（环境工程专业论文）西峰剖面夏季风替代性指标研究及古气候重建.pdf

西峰剖面夏季风替代性指标研究及古气候重建 摘要 本文测定西峰剖面黄土红粘土系列中的磁化率、频率磁化率、碳酸盐、有 机质和游离铁含量，并通过碳酸盐和游离铁值来初步恢复古气候变化特征。结 果发现：1 ) 磁化率与频率磁化率具有同相位、同周期的变化趋势。在黄土古土 壤序列中，磁化率变化曲线表现为高幅低频波动，频率磁化率变化范围很小。 在红粘土层磁化率表现为低幅高频变化，频率磁化率整体升高；2 ) 碳酸盐在黄 土一古土壤序列中与磁化率具有明显的负相关，在红粘土层碳酸盐含量显著增 加；3 ) 有机质在s o 和s l 层含量很高，而在s 5 层以下特别在红粘土层变化趋 势不明显；4 ) 在黄土古土壤序列中，游离铁值变化曲线与磁化率相一致，在红 粘土层变化不明显，虽然游离铁最高值在s 5 层，但是游离铁在红粘土层平均 含量显著高于黄土古土壤序列：5 ) 整个第四纪古气候变化大致可分为三个大的 阶段：o 1 1 m a b p1 1 1 9 m a b p 和1 9 2 6 m a b p 。特别从0 1 m a 以来， 降水量和年均温都有降低趋势，说明气候向着越来越干冷的方向演化。 关键词：碳酸盐、有机质、游离铁、夏季风、西峰剖面 s t u d yo ns u b s t i t u t ei n d i c e so fs u m m e rm o n s o o ni nt h e x i f e n gs e c t i o na ndr e c o n s t r u c t i o no fp a l e o c l i m a t e a b s t r a c t t h i sp a p e rm e a s u r e dt h el o e s s r e dc l a ys e q u e n c e sm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ( x 1 ) ， f r e q u e n c ym a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t y ( x f d ) ，c a r b o n a t e ，o r g a n i cm a t t e ra n df r e e i r o n o x i d ec o n t e n ti nt h ex i f e n gs e c t i o n ，a n dp r i m a r yr e c o n s t r u c tp a l a e c l i m a t ec h a n g e b yc a r b o n a t ea n df r e ei r o no x i d ec o n t e n t t h er e s u l ts h o w e d ：1 ) x la n dx f ap o s s e s s t h es a m es t a t i o na n dt h es a m ep e r i o d i cc h a n g ec u r r e n t x i v a r i e t yc u r v es h o w h i g h e rb r e a d t ha n dl o w e rf r e q u e n c ef l u c t u a t i o nw h i l ex f dc h a n g er a n g el o wi nt h e l o e s s p a l a e o s o ls e q u e n c e s ；x ts h o wl o w e rb r e a d t ha n dh i g h e rf r e q u e n e ef l u c t u a t i o n w h i l ex f aw h o l ea s c e n di nt h er e dc l a yl a y e r s ；2 ) c a r b o n a t ec o n t e n th a so b v i o u s r e v e r s er e l a t i o nw i t h m a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yc h a n g e i nt h e l o e s s p a l a e o s o l s e q u e n c e s ，w h i l ec a r b o n a t ec o n t e n tm a r k e di n c r e a s ei nt h er e dc l a y ；3 ) o r g a n i c m a t t e rc o n t e n ti sh i g h e ri ns oa n ds1 l a y e r ，w h i l ec h a n g ec u r r e n ti su n o b v i o u s u n d e rs 5l a y e r s ，s p e c i a li