2001-西宁黄土堆积记录的最近13万年高原季风气候变化

第21卷　第5期

　2001年9月　　　　　　

　　　　September,2001QUATERNARY　SCIENCES第　四　纪　研　究Vol.21,No.5

西宁黄土堆积记录的最近13万年

高原季风气候变化

鹿化煜　马海州　谭红兵　李　珍　苗晓东

①①③④安芷生　王晓勇　曹广超　JefVandenberghe

(①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,西安　710054;①②③②3③①

②中国科学院青海盐湖研究所,西宁　830008;③青海师范大学地理系,西宁　830008;

④自由大学地球科学学院,阿姆斯特丹)

摘要　　青藏高原对于大气的热力和动力作用形成了高原季风气候现象西宁盆地位于高原季风控制区,。、释光和光释光测年,3含量和粒度等古

5e3。高原夏季风和冬季风变化存在位相差以及冬季风

,夏季风弱的时候冬季风不一定强的变化模式。

主题词　　青藏高原　黄土　高原季风　最近13万年　气候事件对比

1　引言现代气象观测表明,青藏高原的热力和动力作用使其上空相对于周围的大气在夏季为热低压、在冬季表现为冷高压,由此形成压力场和风流场的季节变化表现为高原季风现

[1～5]象,青藏高原及其周边地区的气候变化受控于高原季风强度的变化。相对于东亚季

[6～9]风气候历史的研究,地质时期高原季风变化的研究还很薄弱。高原季风与东亚季风

无论在影响范围、气候特征和驱动因子等方面都有重要的不同。因此,加强高原季风气候历史的研究不仅对于认识高原地区的气候变化规律有重要意义,同时,对于进一步认识东亚季风变化也有启发作用。最近的研究已经开始涉及长时间尺度高原季风气候的变

[10,11]化,但是,由于研究方法和区域的局限性,对于高原季风气候变化的认识还很粗浅。

[12～17]青海东部西宁盆地的黄土堆积良好地记录了第四纪古环境变化的过程,对其进行深

入的研究可望获得高原季风气候变化的信息。

第一作者简介:鹿化煜　男　33岁　研究员　晚新生代环境变化和沉积学专业　E2mail:luhy@　中国科学院知识创新工程重大项目(批准号:KZCX1-10-01和KZCX2-305)和国家自然科学基金(批准号:49961006)资助项目

2001-04-25收稿,2001-06-18收修改稿3

5期　　　　　鹿化煜等:西宁黄土堆积记录的最近13

万年高原季风气候变化4172　野外调查、采样和实验室测试

1999年春天,我们在青藏高原东北部进行了为期两个多月的第四纪黄土野外考察。这里气候干燥,黄土堆积颗粒较粗、结构松散。由于新构造活动强烈等因素,黄土地貌受侵蚀作用而支离破碎,没有较大的黄土塬,次生黄土披覆较厚。我们选择西宁市西郊的土巷道黄土剖面进行了年代学和古气候代用指标样品的采集(图1)。

该黄土堆积位于湟水

图1　青藏高原及其周围气压场的分布以及采样点的位置

(a)冬季1月份的平均气压场　(b)夏季7月份的平均气压场

1.青藏高原　2.采样点　3.等压线值　4.等压线　5.高压中心　6.低压中心

Fig.1　AtmosphericcirculationaboveandaroundQinghai2XizangPlateau

的低阶地之上,厚度超过110m,其上部约44m的黄土-古土壤为末次间冰期以来的风尘

[15～17]1)沉

积。该剖面顶部(约3m)出露全新世古土壤堆积,浊黄橙色(715YR6Π3,芒塞尔标准,　　1)马海州.柴达木盆地湟水谷地沙漠黄土河湖阶地研究.兰州大学博士学位论文.1996

下同),颗粒较细,含植物根系和虫孔;中部马兰黄土堆积超过33m,浊黄色(10YR6Π4),颗粒较粗、疏松,中间夹有薄层的深色古土壤层;末次间冰期古土壤堆积厚度约8m,浊黄棕色(715YR5Π4),有4层古土壤,最下层的古土壤发育最好,颗粒较细、结构紧密。对该剖面进行了探槽采样,取得热释光和光释光年代样品6个,对于全新世和末次间冰期古土壤层按5cm间距采样,马兰黄土按10cm间距采样。样品在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测试。年代学样品同时进行热释光和光释光两种方法测年,磁化率用英国Bartington公司生产的MS2磁化率仪测量,CaCO3测量用气体法,粒度用英国Malvern公司生产的Mastersize-S激光粒度仪进行测量,采用了较为彻底的前处

