晚上新世-早更新世北太平洋和黄土高原的风尘沉积记录的初步对比

保存在陆地、海洋和冰芯中的风尘沉积物与粉尘源区的干旱化历史、过去大气环流模式及其强度的演化密切相关,因而,直接的海陆风尘记录对比一直是古气候研究中的热点.为了获得对亚洲粉尘源区的干旱化波动和东亚季风演化的全面认识,较高分辨率地提取了北太平洋ODP 885站深海沉积物中的风尘组分,进而估算了晚上新世-早更新世时段北太平洋中部的风尘通量变化.结果表明,亚洲内陆粉尘源区的干燥度具有大时间尺度的变化特征,在2.Ma左右急剧增加,随后在2.～1.5Ma时段逐渐减小,自1.5Ma开始又逐渐增加.此外,在2.～0.9Ma时段,粉尘源区经历了多次显著的轨道时间尺度上的干湿波动.通过对北太平洋和黄土高原的风尘记录的直接对比,发现在距今约2.Ma,东亚地区的古环境发生了显著的变动,表现为亚洲内陆干旱化的加剧和大幅度冬、夏季风环流的盛行.然而,自2.Ma开始,尤其是1.5Ma以后,由于北太平洋和黄土高原与亚洲粉尘源区的距离不同,两地的风尘通量所揭示的干旱化趋势和变化幅度存有明显差异.北太平洋远离亚洲内陆,其风尘通量变化基本不受粉尘源区范围变化的影响,因而更能反映源区干燥度的变化.相反,黄土高原由于距离粉尘源区较近,风尘通量的变化可能同时受到粉尘源区干燥度和范围的变化以及携带粉尘的风动力强度变化的影响.显然,海洋和陆地古气候记录的直接对比,可为深入认识过去气候变化提供新的思路.     

新近纪以来中国黄土高原的风尘记录

通过对黄土高原中部两个典型的风尘堆积序列的岩性和磁性地层研究 ,认为中国黄土高原风尘堆积的开始发育年龄至少约为 7.2 Ma B.P.。以红粘土和黄土—古土壤交互出现的风尘沉积 ,不仅真实地记录了东亚季风气候的形成演化 ,而且可能包含了青藏高原的阶段性隆升、北半球冰盖形成演化及大冰期发生等构造气候事件的印记。反映粉尘源区的干燥度及携带粉尘的大气环流强度的风尘沉积速率自 7.2 Ma B.P.开始、尤其是 4.5 Ma B.P.以来逐渐增大 ,似乎暗示了自新近纪以来亚洲内陆粉尘源区干旱化的逐级发展和东亚冬季风环流强度的逐渐增加     

晚新生代亚洲干旱气候发展与全球变冷联系的风尘沉积证据

在干旱气候背景下常常有风尘物质的释放和传输,风尘沉积被认为是干旱环境变化良好的地质记录。在亚洲中部和中国北方,大面积的干旱区被沙漠戈壁覆盖,这些地区是粉尘物质的重要源地,释放的风尘物质影响局地和区域环境,并通过参与生物地球化学循环等影响更大空间尺度的气候变化。因此,亚洲中部干旱气候的形成和演化以及发展趋势一直受到重视。长期以来,关于晚新生代亚洲中部干旱气候发展的驱动机制至少有两种解释:一是青藏高原的隆升控制着亚洲中部的干旱化过程,随着高原的阶段性隆升亚洲干旱气候逐步增强;二是晚新生代全球变冷直接驱动着亚洲变干,全球变冷是主导因素。中国黄土高原及其周边地区堆积的黄土-红粘土序列是指示亚洲干旱化过程良好的地质记录,通过对新获得的风尘堆积记录的分析,发现在晚新生代中国风尘堆积的时空演化与全球变冷有较好的对应,全球变冷可以促使亚洲中部干旱气候发展并加强粉尘活动,而青藏高原隆升的幅度和时间还不清楚,进而认为是全球变冷而不是青藏高原隆升直接驱动亚洲内陆的阶段性变干。基于这些结果,我们认为以前关于青藏高原隆升影响全球气候的结论可能高估了青藏高原在地球环境演化中的作用,关于高原隆升直接驱动亚洲干旱化的结论还需要检验。     

