西安何家營全新世黃土磁化率的古氣候環(huán)境

王 俊，李秉成

(長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/陜西省地下水與生態(tài)環(huán)境工程研究中心，陜西 西安 710054)

對全新世氣候變化的研究，關(guān)鍵是要選擇合適的古氣候代用指標(biāo)和參數(shù)，而黃土磁化率作為一個(gè)高分辨率物理參數(shù)得以在古氣候變化研究中被廣泛應(yīng)用。中國黃河中游地區(qū)發(fā)育著廣泛且沉積連續(xù)性良好的全新世黃土地層，最早Heller和劉東生發(fā)現(xiàn)黃土—古土壤的磁化率與氣候變化存在著重大聯(lián)系:黃土和古土壤分別代表著干冷和濕潤的氣候，黃土磁化率參數(shù)曲線不僅能和同時(shí)代的深海氧同位素曲線很好的對比，而且可以反映出更加詳細(xì)的古氣候信息［1］，磁化率逐漸成為了古氣候研究的熱點(diǎn);隨后人們認(rèn)識到成壤過程中形成的細(xì)粒磁鐵礦和磁赤鐵礦等細(xì)顆粒強(qiáng)磁性礦物是導(dǎo)致古土壤磁化率遠(yuǎn)高于黃土磁化率的主要原因［2－4］，這些細(xì)小鐵磁性礦物的含量反映了古氣候溫濕程度的強(qiáng)弱和持續(xù)時(shí)間的長短［3］;另外利用不同方法建立的磁化率氣候轉(zhuǎn)換函數(shù)，也為定量估算古降水古溫度提供了新的方法途徑［5－6］。

全球氣候變化具有同步性，也具有區(qū)域性?？紤]到目前為止還沒有一條曲線能代表全球或北半球平均溫度的萬千曲線［7］，因此做一些區(qū)域性研究是很有必要的。

1 剖面位置及其地層特征

何家營剖面位于西安市長安區(qū)境內(nèi)，地理坐標(biāo)(34°07'53.8″N，108°56'25.8″E)，海拔 453m(圖 1)。經(jīng)過仔細(xì)觀測得出，此剖面全新世黃土—古土壤序列發(fā)育比較完整，而且層位穩(wěn)定，界限分明，為未經(jīng)擾動的全新世地層。

地層巖性從上到下的描述:

(1)表土層 Ms，0～0.15m。棕褐色，具有團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，多蟲孔發(fā)育，有植物根須和蚯蚓糞便等其他碎屑物，耕作現(xiàn)象十分明顯，厚度0.2m。

(2)黃土層 L0，0.15 ～0.50m。淡黃褐色，結(jié)構(gòu)疏松，多小孔隙，含植物根須和蚯蚓糞便，厚0.35m。

(3)古土壤層 S0，0.50～1.45m。紅棕色，顆粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)緊密，多見白色碳酸鹽假菌絲分布，厚0.95m。

(4)馬蘭黃土層 L1，1.45～1.8m。灰黃色，粗顆粒，結(jié)構(gòu)較松散，有大孔隙，厚0.35m。

圖1 采樣點(diǎn)位置示意圖

2 運(yùn)用磁化率年齡模式來確定年代序列

Kukla等研究發(fā)現(xiàn)磁化率可以表示黃土地層中鐵磁性礦物濃度，每一層地層的厚度與磁化率乘積與時(shí)間是成比例的，在古地磁極性轉(zhuǎn)換界面間進(jìn)行內(nèi)插，獲得的系數(shù)可以用來計(jì)算每個(gè)層位的絕對年齡，本文的磁化率年齡模式采用下列方程計(jì)算［8］。從而得到地層年代序列(見圖2)。

其中，Tm表示所求某一層位(i)的年齡，T0和T1是兩個(gè)控制點(diǎn)的年齡，n為兩個(gè)年齡控制點(diǎn)之間的總層位，m為所求某一層位以前的總層位，a為某一層位的厚度，s為某一層位的質(zhì)量磁化率，需說明的是:T0和T1可以是剖面中任一點(diǎn)的位置，T1＞T0，即T0代表的是已經(jīng)標(biāo)定的較年輕的年齡，T1代表的是已經(jīng)標(biāo)定的較老的第n層的年齡。

