2017, Vol.37
② 甘肃省治沙研究所, 兰州 730070;
③ 山西大学历史文化学院, 太原 030006)
黄土序列、深海氧同位素和冰芯并称为记录古气候演化信息的三大载体，它们具有时间序列长、沉积连续、记录的气候信息丰富的特点，在第四纪研究中得到广泛应用[1]。黄土是重要的陆相第四纪沉积物，在我国有全球最大面积的黄土高原，我国中北部，特别是黄河中游地区，黄土地层构成第四纪地层的主体。根据黄土风成说，我国黄土沉积物的物源区为蒙古国南部戈壁、中国西北和中北部的沙漠区[2]，蒙古-西伯利亚高压、西风带、气旋活动、冬季风是黄土搬运-沉积过程的主要营力[2, 3]。通过对我国黄土粒度组成的实地考察发现，自东南向西北黄土物质颗粒逐渐变粗并划分为粘黄土、黄土和砂黄土3个黄土带[4~6]。沙漠边缘区黄土沉积大多是砂黄土沉积，因气候干旱原因，古土壤发育较弱，沉积物中颗粒粒径分布范围广，受就近源区影响较大[7]。
沙漠边缘地带因其生态脆弱性和气候变化响应的敏感性，在古气候变化研究中占据重要的位置，学者们多利用黄土-古土壤序列进行沙漠进退演化和东亚季风环流演变的气候背景探讨[8~12]。近些年来，利用沙漠边缘的砂黄土沉积反演区域古气候过程，研究沙漠的进退和气候环境变化信息取得了很好的结果[13, 14]。在黄土沉积物物源分析中，常见的是矿物成分分析法，但特征元素比值分布模式也是一种较为可靠的方法，该方法是通过选取多个可靠的特征元素含量比值作为物源示踪指标，绘制出特征元素比值分布模式图，根据沉积与物源区特征元素比值分布模式的相似程度，判别沉积物物源方向[15~21]。
在2005~2008年间及其后的库姆塔格沙漠全面考察中，在沙漠南部，阿尔金山北麓沿线一带发现了不同厚度的砂黄土沉积，纯净的风成物沉积厚度一般不足4m，大于4m以上的沉积则多为风成和冲洪积混合沉积[22]。BL剖面就位于库姆塔格沙漠东南缘阿尔金山山脚位置的一处砂黄土沉积地层(图 1和2)，通过研究其沉积时间、沉积环境和沉积物来源，为反演区域古气候环境，特别是物源区气候过程提供研究基础。
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图 1 BL剖面点位置(Google Earth卫星图片裁取) Fig. 1 Position of BL section intercepted from the picture of Google Earth |
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图 2 BL剖面照片及开挖情况 Fig. 2 The photo and excavation of BL section |
BL剖面位于库姆塔格沙漠区南部边缘地带的甘肃省酒泉市阿克塞哈萨克族自治县原县政府所在地博罗转井镇(图 1)，该地处在阿尔金山北麓，距离最近的沙漠边缘线25km左右。剖面点到沙漠边缘之间是阿尔金山北麓冲积洪积扇，坡度约7°~15°，海拔从2700m下降到1700m左右。
BL剖面点地处山前洪积扇，周围主要的地貌类型是戈壁，戈壁南部是阿尔金山组成的山地地貌，以北是库姆塔格沙漠地貌，在山前戈壁带还分布有残留的剥蚀山地(库木塔什塔格)。自然植被以暖温带荒漠灌木和半灌木为主，群落结构简单，主要是呈连片状分布的合头草(Sympegmaregelii Bunge)、红砂(Reaumuriasoongorica Maxim.)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon Bunge)、裸果木(Gymnocarposprzewalskii Maxim.)、膜果麻黄(Ephedra przewalskii Stapf.)、雾滨黎(Bassiadasyphylla O. Kuntze)和胀果甘草(Glycyrrhiza inflate Batal.)等典型荒漠植物组成的优势群落。区域地带性土壤为棕漠土，受地貌、水文、地质和人类活动等条件影响，形成了多种非地带性土壤，如草甸土、盐土和风沙土[23~25]。
