汉江一级阶地抬升以来北亚热带风尘堆积、发育与东亚季风演变的耦合关系——以郧县段汉江上游谷地为例

风成黄土对东亚冬夏季风优势期转换及起迄时间起到良好指示作用,探究风尘黄土堆积、发育特征与东亚季风演变的耦合关系十分必要。本文通过研究汉江一级阶地上覆黄土-古土壤序列的构型、磁化率、烧失量、粒度、元素组成特征,分析汉江一级阶地抬升以来黄土-古土壤序列的成因及成壤特征,探究东亚冬夏季风的演化序列。结果表明：（1）汉江上游地区黄土-古土壤序列的地层构型为表层土（MS）-近代黄土（L₀）-古土壤（S₀）-过渡层（L_t）-马兰黄土（L₁）,磁化率、粒度、烧失量、元素组成等特征指示各地层成壤强度特征为S₀>L₀/L_t>L₁。（2） 成壤强度指示18000 a BP以来,东亚冬夏季风演替特征为末次盛冰期冬季风强烈→全新世早期冬季风减弱→全新世中期夏季风主导→全新世晚期夏季风减弱~,冬季风强盛,其演变滞后于低纬太阳辐射变化2000~3000 a。（3）该风尘堆积物理化性质对6000~5000a BP的气候恶化期有所响应。总而言之,汉江上游一级阶地上覆黄土为风尘堆积物,指示18000a BP以来东亚季风的变迁规律及季风异常事件,能够体现北亚热带对全球气候变化及极端事件的响应。     

渭河上游地区樊家城黄土-古土壤剖面Rb、Sr、Ba存留特征及意义

选择渭河上游樊家城全新世黄土-古土壤剖面为研究对象，对该剖面元素Rb、Sr、Ba含量和磁化率、粒度、CaCO₃进行了测定。结果表明：Rb、Sr、Ba含量及Rb/Sr、Ba/Sr比值与磁化率、粒度、CaCO₃含量显著相关，能够指示渭河上游地区全新世的气候变化。剖面中古土壤层的磁化率、黏粒、Rb/Sr、Ba/Sr以及元素Rb、Ba含量高于黄土层，CaCO₃、Sr含量小于黄土层，指示渭河上游地区古土壤层（S₀）形成时期主要受夏季风影响，气候温暖湿润，淋溶作用强，风化成壤作用强；而黄土层形成时期主要受冬季风影响，气候相对冷干，淋溶作用弱，风化成壤作用弱。在全新世中期，古土壤层S₀¹与S₀²之间的黄土夹层，反映了渭河上游地区在全新世大暖期的6 000~5 000 a BP期间气候显著恶化。     

汉江上游谷地全新世风成黄土及其成壤改造特征

对汉江上游郧县-郧西段一级阶地物质上堆积的黄土状覆盖层的剖面构型、粒度、矿物组合、元素分布、微形态及形成时代进行了研究,并与渭河谷地全新世黄土-古土壤序列对比。结果表明,这些“黄土状覆盖层”是晚更新世以来沙尘暴在区内连续堆积的结果,具有TS-L₀-S₀-L_t-L₁-AD剖面构型;这些风积物在不同时期受到了不同程度的成壤改造作用,晚更新世受到弱成壤改造→全新世中期受到强烈成壤改造→全新世晚期较弱成壤改造。汉江上游地区在晚更新世末期(11500 a BP),气候比较冷湿,沙尘暴频繁出现,形成较厚的黄土层L₁;全新世初期(11500-8500 a BP),气候从冷湿向暖湿方向转变,沙尘暴活动减弱,形成了过渡黄土层位L_t;全新世中期(8500-3000 a BP),气候达到全新世最为暖湿的阶段,沙尘暴沉积物受到强烈成壤改造而形成了古土壤S₀;全新世晚期(3000 a BP以来),气候暖湿程度降低,越过秦岭的沙尘暴又明显增强,形成了近代黄土L₀。     

