全新世与上次间冰期气候差异的古土壤记录

目前国际上对全新世与上次间冰期的气候差异还存在着较大的争议。对西欧阿晴里姆黄土中全新世和上次间冰期古土壤（埃姆古土壤）,中国黄土中S₀及S₁的对比研究表明,埃姆古土壤和S₁是典型的复合土壤,记载了相同的沉积-成壤事件序列,并与深海氧同位素记录有很好的一致性。第一成壤期与氧同位素阶段5e相对应,代表了典型的间冰期气候。西欧在该时期形成的土壤与全新世土壤的成壤过程基本相同,二者反映了类似的气候条件;而中国黄土中S₀和S₁则具很大差异,这表明我国北方最后两次间冰期的气候条件显著不同。青藏高原在中更新世末期以来的隆升对季风环流的影响是值得注意的原因之一。     

陕西省洛川凤栖镇离石黄土下部层位渗透性研究

通过对洛川凤栖镇L₁₂～S₁₅土层8个层位16个实验点的入渗实验,研究了离石黄土下部层位的入渗特征。结果表明,洛川凤栖镇离石黄土下部层位黄土层的渗透系数较大,L₁₂,L₁₃,L₁₄和L₁₅这4个层位的平均值为0.90mm/分;  古土壤层的渗透系数较小,S₁₂,S₁₃,S₁₄和S₁₅的4个层位的平均值为0.35mm/分。L₁₂,L₁₃和L₁₅黄土层含水空间发育较好,利于构成含水层;  S₁₂,S₁₃,S₁₄和S₁₅古土壤层含水空间发育弱,利于构成隔水层。上覆总厚70余米的土层重力作用没有改变洛川离石黄土下部黄土层作为含水层和红色古土壤作为隔水层的基本特性,它们的水理性质仍是受沉积时的气候条件和成壤作用的强弱控制。古土壤层也具有一定的渗透性,这是黄土地下水常常具有多层性的原因,也是造成黄土地下水分散、含水层富水量少的主要原因。离石黄土下部黄土层含水空间发育好和利于构成含水层主要是当时冷干的气候决定的,红色古土壤含水空间发育弱和利于构成隔水层主要是当时温湿的气候决定的。将洛川黄土渗水实验数据用3种入渗公式分别进行拟合得出,常用的通用经验公式和考斯加科夫公式基本适用于描述洛川凤栖镇离石黄土下部层位的入渗规律,通过计算获得的2个经验公式各参数的均值和标准差为水文和农业部门应用黄土入渗经验公式提供了重要参考值。研究还揭示,第四纪环境变化理论研究在黄土水资源开发利用方面有重要应用价值。可以根据黄土与古土壤的成壤强弱判别地下水富集规律和富集层位。成壤强、隔水性好的古土壤层和其上的成壤作用很弱、含水空间发育好的黄土层是很好的地下水含水组合,最利于地下水的富集;  成壤作用弱、隔水性差的古土壤和其上厚度小、受风化成壤作用相对较强的黄土层是较差的含水组合,不利于地下水的富集。     

黄土高原S5古土壤形成期的气候环境——陆生蜗牛化石的证据

通过对黄土高原西峰黄土剖面S5古土壤层的蜗牛化石组合研究发现,西峰地区在S5形成时（对应海洋氧同位素MIS₁5¹3期）气候环境经历了几次显著的波动。MIS₁5期地层中绝大多数蜗牛壳体被溶蚀,气候非常暖湿,夏季风强盛;MIS₁4是个弱冰期,蜗牛组合显示气候以凉湿为主,仍然有较强的夏季风影响;MIS₁3期以暖湿的气候为主,夏季风增强。对温湿蜗牛种类冠状砂螺（Gastrocopta coreana）含量变化的功率谱分析显示出明显的23ka周期,表明岁差轨道驱动的低纬太阳辐射是控制黄土高原夏季风变化的主导因素;冷干种类杂色虹蛹螺（Pupilla aeoli）含量变化具有明显的100ka和弱的43ka周期,说明即使在气候特征总体暖湿的背景下,冬季风仍具有以全球冰量（100ka）为主导周期的变化特征。在海洋和冰芯记录中MIS₁3和MIS₁5时期并不是最温暖的间冰期,但在黄土高原受到强夏季风的持续影响,这可能与此时北半球夏季太阳辐射量的增强和北大西洋深层流强度的加强有关。S5中S5SS₁与S5SS3两层强烈发育的古土壤可能有着不同的发育机制,S5SS₁因其较发育的母质、超长的成壤期,形成了比S5SS3更强的成壤特征。分析认为全球冰量与轨道驱动的北半球太阳辐射对MIS₁5¹3时期黄土高原气候环境的演替和冬、夏季风的消长起了主导作用。     

