK)、峰态(Kg)等粒度参数。本项实验在福建师范大学湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室完成。

风积物粒度组分变化是直接反映风力作用强度的重要代用指标,在重建干旱区沙漠环境变化历史方面具有重要作用。但从风积物平均粒径和粒度组成相对含量变化方面,很难准确区分记录区域风沙活动强度和搬运距离变化的敏感粒级组分。因此,本文采用Paterson等46端元分析模型算法中的非参数化选项,把仪器测试获得的粒度组成数据分解为多个端元组分,作为判别风力作用搬运特征和风沙活动强度变化的敏感指标。

2 结果分析

2.1 OSL测年结果

前期处理获得的纯净石英矿物通过了长石检验、预热坪实验和剂量恢复实验,表明石英SAR法流程适合研究区样品的OSL测年。在此基础上选取晚期背景信号扣除法,进行线性和指数拟合建立OSL生长曲线,确定样品的等效剂量值(图3)。从代表样品ML-01和WT07的OSL信号衰减曲线、生长曲线和各组分信号比例随时间变化可以看出,样品的OSL信号以快组分为主,在大约1 s左右信号可以快速衰减到本底值,衰减特征与典型石英矿物的OSL特征相一致。所测各个样品的等效剂量分布比较集中,说明样品在埋藏前晒褪情况良好,OSL年龄可以准确代表其相应层位的沉积年龄。经比较,最小年龄模型、中值年龄模型、平均值年龄模型计算得到的年龄结果在误差范围内一致,因此本文选择中值年龄模型对测年结果进行统计。

图3

图3   样品ML-01天然OSL释光信号衰减曲线(A)和生长曲线(B)及各组分信号比例随时间变化(C);样品WT07天然OSL释光信号衰减曲线(D)和生长曲线(E)及各组分信号比例随时间变化(F)

Fig.3   (A) Decay curve; (B) growth curve; and (C) relative contributions to the OSL signal for sample ML-01; (D) Decay curve; (E) growth curve; and (F) relative contributions to the OSL signal for sample WT07


3个剖面OSL测年样品的测年结果见表2。其中,MT、WT两个剖面,自上而下样品的OSL年龄在误差范围内总体呈现为下老上新变化。而背风坡剖面ML样品的OSL年龄呈现从沙丘链核心部位向下风方向(ML-01→ML-03)变小趋势,大致与新月形沙丘链顺合成输沙方向的移动方向一致。但个别样品出现年龄倒置现象,如WT06,这可能是由于样品在沉积过程中受到频繁风力作用,例如沙漠大风条件下、早期沉积砂层被风蚀吹扬后再曝光,使得沉积样品年龄异常年轻。

表2   沙丘(沙垄)剖面样品光释光测年结果

Table 2  The OSL dating results of dunesand ridgeprofiles

沙丘类型

野外

编号

埋深 /m测片数

U

/(mg·kg-1

Th

/(mg·kg-1

K

/%

D

/(Gy·ka-1)

