全新世中国北方沙地人类活动与气候变化关系的初步研究

中国北方沙地的生态环境较为脆弱,是研究人类活动与气候变化关系的关键地区,但该区域的相关研究欠缺.本文通过对考古资料和古气候资料的全面分析,尝试探讨全新世中国北方沙地人类活动与气候变化的关系.结果表明,9～4ka相对适宜的气候条件促使了中国北方沙地新石器时代人类活动的开始和发展.4～2ka较为严酷的气候条件,严重影响了呼伦贝尔沙地和浑善达克沙地的人类活动;科尔沁沙地和毛乌素沙地的史前人类,通过生业模式的调整以及活动范围的改变,适应了气候变化,文化得以延续,人类活动总体没有减弱.2ka以来,人类适应能力增强,各沙地人类活动的强度和范围均大幅扩张.通过区域对比发现,沙漠化程度较高的浑善达克沙地和地处高纬度寒冷环境的呼伦贝尔沙地,人类活动强度总体较弱;科尔沁沙地和毛乌素沙地生态环境条件相对优越,且受到中原文化的影响,人类活动强度较大,文化谱系相对完整.研究区各时期人类遗址沿水系分布特征明显,反映了水源作为沙地地区的限制性因素,对人类活动的分布具有重要影响.     

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.     

黄土高原25万年以来粉尘堆积与侵蚀的定量估算

黄土高原广泛分布第四纪以来的粉尘堆积,是古气候变化的良好记录。但是,将黄土高原视为一个整体、从地质历史的角度来定量分析粉尘堆积-侵蚀的动态过程及其驱动机制的研究较少。本文利用遥感分析和地统计学中的克里格空间估值法,根据对具有代表性的84个实测黄土-古土壤剖面的分析,计算出黄土高原250ka以来各冰期和间冰期的粉尘堆积量和平均堆积速率,为认识区域粉尘沉降与轨道尺度气候变化的关系提供了新证据:间冰期气候偏暖湿,粉尘堆积较慢;冰期气候偏干冷,粉尘堆积加快。结合黄土高原现代降尘观测数据,进一步估算出黄土高原250ka以来各冰期和间冰期的面状侵蚀速率。初步结果发现,自然背景下黄土高原就存在较强的侵蚀作用;冰期的面状侵蚀速率略强于间冰期。     

库姆塔格沙漠地表物质组成、来源和风化过程

通过对库姆塔格沙漠地表沉积物样品进行重矿物和主量元素分析,获得了其矿物和元素组成特征:矿物种类多,绿帘石和角闪石含量为主;化学组成上以Si、Al为主,和上陆壳平均化学组成相比,除Si、Ca外都有一定的亏损,Fe、Mg、Ca、P、Ti、Mn等元素的变异系数较高。库姆塔格沙漠地表沙物质组成特征与阿尔金山北麓出露的岩石和冲、洪积扇物质组成基本一致,与塔克拉玛干沙漠也有很大的共性,反映了库姆塔格沙漠地表沙物质主要来源于阿尔金山。沙漠北区强烈的东北风将阿奇克谷地和疏勒河下游的河湖相沉积物搬运至沙漠腹地,构成另一个重要的沙物质来源。A-CN-K图解揭示了库姆塔格沙漠地表物质化学风化程度很低,处于较弱的去Na、Ca阶段,其他元素未发生明显的化学风化或迁移;A-CNK-FM图解表明,库姆塔格沙漠地表物质在搬运、沉积过程中Fe、Mg等元素发生显著分异,其原因主要是铁镁质矿物由于磨损、分选作用遭破碎和风化,使粒度较粗的沙漠沙Fe、Mg等元素相对亏损。     

西宁地区黄土堆积的粒径分组

采用对数正态分布的统计方法对青藏高原东北缘西宁盘子山黄土剖面的粒度数据进行拟合,结果表明盘子山剖面的粒度分布呈现出5个对数正态分布粒度方式的组合,各地层单元的粒径大体可分为5组,粒度分别介于平均粒径为0.4、9、20、40、63μm的范围,各粒径区域占整体粒径分布的比例比较相近;并且粘粒、极细粉砂组分的分选程度较差。盘子山剖面的粒度分布方式与黄土高原地区的分布有一定差异,<4μm的组分在古土壤中占到11%~16%,在黄土中占到8%。无论在黄土堆积阶段,还是在古土壤发育阶段,盘子山地区相对于延长地区,20、40、63μm粒径组的比例都大,西宁盘子山地区黄土剖面的粗颗粒含量比较多。由于气候总体干旱、成土作用相对较弱,风化对黄土粒度组成的改变程度不会太明显,再加上青藏高原因冰川反复消融作用和磨蚀作用共同影响所产生的砂尘为黄土提供了可观的粗物质补给,因此盘子山剖面的黄土物源区呈现多样化特点。     

