苏北里下河地区末次冰期中晚期气候与环境演变的研究

苏北里下河地区末次冰期中晚期气候与环境演变的研究 苏北里下河地区末次冰期中晚期气候与环境演变的研 究 学位论文独创性声明 本人郑重声明:所提交的学位是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。本论文中除引文外,所有实验、数据和有关材 料均是真实的。本论文中除引文和致谢的内容外,不包含其他人或其 它机构已经发或撰写过的研究成果。其他同志对本研究所做的贡献 均己在论文中作了声明并表示了谢意。 日 期: 汐,歹、扣 学位论文作者签名:影蟛 学位论文使用授权声明 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属南京师范 大学。学校有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网 公布本学位论文的部分或全部内容,可以采用影印、复印等手段保存、 汇编本学位论文。学校可以向国家有关机关或机构送交论文的电子和 纸质文档,允许论文被查阅和借阅。保密论文在解密后遵守此规定 年。 保密论文注释:本学位论文属于保密论文,保密期限为 指导教师签名:/铝厂兹 学位论文作者签名:舭多 日 期:讷?? 日 期:加户。歹,乡。 、,、;?.\、摘要 摘 要 里下河平原位于我国东部近海大陆架,第四纪沉积层深厚,并且处于季风三 角腹地,是研究区域环境变化以及对全球气候变化响应的理想场所之一。本 文选 取了里下河平原,建湖附近的颜家沟浜剖面作为研究对象,在采用?测年并 通过线性内插法建立了可靠的年代序列的基础上,对采自颜家沟浜剖面的沉 积物 进行了粒度、磁化率、地球化学元素、色度等待用指标的实验和,重建 了里 下河地区约?...期间的气候环境演变历史,综合分析各代用指标 得出以下结论。 里下河平原末次冰期晚期气候环境可以分为以下几个阶段:冷干 。....转向暖湿....再变冷...的 一中晚期和冷湿?....转向暖湿.?...的一时 期。 将颜家沟浜剖面指标与南京葫芦洞石笋氧同位素、深海氧同位素以及灵台黄 土磁化率进行对比,表明其问具有良好的可比性,既具有整体的相对一致性 变化 趋势,又具有显著的区域性特征。 通过对颜家沟浜剖面中值粒径的功率谱分析,得到比较明显的和 周期,其中周期显示研究区域气候环境变化可能主要受太阳辐射变化驱 到。 关键词:颜家沟浜,末次冰划,代指标,气候环境变化, , ... . 。 , ,.. : 一 , 一 .. . .. , ;, . . .: , , , , ? ,一: ?目录 目录 摘 要. ................................................................. ................................................................. 第章 绪论 .选题的意义.. .国内外研究现状?.. ..国内外一至一阶段研究现状..苏北盆地已有研究成果.研究目标、内容、 方法和技术路线 ..研究目标..研究内容..研究方法和技术路线 第章研究区概况.. .区域地质概况??.. .气候?.. .水文?.. .植被和土壤 第章剖面年代序列建立 .样品采集与岩心描述.年代序列的建立? . 测年 ..测年结果?.. 第章环境代用指标测试以及特征.地球化学元素..元素实验方法??.. ..地球化学元素测试结果及环境意义分析.. .. 元素指标总体特征??.. .粒度?.. ..粒度试验方法??.. ..湖泊沉积物粒度指示的环境意义.. 一 。 ‖ 。。.:.。 ? ..目录 ..粒度试验结果分析.. .磁化率..磁化率试验方法?.. ..磁化率指标的环境意义?.. .试验结果分析??.. .色度 ..色度试验方法和环境意义.. ..测试结果分析??.. 第章里下河地区?..期问古气候环境的演化? .颜家沟浜剖面?..古气候环境演变序列? .颜家沟浜剖面与经典曲线的对比 .颜家沟浜剖面驱动机制探讨第章结论与展望 .结论. .存在的不足和展望 参考文献?.. 在读期问发表的学术论文及研究成果?.. 致 谢?.第章绪论 第章 绪论 .选题的意义 自等、通过对冰芯的研究发现在末 次冰期中气候存在快速的冷暖气波动,以及格陵兰地表温在数十年内快速变 冷 ??这样的突变冷事件,并且这个冷事件在时间上对应于北大西洋沉积记录 中的 大小冰漂碎屑事件 ,简称事件,,。 进一步研究指出研究中的冷暖震荡存在的周期频率,这种冷暖震荡和快 速变冷事件被分别命名为/事件和事件。而此类千年尺度气候变化已得到众 多地 质记录的支持,年总结了全球已有研究点的研究成果,指出在格陵 兰、北大西洋、赤道大西洋、地中海、孟加拉湾、阿拉伯海、北太平洋、东亚、南极 及其邻近海域都发现了类似的千年尺度气候震荡。其中大洋钻探对深海沉积物的 研究、南极冰芯和格陵兰冰芯的氧同位素研究认为一阶段全球气温要低 于末次问冰期和冰后期的全新世气温,但要比同在末次冰期中的早冰期一和 晚冰期一气温要高。但是施雅风等对青藏古里雅冰芯的研究发现,阶段晚 期的气候和环境已达到间冰期程度,气温、降水甚至比现代还高。同时青藏高原若干 孢粉记录指示也验证了这一推论,并且高原及邻区众多大潮的高湖面记录指示大范围 , 降水丰沛,施雅风等称之为特强夏季风事件或高温大降水事件 ., .。