注:此磁化率年齡模型在冰期或者間冰期，相同的氣候階段內(nèi)選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為年齡控制，計(jì)算出的年齡是可靠實(shí)用、趨近事實(shí)的［9］。

全新世黃土—古土壤剖面從上到下的序列可以分為:表層土(Ms)、黃土層(L0)、和古土壤層(S0)。故選取全新世現(xiàn)在年齡，Ms/L0，L0/S0和S0/L14個(gè)節(jié)點(diǎn)為年齡控制點(diǎn)。經(jīng)過本剖面和其他剖面的對比以及參考了前人的大量資料，確定了這4個(gè)節(jié)點(diǎn)的年齡分別為0、2 000、3 400和10 000 aB·P(見表1)。

表1 控制點(diǎn)的參數(shù)

圖2 地層年代序列圖

3 磁化率特征曲線

在西安市長安區(qū)的何家營新村剖面進(jìn)行采樣工作，自表層土開始從上到下取樣，每隔1 cm取一個(gè)樣，共取樣品180個(gè)。所有樣品拿回實(shí)驗(yàn)室先在40℃恒溫條件下將其烘干，之后研磨成粉狀，每個(gè)樣品取出20 g左右依次裝入帶有標(biāo)號的小型塑料袋中，最后逐個(gè)稱出樣品的質(zhì)量，測出磁化率數(shù)值。需要說明的是所有樣品的測量工作都在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，使用中國制造的MAGNETIC SUSCEPTIBILITY MODEL—942型磁化率儀進(jìn)行磁化率測量，每個(gè)樣品測量3次取平均數(shù)，再分別除以其質(zhì)量，得到所求的質(zhì)量磁化率(見圖3)。

從磁化率曲線中(見圖3)可以明顯看到土壤磁化率隨著土壤深度的變化而變化，并且磁化率波動比較大。此曲線的土壤磁化率最大值出現(xiàn)在古土壤層S0中(土壤深度0.59m，磁化率值25.66×10－7m3·kg－1)，最小值出現(xiàn)在馬蘭黃土層 L1中(土壤深度 1.67m，磁化率值 10.53 ×10－7m3·kg－1)。從整條曲線來看，磁化率大數(shù)值都在古土壤層S0中，而小數(shù)值都在馬蘭黃土層L1中。由此可見，這條磁化率曲線完全符合黃土沉積的規(guī)律:磁化率值在黃土中最小，在古土壤層中最大，古土壤的磁化率數(shù)值大約是黃土中的2倍［1］。

圖3 黃土剖面磁化率曲線

分段來看這條曲線，土壤深度在1.8～1.4m，磁化率值一度維持在很低的水平，也就是從所取樣品全馬蘭黃土層L1的底部一直到馬蘭黃土層L1與古土壤層S0過渡部分處，其磁化率數(shù)值都非常小，只是稍有小幅度變化;在古土壤層S0的中下部分(大約1.4m處)磁化率值開始大幅度上升，直到在古土壤層S0和全新世黃土層L0過渡部分處，數(shù)值才平穩(wěn)下來?？梢哉f在古土壤層S0內(nèi)，磁化率數(shù)值整體上處在上升階段;在古土壤層S0上部磁化率數(shù)值開始出現(xiàn)下降趨勢，到了全新世黃土層L0的下部才穩(wěn)定下來;之后全新世黃層L0以上一直持續(xù)到表土層Ms中，磁化率數(shù)值變化不大，只是略有小波動。

4 結(jié)語

黃土磁化率是東亞夏季風(fēng)代用指標(biāo)［10］，一般與成壤強(qiáng)度成正相關(guān)。磁化率高反映夏季風(fēng)增強(qiáng)，氣溫升高，帶來更多降水，利于成壤作用和形成細(xì)小亞鐵磁性礦物，使得土壤磁化率增高［11］;反之夏季風(fēng)減弱，氣溫下降，氣候環(huán)境不適宜成壤作用，從而導(dǎo)致土壤磁化率變小。也就是說土壤的磁化率是可以替代氣候的指標(biāo)，高磁化率代表溫暖濕潤的氣候，低磁化率代表干燥寒冷的氣候。