鄱阳湖滨沙岭地区网纹层的顶界年代

鄱阳湖滨沙岭地区的沙山由交替出现的砂层与粉砂层构成。对3个剖面的调查发现,该地区发育的网纹大体可分为3种类型,Ⅰ类网纹密集且粗大,为典型的网纹,位于剖面底部,Ⅱ类网纹较稀疏、细,位于Ⅰ类网纹之上,Ⅲ类网纹界线模糊,位于剖面上部。Ⅰ类、Ⅱ类网纹属于成熟的网纹,而Ⅲ类属于不成熟的网纹。对剖面中砂层的光释光测年表明,测量等效剂量时没有出现信号饱和的问题,年剂量也没有受风化作用的影响,因而OSL年龄可以视为砂层的沉积年龄。基于砂层的沉积年龄,我们判断成熟网纹层的沉积时代早于80 ka,不成熟网纹层的沉积时代略晚于71 ka,而早于29 ka。     

前处理步骤与方法对风成红粘土粒度测量的影响

中国北方晚第三纪红粘土堆积为研究古气候与古环境提供了很好的地质记录,其粒度测量作为一个重要的代用指标被广泛应用。粒度测量结果受到前处理方法的影响,但是,现在各个实验室的前处理方法还不一致,这就为粒度数据分析和古气候古环境解释带来了困难。在黄土高原从北到南选择了3个具有代表性的红粘土剖面,对每个剖面从下向上取10块样品总计得到30块样品,对每个样品用不同的前处理方法与步骤（包括化学分离石英的方法）处理后用激光粒度仪进行颗粒测量。结果表明,前处理方法与步骤可以使同一个样品粒度参数发生几倍甚至于二十几倍的变化。综合理论和经验分析,推荐了一种较好的进行风尘堆积粒度测量的前处理方法（正文中方法C）。化学分离的纯石英的粒度分布比本文推荐的方法处理同一个样品的粒度结果偏粗,表明在提纯石英的过程中较细的不稳定矿物已经被剔除。     

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.     

Heinrich事件和末次冰期气候的不稳定性

对北大西洋深海沉积物的研究表明：末次冰期北大西洋沉积物记录中有多次洋面温度降低、有孔虫含量减少、盐度降低和粗颗粒的碳酸盐碎屑快速堆积的现象，这些时间跨度上千年或几百年的气候快速波动被称为Heinrich事件^{［１－４］}，很难用古气候的米兰科维奇理论来解释。最近对末次冰期中国马兰黄土堆积的调查发现，在末次冰期之中东亚冬季风也有多次加强，它与北大西洋沉积物中的Heinrich事件对应很好，暗示着东亚季风的变迁更直接受控于北半球冰量的变化，而不是过去人们认为的东亚古季风气候变化与地球轨道变化引起太阳辐射变化直接相关。      

甘肃第三系红粘土磁学性质初步研究及古气候意义

研究表明红粘土与黄土-古土壤具有共同的磁性矿物, 即磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿(可能还有褐铁矿); 红粘土的磁化率大小与超细顺磁性颗粒的含量正相关; 它与第四纪的黄土-古土壤相似, 在湿润气候条件下由成壤作用形成的超细铁磁性矿物对于红粘土中古土壤层的磁化率增大有重要的贡献, 并得到了Rb/Sr比值的证实. 尽管红粘土中也发现了磁化率与其成土强度不对应的现象,但总体上看红粘土的磁化率仍不失为一个简便的古气候替代性指标. 根据磁化率曲线, 从红粘土发展到黄土沉积,其间的古气候变化幅度大致等同于阶段5(S1)到阶段2 - 4(L1)的变化幅度, 可能表明第四纪期间风场加强、从源区携带比上新世更多(大约两倍)较粗的弱风化风积物(不含超顺磁性颗粒)到黄土高原. 7.5 Ma以来, 中国北方中部风积红粘土的出现记录了从下伏白垩纪红砂岩到晚第三纪的重要气候转变. 红粘土的发展与白垩纪以来全球干旱化和变冷密切相关, 可能由于当时青藏高原的强烈隆升导致了东亚季风开始或加强, 从而有了红粘土的堆积.