宝鸡固川盆地全新世黄土－土壤剖面元素地球化学特征

万红莲，黄春长，庞奖励，查小春

（1宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西 宝鸡721013；2陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安710062）

国内外学者对黄土高原古气候与成壤环境进行了大量研究，获得了一系列气候代用指标，这些指标不仅揭示了气候变化规律，而且也被用作研究黄土高原其他地区第四纪以来气候变化的基础和参照标准［1－19］．但对渭河上游地区黄土－古土壤剖面元素地球化学指标的研究较少，对含有古洪水滞流层的黄土－古土壤剖面研究更少［20］．本文在对陕西省宝鸡市固川镇（GCZ）含有古洪水滞流层的全新世黄土－古土壤剖面沉积学和水文学研究［21－22］基础上对该剖面的元素地球化学指标分布、变化规律进行研究，以期揭示其对古环境的指示意义以及万年时间尺度上的环境变化，同时探讨古洪水滞流层的地球化学判别方法．

1 剖面的地层划分

研究地点位于渭河宝鸡峡谷固川盆地中心，这里也是龙山文化与西周文化遗址分布区（图1）．研究剖面（WH－GCZ）位于一条冲沟壁陡坎，地层出露齐全，露头良好，没有受到人类活动干扰，中心位置地理坐标为34°24′14．9″N，106°58′11．9″E，剖面顶部高程660m．在全新世晚期黄土L0与全新世中期古土壤S0的界限位置，发现水平层状结构的古洪水沉积物一组3层；而在全新世晚期黄土L0中发现西周文化层，在全新世中期古土壤S0中发现龙山文化晚期文化层．对剖面进行清理后，在详细观察和土壤地层划分的基础上，以每4cm间隔进行高密度系统采样，共采集沉积学样品55个．此外，分别在剖面不同层位采集光释光样9个，其中包括60～65cm古洪水滞流沉积层和72～78cm全新世中期古土壤S0上部的光释光样2个，用黑色塑料袋密封包装同其他样品一并运回实验室．所有实验均在陕西师范大学环境变迁实验室进行并完成．

通过野外宏观形态特征的观察，结合土壤学、地层学和沉积学特征以及室内实验分析，对剖面进行详细的地层划分和描述（表1）．其中，古洪水平流滞流层水平展布，与黄土和古土壤界限清晰，在颜色、结构和构造等方面有非常明显的区别．

图1 研究地点位置图Fig．1 Location of the study sites

表1 WH－GCZ全新世剖面地层划分及描述Tab．1 Pedostratigraphic subdivision and descriptions of the WH－GCZ profile in the Weihe River valley

2 实验方法和年代确定

所采样品在室内自然风干后，采用英国Bartington公司生产的MS—B2磁化率仪测定其磁化率．化学元素使用荷兰Panalytical公司生产的PW2403X－Ray荧光光谱仪进行测定，主要测定Si、Al、Fe、K、Na、Mg、Ca、Mn等常量元素和Sr、Co、Ni、Cr、Rb、Zn、Cu等微量元素的含量．分析过程中均加入国家标准土壤样品（GSS－11和GSS－12）进行误差控制．样品光释光（OSL）年龄用RФse—Date—15断代仪器进行测定．

对于渭河流域，曾经有人进行了大量的全新世黄土－土壤地层与环境变迁研究，在若干典型剖面建立了可靠的年代框架［23－25］．如图2所示，渭河宝鸡峡谷WH－GCZ剖面与泾河中游全新世JH－ETC剖面结构完全相同，对比良好［23－25］，因而ETC剖面的年代框架可以用于GCZ剖面．通过与ETC剖面对比，可以确定全新世中期古土壤S0与晚期黄土L0的界限为3 100aB．P．．在GCZ剖面渭河古洪水滞流沉积层恰好夹在这个界面，故而初步判定渭河古洪水事件发生在3 100aB．P．前后，即大约3 200～3 000aB．P．．

进一步来看，WH－GCZ剖面所在位置正是考古学界记录的固川文化遗址所在地．在全新世晚期黄土L0之中发现西周文化层［26］，其考古学年龄为3 000～2 720aB．P．；在全新世中期古土壤S0之中发现龙山文化文化层，其考古学年龄为4 800～4 000aB．P．，而古洪水滞流沉积层恰恰出现在这两个文化层之间．对光释光样进行测年所得结果分别是：60～65cm古洪水滞流沉积层的OSL测年数据为3 064±237aB．P．；72～78cm全新世中期古土壤S0上部的OSL测年数据为3 060±197aB．P．，这就证明根据地层对比判定的古洪水事件发生年代是正确的 （图2）．