末次间冰期以来沙漠边缘黄土沉积的地球化学特征初探

沙漠边缘地区黄土磁化率的增强机制与黄土高原地区有所不同,不宜用于夏季风强度变化的重建。所以,本文尝试将黄土高原地区常用的化学风化指标:化学蚀变指数（CIA）和Rb/Sr用于沙漠边缘地区白崖剖面夏季风演化的重建。结果显示,CIA可以较好地反映成壤作用,因而也可以较好地反映夏季风的变化,而Rb/Sr受源区因素和成壤因素共同作用,不能有效地指示夏季风的强度。同时,本文还选取了常见的反映粒度分选和冬季风变化的SiO2/TiO2和Zr/Rb,结果显示,SiO2/TiO2和Zr/Rb能明确指示粒度分选作用和冬季风的变化。此外,Al-Ti-Zr三角图显示,物源在不同时期存在一定的变化,在全新世和末次间冰期黄土物质混合较为均匀,表明风尘经历了较长距离的搬运和较为充分的混合过程;在末次冰期黄土物质混合程度存在明显分异,意味着部分时段物源可能较近。     

兰州九州台黄土磁性特征及其古气候意义研究

本文选取黄土高原西部地区具有代表性的九州台黄土进行系统的磁性和粒度特征研究,结果表明其磁性特征主要由磁铁矿控制,同时含有磁赤铁矿和赤铁矿; 磁性矿物粒度为假单畴,黄土的粒度组成以粉砂为主。ARM/Xlf和XARM/SIRM能更好的反映成壤强度和古气候变化。选取>40μm的粒度百分含量和XARM/SIRM作为代用指标分别反映冬、夏季风变化,研究结果揭示冬、夏季风趋势并非同步异向变化,在倒数第二次冰期向末次间冰期过渡时,相对于夏季风,冬季风的变化具有一定的滞后性,暗示了冬夏季风的主控因素可能不同。     

最近130ka来黄土物质化学风化的空间观察

选取黄土高原48个末次间冰期以来沉积剖面中的248个黄土、古土壤和弱发育土壤层的代表性样品,对它们的酸不溶物进行了主量元素的分析。结果表明,在已有的几个不受粒度影响的化学风化指标中,（CaO+MgO+Na2O）/TiO2比值对气候条件变化具有相对较高的敏感性,且受沉积速率的影响较小。在源区风化状况相对稳定的前提下,它是一个反映夏季风变化较为有效的指标。根据该指标在黄土高原上的空间等值线图,发现其从北到南间冰期的变幅大于冰期,这可能表明间冰期时夏季风降水在黄土高原的变化梯度要大于冰期。     

黄土高原南部晚更新世黄土地层划分、显微结构及力学性质特征

黄土高原南部晚更新世黄土地层包括三层黄土（L₁¹、L₁²、L₁³）和三层古土壤(S₀₁、S₀₂、S₁),共六个层次。Q₄/Q₃界线划在S₀/L₁¹界面上,年龄约为10000aB.P.;Q₃/Q₂界线划在S₁/L₂界面上,年龄约为120000aB.P.。在区域上自北向南,晚更新世黄土的显微结构由微胶结结构组合逐渐过渡为半胶结结构组合,直到胶结结构组合,黄土的力学性质相应地由差变好。在剖面中自上而下,黄土的显微结构类型与其力学性质指标之间亦存在着上述变化规律。研究结果表明,黄土的显微结构类型作为评价黄土工程性质的一种简便方法大有在工程实践中推广使用的前景。     

