特征时期黄土高原风化成壤强度的 空间特征与气候梯度*

文章基于15个剖面,采用土壤学使用的风化成壤强度指数(游离铁FeD/全铁FeT),对黄土高原S₀,L₁,S₁,S₄,S_5-1层位的风化成壤强度的空间变化进行研究,并与磁化率反映的特征进行对比。结果表明,冰期(黄土层)和间冰期(古土壤层)的风化成壤强度均呈现由东南向西北减弱的特征,与现代季风气候的基本格局一致。然而,冰期时(以L₁为代表)整个黄土高原南北气候梯度很弱,间冰期南北气候梯度远大于冰期,反映了冰期时夏季风环流对黄土高原影响很小,南北气候梯度更多体现了气候带的纬度效应。结果同时表明,间冰期时黄土高原地区风化成壤强度和南北气候梯度不具严格的对应关系。S₁和S_5-1指示了当时较强的夏季风环流,冬季风的影响相对亦较强,而S₀和S₄发育时期高原南北风化成壤强度的梯度明显减小,反映了当时黄土高原在夏季风影响的背景下,冬季风的影响亦减弱,导致南北梯度的减小。因此,黄土高原风化成壤强度的空间变化指示了冬、夏季风环流不同的消长关系,对研究高低纬度气候驱动力的相互作用具有重要意义。     

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.＜2μm的细颗粒组分不能很好的反映黄土高原西部地区黄土末次间冰期的成壤强度.与磁化率相比,xARM/x.,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.     

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。     

贵州丹寨地区南华系地层地球化学特征及其对古气候、古环境的意义

南华系是地球历史上最重要的成冰时期,为了示踪冰期前后的气候与环境的变化,本文通过对南华系细屑岩的化学成分分析,重塑南华系古气候、古环境的演化过程。分析结果显示铁丝坳组具有明显低的CIA指数以及低Ti/Al比值,说明该时期主要以寒冷干燥气候为主,化学风化程度低,物源供应和沉积速率相对较低,为冰期特征,隆里组和大塘坡组具有高的CIA指数以及相对较高的Ti/Al比值,表明该时期主要以温暖湿润气候为主,化学风化程度相对较高,物源供应和沉积速率相对较高,为间冰期特征。南沱组的CIA指数以及Ti/Al比值具有交替变化特征,说明南沱组沉积时期气候存在冷暖交替变化,反映了冰期与间冰期的相互转换特征。另外,在铁丝坳组顶部和大塘坡组的下部以及南沱组中上部,具有一定程度的正Eu异常,说明在南华系沉积时期,存在热液活动,而这种热液活动可能与冰期的消亡存在着成因联系。     

浑善达克沙地南缘晚更新世黄土-古土壤序列的高分辨率磁性气候记录

浑善达克沙地处于季风边缘区,目前对该区域末次间冰期以来的古气候演化历史及其动力学机制尚不清楚。文章以浑善达克沙地南缘山间低洼地带北沟剖面总厚度4.72 m(未见底)的黄土-古土壤序列为研究对象,开展了光释光测年和精细的岩石磁学、环境磁学、地球化学和漫反射光谱分析。结果表明:1)该剖面记录了末次间冰期以来完整的风成堆积历史,并通过东亚夏季风指标(Rb/Sr及χARM/χ)与深海氧同位素曲线的对比建立了13万年来该黄土-古土壤序列精细的年龄模式;2)在黄土高原上常规的用来指示成壤强度和夏季风强度的磁参数并不完全适用于干旱-半干旱地区(400 mm等降水线附近)的风成黄土,而地球化学指标在指示季风边缘区的地球化学风化过程上表现出一定的合理性,北沟剖面复杂的磁信号可能是对末次冰期季风边缘区显著减弱的夏季风的阈值响应;3)在末次间冰期东亚夏季风可以延伸到内蒙古中东部,北沟剖面记录了浑善达克沙地南缘末次间冰期以来区域古季风的演化历史。     