黄土高原红粘土序列与晚第三纪的气候事件

红粘土序列由7个古土壤组合和与之相间的红色黄土组合组成,它们是建议的地层划 分和对比的一级单位。系统的古地磁研究表明,黄土高原风尘沉积开始的年龄约为7．2MaB．P．,它标志着晚新生代亚洲内陆干旱化的开始,可能意味着青藏高原在此时达到了有意义的高度,东亚古季风环流基本建立。风尘沉积速率与夏季风强度在长时间尺度上的耦合揭示了它们与青藏高原高度的共同联系,也意味着青藏高原可能经历了多次隆升和夷平过程;第四纪黄土-古土壤序列是2.6～2.8MaB.P．全球冰期-间冰期气候旋回建立的证据。     

晚中新世以来亚洲季风阶段性演化的海陆记录

本文在综合对比晚新生代以来中国黄土高原黄土一红粘土沉积、西北太平洋粉尘沉积、南海有孔虫、阿拉伯海有孔虫记录的基础上,探讨了大约8Ma以来亚洲季风的阶段性演化历史。结果发现,黄土高原粉尘沉积在8Ma前后大规模出现,在3．5Ma前后大幅增加;印度季风在8Ma前后形成(或显著加强);南海ODP1146站位浮游有孔虫Neoglcboquadrina丰度也有两次明显增加,表明海水表面温度不断降低和海洋生产力的增加,指示东亚冬季风作用增强。北太平洋()DP885／886钻孔风成粉尘通量也有增加,指示亚洲内陆进一步的干旱化和冬季风作用的增强。印度洋沉积通量在11Ma前后开始增加。在9～8Ma时出现峰值,表明喜马拉雅山和青藏高原南部逐渐隆起。当隆起达到足够高度时,导致亚洲内陆干旱气候带扩大,同时提供大量粉尘并向东传输到中国北方和北太平洋地区。青藏高原北缘山前盆地的沉积记录显示,在3．6Ma时,高原北部的进一步快速隆升过程可能影响到整个高原,从而导致亚洲内陆更加干旱化,东亚季风增强,粉尘沉积加快,南海及印度洋陆源沉积作用加剧。     

70 Ma以来风尘活动在太平洋铁锰结壳中的记录

开展风尘沉积研究对于了解源区气候变化和大气循环过程具有重要意义。利用高分辨率电子探针技术,通过对铁锰结壳中风尘指示因子（Al沉积通量）的年际变化研究,探讨低纬度铁锰结壳中风尘沉积特征。结果显示：在过去近70 Ma中,低纬度铁锰结壳Al沉积通量平均值为300.5  μg/(cm^2·ka),并且记录了南、北半球的不完整风尘史。在晚白垩世－晚中新世期间,M06铁锰结壳位于热带辐合带之南,受南半球风系影响,其Al沉积通量大小反映了环太平洋区域火山活动强度;晚中新世后,受北半球风系控制,M06铁锰结壳Al通量的变化反映了亚洲风尘源区构造和气候的变化。     