[18]理方法。对初步测试结果进行分析时发现,马兰黄土堆积的古气候代用指标有一些异常值,考虑到马兰黄土披覆较厚,可能是野外探槽较浅的缘故。2000年夏天,

对土巷道剖面的马兰黄土段进行了重新采样,这一次的探槽的深度超过215m,对所取得的样品再次进行测试,土巷道黄土剖面(图2)由两次工作综合而成

。

图2　西宁土巷道黄土剖面岩性、热释光和光释光年龄以及磁化率、

CaCO3含量和粒度随深度的变化

1.黄土　2.古土壤　3.弱发育古土壤　4.热释光年龄　5.光释光年龄

Fig.2　Stratigraphy,thermoluminescence(TL)andopticallystimulatedluminescence(OSL)dates,

magneticsusceptibility,CaCO3contentandgrain2sizevariationswithdepthoftheloess

profileofTuxiangdao,Xining

为了对探槽的古气候记录进行检验,我们又在西宁地区选择了黄土堆积较好的盘子山进行了探井采样(见图1)。该处黄土堆积厚度200m,位于湟水流域高阶地之上,地层连续,黄土-古土壤序列发育,是西宁地区具有代表性的黄土堆积。地面海拔高度2825m。探井从顶面现代耕作层挖掘,井深17m。约1315m深处是末次间冰期古土壤S1的底部。对该探井进行了连续的柱状样品的采集,每个柱子长20cm,在室内根据需要加工。测量了两个样品的热释光年龄(图3),按5cm间距测量了样品的粒度和磁化率,这些测试工作在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完成。按10～20cm间距测量了古地磁和频率磁化率,该工作在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室完成。古地磁测量对全部样品进行了间距25°～50℃的系统热退磁,从150℃开始到650℃,用美国2G仪器公司生产的超导磁力仪测试,全部过程在零磁空间中进行

。

图3　西宁盘子山黄土剖面岩性、热释光年龄以及磁化率、

频率磁化率和粒度随深度的变化

1.黄土　2.古土壤　3.热释光年龄

Fig.3　Stratigraphy,thermoluminescence(TL)dates,magneticsusceptibility,

frequency2dependentsusceptibilityandgrain2sizevariations

with

depthoftheloessprofileofPanzishan,Xining

3　结果及分析

通过野外地貌观察、地层对比和室内热释光及光释光绝对年龄测试(见图2和图3),

420第　　四　　纪　　研　　究　　　　　　　　　　　　2001年证明两个黄土-古土壤序列是末次间冰期以来的风尘堆积物。本研究中热释光和光释光年龄的误差较大,可能由于对高原黄土堆积物组成的认识还不够深入,释光测年技术也需要进一步提高。但是,热释光和光释光绝对年龄数据证实了野外对黄土-古土壤序列时

[19]间框架的认识。以前的研究在西宁S1古土壤中发现了Blake极性漂移事件记录。本

次的古地磁结果显示,在末次间冰期的古土壤和黄土堆积中没有发现明确的Blake极性漂移事件记录,该问题值得进一步研究。黄土和古土壤的磁化率被证明是与气候密切相

[6,20]关的一个替代性指标,磁化率值的增大与相对暖湿气候有关。因此,西宁黄土磁化率

值的变化可能指示了与相对暖湿气候相关的高原夏季风环流强度的变化,而频率磁化率

[21]是夏季风环流强度一个更敏感的代用指标。CaCO3含量的变化是区域降水量的一个

替代性指标:降水量大,易溶碳酸盐的淋滤作用加强,因而碳酸盐含量低;反之,碳酸盐含

[22][23～31]量高。风成黄土的粒度变化被认为是风力强弱变化的一个敏感的替代性指标。

[14]西宁黄土堆积的物源区可能在西北干旱地区,其传输路线与高原冬季风的方向一致,

所以,其颗粒大小变化总体上可以作为高原冬季风强弱变化的一个指标。

图2和图3显示,在末次间冰期开始阶段(5e高原夏季风气候快速、显著增强,表现在磁化率值是倒数第)倍。),这

[],可能指示了在末次间冰期

现代高原季风影响区与东亚季风影响区的分界线

[4]°,,高原季风与高原上的土壤、植

被和冰雪覆盖的特征及范围有关。西宁黄土堆积记录的夏季风和冬季风变化在位相上也有显著的差异,探槽和探井记录都表明,夏季风增强的时间相对于冬季风减弱的时间要短(见图2和图3),表明在末次冰期旋回高原季风两个子系统的非耦合现象。另外,粒度记录也指示在末次冰期的间冰段(相当于深海氧同位素阶段3)高原冬季风相对减弱,但是,