薛滨等通过中国晚第四纪湖泊数据库的分析表 明:在...前后,我国西部绝大多数湖泊表现为明显的高水量特征,而东 部的湖泊古水量记录却极少,在末次盛冰期,我们西部绝大多数湖泊表现为明显的高 水量状况,而东部却以低水量为主。杨保对中国西北干旱地区的研究表明在 ?...存在暖湿气候。并且在这段时期里世界海平面变化显著,在 ...前后海平面的持续上升,在距今前后海平面波动下降,以及在距 今?时,海平面下降到以来的最低位置,此时海岸线己经推到大陆架的 边缘,整个大陆架区成为绵延数百万平方公里的大平原杨怀仁,。而在这种 全球气候环境震荡频繁和突变事件较多的百里,全球气候边界条件接近阀值状态, 气候系统巾任何微弱的扰动极有可能被触发放大,引发快速气候变化。所以对该时段 全球各大区域更深入的研究是必要的,这对解释全球气候变化机制具有重要意义。 中国大陆东部是典型季风区和海陆交接带,而苏北翁地正好位于中国东部,是苏 北南黄海锍地的陆部分,处于典型的东亚季风腹地之中,除了受到青减高原隆升的 我闯大陆边缘海形成过程及冰期旋回中由于陆架地区大幅环境效应的影响, 度海进与 第章绪论 海退、西太平洋暖池的形成与发展、中国南海演化等也势必会对其产生重要的影响, 它们决定了这个区域的研究对解释东亚季风演变和全球气候变化驱动机制具有重要 意义。而在该区域对一以及一阶段的单独对比研究较少。本文通过对颜家沟 浜剖面各代用指标综合分析,指出一阶段至一阶段气候环境演化,为建构中 国东部季风区完整时空格局提供了资料,并与邻近区域进行对比,同时与黄土、石笋 等高分辨率指标进行对比也为揭示全球气候变化的一致性提供材料支持,并 为进一步 阐述全球气候变化驱动机制提供依据。 .国内外研究现状 ..国内外?一至?一阶段研究现状 末次冰期.阶段大致对应. 。国际上对该时段全球古气候的研究己 ;. 、佛 取得了重大进展,格陵兰冰芯、北大西洋沉积物, .、黄土沉积物安芷生等,、石笋汪永 罗里达州湖泊沉积物 进,中的气候记录都揭示出末次冰期一间冰期呈现极不稳定且多突变的现 象。 西印度群岛在 .,东太平洋在 前后位于现代海平面以下 这个时段海平面最高可达.~一,显示~ 海面比末次冰期要高 ,。深海氧同位素第期.,一.是末次冰期中 的间冰阶,中文标点气候相对温暖,分别由早 .、中 . 一矛晚 个阶段组成, .和 一为两个温暖期, 一为其间的寒冷期。对深 海有孔虫氧同位素和南、北极冰芯温度变化的研究显示 一约... 要比 一约...更加温暖,但是两者的温暖程度都不及末次间冰期 和全新世 . , , , , , ,。白令海南部沉 积物分析显示,南海表层生产力和陆源物质输入量在.早、晚期都有所增加,反 应了洋流的加强和气候逐渐转暖何沅澎等,;同时,日本琵琶湖的孢粉分析表.,。 明,喜温湿的温带植物在一期间比一更为发育与茂盛 但在我国的部分研究中也有表明在?..这段时间里,气候是冷湿的,而这 一个观点的支持主要来自于孢粉分析,孢粉研究表明一阶段以冷湿润为特征一从 东北荒山黑色淤泥层抱粉推断当时气温较低,这里存在冰缘现象而且还有喜冷动物猛 码象罗披毛犀化石的存在周昆叔, 。从孢粉分析结果也可以得出当时气温较低的结论周昆叔,;安芷生等, 。在西北半干旱地区,孙湘君等年的孢粉研究表明约在距今约三万年前时 渭南北庄村的植被以云冷杉为主,因此可以推断此时气候是寒冷的。同时据孙建中等 对于萨拉乌苏剖面的研究发现,在一阶段萨拉乌苏湖为高湖面,且是以松、第章绪论 云杉为主的植被,这些都是气候冷偏湿的表现。而在我国西北部的研究表明此时期气 候暖湿,例如:巴丹吉林沙漠也存在气候变湿的证据杨小平,,新疆的柴窝堡 王靖泰,焦克勤,,准葛尔.,,同时,土耳其的勘湖, ,阿拉伯沙漠地区同样发现有该时期湖泊沉积或高湖面记录,, 并且在青藏高原西北部西昆仓山与喀喇昆仑山之间,一阶段的湖面积曾扩大至现 代湖面的倍以上,在距今?...形成了统一的高湖面李炳元等, ;,以及柴达木察尔汗盐湖的面积一度急剧扩大,根据钻孔岩心中的石盐包 体水和测定推算在一这段时间里,年均温度比全新世要高一两度张 彭熹等,;青海湖湖面要比现代湖面高出一百多米陈克造等,;高原西南部 的扎布耶茶卡也有相应的高湖面,即当时形成了巨大的淡水湖泊郑绵平,向军, 。对高原上的动植物种属的研究也支持这一研究结论,如西藏林芝湖相沉积记 录中显示在距今...出现了代表暖湿气候的揭牛牙齿和藤本植物化石 ,,若尔盖孔植物种属研究表明一阶段早期植被为气温达 到全新世暖期水平的高山针叶林和草甸植被而不是寒冷时期的.阶段的高山和 亚高山草甸沈才明等,。根据这些动植物种属研究我们可以推论,在距今 ?年前,青藏高寒区大部分地区气候环境异常的暖湿,只有在这样的条件下才 会形成相应的动植物种属甚至再全新世高温期也未有出现过的高湖面和相应的自然 带,并且这一观点已被冰芯研究所验证。施雅风等通过对古里雅冰芯研究, 显示 一 一早期约...气候就达到了全新世中期最暖的水平,而一比 更加温暖湿润。但近年也有研究者质疑一暖期所出现的范围,它或许只是区 域特征。认为其可能是由于西风带南移所形成的暖湿气候,于革等认为 .的暖 湿事件的产生是地球宇宙物理因子变化的原因.造成中低纬太阳辐射增加和海陆热 力差异的增大,促使高纬度区冰盖萎缩以及东亚夏季风的增强。