nt h er e dc l a y ；4 ) f r e ei r o no x i d ec o n t e n ti sr e l a t e dt ot h e c h a n g em a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t yi nt h el o e s s - p a l a e o s o ls e q u e n c e sw h i l et h a t i s n t m a r k e di nt h er e dc l a y t h eh i g h e s tv a l u ei nt h es 5l a y e r y e tt h ea v e r a g ev a l u ei n t h er e dc l a yn o t a b l eh i g e rt h a nt h a ti nt h el o e s s p a l a e o s o ls e q u e n c e s ；5 1t h ew h o l e p a l a e c l i m a t e i nt h e q u a t e r n a r y d i v i d e di n t ot h et h r e e p h a s e s ：0 1 1 m a b p 1 1 1 9 m a b pa n d1 9 2 6 m a b p e s p e c i a ls i n c e0 1 m a p r e c i p i t a t i o na n dm e a n a n n u a lt e m p e r a t u r ed e c r e a s ec u r r e n ts h o w e dt h a tt h e r ew i l lb ed r i e ra n dc o l d e r c l j m a t ei nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c a r b o n a t eo r g a n i cm a t t e rf r e ei r o n o x i d es u m m e rm o n s o o n x i f e n gs e c t i o n 前言 研究课题来源于国家自然基金“黄土高原风尘来源、沉积和风尘过程的地 球化学研究”( 批准号：4 0 3 3 1 0 0 1 ) 黄土古土壤序列与东亚季风气候演化密切相关，其中黄土层代表了干冷的 冬季风强盛而夏季风相对减弱的时期，粉尘堆积速率快，风化成壤作用弱；与 此相间的古土壤层则代表了暖湿的夏季风优势期，气候温暖潮湿，风化成壤作 用强烈，它们完整地记录了第四纪以来东亚季风鲍演化历史。磁化率、碳酸盐、 有机质、游离度( f e d f e t ) 等都是夏季风替代性指标，东亚夏季风的气候驱动必 然与其替代性指标有着必然的联系。通过对夏季风替代性指标的研究，可以深 入地了解全球气候系统演化历史和演化趋势，以及了解东亚季风气候的区域性 和全球性等特征，讨论夏季风气候的空间演化规律并预钡9 将来气候的演化趋 势。 虽然目前关于东亚季风的形成机制、演化阶段、季风气候的不稳定性特征 等方面取得了大量丰硕的研究成果，但是在黄土与古季风研究中尚有许多基本 问题需要解决：1 ) 磁化率在指示夏季风变化时具有很大的不确定性，如陕西宝 鸡剖面成壤作用最强的古土壤s 5 中磁化率值并不高，远远低于s l 和s 2 ，而在 黑龙江泰来剖面风尘砂的磁化率值为( 6 0 1 2 0 1 0 4 m 3 k g q ) ，远高于多数黄土层， 甚至高于一些古土壤层；2 ) 游离度( f e d f e t ) 的古气候意义尚不十分明确；3 ) 东 亚季风的驱动机制尚待深入；4 ) “磁化率模式”、“轨道调谐模式”、“粒度一沉 积速率模式”等时间标尺创建的不确定性等一序列的问题。 为此，本论文研究黄土高原中部的西峰剖面( 3 5 7 。n ，1 0 7 6 。e ) 一黄土一 古土壤红粘土序列，系统地测定了磁化率和频率磁化率的变化曲线，分析了碳 酸盐含量、游离铁和有机质含量，为了进一步印证各个夏季风替代性指标之间 在红粘土中的可靠性。并利用统计学方法对碳酸盐、磁化率和年降水量与年均 温值的建立多元线性回归模型，对吉气候变化迸行的初步的探讨。从而为揭示 全球变化规律、预测未来的全球变化奠定基础。 由于个人能力有限，论文难免粗泛浅陋，敬请大家给予批评指正。 图1 1 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 i 图4 1 图4 2 图4 3 本文插图清单 地球轨道参数( 偏心率、地轴倾斜度和岁差) 示意图。3 中国黄土分布图。 西峰剖面地层、极性柱和磁化率变化曲线2 0 西峰剖面地层、极性柱、磁化率变化和频率磁化率变化曲线2 3 原生碳酸盐的形貌特征 黄土中次生碳酸盐形貌特征 碳酸盐反应装置图 碳酸盐含量与磁化率变化图 2 7 2 7 西峰剖面磁化率和碳酸盐变化曲线2 8 西峰剖面中有机质含量与磁化率变化 有机质含量与磁化率值的变化关系。 