汉江上游弥陀寺黄土-古土壤序列的化学风化特征及其环境意义

对汉江上游谷地弥陀寺黄土剖面的地层序列和常量元素进行了研究,用光释光测年法(OSL)对地层进行了断代。结果显示:剖面中Na2O、Mg O、Ca O表现淋失,Fe2O3、K2O和Al2O3则相对富集,其中在古土壤中这些元素表现淋失或富集程度更为强烈;剖面具有斜长石风化为主的初级化学风化程度,以Ca、Na流失严重为特征;从马兰黄土L1→古土壤S0→全新世黄土L0,风化由弱变强再变弱。这些信息揭示了汉江上游地区晚更新世以来的环境尤其是气候的变化规律:18 000~11 500 a BP气候以干冷为主,进入全新世后逐渐转暖,8 500~3 100 a BP为全新世大暖期,气候温湿,3 100 a BP后气候又转凉,呈现出由"冷干→转暖→暖湿→干凉"的演变过程,同时弥陀寺黄土对6 000~5 000 a BP期间发生的气候波动冷事件也有记录响应。     

中国北方沙漠/沙地锆石形态特征及其对物源的指示

单颗粒锆石的形态、颜色等特征记录了其母岩结晶过程的温度、压力、结晶介质的化学性质等信息,鉴定不同沙漠/沙地碎屑锆石的晶体形态特征可以指示沉积物的原岩类型,进而可以帮助追溯物源.本文分析了中国北方塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地等6个沙漠/沙地36个地表样品的碎屑锆石形态特征.结果显示,同一沙漠/沙地样品锆石形态特征较为一致,而不同沙漠/沙地样品锆石形态有差异.塔克拉玛干沙漠锆石多为无色或淡紫色,包裹体较少,锆石颗粒锥面较发育,短柱状锆石含量较多,指示该沙漠物质主要来自其北缘天山山脉早中生代碱性花岗岩.巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠锆石形态特征较类似,相比较而言巴丹吉林沙漠锆石多为淡粉色,形态上锥面较发育,较少见到包裹体;而腾格里沙漠锆石颗粒细长柱较多和含包裹体颗粒较多,这两个沙漠物质可能来自其南部中央造山带的变质岩和其北缘中亚造山带早中生代碱性花岗岩.毛乌素沙地多为深色、锥面发育和短柱状颗粒锆石较常见,含包裹体颗粒较多,该沙地物质主要来自其西北孔兹岩带以及北部阴山山脉碱性花岗岩.浑善达克沙地锆石形态似毛乌素沙地,指示其物源与毛乌素沙地类似.科尔沁沙地锆石磨蚀严重,扁柱状锆石颗粒较常见,指示该沙地物质大部分来自其南缘燕山山脉的显生宙浅海沉积岩.本研究表明碎屑锆石形态特征可以指示沙漠或沙地沉积物的源区.     

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。     

黄河上游靖远-景泰段全新世古洪水水文学

对黄河上游靖远景泰段峡谷进行系统野外考察,在靖远县金坪村(JPC)发现典型的全新世古洪水滞流沉积物。通过光释光(OSL)测年和与黄河吉县段FJJ剖面进行地层对比,确定这期特大古洪水事件发生在 3 200~3 000 a B.P.,即全新世中期晚期气候恶化转折阶段,对应着我国历史上商末至西周早期。采用古洪水水文学方法恢复古洪水洪峰水位,并且采用比降-面积法计算这一期多次古洪水事件的洪峰流量为 16 110~17 740 m³/s。同时,根据野外调查获得 2012年7月31日黄河上游大洪水的洪痕高程,采用相同参数和方法恢复其洪峰流量,误差仅有 2.7%,表明在该河段对于古洪水水文恢复计算参数选取和计算结果是可靠的。     