DeMAM

/Gy

AgeMAM

/ka

DeCAM

/Gy

AgeCAM

/ka

DeAVG

/Gy

AgeAVG

/ka

丘顶MT-010.6381.43±0.025.17±0.072.04±0.022.78±0.120.26±0.020.09±0.010.41±0.030.15±0.010.44±0.030.16±0.01
MT-021.5281.57±0.024.64±0.032.01±0.022.72±0.124.97±0.31.82±0.135.75±0.172.11±0.115.79±0.172.13±0.11
MT-033.6261.33±0.014.71±0.021.92±0.022.55±0.115.40±0.32.11±0.155.95±0.172.33±0.125.98±0.182.34±0.12
背风坡ML-012.5271.36±0.044.22±0.062.16±0.022.78±0.126.47±0.332.33±0.166.68±0.192.40±0.126.71±0.202.41±0.13
ML-022.5241.45±0.054.88±0.122.17±0.022.85±0.125.89±0.162.07±0.115.99±0.282.10±0.135.99±0.152.10±0.10
ML-032.5291.37±0.044.49±0.072.19±0.022.83±0.125.83±0.132.06±0.105.93±0.122.10±0.105.78±0.122.04±0.10
线形沙丘(沙垄)丘顶WT011271.78±0.045.98±0.061.95±0.022.83±0.126.6±0.262.33±0.136.63±0.132.34±0.116.62±0.132.34±0.11
WT021.5261.88±0.028.26±0.071.82±0.012.87±0.125.97±0.242.08±0.125.99±0.142.09±0.105.97±0.142.08±0.10
WT032281.58±0.025.78±0.041.96±0.012.76±0.126.40±0.382.32±0.177.13±0.232.59±0.147.19±0.242.61±0.14
WT042.5251.46±0.026.71±0.031.91±0.022.73±0.1110.35±0.63.79±0.2711.26±0.344.13±0.2111.31±0.364.14±0.22
WT053291.23±0.025.19±0.031.9±0.012.56±0.119.93±0.563.88±0.2710.68±0.274.18±0.2110.71±0.284.19±0.21
WT063.5291.32±0.028.25±0.071.89±0.022.76±0.128.17±0.592.96±0.259.68±0.43.51±0.219.83±0.453.56±0.22
WT074241.30±0.015.59±0.042.03±0.022.7±0.1211.7±0.714.33±0.3212.74±0.444.71±0.2612.84±0.474.75±0.27

DeMAM、DeCAM、DeAVG分别为最小年龄模型、中值年龄模型、平均值年龄模型计算得到的等效剂量值,AgeMAM、AgeCAM、AgeAVG分别为最小年龄模型、中值年龄模型、平均值年龄模型计算得到的年龄。

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总体上,MT剖面年龄分布在0.15±0.01~2.33±0.12 ka,WT剖面年龄分布在2.34±0.11~4.71±0.26 ka,两者均呈现随剖面深度增加、风积物OSL年龄增大的特点。ML剖面年龄集中在2 ka左右。据Li等29在WT剖面毗邻区域线形沙丘(沙垄)上的钻孔采样测年结果,在接近沙丘相对高度6 m的钻孔风积物样品OSL年龄为2.32±0.11 ka。据此综合分析,沙漠南部边缘相对高度小于10 m的沙丘和沙垄大多为近5 ka以来发育,为中晚全新世以来的风沙沉积序列。

2.2 样品粒度参数特征

新月形沙丘链顶部MT剖面粒度频率曲线峰态呈较宽单峰分布,众数粒径分布范围为125~300 μm(图4),以细砂(31.18%)、中砂(29.49%)和极细砂(23.29%)为主,且含有较高比例的粗砂(8.71%)和粉砂(6.17%)。全样平均粒径偏粗,为148.58~358.88 μm,在剖面上峰谷变化明显(图5)。样品分选系数0.8~1.4,分选中等偏好;偏度-0.4~0.1,从负偏到近对称变化;峰态0.8~1.7,峰型从平坦到很尖锐变化。

图4

图4   沙丘剖面粒度分布频率曲线

Fig.4   The grain size frequency distribution curves of two dunes in this paper


图5

图5   MT剖面各粒度参数及粒度端元随深度变化

Fig.5   Particle size parameters and grain-size end-members of MT profile varying with depth


线形沙丘剖面WT全样粒度频率曲线呈较窄单峰分布,具有明显主次双峰,众数粒径分布范围为200~250 μm。以极细砂(40.73%)和细砂(42.20%)为主,中砂含量较少(6.01%),不含粗砂,有较高含量的粉砂(10.11%)和少量黏粒(1.05%)。平均粒径为84.26~171.05 μm,在剖面上峰谷变化较为平缓(图6)。样品分选系数0.5~1.5,分选中等;偏度-0.5~0,从很负偏到近对称变化;峰度0.9~2.4,峰型从平坦到很尖锐变化。

图6

图6   WT剖面各粒度参数及粒度端元随深度变化

Fig.6   Particle size parameters and grain-size end-members of WT profile varying with depth