三门峡地区黄土L9的重磁化现象及原因探析

对黄河三门峡地区曹村黄土剖面L₁至L₁₃(年代持续约1.1Ma)的高分辨率古地磁研究发现:布容/松山界线位于第8层古土壤(S₈)的顶部,贾拉米洛正极性亚时的顶、底界分别位于S₁₀和L₁₃的顶部,上述古地磁极性转换界线与洛川标准剖面一致。“上粉砂层”(L₉)的绝大多数样品特征剩磁方向与现代地磁场方向一致,而其中的弱发育古土壤层(L₉SS₁)则呈预期的反极性特征。综合L₉的厚度、岩性和岩石磁学特征,认为这一巨厚的正极性带可能反映了完全由岩性所控制的重磁化特征。对于L₉重磁化的原因,似乎很难用后生的化学剩磁和粘滞剩磁来解释。文章尝试性地提出,可能在L₉沉积后的间冰期(对应S₈)和布容正极性时内气候较湿润的时期,由于雨水的向下渗透而诱导了其中强磁性矿物(磁铁矿)在沉积后随地磁场方向的变化而进行了重新排列。     

陕西长武黄土剖面L3～S6土层渗透性研究

根据渗水实验、孔隙度、粒度、磁化率测定,研究了长武黄土剖面L₃～S₆土层的渗透性及其成因。研究结果表明,L₃,L₄,L₅和L₆黄土层渗透性较强,稳定入渗速率较高,它们的渗透系数变化在0.57～1.06mm/分之间,4层平均为0.75mm/分;S₃,S₄,S₅和 S₆古土壤渗透性较弱,稳定入渗率较低,它们的渗透系数变化在0.18～0.71mm/分之间,4层平均为0.44mm/分。红色古土壤达到稳定入渗率的时间一般比黄土层要长;   黄土层的平均空隙度比红褐色古土壤高,渗透性强,粒度成分较粗,黄土层比红褐色古土壤层更利于构成含水层;   红褐色古土壤层粒度成分细,空隙度低,渗透性弱,比黄土层利于形成隔水层。长武第4层古土壤厚度小,纵向裂隙发育强,入渗速率较大,不易形成隔水层。磁化率、粘粒含量资料表明红褐色古土壤层与黄土层渗透性、含水空间和隔水性的差异主要是当时气候冷干和温湿交替变化的结果。     

洛川黄土地层的再划分及其L9、L15古环境意义的新解释

洛川剖面的午城黄土是可以在野外进行细分的,洛川的午城黄土含有18层古土壤和18层黄土。其中,S₁₅～S₂₃的土壤组合与前人划分的WS1相当,L₂₄与WL₁相当,S_{24～S28与WS2相当,L29与WL2相当,S29～S32与WS3相当,L33与WL3相当。黄土高原的两个粉砂层L9和L15,虽然形成于第四纪的冷期,但并非代表了第四纪时期最为干冷的气候条件。笔者的解释是:其形成与这两个时期青藏高原及其周边山体的快速隆升导致的沙漠和黄土物源的快速增加有关。特别是1.1MaB.P.前后(L15)的隆起,使中国黄土记录对全球变化的响应显著增强,也正是在这次运动之后,中国黄土古气候记录可以与深海氧同位素很好对比,而此前的午城黄土与深海对比困难}     

近13万年来黄土高原干湿气候的时空变迁

第四纪时期，黄土高原粉尘物质的搬运、沉积及其后的成土过程受控于干湿气候的变化。对黄土高原这一特定地区而言，风成沉积序列在地域上的差异主要与东亚地区的季风环流在时间和空间上的变化有关。本文的研究揭示出，近１３万年里，最为显著的成壤期有６期，与这６个成壤期对应的时段也应当是夏季风环流加强、气候温湿的时期；在空间上，全新世适宜期及末次间冰期中与深海氧同位素阶段５ａ，５ｃ，５ｅ对应的时期，夏季风足可以深入到毛乌素沙漠腹地，并具有占优势的环境效应。在阶段３的早、晚期及５ｂ时期夏季风虽然也能深入沙漠－黄土边界带，但其环境效应在黄土高原北部及毛乌素沙漠南缘已不再显著。在阶段２、阶段４及阶段３的中期夏季风已不能深入沙漠－黄土边界带。     