在红粘土层有机质变化和磁化率的对应关系 西峰剖面磁化率和游离铁值对比关系 磁化率与年均温之间的关系 3 4 磁化率和降水量之间的关系。4 1 降水量和年均温随年代的变化 4 5 全文表格清单 表2 - l 西峰剖面( s 5 层以上) 夏季风替代性指标的变化范围和平均值 表4 1 黄土高原的地理条件和磁化率变化 表4 2 磁化率年均温和降水量之间的线性分析。 1 3 4 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金魍王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：舌习、玉段签字f t g q ：加了年霸西自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金艘至些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金壁王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：羽玉乒 导师签名： 签字日期：7 , o 。7 年r 月瑟自 ( 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字日期：m 年岁月t ，日 电话 邮编 致谢 时光飞逝，转眼间，已过三载。三年中、拼搏过、奋斗过、有成功、也有 挫折，三年的历程一是艰难的历程，但也是我成长的历程，今生难以忘怀。 衷心感谢我尊敬的导师一陈天虎教授。从论文的选题、试验方案的设计实 施、再到论文的修改、定稿的每一步，陈老师无不倾注了巨大的心血，陈老师 治学严谨，知识渊博，令我敬佩不已。三年来，陈老师在学习上的谆谆教诲以 及在生活中都给予的悉心的关怀与照顾使我感激不尽，令我终生难忘。总之， 没有陈老师三年来悉心的指导，我的论文也就成了无源之水、无本之木。 在开题论证过程中，彭书传教授、谢巧勤老师提出了许多宝贵的建议，在 试验研究和数据处理过程中，给予了热心的帮助，使我克服了许多实际困难， 在此谨向他们表示衷心的感谢。 感谢马明海、宋垠先、王健、安志环、刘景丽、郭燕、袁君、朱荣、钱福 国、高薇、石莹、潘敏、黄晓鸣、何准、余新林等同学在试验过程中给予了热 情的帮助，还有程小昆、孙化斌、李元和李印等同学，在此表示衷心的感澍。 感谢硕士期间传道授业的老师以及关心支持我的所有人，在此一并表示忠心感 谢。 最后还要感谢我的父母及好友对我物质、精神上的支持，给我创造了良 好的生活环境，使我能够有更多的时间和精力投入学习和工作中去，是他们使 我的生活增添了许多的欢乐人生的道路上不再孤独。 祝所有给予我热情帮助的人们，工作顺利、生活幸福! 作者；孙玉兵 2 0 0 7 年5 月于合肥 第一章绪论 i i 过去全球变化研究的概述 2 0 世纪8 0 年代开始，国际科学界开展了国际地圈生物圈计划( i g b p ) 、全 球变化人文计划( 简称i h d p ) 、世界气候研究计划( 简称w c r p ) 和生物多样性计 划( 简称d i v e r s i t a s ) 等全球变化研究。其中国际地圈生物圈计划( i g b p ) ( 包括 水文循环与生物圈( b a h c ) 、陆地生态系统( g c t e ) 、大气化学( i g a c ) 、海洋 大气陆架碳交换( j g o f s ) 、过去全球变化( p a g e s ) 、海洋生态( g l o b e c ) 、海岸 带海陆相互作用( l o i c z ) 、土地利用覆盖( l u c c ) 、数据信息( d i s ) 、分析模型 ( g a i m ) 和研究与培自l l l ( s t a r t ) 十一个项目) 的核心项目之一过去全球变化 ( p a g e s ) q a ，将中国的黄土古土壤序列和其下伏的红粘土( 特别是1 5 万年以来) 作为重点研究对象之一，因为中国的黄土高原地处东亚季风环流与西风环流的 交汇处，又与对全球古气候演化可能有重要影响的青藏高原相邻接，是认识全 球古环境演化的枢纽地区。 对过去全球变化研究的目的就是要了解那些控制全球环境状态的关键过 程，揭示这些过程的变化所导致的全球变化的内在机理，改进我们对地球系统 过程的物理、化学、地质、生物和社会性及其全球和区域尺度变化趋势的认识， 从而为揭示全球变化规律、预测未来的全球变化奠定基础。 1 1 1 过去全球变化研究的内容 二十世纪六十年代以来，人们面临自然环境恶化而带来的空前的生存危 机，世界上许多国家和地区出现气候异常和严重的旱涝灾害，如从1 9 6 8 年开 始持续1 5 年的非洲大旱、6 0 年代以来多次发生的e in i n o s o u t h c r no s c i l l a t i o n 等，人类生存安全面临严峻的挑战。在此情景下，各国政府和科学家开始真正 审视和反省人类向自然不断索取以及改造的整个历程，因此过去全球变化 ( p a g e s ) 研究在全球范围内应运而生，在全球变化研究中，除了黄土记录了古 气候变化和古环境演化特征外，深海沉积物和极地冰岩芯也研究过去全球变化 重要的信息资源库。 