那么对应的时期内, 东亚夏季风的增强对身在季风三角地区的环境又会产生怎么样的影响已有研究表 明南京下蜀黄土在此阶段风化程度强烈、成壤作用加强、冬季风减弱,表明在青藏高 原及周围地区所记录的一异常暖湿效应,在我国东部季风区也有明显的表现张 茂恒,。甄治国等通过对雷州半岛北部泥炭剖面的研究,探讨了雷州半 岛地区以来的气候变化特点为前期温暖湿润后期相对温?湿润,并逐步向 一阶段转变。但是,薛滨等对古湖泊水位的研究表明,在这段时期里, 西北及青藏高原地区出现高水位的时候,东部地区很是有湖泊高水位的记录。所以对 东部季风区的研究,对于解释古气候变迁具有重要意义。 在术次冰,另?个显著特征就是快速的冷暖变化,代表的气候事件为 事件不 ?/旋回,这种变化记录主要来自于高分辨率 记录,如冰:占,彳.笋等。高分辨率古气候记录研究所揭示的事件和 ’第章绪论 ?/旋回主要特征表现为时间和空间上的不稳定性。事件的发生 即为北大西洋发生大规模冰漂碎屑事件,代表着大规模的冰山涌进,从而产 生突变冷 ,。在整个末次冰期里,北大西洋共发生了次强烈的 事件的气候效应 、. 、 冰川漂移事件,其时代被葫芦洞石笋修正年代依次为 、. 、.和. ,;,。依据格陵兰 。这种短时 的冰芯记录,这些事件基本上以~ 为周期,持续时间约为.~ 间气候变冷事件在佛罗里达的湖泊沉积物和中国的黄土沉积中都有相类似 的记录,说 明事件可能是末次冰期北半球普遍存在的气候冷事件刘嘉麒等,。对 格陵兰冰芯的研究还发现,末次冰期内的气候还发生了一系列的冷暖震荡变 化,其持 续时间一般为数千年,以快速变暖、缓慢变冷和最后极快速变冷为主要特征 这种变 化的形状还有待进一步研究。这种旋回称为?/气候快速振荡 旋回事件。在?/旋回中,气温可在短短几十年内发生变动, ~ 冷暖交替出现周期约为~ ,或者为.周期,。在. 中共发现了个旋回,每个旋回的开始时间发生在数十年里甚至更少的时间, 持续数百年至两千年不等刘嘉麒等,。近十年来高分辨率石笋研究取得了很 大进展:汪永进等通过对南京汤山地区的洞穴高分辨率石笋研究,建立了过去.~. 万年的更为精确定年的气候变化记录,揭示了末次冰期中的一些快速气候变化,如 /循环,冷事件。覃嘉铭等对贵州都匀七星洞石笋研究建立了 ~一期间的气候地层明确界限单元以及冰期内冷事件的准确定年。这为全 球该时段研究奠定了重要基础也为苏北瓮地季风腹地湖泊沉积物研究提供了重要的 参考价值。 ..苏北盆地已有研究成果 目前,苏北盆地己取得了大量的研究成果。主要包括赵希涛等,, 通过研究对苏北笳地全新世以来的气候变化及海岸线变迁的恢复和反演;杨兢红 羽明苏北瓮地的形成与演变的宝应钻孔沉积物地球化学的研究;舒强依 托兴化钻孔沉积物详细阐明了近苏北瓮地的环境变化历史。本团队在此进行 了 一系列的钻孔和剖面的研究分析,主要包括江淮平原中部的浅钻颜家庄和得胜湖浅钻 孔,以及建湖德岗西面,深钻主要有兴化:.和兴化 。、以及 后米的周奋剖面。通过兴化孔沉积物粒度特征的研究郭迪,、兴化孔 地球化学元素的研究孟景闻,、兴化孔的孢粉记录分析王月,一起反映 并恢复了苏北笳地中更新世以来的气候叼:境变化历史;对浅钻孔岩:占粘土矿物环 境意义的分析褚玉娟,、并对比和钻孔各代用指标综合分析李刁‘林, 恢复了汀淮平原在末次冰消期以来的厶乇候环境变化;以及对岗西剖面的研究,第章绪论 何玉春己根据研究划分出一阶段晚期以来的气候环境变化,金爱春 以江苏建湖冈西沉积剖面为材料运用沉积物粒度、硅藻、孢粉等指标重建了全新世以 来区域环境变迁研究,张丽蓉通过粒度、磁化率、地球化学元素和色度重建 了~..期间苏北盆地古气候环境演变记录。已有的研究为本文研究提供 了很好的参照和对比性。而颜家沟浜剖面的研究在测年精度上要优于前人,并且在研 究时段上刚好跨过末次冰期中的温暖期和末次冰盛期以及冰消期,因此具有很好的同 地区不同时段气候特征的对比性。 .研究目标、内容、方法和技术路线 ..研究目标 以颜家沟浜剖面为基本研究材料,进行测年,并对沉积物的地球化学元 素、粒度、质量磁化率、色度进行了实验检测,进而对实验数据进行气候环境意义解 析,反演研究区古环境变化历史,初步建立研究区域气候环境变化序列,并同已有的 经典记录如石笋、深海氧同位素,黄土等记录进行对比,探究全球气候变化区域特征, 以及更进一步探讨区域气候变化驱动机制。 ..研究内容 沉积物剖面时间序列的建立; 各代用指标实验结果以及在本区域的指示意义; 里下河地区~ ...期间环境演化序列; 苏北盆地气候变化驱动机制探讨。 ..研究方法和技术路线 研究方法: 研究材料的获取:通过收集并分析研究区内的沉积环境等资料,结合前人 研究的结果,选取了颜家沟浜剖面作为样品采集点,在出露的剖面上,以为问 隔,共采集样品个除去顶部个样品为人为扰动层,剖面为。 年代的测定:根据沉积物的颜色,选取个有机质含量较高的测年样 品,送广州地球化学研究所进行测年,样品由中国科学院广州地球化学研究所 制样实验室和北京大学核物理与核技术国家重点实验室联合完成。以绝对测 年年龄结合深度,采用线性内插法建立年代时间序列。 各代用指标的实验分析:依据实验要求,选取适量样品,在南京。..。大学 江苏省环境演变与生态建设重点实验室对沉积物的粒度、磁化率、地球化学元素、色 度等指标进行测试。第章绪论 气候演化序列的建立:结合测年结果运用线性内插法建立年代序列,分析 各代用指标的物理指代意义,反演研究区域的气候环境变化历史,并初步揭示研究区 域的气候环境变化特征。 