西宁黄土白云石和碳同位素记录的轨道尺度季风气候变化

第四纪轨道尺度东亚季风变化的主控周期及其驱动机制还没有一致的认识,高纬地区冰量和低纬岁差变化如何驱动季风气候变化没有定论。沉积过程连续、堆积速率快的黄土-古土壤序列是揭示轨道时间尺度季风气候变化的良好材料。我们选择青藏高原东北部西宁泮子山黄土堆积上部的60 m作为研究对象,通过钻探取样和分析最近280 ka以来黄土-古土壤序列的磁化率、碳酸盐含量、白云石含量、碳酸盐碳同位素等古气候代用指标,探讨青藏高原东北部东亚夏季风气候的变化规律和控制因素。利用频谱和小波分析方法对季风气候变化的时间序列进行分析。结果显示,最近280 ka以来东亚夏季风变化具有轨道尺度的变化周期,并与高纬冰量和北半球温度变化有一定的联系;同时,西宁黄土古气候时间序列具有显著23 ka的岁差周期,表明低纬过程对东亚季风的重要作用。岁差调制的低纬太阳辐射变化可能是驱动青藏高原东北部轨道尺度季风降水变化的主导因素,高纬冰量和温度变化对轨道尺度的季风变化也有一定的影响。

     

钻探揭示的青藏高原东北部黄土地层与第四纪气候变化

青藏高原地表侵蚀强烈,不利于保存连续的第四纪松散沉积物,难以获得良好的高原环境变化记录.在青藏高原东北部的西宁-互助地区,堆积着厚层黄土,是认识高原第四纪环境演化和气候变化重要的信息载体.但是,由于次生黄土披覆较厚,露头剖面不完整,长久以来,对这套风成沉积没有进行过全面细致的研究.根据钻探岩芯揭示的土壤地层、磁性地层以及磁化率变化,初步认为青藏高原东北部厚层黄土堆积底界的年代大约为2.0Ma.黄土-古土壤序列可以与黄土高原中部的标准黄土地层对比,但青藏高原黄土有着更为复杂的沉积和侵蚀过程.在具有较好年代学控制的基础上,可以重建第四纪气候变化的某些细节.在冰期-间冰期时间尺度,青藏高原第四纪气候变化与中国北方气候变化对应,但是,在早更新世青藏高原古气候变化有幅度大和频率高的特点.根据与标准黄土堆积的时间序列对比,在距今9～71ka, 254～188ka, 334～279ka, 428～385ka, 576～471ka, 670～658ka, 748～706ka, 788～760ka, 883～853ka, 1000～967ka, 和10～1061ka等时间段,青藏高原东北部古气候相对温暖湿润;其间厚层的黄土/砂层堆积,即71～ka, 188～130ka, 380～334ka, 471～428ka, 658～576ka, 853～788ka, 73～65ka 和1727～1640ka等时间段则反映了寒冷干燥的气候,可能与冰川发育对应.对高原黄土堆积的环境替代性指标的深入研究,不仅可以揭示古气候变化过程,而且可能为研究青藏高原冰川变化提供有价值的线索.     

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.     

西宁盆地晚始新世石膏-红色泥岩旋回的古环境指示

始新世时期东亚环境在轨道时间尺度上变化特征的研究对于认识青藏高原规模较小、两极无冰盖、高大气CO2浓度背景下天文因素对东亚环境演化的驱动有重要意义。文章通过对西宁盆地塔山剖面石膏-红色泥岩互层沉积的粒度、颜色和孢粉进行分析,初步探讨了晚始新世时期该区石膏-红色泥岩旋回的古环境指示意义及其与轨道变化的关系。结果表明: 红色泥岩层粒度较粗,其中孢粉含量较少,以蒿粉和藜粉为主,指示草原或疏林草原景观; 石膏层粒度较细,其中孢粉含量丰富,以栎属、楝属、麻黄属、松科植物为主,指示相对温暖湿润的灌丛-森林景观。西宁盆地规律的石膏-红色泥岩旋回具有广泛的空间可对比性,符合轨道尺度上的气候变化特征。晚始新世时期,西宁地区石膏-红色泥岩旋回体现了地球轨道对该区沉积环境和植被变迁的驱动。     