由于氧同位素1 3 0 和o 的分馏机理可以揭示更新世以来大陆，海洋与太阳 辐射诱导的冰量变化，从而使得海钻探计划( d s d p ) 和大洋钻探计划( o d p ) 的研 究得到了广泛开展。r a y m om e 【1 】通过研究北大西洋晚更新世深海沉积物岩芯， 首次令人信服地证明了海洋沉积的某些磁学性质和古气候之间确实相互关联。 他发现冰期沉积物磁性矿物含量高、c a c 0 3 含量低、冰筏沉积增多，间冰期沉 积则与之相反。这种富含冰筏碎屑的周期性深海沉积，被称为h e i n r i c h 层，是 晚更新世北大西洋沉积的典型特征，可以通过磁化率测量识别出来【2 1 。 湖泊沉积记录的环境演变也是p a g e s 的重要研究领域之一。湖泊沉积环 境演变与亚洲古季风变迁研究是湖泊沉积与环境研究的重要领域，湖泊沉积记 录的冷暖干湿组合及其反映的古湖泊水位波动也是国际上建立气候模型的重 要依据 3 1 。湖泊沉积物磁化率的变化特征，常常同相对应的孢粉学、地球化学 特征相一致 4 - 6 。此外，贝加尔湖沉积物磁性矿物浓度和矿物磁学特征与 s p e c m a p 氧同位素曲线之间的一致性表明贝加尔湖磁记录可能反映了中亚地 区2 5 0k a 以来的气候变化历史。近年来，t h o u v e n ye ta 1 4 1 综合研究了法国中 央地块的两个玛琪湖l a cd ub o u c h e t 和l a cs tf r o n t 的孢粉组合、有机碳和磁 化率变化特征，为法国乃至欧洲e m i a n 间冰期快速的气候变化提供了证据。其 中对l a cd ub o u c h e t 湖的研究最深入，该湖的磁化率记录已成功地与格陵兰冰 芯、太平洋和印度洋深海岩芯的氧同位素记录进行对比【4 儿1 1 。 冰芯深钻计划开始于对c a m p c e n t u r y 冰芯的研究，从而重建了极她地区 气候变迁的历史。7 0 年代末在南极实施了d o m ec 冰芯的研究，8 0 年代初在南 极实施了v o s t o k 冰芯研究，9 0 年代初，欧洲共同体八国和美国分别研究了g r i p 冰芯和g i s p 2 冰芯1 8 1 。据f l i n t t 9 】统计，现在世界上冰川覆盖的总面积为 1 4 9 0 * 1 0 6 k m 2 ，其中南北半球各占1 2 6 2 * 1 0 6 k m 2 和2 2 8 * 1 0 6 k i n 2 ，而在更新世冰 期总面积可达4 4 3 8 * 1 0 6 k m 2 ，那时南北半球各1 4 7 1 + 1 0 6 k m 2 和2 9 6 + 1 0 6 k m 2 。 因此，在第四纪南半球冰川覆盖面积的变化是微小的，北半球太阳辐射量的多 寡会明显引起北半球冰川面积的消长，从而对全球性的气候演变起决定性作 用。 1 1 2 第四纪古气候的变化及驱动机制 第四纪气候不仅表现为轨道尺度的周期性交化，而且还具有万年尺度甚至 千年尺度以下的不稳定变化特征。d a n s g a a r d 等【1 0 l 最早根据格陵兰冰芯多指标 研究及与欧洲湖泊沉积记录的对比，发现末次冰期旋回中存在一系列快速升温 事件( 后称d a n s g a a r d o e s c h g e r 事件，简称d - o 事件或d o 颤动) ，每个d - o 旋 回事件持续时间为2 5 0 2 0 0 0 年不等，升温幅度达5 - 8 。 h e i n r i c h 1 1 l 在北大西洋东北部深海沉积记录中，发现末次冰期有6 次极显 著的冰漂碎屑层( i r d ) ，反映了6 次较大的冰山崩塌融化过程( 称为h e i n r i c h 事 件，简称h 事件) ，其时间间隔平均1 0 0 0 0 年，对应于半个岁差周期。随着格 陵兰两个长达3 0 0 0 m 的冰芯( g r i p 和g r i p 2 ) 提取，科学家对其详细研究发现， 在距今1 1 0 k a 1 l k a 时间内共出现2 4 次d o 事件，每一事件在氧同位素曲线上 表现为直角三角形特征，即快速升温后逐渐降温，与轨道尺度的气候变化有自 相似性；并且d o 事件与h 事件关系密切，二者相连可归纳为7 组，每组均 以突然增暖开始，继之逐渐降温，最后以h 事件告终，这每一组事件称为b o n d 2 旋回【1 2 。1 n 。此后，在太平洋深海沉积【1 6 17 1 ，中国黄土沉积【1 8 2 、孢粉 2 2 - 2 3 】、 洞穴石笋 2 4 1 等多种记录中均检出与h 事件及d o 事件相当的信号，表明这些 短尺度气候事件具有全球性特征。 在末次冰消期向全新世变暖( 持续2 0 0 0 年) 的过程中，气候突然发生短暂( 持 续约1 3 0 0 年) 的逆转，强度几乎近于冰期条件，之后才开始全新世暖期。这一 突然转冷事件被称为新仙女木事件( y o u n g e rd r y a s ，简称y d 事件) ，在其之前 的暖阶段被称为b o i l i n g a l e r o d 事件( 简称b a 事件) 。