亚洲粉尘的源区分布、释放、输送、沉降与黄土堆积

根据亚洲粉尘关键区域(中国沙漠、黄土高原、青藏高原和中国历史降尘区)大气气溶胶中15～28种元素的浓度-粒度分布、沉降速率和通量分析,以及元素示踪系统的进一步解析,发现中国北方沙漠存在两个粉尘地-气交换较活跃区域,即中国西部沙漠和北部沙漠高粉尘区,且证明这两个区域及其邻区是亚洲粉尘和黄土高原黄土主要源区的中心区域;通过对5个亚太区域粉尘沉降量的模式估算,得出亚洲粉尘释放总量每年约为800Tg,约相当于全球沙漠排放总量的一半;粉尘与黄土的对比表明,亚洲粉尘区域尺度输送受季风环流控制,但间冰期时并不取决于尘暴过程,而全球尺度输送主要由高空西风完成,无论冰期、间冰期均受尘暴过程控制;粉尘通量的结果表明干沉降是粉尘在黄土区沉降的主要过程,且晚第四纪粉尘沉积的再改造份额不超过其沉积总量的10%;元素示踪系统应用于风成黄土,发现在间冰期北部沙漠源区输出的粉尘量增加,而在冰期西部源区输出的粉尘量增加.这种晚第四纪亚洲粉尘“源区摆动”的快速变化其实是全球千年尺度气候变化的一环,并可视为过去北半球大气环流长期变化的代用序列.     

垣曲盆地最高阶地风尘堆积形成时代及其构造意义

对垣曲盆地原土坪阶地剖面进行了详细的沉积学和磁性地层学研究,结果表明,原土坪剖面地层自下而上由水下河湖相-漫滩相-风尘堆积构成,整个剖面记录了一个水位下降、由水下沉积环境转变为气下环境的连续堆积过程。剖面地层记录的1.84～1.62MaB.P.期间由河湖相沉积环境转变为典型风尘堆积的沉积转型及风尘堆积反映出的1.21MaB.P.前后古气候变化事件是对青藏高原青藏运动C幕和昆黄运动的区域沉积响应。开始于1.62MaB.P.的典型风尘堆积底界年龄代表了该级阶地的形成时代,表明该段黄河至少在此时已经形成。     

中国东部中新世风尘沉积的发现及其研究意义

黄土高原红粘土古气候与古环境研究取得巨大进展。已知最老的红粘土时代达到22 Ma，在亚洲晚新生代环境演变研究，特别是在指示亚洲内陆干旱荒漠化、高原隆升的环境效应等方面有重要意义。结合野外实地调查和室内粒度、磁化率、扫描电镜和地球化学实验分析结果，对南京附近灵岩山剖面的沉积特征与风尘沉积证据进行了探讨。在灵岩山剖面玄武岩下覆的松散沉积层中有厚度超过4 m的风尘沉积层，时代在12 Ma以前，为迄今中国东部发现的新生代最老的风尘沉积物，是中新世季风气候出现之后的产物，推测与秦安红土剖面记录的15～13 Ma快速强烈粉尘沉积阶段一致，并和南极冰盖15 Ma开始扩大造成的全球降温事件有关联。     

1100万年以来中国北方风尘堆积与古气候变化的周期及驱动因素分析

中国北方连续堆积的晚新生代风成红粘土-黄土,是气候干湿变化的良好地质记录.对第四纪黄土的研究,揭示了中国北方干湿的周期变化,但是中新世以来的古气候变化规律及其驱动机制还不清楚.通过对具有代表性的红粘土-黄土序列的粒度测试,并根据独立的古地磁地层年代控制,建立了我国北方1100万年以来气候变化的时间序列.在此基础上,应用传统谱分析和小波变换的方法,对1100万年以来的干湿变化进行了分析,讨论了11～7.3 Ma,8.0～5.0 Ma,5.3～2.5 Ma,2.5～1.2 Ma和1.2～O Ma期间我国北方和亚洲中部干湿变化的周期,发现在不同时间段分别存在着～20 ka的岁差周期、～40 ka的黄赤交角周期和～100 ka的地球轨道偏心率周期,获得了地球轨道运动变化引起太阳辐射变化驱动晚新生代亚洲内陆干湿变化的新证据.同时,还发现风尘沉积的粒度时间序列存在非轨道周期,可能是轨道周期谐振和时间标尺不确定性造成的.地球轨道运动变化引起的北半球太阳辆射量的变化,从而引起北半球冰期-间冰期旋回、西风带位置移动和亚洲季风强度的共同变化,可能控制着晚新生代我国北方粉尘沉积过程和古气候变化.加强粉尘堆积记录和古气候模拟研究,可深入认识我国北方晚新生代干湿变化的规律和机制.     