2.2 BL剖面描述在库姆塔格沙漠南部的阿尔金山北麓地带，阿克塞旧县城南部山脚的小山坡上有3~5m厚的风积黄土沉积带，为灰黄色的粉砂，垂直节理发育，黄土剖面下部接有含棱角状小碎屑砾石的河流相薄层沉积(图 2)，再下探则接触到基岩。BL剖面即为长草沟左岸的风成黄土沉积带，地理位置是39°24′10.98″N，94°16′00.12″E，海拔2737m。剖面的原生黄土沉积保存较为完整，以粘土粉砂质沉积为主，开挖后厚度为380cm，其中的350cm为风成的砂黄土沉积层(图 2)，岩性自上而下描述如下：
(1) 灰白色粘土层。地表层，质地均一，无层理，松软，含植物根系和白色假菌丝体，地表面生长有高50~100cm左右的芨芨草植株丛，稀疏的冰草和低矮的五星蒿。厚度40cm。
(2) 灰色粉砂层。质地均一，无层理，有一定的垂直节理，疏松，有少量植物根系，含白色假菌丝体，无结核，与上覆地层渐变式接触。厚度80cm。
(3) 灰色粘性粉砂层。质地均一，无层理，有一定的垂直节理，较紧实，无结核，与上层过渡性接触。厚度130cm。中部80cm处(距离顶部200cm)粉砂光释光(OSL)测年为4.98±0.34ka。
(4) 灰色粉砂层。质地均一，无层理，较松散，无节理，偶见结核(胶质或其他盐结核，主要在底部20cm层内少量分布)，厚度100cm。底部接触层(距离顶部350cm)粉砂OSL测年为8.29±0.70ka。以上各层自然分层的界限并不明显。
(5) 冲洪积相细砂砾石层。无胶结，松软，灰黑色中粗砂中多混杂棱角分明的小砾石块，少量灰黄色细砂与粉砂，与上层地层接触面明显。厚度30cm。
(6) 灰黑色基岩层。有一定裂隙的灰黑色基岩，主要由变质岩系组成。基底。
3 样品采集与分析方法样品采集包括环境样品和年代样品。
环境样品：沿着BL剖面从底部至上层，每隔5cm取样，共计取样70个(图 2)；另外，为了研究物源，选取了BL剖面的西北方位距离180km左右(图 1)库姆塔格沙漠中部的梭梭沟剖面(即ZH剖面)[23]为辅助分析，其总厚度达到75.60m，依据测年结果，只选择了上部44.28m的厚度进行分析。ZH剖面是按照自然分层采样，若相同沉积相层厚度超过1m时则增加采样密度，即每隔60cm取一个样品，共计取102个环境样品，其中粘土样29个，粉砂、细砂及粗砂样73个；同时，在库姆塔格沙漠不同区域的表面砂取样20个。
年代样品：按照光释光采样程序，BL剖面在底部350cm和中部200cm处采集2个样品；ZH剖面的215cm、828cm、1876cm和3455cm，即上部44.28m厚度的风成相沉积层底部取光释光测年样品4个。
采集的样品送实验室进行分析，环境样品主要分析沉积物粒度、矿物、化学元素、磁化率等指标；年代样品应用于测定年代。本研究中的沉积物粒度是在甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室(培育基地)分析处理，分析仪器为Mastersizer 2000激光粒度仪；化学元素为兰州大学西部资源与环境教育部重点实验室分析处理，分析仪器为Magix PW2403型X荧光光谱仪；年代样品为南京大学释光年代室分析测试，测试仪器为TL/OSL-DA-20热释光/光释光仪。
4 剖面沉积过程 4.1 沉积物粒度特征沉积物粒径测试中，分析仪器设置的颗粒粒径是在2000μm范围里分出了93个层级，测试结果按照第四纪沉积物粒级划分标准[1]，只出现了粘土(＜4μm)、粉砂(4~63μm)和砂(63~2000μm)三级，图 3显示的是BL剖面各层沉积物的粒径含量分布情况。
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图 3 BL剖面沉积物粒度测试分类结果 Fig. 3 Classification results of the sediment grains size in BL section |