南海ODP1143站上新世至更新世天文年代标尺的建立

基于底栖有孔虫δ18O的精确的年代标尺是古海洋学研究的基础, 特别是长度超过5 Ma, 分辨率小于5 ka的连续δ18O记录在全球大洋深海记录中更是凤毛麟角.在大西洋和东太平洋已经建立起了类似的代表性剖面, 如大西洋ODP659站和东太平洋ODP846站, 但在对全球气候有着重要影响的“西太平洋暖池区”还没有建立起这样的剖面.以南海大洋钻探184航次1143站底栖有孔虫的δ18O为材料, 建立了西太平洋地区跨越5 Ma、分辨率达2~ 3 ka的天文年代标尺.天文调谐的基本原理参照Imbrie et al.(1984), 并将斜率周期上8 ka的相位差和岁差周期上5 ka的相位差从晚更新世扩展到5 Ma; 调谐目标选用Laskar(1990)的斜率和岁差; 调谐方法采用了有别于ODP659站和ODP846站的自动轨道调谐方法(Yu and Ding, 1998).调谐结果显示, 1143站190.77 m、191个冰期、间冰期的深海沉积记录了5.02 Ma的南海古海洋学历史; 1143站布容/松山磁性反转事件的年龄为0.78 Ma, 与前人研究结果一致; 15个识别出的浮游有孔虫生物事件年龄部分与已经发表过的年龄相吻合, 部分为该生物事件在南沙海区的新年龄.由年代标尺推导出的南海沉积特征显示, 2.9 Ma是沉积速率的一个转折点, 在此之前, 平均线性沉积速率只有39.5 m/Ma, 冰期、间冰期平均波动幅度为50 m/Ma; 2.9 Ma以后, 平均线性沉积速率猛然上升到65.4 m/Ma, 冰期、间冰期平均波动幅度为200 m/Ma.此外, 南海的沉积速率还显示出冰期或间冰期中的亚冰阶沉积速率高, 而相邻的间冰期或亚间冰阶的沉积速率低, 这种特点在更新世尤为典型.这可能与全球冰量变化带来的冰期、间冰期差异性风化剥蚀和搬运有关.      

沁水盆地石炭纪-二叠纪海陆交互相含煤旋回的天文周期驱动

沁水盆地石炭纪-二叠纪海陆过渡相含煤岩系发育明显的旋回性, 这些沉积旋回与天文周期信号有良好的对应关系。本研究基于古气候替代指标自然伽马(GR)测井数据, 通过Acycle软件进行时间序列分析, 识别其中的天文周期信号, 并建立经405 ka长偏心率校准的天文年代标尺。根据频谱分析确定出沁水盆地4个钻孔剖面晚石炭世至早二叠世的405 ka长偏心率周期、92.4~128.7 ka的短偏心率周期、33.5~48.1 ka的地轴斜率周期以及19.7~23.2 ka的岁差周期, 这些周期参数与石炭纪-二叠纪天文轨道旋回周期相近, 说明相关沉积记录受到地球轨道周期的驱动。根据天文轨道周期约束的浮动天文年代标尺, 可将区内含煤岩系沉积时限约束在6.9 Ma。对层序地层格架和年代标尺的综合分析表明, 沁水盆地本溪组顶界沉积年龄为300.00 Ma, 太原组沉积年龄为300.00~295.28 Ma, 山西组为295.28~293.95 Ma, 据此计算出的层序1沉积时限为1500 ka, 沉积速率约为2.7 cm/ka, 该时期主要发育潟湖及滨外碳酸盐陆棚相; 层序2沉积时限为4070 ka, 沉积速率约为3.0 cm/ka, 该时期沉积相以潮坪、潟湖及滨外陆棚为主, 并向三角洲相过渡; 层序3沉积时限为1330 ka, 沉积速率3.7 cm/ka, 发育三角洲相。沉积速率总体呈现逐渐加快的趋势, 且海陆过渡相地层沉积速率较海相地层快。本研究建立的天文年代标尺可为区内含煤岩系古环境演化分析提供高分辨率的年代地层格架。