伊河龙门峡段全新世古洪水和历史洪水水文学重建

对伊洛河流域进行水文学和沉积学野外调查,在伊河龙门峡（LMX）地点发现典型的全新世黄土—古土壤剖面,根据野外沉积特征和磁化率、粒度分析判定该剖面夹有五层洪水滞流沉积层（SWD）。通过OSL测年和地层对比,确定该地层记录了四期五次特大洪水事件,分别发生在3100~3000 a BP、1800~1700 a BP、770~610 a BP和420~340 a BP,并结合史料等初步判断其中包含了AD 223和1761年历史洪水的沉积记录。这些古洪水事件与全新世气候恶化、转折和气候事件有明确的对应关系。采用古洪水水文学方法恢复洪峰水位,并采用比降—面积法计算出古洪水和历史洪水事件的洪峰流量介于14100~15800 m³/s。同时,根据实测获得1958年7月17日伊河龙门大洪水的洪峰水位和流量数据,采用相同参数和方法恢复其洪峰流量,误差仅有-3.6%,表明在该河段古洪水水文学重建所选参数和计算结果是可靠的。这些研究成果既证明季风气候区河流水文系统对全新世气候异常事件响应敏感,又为伊洛河流域水利、交通和防洪工程建设提供基础数据,具有重要的科学意义和实践价值。     

汉江上游白河段万年尺度洪水水文学研究

通过对汉江上游的考察,在多个地点发现古洪水滞流沉积层夹在古土壤层与坡积石渣土层或坡积角砾层中。选择白河段JJTZ剖面进行沉积学和水文学研究。对于采集的全新世古洪水滞流沉积样品,进行沉积学分析,与2010年现代洪水滞流沉积物进行对比,结合其宏观特征确认其为汉江洪水悬移质沉积物,粒度成分分类为细沙质粉沙。它们记录了汉江上游特大古洪水事件。通过地层学对比分析和OSL测年断代,确定其发生在全新世中期-晚期转折阶段,即3 200～2 800 a B.P.。利用沉积学和古水文学原理恢复古洪水洪峰水位,采用比降法计算出两次古洪水洪峰流量为40 180 m3/s和49 170 m3/s。该结果大大延长了洪水水文数据序列,从而能够建立汉江上游万年尺度洪水流量-频率关系,对于揭示汉江上游水文过程对于全球变化的响应规律具有重要的科学意义,对于防洪减灾和水资源水能源工程建设具有重要的现实意义。     

青海官亭盆地二方村遗址全新世土壤沉积物地层序列与OSL测年研究

通过野外考察观测,结合土壤学与沉积学多种指标测试分析,在官亭盆地喇家遗址东侧的二方村遗址建立了完整的全新世土壤沉积物地层序列。选择关键层位系统采集年代学样品,应用单片再生剂量法(SAR),进行光释光(OSL)年代测定,结合文化层考古断代,建立了可靠的土壤与沉积物地层年代框架。发现在全新世大暖期温暖湿润气候条件之下,以风成堆积为主的基础上,发育形成了肥沃疏松的黑垆土类古土壤,成为史前人类种植农业开发利用的宝贵资源。但是全新世大暖期后期全球性气候恶化背景条件下,在二方村遗址OSL年龄3940～3780a BP之间,对应喇家遗址~(14)C年龄3850～3600a BP期间,官亭盆地发生多场大地震,加上全球气候恶化致使青藏高原边缘频繁发生强对流天气,造成大规模暴雨山洪泥流事件频繁发生,导致黑垆土发育的突然中断。黄河北岸第二级阶地的肥沃黑垆土类土壤被厚达1.0～4.0 m坚硬贫瘠的红色黏土覆盖。这不仅毁灭了以稷粟类谷物种植为主的喇家村齐家文化大型聚落(4150～3850a BP),也导致土壤与土地资源严重退化。由此可知,从4200a BP开始的全球性气候恶化,对青藏高原东北边缘环境敏感带造成了严重影响,灾害性地表过程造成了黄河第二级阶地土壤土地资源严重退化。这些都成为驱动官亭盆地在3600a BP时期辛店/卡约文化原始农牧混合型土地利用方式形成的重要因素。该研究结果对于深入理解青藏高原东北边缘资源环境演变、自然灾害以及人地关系演变规律等,都具有十分重要的科学价值。     