湖北郧县辽瓦店黄土剖面风化特征及其对气候变化的响应

对湖北郧县辽瓦店剖面的沉积学特征及磁化率、粒度、Rb、Sr含量等理化指标进行了研究。结果表明:辽瓦店剖面自下而上具有马兰黄土(L₁)-过渡层(L_t)-古土壤(S₀)-全新世黄土(L₀)-表土(TS)地层序列;不同地层单元的风化成壤差异明显,其成壤强弱顺序为古土壤S₀成壤最强、全新世黄土L₀和过渡层L_t次之、马兰黄土L₁最弱。成壤强弱的变化揭示出该区晚更新世末期(11 500 a BP以前)气候干冷,全新世早期(11 500~8 500 a BP)气候处于晚更新世干冷向全新世中期暖湿的过渡阶段,全新世中期(8 500~3 100 a BP)气候最为温暖湿润,全新世晚期(3 100 a BP以来)气候转为干冷且逐渐恶化的变化过程。     

汉江上游郧县段黄土古土壤序列风化成壤特征以及成壤环境演变

对汉江上游进行野外实地详细调查,在湖北省郧县尚家河台地前沿发现了典型的全新世黄土-古土壤沉积剖面,通过粒度、磁化率、吸湿水和烧失量分析表明,黏粒、细粉砂、磁化率、吸湿水和烧失量在古土壤层S₀出现高值,在L₁、L_t、L₀为低值;而粗粉砂、细砂粒和粗砂粒在S₀为低值,在L₁、L_t、L₀为高值。这些指标的变化说明了全新世以来的气候和成壤环境的变化特征,即在古土壤S₀形成时期,气候温暖湿润,成壤作用非常强烈;黄土堆积时期气候相对干旱,成壤作用较弱。     

黄河上游官亭盆地喇家遗址地层光释光测年研究

通过对黄河上游官亭盆地喇家遗址周围黄河第二级阶地广泛的野外考察,在官亭镇下喇家村段发现了典型的风成黄土土壤层。在地层剖面可见其齐家文化层古地面被数组地震裂隙分割。有一层团块状的、鲜艳的红色粘土质泥流层覆盖了遗址的古地面,并且填充了地震裂隙。经过详细观测和采集光释光样品,应用单片再生剂量法(SAR) 获得该剖面样品的光释光(OSL) 年龄值。在此基础上,结合大量¹⁴C年龄数据和地层对比方法,确定官亭盆地黄河第二级阶地形成在35.00 ka BP,其后风成黄土土壤剖面开始发育。同时断定全新世古土壤S₀中间所夹红色粘土泥流沉积层及其下的地震裂隙的形成年代为3.95 ka BP。结合磁化率和粒度成分等气候替代指标分析,表明在35.00~11.50 ka BP 晚更新世晚期,亦即末次冰期的晚期(MIS-2),气候寒冷干燥,沙尘暴活动旺盛,在官亭盆地第二级阶地上堆积了典型的马兰黄土层(L_1-1)。在11.50~8.50 ka BP全新世早期,沙尘暴活动堆积了具有过渡性质的黄土层(L_t),反映气候逐渐变暖。在8.50~3.10 ka BP 全新世中期大暖期,气候变得温暖湿润,降水量增多,沙尘暴活动减弱,风化成壤作用强烈,堆积形成了黑垆土类古土壤层(S_0下、S_0上)。     

青海喇家遗址土壤序列及史前山洪泥流灾难释光测年研究

位于青藏高原东北部边缘的青海民和官亭盆地喇家遗址,保存着全新世环境变化、人类活动、复杂地表过程演变与突发性灾难事件的记录。关于其史前群发性灾难的成因及发生年代问题,争议颇多,受到国内外学术界和媒体的广泛关注。经过多年来深入彻底的调查研究,在上喇家村南侧、喇家遗址北部区域首次发现完整连续的晚更新世晚期以来黄土—土壤地层剖面。在详尽的土壤与沉积学观察和层次关系分析的基础上,系统性采集样品,进行了光释光测年。由此在黄河第二级阶地风成黄土与黑垆土类土壤为主的区域,建立起了喇家遗址土壤沉积物地层序列与年代框架。结果表明,该剖面从12000 a BP堆积发育至今,从下至上的层序为晚更新世马兰黄土顶部（L_1-1）、全新世早期过渡性黄土（L_t）、全新世中期古土壤（S₀）、近代黄土（L₀）与现代土壤层（MS）。其中在全新世中期古土壤黑垆土层（S₀）之内,OSL年龄3960-3650 a BP期间,发现有3层红色粘土质泥流沉积层插入,记录了3次大规模山洪泥流溢出沟槽、在平坦的阶地表面扩散沉积、掩埋齐家文化聚落而成灾的事件。综合多种断代方法结果,确定这3期山洪泥流灾难性事件分别发生在3850 a BP、3800 a BP、3600 a BP左右。其中第一场山洪泥流在阶地表面大范围扩散过程当中,覆盖了喇家遗址东部区域。这就充分表明,来自于官亭盆地北部第三系红层丘陵沟壑区的暴雨山洪泥流过程,与同时期发生的若干次大地震,共同毁灭了喇家遗址齐家文化聚落的东部区域。这些研究成果,对于深入探讨官亭盆地环境变化与人地关系演变规律、准确理解喇家遗址的形成、史前人类活动、突发性灾难及其毁灭过程问题,具有重要的科学意义。     

