周家興，于娟，楊麗君，吳利杰

1. 西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710069

2. 中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061

3. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，武漢 430074

沉積物的粒度特征主要受沉積環(huán)境、搬運(yùn)動(dòng)力以及搬運(yùn)機(jī)制等因素的影響，可以通過沉積物不同粒徑組分的變化，來恢復(fù)古氣候和古環(huán)境演變。近年來，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于黃土[1]和湖泊沉積[2]等各類地質(zhì)載體中，尤其在黃土-古土壤中的應(yīng)用較早，也較為成熟[3-4]。在黃土研究中，粒度和磁化率值作為經(jīng)典的東亞季風(fēng)替代性指標(biāo)已得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。黃土高原及其南部的關(guān)中盆地是我國重要的黃土-古土壤堆積區(qū)，為全球氣候變化研究提供了不可替代的重要載體。截止目前，已經(jīng)開展了大量關(guān)于古氣候、古環(huán)境等方面的研究[7-8]。黃春長[9]、龐獎(jiǎng)勵(lì)[10]和賈耀鋒[11]等的研究認(rèn)為6.0～5.0 kaBP氣候惡化事件在關(guān)中盆地是普遍存在的。劉安娜等[12]在甘肅莊浪剖面的研究中指出這一氣候惡化事件發(fā)生時(shí)間要早于關(guān)中盆地，大約發(fā)生在8.0～6.5 kaBP。王琳棟等[13]的研究也進(jìn)一步指出中全新世氣候惡化事件自西向東發(fā)生的時(shí)間是順次延后的。銅川地區(qū)，賈佳[14]和Xia等[15]在耀縣剖面開展了關(guān)于東亞夏季風(fēng)和冬季風(fēng)非同步演化方面的研究，但是其并沒有對這一氣候惡化事件進(jìn)行探討。此外，上述研究均沒有開展相關(guān)的測年工作。因此，本文選擇銅川剖面黃土-古土壤沉積（400～50 cm）為研究載體，在可靠的AMS-14C測年數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將粒度和磁化率指標(biāo)相結(jié)合，探討銅川地區(qū)11.4～1.5 kaBP期間的氣候變化特征，為進(jìn)一步研究黃土高原和關(guān)中盆地的氣候變化異同提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

銅川地區(qū)位于陜北黃土高原南緣，河谷階地廣泛發(fā)育。地勢北高南低，自北向南依次為中低山區(qū)—黃土丘陵溝壑區(qū)—臺(tái)塬區(qū)。本文選取的研究剖面位于其南部臺(tái)塬區(qū)，屬于關(guān)中盆地向黃土高原的過渡帶。氣候四季分明，年平均降水量554 mm，年平均氣溫13 ℃，為典型的暖溫帶大陸性半濕潤、半干旱氣候[14]。該區(qū)屬于東亞夏季風(fēng)和冬季風(fēng)交錯(cuò)影響地帶，對氣候變化響應(yīng)敏感。并且該區(qū)堆積的黃土厚度大，沉積連續(xù)，時(shí)間分辨率高，為其記錄的古氣候研究提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

1.2 研究材料

研究剖面位于陜西省銅川市耀州區(qū)董家河鎮(zhèn)（34° 57′ N、109° 00′ E，圖 1）。該剖面選自一個(gè)天然的露頭處，為提高結(jié)果的可靠性，采樣前用小鏟將表層風(fēng)化層清除，然后距剖面頂部50 cm處自上而下按照2 cm間隔，連續(xù)采樣至400 cm深度處。該剖面共獲得175組粒度和磁化率測試樣品，5個(gè)AMS-14C測年樣品（52、96、150、250和 330 cm）。從頂部到底部巖性變化依次為：表土耕作層（0～50 cm）、全新世黃土層（51～155 cm）、全新世古土壤層（156～320 cm）、全新世過渡性黃土層（321～362 cm）和馬蘭黃土層（363～400 cm），剖面描述見周家興等[16]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 銅川剖面地理位置Fig.1 Location of the Tongchuan loess section, Shaanxi Province

粒度利用英國 Malvern公司生產(chǎn)的 Mastersizer 2000 型激光粒度儀進(jìn)行測量。測試之前需要對樣品進(jìn)行預(yù)處理，首先將樣品烘干后，利用10%的H2O2和10%的HCl去掉有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽。待其靜置分層后，小心倒掉上清液，然后加入30%的（NaPO3）6溶液，再上機(jī)測試。該儀器測試范圍為0.02～2 000 μm，測試誤差小于1%。磁化率利用英國 Bartington 公司生產(chǎn)的 MS2型磁化率儀進(jìn)行測試。磁化率測試前，利用烘箱將樣品烘干（40 ℃），然后稱取約10 g樣品裝入磁化率專用測試盒并將其壓實(shí)。待儀器穩(wěn)定后，測量低頻（0.47 kHz）和高頻（4.7 kHz）磁化率值（χlf，χhf）。以上實(shí)驗(yàn)均在中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)室完成。