由于b a y d 波动的幅度 与持续时间与末次冰期时的气候特征相似，因此也被称为最后一个d 0 旋回。 在格陵兰与南极冰芯、北大西洋、西太平洋、地中海、北美西部、新西兰、中 国西部等均有记录【2 ”9 1 。 对于第四纪古气候不稳定的变化特征，塞尔维亚天文学家米兰科维奇【3 0 0 2 】 ( m i l a n k o v i t c h ) 认为由于太阳系星体间的引力摄动，地球轨道参数( 偏心率、地 轴倾斜度和岁差) 发生周期性变化，引起到达地球表层的太阳辐射在总量上以及 在沿纬度分配和季节分配上作周期性波动。由图1 1 可以看出，地轴倾斜度以 4 l k a 的周期改变入射太阳辐射的纬度分布，岁差以1 9 k a 和2 3 k a 两个周期改变 入射太阳辐射的季节分布，而偏心率的主导周期为1 0 0 k a 和4 0 0 k a ，只是微弱 地调节岁差的振幅，对入射太阳辐射的季节反差贡献很小。通过计算，米兰科 维奇认为北半球高纬地区( 北纬6 5 。附近) 夏季接受的太阳辐射量周期性变动是 引起冰期间冰期变化的主导因素。 图1 1地球轨道参数( 偏心率、地轴倾斜度和岁差) 示意图 f i g 1 - 1t h ee a r t ho r b i tp a r a m e t e r ( e c c e n t r i c i t y , g r a d i e n ta n dp r e c e s s i o n ) 从深海沉积、冰芯、黄土、湖泊沉积等地质记录中所发现的4 l k a ，2 3 k a 和1 9 k a 周期与米兰科维奇周期相吻合，表明地球轨道参数的变化是第四纪冰 期间冰期旋回的重要驱动因素。但是该理论难以解释下列问题：h 事件和y d 事件难以用米兰科维奇理论来解释；轨道偏心率的l o 万年周期对入射太阳辐 射的季节反差贡献很小，为什么会成为近9 0 万年来气候变化的主导周期0 0 万 年难题) 1 3 3 1 7 偏心率的周期有1 0 万年和4 0 万年两种，为什么地质记录中只见 前者不见后者( 4 0 万年难题) 3 4 1 7 从轨道驱动看，进入氧同位素第l l 阶段 ( m i s l l ) 时期太阳辐射量变化并不大，为什么会成为第四纪最强的暖期( 第l l 阶 段难题) d 5 l ? 此外，轨道尺度以下的气候不稳定变化也很难用米兰科维奇理论来 解释，这说明第四纪气候变化除了轨道驱动以外还可能有其它驱动机制的反馈 过程。 亚洲季风系统的形成与演化：季风是一种盛行风向随季节变化的气候现 象，海陆热力差异是形成季风的主要原因。东亚位于世界上最大的海洋太平洋 和最大的大陆欧亚大陆之间，海陆间的气温梯度和气压梯度及其季节性变化在 这一地区最为显著。因此东亚地区是全球最典型的季风区，东亚季风是海陆热 力差异所产生的最强的季风。东亚季风研究呈现两种发展趋势：一方面加强黄 土与沙漠、湖泊、古海洋、冰芯、洞穴堆积等气候环境记录的交叉研究和相互 印证，继续完善“东亚环境季风控制理论”体系的同时，深入探讨东亚季风的 起源与演化及其与亚洲干旱化、全球冰量、青藏高原隆升的关系p 3 j 【3 “。另一方 面加强短期气候事件和我国北方干旱半干旱半湿润地区的干湿变率研究，强 调低纬度海洋的水汽与能量对中高纬地区的传输和贡献，探讨东亚季风气候的 不稳定性特征和可能机制。 还有构造隆升驱动气候变化，如青藏高原隆升对北半球大气环流形成口”、 托半球中纬度干旱化及全球气候变化1 3 8 1 等确有重要的驱动作用；火山活动及其 气候变化1 3 9 】，如“阳伞效应”等等。 总之，第四纪气候以冰期闯冰期转换为特征，包含几年至几十万年时间尺 度的变化。从地球系统角度出发，从各种地质记录中寻找气候变化的证据，揭 示各种时间尺度下气候变化的规律和驱动及反馈机制，完善气候模拟方法，才 可能为精确预测未来气候发展趋势及可能采取的有效措施提供重要的保障。 1 2 黄土研究现状和存在争议的问题 1 2 1 中国黄土研究历史 在记录第四纪气候波动历史上，中国黄土同深海沉积和极地冰芯一起，成 为全球气候变化的三大信息库【4 。中国黄土在全球变化研究中的地位已被国际 学术界所公认。巨厚而又连续的黄土古土壤红粘土序列一直是重建第四纪古 4 气候演化历史的重要材料。黄土古土壤序列的研究认为黄色的黄土层和红棕色 的土壤层记录了黄土高原干冷与温湿的气候变化的历史。 黄土古土壤序列与东亚季风气候演化密切相关，其中黄土层代表了冬季风 强盛而夏季风相对减弱的时期，粉尘堆积速率快，风化成壤作用弱；与此相间 的古土壤层则代表了暧湿的夏季风优势期，气候温暖潮湿，风化成壤作用强烈， 它们完整地记录了第四纪以来东亚季风的演化历史1 4 2 s 4 1 。 从1 9 世纪后半叶起，已有学者开始对黄土高原晚新生代地层和地貌进行 考察和研究。庞培利可能是外国地质学家中提到中国黄土的第一人【55 1 ，他不仅 观察了中国黄土，而且对其成因做了分析，认为黄土是湖泊沉积物。德国学者 李希霍芬1 4 i j 在1 8 6 8 1 8 7 2 年期间先后到中国考察，并将中国黄土与莱茵河谷的 黄土进行了对比研究，更为重要的是，他实事求是地根据自己在中国野外观察 到的情况提出了黄土的风成学说。