初步建立里下河末次冰期中晚期的古气候环境演变序列,并与已有的经典 序列进行对比,进一步揭示我国东部地区的气候环境变化不仅总体上与全球气候环境 变化趋势一致,而且具有显著的区域性特征。 初步尝试苏北瓮地气候演变机制探讨 技术路线如图.。 图一技术路线图第章研究区概况 第章研究区概况 苏北盆地地形以平原为主,绝大部分地区海拔在米以下,其中里下河浅 洼平原是整个苏北平原中最为低凹的地方,中心海拔海不到米。该地区河网稠 密,湖荡众多。里下河指的是京杭大运河里运河段以东,新通扬河以北、苏北 灌 溉总渠以南的地区,主要包括江淮平原和滨海平原两大部分,面积大约为 ,地处淮河流域下游地区,地势相对低平,西南稍高,东北部偏低周 宏春等,;单树模等,。 .区域地质概况 苏北贫地市苏北一南黄海笳地的陆上部分位于其西部,是中国东部最为典型 的陆架瓮地,里下河属于苏北盐地的一小部分。在大地构造层面上,苏北搞地位 于太平洋西部构造的弧后带,总体上位于扬子构造。总体按北东向走向绵延 多千米。盆地北面连接苏鲁造山带并且一直向东伸入黄海,西界是郯庐断裂带, 南部以扬州到如皋一线为分界线。地球物理和钻井的研究资料证实,古生代以来 的沉积厚度超过一万米,其中古近纪大约有六千米,并且新近纪坳陷沉积物约占 到 米。盆地自形成后由于受多期构造运动的影响所以以构造分割性强 为主要特征。最东端的扬子古陆德地质构造结构,由于受到一系列断裂的影响, 如海安、江都、无锡等断裂,因此可以再细划分为下扬子台褶带和太湖一钱塘褶 皱带以及苏北断拗,而研究区苏北瓮地主要是位于苏北断拗之中如图?。苏北 断拗随着时间的推移,其涵盖的范围也自西向东逐步扩大,并一直延伸至南 黄海, 盆地下陷的程度也是自西向东变深。但在沉陷过程中,由于断拗中各个地区下陷 的程度不同,从而产生了一系列的坳陷和隆起构造。以往的地质勘探表明,苏北 搞地的主要地质构造为东台坳陷和盐阜坳陷以及在这两者之间的建湖隆起构造。 以及在此后受到更次一级的断裂活动的影响,从而还形成了内部进一步的分异地 形舒强,。 里下河地区位于苏北贫地中部,地势平坦,河流沉积冲积地貌广布,平均海 拔还不到,是整个苏北盆地最为低凹的地区。研究区位于建湖县东南颜家沟 浜。 , 。’,距离海岸线约千米,是苏北四大沣地之?,全境 为平原地貌,为各种冲积沉积物经沉积作用形成如图?。第章研究区概况 ??一 ???????????????????????????????????二???二二?二一一一?? 。 ????一 /?、滨广?卜/一 \ 一级构造单元分界线 /:孺涉 一毛纾擒诗茧开‘北 \ \ 】直早?竹缓 \ 一公坐 ~ 么‖.、一?扒 妒‘? \ \ \断 鋈一.?叁 、 ’’ 。心?‖ ??????????、 一一 、 ?\ 。》寸 \ /束 一 带 弓,庐秀 褶 、孳?划\ 芦镶一 一 // 彦翅鲑 图 苏北盆地及邻区主要构造区划图引白单树模等, .气候 里下河地处北纬。、。之间,位于中纬度亚洲大陆东岸,属于典型的东 亚季风区,是我国亚热带和暖温带的过度带地区。一般来说,苏北灌溉总渠淮 河以南的地区属于北亚热带湿润季气候,以北地带为南温带半湿润季风气候 类型。在太阳辐射、大气环流以及苏北特定的地理位置和地貌特征的综合作用下, 该地区的气候呈现有以下特点:季风气候显著,四季分明,雨量集中在夏季;冬 冷夏热,春温复杂多变,秋高气爽;光照充足,热量充足,雨热同期江苏气象 局《江苏气候》编写组,。苏北搞地水热适中的配置为江苏农业的发展提 供了优越的条件,但是由于处于中纬度地带、且临近海洋位于气候过渡地带再加 上地势低洼,使这里极易发生洪涝灾害。并且会受到台风的影响,也会深受冬季 风口影舟,从而产生寒潮汞霜冻等气象灾害。由于位于东亚夏季风腹地,使得全 年降水量丰沛,年降水量超过并且降水主要集中夏季以及秋初季节,占全 年降雨量的.%。本文所选剖面地处亚热带北缘与暖温带的交界处,根据降水 和纬度位置划分,是典型的湿润性季风气候,常年季风影响:冬季盛行来自蒙古 西伯利死的的偏北矾,寒冷干燥;夏季,盛行来自低纬度太平洋洋面的东南季风,第章研究区概况 炎热湿润。 幽?苏北颜家沟浜地理位置图 .水文 由于研究地区位于近海的湿润季风地区,降水非常充沛,使得这里的河流、 河流密集如网。里下河地区的水流主要来自于淮河水系,淮河白安徽 湖众多, 进入江苏后本来应东流直接入海洋,但是由于历史时期黄河多次泛滥改道进入江 苏地区,扰乱了淮北本来的水系,同时黄河带来的泥沙填塞了淮河下游河道,从 而淮河滞积苏北地区形成了洪泽湖。而洪泽湖水此后的流出主要有以下几种,第 一条为经三河闸、过高邮湖,再经邵伯湖出六闸,冉经运盐河、太平河等水道, 汇入芒稻河,再辗转由三江营汇入长江水系;第二条是出高良涧,经过苏北的灌 溉总渠,再山扁担港入海;第三条是经杨庄水利枢纽随洪泽湖水向北流去,经淮 沭河而流入新沂河,最终汇入海洋;最后一条出路是自二河闸再经杨庄水利枢纽第章研究区概况 再从废黄河水道到套子口入海。区内还有里运河、串场河、新通扬运河、通榆运 河,和射阳河、黄沙港以及斗龙港等河道,加上大小不一的几十个湖泊,组成了 里下河地区密如蛛网的水文水系网络如图?。 图?苏北盆地水系特征刳据江苏省地图集, .植被和土壤 在自然地理环境特征中植被和土壤是最为外显的特征,自然地理环境各因子 相互影响,植被和土壤即受其它因子的影响,同时也会影响其他然要素。