     

青海西宁厚层黄土的发现及其意义

古地磁研究表明,西宁大墩岭黄土剖面是距今1.2Ma以来形成的,它记录有B/M界线,哈拉米洛事件(J)和黄土剖面中很少发现的布莱克事件(B_1)。西宁地区的黄土以其厚度大(达261m)、粒度粗、古土壤分层多、古土壤厚度在整个剖面所占比例小为其特点,表明西宁距离黄土的物源区近、气候干冷、粉尘堆积速度快,详细记录了距今1.2Ma年以来青藏高原环境变迁和气候变化信息。其中L_2、L_9、L_(15)是距今0.155、0.79,1.10 Ma三次最为干冷时期的产物,与青藏高原的三次最大规模冰期极盛时期相对应。     

高原黄土Sr、CaO的古气候意义以及记录的环境变化

青藏高原东北部的西宁盆地紧邻柴达木盆地戈壁沙漠，沉积了厚层的、序列完整的黄土物质，对其进行研究可望得到高原古气候演化信息。通过对西宁盆地盘子山黄土剖面酸溶相Sr,CaO含量变化的测试分析，获得了自末次间冰期以来多次不同时间尺度变化的信息，证明Sr,CaO可以作为该地区黄土研究更为灵敏的气候代用指标。     

末次间冰期以来西宁市河谷沉积与环境

在西宁市区开展的钻探工作,获得了河谷平原区第四系的分布及沉积特征。通过对沉积厚度最大部位的2个钻孔岩芯的地层岩性、年代测试、孢粉组合及粒度分析等,探讨了西宁河谷平原区晚第四纪沉积与环境的关系。认为现今西宁市河谷平原内的主体沉积——低阶地沉积及上覆黄土堆积主要是末次间冰期旋回形成,在暖湿气候条件下沉积河流相砂砾石层,在干冷气候期接受风成黄土堆积,推测T3阶地形成于距今7.4万年前后气候由暖湿向干冷的过渡时期。     

长江三角洲上新世以来磁性地层及天文调谐年代标尺

长江三角洲地区的磁性地层认识存在很大不确定性.为建立一个可靠的年代标尺,为区内沉积环境和气候演化研究提供约束,在年代地层和磁性地层基础上,以频率磁化率为信号源、ETP为靶曲线,通过轨道调谐方法对区内LZK1孔开展了天文年代标尺研究,建立了年代序列框架.结果显示,M/B界线埋深约为143.0 m、Ga/M界线埋深约为219.0 m、Gi/Ga界线埋深约为296.6 m.受气候和沉积环境控制,沉积旋回特征清楚,沉积速率具有明显的阶段性.调谐后的频率磁化率显示了显著的125 ka、96 ka、41 ka、23 ka、22 ka、18 ka等轨道周期,并在轨道周期上与ETP曲线高度相关,相关性超过了95%检验标准.100 ka、41 ka和23 ka周期的带通滤波曲线与偏心率、斜率和岁差在振幅和相位上吻合较好,但局部时间段有差异,可能与低沉积速率、沉积速率突变或短时间尺度的地层缺失等因素有关.研究表明,在具有短暂沉积缺失的持续沉降区域,只要保证样品分辨率,可以通过轨道调谐方法建立可靠的年代框架.      

