黄土高原黄土_古土壤序列古气候代用指标综述

文章编号:1009-6248(2011)02-0177-09

黄土高原黄土-古土壤序列古气候代用指标综述

杜青松

(中国地质大学地球科学与资源学院,北京100083)

摘要:黄土高原黄土-古土壤序列是古气候演化在陆相地层中的反映,已经成为认识第四纪地球气

候与环境变化的3个重要信息载体之一,可用来探讨东亚季风气候的形成演化和受控机制、气候突变

事件的记录乃至反演我国内陆干旱化历史。稳定同位素、磁化率和孢粉等气候代用指标的地球化学、物理学以及生物学分析为提取黄土-古土壤序列中蕴藏的古气候环境信息提供了新的途径。随着定量

重建古气候方法的不断引进,运用替代指标研究的结果的准确度和精度也在不断提高。

关键词:黄土-古土壤序列;古气候代用指标;对比分析;成壤强度;东亚季风演变

中图分类号:P532文献标识码:A

1引言

青藏高原的隆升、亚洲内陆荒漠的起源和季风气候的形成奠定了我国现代环境的基本格局。这三者的关系一直为全球气候演化研究人员所重视。全球气候变化及其对生态系统的影响,尤其是近年来气候异常在许多地区造成了一系列的自然灾害,给人类生存环境带来严重的不利影响。为了应对气候剧变,探索古气候变化的动力成因机制,并由此预测未来气候变化趋势变得极为迫切(丁旋,1998)。中国的黄土高原大约有7Ma的历史(H eller F et al1,1982),甚至更长(22M a)(Guo Z T et al1, 2002)。黄土-古土壤是季风气候下的产物,其中黄土层形成于冬季风相对强盛时期,期间气候干冷,粉尘堆积速率高,风化成壤较弱。古土壤则代表了夏季风相对强盛期,气候温暖湿润,风化成壤作用强,就形成褐红色的古土壤。因此黄土-古土壤序列记录了最近7Ma东亚冬季风占优势和夏季风占优势气候期相互交替的变迁历史。该风尘堆积序列随着青藏高原高度的不断增长,越来越多地显示黄土高原气候向干旱化方向发展(把多辉等,2005)。赵济(1995)针对全新世时期亚洲大陆的造山运动已基本停止这一情况,提出引起黄土高原环境演变具有全局性意义的自然因素首先是气候的波动。由于长尺度环境记录的相对缺乏,导致气候和构造事件发生时代的不确定性成为研究工作面临的突出问题(黄成敏等,2001)。但利用不同古气候代用指标的地球化学、物理学以及生物学等方面的对比分析无疑会有助于从黄土-古土壤序列中分离出全球性和区域性的气候变化信息。

2黄土高原黄土-古土壤中的古气候研究指标

211物理学指标

21111磁化率变化曲线

中国黄土剖面的磁化率变化曲线可以与深海洋同位素曲线进行较好的对比,进而揭示全球气候的中长期变化,还可以揭示百年至千年尺度的气候变化。因此,磁化率作为一种古气候替代性指标在黄

