2019, Vol.39
2 岭南师范学院, 广东 湛江 524048;
3 中国科学院地球环境研究所, 黄土与第四纪地质国家重点实验室, 陕西 西安 710061;
4 南宁师范大学, 广西 南宁 530001;
5 东华理工大学, 江西 南昌 330013;
6 惠州师范学院, 广东 惠州 516007;
7 浙江师范大学地理与环境科学学院, 浙江 金华 321004)
广泛分布于中国南方的网纹红土主要是更新世季风气候环境下形成的土状堆积，也是古环境演化与气候变迁的重要载体。自20世纪30年代Teilhard等[1]和Young等[2]对两广的新生代地层开启了网纹红土的研究以后，特别是1990年代以来对它们的研究取得了一系列成果，包括对网纹红土成因[3~5]、土壤性质[6~8]、地球化学[9]、古气候特征[10]等的探讨；另外，南方红土地球化学特征[11~13]、层序及其年代的研究[14~15]也为网纹红土的探索提出了新的思路。这些结果似乎一致认为网纹红土是更新世间冰期暖湿-湿热气候的产物。王彩霞等[16]发现，网纹红土中，元素在白色组分中表现出随深度增加而呈现类似“黄土-古土壤”序列的旋回特征。但迄今为止，这一红土类型究竟是在什么样的生物气候带背景下形成的却很少涉及。显然，正确地回答这一问题对于气候地层学划分，特别是古环境的重建具有重要参考意义。近年，笔者等考察了广东西樵山一带我们称之为“西樵剖面”的晚第四纪地层，经年代测定确定了该剖面属于MIS 5a的网纹红土层位，并对此采集和分析了这一层位的常量化学元素。据此，本文试图从表生地球化学与气候的关系出发，为回答上述问题提出一个初步看法。
1 西樵剖面MIS 5a网纹红土概况西樵剖面(22°56′15″N，112°57′16″E)位于佛山市南海区西樵镇西樵山西麓边缘的珠江干流与西江之间的平缓的山前平原(图 1)，海拔约30 m。该地周边河网密布，在其附近的西樵山山麓周围分布着冲洪积扇，并连接开阔的珠江三角洲冲积平原。本区地处南亚热带，所受东亚季风气候影响显著，年平均气温和降水量分别为21.8 ℃和1638.5 mm。全年主要降水出现在4~9月，平均降水占全年降水的79 %，为1306.0 mm；10月至次年3月主要受东亚冬季风影响，空气干燥，降水显著减少，平均降雨量占全年降水的21 %，为337.6 mm[17]。
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图 1 西樵及邻近地区地层剖面和动物化石地点的分布位置 Fig. 1 Stratigraphic sections and the distribution locations of the animal fossils sites in Xiqiao and its adjacent areas |
西樵剖面厚约9.6 m，主要由湖沼相组成，按岩性和沉积相可以划分为44个层序[18]。其中，对该剖面640~960 cm深度进行了4个OSL和1个AMS-14C年代测定(图 2)。OSL年代测试样品采用≤ 10 μm的石英细粒，由中国科学院青海盐湖研究所王懿萱测定；14C年代测试样品为泥炭层中的原位埋藏的树干，由Beta实验室测定。现将所述的OSL结果及其参数显示于表 1。由图 2和表 1可见，位于西樵剖面660~770 cm深度的3个年龄数值与地层层序的堆积规律基本一致。张家富等[19]认为，河湖相等水成沉积物样品沉积时光释光信号晒退程度和埋藏中含水量变化是引起光释光测年中等效剂量和剂量率测误差的主要因素。基于这一看法，至少可以认为所述这一深度的河湖相，其≤ 10 μm的石英颗粒通过悬移方式长期处于较充分曝光条件，显然这也为OSL年代测定提供了适宜的材料。但剖面底部砂质泥炭层中的乔木残躯AMS14C测定的≥ 43500 a的结果显示该层已经明显超出14C年代测量的上限。而在相同层位，OSL年龄结果(49.8±5.7 ka)明显较上部年轻，其异常的原因可能与泥炭层中累积放射性元素形成的过高剂量率有关，故这个倒置的年代不能代表该层真实的沉积年代。