BL剖面沉积物中粘土颗粒平均含量占全部沉积物的6.66 %，介于2.13 %~9.63 %之间，最高不超过10 %；粉砂颗粒含量平均比重为36.29 %，介于14.66 %~54.24 %之间；砂颗粒平均含量占到57.05 %。由此看出，沉积物粒级绝大多数是粉砂颗粒和砂颗粒级，平均含量达到了93.34 %。沉积物粉砂颗粒＞30 %时的黄土叫砂黄土，砂黄土一般都出现在沙漠边缘区[7]，由此认为BL黄土剖面为砂黄土沉积。
BL砂黄土剖面沉积物粒径平均为53.31μm，变化范围在30.72~172.10μm；对不同层位做一个线性平均趋势线，可以看出，从剖面底部到顶层，平均粒径有一个缓慢变小的趋势。剖面沉积物中值粒径平均约为30.30μm，介于19.86~66.69μm之间；众数粒径平均约为44.88μm，在14.94~105.93μm之间变化(图 4)。
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图 4 BL剖面沉积物颗粒的平均粒径、中值和众数粒径分布趋势 Fig. 4 Mean, median and mode size of the sediment grains in BL section |
BL砂黄土剖面两处采取OSL样品测试结果表明，剖面底部350cm的释光年龄为8.29±0.70ka，而在剖面中部200cm处测得的释光年龄为4.98±0.34ka。由此推断BL剖面开始沉积年代在8.3ka左右，处在全新世早期。
4.2.2 剖面的沉积速率OSL测年数据表明BL剖面沉积开始于全新世早期，利用剖面两个深度的年代值，大体可以计算出剖面的沉积速率。
BL剖面的平均沉积速率约为4.22cm/100a。但任何地层沉积的过程并不是匀速的，不同的阶段由于气候环境不同，沉积的速率有所差异，通过控制年代对应的层位计算，在8.3~5.0ka之间，沉积速率大约为4.53cm/100a，而在5.0ka以后，沉积速率降为4.02cm/100a。沉积速率数据表明，BL剖面砂黄土沉积过程表现为早期速率较快，后期速率有所减缓。剖面沉积速率的变化恰好与剖面沉积物粒径从早期到晚期缓慢变小的趋势具有一致性。
4.2.3 BL剖面的沉积环境与过程阿尔金山平均海拔3000~4000m，最高峰6228m，而BL剖面处于同一经度位置的东段，是甘肃与青海两省交界地，最高海拔接近5800m。阿尔金山发育有小型现代冰川，最近的监测资料表明，阿尔金山山脉冰川面积约293.77km2，冰川退缩剧烈，特别是从小冰期到现在，该区的冰川处于加速退缩阶段[26]。然而，历史研究表明，在末次冰盛期，中国西部海拔4000m以上的山脉均发育有冰川，5000m的山峰形成冰帽，冰川规模远比今日为大；从阿尔泰山、天山、祁连山、昆仑山到唐古拉山，自北向南，雪线从2500m到5500m上升，阿尔金山脉处在昆仑山脉和祁连山脉连线上，雪线达到了4000~4500m；高山冰缘带在昆仑山北坡达到海拔3900m，而在祁连山北坡达到海拔2200m[27]，由此可以推测当时阿尔金山东段冰缘带应在3000m上下，东段山脉各个山体的山脚都处在冰缘地带，很难形成黄土沉积。
末次冰期结束后，大概从11000年开始，地球进入全新世间冰期，全球气候普遍转暖，中、高纬度的冰川大量消融，海平面迅速上升[28]。阿尔金山冰缘带及高山冰川开始消融，大量的融水携带泥沙在阿尔金山北麓泛滥并沉积，从库姆塔格沙漠中部梭梭沟出露的地层上部测年表明这个事件的过程。
ZH剖面的梭梭沟是位于库姆塔格沙漠中部一条南北向冲积干沟，在中游位置因河流下切而出露[23]，地理位置为39°40′57″N，92°23′06″E (图 1)。由于库姆塔格沙漠匍匐在阿尔金山北麓冲积扇面上，因此主要接受了来自阿尔金山的冲洪积堆积。ZH剖面从顶部至下44.28m的地层中多为冲洪积相沉积，很显然是阿尔金山融水携带泥沙下泄过程中的泛滥沉积。冲洪积相层中夹有不同厚度的风成砂层，表现出区域气候旋回的特征。4个光释光测年样品就是分别从ZH剖面上部44.28m的每一风成砂层下部获取，岩性和测年结果见图 5。
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图 5 梭梭沟ZH剖面上部44.28m范围岩性和测年结果 Fig. 5 Lithology of the upper 44.28m in ZH section (Suosuo ravine) and dating results |