中国南方石笋氧同位素记录的重要意义

中国南部石笋氧同位素记录记载了重要的气候变化信息。应用石笋氧同位素记录时首先需要考虑检验石笋的平衡结晶生长,特别是重复性检验,以排除可能的偶然性或地方因素。中国南部重复性很好的南京葫芦洞和贵州董歌洞石笋氧同位素记录主要代表了当时的降水氧同位素信息。两洞的记录都显示,在冰期或冰段时期降水的氧同位素比间冰期或间冰段时期明显偏重。受夏季风强弱变化的控制,与目前亚洲季风降水氧同位素的季节变化相对应,在间冰期或间冰段时,ITCZ偏北,降水以夏季风的大规模大气环流下的对流降水为主,其氧同位素较轻;相反地,在冰期或冰段时,ITCZ偏南,降水以夏季风爆发前的锋面降水为主,其氧同位素较重。虽然尚有其他许多影响因素,亚洲季风的变化应是影响中国南部石笋氧同位素在冰期/间冰期或冰段/间冰段的尺度上变化的主导因素。但在更小的尺度上(例如小冰期),石笋氧同位素记录的解释则需要谨慎。虽然下最终结论为时尚早,但作为亚洲季风的两个组成部分的东亚季风和印度季风很可能是同步的,至少在冰期/间冰期或冰段/间冰段的尺度上是如此。     

南海北部MD12-3432站深海氧同位素MIS6期到MIS5期陆源沉积物元素比值反映的古气候变化

海洋沉积物中的某些主微量元素与沉积物源区有着密切的联系,它们之间的比值变化受到源区化学风化强度的影响,因此这些元素的比值变化可以反映出海洋沉积物源区古气候的变化。本文研究了南海北部陆坡MD12-3432站位深海氧同位素6期和5期(MIS6/5) 沉积物的主微量元素,发现其表现出良好的气候控制变化特征,K/Ti、Mg/Ti、Al/Ti、Fe/Ti、Co/Ti、Zn/Ti和V/Ti等比值在MIS 5期时较高,而在MIS6期时较低。南海北部的碎屑物质主要来自中国华南地区,沉积物中元素比值的变化表明间冰期时(MIS5)华南地区陆壳化学风化增强,说明该时期华南陆地气候环境温暖湿润,这可能是间冰期时东亚夏季风加强的结果;而冰期时南海北部沉积物源区化学风化减弱,则与此时东亚冬季风较强,华南地区气候干燥寒冷相关。同时,与表层海水生产力相关的Ba/Ti比值在间冰期较高而冰期较低,反映出南海北部在间冰期时表层生产力较高而冰期时相对较低,这可能是由于东亚夏季风增强带来更多降雨,陆地化学风化作用加强,大量营养成分随河流进入南海,导致南海北部表层海水生产力增加。     

沙鲁里山更新世冰川作用及西南季风波动对末次冰期冰川作用的影响

地处南亚季风区的沙鲁里山地区保留有丰富的第四纪冰川作用遗迹。文章通过ESR对冰碛物直接定年,结合冰碛地貌形态及其风化程度差异,结果表明沙鲁里山地区可能经历了4次规模较大的冰川作用。它们的ESR年代大约为19～16kaB.P.,48～43kaB.P.,135kaB.P.和571kaB.P.,分别与深海氧同位素第2、第3、第6、第16阶段对应。自沙鲁里山最早冰川作用(571kaB.P.)以后,该区经历了较大规模的抬升作用。MIS2和MIS4期间西南季风微弱,降水稀少,气温严寒,南亚季风区冰川发育受到一定限制。MIS3早期和晚期夏季风强盛,降水丰富,温度较高,水热平衡状况有利于冰川发育;MIS3中期气温较低,夏季风较强盛,降水较丰富,这种冷湿组合的气候条件有利于冰川发育。南亚季风区,MIS3期间的冰川前进规模不亚于甚至在某些区域超过了末次盛冰期,其主要原因可能是受制于夏季风的降水差异。     