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图 2 西樵与临江地区[21]晚第四纪地层剖面划分和MIS 5a地层在剖面上的分布 1——网纹红土(reticulate laterite)；2——棕黄色土—棕黄色粘土质粉砂或亮-浅红橙(brownish-yellow soil-brownish-yellow clayey silt or bright-light redish-orange)；3——剥蚀面，不整合面(denudation surface，unconformity surface)；4——风成砂，粉砂质极细砂(aeolian sand，silty very fine sand)；5——河流相细砂(fluvial facies fine sand)；6——河流相中-粗砂(fluvial facies middle coarse sand)；7——粉砂质极细砂(silty very fine sand)；8——粉砂(silt)；9——粘土质粉砂(clayey silt)；10——粉砂质泥炭(silty peat)；11——风化强烈的绛红色土状砾石层(strongly weathered crimson red earthy gravel layer)；12——上白垩统南雄组(K2n)紫红色砂岩与页岩(Upper Cretaceous Nanxiong Formation “K2n” purple red sandstone and shale)；13——OSL年代(OSL dating/a)；14——TL年代(TL dating/a)；15——AMS-14C年代(AMS-14C dating/a B. P.) Fig. 2 Late Quaternary stratigraphic sections division and the distribution of MIS 5a stratum in Xiqiao and its adjacent areas |
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表 1 西樵和临江剖面相关地层的释光测定结果及其参数 Table 1 Luminescence age measurement and its parameters at the correlation stratum of Xiqiao and Linjiang |
本文涉及的西樵剖面网纹红土(以下简称西樵网纹红土)“XQ41”厚33 cm，位于该剖面719~751 cm深度。按其上覆地层76.5±6.2 ka、76.1±6.9 ka和下伏地层87.9±8 ka的年龄结果(图 2剖面1)，其形成的时代相当于MIS 5a(87~73 ka B. P.)[20]。西樵网纹红土在剖面形态上表现为白或灰白色的带有指状、管状或虫状的红土，其中的部分粘土呈现黄色，形成白色与黄色网纹相间、夹杂于红色土层中，这与通常所认为的发育成熟的网纹红土，如安徽宣城和广西百色的中更新世网纹红土[10]并没有什么明显的不同。按其持续发育的年龄，也应该是一种复合型的古土壤。根据我们的野外调查，类似于西樵MIS 5a网纹红土的地层还可见于粤东北的一些地区。例如以前曾有过一定研究的广东河源临江剖面(23°34′N，114°38′E)分布于464~1015 cm深度的末次间冰期网纹红土[8]，按释光年代结果(83900~71400 a B. P.)，其中之一部分“LJ5a”(图 2剖面2)即是属于这个时期的[21]。
图 2剖面中标示的释光测定结果及其参数见表 1，释光年代测试材料为 < 10 μm的石英细粒。序号1~4样品由中国科学院青海盐湖研究所王懿萱测定，测试仪器Ris Ø TL-DA-20；序号5和8样品由国土资源部环境监测中心赵华和王成敏测定，测试仪器Daybreak 2200光释光仪；序号6样品由中国科学院广州地球化学研究所卢良才测定，测试仪器711型热释光断代仪；序号7样品由中国科学院地球环境研究所王旭龙测定，测试仪器Daybreak 2200光释光仪。
2 西樵网纹红土常量元素和地化指标的分布 2.1 材料与方法对西樵网纹红土按1 cm间隔采集，总共获得32个样品的常量元素分析结果。测试仪器采用荷兰帕纳科公司生产的偏振能量色散X-射线荧光光谱仪(型号：Epsilon 5)。样品及制备过程如下：先将样品低温(< 40 ℃)烘干，过2 mm筛去除杂物，使用振动磨样机研磨90 s，过200目(< 74 μm)筛，然后取6.0 g样品以硼酸镶边垫底，在30T压力下保压时间30 s，最后压制为直径3.2 cm圆饼进行测试。校正曲线使用27个国家土壤成分分析标准物质(GSS2~GSS28)，6个水系沉积物成分分析标准物质(GSD2a、GSD7a、GSD9~GSD12)和6个岩石成分分析标准物质(GSR1~GSR6)。实验过程中加入GSS17标准样品进行控制，实验误差± 5 %，仪器检测限为1 μg/g。