因此 我们可以通过自然环境中的部分因子来反演其他自然因子的特征。而植被带是一 个区域最为显著的自然特征,对所在区域的气候特征具有重要.示意义。在当 代晕下河地区的在气候类型为北亚热带湿润季风气候,显著的特征是雨热同期, 降水集中在夏季,此气候类型下对应的植被和土壤类型分别为,落‘阔叶与常绿 阔叶混交林的植被带以及典型的黄棕壤土壤。因此地地势地平,冲积平原』。布, 所以冲积平原草甸土在平原内分布也相对广泛,尤其足在沿江平 沿湖等地。第章研究区概况 因为这些地区已经脱离江、河、湖、塘洪水泛滥的影响。在这种低洼地区比较有 利于草甸植被的生长和发育,土壤的母质多数为河湖冲积物。由于地势低,降水 丰富,所以地下水位高,有利于草甸植被发育。在这种植物的作用下,表土有机 质长期积累,腐殖质含量也较丰富。再加上人类多年的耕作基本上都已形成水稻 土。此外由于研究区地势低洼,集水区较多,除了典型的落叶阔叶与常绿阔叶混 还有一些湿生、沼生河水生植被以及沼泽土的存在。第章交林的植被带外, 剖面年代序列建立 第章剖面年代序列建立 .样品采集与岩心描述 颜家沟浜剖面采样点位置如图.所示。在里下河地区已有的研究中,兴化 钻孔、岗西剖面、周奋剖面和沙沟钻孔等斗分布在颜家沟浜周边,在一定程度上 为本文的研究提供了参考。 年月,研究组对江苏省建湖县颜家沟浜附近新挖鱼塘进行野外勘察 和取样。主要观察了这一区域的地貌特征和沉积环境,鱼塘深度约为,除去 顶部观察发现剖面有受人为影响的痕迹,自上而下按问距连续采样, 放置在塑封袋内,标记好编号以备各种环境代用指标量,共采集样品 个。 图一颜家沟浜剖面地理位越 根据颜家沟浜剖面沉积物的岩性分析和沉积构造,参照《沉积岩石学》刘第 章剖面年代序列建立 宝瑁,分析可将颜家沟浜面的沉积环境鉴定为湖沼相沉积,沉积环境相对 比较稳定,具体岩性描述如下图.: 灰色粘土,含植物根须,为人为扰动层。 .灰色粘土,含古植物残体。 ?浅灰色粘土 . 主要为浅灰色粘土 .褐色粘土 ?棕黄色粘土质粉砂 荻色糕土含吉植物残体 浅灰色粘士 褐色粘土 卜茹。 .年代序列的建立 高分辨率的测年是研究古气候环境的基本前提,只有建立精确的高分辨率测 年,才能更好的认识自然演变趋势和发展规律。目前在湖泊沉积物的研究中, 应 用最广最基本的定年方法是放射性测年。除此之外,长尺度的有光释光测年 和更短尺度的是测年也是较常用的方法。本文选用的测年方法是‘ 测年,方法介绍基本如下。第章剖面年代序列建立 .. ?测年 随着全球环境变化研究的逐步开展,也促进了测年技术的发展,测 法相比,加速器 量方法从常规测量法发展成加速器质谱计测年。与传统的 测年法具有明显的优势。前人对加速器质谱计测年的优点进行了总结,概括 起来主要包括以下三个方面::首先是灵敏度高;再次是消耗样品量少;最后 是 可提高测试的效率。这些优点使得 测年的应用范围更为广泛,对第四纪古气 候环境变化研究也产生了深远的影响。 人们利用测年技术对极地冰芯、植物微化石、深海有孔虫化石进行 定年,早已成为第四纪古气候研究测年的主要方法,并对大气圈、海洋和生物 圈 浓度变化行为作了系统的研究,以求获得地球系统中正在出现的变化,以及 人类活动对此变化所产生的影响更为准确的信息,从而为全球变化研究积累 基础 数据,以求更进一步提高测年精确度的验证。 本论文也采用了测年技术,样品剖面不同深度的湖泊沉积物,测 年主要有中科院广州地球化学研究所完成,并进行了日历年校正。 ..测年结果 编号,采样深度?曩誊测试结果萏. 梭正霹龄;.. 。 . :‘ 一一 。蔓× 一 . .一..一? ;; ?. ?.量 ? 曩 :? 。 . .?.瓶。蓦。。?? :?。;:; ... .? .?:。? ?颜冢沟浜年代控制点 为了建立古气候的演化序列,在该剖面沉积物样个样品中选取了个样 品进行测年,测年材料为沉积物中的全样有机碳。得到了个测年数据, 经校正后的日历年龄见表?自下而上随着深度变浅年代也随之变年轻,所以 测 年结果可信,沉积环境稳定。根据四个测年点计算沉积速率,得到剖面顶部 处年龄约为...,底部年代约为....以及其他深度位置所对 应年代,根据深度和年代的相关性得出为.从而说明深度和年代的相关 性很好,即用线性内插法做出的年代比较可信,所以可以采用线性内插方法 建立 整个剖面年代序列图图?。第章剖面年代序列建立 年代一深度火系图 : 通】: : 椿蔓 图表.年代深度关系图 第章环境代用指标测试以及特征 第章环境代用指标测试以及特征 .地球化学元素 不同气候环境条件下形成了一定的与之相适应的沉积物,这些沉积物与它所 处环境之间的平衡关系主要是通过沉积矿物和元素组成的迁移或富集以及元素 重新组合或产生新矿物来实现,因而它们不但具有原岩的基本组成特征,而且记 录着它们形成时的气候环境变化,所以我们可以利用地球化学元素特征来反演古 气候环境变化历史张虎才,李吉均,马玉贞等,即利用元素在地层中的 含量分布特征来研究古环境演化。在此通过对颜家沟浜剖面中部分常量和微量元 素的研究以求了解古环境变化与诸元素地球化学行为之间的相关性,进一步提取 颜家沟浜古环境变化的证据,从而为重建古气候演化序列和环境演变动态过程提 供重要依据。 ..元素实验方法 所有样品于。恒温下烘干,用玛瑙研钵成粉末过目筛,以硼酸辅 助在高压下压制成片,完成样品制备。