2.3 样品粒度端元分析

样品粒度端元分析结果显示,MT剖面粒度端元组分的平均粒径较粗,3个端元组分粒径范围分别为:EM1,339.8~549.5 μm;EM2,445.7~831.8 μm;EM3,52.8~1659.6 μm。其中,EM1和EM2的粒度频率曲线为单峰分布,峰值分别为138.0、363.1 μm,以细砂和中砂为主,平均粒径分别为121.0、223.3 μm(图7)。EM3粒度频率为双峰分布,主峰峰值为478.6 μm,次峰为79.4 μm,以中砂和极细砂为主,平均粒径为261.7 μm,均为跃移组分2。MT剖面3个端元的粒度组分表明,贴近地面的强风吹扬近源沙丘表层中砂和粗砂沉积形成高大主峰,风力作用强度波动减弱时形成以极细砂为主的次峰。

图7

图7   沙丘剖面样品端元粒度频率分布曲线

Fig.7   End-member grain-size frequency distribution curves of all samples in this paper


WT剖面粒度端元组分的平均粒径较细,3个端元组分的粒径范围分别为:EM1,3~36 μm;EM2,52~275 μm;EM3,52.7~478 μm。平均粒径分别为63.4、112.1、163.8 μm。其中,EM1和EM3端元的粒度频率分布特征为双峰,两者均有一个明显的主峰和一个微弱的次峰。其中,EM1粒度的主峰峰值为104.7 μm,EM3粒度的主峰峰值为182.0 μm,两个主峰属于极细砂和细砂范围,次峰峰值分别为17.4 μm和17.38 μm,是通过高空气流搬运沉降、以细粉砂为主的悬移组分。而EM2端元粒度分布特征只有一个主峰,峰值为120.2 μm,属于极细砂范围。

3 讨论

3. 1 风积序列端元组分粒级变化的风沙气候意义

风成沉积物粒度组分的含量和分布范围是反映风力强弱和过去干旱化程度的重要环境代用指标,在重建过去风沙气候变化方面有重要的作用。粒度端元分析能从复杂的沉积物粒度数据中有效识别不同沉积动力粒级组分,并提供有关沉积物来源、沉积环境以及古环境和古环境演变的相关信息47-49。从本文两个沙丘(沙垄)剖面的粒度组成分析可知,MT剖面极细砂、细砂、中砂和粗砂合计含量达92.67%。其中,中砂、粗砂两个跃移组分含量高达38.2%,这与新月形沙丘链地处沙漠西南边缘平均风力大、年均输沙势较高的风力环境一致,且3个端元组分含量在剖面上的波动变化十分明显(图5),均能敏感捕捉到风沙活动强度的变化信号,尤其是EM2、EM3两个端元组分中的中砂和粗砂组分,主要反映强风作用下沙丘尺度的风沙活动信号。WT剖面的粉砂平均含量高达10%,极细砂和细砂组分平均含量合计超82.93%,这与WT剖面地处整个沙漠下风区、平均风力小、年均输沙势较低的风力环境相一致。其中EM2和EM3两个粒度端元组分在剖面上的波动变化明显(图6),能够敏感捕捉到区域尺度的风沙活动信息。

从两个剖面粒度端元组分含量随时间变化特点看,MT剖面上3个端元组分的波动变化十分明显(图5),均可作为风沙活动强度变化的敏感代用指标。其中,EM1和EM2两个端元的粒度组分在全剖面上均具有反向变化特点;而EM1和EM3两个组分在1.8 ka前呈同向变化,但1.8 ka以来两者呈明显的反向变化。这说明在1.8 ka前后该地风沙活动强度发生了明显变化,1.8 ka以来风沙活动强度的振幅变大、不稳定性增加。在WT剖面上,EM2和EM3两个端元组分粒度波动变化明显,而EM1组分变化不明显(图6),因此,在WT剖面上,EM2和EM3两个组分是敏感记录近5 ka以来风沙活动强度变化的代用指标。