南海西部54万年以来元素地球化学记录及其反映的古环境演变

通过对南海西部上升流区MD05-2899孔开展高分辨率碳酸盐地层学和XRF岩芯扫描元素地球化学分析,重建了晚第四纪54万来以来东亚夏季风的演化历史,探讨海平面升降对南海西部陆源碎屑供应量的影响。研究选用了ln(Ba/Al)作为该海区古生产力的指标,ln(Br/Al)作为有机物的指标,ln(Ti/Al)作为陆源碎屑供应量的指标。研究结果显示,东亚夏季风在过去54万年以来强度不断增强,具有明显的冰期—间冰期旋回特征,在间冰期强盛和冰期减弱,是控制该海区有机物含量变化的主要因素。东亚夏季风不断强盛可能直接导致了南海周边陆地降雨增强,河流径流量加大,使得南海西部上升流区域的陆源碎屑供应量在间冰期明显高于冰期。研究发现,当相对海平面低于-60 m的时候,大面积暴露的巽他陆架可能向南海西部深水区输入大量陆源碎屑物质,造成研究站位的陆源碎屑供应量在冰盛期出现高值。因此,晚第四纪的东亚夏季风演化和海平面升降共同控制了南海西部上升流区陆源碎屑物质供应量的变化。     

末次间冰期以来兴凯湖黑碳的沉积记录及其环境意义

在我国东北地区,黑碳记录较少,尤其是长时间尺度记录,区域火灾如何响应于气候变化还存在争议。本研究通过对兴凯湖XK08-A2钻孔约336 cm岩芯,共136个沉积物样品的黑碳含量进行了分析,并结合石英光释光和加速器质谱14C测年结果,探讨了末次间冰期以来东北地区火灾历史与古环境的联系。兴凯湖沉积物黑碳含量的平均值在末次间冰期、末次冰期以及全新世分别为0.51±0.10‰、0.68±0.15‰和0.71±0.20‰。兴凯湖沉积物中黑碳含量从下向上呈增加趋势,表明末次间冰期区域火灾的发生频次较低、规模较小,末次冰期火灾的频次升高、规模越来越大,全新世阶段火灾的频次和规模与末次冰期相当。这些变化与轨道尺度东亚夏季风进退以及人类活动密切相关。从末次间冰期到末次冰期,东亚夏季风变化是东北地区火灾发生的主要控制因素。强盛的东亚夏季风带来充沛的降水,促进了低洼地区湿地沼泽的发育,缩短了火风险期,致使发生大规模火灾的概率较低。自然背景下季风降水主导我国东北地区火灾的发生,与黄土高原和西南地区一致,但与欧美地区受温度影响存在显著的空间差异。全新世在人类活动的影响下,虽然东亚夏季风增强,但是区域大规模火灾发生的概率已达到末次冰期的水平。     

中国黄土颜色变化的控制因素和古气候意义

选择位于黄土高原东南缘的渭南剖面和中部的西峰剖面末次间冰期以来的黄土-古土壤序列,研究了黄土颜色（亮度和红度）变化的时空特征及其主要控制因素。结果表明,黄土的亮度变化主要与铁氧化物、有机质、碳酸盐的含量有关,三者的影响依次减弱,而红度变化则主要受控于铁氧化物的种类和含量。值得注意的是,渭南剖面的红度变化与亮度和磁化率记录在Ls／S1过渡时段明显不一致,表明单一的磁化率或颜色指标（红度）在重建夏季风强度时都有一定的局限性。尽管磁化率和红度变化受控的铁氧化物不同,但两者都同风化成壤关系密切,本文综合考虑两个指标,通过对磁化率和红度标准化,提出一个新的Stack指标,用于反演末次间冰期以来夏季风的演化,为深入理解东亚夏季风演化尤其是倒数第二次冰消期夏季风的增强特征提供了新的线索。     

二十二万年以来东亚夏季风的千年尺度变化及其在不同时期的差异

本文采用游离铁和全铁的比值,建立了0．220MaB．P．以来长武黄土-古土壤序列的高分辨率古风化强度序列,揭示出0．220MaB．P．以来黄土高原古环境发生了一系列千年尺度的变化,且多数在同一剖面的磁化率记录上没有明显反映或反映较弱。由于该地区冬季土壤温度低于0℃,化学风化的强度主要受控于夏季的温度和降水。据此我们认为,这种千年尺度的波动是东亚古夏季风强度变化的信号。此指标与格陵兰GRIP冰芯δ¹⁸O记录对比发现,二者在末次冰期有较好的吻合性,而夏季风在末次间冰期(深海氧同位素阶段5e)及以前的变化要平缓得多。因此,本文的结果显示出：0．220MaB．P．以来,东亚夏季风在千年尺度上的大幅度变化在末次冰期最为显著,此前则表现为一种较为稳定的模式。     