样品在南京师范大学地理科学学院环境演 变与生态建设重点实验室荷兰帕纳科光谱仪上完成主要氧化 物和微量元素测试,测试的元素主要有:、、、、、、、、、 、、、、、、、、,、、、、、、、 、、、、,共测定了种元素和种氧化物,测量误差 %。 小于 地球化学元素测试结果及环境意义分析 .. 化学元素的溶解、迁移、分散和聚集规律是一个复杂的地球化学过程。它‘一 方面与元素的赋存状态、固有的地球化学行为有关,另一方面又与沉积环境的物 理化学条件相关。运用沉积物中化学元素变化特征识别出有效的物源和环境指 标,进而推测环境演化序列,这是研究地球环境变化的方法之~。但是,单个化 学元素的变化往往受控于多种因素,在反映气候和环境变化方面意义不是很明 显,分析起来较为困难。目前常采用的把元素含量十加和计算比值等简单方法放 大元素指标对户种吴变化的?向应或者消弱各种扰动因素的影响,进而反映 古环境及 气候变化过程张虎才,;吕玉晓,;沈吉,。 /环境意义分析 硅在地壳中分布广泛,它在化学元素丰度分布的顺序上,仅次于氧,第章环境代用指标测试以及特征 占第二位,化学性质稳定,化学行为主要以迁移为主,是最主要的造岩元素之一。 铝在自然界中与硅一样也主要以氧化物为主。在沉积过程中 相对稳定并且主要富集于黏土粒级中,一般认为,在热带、亚热带湿润炎热的气 候条件下,经风化作用形成的黏土矿物还要进一步发生红土化作用,使黏土矿物 再分解,从而使其中的铝和硅分离并迁移,而铝则在原地堆积形成铝土矿。而铁 是受氧化还原作用影响比较大的元素,还原条件下呈二价,溶解并迁移,在氧化 环境中,二价铁极易被氧化为三价铁发生淀积,相应的湖泊沉积物中铁含量就会 降低。所以湖泊沉积物硅铝铁率/与风化强度成正比刘英俊, ;吴艳宏,。 在颜家沟浜剖面里硅铝铁率/变化曲线如图一所示。? 鹣 支 ’、 / 汐 八 沙 ?, 触,、以 《 .、八泖 、广帆 八‖哆 《 . ~? 蔗 .、? ” . % ‖~ 寸 . “ 阳船 聃 ‖ 酊 ?一 ~ . 拍 山 州 ? .卟 ’ :。 : / 心 ?, ‰ 《 心 们 肚 ‖ \ / 图 颜家沟浜硅铝铁率/第章环境代用指标测试以及特征 整个剖面中/值的起伏变化比较大,其中百分比含 量在剖面的起始阶段相对保持高值,在中间部位含量值相对比较稳定;百 分比含量在整个剖面中波动起伏比较大;而百分比含量在整个剖面自底部 开始增大到剖面最大值之后又逐渐含量降低,但其中存在波动起伏。综合各 个元 素的变化趋势,将整个剖面分为四大阶段: 阶段.在此阶段里,/值相对较大,并逐渐 增大至剖面最大值,但中问存在大的起伏,并且的含量也是呈现增大趋势, 而和的含量开始阶段保持高值之后就迅速下降。各元素综合变化趋 势表明在此时期,开始风化强度较弱,使得含量较低,而和 的含量较大,主要是由于源区风化强度弱,呈现还原条件,铁、铝以二价为主, 溶解并被迁移到沉积区域沉积,从而使得/出现低值,但此后 风化强度增强,使得/值迅速增大,但是在增大前出现整个剖 面最小值,即图中阴影标出的部位大约在?处,根据深度对应的年代约 为..前后,所以可能是/值对本地区冷事件的记 录。综上所述,本阶段为风化强度逐渐变强的阶段。 阶段?在此阶段含量保持相对高值,和 含量的曲线相对比较稳定,从而使得/值保持整个阶段的相对 高值,而/值和区域风化强度成正比例,所以说明此阶段本区 域此阶段气候暖湿,风化强度较大。 阶段 ?在此阶段含量相对比较稳定,含量增大, 而含量逐渐减小,说明在此阶段研究区域风化强度正在逐渐减小,表明此 时期气候可能逐渐转冷干。 阶段?和含量以及含量都存在相对较小的变化, 从而使得/值曲线显现出较小的起伏波动,说明在此时期本区 域气候环境存在短时间里快速的冷暖波动,使得风化强度也随之发生变化。 /环境意义分析 和的地球化学性质差异很明英俊,。和相比是相对 在风化作用过程中从风化岩石中析出并为流水所带走,因为 惰性的元素, 的离子半径较大,所以它的阳离子易被带负电的胶体粘土矿物所吸附。则是 活动性元素组分,在水中的溶解度比较大,易于被地表水或地下水迁移引走 并日 不会发生改变 ,,【此造成湖泊或俞地沉积物中和分离。 角洲沉 当前研究/值较好的应用于黄土一占壤序列、湖泊沉积物和河 积物以及浅海沉积物等方面的研究。陈俊等人研究认为,/值可以作为陕西 洛川黄土夏季风变化的敏感性指标, /高值对应’强化学风化作玎陈骏,第章 环境代用指标测试以及特征 ; ,。除此之外,/值作为衡量化学风化强度的重要指标, 在湖泊、河口三角洲、浅海等研究去的古沉积环境的重建研究声也得到了广 泛应 用金章东等,,;申洪源等,;鲜本中等,;肖尚斌等,; 张瑞虎,。这一系列研究表明,当化学风化程度加强时,由于被大量 的带入沉积区,从而使得物源区的含量减小,而汇水区的含量相应的增多, 因此物源区和汇水区的铷锶比值有着相反的指示意义陈骏,。苏北盆地 作为汇水区相应的在暖湿气候条件下化学风化加强,会使得更多的被带入沉 积盆地,从而使得/值变小;相反,冷干气候化学风化减弱,/值增大。 此外,由于的离子半径较大,沉积区沉积物粒度变细和有机质含量增高会对 产生吸附作用增强,也会对含量产生影响。而在整个苏北瓮地地区已有的 研究,如苏北盆地的兴化,颜家庄、德胜湖浅孔和周奋剖面等处的研究舒强, ;李才林,,张丽蓉, ,都支持这一论述,即在苏北盆地,/ 值的高值指示冷干气候环境,低值指示暖湿的气候环境。 