收稿日期:2010-10-21;修回日期:2011-03-11

作者简介:杜青松(1985-),男,硕士研究生,主要从事第四纪地质与环境演变研究。E-mail:1005368061@qq1co m

土研究中得到广泛的应用(吉云平等,2007),尤其成为衡量夏季风强弱的敏感参数或代用指标(安芷生等,1990)。旺罗等(2000)指出,黄土的粉尘物源成分并不均一,磁化率必然受原生物质成分变化的影响。为了更进一步了解磁化率变化的古气候意义,顾兆炎等(2000)针对古土壤相对于黄土磁化率增强原因提出两种最主要的古土壤磁化率增强机制的模式)))稀释模式和成土模式。但是,黄土高原南端一些最发育的间冰期土壤磁化率并不高,这是稀释模型所无法解释的。持成土模式的学者则认为有极细的超顺磁和(或)单畴的强磁性颗粒在古土壤发育过程中形成,使古土壤的磁化率增高。鸟居雅之等(1999)证实在土壤化过程中形成的011L m以下的单畴-超顺磁性颗粒是造成古土壤磁化率增强的主要原因,暖湿气候是古土壤磁化率增加的共同原因。因此,仅以单一含量进行古降水量的分析可能是不准确的(An Z S,et al1, 1993)。同时,人们还注意到(吕厚远等,1994),在温度和降水的增加超过某一临界值后,磁化率反而会随温度和降水的继续增加而减小。彭先芝等(2002)从有机物角度入手定量模拟发现磁小体是黄土-古土壤序列中超细粒磁性物质的组成部分,当气候环境比较适宜磁小体形成及保存时,磁小体在黄土剖面中超细粒([50nm)磁性组分中比重会相应增高,对磁化率和频率磁化率的影响也更为突出。综上,磁化率成因机制争议主要集中在磁性矿物的来源和磁学参数随气候环境变化的具体规律两方面。充分认识粉尘来源物质中的Fe的赋存形式,以及理解有利于形成土壤磁性矿物的土壤化学风化的动力学和地球化学条件,是黄土-古土壤磁化率成为可靠的具有明确的环境意义的根本(顾兆炎等, 2000)。采用将今论古的方法调查现代表土磁化率等环境磁学参数特征,结合统计学可以找到分辨率更高的磁学参数重建古气候(夏敦胜等,2006)。

21112粒度变化

作为东亚冬季风变化最敏感的替代性指标之一(丁仲礼等,1996),中国黄土高原黄土-古土壤序列的粒度变化指示了搬运粉尘风动力变化以及沉积环境变化。孙东怀等(2000)发现黄土的粒度分布由分布峰度较高、分选较好的粗粒组分和分布峰度较低、分选较差的细粒组分叠加组成。其中,前者代表了冬季风盛行季节近距离低空搬运的粉尘物质,其粒度指示了东亚冬季风所主导的近地面气流的强度。一些人根据黄土-古土壤中所含的碳酸盐(盛雪芬等,2002)、石英粗颗粒体积分数(孙有斌等,2002)等重建了黄土高原的古气候。刘进峰等(2007)通过全岩样品与石英组分粒度的对比实验显示,石英组分的中值粒径可更好地反映原始粉尘的粒度状态,而全岩中值粒径则含有后期成壤的信息,两者的差值与代表原始粉尘的石英中值粒径比值,可作为反映风化成壤强度的有效指标。刘冬雁等(2010)系统回顾了粒度分析在中国第四纪黄土古气候研究中的应用,认为传统粒度指标应用广泛,敏感粒度的确定是反演古环境的关键,粒度指标时序谱分析是古气候定量化研究的重要方法之一,粒度年龄模型仍是较可信的建立地层年代序列的方法。鹿化煜等(2010)结合地统计法和遥感定量分析获知,在未来全球气候变暖的背景下,黄土高原的粉尘沉积速率随之加快。但由于研究目的和要求的不同受分析条件的限制等,该代用指标还有许多的现实问题函待解决,如不同气候背景下是否存在或如何统一粒度分布模式,在黄土全样粒度指标的选用上还存在着不确定性等。

212地球化学指标

21211游离氧化铁含量、全氧化铁质量百分数和FeD/FeT值

刁桂仪(1982)首次对洛川黄土剖面中游离氧化铁进行测定,并获知古土壤层中的含量一般较黄土层高,游离氧化铁的含量在剖面上由低到高的变化,对应着气候由干冷至温湿的波动。郭正堂等(1999)认为风尘全Fe2O3含量可能反映了西风带北支气流的强度,并明显存在着千年尺度的变化。魏明建等(1988)指出全氧化铁记录序列与深海氧同位素气候曲线具有细节可比性,并揭示出一些陆地气候演化与大洋气候演化不同的特点。而且黄土中全氧化铁质量百分数曲线波动幅度高于游离氧化铁及亚铁质量分数的变化,是所有不同状态铁的指标中反映气候变化最灵敏、稳定性最好的一个指标。通常土壤的成壤强度同时能够通过微形态学参数指示,陈一萌等(2006)对源堡黄土剖面进行分析,探索化学风化和生物风化作用下土壤中最常见的致色矿物赤铁矿和针铁矿以及有机质与土壤颜色的关系,并证实土壤颜色作为气候变化的代用指标无论在百年尺度、千年尺度还是在万年尺度上均是

178西北地质N OR T H WE ST ER N GEO LO GY2011年