总的来看,新月形沙丘链剖面(MT)地处沙漠上风区边缘、输沙势很大,3个粒度端元组分提取的敏感粒级波动变化,主要反映局地沙丘尺度的风沙活动信息;而地处沙漠下风区的线形沙丘(沙垄)剖面(WT)、输沙势较低,EM2和EM3两个粒度端元组分粒级的波动变化,主要反映了区域沙漠大尺度的风沙活动信息。

3.2 风积序列OSL年代概率分布的风沙气候意义

风积物OSL年龄概率密度分析,能够相对简单直观地展示和分析数量众多的年龄数据集,是获取风沙活动强度变化及沙漠时空演变信息的常用方法3550-51。Telfer等50分析卡拉哈里沙漠西南部线形沙丘上的88个OSL年龄发现,年龄概率密度图在9~15、19~21、27~35、52~57、76~77、95~105 ka期间峰值记录了沙丘的堆积阶段。Bristow等5统计分析撒哈拉沙漠南部沙丘124个OSL年龄发现,在8.4 ka、4.7 ka左右的几个湿润气候期是有利于沙丘保存的时段。Hesse51统计分析了澳大利亚各个沙漠689个OSL测年数据,发现大部分沙漠在末次盛冰期至全新世过渡时期扩张发育。

从以上研究给出的各个沙漠/沙地OSL年龄空间分布特点可以看出,不同年龄的沙丘在沙漠中呈斑块状分布,单个沙丘活动记录大多局限在沙漠内部一定范围内。从时间尺度上看,在轨道-亚轨道尺度上,末次盛冰期风砂层OSL年龄为低频分布,反映了沙漠内部风蚀活动强烈、风积砂层被后期改造年龄更新,或此阶段沙丘活动程度十分有限;而末次盛冰期至全新世过渡期为世界各大沙漠OSL年龄高频分布期,反映了沙漠物质来源丰富、风积砂层广泛发育。全新世以来的千年-百年尺度上,由于各个沙漠自然地理环境分异,OSL年龄分布频度具有显著区域性特点5-652-53。在沙丘尺度上,Xu等54认为沙丘剖面上OSL年代(低频分布)的薄层风砂沉积反映了快速风砂堆积期,而OSL年代(高频分布)的厚层风砂沉积,尤其是上部发育的古土壤层,反映了沙丘由活跃转向相对稳定期。但沙漠尺度的OSL概率密度分布有可能掩盖沙丘尺度记录上的风沙气候活跃事件3

由于自然沙漠沙丘系统的复杂性,单个沙丘剖面OSL年龄概率密度(频度)主要反映沙漠内部局地的风沙蚀积过程,因此,少数沙丘沉积序列很难在区域尺度上完整记录沙漠环境演变历史。在研究单个沙丘剖面年代学基础上,通过多个沙丘序列OSL年代概率密度统计分析,是提取区域尺度风沙活动强度变化历史的重要途径3。将本文沙丘剖面样品OSL测年获得13个年龄数据,与Li等29、马运强等38在毗邻区域研究发表的风积砂层OSL年龄合计31个数据进行初步统计,可见沙漠南部风积序列OSL年龄分布呈现一定的阶段性特点(图8),5~3.0 ka风砂层OSL年龄频度较低,而3.0~1.8 ka风砂层OSL年龄频度较高,1.8 ka以来的OSL年龄频度最低。结合研究区固定半固定沙丘为主的沙漠系统特点,以及风积物粒度端元组分波动变化反映不同程度的风沙强弱可知,以上OSL年龄频度较低,风积物粒度较粗、连续堆积厚度较薄的风积层段,反映区域风沙活动较强、沙丘(沙垄)正处于快速堆积期;反之,OSL年龄频度较高、但风积物粒度较细、风积层厚度较大的层段,反映区域风沙活动较弱、沙丘(沙垄)处于侵蚀和堆积作用达到动态平衡或以弱堆积为主的相对稳定期。