[33]黄土记录(见图2)与冰芯和湖面变化记录等还有一些差别。总体上,最近13万年高原

季风气候的变化与全球气候变化在冰期和间冰期时间尺度上趋势是一致的。高原季风气候变化的特点表现在5e阶段气候特别暖湿,5a和5c阶段气候的干冷程度与冰期气候接

[34]近,与南极的气候变化特征类似。高原季风在冬季风强的时候,夏季风不一定弱;反

之,夏季风弱的时候冬季风不一定强。这种变化形式可能暗示两个子系统受不相同的驱动因素控制。

西宁地区末次冰期旋回两个黄土记录在沉积速率上有一定差别,这主要因为两个剖面所处的地貌部位不同。土巷道剖面位于湟水低级阶地之上,地势较低,是黄土和粉尘的接受区,较少受到侵蚀作用(主要是风蚀作用);而盘子山剖面位于高阶地之上,是该地区较高黄土堆积之一,可能既是沉积区也受到一定的风蚀作用。另外,土巷道黄土堆积距湟水河谷很近,干旱时期河床也可能提供一些物质。所以,土巷道剖面不仅记录了区域的气候变化,也有局部的气候和环境变化信息。但是,从长时间尺度来看,两个记录有很多相似性,尤其是在末次间冰期盘子山探井记录与土巷道探槽记录有很好的对比性,

应该是指示了区域的气候变化。

为了进一步认识最近0113Ma高原季风气候变化的历史,把西宁黄土记录与具有代

5期　　　　　鹿化煜等:西宁黄土堆积记录的最近13

万年高原季风气候变化

[29][30]421表意义的黄土高原中部洛川和南部旬邑黄土记录的东亚季风气候变化进行了对比

(图4)。可以看出,

黄土磁化率指示的夏季风气候变化或粒度指示的冬季风气候变化在

图4　黄土堆积记录的最近13万年高原季风变化与东亚季风气候变化对比

Fig.4　ComparisonofthevariationsofplateaumonsoonandEastAsianmonsoonduringthepast0.13Ma

recordedbyloessdepositinNorthChina

两个气候系统内有较大的区别。磁化率指示的东亚夏季风气候变化在末次间冰期(氧同位素阶段5)不能显示清楚的亚阶段划分,而高原夏季风有明确的亚阶段划分(见图4)。

422第　　四　　纪　　研　　究　　　　　　　　　　　　2001年这可能一方面与两个季风系统的变化幅度有关,另一方面与两个季风气候区的总体暖湿程度相关,暖湿程度较高的地区土壤发育层深厚,影响了土壤地层的分辨率。在末次冰期东亚季风区黄土高原中部黄土堆积中发育了一层弱的古土壤(L1SS1,相当于MIS3),表现为磁化率值的增高;而在高原季风区的西宁地区没有较好的古土壤层发育,表现在磁化率曲线上是多次的波动(见图4)。粒度指示的东亚冬季风和高原冬季风变化也有明显的不同:在阶段3(相当于L1SS1),东亚冬季风的变幅较小,而高原冬季风变幅较大。高原冬季风的另一个显著的特点是有次一级的高频波动,有些短时间的气候事件达到了末次间冰期的程度,指示了高原冬季风亚轨道时间尺度快速变化的特征。

4　高原季风短时间尺度变化及几个问题的讨论

最近10年,短时间尺度(这里指相对于轨道时间尺度的百年到千年时间尺度)的古气候变化研究受到了高度重视。并且,末次间冰期以来黄土记录的快速变化事件与全球其它区域(尤其是北大西洋地区)的古气候变化进行了详细的对比,[15,35～43]千年尺度变化可以与北大西洋古气候变化相联系了高原季风气候亚轨道时间尺度的变化。但是,首先,、决,。例如,土(见图2和图3),土巷道的粒度记录表现出多次频繁的波动变化,而盘子山的变化频率和幅度相对要小。从沉积厚度上分析,土巷道的记录包含了局域性的气候信号。如果不作深入分析,把土巷道黄土粒度的快速变化记录与格陵兰冰芯记录对比,可能把一次局域的风力变化与区域时间尺度的气候事件对应。在重新审视以前的工作后发现存在类似问题。许多气候记录无论在变化形式还是在时间对应上是很难进行区域对比的,更不用说与更远地区的古气候记录联系。因此,我们相信许多黄土古气候记录存在局域信号的现象。

