黄土高分辨率元素地球化学研究

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随着过去全球变化研究的深入开展,高分辨率的元素地球化学研究在海洋和湖泊沉积物中取得了重要进展,尤其是应用新型的XRF岩芯扫描方法(Scanning XRF)可以更有效、更精确地反映气候快速变化。中国黄土记录了2.6Ma以来亚洲内陆气候的干湿变化过程和东亚季风演变历史,在重建构造-千年时间尺度季风变化特征发挥了不可替代的作用,其元素组成及比值包含着黄土堆积-成土过程中的重要古气候变化信息。本研究选择位于黄土高原西北部的古浪剖面,同时采集粉末和U-channel样品开展了系统的元素地球化学分析,探讨高分辨率地球化学方法在黄土研究里的适用性并确定Scanning XRF方法可测准的元素。通过开展系统的黄土地球化学分析,寻找能够反应风力风选相关的冬季风指标和风化成壤相关的夏季风指标,进而将高分辨率的元素地球化学记录同多个古气候地质记录对比研究,探讨黄土地球化学记录在轨道和亚轨道时间尺度上的变化特征。获得的初步认识如下:   1.中国黄土能够开展高分辨率元素地球化学工作。黄土加工块和从钻孔和探井中采集的U-channel样品Scanning XRF元素测量结果表明,Al,Si,K,Ca,Ti,Fe,Zn,Rb,Sr和Zr十个元素可在Scanning XRF谱图中清晰检测出。黄土加工块样品的裂隙,断裂,松动和含水量的条件实验结果指示,Scanning XRF的Si,K,Ca,Ti和Fe五个元素受到样品质量影响相对较小,而Al,Zn,Rb,Sr,Zr元素受到样品质量影响较大。通过对比传统XRF测量获得的元素含量和Scanning XRF的信号强度,发现黄土加工块样品中Al,Si,K,Ca,Ti,Fe,Rb,Sr和Zr九个元素具有高相关性,钻孔样品中Si,K,Ca,Ti,Fe,Sr和Zr七个元素具有很好的对比性,探井样品中Si,Ca,Fe,Sr和Zr五个元素相关性较高,说明黄土U-channel样的质量对高分辨率元素测量结果有很大影响。   2.选择3个典型的黄土样品(S0,L1和L1SS1),分为五个粒级(<4μm,4-Sμm,8-16μm,16-32μrn和32-63μm)测量不同粒径元素含量。结果表明:Al,Fe,Mg,K,Mn,Zn,Rb,Cr和V元素含量随着粒级的增大而逐渐减少,Si和Na元素含量随着粒级的增大而逐渐增大,Ti,Zr,P,Ba,Ca和Sr含量与粒度变化没有明显对应关系。结合常量和微量元素含量在不同样品中的活动特征和剖面中的变化表明,富集在偏细颗粒的稳定元素有Al,Fe,K,Ti,Rb,Zn,V和Cr(A组元素),富集在粗颗粒中富集的稳定元素有Si和Zr和Na(B组元素),和风化成壤过程中活动的元素有Mg,Mn,P,Ca和Sr(C组元素)。A组和B组元素比值可指示与风力分选相关的粒度变化,但各指标的灵敏度将随着空间变化存在异同。C组和B组或A元素比值,不同程度地反应风化成壤相关的元素淋溶或富集变化,这些元素比值在黄土-古土壤序列中的变化存在差别。考虑到黄土地球化学指标在Scanning XRF的应用性,Ti/Si和Ca/Si比值可分别视为与粒度分选和风化成壤密切相关的东亚冬、夏季风的代用指标。   3.高分辨率的元素地球化学结果清晰地记录最后两个冰期旋回轨道-千年尺度的季风变化特征。26万年以来黄土高分辨率地球化学记录的频谱结果表示,黄土Ti/Si记录主要包含100kyr,41kyr和23kyr的地球轨道特征周期,并以100kyr周期为主要周期成分,而Ca/Si记录包含100kyr,41kyr,23kyr,19kyr和13kyr多周期成分。东亚冬季风和夏季风所反应的周期特征不同,暗示了其驱动机制上存在异同。尽管北半球冰量和高纬太阳辐射能量变化都对冬季风和夏季风有影响,频谱分析结果表明冬季风可能更多受到全球冰量变化的影响,而夏季风则更多与太阳辐射变化相关。13万年以来古浪黄土,格陵兰冰芯和董哥/葫芦/三宝洞石笋记录的对比表明,古浪黄土的元素比值清晰地记录千年尺度的冷暖气候事件(DO旋回)。值得注意的是,千年尺度气候波动在冰期和间冰期时段的周期和振幅有明显区别,表现为Ti/Si指标反映在间冰期气候波动振幅和频率小于冰期,而Ca/Si指标显示冰期振幅明显小于间冰期,造成这些差异的机理仍不清楚。
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