图8

图8   研究区风沙沉积序列OSL年龄概率密度分布

Fig.8   OSL probability density distribution of eolian sedimentary from the investigated sites


3. 3 研究区全新世中晚期以来风沙气候演变历史

综合MT、WT两个沙丘(沙垄)剖面沉积构造特征(图2)、风积物粒度参数、粒度端元组分波动变化(图5~6)以及OSL年龄概率密度阶段性(表2图8)分析,可初步揭示全新世中晚期以来古尔班通古特沙漠南部风沙活动强度的时空变化特征,这些风沙活动变化信号在其他沉积序列中也有不同程度的反映。

约5.0~3.5 ka,大致对应WT剖面230~440 cm的沉积记录(图26)。其中,63~125 μm组分含量23%~46%,平均含量为全剖面低值段,而>250 μm组分含量8%~19%,年风积速率约为0.26 cm,均为全剖面最高值阶段;EM2、EM3两个端元组分细砂、中砂等敏感组分含量明显增加;粒度参数显示分选较好,偏度在负偏到正态分布之间变化,峰态在尖锐到很尖锐之间变化,均指示风力分选作用增强,反映区域尺度上沙漠风沙活动有所增强,这可能是对4.2 ka北大西洋冷事件55的响应,天山北坡冰碛序列也记录到4.1 ka冰进事件56。同期WT剖面西侧东道海子沉积物记录在4.5~3.1 ka BP出现3次快速气候波动37;沙漠西南部莫索湾沙垄发育的薄层古风砂层,表明在距今5.0 ka前后有一次大范围的干冷气候波动28;同处于沙漠东南部的XQ剖面也记录到了4 ka左右的风沙加积事件38。总的来看,由于本阶段气候变化幅度较大,因此山区风化剥蚀作用较强、山区河流输送到沙漠边缘的物质较多。但平原沙漠地区气候干燥,植被盖度较低,风力作用较强,在区域尺度上激活了较多地点沙丘的活化过程57

3.5~1.8 ka大致对应MT剖面80~360 cm(图25)和WT剖面50~230 cm沉积记录(图26)。其中,MT剖面2~63 μm组分含量由3%波动上升至12%,63~125 μm组分含量高于剖面均值,>250 μm组分含量在剖面均值附近波动变化;EM1、EM2两个端元显示的敏感组分中砂、粗砂含量波动升高,在野外可见MT剖面150~350 cm深度处广泛发育风成交错层理(图2),在沙丘链背风坡大尺度斜层理尤为发育,反映沙漠西南部沙丘活动显著增强。而WT剖面63~125 μm组分由34%~50%波动升高趋势明显;>250 μm组分含量3%~12%,平均含量为全剖面最低值段。粒度参数显示中等分选,偏度在负偏到很负偏分布之间变化,峰态由尖峰转为平坦,均指示风力分选作用减弱。EM2组分在剖面高值段波动、EM3则在低值段振荡变化,表明悬移搬运的粉砂、极细砂等敏感组分含量波动增加,总体上反映沙漠风沙活动强度相对减弱。同期,天山北麓不同海拔、不同类型沉积相综合分析显示3.1~2.4 ka为平原高湖面阶段19,江布拉克泥炭沉积记录的粉尘降尘减少显示西风环流减弱55;附近莫索湾沙垄剖面上发育三层弱砂质古土壤28。南部天山冰碛序列在此时段记录到明显降温和冰川前进56。本阶段天山北麓冰雪融水增加、流入沙漠边缘的水量增加、地下水位上升、植被增加,可能抑制了沙漠边缘的沙丘活动。总的来看,此阶段局地沙丘呈现较强的活动性,但在区域尺度上,不同类型沉积序列均显示沙漠风沙活动强度相对较弱。