西周沣镐遗址全新世土壤研究

根据西安西部西周沣镐遗址附近全新世土壤剖面磁化率、全铁、有机碳、Rb和Sr等指标的测定分析,揭示了与全新世环境变化相对应的成壤过程,阐明西周时代土壤和土地资源状况及人类耕作对成壤过程影响。认为全新世早期气候较温和干燥,风尘堆积速率降低,有一定生物风化成壤作用,土壤发育表现为边沉积边成壤;全新世中期气候温暖湿润,生物风化成壤作用大于风尘堆积作用,随着沉积和成壤继续,土壤层深厚,形成古土壤层(S₀);全新世晚期气候恶化,沙尘暴频繁发生,风尘堆积作用大于风化成壤作用,形成现代黄土层(L₀)覆盖了土壤(S₀),使之成为埋藏古土壤。西周时期(3000~2720a B.P.)气候干旱使环境资源恶化,土壤退化严重,当时的耕作层和古地面位于相当于黄土(L₀)下部、古土壤(S₀)顶界以上10cm的层位。     

青海喇家遗址地层划分及齐家文化废墟覆盖层成因分析

对喇家遗址进行了全面的野外考察,在其北部发现完整连续的全新世黄土-古土壤地层剖面。通过系统采样、粒度和磁化率等多种指标测试,结合OSL技术测年断代,建立了完整的土壤地层序列。深入分析土壤沉积物性质与地表过程,揭示了覆盖齐家文化废墟的沉积物的成因。研究结果表明：喇家遗址土壤沉积物地层层序自地表向下依次为：现代土壤（MS,0~1.50 ka B.P.）→全新世晚期风成黄土（L₀,1.50~3.10 ka B.P.）→全新世中期古土壤（S₀,3.10~8.50 ka B.P.）→全新世早期过渡性风成黄土（L_t,8.50~11.50 ka B.P.）→晚更新世晚期马兰黄土（L₁,>11.50 ka B.P.）。其中全新世中期黑垆土古土壤（S₀）被3组红色粘土质泥流（RC₃、RC₂和RC₁）和山洪沙土（FFD）沉积层穿插分隔为4个亚层（S_0上、S_0中上、S_0中下和S_0下）。这证明黑垆土发育过程中,在OSL年龄3.96~3.65 ka,对应于¹⁴C年龄3.85~3.60 ka B.P.出现一个山洪泥流盛行期,来自于盆地北侧沟谷的大规模暴雨山洪泥流,在大红山前古洪积扇前沿溢出沟槽、扩散覆盖了黄河第二级阶地面的土地。其中与大地震相伴随的第一期暴雨山洪泥流过程,摧毁了喇家遗址齐家文化聚落,造成居室内人群的死亡。     