图2 渭河WH－GCZ剖面与泾河JH－ETC剖面地层年代对比Fig．2 Pedostratigraphic correlations between the WH－GCZ profile of the Weihe River and the JH－ETC profile in the middle reaches of the Jinghe River

3 结果分析

3．1 磁化率

WH－GCZ剖面的低频磁化率（Xlf）和高频磁化率（Xhf）的变化趋势极为相似，故以高频磁化率（Xhf）为例来进行分析．高频磁化率（Xhf）的总体变化范围为61．7×10－8～193．3×10－8m3／kg．剖面中磁化率数值在垂直方向上表现为波动变化，峰值出现在古土壤层（S0）中，磁化率平均值为159．7×10－8m3／kg；表明该时段是全新世以来最为温暖的时期，气候温暖湿润，生物风化成壤作用强烈，导致古土壤层的形成［27］．马兰黄土（L1）的磁化率平均值最低，为72．0×10－8m3／kg，表明其形成时期气候较古土壤时期寒冷干旱，沙尘暴堆积旺盛，并且堆积之后几乎没有成壤改造［28］．表土层（TS）由于长期农耕的影响促进了一定的成壤改造，磁化率有所增加，最大值达113．8×10－8m3／kg．古洪水滞流层（SWD）磁化率值与古土壤（S0）比较接近，表明其物质可能是被暴雨所侵蚀流域内的地表土壤和风化层被流水搬运和沉积过程中发生了二次分选的产物（图3）．

图3 WH－GCZ剖面磁化率曲线图Fig．3 Diagrams showing the magnetic susceptibility of the WH－GCZ profile in the Weihe River

3．2 常量元素

WH－GCZ黄土－古土壤剖面常量元素以氧化物（Fe2O3、CaO、K2O、MgO、Na2O、SiO2、Al2O3）的形式分析．

研究剖面各常量元素含量的变异系数都很低，表明常量元素的组成具有高度的一致性．而且在整个剖面上SiO2、Al2O3和Fe2O3三者平均含量之和均超过了70．0%，这种富铁硅铝现象说明该地气候比较湿热．同时可以看出SWD中各种氧化物的值均介于黄土和古土壤之间．SWD中MgO、CaO、Na2O含量低于黄土，而SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O含量高于黄土，这说明古洪水沉积层与黄土层的物质来源不同，黄土是沙尘暴的直接沉积物，古洪水SWD则是地表土壤和风化层被流水搬运和沉积过程中发生了二次分选（表2）．

表2 WH－GCZ剖面常量元素含量及与其他沉积物［4，29］的对比Tab．2 Content of major element in the WH－GCZ profile and other deposits%

SWD和S0一样，主要常量元素为SiO2、Al2O3和Fe2O3，三者平均含量之和均超过80．0%．SWD中其他常量元素的含量除MgO含量低于UCC和母质外，其余元素的含量变化情况和S0比较相似．但详细对比发现，SWD中除CaO和Na2O的含量高于S0外，其余元素含量均低于S0，说明SWD与古土壤的理化性质有明显的区别，因为SWD未经过明显的风化成壤改造（表2，图4）．

图4 WH－GCZ剖面常量元素的UCC标准化曲线分布及与其他剖面对比图Fig．4 Curves of major element for the WH－GCZ profile standardized by UCC and comparison with other profiles

3．3 微量元素

选取固川剖面中Sr、Co、Ni、Cr、Rb、Zn、Cu等7个微量元素与其他沉积物进行对比分析（表3）．GCZ剖面SWD、古土壤层和黄土层中Cu、Cr、Ni、Zn、Co元素含量均明显高于典型黄土背景值，而Sr元素含量在所有层位均低于典型黄土背景值，Rb元素含量除在马兰黄土层（L1）低于背景值外，在其余层位则高于背景值．