末次盛冰期北美风成环境变化及其在全球气候突变事件中的意义

本文用末次冰期北美大冰盖南缘的风尘堆积记录来重建末次盛冰期的亚极地环境变化.磁化率、有机碳含量和潜育化程度的资料表明,末次盛冰期的前期(约21000～15000aB P.)植被覆盖较差,而后期(15000～10000aB.P.)植被覆盖较好,15 000aB.P.环境发生了急剧的变化,磁化率曲线显示了大约1000a的氧化-还原周期.这种大约1000a的环境变化周期很可能由低纬地区的海洋和大气的扰动所驱动,这种扰动的能量通过北美大冰盖及时地传递到北大西洋.     

黄土-红粘土记录的构造尺度气候变化

晚新生代约5Ma以来,全球气候系统发生了一系列的重要转型,地球从单极(南极)常年有冰变为两极常年有冰,新生代从"温室"转为"冰室"的漫长历程至此完成.中国连续的黄土-红粘土沉积覆盖了约8～7Ma以来的时段,提供了完整的Pliocene-Pleistocene转型时期的陆相古气候记录,是研究晚新生代构造尺度气候变化和转型的重要记录.黄土-红粘土记录表明,其构造尺度变化既在相当程度上反映了晚中新世-上新世以来的全球变冷信号和Plio/Pleistocene转折、Mid-Pleistocene转折等重要构造事件,同时也对重要的区域构造和环境演化过程有显著的响应.今后需要通过对黄土-红粘土记录的研究,就上新世-更新世一系列的转型过程中重要气候系统成员的变化特征、高低纬气候系统相互作用特征以及转型机制等第四纪气候变化的根本问题作出有特色的回答.     

西宁黄土沉积及其物质来源

西宁黄土包括从Ｓ０至Ｌ１７连续黄土－古土壤序列,黄土开始发育的时间约１．２Ｍａ黄土粒度粗,不稳定重矿物含量高,表明西宁黄土区距黄土物源近,黄土中的石英砂粒多具冰川、冰缘作用的表面机械微结构和形态,结合离石黄土风向主大气环流特征,提出本区黄土主要来地青藏高原第四纪冰川作用和冰缘作用所产生的大量粉砂物质。     

西宁地区新近纪风尘堆积的元素组成特征及物源指示意义

西宁地区的新近纪风尘堆积是研究青藏高原东北部古环境变化和地貌演化的良好对象。本文基于X射线荧光（XRF）光谱分析方法,对西宁地区的新近纪风尘堆积、第四纪黄土、河流沉积、湖泊沉积代表性样品中小于75μm组分的元素含量进行了对比研究。结果显示：1）在常量元素平均含量上,西宁地区的新近纪风尘堆积与第四纪黄土大体相似,与西宁地区的河流、湖泊沉积也大体相似。与上地壳（UCC）平均成分相比,各类沉积物样品的CaO、MgO、MnO、Zr、Nb含量较高,Na₂O、K₂O含量较低。2）与西宁第四纪黄土、河流沉积和湖泊沉积物相比,西宁新近纪风尘堆积具有较高的Al₂O₃、Fe₂O₃、K₂O、MgO、TiO₂、Rb、Nb和较低的CaO、Sr、Zr。3）西宁地区的新近纪风尘堆积和第四纪黄土的Rb-Sr含量散点图可以拟合成一条直线,指示二者的母岩在物质成分方面可能具有相同的特征。然而河流、湖泊沉积的Rb-Sr含量散点图特别分散。西宁新近纪风尘堆积的Rb/Sr比值高于第四纪黄土的Rb/Sr比值,指示新近纪风尘堆积为较强风化成壤作用下的产物,支持以往新近纪风尘堆积在沉积前后经历了较强化学风化作用的研究结论。4）K₂O/Al₂O₃（分子比）-TiO₂/Al₂O₃（分子比）、K₂O/Al₂O₃（分子比）-Zr/Nb图解显示西宁地区的新近纪风尘堆积与第四纪黄土一致,但是它们与西宁地区的河流、湖泊沉积显著不同。上述特征表明西宁地区的新近纪风尘堆积和第四纪黄土可能具有相似的源区。在西风环流盛行时,位于上风向地带的柴达木盆地可能是西宁地区风尘堆积的主要源区。