末次间冰期以来黄土中伊利石结晶度的变化与古环境

对环县、长武和渭南3个剖面末次间冰期以来黄土-古土壤样品进行了粘粒(2μm)提取,采用X射线衍射分析技术对粘粒样品的伊利石结晶度,即KI值(1.0nm衍射峰的半高宽)进行时空变化分析。结果表明,环县剖面的KI值在黄土-古土壤中差异不大,而中南部的长武与渭南剖面能很好地反映冰期与间冰期旋回特征;在空间上,古土壤S_0和S_1的KI值自西北向东南呈现逐渐增加趋势,而黄土L_1层仅在最南部的渭南剖面呈现较高的值,环县和长武剖面差异不大,均呈现较低的值。综合分析影响黄土KI值变化的各个因素后,认为风化成壤作用可能是影响黄土-古土壤伊利石结晶度指标变化的主要因素,可以作为东亚夏季风环流强度演化的指标。     

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。     

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。     

Pleistocene chemical weathering history of Asian arid and semi-arid regions recorded in loess deposits of China and Tajikistan

Quaternary loess-soil sequences in China and Tajikistan are valuable archives of the chemical weathering history for arid and semi-arid regions of Asia. The development of new proxies independent of grain size are vital to reconstruct the long-term chemical weathering history of eolian deposits. In this study, we analyze major elemental and Rb, Sr, and Ba concentrations of decarbonated residue from representative loess and soil units along a north-south transect on the Chinese Loess Plateau and compare these concentrations among different grain-size fractions. Results show that most of the elemental abundances and ratios vary considerably among different grain-size fractions for both loess and paleosols, indicating transport-driven compositional differentiation of minerals during subaerial transport. However, (CaO + Na₂O + MgO)/TiO₂ ratios show little variation among different size fractions for the loess-soil transect. Loess-soil sequences at Lingtai (northern China) and Chashmanigar (southern Tajikistan) for the past 1.50-1.77 Ma show lower (CaO + Na₂O + MgO)/TiO₂ ratios in soil units than in adjacent loess horizons, in good agreement with greater weathering intensity in soils than in loess units. The (CaO + Na₂O + MgO)/TiO₂ ratio of the decarbonated residue is therefore a reliable proxy for chemical weathering of loess deposits that is independent of grain size. The (CaO + Na₂O+MgO)/TiO₂ ratios of the Lingtai and Chashmanigar sections display a relatively regular oscillation within a narrow range in the early Pleistocene, and a rapid increase in average values and in variance from 0.85-0.6 Ma to the present, indicating lowered chemical weathering intensity in both the dust source regions and the depositional areas. This event may be causally related to the expansion of northern hemisphere ice and/or the regional tectonic uplift of high mountains in Asia since the mid-Pleistocene.     

150ka B.P.以来萨拉乌苏河流域主元素变动旋回

萨拉乌苏河流域米浪沟湾剖面150kaB.P.以来存在27个由风成砂与河湖相和古土壤构成的沉积旋回。通常后两者的Al2O3、TFe、Mn、TiO2、K2O、MgO、CaO和Na2O含量明显高于前者,而SiO2则相反,构成了与沉积旋回相应的150kaB.P.以来27个元素变化旋回。结合各元素的化学迁移特性、研究区所在的鄂尔多斯高原东南部洼地地貌特征以及季风沙区位置,论证了风成砂中SiO2含量增高,Al2O3、TFe、Mn、TiO2、K2O、MgO、CaO和Na2O相对降低,与干寒多风气候及其影响下石英的大量迁入有关,而河湖相和古土壤中SiO2相对迁移、Al2O3等呈聚集的势态,与暖湿气候作用下稳定性元素Al2O3、TFe、Mn、TiO2和非稳定性元素K2O、MgO、CaO、Na2O都能够从四周地表汇集于本区这种特殊的比较封闭的低地有关。研究表明,萨拉乌苏河流域150kaB.P.以来27个元素变化旋回与该时期北半球冰期-间冰期气候波动诱发的亚洲冬夏季风在毛乌素沙漠的多次更迭具有成因上的联系。     

最近13万年来黄土高原黄土剖面中绿泥石的化学风化与古气候变迁

对黄土高原不同纬度地区的4个黄土—古土壤剖面和lO个现代土壤样品中绿泥石的化学风化进行研究，发现黄土—古土壤剖面中的绿泥石在最近13万年发生了明显的化学风化，其风化程度受剖面位置和气候控制；黄土—古土壤剖面中ω(绿泥石 高岭石)／ω(伊利石)的比值与磁化率之间具有良好的负相关关系，绿泥石的化学风化与古土壤中铁氧化物矿物的形成和磁化率的增强之间有成因联系；黄土高原现代地表样品中ω(绿泥石 高岭石)／ω(伊利石)比值与现代年平均温度和年平均降水量有着良好的相关关系。认为ω(绿泥石 高岭石)／ω(伊利石)的比值可作为新的指示夏季风变化的替代性指标，对于定量重建古气候的变迁历史具有重要意义。     