其次,关于黄土记录分辨率的问题。在黄土古气候研究中有一种认识,似乎采样的间距越小所得到的分辨率越高。其实,这是一种误解。在黄土沉积之后,经历了长时间的土

[17]壤化过程。对现代土壤剖面的观察表明,土壤发育厚度可以在几十厘米到一米的范围

3内进行。按标准的洛川黄土堆积的平均速率计算,黄土沉积速率只有216cm

Π10a。依此

类推,土壤化过程必然使一定范围内的风尘堆积受到改造,因此,单纯提高采样密度是不能提高黄土记录分辨率的。

最后,黄土堆积的精确定年直接影响到长距离古气候记录对比和动力学机制的解释。

14迄今为止,黄土地层的绝对精确测年一直困扰着第四纪地质学家们。对于C测年范围

内的地层,由于测年物质的问题而带来一些不确定性。光释光和热释光测年的误差相对于亚轨道时间的古气候事件还是比较大的。因此,在进行精细的古气候对比时,常常借助于深海氧同位素阶段终止点的年龄进行内插。考虑到古土壤发育过程和地层界线的实际位置,简单地借助深海氧同位素阶段终止点的年龄会带来很大的不确定性。我们现在还不能分辨西宁黄土记录中哪些快速变化事件是区域性的、哪些是局域性的,因此,不能深

5期　　　　　鹿化煜等:西宁黄土堆积记录的最近13万年高原季风气候变化423入讨论百年到千年时间尺度的气候事件,更不能进行长距离古气候记录对比研究。5　结论

西宁黄土记录的高原夏季风在末次间冰期5e阶段特别强,5a和5c阶段接近于末次冰期;在阶段3高原冬季风的平均强度比末次间冰期强。高原夏季风和冬季风变化存在位相差以及冬季风强的时候夏季风不一定弱,夏季风弱的时候冬季风不一定强的变化模式。黄土记录中局域气候信号、黄土地层的分辨率和黄土堆积精确定年的困难使在进行亚轨道时间尺度的气候事件研究中必须慎重。

致谢　感谢刘东生院士和董光荣先生的支持及鼓励,张景昭、赖忠平、朱日祥、孙有斌、曾永年和LauravanSchagen等在野外和实验室工作中给予的帮助。

参　　考　　文　　献

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PLATEAUMONSOONVARIATIONSDURINGTHEPAST0.13MA

INDICATEDBYLOESSDEPOSITATXINING,NORTHEAST

QINGHAI,CHINA

LuHuayu①　　MaHaizhou②③　　TanHongbing②　　LiZhen③　　MiaoXiaodong①AnZhisheng①　　WangXiaoyong①　　CaoGuangchao③　　JefVandenberghe④

(①StateKeyLaboratoryofLoessandQuaternaryGeology,InstituteofEarthEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xi′an710054;②InstituteofSalineLake,ChineseAcademyofSciences,Xining830008;③DepartmentofGeography,

QinghaiNormalUniversity,Xining830008;④FacultyofEarthSciences,FreeUniversity,Amsterdam)

Abstract

ClimatevariationsatXiningarea,northeastQinghai2XizangPlateauischaracteristicofalterna2tionsofplateausummerandwintermonsooncirculation,whichisgeneratedbythermodynamicandkineticeffectoftheimmenseQinghai2XizangPlateau.Themonsgeologicaltimewaspaidlessattentionpreviously.However,isforourunderstandingofclimatechangetheplateauupliftaswellastheQinghai2XizangPlateau,presentanexcellentrecordofthevariationsinthePleistoceneandeveninthePlioceneEpochs.Theloesssedimentismorethan200metersthick,intercededbypaleosols.Itwasshowedthatloesswasdepositedincold2drytime,wherethepaleosolwasdevelopedduringwarm2humidepisodes.Theloessandpaleosolformationsarecorrelatedtotheglacialandinterglacialperi2ods,respectively.