从GCZ剖面微量元素的UCC标准化曲线分布图（图5）可以看出，古洪水滞流层（SWD）、古土壤（S0）和马兰黄土层（L1）中的微量元素分布曲线的变化趋势极为相似，其中微量元素Rb、Zn、Cu的分布曲线均靠近UCC分布曲线．Cr、Sr、Ni、Co元素的数据点则显著偏离了上部陆壳的平均组成，与UCC相比表现出一些元素较明显的亏损而另一些元素富集的特征，这可能是大陆化学风化的效应．不同地区的风成沉积物相比，GCZ剖面黄土与洛川、关中黄土的微量元素含量差异较大，同种微量元素在古洪水沉积层（SWD）、古土壤（S0）与黄土（L1）中的变化趋势是一致的，表明微量元素的变化主要由母质决定（表3，图5）．

表3 WH－GCZ剖面微量元素含量及与其他沉积物［4，29］的对比Tab．3 Content of trace element in the WH－GCZ profile and other deposits mg／kg

图5 WH－GCZ剖面微量元素的UCC标准化曲线分布及与其他剖面对比图Fig．5 Curves of trace element for the WH－GCZ profile standardized by UCC and comparison with other profiles

4 讨论

4．1 磁化率

磁化率是表征物质磁学特征的物理量，可以推断样品记载的环境变化信息、分析古气候变化规律、为古环境研究提供可靠的磁学证据．由于古洪水滞流层磁化率较高，表明其物质可能是被暴雨所侵蚀流域内的地表土壤和风化层被流水搬运和沉积过程中发生了二次分选的产物．

通过与泾河中游全新世黄土土壤剖面地层结构的对比，获得了WH－GCZ剖面的基本年代框架．发现全新世古洪水滞流层正好处于全新世晚期黄土与全新世中期古土壤的界限位置，由于该界限在渭河流域被测定为3 100aB．P．，故可以初步断定全新世古洪水滞流层记录的特大洪水发生在3 200～3 000 a B．P．．根据古洪水滞流层上下的文化层，进一步确证了古洪水发生的年代．而古洪水滞流层SWD和古土壤层S0上部的OSL测年数据更加确定了古洪水发生的年代．这个时期正是全球性的气候从大暖期向干旱期突变转折的时期［30］．世界各地的全新世气候变化研究成果表明，该阶段气候剧烈变化，季风格局发生重大转变，干旱与洪涝事件皆有发生．WH－GCZ剖面SWD（55～70cm）的磁化率由高降低，在64cm处存在一个明显的转折，由于磁化率可以很好的指示气候变化，所以这个转折点指示了季风气候的转型，即气候发生突变，降水变率增大，从而导致特大洪水事件的发生．

4．2 化学元素

沉积物中化学元素的迁移与聚集除与其本身的理化性质有关外，还受到当时气候环境的影响．在温暖湿润的气候条件下，化学性质稳定的常量元素会以氧化物的形式保留在地层中，而活动性中等或较强的元素则可以较多地被溶解和迁移．WH－GCZ剖面中各个沉积层的SiO2、Al2O3和Fe2O3三者平均含量之和均超过70．0%，其中SiO2的含量较高（超过50．0%），说明土壤中的淋溶作用不是很强．相对而言，CaO、MgO、K2O、Na2O的含量都比较低，其中MgO、K2O和Na2O的含量均低于3．0%，CaO的含量剖面间差异较大，在1．76%～9．83%之间变化，可能与剖面形成过程中气候温暖湿润和寒冷干旱交替影响有关．S0中CaO含量明显低于L1、洛川、关中古土壤和UCC，表明S0形成时期，气候温暖湿润，导致Ca淋溶迁移，并且WH－GCZ剖面所处地区是关中降水量最多的地区，有利于元素的迁移转化，从而导致脱Ca过程的加强．SWD中CaO含量明显低于L1、洛川、关中古土壤和UCC，说明SWD在被流水搬运和沉积过程中发生了二次分选，但未经过明显的风化成壤改造，所以SWD与古土壤的理化性质有明显的区别．

文献［31－33］认为微量元素Sr、Co、Ni、Cr、Rb、Zn、Cu的含量变化与黏土矿物以及有机质含量变化有密切关系．WH－GCZ剖面上微量元素Sr、Co、Ni、Cr、Rb、Zn、Cu含量在剖面自上而下的发生波动变化，除Cr外，其他差异不大．Cu、Ni、Cr微量元素在古土壤层中都有一定程度的富集，是通过植物在生长过程中根部的吸附而聚集的原因．而在古洪水滞流层（SWD）含量也较高，是洪水滞流物黏性吸附作用的结果；Zn、Rb在风化成壤过程中相对比较稳定，而且在剖面上的含量变化与磁化率呈正相关关系，这与陈俊等对陕西洛川所做的研究结论一致［34］；Sr属于显著移动的元素，其浓度随CaO浓度变化而变化，在剖面的S0和SWD中含量低，黄土层中含量都较高．但SWD中的Sr含量却高于S0，主要是L0中被淋溶的Sr富集淀积在SWD中的缘故；Co含量在剖面上的变化则是由上向下递减；Ni含量在剖面垂直方向波动变化，在古土壤层出现峰值．