颜家沟浜剖面/值变化如图.所示,在整个剖面里含量的变化随 剖面细粉砂含量的变化而变化,即从剖面底部至顶部含量呈增加趋势;含量 的变化主要表现在剖面的底部和顶部阶段,在中间阶段变化不大,进而/值 的变化和含量的变化存在着极大的相关性。结合三者的变化趋势可以将其分 为三大阶段: ? 钟 删‖ ? ‘兰 ,?麦。磕 ? ? ?芷 ‘怫 伽 ;量 ? 们川沙 伽 他 ‰、积??乙~ . ?:。岖访。 , .渊 ? 王 叱?’ ’ / 图?颜家沟浜剖面铷锶比值/ 第章环境代用指标测试以及特征 阶段?在此阶段含量、含量均相对比较低,并且细粉 砂含量也相对较少,对应的/值出现高值,表明在该段时间里风化较弱,带 入湖泊的含量相对较少,进而说明在此阶段气候相对较为温?,可能对应于 一阶段中的阶段时期。 阶段?在这个阶段里,/值变化较小,只有轻微的波动, 和此前阶段相比,/值变小。说明和此前时期相比,气候环境要变得相对暖 湿,并且在此阶段流域风化强度和沉积环境相对稳定,没有太大的变迁,或者 在 此阶段的环境变化没有在/值的变化中显现出来。 阶段?在此阶段,细粉砂含量有所下降,和含量也相 对前一阶段有所下降,从而使得/值出现下降趋势,说明在此阶段物源区风 化作用出现变弱趋势,即气候有变冷或者转干的趋势。 阶段?在此阶段里/值起伏变化相对较大,说明流域风化强 度或沉积环境较为多变,即冷暖变化较为频繁,在时间上对应于冰消期,在此 /值的波动可能记录了本区域对于全球冰消期气候变化趋势。 ..元素指标总体特征 如图?所示,颜家沟浜剖面的/、/值在整体上具有 较好的一致性,能够较好的反映流域沉积环境的变迁,尤其是物源区和沉积 区的 地球化学风化作用的变化,进而反映的气候环境变化。根据这三者的变化趋 势, 可是分为以下几个阶段: 工? 垃? ; ‖ 强淡, 二?“玎; 聪峨 、飞乳 ?廷一 执舯 ??“; 量;?“; ,? 强 。飞 ;? 受疑争 ?二一厂。 。‘一丁一、。一、??一 厂厂厂『?? 第章环境代用指标测试以及特征 阶段?,/值出现高值,说明在此阶段含量较少, /出现低值波动,综合说明这段时期里流域内风化强度较弱, 为沉积区带来的元素相对较少,说明此时期内气候较为温?。在大约前 后的地方,/出现低值,且/值在这里也有相应的指示,说 明在这个时间里可能气候异常干冷,导致研究区域风化强度很弱,在时间上 大约 为...,是里下河地区地球化学元素对事件的记录。在此冷事件之 后,/在短时间里迅速增大,并且/值也相应的变小,说明 此时气候有快速转暖的趋势,使得流域风化作用相应的增强。 阶段。,/保持低值并轻微波动,而/值也 是保持在相对高值上,只是中间小有波动,说明在此阶段风化作用强,使得铝 铁 都以三价形式在源区沉积,使得/整体出现相对高值。而且由 于风化作用强,为沉积区带来大量的含量,使得/值较低。综上所述,本 阶段气候环境比较暖湿。 阶段?,/值跟前阶段保存着相似的水平波动,但略微有 变小的趋势,这主要是由于沉积区细颗粒物质的增多,使得含量有所增加所 致这在图?中有显现。但/值在持续降低,说明在此风化 强度减弱,所以在此阶段气候有转?的趋势,只是在/值上没有反映出来, 或者在此阶段沉积区降水量没有因为转?而相应的减少。 阶段?,/值持续降低,/值有增大趋势, 尤其是/值出现相对其他四个阶段的最小值,说明气候环境风 化减弱,是真个颜家沟浜剖面风化强度最弱的时期,即是研究阶段里气候最 为冷 干时期。 阶段?,/保持较低值并有波动,/值波动起 伏较大,说明在此阶段气候环境冷暖干湿复杂多变,在时司上对应与冰消期。 .粒度 沉积物是由一定数量的碎屑颗粒物质所组成的,而在不同的沉积环境、地形 条件、搬运介质和水动力条件下,碎屑沉积物也按本身颗粒的大应的以不同 的搬运方式被搬运和沉积。所以沉积物粒度的研究,对揭示古气候环境,沉积水 动力等有着重要意义。并且粒度已作为恢复古气候环境的一个重要指标,并一泛 应用于深海沉积物、黄土一古土壤、湖泊沉积物等研究中,且取得了一些列较好的成果 ., .,:鹿化煜等,;陈敬安,;孙于 : 里等,:类延斌,等。第章环境代用指标测试以及特征 ..粒度试验方法 粒度实验步骤主要可以分为两部分:首先是样品的预处理,再次是仪器测试。 具体的程序如下:首先,需要取黄豆颗粒大小.的干样品置入容量为的 烧杯中再加入浓度为%的毫升,然后在电热板上加热,以去掉样品中 的有机质。加热过程中需较仔细的观察以防止煮干烧杯里的物质。若有机质较多 时可适当的再加入% 或纯的直到泡沫消失,以求达到较好的有 机质去除效果为止。其次,在往样品中加入浓度为%的并煮沸,直 至泡沫完全消失为止,这一步骤的主要目的是去除去沉积物中的胶结物质。 再次, 加入蒸馏水将样品洗至中性。具体方法为,每次加入蒸馏水后都要静置,然 后用虹吸法除去烧杯上部澄清液,这样反复若干次,直到样品呈现中性。最后, 在测试前往烧杯中加入%六偏磷酸钠分散剂溶液,将装有样品的 烧杯放入超声波清洗仪震荡分钟后,即可供仪器测量。以上步骤的预处理目 的就是使沉积物充分的分散开来,以便更为精确的测试出沉积物粒度特征。第二 步是仪器测试,采用英国公司生产的型激光粒度仪, 仪器调试状态为湖泊沉积模式,样品分析的残差均控制在%以下,对于残差大 于%的样品进行补测。在利用粒度分析仪测量样品时,需要除去较大的颗粒 ,以免超出仪器测量的最大值而损坏仪器。