西峰剖面午城黄土古风化强度变化与 早更新世季风环境演化*

游离铁(FeD)/全铁(FeT)比值被土壤学界用来反映土壤化学风化强度,并已在风尘堆积的古环境研究中得到较好应用。然而,迄今对第四纪黄土古风化强度的研究多集中于中更新世以来的序列,只有少数剖面的分析包含午城黄土。文章基于西峰剖面661个样品的FeD和FeT分析,建立了该剖面午城黄土的古风化强度序列,并与剖面原有1.2Ma以来的序列进行对比。结果表明,早更新世古土壤的风化强度与后期相比总体较低,而黄土层的风化强度总体偏高,反映了较小的冰期-间冰期反差; 古风化强度的波动总体上与深海氧同位素有较好的一致性,体现了全球冰量变化对我国北方季风环境的控制。2.6~1.6Ma期间,古土壤的平均风化强度在整个第四纪最低,指示了较弱的夏季风环境效应。从约1.6Ma开始到1.2Ma,古土壤和黄土层的风化强度均增加,并开始有较显著的约100ka周期。这些特征在深海氧同位素记录中没有表现,而与热带地区一些环境特征相吻合,从而指示了低纬过程对我国北方早更新世季风环境的显著影响。     

Indian monsoon variability in the Mahanadi Basin over the last two glacial cycles and its implications on the Indonesian throughflow

The orbital-scale variability of the Indian summer monsoon (ISM) has been influenced by multiple factors, such as atmospheric CO₂ concentration, global ice volume, and insolation. Proxies for weathering activity and paleo-productivity provide potential insights into the driving forces of its variability. We documented multi-proxy data at IODP Site U1445, located in the Mahanadi Basin of the northwestern Bay of Bengal, to find out ISM variability over the last 200 ka. The proxy records, such as Nd/Sr isotopes of detrital particles, clay mineral compositions of the fine-grained sediments, biogenic opal and CaCO₃, organic carbon contents, and carbon isotopes of organic matter, represent sediment sources, weathering patterns, and paleo-productivity related to the ISM variability. Detrital Nd/Sr isotope data and clay mineral compositions suggest that the sediments at Site U1445 originated mainly from the Ganges, Brahmaputra, and Meghna rivers without dramatic provenance change between the glacial and interglacial periods. The weathering activity inferred from clay mineral compositions and the paleo-productivity shift reconstructed by biogenic opal and CaCO₃ contents suggest that the land-sea interactions were closely linked to the ISM precipitation between the glacial and interglacial periods. High precipitation by the strong ISM resulted in intense chemical weathering and dominant biogenic opal deposition during the interglacial periods. In contrast, low precipitation by the weak ISM led to reduced chemical weathering and predominant CaCO₃ deposition during the glacial periods. Further, the ISM variability driving the land-sea interactions in the Mahanadi Basin was modulated by the Indonesian throughflow (ITF). Our study emphasizes the role of low-latitude forcing of climatic changes in the strong relationship between the ISM and ITF over orbital periods, providing a base for future investigations.     

沙尘暴形成史初步研究——中国沙漠几个典型地质学记录的实证

以位于沙漠黄土边界带的榆林、阿羌和米浪沟湾地层剖面为典型例证 ,讨论了 110 0kaBP以来中国沙漠沙尘暴的形成、发展和演化过程。提出在过去的 110 0ka中该区总共记录了 4 2个沙尘暴时期 ,并与 4 1个间沙尘暴时期构成比较连续且交替进行的一系列沉积演化历史。其中 ,最强烈的沙暴期发生时间大致在 6 2 0kaBP和 6 80kaBP前后 ,最温暖的间沙尘暴期出现在 5 90～ 5 0 0kaBP和15 0～ 70kaBP。研究认为 ,110 0kaBP以来因沙尘暴期与间沙尘暴期交替出现而形成的沉积旋回 ,是自那时以来在冰期、间冰期气候波动影响下冬夏古代季风相互对峙、交替演化形成气候旋回的结果     