     

泥河湾盆地基于粒度气候指标的轨道调谐时间标尺

泥河湾盆地东部出露一套厚近百米的以湖相为主的地层.我们测量了洞沟剖面的粒度和磁化率.通过磁化率记录的对比, 我们可以将前人确定的古地磁界线转移到我们的深度坐标上来, 并建立了初步的时间标尺.样品中粒径在20~50μm之间的颗粒含量时间序列可以与ETP曲线对比, 即低含量对应高ETP值.这样的对比意味着在北半球夏季太阳辐射量相对增加的时期, 进入泥河湾盆地沉积物中的风尘物质减少了.这与已知的北方风尘的演化历史是吻合的, 所以我们认为粒度(20~50μm) 含量是泥河湾盆地沉积物中比较可靠的古气候变化的替代性指标.对于沉积速率相对高的时段, 即 > 780ka的地层, 我们尝试用轨道调谐的方法建立了高分辨率的时间标尺.新的粒度(20~50μm) 含量时间序列滤波获得的20ka和41ka的周期成分与岁差及地轴倾斜度的理论值可以重合.这显示洞沟剖面的粒度(20~50μm) 含量记录可以作为轨道调谐的气候曲线.      

Late Quaternary loess deposition in the southern Chaiwopu Basin of the northern Chinese Tian Shan foreland and its palaeoclimatic implications

The piedmont aeolian sediment in Central Asia is has been widely used for Quaternary palaeoclimatic reconstructions. Here we present detailed sedimentological and rock magnetic investigations on 188 samples from the ~9.4‐m‐thick Urumqi River section (URS) in the southern Chaiwopu Basin of the northern Chinese Tian Shan foreland. Optically stimulated luminescence (OSL) dating constrains the time‐span of the URS loess sedimentation from c. 28 to c. 6.8 ka. This chronology implies that the onset of the URS loess sedimentation is approximately synchronous with the Shangwangfeng Glaciation (MIS 2) in the headwaters of the Urumqi River. Analyses of sediment grain size and rock magnetic parameters indicate that sediment grain‐size composition controls magnetic properties of the URS loess, i.e. the wind intensity model, distinct from the pedogenic model interpreting the variations in magnetic properties of the loess in the Chinese Loess Plateau (CLP). Overall, the variations in sediment grain size and magnetic properties throughout the URS indicate that the present study area was dominated by a climate of strengthened wind associated with gradually intensified aridity during the latest Pleistocene. In contrast, the intensity of aridity and coldness during the early Holocene gradually became relatively weakened.     

柴达木盆地自然伽玛曲线记录的古气候变化对太阳辐射响应关系的对比研究

采用柴达木盆地达参1井自然伽玛(GR)曲线,建立了2 85MaBP以来的轨道调谐时标.对GR曲线、深海记录和黄土记录与太阳辐射曲线时频域的多维谱分析及奇异谱分析结果表明:达参1井GR曲线相对于太阳辐射的滞后时间短于深海及黄土记录3～4ka,GR曲线记录的岁差周期成分更为显著,且与太阳辐射在岁差周期上显示了更强的相关性.表明盆地古气候演化受到太阳辐射岁差周期强烈影响,具有低纬陆地记录的特征,而与深海记录和黄土记录受轨道倾斜周期和全球冰量变化的重要影响有别.     

洛川黄土序列时间标尺的初步建立

对厚１４０ｍ的洛川坡头黄土剖面黄土层以５ｃｍ，古土壤层以３ｃｍ系统采样，全部样品进行了室内磁化率测量。以黄土序列磁化率变化作为古季风气候变化的代用指标，根据第四纪冰期的Ｍｉｌａｎｋｏｖｉｔｃｈ理论，利用轨道调缠绵的方法初步建立了洛川黄支的时间标尺。通过古地磁场倒转时间的检验以及与宝鸡黄土序列时间标尺对比，表明本文所论述的时间标尺适用于该地区古环境演化的研究。