Cr、Cu、Zn在WH－GCZ剖面S0和SWD中的含量明显高于洛川和关中古土壤，特别是Cr在S0中的含量是洛川古土壤的近8倍；Ni元素含量稍低于洛川古土壤，却远低于关中古土壤；Co、Rb元素含量在整个剖面上介于洛川古土壤和关中古土壤之间；Sr元素含量在SWD介于洛川古土壤和关中古土壤之间，而在S0则低于洛川和关中古土壤．与上部陆壳（UCC）平均化学成分的对比表明，S0和SWD中Sr含量较低，其余元素含量均高于UCC．与之下伏的母质相比，剖面中所有微量元素含量都低．

5 结论

WH－GCZ剖面磁化率分析结果显示：低频磁化率（Xlf）、高频磁化率（Xhf）以及频率磁化率（Xfd）均在古洪水滞流层发生波动或明显的转折，而且频率磁化率（Xfd）与低频磁化率（Xlf）、高频磁化率（Xhf）曲线呈负相关关系，表明该次特大洪水发生在气候转型时期，即降水变率增大，从而导致特大洪水事件的发生．在全球变化和季风气候转折变化的背景下，渭河流域气候平衡状态也被打破，气候变化剧烈，植被退化，水土资源恶化，干旱灾害频发．而渭河上游特大洪水事件的自然记录，表明干旱与洪水都有发生．

地球化学元素分析结果显示：WH－GCZ剖面中滞流沉积层中的常量元素含量与其下部的古土壤层及剖面中的其他黄土层明显不同；而WH－GCZ剖面中滞流沉积层中的微量元素与其下部的古土壤层及剖面中的其他黄土层含量不同，但变化趋势相似，说明古洪水滞流层与黄土层的来源物质不同，而且被流水搬运和沉积过程中发生了二次分选，但又未经过明显的成壤改造，因而SWD与古土壤的理化性质有明显的区别．

［1］Gallet S，John B M，Torii M．Geochemical characterization of the Luochuan loess－paleosol sequence，China，and paleo－climatic implications［J］．Chemical Geology，1996，133（1）：67－88．

［2］李铮华，王玉海．黄土沉积的地球化学记录与古气候演化［J］．海洋地质与第四纪地质，1998，18（2）：42－44．

［3］葛俊逸，郭正堂，郝青振．特征时期黄土高原风化成壤强度的空间特征与气候梯度［J］．第四纪研究，2006，26（6）：84－90．

［4］陈骏，季峻峰，仇纲，等．陕西洛川黄土化学风化程度的地球化学研究［J］．中国科学：D辑，1997，27（6）：531－536．

［5］陈骏，安芷生，汪永进，等．最近800ka洛川黄土剖面Rb／Sr分布和古季风变迁［J］．中国科学：D辑，1998，28（6）：498－504．

［6］陈骏，汪永进，季峻峰，等．陕西洛川黄土剖面的Rb／Sr值及其气候地层学意义［J］．第四纪研究，1999，7（4）：350－356．

［7］Guo Z T，Liu T S，Guiot J，et al．High frequency pulses of East Asian monsoon climate in the last two glaciations：link with the North Atlantic［J］．Climate Dynamics，1996，12：701－709．

［8］文启忠，刁桂仪，贾蓉芬，等．末次间冰期以来渭南黄土剖面地球化学指标所反映的古气候变化［J］．地球化学，1996，25（6）：529－535．

［9］赵景波，黄春长．陕西黄土高原晚更新世环境变化［J］．地理科学，1999，19（6）：86－90．

［10］赵景波．关中地区全新世大暖期的土壤与气候变迁［J］．地理科学，2003，23（5）：44－49．

［11］毛龙江，黄春长，庞奖励．泾河中游地区全新世成壤环境演变研究［J］．地理科学，2005，25（4）：96－101．

［12］王丽娟，庞奖励，黄春长，等．甜水沟全新世黄土－古土壤序列风化程度及意义［J］．地理科学进展，2011，30（3）：125－130．

［13］Huang Chunchang，Pang Jiangli，Zhou Qunying，et al．Holocene pedogenic change and the emergence and decline of rain－fed cereal agriculture on the Chinese Loess Plateau［J］．Quaternary Science Reviews，2004，23：2525－2535．