中亚哈萨克斯坦南部VA黄土剖面过去～25 000 a来沉积地层特征

选取位于中亚哈萨克斯坦中南部的VA剖面作为研究对象,剖面厚7 m,野外采样以及实验分析间距均为5 cm。在AMS ¹⁴C测年基础上,综合野外地层考察和实验室指标（包括磁化率、碳酸盐、有机质和粒度）分析,结果表明：I：该剖面过去～25 000 ¹⁴C a BP以来地层主要可以分为五个地层单元：（1） ～26 000 ¹⁴C a BP—～22 000 ¹⁴C a BP,河流作用过的黄土层;（2） ～22 000 ¹⁴C a BP—～19 000 ¹⁴C a BP,潜育化的黄土层;（3） ～19 000 ¹⁴C a BP—～10 000 ¹⁴C aBP,弱土壤层;（4） ～10 000 ¹⁴C a BP—～5 000 ¹⁴C a BP,典型的黄土层;（5） 过去～5 000 ¹⁴C a BP以来,土壤层。II：将VA剖面与欧洲区以及东亚区黄土沉积对比发现：研究区过去～25 000 ¹⁴C a BP 以来地层沉积与欧洲黄土沉积类似,全新世地层序列与东亚区具有反相位关系：中亚区早全新世为黄土沉积,晚全新世发育土壤层,说明研究区过去25 000 ¹⁴C a以来主要受西风带和地中海气候控制,具有西风区气候特征。III：VA剖面MIS2记录到的潜育化黄土层以及弱土壤层显示研究区在MIS2时段气候相比东亚区更为湿润。     

16 ka以来黄土高原东亚夏季风变化的环境磁学记录

末次冰消期以来的气候变化是第四纪古气候研究的重要内容。本文对黄土高原西部和平镇剖面16 ka以来的黄土沉积序列（厚度为3.5 m）进行了高分辨率环境磁学研究。结果表明：该黄土序列的磁性颗粒主要由细颗粒磁铁矿主导。其磁化率和频率磁化率具有相同的变化特征,与黄土高原中部和东部的黄土磁化率变化机制一致,即黄土高原西部和平镇黄土的磁化率和频率磁化率仍然受成土作用形成的细颗粒磁铁矿控制,因此其磁化率和频率磁化率仍然可以反映季风降雨的变化特征,并且其反映的16 ka以来季风降雨变化与南方石笋氧同位素记录的季风变化特征一致。通过详细的海陆综合对比,本文认为16 ka至11 ka间东亚季风降雨的变化受到北半球太阳辐射和北半球区域温度的共同影响,而11 ka之后的夏季风降雨减少主要受太阳辐射降低的影响。     

欧亚大陆中北部末次盛冰期以来的湖泊水位变化及其古气候指示意义

湖泊水位高低通常能有效地指示湖盆内湿润条件的变化,进而反映区域有效降水（降水—蒸发）变化,成为重建第四纪古气候演变的重要指标之一。通过对苏联和蒙古国古湖泊数据库以及中国晚第四纪古湖泊数据库中149个湖泊水位变化资料的梳理总结,探讨了末次盛冰期（18 cal. ka BP）以来该地区干湿变化规律及区域分异。根据研究区气候特征、地理位置及已有研究成果将其分为东欧湖泊区、中东亚干旱区和中国北方季风区三大湖区。根据不同水位记录在整个湖泊历史中出现的频率,采用3级重新分类区分出高、中、低3级水量,并把每个湖泊数字化的3级古水量表示成与现代的差值,得到每个湖泊样点每千年时间间隔内相对现代的5级水量变化（很湿润、湿润、无变化、干旱和很干旱）。结果表明,三大湖区末次盛冰期以来可能经历了不同的干湿变化过程：东欧地区湖泊水量记录在晚冰期之前较少,至全新世逐渐增多,且基本表现为早全新世干旱、中晚全新世相对湿润的状况。中东亚干旱区整体呈现出末次盛冰期至中全新世均较湿润而晚全新世干旱的气候状况,但区域内部不同湖泊在起讫时间和强度上存在显著差异。中国北方季风区的湿润期主要发生在早中全新世,但是不同湖泊有所不同。对比分析显示,早全新世时东欧地区东部气候随着斯堪的那维亚冰流的逐渐消退而逐渐变湿润,中全新世由于夏季北欧反气旋东翼的气旋气流增强而达到最湿润状态,西部地区早全新世由于强劲的西伯利亚热高压存在而整体偏干旱,中全新世由于夏季亚洲季风的渗透而转为湿润。中东亚干旱区冰期内的湿润条件可能主要与西风带降水及低温低蒸发有关,而全新世则可能主要与夏季风深入内陆导致降水增加有关。中国北方季风区全新世湿度变化可能主要受东亚季风控制。     