在他的地质著作中国( c h i n a ) 第一卷里， 对黄土进行了研究，并明确提出黄土是大气沉积物。他估计韵黄土厚度最多可 到2 0 0 4 0 0 m ，实际上就包括了含新近纪三趾马动物群的红粘土【5 “。对2 6 m a 以来的第四纪黄土古土壤序列在分布范围、形成时代、沉积过程、物质成分和 古环境等方面做了大量系统而深入的研究1 5 7 - 6 0 1 ，从风尘沉积角度探讨季风演 化、西北内陆干旱化和高原隆升提供了新思路。刘东生 4 u 从2 0 世纪6 0 年代开 始，通过对黄土高原大范围、多学科的研究，对中国黄土的分布、地层结构、 物质成分以及黄土中的生物遗存等做了大量系统的基础工作，并全面论证了黄 土的物质来源、风成成因及黄土搬运、堆积与演化的地质过程，将风尘沉积的 概念由晚更新世的马兰黄土扩展到了整个第四纪p “”j 。洛川剖面磁化率曲线同 深海岩芯氧同位素曲线( 指示全球冰量) 良好的相似性意味着中国的黄土是很好 的气候记录并且具有全球气候意义i6 1 i 。8 0 年代后。全球变化的思想被应用到 了黄土研究中来，各种古环境代用指标得到了系统的研究和运用，黄土成为亚 洲季风形成和发展、亚洲内陆干旱化以及青藏高原隆升等重大环境事件的良好 地质记录【5 6 j 【6 1 。6 3 1 。 随着古环境研究的进展，黄土高原2 6 m a b p 以前的三趾马红土受到越来 越多的关注。对其下伏的红粘土的研究则明确指出红粘土序列与上覆的第四纪 黄土一样，是季风分明的亚洲季风气候下的产物【6 4 4 引。显然，黄土高原上这套 完整的新近纪以来的风尘沉积蕴含着丰富的古气候信息，真实地记录了东亚季 风形成与演交的重要信息。 安特生1 7 4 】在我国河南、陕西一带考察时发现在原先属于黄土底部的红粘土 中具有三趾马的动物化石，故将这部分新近纪的红粘土与黄土分开。后来，德 日进和杨钟健【7 5 】在静乐一带发现了一套在“保德红土”( 蓬蒂期) 上部，三门组 之下含三趾马的红色堆积，称为“上蓬蒂”，即所谓的“红色土a 带”，并归属 于中或上上新世。杨钟健【7 6 】根据“静乐红土”化石的性质，将其沉积时代定为 5 “静乐期”，归属于“上新统”，并将“保德红土”划分为下上新统。裴文中等 7 】在“三门峡地层会议”上，首次采用“静乐统”的概念，认为是上新世中期。 刘东生等u s l 根据地层的岩性和化石组合特点在该地区建立了“蓝田组”和“溺 河组”，并认为蓝田组属于上上新世，相当于静乐红土，滔河组属于下上新世， 相当于保德红土。稍后，裴文中等【7 7 1 又把“静乐红土”称为静乐组，是上新世 上部的堆积。 最近十几年来，随着古地磁测年技术等各种方法的应用，红粘土的研究提 高到一个新的发展阶段。表现在以下几个方面： 1 、土壤地层学 在陕西佳县剖面的研究中，d i n ge ta l 7 9 1 开始使用土壤地层方法划分红土 地层。这种方案将相邻的发育强度相近的土壤层划为一个组合，采用r c i ( i 为 土壤组合的编号) 的命名方案。在佳县剖面和灵台剖面分别划分出1 8 个组合和 3 1 个组合。泾川剖面与灵台剖面地层结构相似，但底部多发育一套地层。安芷 生等【3 3 l 更倾向于用弱风化的红色黄土组合和较强风化的红色古土壤组合来划 分红土地层，并建议将西峰、灵台等剖面的7 个黄土和古土壤组合作为红土地 层划分的一级地层单位，并采用r s l ，r s 2 ，、r s 7 ，和r l i ，r l 2 ，、 r l 7 的命名方案。 由此可见，目前三趾马红土研究尚缺乏统一的土壤地层划分方案。加强各 剖面之间的对比研究，建立统一的地层方案是非常必要的，但由于野外缺乏标 志层，要实现各剖面的对比是比较困难的。 2 、磁性地层学 对新近纪红粘土古地磁研究结果表明，黄土高原红粘土具有较好的连续 性。目前，己建立磁性地层序列的剖面主要有： 灵台剖面：位于灵台县以南1 3 k m 的任家坡( 3 5 0 l 。n ，1 0 7 6 5 。e ) ，整个 剖面厚约1 3 0 m ，上覆完整的黄土古土壤序列，下伏于晚新近纪砂岩。丁仲礼 等7 9 1 、孙东怀等8 0 1 对同一剖面进行了古地磁测量，二者的测量结果基本一致， m g 界限位于l 3 3 的中下部，g g i 界限位于红粘土中3 1 m 处，底界年龄约为 7 m a b p 左右。 段家坡( 西安) 剖面：该剖面位于陕西蓝田县( 3 4 2 。n ，1 0 9 3 。e ) 境内，6 0 年代曾做过大量的生物地层工作，整个剖面厚约6 1 5 m 。古地磁测量结果【3 0 】表 明：m g 界限位于最老黄土的中下部，g g i 界限在红粘土1 2 5m 处，底界年 龄约为6 8 m a b p 。 西峰剖面：l i ue ta l ( 3 1 1 等在西峰市( 3 5 7 。n ，1 0 7 6 。e ) 东北陈家庄红粘土 剖面进行了古地磁测量，整个红粘土剖面厚约3 0 m ，m g 界限在红粘土的上部 距黄土与红粘土界限约4 m 处，g g i 界限在红粘土底界附近，底界年龄约为 6 3 4 m a b p 孙东怀【s 0 】等对西峰市以西1 6 k m 的巴家咀剖面进行了古地磁测量。 