粒度结果通常用粒 度代用指标如平均粒径、分选数,尖度、峰度、众数粒径、中值粒径等以及 粒度组成分布图来分析结果。为了保证粒度分析的准确性和可靠性,在粒度测量 过程中,同一剖面样品测试,最好是连续测试,即保证样品测试在相同的条件下 进行。 ..湖泊沉积物粒度指示的环境意义 沉积物的粒度组成主要取决于沉积物的物源和沉积环境特征。通过对一个地 区沉积物的粒度分析结果,可以分析、推测该地区的物质来源并判断其沉积 环境 变化。但是自然界的演变是极其复杂的,即使在同一个物源、同一种沉积环境中, 于其他因素的影响,也可能使沉积物的粒度发生变化,并且不同的沉积环境里 也可能会有相同的粒度组成。因此在粒度研究中的结果分析,必须与其他手段的 分析和前人的研究结果,以及野外的实地考察综合起来分析,爿‘能得出与客观状 况相符的结论徐馨等,。 从前人对沉积物的水力学研究表明,沉积物的粒度组成会与搬运营力、搬运 距离和水动力条件相关,所以可以通过分析沉积物的粒度组成来推断沉积物颗粒 形成的环境。就内陆湖泊而言,已有的研究表明:在同一个湖泊的某一采样点, 采样点距湖岸的距离,会随湖泊的深浅,湖面的高低而发生变化。沉积物必须经 流水搬运伞湖泊沉积,当湖泊水位较高时,采样,?气足湖岸边较远,相应的搬运具第章环境代用指标测试以及特征 有较远,同时因为湖区变深,使得采样点的水动力条件变弱,使得水搬运能力下 降,从而使得沉积区沉积物颗粒以细颗粒为主,所以沉积物的中值粒径就会 相应 比较小,相反,当湖面水位较低时,采样点距湖岸较近,同时水位较浅,水动力 条件较好,搬运能力较强,沉积物以粗颗粒为主,粒度中值粒径增大。相应的当 测试的沉积物粒度中值粒径变大时,沉积物颗粒较粗,反映的是一种水动力强, 湖面较小,湖水较少的低水位时期,相反,当沉积物粒度中值粒径较小时,沉积 物颗粒较细,反映的是一种水动力条件弱,湖面较高的大湖面时期。而进一步, 湖面的大小又受该区域气候的干湿条件控制,所以可以问接指示气候的干湿状 . ,,; 况,该观点已被众多研究者所接受并应用 . . . .,; .,,; ..; ..;张实等,;王苏民等,;施祺等,;李志忠等,; 杨晓强等,,而这些应用主要是用于内陆地区封闭湖泊沉积研究。而对于 沉积物颗粒粗细的气候指示意义又有细分,当粒度用于长尺度研究时,沉积物以 细颗粒为主时,指示的是采样点是以高湖面大湖为主要特征的时期,相反粗颗粒 指示的是低湖面时期,即沉积物颗粒的粗细主要反映湖泊水位的变化。而在短尺 度的研究中,沉积物颗粒的粗细可以直接用来指示降水量的多少,即粗颗粒在内 陆湖泊指示采样点距岸近,水动力强的降水量少的时期,而相反细颗粒指示采样 点距岸远,水动力条件弱的降水丰富时期。即粗颗粒指示干旱气候特征,细颗粒 指示暖湿气候特征。这一观点已被孙千里和陈静安等、对洱海和程 海沉积粒度的研究所证实。 而我国东部的湖泊属于外流湖泊,和封闭湖泊相比,湖面相对稳定波动很小 或者在某些时候会受到河流改道的影响,使得部分地区变成河漫滩。因此湖泊沉 积物的粒度或许是由其他因素影响而并非由距离湖岸远近即湖面的高低所控制。 , 等,; ,; 。根据沉积学原理:沉积物颗粒的粗细主要是反映搬运介质能量的高低即 水动力条件决定成都地质学院陕北队,,对于外流区而言水流动能是控制 沉积物粒度的首要因子。水流在流动的过程中,水流动能主要由水流的流量 和流 速共同决定。已有加拿大南湖的粒度研究表明:在径流量较高的时期,从 而流向湖泊的粗粒物质较多。这种作用的结果是高径流时期粗粒物质增多,而细 粒物质减少;相反低径流时期粗颗粒少 ,。王颖等在对苏 北搞地成因的探讨时认为,第四纪时期苏北翁地是山江、河冲积作用形成,或者 是河流泛滥带了沉积物沉积而成,苏北笳地作为外来碎屑沉积为主的敞流湖瓮, 地势地平,所以河流水量的大小控制沉积物粒度变化的主要因素。对于我国东部 敞流型湖泊来说,在沉积物颗粒较粗时,反映水流搬运能力强,流域降水丰富进第章环境代用指标测试以及特征 而说明,气候相对湿润;相反,当沉积物颗粒较细时,说明水动力条件弱,沉积 区来水量较小,进一步说明此时期降水较少,气候相对干旱舒强等,;张 丽蓉, 。 ..粒度试验结果分析 本剖面粒径分级参照青海湖、巢湖等湖泊沉积物粒度的研究刘兴起等, ;屠清瑛等,以及距本剖面最近的岗西剖面研究来分级,金爱 春,粒径分级采用了下面的:粒度参数为平均粒径、中值粒径、各粒级组 分粘土、细粉砂~、中粉砂~、粗粉砂~、砂。 本文主要运用中值粒径。其中砂的平均含量仅约占%,粗粉砂约占%,中粉 砂约占%,细粉砂约占%,粘土约占%。由此可见颜家沟浜剖中沉积物 粒度主要以粉砂和粘土为主,其中粗粉砂和中粉砂在整个剖面上保持在平均 水平 上小有波动,而粒度变化主要表现在粘土和细粉砂,这两部分占粒度总量的% 以上,所以本文在讨论沉积环境和水动力条件变化时主要以细粉砂,粘土和 中值 粒径为主,从图?可见整个钻孔的粒度指针曲线波动频繁,反映了沉积物搬运 营力和搬运方式以及沉积环境的变化: 通过图.可见颜家沟浜剖面粒度变化曲线可以分为个大的阶段: , 善 毒 占 : ?图?中值粒径平滑曲线、细粉砂、粘十白‘分比含量曲线对比图 第一阶段为从剖面底部约至出?,在此阶段粘士保持在 曼个凸第章环境代用指标测试以及特征 %左右上下波动,中值粒径约为,并上下波动,而细粉砂含量为整个剖 面的相对低值