2.2 常量元素分布 2.2.1 元素含量表 2列出了西樵网纹红土32个样品的7种常量元素——SiO2、Al2O3、TFe(Fe2O3+FeO)、K2O、Na2O、CaO和MgO含量的分布范围和平均值。这些元素含量以表 2中前3种氧化物含量为主，三者总和为79.68 % ~86.37 %，平均值82.87 %。后4种氧化物含量甚低，其总和仅3.27 % ~3.81 %，平均值3.54 %。就含量变化的幅度(见表 2)而言，以SiO2较大，变化的绝对幅度为12.93 %，Al2O3和TFe较小，分别为2.78 %和4.2 %；而K2O、Na2O、CaO和MgO则更小，分别仅为0.34 %、0.13 %、0.08 %和0.23 %。由此不难看出网纹红土在物质组成上的相对均一的特征。
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表 2 西樵网纹红土的常量元素氧化物分布(%) Table 2 The distribution of Xiqiao reticulate laterite constant element oxides(%) |
将SiO2分别与其他元素的含量绘制成散点图(图 3)，从中除了可以看到网纹红土诸样品元素含量的一般分布外，还可见SiO2分别与Al2O3和TFe存在一定的甚至较好的相关关系，后者R2几乎达到0.9；而SiO2与其他4种元素的相关性则很差，R2≤ 0.1，甚至0.01。
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图 3 西樵网纹红土SiO2分别与Al2O3(a)、TFe(b)、K2O(c)、Na2O(d)、CaO(e)和MgO(f)构成的散点图 Fig. 3 Xiqiao reticulate laterite SiO2 and Al2O3(a), TFe(b), K2O(c), Na2O(d), CaO(e) and MgO(f) scatter diagrams respectively |
为了探讨西樵网纹红土元素指示的气候意义，我们统计了其地化指标，即SiO2/Al2O3、CIA(化学蚀变指数)、ba(风化淋溶指数)和CIW(化学风化指数)的分布范围和平均值。CIA是判断沉积物化学风化程度的重要指标，其计算方式为：CIA=Al2O3×100/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)，其中CaO*为硅酸盐矿物中的摩尔含量[22]；ba作为常用的风化指标，可以很好地表示硅酸盐岩的化学风化强度[23]，其计算方式为：ba=(K2O+Na2O+CaO*+MgO)/Al2O3×100 %；CIW是Harnois[24]提出的化学风化指标，其计算方式为：CIW=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O)×100。计算的这4种地球化学指标均采用氧化物分子摩尔数。
上述这4种指标范围(平均值)依次为2.44~3.48 (3.00)、78.18~80.55 (79.24)、0.27~0.32 (0.30)和94.12~95.25 (94.74)；其绝对变化幅度都较小，依次是1.08、2.37、0.05和1.13。将各个样品的这些指标绘制SiO2-ba(图 4a)、SiO2-CIW(图 4b)和SiO2/Al2O3-CIA(图 4c)散点图，可以直观地看到它们的分布及其变化，其在每一散点图上都表现为“团聚”的态势。据此并参考西樵网纹红土7种常量元素含量的绝对变化幅度和平均值(见表 2)，使得我们认为，该类红土在物质组成上具有高度均一的特征。
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图 4 西樵网纹红土、我国热带、南亚热带和中亚热带现代红土的SiO2-ba(图 4a)、SiO2-CIW(图 4b)和SiO2/Al2O3-CIA (图 4c)散点图 热带现代红土数据来源于赵志忠等[11]、徐义芳等[12]和徐瑞松等[13]；南亚热带现代红土数据来源于徐瑞松等[13]；中亚热带现代红土数据来源于席承藩[25] Fig. 4 Scatter diagrams of SiO2-ba(a), SiO2-CIW(b) and SiO2/Al2O3-CIA(c) of Xiqiao reticulated laterite, tropical, south-subtropical and mid-subtropical modern laterite in China. Tropical modern laterite are from Zhao et al.[11], Xu et al.[12] and Xu et al.[13]; South-subtropical modern laterite is from Xu et al.[13]; Mid-subtropical modern laterite is from Xi[25] |