结果表明，在梭梭沟ZH剖面44.28m处夹有粘土泥球的冲洪积相上部的风成砂光释光测年是10.2±1.2ka (图 5)，表明ZH剖面44.28m以上出现连续的厚层冲洪积相沉积的大概年代在10.2ka之前，大约是更新世晚期到全新世早期之间，而这一时段正是末次冰期结束后进入全新世暖期[28, 29]，大量的雪冰融水携带泥沙泛滥于阿尔金山北麓并沉积。但由于气候不稳定，加上库姆塔格沙漠地区气候干燥，在干冷的年份里，流沙会覆盖于冲洪积层之上形成风成砂层；随着时间的变化，气温再继续升高，阿尔金山的冰川、冰缘地带不断融化退缩上升，在梭梭沟区域形成了巨厚的冲洪积沉积层。图 5的测年结果和沉积相观测表明，全新世早期(10.2~8.2ka)库姆塔格沙漠就出现了较明显的5次气候旋回，风沙加强的时期有10.2ka、9.4ka、9.2ka、8.2ka和现代沙漠5个时段。这5次沉积相相似而厚度不同，表明梭梭沟区域沉积的过程不是匀速和一致的，而是随同时间和气候变化间歇性地非均速沉积，在8.2ka最后一次风成砂沉积之上沉积了205cm的一层细砂粉砂粘土层，之后进入现代沙漠时期。从已有的全新世气候历史来看，在8.2ka出现过一次冷干事件[30, 31]，这次冷干事件持续约有100a的历史[28]，阿尔金山东部退缩的最后冰川进行了增补或扩大；8.2ka冷干事件结束后气温继续回升，这时阿尔金山中东部的冰川基本已经消融干净，融水只有每年的积雪和降水，已经达不到泛滥的程度，融水只能汇集到沟谷下泄，风沙活动加强，现代沙漠形成并开始扩张。
BL剖面的海拔是2700多米，位于阿尔金山东段，在末次盛冰期，该区域是阿尔金山冰缘地带[27]，推测阿尔金山东段3000m以上存在冰川甚至高山冰帽；末次冰期结束到全新世8.3ka期间，阿尔金山东段冰川融水泛滥，即使是山脚高凸的位置，沉积的黄土物质也会被冲刷掉；8.3ka之后，冰川几乎消融殆尽，砂黄土开始在山脚的区域沉积并连续加厚，才形成了今天的BL砂黄土沉积剖面。沿BL砂黄土剖面山脚一带的其他黄土沉积层[23, 24]以及前人从阿尔金山北麓更高海拔(4000m)发现的风成黄土[25]，都是这样一个过程。
5 BL剖面的物源探析沉积物中的某些特征元素因其化学性质稳定，可作为良好的物源指示元素，选择化学性质相近、相关性强、在沉积成岩过程中富集程度相似的特征元素比值作为物源示踪指标，能够更加准确地判断沉积物的物源方向[15, 18, 21, 32]。在总结前人研究的基础上，结合研究区的特点，选取Mg/Mn、Ni/Co、V/Co、Mn/Sr、Ba/Mn、Fe/K、Mg/Ca、Al/Na、Ba/Sr、Al/Mg等10个特征元素比值作为物源示踪指标(表 1)。
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表 1 BL剖面沉积物、ZH剖面沉积物与沙漠表层砂的特征元素比值 Table 1 Ratio of the characteristic elements in the sediment of BL section, ZH section and desert surface sand |
取BL剖面70个沉积层的特征元素含量平均值和库姆塔格沙漠表面沙(不同地区的20个沙样)，分别计算10个特征元素比值；为了判别BL剖面沉积物的物源和方向，我们取库姆塔格沙漠中部ZH剖面上部44.28m共计102个各层次的样品分析结果计算10个特征元素比值，取ZH剖面上部44.28m沉积层中的粉砂、细砂及粗砂层共计73个样品的分析结果、沉积层中不同位置粘土层的29个样品分析结果分别计算10个特征元素比值(表 1)。以上这5组数值生成特征元素比值分布模式见图 6所示。
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图 6 BL剖面沉积物与物源区特征元素比值分布模式 Fig. 6 Distribution pattern of characteristic elements ratio between BL section and source area |