［14］Huang Chunchang，Pang Jiangli，Chen Shu′e．Charcoal records of the firehistory in the Holocene loess soil sequences over the southern Loess Plateau of China［J］．Palaeogeography，Palaeoclimatology，Palaeoecology，2006，239：28－44．

［15］叶玮，Yabuki Sadaya，Kanayama Shinji．中国西风区黄土常量元素地球化学行为与古环境［J］．干旱区地理，2003，26（1）：23－29．

［16］陈淑娥，樊双虎，刘秀花，等．陕西榆林风沙滩区全新世气候和环境变迁［J］．地球科学与环境学报，2010，32（1）：81－88．

［17］Nesbtt H W，Markovics G，Price R C．Chemical processes affecting alkal is and alkaline earths during continental weathering［J］．Geochimica et Cosmochimica Acta，1980，44（11）：1659－1666．

［18］杨红瑾，黄春长，庞奖励，等．宁夏长城塬全新世黄土－土壤剖面元素地球化学特征研究［J］．地理科学，2010，30（1）：137－143．

［19］米小建，黄春长，庞奖励，等．宁夏长城塬全新世黄土－土壤剖面微量元素动态与成壤变化［J］．陕西师范大学学报：自然科学版，2010，38（3）：91－96．

［20］赵梅，査小春，黄春长，等．渭河流域全新世古洪水滞流沉积物地球化学特征［J］．水土保持学报，2012，26（1）：106－113．

［21］万红莲，黄春长，庞奖励，等．渭河宝鸡峡全新世古洪水事件研究［J］．陕西师范大学学报：自然科学版，2010，38（2）：82－88．

［22］万红莲，黄春长，庞奖励，等．渭河宝鸡峡全新世特大洪水水文学研究［J］．第四纪研究，2010，30（2）：430－440．

［23］付淑清，陈淑娥，魏明建，等．甘肃通渭县黄土堆积区全新世环境变迁［J］．地球科学与环境学报，2005，27（4）：71－74．

［24］Huang Chunchang，Pang Jiangli，Su Hongxia，et al．The Ustic Isohumisol（Chernozem）distributed over the Chinese Loess Plateau：Modern soil or palaeosol？［J］．Geoderma，2009，150（3／4）：344－358．

［25］查小春，黄春长，庞奖励．关中西部漆水河全新世特大洪水与环境演变［J］．地理学报，2007，62（3）：69－78．

［26］国家文物局．中国文物地图集：陕西分册［M］．西安：西安地图出版社，1998．

［27］杨晓燕，夏正楷，崔之久．黄河上游全新世特大洪水及其沉积特征［J］．第四纪研究，2005，25（1）：83－88．

［28］Yang Dayuan，Yu Ge，Xie Yuebo，et al．Sedimentary records of large Holocene floods from the middle reaches of the Yellow River，China［J］．Geomorphology，2000，33（1／2）：73－88．

［29］庞奖励，黄春长．陕西五里铺黄土剖面中微量元素地球化学特征［J］．长春科技大学学报，2001，31（2）：77－81．

［30］Maher B A．Paleorainfall reconstructions from pedogenic magnetic susceptibility variation in the Chinese loess and paleosols［J］．Quaternary Research，1995，44（3）：383－391．

［31］王君波，朱立平．藏南沉积钻孔沉积物金属元素分布特征及其与粒度的关系［J］．湖泊科学，2008，20（6）：715－722．

［32］杜德文，石学法，孟宪伟，等．黄海沉积物地球化学的粒度效应［J］．海洋科学进展，2003，21（1）：80－84．

［33］陈静升，洪松，王立新，等．中国东部河流颗粒物的地球化学性质［J］．地理学报，2000，55（4）：35－45．

［34］陈俊，汪永进，陈旸，等．中国黄土地层Rb和Sr地球化学特征及其古季风气候意义［J］．地质学报，2001，75（2）：259－267．