中更新世以来松嫩平原夏季风演化:来自哈尔滨黄土的磁化率、地球化学和总有机碳记录

哈尔滨黄土位于松嫩平原东北部,处于欧亚大陆中纬度干旱—半干旱地带的东部边缘,是季风和非季风区的过渡地带,对季风气候的变化非常敏感。然而,由于沉积档案露头的缺乏,使得该地区的气候变化研究极为薄弱。为此,我们对哈尔滨黄土进行了磁化率、总有机碳（TOC）和地球化学测试,并结合小波分析,对松嫩平原中更新世以来的夏季风演变及其控制机制进行研究。结果表明,中更新世以来松嫩平原的夏季风演化分为两个阶段：1） 460～180 ka时期,哈尔滨黄土较低的化学风化程度和TOC值指示了弱的夏季风强度;另外,在此时期还存在3个次一级的夏季风的微弱增强,叠加在夏季风强度偏弱这一大趋势之上。2） 180 ka～至今,哈尔滨黄土—古土壤序列的磁化率、化学风化程度和TOC值呈现出逐渐增大的趋势,表明东亚夏季风强度逐渐增强。通过哈尔滨黄土与邻区赤峰黄土和黄土高原洛川黄土的磁化率和粒度综合对比分析,表明松嫩平原首先响应间冰期夏季风主导的温度升高及降水增加带来的气候变化,但这种响应的持续时间偏短;哈尔滨黄土记录了360～340 ka和280～250 ka两次显著的夏季风减弱的气候现象,这是全球气候和区域环境变化综合作用的结果。小波分析结果表明,哈尔滨黄土—古土壤序列磁化率小波变换的主导周期为98 ka（100 ka）,结合海平面温度、全球CO₂浓度、60°N太阳辐射量、深海氧同位素综合对比分析,表明松嫩平原夏季风演化主要受全球冰量驱动;36 ka和44 ka（40 ka）倾角周期以及最低振荡29 ka周期的出现,表明倾角驱动的低纬太阳辐射变化对松嫩平原夏季风起到微弱调控作用,而岁差驱动的低纬太阳辐射变化对松嫩平原影响较小。     

Late Quaternary changes in surface productivity and oxygen minimum zone (OMZ) in the northwestern Arabian Sea: Micropaleontologic and sedimentary record at ODP site 728A

Changes in the abundance of selected planktic foraminiferal species and some sedimentological parameters at ODP site 728A were examined to understand the fluctuations in the surface productivity and deep sea oxygenation in the NW Arabian Sea during last ∼540 kyr. The increased relative abundances of high fertility taxa, i.e., Globigerinita glutinata and Globigerina bulloides mainly during interglacial intervals indicate intense upwelling. Strong SW summer monsoon probably increased the upwelling in the western Arabian Sea during interglacial intervals and caused high surface productivities due to the lateral transport of eutrophic waters. Most of the glacial periods (i.e., MIS 2, 4, 6, 8 and 12) are characterized by higher relative abundances of Neogloboquadrina pachyderma and Neogloboquadrina dutertrei associated with Globigerinoides ruber. The more stratified condition and deep mixed layer due to increased NE winter monsoon are mainly responsible for the higher relative abundances of N. pachyderma during glacial periods. Some of the glacial intervals (i.e., MIS 6 and 8) are also characterized by pteropod spikes reflecting deepening of aragonite compensation depth (ACD) and relatively less intense oxygen minimum zone (OMZ) in this region due to deep sea mixing and thermocline ventilation, and relatively less intense surface productivity during winter monsoon. The interglacial periods are largely devoid of pteropod shells indicating more aragonite dissolution due to increased intensity of OMZ in the northwestern Arabian Sea.