从图 6可以看出，BL剖面沉积物特征元素比值分布模式与库姆塔格沙漠表层砂、内部出露地层(全新世以来)的不同沉积物特征元素比值分布模式具有极其相似的特征，整体形态表现为单峰型。相似的特征元素比值分布模式证明其物质具有同源性，BL剖面的沉积物来源就是库姆塔格沙漠表层或者内部地层翻出来的物质。具有重要指示意义的Ba/Sr值显示，BL剖面值和ZH剖面值更接近，特别是剖面内以细粒物质为主的粘土层，说明在起沙风速下，库姆塔格沙漠内部出露地层沉积物被季节性洪水翻出来后，较细粒物质更容易被风吹扬起来后带到下风向沉积，风力越大，携带的砂物质颗粒越大，风力较小时，所携砂物质颗粒就小，且搬运距离会减小。
6 讨论与结论 6.1 讨论(1) 风场情况促成了BL剖面砂黄土沉积
库姆塔格沙漠地区大的环流与天气系统受控于西风带与欧亚环流系统的控制之下[24]，由于南接阿尔金山脉，北部是天山余脉北山山地，东部是疏勒河弯曲河谷和低山丘陵，西部则面对塔里木盆地和罗布泊洼地，特殊的地形地貌对区域的大气环流、天气气候特征形成了特定的影响。根据前人[24]研究，库姆塔格沙漠地区春夏季盛行东北风，秋冬季盛行西南风，气流南北辐合，东西辐散：即春夏季节青藏高原低空热低压发展，气流向高原辐合，地处高原北部的库姆塔格沙漠出现上山的偏北风气流；而秋冬季节青藏高原低空冷高压形成，气流由高原向四周辐散，地处高原北部的库姆塔格呈现下山的偏南气流。BL剖面就处在库姆塔格沙漠南缘，是春夏季偏北风的下风向区域，有助于接受风成物质的沉降与积累。
现代气候观测数据表明，在库姆塔格沙漠区域及周边地区，春季(3~5月)是风速最强的季节，其次是夏季，而冬春两季是风力较弱的季节。春季是沙尘天气多发季节，春夏季出现的偏北风气流为库姆塔格沙漠南缘的BL剖面沉积物提供了风动力条件。
根据董治宝[25]在库姆塔格沙漠内部观测站的资料，在沙漠北部边缘的雅丹区年平均风速最高，达到了5.8m/s，沙漠中部的新疆若羌县哈留图泉附近年平均风速3.9m/s，沙漠南部靠近山体的三角滩年平均风速为2.9m/s。沙漠北部雅丹的年平均风速已经超过了5m/s的起沙风速，证明大风常年能携带沉积物进入气流，气流穿过沙漠向南移动中，风速逐渐降低，特别是遇到阿尔金山脉的阻隔后，气流中所携带的粉尘物在山前出现沉积，特殊地形条件下，粉尘持续堆积，逐渐形成了一定厚度的砂黄土沉积层。
(2) 沉积速率大于其他地区的黄土沉积
不同的区域和剖面以及不同的时间段，黄土的沉积是不同的。陈发虎等[33]对兰州九洲台黄土沉积的速率研究指出第四纪以来该地区的黄土沉积速率虽有变化，但即使是冰盛期，沉积速率约为2.85cm/100a；吴海斌等[34]对黄土高原第四纪粉尘沉积速率的时空变化分析表明，在同一时间内粉尘沉积速率大致呈现从东南到西北不断增大的规律，同时粉尘沉积速率在冰期明显大于间冰期；孙东怀和鹿化煜[35]对晚新生代黄土高原粉尘沉积速率研究，发现不同剖面沉积速率不同，最高的西峰剖面在冰期峰值沉积速率为3.5~4.0cm/100a，其他时间基本都保持在2.0cm/100a以下；而强小科等[36]则通过黄土高原代表性剖面中MBB记录位置的空间分布特征分析显示，黄土高原西北部沉积速率高，黄土高原中部和东南部沉积速率相对较低。比较现有的有关黄土沉积速率的研究，BL剖面粉尘物沉积速率远高于我国黄土高原分布区的粉尘沉积[33~35]。对此，是不是可以这么解释：由于研究区处在库姆塔格沙漠下风向二、三十公里的地方，源区多年有大风气候过程，风力所携带的较大颗粒物难以进入高空气流，在阿尔金山前遇阻后就近沉降形成了砂黄土沉积地层。
BL砂黄土剖面沉积速率从开始到现在存在减缓的趋势，沉积速率的变化表明该区域风能量存在一个由强变弱的过程，气候也可能存在一个由干冷向暖湿转变的过程，这需要进一步的分析证明。
6.2 主要结论(1) BL剖面沉积物颗粒的93.34 %为砂和粉砂，证明剖面为一砂黄土沉积地层。