Theloess2paleosolsequenceofthelast0.13Maweresampledbydiggingditchandwellinordertoobtainun2contaminatedsamples,sincesecondaryloesscoverinthisregionisquitethicker.Theloessdeposit,locatedatlowterraceofHuangshuiRiver,wassampledatinter2valof5～10centimeter.A442mloess2paleosolprofileatTuxiangdaowassampled.Blackloamisfoundinupperpartoftheexposure,anditisregardedastypicalsedimentformedduringtheHoloceneOptimumsinNorthChina.Malanloess,whichwasformedduringthelastglacialperiodandcorrelatedtomarineisotopestage2～4,isintercededwithverythin2ner,weakpaleosols.UnderlyingtheMalanloessisreddishpaleosol,correlatedtothetimeofmarineisotopestage5.Thermoluminescence(TL)andopticallystimulatedluminescence(OSL)datingoftheloessdepositprovedthattheloesswasformedduringthelastglacialcy2cle.Inordertogetparallelrecords,wesampledaloessdepositathighaltitudeterraceatPanzishan,Xining,fromawell.Thewellis17metersindepth,andthebottomofthelastinterglacialpaleosolisat13.5mdeep.Stratigraphiccorrelationbetweentwositesisverygoodandshowstheloess2paleosoldepositwasformedduringthelastglacialcycle.Adetailedpalaeomagneticinvestigationhasn′tfoundtheBlakeexcursion.However,stratigaphiccorre2

lation,absolutedatingandgeomorphologicobservationstendtosuggestthattheloess2pa2leosoldepositswereformedduringthelastglacialcycle.

Wemeasuredmagneticsusceptibility,frequency2dependentsusceptibility,calciumcar2bonatecontent,whichareregardedasgoodproxyoftheplateausummermonsoon(PSM)strength.Thegrain2sizedistributionisregardedasasensitiveproxyindexoftheplateauwintermonsoon(PWM)strength.Theresultsshowthatthesummermonsoonwasunusual2lystrengthenedduringtheperiodcorrelatingtothemarineisotopestage5e,andstrengthofthePSMin5aand5cwasclosetothestage3.ThePWMwasfrequentlychangedinthestage3indicatedbythegrainsizerecord.ThereareexistedphaselagandleadbetweenthePWMandPSMrecords,thetwosystemswerenotco2variationsduringthelast0.13Ma.

Therearesub2orbitaltimescalevariationsinboththegrain2sizeandfrequency2depend2entsusceptibilityrecords,butwecannotseparatethelocalandregionalclimatesignalsfromtheserecords.Webelievethat,mixtureoflocalandregionalclimaticsignals,timereso2lutionaswellasnon2detaileddatingoftheloess2manyuncertaintiesinthelong2distanceclimaticcorrelationpreviousconclusionthattheclimaticinshouldbefurtherexamined.

Qinghai2XizangPlateauwillspatiallyandtem2porallyrecords.Apreliminaryresultofgrain2sizeandmagneticsusceptibilitymeasurementofa2Macontinuousloess2paleosolsequencehasshownthePWMwashigh2frequencyvariationsinthepast,andthereexistedclearandregular10yeartimescalecyclesinthePWMchanges.TheperiodofthestrengthenedPSMwasshorterthanthatofthePWM.However,theremaybeotherexplanation:therecordispartly“misleading”becauseimplicationoftheproxyindexofpaleoclimatesuchasmagneticsusceptibilityoftheloessinQinghai2XizangPlateauisnotveryeffective.Apreliminarypaleosolinvestigationhasshownhighvariabilityofthesoildepositswithspace,thiscertainlyindicatesthelocalenvir2onmentisacutelyheterogeneousinQinghai2XizangPlateau.Theenvironmentchangesarerelatedtotheupliftprocessoftheplateau.Therefore,investigationsoftheorigin,trendandvariabilityoftheplateaumonsoonclimatemayprovideinformationoftheupliftprocessoftheplateau.Tounderstandthechangingplateaumonsoonwillbefundamentaltopredicttheen2vironmentchangesinandaroundtheQinghai2XizangPlateau,andthisregionissensitiveandvulnerabletoglobalchange.Therearestillsomeuncertaintiesinreconstructingthepaleocli2mateofthelastglacialcyclebytheloessdeposit.Investigationsoftheorigin,implicationsoftheproxyindexesandagesoftheloessdepositswillberequired,andthesewillcertainlyoffermuchmoreinformationabouttheplateaumonsoonchangesduringthelateCenozoicEra.

Keywords　　Qinghai2XizangPlateau,loess,plateaumonsoon,thepast0.13Ma,cli2maticeventcorrelation4

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/slp1.html