中国北方晚第四纪气候变化的沙漠与黄土记录* ——以光释光年代为基础的直接对比

中国北方有约200×10⁴km²的面积被黄土、沙漠和荒漠戈壁沉积物覆盖,这些地区堆积物的形成变化与第四纪气候变化密切相关。关于中国北方沙漠与黄土记录晚第四纪古气候变化的研究不少,但是,由于受到方法和条件等限制,系统的(高密度的)和独立的年代学工作比较薄弱,从而使诸多已经发表的关于沙漠-黄土记录的亚轨道时间尺度气候变化的结论受到质疑。文章通过对黄土高原代表性的4个末次冰期以来的黄土剖面以及毛乌素、浑善达克和科尔沁沙地的20多个末次冰期-全新世的沙-砂质古土壤剖面的研究,获得了150多个独立的光释光年龄数据。在此基础上,结合200多个样品的粒度、有机质含量和磁化率数据,重建末次冰期以来中国北方气候变化过程,对比分析沙地与黄土古气候记录的联系。结果表明,中国北方古气候在57.5~52.5kaB.P.相对干旱,41.5~37.3kaB.P.相对湿润,26~22kaB.P.逐渐干旱,22~18kaB.P.极端干旱,15~10kaB.P.干旱,10~8kaB.P.为干旱减弱的时期,8.0~2.4kaB.P.相对湿润,而2.4kaB.P.以来气候为相对干旱。其间,在8.0~2.4kaB.P.的湿润时期有几次干旱事件,而2.4kaB.P.以来气候变化频繁。具有独立年代控制的黄土和沙漠记录表明,中国北方的气候变化对轨道时间尺度的太阳辐射变化有大约3~4ka的滞后。     

若尔盖盆地黄河第一湾河岸沉积地层序列及其成因研究

经过在若尔盖盆地进行全面野外考察,在黄河第一弯岸边发现了沉积序列清晰的、具有代表性的完整沉积地层剖面。通过沉积学和地层学特征和沉积相的观测分析,结合实验室粒度分析、数据处理和测年断代,其结果表明：该剖面底部蓝灰色古湖相沉积层反映出盆地内部在OSL年龄35 ka之前为较深的湖泊。其上覆盖的风沙与泥炭互层,反映出在该区域湖水消失之后,在30 ka之前古湖底出现泥炭沼泽,同时风沙作用盛行。而浊黄橙色古洪水沉积层（OFD1）则反映出在30~27 ka之间,曾经有来自于黄河源区流域的规模巨大的洪水进入若尔盖盆地,在古湖底泛滥并且将其携带的分选良好的细沙与粉沙质泥沙堆积下来。该剖面中部厚度达5~7 m的河漫滩-风沙层,沿着河岸追索,则可见其表现为高低起伏的古沙丘。这表明在末次冰期盛期和冰消期,气候干旱寒冷,黄河已经下切形成其河槽,其河漫滩沉积物被强劲的风力吹扬,形成连绵起伏的沙丘。该层之上所覆盖的浊黄橙色古洪水沉积层（OFD2）,则反映出在全新世初期9.86~8.28 ka之间,来自于黄河源区流域的大洪水再次进入盆地,在黄河第一湾两岸的古湖底沉积了分选良好的细沙质与粉沙质的泥沙。到了全新世中期后,若尔盖盆地风沙作用依然盛行,黄河河槽深切,第一湾两岸接受沙尘暴沉积。在全新世中期的相对温暖湿润气候条件之下,沙尘暴沉积物被改造为亚高山草甸黑土类土壤,成熟度极高。到了全新世晚期以来,风沙作用与沙尘暴沉积过程持续,沙尘暴沉积物也被改造为亚高山草甸黑土层。本文研究对于深入理解黄河源区末次冰期以来环境变化与地表过程演变,以及晚更新世以来的气候水文变化规律具有重要的科学意义。     

陕南丹凤茶房村黄土-古土壤剖面色度参数特征

以丹凤县茶房村黄土-古土壤剖面为对象, 研究了该区黄土色度参数的变化规律及其主控因素。结果表明, L*(亮度)在黄土层中出现峰值, a*(红度)、a*/b*(红度/黄度)在古土壤层出现峰值, 色度参数的峰谷变化特征与该区黄土-古土壤地层旋回相吻合。L*(亮度)的变化与有机质含量密切相关;a*(红度)、a*/b*(红度/黄度)的变化则受控于铁氧化物的种类和含量。尽管三者的受控因素不同, 但都与风化成壤强度密切相关, 且与磁化率形成良好的对比, 可作为良好的气候代用指标, 间接地反映该区气候和成壤环境的变化规律。