延安地区黄土堆积的地球化学特征与最近13万年东亚夏季风气候的波动

黄土地球化学残积系数、钠钙比和化学风化指数数值增大、退碱系数数值减小时,指示化学风化作用增强,在很大程度上揭示出当时具有较强的夏季风活动.延安地区延长剖面末次间冰期残积系数、钠钙比和化学风化指数的曲线具有三峰两谷,揭示了一系列亚轨道时间尺度的夏季风波动变化,能分辨出多个次级气候旋回.因此,黄土的地球化学参数可以作为本区指示夏季风波动的敏感性指标.     

新疆伊犁黄土化学风化特征及其控制因素

       通过对伊犁盆地昭苏黄土剖面元素地球化学分析,结合与黄土高原典型第四纪风成堆积洛川剖面的对比,对伊犁黄 土常量元素分布规律及化学风化特征进行初步研究发现,伊犁昭苏剖面黄土和古土壤主要元素含量具有较好的一致性,暗 示着沉积后两者所经历的风化作用相似。与黄土高原相比,伊犁黄土和古土壤除CaO,MgO和Na2O,P2O5分别出现较大程度的 富集和较小程度的亏损外,其它常量元素含量的变化趋势基本一致;CIA指数、Na/K比值及A-CN-K图解显示伊犁黄土和古土 壤均经历了低等强度的化学风化作用,弱于黄土高原的洛川黄土及古土壤,黄土和古土壤风化分异作用不明显。气候条件 尤其水热组合模式（降水、温度和蒸发量等）对伊犁黄土化学风化的起着重要的制约作用。     

Impacts of grain size sorting and chemical weathering on the geochemistry of Jingyuan loess in the northwestern Chinese Loess Plateau

Major and trace elemental compositions of loess samples collected from the Jingyuan section in the northwestern Chinese Loess Plateau (CLP) were analyzed to investigate the potential impacts of grain size sorting and chemical weathering on the loess geochemistry and to extract appropriate geochemical indices for better evaluating the East Asian monsoon variability. Based on variations of major and trace elements in different grain size fractions, seventeen elements were classified into three types: (1) Si and Na display higher contents with the increased particle sizes; (2) Al, Fe, Mg, K, Mn, Zn, Rb, Cr, V are mainly enriched in fine size fractions; (3) Ti, Ba, Zr, P, Ca and Sr show irregular variations among different size fractions. Comparison of Al-normalized elemental ratios with Zr/Rb and Rb/Sr ratios (two commonly employed indicators for grain size sorting and pedogenic weathering) indicates that Si/Al, Zr/Al, Ti/Al variations match well with Zr/Rb and grain size results, whilst Ca/Al, Sr/Al, P/Al ratios display similar variability as that of Rb/Sr ratio. Comparison of loess based proxies (e.g., elemental ratios, magnetic susceptibility, grain size) of Jingyuan section with speleothem and ice-core records confirms that elemental ratios of high-resolution loess sequences developed in the northwestern CLP can be employed to address fluctuations of the winter monsoon-induced grain size sorting and summer monsoon-related weathering and pedogenesis at glacial–interglacial and millennial timescales.     

最后4个冰期旋回中国黄土记录的东亚冬季风变化

开展高分辨率的黄土记录研究, 是揭示过去气候变迁和变率的主要途径.选择黄土高原中部的灵台和赵家川剖面, 对L5以上的黄土-古土壤序列进行了石英颗粒的提取和粒度分析.结果表明, 石英粗颗粒(> 43μm) 体积分数变化揭示了最后4个冰期旋回东亚冬季风存有的快速变化特征, 并同深海氧同位素记录具有良好的对应关系; 然而, 在每一个冰期时段, 石英粗颗粒体积分数的变化幅度和频率存有较大差异, 可能意味着对应的冰期下垫面状况和气候系统内部的非线性响应机制并不相同.值得注意的是由石英粗颗粒体积分数反映的东亚冬季风变化, 在某些时段不仅同磁化率记录的夏季风变化不协调, 而且同深海氧同位素记录存有明显差异.深入研究这种由不同代用指标反映的古气候变化间的差异, 对理解黄土记录的全球性意义显得尤为重要.