南极冰盖与中国风尘堆积

通过南极冰盖消长和风尘堆积物的气候事件对比,说明在4.3—2.5 Ma B.P,间南极冰盖增长和北极冰盖发展,中国第三纪风尘红壤土沉积可能是中国东部季风气候雏形形成的反映。2.6Ma以来,随着北极冰盖的迅速扩展,中国内陆进一步干旱化并促成黄土堆积。南极极锋带北移与黄土区极寒等事件的发生具有同步性,据此建立极寒事件的序列,可能反映大气环流强度变化情况。南极东方站冰岩芯气候曲线说明,黄土高原晚更新世以来的干冷期可能形成于0.115Ma B.P.。我国东部地区转暖大致发生在13000aB.P.,此后不久可能出现欧洲新仙女木寒冷事件。此外,大约在40000aB.P.可能有一寒冷事件。     

晚第三纪中国西北干旱化的发展及其与北极冰盖形成演化和青藏高原隆升的关系

对甘肃酉峰晚第三纪红土标准剖面的研究揭示出,该区红土下部（６．２ＭａＢ．Ｐ．前）是红化的土壤物质与其它物质一起经水流搬运（坡积作用为主）再堆积的产物;中部（６．２～３．４ＭａＢ．Ｐ．）未发现再搬运的痕迹,是风尘堆积经风化和频繁地下水位波动作用所形成,不具明显的土壤发生学层次,其中的碳酸盐富积层不是成壤碳酸盐,而与地下水作用密切相关;上部（３４～２．６ＭａＢ．Ｐ．）是典型的风尘堆积－土壤序列。由于中国西北和中亚干旱区的存在是黄河中游风尘堆积的前提条件,该区风尘物质的堆积起始于６．２ＭａＢ．Ｐ．前后标志着源区干旱化的加剧,并已达到相当高的程度。对整个序列的分析表明,源区干旱化程度在６．２～５．４ＭａＢ．Ｐ．期间较高,此后降低,在３．４ＭａＢ．Ｐ．和２．６ＭａＢ．Ｐ．又两次显著增强。上述历史与北极冰盖的起源和演化历史具有高度的一致性,若干重大转变与青藏高原隆升也有时代上的耦合性。本文认为,北极冰盖的形成演化和高原隆升都是中国西北和中亚地区干旱化发展的重要驱动因素,二者对西伯利亚高压的形成和发展的影响及高原对暖湿气流的阻挡可能是导致于旱化的重要途径。     

晚第三纪中国西北干旱化的发展及其与北极冰盖形成演化和青藏高原隆升的关系

对甘肃酉峰晚第三纪红土标准剖面的研究揭示出,该区红土下部（6.2MaB.P.前）是红化的土壤物质与其它物质一起经水流搬运（坡积作用为主）再堆积的产物;中部（6.2～3.4MaB.P.）未发现再搬运的痕迹,是风尘堆积经风化和频繁地下水位波动作用所形成,不具明显的土壤发生学层次,其中的碳酸盐富积层不是成壤碳酸盐,而与地下水作用密切相关;上部（34～2.6MaB.P.）是典型的风尘堆积-土壤序列。由于中国西北和中亚干旱区的存在是黄河中游风尘堆积的前提条件,该区风尘物质的堆积起始于6.2MaB.P.前后标志着源区干旱化的加剧,并已达到相当高的程度。对整个序列的分析表明,源区干旱化程度在6.2～5.4MaB.P.期间较高,此后降低,在3.4MaB.P.和2.6MaB.P.又两次显着增强。上述历史与北极冰盖的起源和演化历史具有高度的一致性,若干重大转变与青藏高原隆升也有时代上的耦合性。本文认为,北极冰盖的形成演化和高原隆升都是中国西北和中亚地区干旱化发展的重要驱动因素,二者对西伯利亚高压的形成和发展的影响及高原对暖湿气流的阻挡可能是导致于旱化的重要途径。     