(2) BL砂黄土剖面地层沉积的开始年代为全新世早期(8.3ka)，是阿尔金山东部冰川消融后在特定的地形环境条件下形成的。地表沉积环境在全新世开始到8.3ka之间，受到了阿尔金山冰川和冰缘带融水的泛滥冲刷，难以形成沉积；8.3ka之后冰川积雪融水减少后在高凸的合适地形开始了连续沉积，由此形成了BL砂黄土沉积地层。
(3) BL地层沉积速率约为4.22cm/100a，早期沉积速率较快，后期则有所减缓。
(4) 对比BL剖面沉积物特征元素比值分布模式，其与库姆塔格沙漠表层砂、内部出露地层(全新世以来)的不同沉积物特征元素比值分布模式具有极其相似的特征，证明两者的物质具有同源性。沉积物的物源来自库姆塔格沙漠区域，主要是沙漠表层或者内部地层翻出来的物质，库姆塔格沙漠区域的风场环境为粉尘的运移提供了条件。
致谢: 感谢审稿专家建设性的修改意见和编辑部老师细致、耐心地编辑工作，使论文得以完善。
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② Gansu Desert Control Research Institute, Lanzhou 730070;
③ The Department of History and Culture, Shanxi University, Taiyuan 030006)
Abstract
Loess sediment in the margins of desert, sensitively recorded the climate changes of its source desert area. In this study, a BL section (39°24'10.98"N, 94°16'00.12"E; 2737m a.s.l.) that locates in the northern slope of the Altun Mountain and downwind direction about 25km from the edge of Kumtagh Desert, was used to reveal the environmental changes of Kumtagh Desert since the Holocene in the West China. Based on the analysis of sediment particles, geochemical element characteristics, and OSL age. Our results show:1)93.34% of the BL section sediment particles are belong to silt sand and coarse sand; 2) this sedimentary strata deposited since about 8.3ka B.P. and formed in the convex terrain environment conditions after the glaciers melting during the Early Holocene in the eastern part of the Altun Mountain. Its mean depositing rate is about 4.22cm/100a, but the rate decreased with time; 3) the loess sediment was orgined from the Kumtagh Desert including the surface material or internal exposed strata during the Holocene, because they have similar element ratio distribution patterns. Our results proved the baseline for reconstructing the detail climate changes of the Kumtagh Desert since the Holocene in the future.