我国自北而南划分为3个生物气候带，即温带、亚热带、热带。其中亚热带，大致为20°~34°N，97°~ 123°E；自北而南又进一步划分为3个生物气候亚带，即北亚热带、中亚热带和南亚热带[26]。为了探讨西樵网纹红土元素指示的气候环境，我们选取了热带-亚热带45个近代-现代红土样品的元素分析数据加以讨论。这些，包括22个热带样品(12个来源于海南岛西部[11]，10个来源于雷州半岛[12~13])；11个南亚热带样品(源自广东廉江、鼎湖山等地[13]，以及12个中亚热带样品(源自湖北武昌和江西太和[25])。据此绘制了我国热带、南亚热带和中亚热带现代红土SiO2-ba(图 4a)、SiO2-CIW(图 4b)和SiO2/Al2O3-CIA(图 4c)散点图，采用“将今论古”的方式进行探讨。
由图 4可见，不管是中亚热带、南亚热带还是热带的现代红土散点基本上或者大多数聚集在其所在的生物气候带，且彼此之间的分界颇为清晰；由北向南即从我国中亚热带—南亚热带—热带，现代红土的SiO2含量和ba值总体上呈现降低和减小趋势(图 4a)、而CIW值则表现出相反的变化(图 4b)。由于ba值和CIW值的大小与样品中Al2O3的含量分别成反比和正比，即ba值越小和CIW值越大表明样品中Al2O3的含量越高，所以ba和CIW值都揭示出自北而南淋溶和化学-生物风化作用加剧，包括脱硅富铝化程度增强，这就不难理解红土的SiO2含量由北向南呈现降低的趋势了。关于CIA，有学者研究认为[27]，CIA值介于50~65之间，反映的是寒冷干燥的气候条件下较低的化学风化程度；65~85之间，为暖湿条件下中等的化学风化程度；85~100则属热湿条件下强烈的化学风化程度。图 4c中SiO2/Al2O3-CIA的散点分布，显示了自北而南SiO2/Al2O3值呈现下降、而CIA值呈现上升的趋势，更加清楚地反映出脱硅富铝的南强北弱的变化，随着SiO2/Al2O3的减小、CIA值相应增大。这些都表明，自北而南、气候带之间水热条件的差异是这些散点分布特征中最为重要的因素。然而，由于红土成土成壤过程复杂，包括所受到的近代气候波动特别是母岩差异等诸多因素的影响，也出现一些散点的“错位”：表现为南亚热带散点出现在热带和中亚热带，热带散点出现在中亚热带和南亚热带以及中亚热带散点出现在南亚热带。尽管如此，这并不影响上述散点暗示的气候带之间水热条件的基本差异。
3.2 网纹红土的生物气候带与古生物证据 3.2.1 网纹红土的生物气候带通过上述3种气候带的现代红土地化指标所呈现出的规律，我们发现了中亚热带、南亚热带和热带的现代红土散点彼此之间的分界颇为清晰，且从我国中亚热带—南亚热带—热带，总体上现代红土的SiO2含量和ba值呈现降低和减小趋势(见图 4a)、CIW值和CIA值都表现出相反的变化(见图 4b和4c)，明显地反映出脱硅富铝的南强北弱的总体趋势。将西樵网纹红土风化指标置在其中时，清楚地看到这些红土散点在图 4a、4b和4c中分别以大部分、几乎全部和全部地聚集于现代热带红土的分布范围，结果表明，西樵网纹红土主要形成于热带气候影响下的生物气候带。
3.2.2 古生物证据野外考察发现[28~31]，研究区及邻近地区有两处哺乳动物化石出土地点——碧寿洞和罗沙岩(分布位置见图 1)，其时代与西樵网纹红土的时代MIS 5a相当，其中都含有指示热带气候存在的物种。
碧寿洞化石点[28~30]位于西樵山NE约240 km的粤东北地区(24°04′10″N，114°59′32″E，分布位置见图 1)。该地出土的哺乳动物化石总计达6目21属21种，是典型的中国南方具有东洋界动物区系[32]特征的大熊猫—剑齿象动物群，其成员中有喜于干燥温凉环境的斑鬣狗(Crocuta sp.)、野猪(Sus scrofa L.)，也有适应暖湿气候的大熊猫(Ailuropoda melanoleuca fovealis Ma. et Gra.)、华南豪猪(Hystrix subaristata)等，还有适应湿热气候的动物种类，如水牛(Bobalus sp.)、亚洲象(Elephas sp.)等[29~30]。