(1)早全新世10～8.5 kaBP，冷暖轉(zhuǎn)換階段。很明顯可以看到A曲線在9.5 kaBP左右磁化率值有個(gè)波谷，說明這時(shí)氣候寒冷，這可能與中國東部的泄湖寒冷期相對應(yīng)，氣溫比現(xiàn)代還低3.5℃ ～5.5℃［15］。9.5 ～8.5 kaBP 磁化率增大，說明氣候開始轉(zhuǎn)暖。B、C、D曲線大致都可以反映出這個(gè)階段的冷暖轉(zhuǎn)換情況，尤其是曲線C與A相當(dāng)對應(yīng)。

(2)中全新世8.5～3.4 kaBP，全新世大暖期階段，時(shí)間長達(dá)5 ka多年，其間有多次氣候劇烈波動和寒冷事件。這與施雅風(fēng)等提出的全新世大暖期時(shí)間十分接近［16］曲線A從8.5 kaBP開始磁化率值一直處于比較高的階段，持續(xù)到3.4 kaBP左右。所以我們有理由說在這個(gè)階段氣候特征是溫暖濕潤。曲線B指出9～5 kaBP為全新世最佳期，曲線C指出9～3.4 kaBP為全新世溫暖期，從曲線 D中可以看到9～3 kaBP處于高溫期，中間略有波動。學(xué)者們對全新世大暖期的起止時(shí)間有不同見解，這與數(shù)據(jù)來源地區(qū)、曲線分辨率以及對冷暖程度的界定不一等原因造成的。

圖4 全新世氣候變化曲線對比圖

①8.5～7 kaBP，全新世大暖期冷暖波動階段。曲線A的磁化率值整體已經(jīng)開始大于現(xiàn)代值，但可以發(fā)現(xiàn)有很明顯的波動，表明這期間氣候波動還是比較大的。在8 ka左右磁化率值出現(xiàn)一個(gè)出現(xiàn)波谷，這可能與8.2 ka的冷事件有關(guān)［17］;而在7 ka左右出現(xiàn)的磁化率值波谷則可能與敦德冰心中7.3 ka的降溫事件相對應(yīng)。敦德冰心反映的7.8 ka那次降溫事件在曲線A中沒有體現(xiàn)。②7～5 kaBP，全新世大暖期鼎盛階段。曲線A在這個(gè)階段內(nèi)磁化率值一直處于高值區(qū)，而且波動很小，說明這段時(shí)間內(nèi)氣候相當(dāng)溫暖濕潤，氣溫一直比較高，起伏小。這與朱士光等人提出的7～5 kaBP的仰韶文化期可以對應(yīng)起來，這時(shí)氣溫高于現(xiàn)今2℃［18］。從曲線C和D中也可以看出這個(gè)階段的溫濕的氣候。

③5～3.4 kaBP，全新世大暖期溫度波動暖和氣候［19］。在曲線A呈現(xiàn)“三峰兩古”狀態(tài)，但是磁化率值依然保持很高的水平，只是波動較大。說明此時(shí)的氣候是有波動的緩和。姚檀棟認(rèn)為以5～3 kaBP左右為中心，前后約1 ka的時(shí)間一直維持高溫氣候。即使在這1 ka中的某些相對寒冷階段，平均溫度仍高于過去5 ka的平均值［20］。

(3)晚全新世，3.4 kaBP至今，氣溫先下降后穩(wěn)定階段。從3.4 kaBP開始磁化率值開始減小，氣溫開始下降。到了3 kaBP左右，磁化率值已經(jīng)和現(xiàn)代值比較接近了，而且起伏不大，表明氣候已經(jīng)逐漸趨于穩(wěn)定。需要說明的一點(diǎn)是在700 aA.D.左右磁化率值有一個(gè)很明顯的波谷，說明此時(shí)是個(gè)冷期。這個(gè)結(jié)果與姚檀棟在敦德冰心中提取的信息是一致的，而與竺可楨提出的隋唐大暖期相悖［21］?？赡苓@是由于研究地區(qū)不一樣造成的，敦德冰心和本文的研究區(qū)域都在中國西部地區(qū)，而竺可楨提出的隋唐大暖期是相對于中國東部地區(qū)而言的，從另一個(gè)側(cè)面也可以反映出中國東西部古氣候變化存在的差異性。

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