汉江上游郧县庹家湾剖面光释光测年及意义

在野外考察基础上选择湖北郧县庹家湾剖面为研究对象。在对磁化率和粒度进行分析的同时,用单片再生剂量法进行了光释光测年（OSL）地层断代。OSL测年数据显示：剖面样品年龄处在55.11~13.57 ka BP,且与地层深度呈现出良好的对应关系,此剖面为黄土风化堆积形成。黏粒含量、黏粒/粉砂值以及磁化率值等气候替代性指标数值在马兰黄土层228~260 cm和294~370 cm深度明显高于典型马兰黄土（L₁）,具有明显的成壤特征,通过OSL测年数据判断时间为27.26~21.59 ka BP,说明在晚更新世时期气候并非持续稳定的寒冷干旱,而是具有一定的波动,在此期间气候相对温暖湿润,而且此次气候事件在黄土高原地区其他沉积记录中也有良好记录。     

汉江上游黄土常量元素地球化学特征及区域对比

本文对汉江上游黄土的常量元素含量及相关地球化学参数CIA、Na/K、淋溶系数、退碱系数、残积系数等进行了系统分析。结果显示：① 汉江黄土的主要化学成分为SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃,三者含量总和达767.3 g/kg;常量元素含量大小排序为SiO₂>Al₂O₃>Fe₂O₃>K₂O>MgO>Na₂O>CaO。风化成壤过程中Na、Ca、Mg、Si发生不同程度的迁移淋溶,而Fe、Al、K相对富集。② 其风化成壤强度呈现从马兰黄土L₁→过渡性黄土L_t→古土壤S₀逐渐升高、全新世黄土L₀又降低的规律,记录了该区域气候经历了末次冰期（55.0-15.0 ka BP）冷干、早全新世（15.0-8.5 ka BP）增温增湿、中全新世（8.5-3.1 ka BP）达到最暖湿,晚全新世（3.1-0.0 ka BP）降温变干的演变过程。③ 汉江黄土与洛川、巫山、下蜀黄土的元素组合特征高度一致,不同地区常量元素（CaO除外）含量十分接近且UCC标准化值变幅均小于0.25,这暗示了它们风化之初具有相似的风成沉积基础;但不同区域黄土的化学风化强度差异明显,大致呈现洛川黄土<汉江黄土<巫山黄土<下蜀黄土的趋势,与中国现代季风气候的空间变化规律相吻合,即不同地区黄土风化程度差异主要是东亚季风变化影响的结果。     

粒度和磁化率记录的毛乌素沙地东缘全新世气候变化

通过对毛乌素沙地东缘大柳塔剖面地层沉积物粒度及磁化率特征的分析，结合光释光测年结果，探讨了毛乌素沙地全新世气候变化。结果表明：（1）剖面沉积物粒度组成以中砂、粗砂为主，古土壤中黏粒组分含量高（3.32%），风成砂中几乎不含黏粒组分（0.01%），粒度参数的平均粒径M_z和分选系数σ也表现为古土壤高值、风成砂低值；（2）磁化率在全剖面呈有规律的变化，低频、高频磁化率在古土壤中呈高值，湖沼相、弱成壤次之，风成砂最小；低频磁化率χ_lf与黏粒（<2 μm）含量、平均粒径M_z呈显著正相关，垂向剖面上变化规律一致，指示了相似的气候环境意义；（3）毛乌素沙地在10.39 ka BP附近存在明显的3次冷干-暖湿气候波动；10.39~9.34 ka BP，气候冷干，风沙活动盛行；9.34~8.68 ka BP，冬季风衰退，夏季风增强，成壤作用强烈；8.68~8.29 ka BP，气候寒冷干燥；8.29~2.72 ka BP，气候整体温暖湿润，在6.55~3.80 ka BP达到鼎盛后转向冷干；2.72~1.34 ka BP，冬季风占主导，沙丘活化，沙漠扩张；1.34 ka BP至今，逐渐接近现代气候。毛乌素沙地的全新世气候变化是东亚冬、夏季风此消彼长作用下全球气候变化的区域响应。