根据含化石层位底部OSL年代88800±4000 a[30]，将其归属于MIS 5a。该动物群中出现的长臂猿(Hylobates sp.)、中国犀(Rhinoceros sinensis Owen)、华南巨獏(Megatapirus cf. angustus)和亚洲象(Elephas sp.)，共同标志着当时该地曾经出现的热带气候环境。现生的长臂猿生活于东南亚和中国25°10′N以南的云南中部、南部和西南部与海南岛等[32]热带气候区域；亚洲象(Elephas sp.)多出现在更新世中晚期[33]，现生的亚洲象的主要分布范围为东南亚、南亚和中国云南西部的热带地区，是热带雨林标志动物；中国犀和华南巨獏虽属于绝灭种，然而与之相似的现生的犀和獏分布于东南亚的热带地区[34~35]。
罗沙岩化石点(23°31′N，111°47′E)位于西樵剖面NW约150 km的西江流域的封开罗沙岩洞(见图 1)。该地出土大量化石层位的230Th的年代为79000±1500 a，含哺乳动物化石8目34属41种[31]，同样属于具有东洋界动物区系特征的大熊猫-剑齿象动物群。该动物群也含有热带动物成员，即华南巨獏、中国犀以及犀(Rhinoceros sp.)。
这两个动物群中出现的热带气候成员，使我们相信与之相同时代的西樵网纹红土系热带气候之产物。
3.3 气候意义由于年代学方面的限制，学术界曾对华南地区网纹红土的形成时代不能达成共识。根据我们的野外调查，发现除海南以外的我国华南地区(两广和福建)，即南亚热带地区，MIS 5时期是大面积网纹红土发育的最后时期。自那时之后的这类堆积，虽然也有所见，但能够确定属于MIS 5时期之后的网纹红土的分布地点并不多。目前，仅见于广东西樵山附近的富贤村，据张家富对该地网纹红土的OSL测定结果，为48700~36800 a(未发表的结果)，属于MIS 3的产物。
众所周知，极地、深海以及陆地的记录中MIS 5a是在轨道驱动下形成的一个具有全球意义的温暖时期[36~41]。然而，地处中国南亚热带的红土地区是如何对其响应的？迄今尚无确切的实证。通过本文研究的地化指标揭示，热带生物气候带与发育成熟的西樵网纹红土存在着逻辑上的因果关系。如果这一看法正确，那么，它在我国南方的气候地层学划分中将扮演重要的角色。这就是说在更新世地层中，发育成熟的网纹红土的出现标示着形成其时代所经历的热带气候背景下的清楚的生物气候带信号。
从这个意义上来说，本文讨论的既有年代学标定、又有“将今论古”的网纹红土，加之来自古生物指示的生态学证据，显然为全球变化与我国低纬区域环境响应提出了一个新的认识问题的材料，相应地也补充了对轨道变化与冰期间冰期旋回学说的认识。
4 结论(1) 西樵剖面的MIS 5a网纹红土常量元素含量以SiO2、Al2O3和TFe为主，三者总和为79.68 % ~86.37 %，平均值82.87 %；K2O、Na2O、CaO和MgO含量甚低，其总和仅3.27 % ~3.81 %，平均值3.54 %。就含量变化的幅度而言，以SiO2较大，变化的绝对幅度为12.93 %；Al2O3和TFe较小，分别为2.78 %和4.2 %；而K2O、Na2O、CaO和MgO则更小，分别仅为0.34 %、0.13 %、0.08 %和0.23 %。西樵网纹红土地球化学指标SiO2/Al2O3、CIA、ba和CIW的分布范围/平均值的变化幅度都相对较小，并在散点图(SiO2-ba、SiO2-CIW和SiO2/Al2O3-CIA)上都表现为“团聚”的态势。这些，使我们倾向地认为网纹红土在物质组成上具有高度均一的特征。
(2) 西樵网纹红土在SiO2-ba、SiO2-CIW和SiO2/Al2O3-CIA散点图上分别以大部分、几乎全部和全部地聚集于现代热带红土相应散点图的分布范围，表明其主要形成于热带气候影响下的生物气候带。
(3) 西樵邻近地区的碧寿洞和罗沙岩均含有MIS 5a具有东洋界动物区系特征的大熊猫-剑齿象动物群化石；含有热带动物成员华南巨獏、犀、中国犀、长臂猿和亚洲象。由此，进一步支持西樵网纹红土是MIS 5a热带气候环境产物的看法。
致谢: 审稿专家和编辑部杨美芳老师宝贵的修改意见，在此一并感谢!
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,
Niu Dongfeng2
,
Li Baosheng1,3,
Si Yuejun4,
Wen Xiaohao1,
Chen Min1,
Shu Peixian3,
Li Zhiwen5,
Wang Fengnian6,
Zhu Lidong7,