8Ma以来黄土高原风尘堆积的物源变化与上地壳演化的关系

第三纪的红粘土和第四纪黄土同为风成沉积,二者是否有相同的物质来源?长尺度风尘的加积与上地壳演化之间有怎样的联系?二者均是非常重要的科学问题.由于Sr, Nd同位素可以有效示踪沉积岩的物质来源,我们近年研究了8Ma以来黄土高原泾川剖面红粘土-黄土序列《20靘的细粒硅酸盐组分的Sr, Nd同位素变化.结果表明:1)黄土高原的黄土与北太平洋中部的硅酸盐组分的Nd同位素组成非常接近,二者应在一定程度上具有相似的物质来源,即来自蒙古国南部及中国境内的戈壁、沙漠地区,所不同的是前者由近地面风搬运,而后者为远距离输送的风尘;2)Sr同位素在8.00～2.58Ma期间呈现略为增加的趋势,应当与红粘土的来源物质经受了较长时间的化学风化有关,而Sr同位素自2.58Ma以来的显著降低趋势与第四纪时期黄土-古土壤的物质来源和第三纪红粘土不同有关,新构造运动使更多相对年轻的造山带褶皱成山,第四纪冰期来临使更多高海拔的年轻造山带遭受剥蚀而成为黄土的来源物质,这是导致黄土、红粘土物源不同的重要原因.     

西宁黄土碎屑锆石年龄特征及其 对黄土高原黄土物源的指示意义

物源研究是理解黄土高原风成沉积物中古环境记录的关键一环。众多证据表明,黄土高原西北部的阿拉善高原及其周边广袤干旱地区是黄土高原黄土的主要风尘源区。但是,基于锆石U-Pb同位素地质年代学的证据对此提出了质疑。黄土高原黄土与青藏高原北部物质中的锆石具有相似的年龄分布,预示黄土高原风尘主要以西风搬运的方式来自青藏高原北部,特别是柴达木盆地。本研究通过分析西宁黄土的锆石年龄特征验证此假说。西宁处于在从青藏高原北部到黄土高原的假想搬运路线上。西宁黄土主要来自青藏高原北部的干旱区。西宁黄土中锆石的主要年龄分布与黄土高原黄土相似,反映青藏高原北部确实为黄土高原黄土的主要物质来源。但是,与黄土高原黄土相比,西宁黄土缺少年龄在360Ma左右和年龄小于100Ma的锆石。这两组年龄的锆石可能来自其他地区,例如处于中亚造山带。由于阿拉善干旱区也通过河流搬运接收来自青藏高原北部的物质,锆石 U-Pb年龄证据并不能排除阿拉善干旱区作为主要风尘物源的可能。相反,阿拉善干旱区还接受来自其北部中亚造山带和其本身华北克拉通的物质,来自阿拉善干旱区的风尘可能更好地解释黄土高原黄土中的锆石年龄特征。     

黄土高原风尘沉积的物质来源研究:回顾与展望

黄土高原风尘沉积是青藏高原构造隆升和东亚季风系统共同影响下的产物。由于风尘物质的来源变化,不仅反映了亚洲内陆的干旱化过程,而且同过去大气环流格局变迁关系密切,因而,风尘物质来源的示踪一直是黄土研究的热点问题之一。文章首先回顾黄土来源的示踪方法、黄土物质的可能源区以及黄土物源在构造和轨道时间尺度上的变化特征3个方面取得的研究进展,然后探讨目前物源研究存在的问题及未来的研究展望。