1.8 ka以来大致对应MT剖面0~80 cm和WT剖面0~50 cm沉积记录,两个剖面均以枯枝落叶层和风砂层互层为主且发育缓倾斜沉积层理,表明区域气候干湿变化频繁。其中,MT剖面3个端元粒度组分相对含量波动振幅增大(图5),而WT剖面63~125、>250 μm两个组分含量变化波动振幅较大,EM2和EM3两个端元组分含量呈反向变化、波动明显(图6)。在区域尺度上,MT和WT两个沙丘(沙垄)风积序列均指示沙漠风沙气候系统的不稳定性有所增强,风沙的堆积和沙丘系统的加积增长往往发生于区域湿度较高背景下的短期干旱时段57-58。北部阿勒泰山区泥炭记录显示,近1.5 cal ka BP以来木本和荒漠植被大量输入,大气粉尘输入达到全新世最高值,气候变得温暖干旱59-60;沙漠西北吉力湖沉积记录显示强烈风沙活动发生在910~1300 AD,大致相当于中世纪温暖期(Medieval warm period,MWP),而小冰期(Little ice age,LIA,1300~1760 AD)风沙活动较弱61。附近莫索湾沙垄剖面则发育风成沙夹枯枝落叶层28

综上所述,全新世中晚期以来,研究区风沙活动强度的阶段性变化明显、总体呈现波动减弱趋势。这与全新世中晚期以来北疆湖泊、黄土、泥炭等沉积记录的区域湿度增加和近地表风速减小的变化趋势一致203262-63。由于全新世中晚期以来北半球中高纬度地区夏季太阳辐射强度减弱、冬季气温升高,中纬度西风带加强,削弱了西伯利亚高压系统,导致中亚干旱区降水增加、近地表风力减弱64-65。由于沙漠地面湿度增大、植被覆盖增加、表层成土作用加强,丘间地和沙垄下部发育生物土壤结皮,在一定程度上抑制了风沙活动1836。但南疆塔里木盆地南缘黄土剖面66、东部腾格里沙漠58和黄土高原公海湖岩芯67记录等,均指示2 ka以来中国北方沙漠和沙地风沙堆积活跃、沙尘暴活动增强且频度更高68,研究认为这些沙尘暴记录与日益增加的区域人类活动所产生的大气粉尘输送量增加有直接关系。可见,由于中国北方各个沙漠/沙地所处地理位置、大气环流条件、地面植被盖度和人类活动强度的区域差异,全新世中晚期以来风沙活动强度变化及其驱动机制呈明显的时空分异特点。

4 结论

沙漠南部沙丘(沙垄)风积物粒度组成中粉砂含量较高,总体反映了以固定半固定沙丘为主沙漠风积物粒度组成的基本特征。但MT剖面临近准噶尔盆地西部大风区域,为年合成输沙势高值区,风积物平均粒径较粗、含较多中砂和粗砂;而WT剖面位于沙漠东南边缘下风区域,为年合成输沙势低值区,风积物平均粒径较细,以细砂、极细砂为主。

通过两个剖面样品粒度端元分析获得反映风沙气候变化的敏感粒度组分。其中,MT剖面3个粒度端元组分对风沙气候变化均很敏感,主要反映风力作用在局地尺度上近源搬运的风积物粒级组分相对含量的波动变化。WT剖面EM2和EM3提取的以粉砂和极细砂为主的组分相对含量变化敏感记录了风沙气候变化,主要反映风力作用在区域尺度上远源搬运的风积物粒级组分相对含量的波动变化。

综合本文剖面和毗邻区域风沙沉积OSL年龄概率密度分布和沙丘(沙垄)沉积构造以及粒度端元组分变化特点,可将沙漠南部全新世中晚期以来风沙活动强度变化划分为5~3.5、3.5~1.8、1.8 ka BP 3个阶段。从沙漠尺度和沙丘尺度上看,风沙活动主要发育在相对湿润背景下的干旱时段,且呈现明显的时空分异特点。

从不同地点沙丘(沙垄)记录的风沙活动强度变化阶段性和区域性特征分析,风沙活动在局地尺度上受到风动力环境、砂物质来源、植被盖度等沙丘发育条件的控制,在区域尺度上受到中纬度西风环流变化、气候干湿变化对研究区沙漠系统过程的影响。

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