Huang Jiahui1,
Wang Chen1
2 Lingnan Normal University, Zhanjiang 524048, Guangdong;
3 State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710061, Shaanxi;
4 Nanning Normal University, Nanning 530001, Guangxi;
5 East China University of Technology, Nanchang 330013, Jiangxi;
6 Huizhou University, Huizhou 516007, Guangdong;
7 College of Geographic and Environmental Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, Zhejiang)
Abstract
The Xiqiao section (22°56'15"N, 112°57'16"E) of Guangdong Province was about 9.6 m thick, of which MIS 5a reticulated laterite "XQ41" was 33 cm thick and located 719~751 cm depth in the section. In this paper, a total of 32 samples were collected from MIS 5a reticulated laterite at the interval of 1 cm for the constant elements analysis. Research has shown that the distribution range and average of the chemical weathering indices SiO2/Al2O3, CIA, ba and CIW all indicated uniformity in the composition of matter in MIS 5a reticulated laterite on the whole. In addition, in the scatter diagrams of SiO2-ba, SiO2-CIW and SiO2/Al2O3-CIA, most, almost all and all Xiqiao reticulated laterite scatters gathered in the distribution range of modern tropical laterite (latosol) scatters respectively. Based on this, it is suggested that Xiqiao reticulated laterite was mainly formed in bioclimatic zone under the influence of tropical climate. Meaningfully, Bishou Cave and Luoshayan, the adjacent areas of Xiqiao, there were mammal fossils of the same age with Xiqiao reticulate laterite, all contained species that indicated the tropical climate. This result further demonstrated the logical causality between tropical bioclimatic zones and mature reticulated laterite, it has also provided a new material about understanding MIS 5a global change-the environment response of low-latitude regions in China, and has contributed a new content to the orbit change-glacial/interglacial cycles theories correspondingly.