红粘土上覆第四纪黄土古土壤序列，下伏于晚新近纪河流相细砂，与红粘土有 1 5 m 的过渡层，全剖面厚约6 6 m 对照标准极性柱1 8 2 ，m g 界限在红粘土的上 部，距黄土与红粘土界限约3 2 m 处，g g i 界限在红粘土中3 2 m 处，底界年龄 约为6 6 m a b p 。后来，孙东怀 8 0 l 等将巴家咀剖面和西峰市以东2 0 k m 赵家川 割面的古地磁样品在英国利物清大学的超导磁力仪进行了侧量。结果证明前述 对巴家咀测量是一致的。 另外，建立磁性地层序列的还有：宝鸡剖面 8 3 l ，该剖面厚约3 0 m ，底界年 龄4 3 m a 。灵台雷家河剖面【s 4 1 ，整个剖面厚约7 6 m 左右，底界年龄约为6 0 m a 。 佳县剖面厚约6 0 m ，底界年龄约为5 2 5 m a ”】。1 9 7 9 年，薛祥煦等 s 6 1 对陕西府 古老高川进行了古地磁测量该剖面厚约5 2m ，早上新世红粘土上部缺失，底界 年龄约为7 5 m a 。 3 、生物地层学 周晓元 s s 】根据哺乳动物群组成的分析，认为静乐红土的时代大体上与游河 期相当( 晚上新世) 。最近几年来许多学者根据化石组合，并结合古地磁测年结 果进行了地层划分，薛祥煦等【8 6 】根据府谷老高川的化石组合及古地磁测定红粘 土下、中段( 4 0 m ) 属晚中新世，上层( 1 2 m ) 属上新世。在此基础上，在保德期中 建立了两个亚期：喇嘛沟亚期( 7 8 m a ) 、庙梁亚期( 7 5 7m a ) 。三趾马动物群化 石出产的下部1 2 m 厚的地层( 5 3 5 6 m a b p ) 属保德期蓝田组，上中部5 0 m 厚的 红粘土属静乐期沉积。 1 2 2 目前研究存在争议的问题 虽然目前关于东亚季风的形成机制、演化阶段、季风气候的不稳定性特征 等方面取得了大量丰硕的研究成果【4 0 l 【8 7 9 1 ，但是在黄土与古季风研究中尚有 许多基本问题需要解决。磁化率作为夏季风替代性指标在过去全球研究中得到 了广泛的应用，但是越来越多的证据显示磁化率在指示夏季风变化时具有很大 的不确定性，如陕西宝鸡剖面成壤作用最强的古土壤s 5 中磁化率值并不高， 远远低于s l 和s 2 1 9 0 ，而在黑龙江泰来剖面风成砂的磁化率值为 ( 6 0 1 2 0 1 0 4 i n 3 k g 。1 ) ，远高于多数黄土层，甚至高于一些古土壤层，到目前为止 仍不能圆满地解释黄土古土壤中磁化率变化的真正原因，它有可能是多成因的 综合【9 1 1 ，因此磁化率在指示夏季风环流变化时可靠性与敏感性受到质疑；一些 学者1 9 2 。9 4 1 认为红土在物源和气候动力学上与第四纪黄土相似，在红粘土层由于 土壤潜育化作用导致红土中氧化亚铁磁性颗粒向氢氧化物转化，磁化率降低， 不能作为夏季风的替代指标，大多数学者认为粒度和磁化率仍旧可以作为冬季 风和夏季风的替代性指标；郭正堂等m 儿6 3 】认为西峰地区红土经历了较复杂的后 期改造，游离铁全铁比值的古气候意义尚不十分明确；还有东亚季风的驱动机 ， 制尚待深入：“磁化率模式” 9 5 1 、“轨道调谐模式”【9 6 1 和“粒度沉积速率模式” 等1 2 u 时间标尺创建的不确定性等一序列的问题。 鉴于此，本论文选择黄土高原代表性的西峰剖面( 3 5 7 。n ，1 0 7 6 。e ) 一黄土 一古土壤一红粘土序列，系统地测定了磁化率和频率磁化率的变化曲线，分析了 碳酸盐含量、游离铁和有机质含量，为了进一步印证各个夏季风替代性指标之 间在红粘土中的可靠性。并利用统计学方法对碳酸盐、游离铁和年降水量与年 均温值之间关系的建立多元线性回归模型，对定量重建古气候变化进行初步的 探索。从而为揭示全球变化规律、预测未来的全球变化奠定基础。 1 3 选题目的和拟要解决的问题 1 3 1 选题目的及其意义 对于过去全球变化的研究，刘东生1 9 7 l 认为以“研究过去只是为了未来” 和“地学的文艺复兴呼唤未来”为题的两个思路，从1 ) 以人为本务实社会需 要；2 ) 地球和人类共同的未来人和自然的和谐；3 ) 我们需要提出理论是一种科 学文化；4 ) 群众需要第四纪极大地提高人民素质等4 个方面展望中国第四纪的 研究的新形势。1 9 5 7 年竺可桢先生在第四纪研究委员会成立的第一届学术会议 上讲了一句半个世纪以后仍令人感到新鲜的话：我作为一个气候工作者，尤其 希望第四纪的研究委员会成立，只有知道了过去的情况才能有希望预测未来。 在西部大开发中对水资源研究中，对第四纪地质发展历史及其水资源和生态用 水问题特别重视。总之，了解过去是通往未来的钥匙。 冬季风通过蒙古高压和冷空气活动与极地高纬度地区的气候相联系：东亚 夏季风通过穿越赤道的气流和低纬度地区及南半球气候相联系；同时东亚季风 还通过西风带与西半球气候相联系。因此，东亚季风是连接陆地( 包括极地) 、 海洋、大气的纽带，是海陆气冰相互作用的重要载体【7 。对东亚古季风的形 成与演化及驱动机制的研究又为理解现今运作机理提供重要线索，并为今后环 境恶化提供预测。该研究己被列入过去全球变化中极地赤道极地大断面上古 气候对比p e p i i 计划f 其中p e pi ，p e p i i ，p e p i l l 计划研究对象分别指美洲断 面、亚澳断面和欧非断面计划) 及中国“十一五计划”优先资助领域之一。因 此，对于第四纪古环境、古气候演变特征的研究的目的和意义显而易见。 1 3 。2 研究主要内容及其拟要解决的问题 本文研究的主要内容是对西峰赵家川剖面黄土古土壤红粘土序列中磁化 率、频率磁化率、碳酸盐、有机碳和游离铁含量进行了测定，并根据黄土高原 各地区现代表土碳酸盐、磁化率、年降水量和年均温值之间的关系进行数学模 拟，对定量重建古气候变化进行初步的探索，从而达到预测未来的目的。 8 ( 1 ) 系统地测定西峰剖面黄土古土壤红粘土序列中磁化率和频率磁化率。 为其它夏季风替代性指标提供参照，对于正确理解和认识冬、夏季风相互演 化的规律具有重要的科学意义； ( 2 )系统地测定了西峰剖面黄土古土壤红粘土序列中有机质、碳酸盐和游 离铁含量，分析了其变化规律并将各个指标之间的关系进行对比，对于认识 新近纪以来风尘沉积记录夏季风替代指标所指示的古气候意义，正确理解古 气候演化及其古环境特征，具有重要的理论和实际意义； ( 3 ) 利用统计学方法对碳酸盐、游离铁、年降水量和年均温之间的建立多元 线性回归模型，对定量化重建古气候变化进行初步的探索。 9 第二章西峰剖面地质背景研究 黄土是我国对松散黄色土状堆积物的统称。由于黄土成因、成分等的复杂 性，一直没有准确的定义。1 9 6 5 年刘东生等【5 6 1 根据我国各地黄土类沉积物的 研究结果及当时国内外的认识，参考了b a 奥勃契夫的意见，曾指出以风力搬 运堆积未经次生扰动的、无层理的、黄色粉质富含碳酸盐并具有大孔隙的土状 沉积物称之为黄土，具体地说就是以分布在山西、陕西和甘肃等地构成黄土高 原的黄土作为代表。风力搬运堆积之外的其他成因的黄色的、有层理和砂或砾 石层的粉土状沉积物称之为黄土状岩石。黄土状岩石就是一般所说的次生黄 土。一般地说，它的成因与黄土具有一定联系，多数为黄土经水流等外营力再 搬运，在干旱和半干旱地区内再沉积而形成的，因而在岩性及其它特征上与黄 土有某些相似之处。 图2 1中国黄土分布图 f i g 2 - 1c h i n e s el o e s sd i s t r i b u t i o n 从概念来看，黄土和古土壤两者都是环境的产物。所不同的是黄土代表干 冷气候条件下的沉积，而吉土壤则指明了气候相对温暖和湿润的环境下成壤而 成，黄土和古土壤多次的交替出现代表气候的干冷一暖湿多次波动现象。 中国黄土以其分布最广、厚度最大、地层最完整而闻名于世。由图2 1 可 以看出，它大致沿昆仑山、秦岭以北、阿尔泰山、阿拉善和大兴安岭一线以南 分布，构成北西西南东东走向的黄土带。黄土带的东端向南北两个方向展布， 北起松嫩平原北部，南达长江中下游，处于北纬3 0 。4 9 。之间，分布面积约 6 3 万k m 2 ，厚度从数1 0 m 至4 0 0 m 不等。根据黄土的沉积特点，中国黄土的分 布自西向东分西北内陆盆地区，中部黄土高原区和东部山前丘陵及平原区【5 6 1 。 2 1 西峰剖面自然地理背景的研究 2 1 1 西峰黄土红粘土剖面的地质背景 黄土高原地区的黄土最为发育，厚度最大，地层也最全，构成了中国黄土 的发育中心，是研究第四纪以来东亚古气候、古环境变化及其它地质事件的标 准陆相沉积区。 西峰赵家川剖面( 3 5 7 。n ，1 0 7 6 。e ) 位于甘肃西峰市以东的1 6 k m 的赵家 川村，属于黄土高原的主体部位，处于六盘山以东，吕梁山以西。秦岭以北的 黄土高原中部。它是黄土高原现存面积最大、保存最完整的董志塬中部。塬面 海拔为1 2 0 0 1 3 0 0 m ! 邺l 。 地貌特征：源面切割的程度十分严重，河谷谷地有基岩出露。 气候特征：处于西北半干旱地区，大陆性气候特征显著，冬季酷寒，夏季 炎热，四季分明。各年降水量和年内分配、地区分布极不均匀。冬春季节多风 干旱，雨水集中在夏秋季。该地区年均温8 7 1 2 ，温度变化为一2 2 4 一3 5 1 。 水文特征：主要的河流有马莲河、蒲河、洪河、四郎河和葫芦河，绝大部 分属径河流域。研究剖面位于马莲河河畔。该区多年平均总径流量为8 4 3 亿 m 3 。全年河流径流量集中在夏季，七、八、九月份一般占全年的6 0 。由于植 被覆盖较差，水土流失相当严重，侵蚀模数为7 7 5 0 t k m 2 ，仅七、八月份的输 沙量一般占全年的8 5 。年均降水量为5 5 5 m m ，蒸发量为5 2 0 m m 。 土壤植被：地表士壤为地带性的黑垆土，植被覆盖较差，该区农业历史悠 久，源面多开垦为农田，未开垦的荒沟分布着稀疏的草本植被。 2 1 2 地层剖面特征 西蜂剖面是由第四纪的黄土古土壤系列( 约1 6 8 m ) 和新近纪的红粘土( 5 6 m ) 组成，其中第四纪的黄土古土壤系列由自上而下的全新世的黑垆土( s o ，厚度 为1 5 m ) 、晚更新世的马兰黄土( l 1 ，厚度为8 4 m ) 、中更新世的离石黄土上部 ( s 1 l 9 ，厚度为7 3