1.4 年代標(biāo)尺

銅川剖面選取的5組14C測年樣品在北京大學(xué)考古文博學(xué)院科技考古與文物保護(hù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行前處理和加速器測試，AMS-14C的測年結(jié)果利用Calib7.1 在 線 程 序 （http://calib.org/calib/calib.html，intcal13）進(jìn)行日歷年代校正。根據(jù)該剖面黃土沉積特征以及14C測年校正結(jié)果，通過線性插值（線性方程：y=28.39x +18.35），最終確定銅川剖面（400～50 cm）的年代界線為11.4～1.5 kaBP。AMS-14C測試方法及測年結(jié)果詳見周家興等[16]。

2 結(jié)果

2.1 粒度組成特征

目前，關(guān)于沉積物粒徑的劃分界線因研究對象不同而存在多個(gè)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)。本文依據(jù)Udden-Wentworth標(biāo)準(zhǔn)[17]，以4 和 63 μm為界線，將銅川剖面粒徑值劃分為黏粒（＜4 μm）、粉砂粒（4～63 μm）和砂粒（＞63 μm）。銅川黃土-古土壤剖面粒度組成以粉砂粒（4～63 μm）含量最高，含量變化范圍為61.20%～79.10%，平均含量為69.78%；其次是黏粒，含量變化范圍為17.72%～37.90%，平均含量為28.35%；砂粒含量最低，含量變化范圍為0.01%～6.89%，平均含量為1.87%（圖2、表1）。

在整個(gè)剖面不同地層單元中，平均粒徑、黏粒、粉砂粒和砂粒呈規(guī)律性變化（表1）。平均粒徑在全新世古土壤層（S0）中最細(xì)（14.08 μm），過渡性黃土層（Lt）次之（16.78 μm），在全新世黃土（L0）和馬蘭黃土（L1）中最粗，分別為19.35和 20.33 μm。粉砂粒和砂粒在整個(gè)剖面的變化規(guī)律基本一致：馬蘭黃土層中含量最高，分別為75.15%和2.88%；全新世黃土層中含量次之，分別為71.45%和2.75%；全新世古土壤層最低，分別為67.25%和1.07%。黏粒與平均粒徑、粉砂粒和砂粒呈相反的變化規(guī)律：全新世古土壤層（31.68%）＞過渡性黃土層（27.24%）＞全新世黃土層（25.80%）＞馬蘭黃土層（21.98%）。

2.2 磁化率變化特征

磁化率是土壤物質(zhì)在磁場中被磁化程度的重要衡量指標(biāo)[18]。在黃土高原黃土古氣候研究中通常被用作評估夏季風(fēng)強(qiáng)度的可靠替代性指標(biāo)[5,19]。通過低頻（χlf）和高頻磁化率值（χhf），計(jì)算得到頻率磁化率值（χfd=χlf-χhf）。由于高頻和低頻磁化率值具有很好的一致性，本研究只選取低頻和頻率磁化率進(jìn)行對比分析（表1、圖3）。銅川剖面低頻磁化率值變化范圍為 86.90×10-8～357.45×10-8m3/kg，平均值為188.41×10-8m3/kg。低頻磁化率值在不同地層單元呈規(guī)律性變化，由高到低依次為：全新世古土壤層 S0（268.26×10-8m3/kg）＞全新世黃土層 L0（125.41×10-8m3/kg）＞過渡性黃土層 Lt（114.02×10-8m3/kg）＞馬蘭黃土層 L1（94.22×10-8m3/kg）。頻率磁化率變化范圍為7.19%～11.36%，平均值為10.16%。其變化規(guī)律與低頻磁化率值一致，在古土壤層中較高，在黃土層中較低。

3 分析與討論

3.1 古氣候指標(biāo)

圖2 銅川剖面粒度組成三角圖Fig.2 Grain-size distribution of the loess and paleosols from the Tongchuan section

表1 銅川剖面粒度及磁化率參數(shù)Table 1 Magnetic susceptibility and grain size parameters of the samples from Tongchuan section

在黃土高原第四紀(jì)黃土古氣候研究中，不同粒徑組分是東亞夏季風(fēng)和冬季風(fēng)強(qiáng)度的重要替代性指標(biāo)[20]。在早期的研究中，中值粒徑被用于指示黃土高原地區(qū)東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度的替代性指標(biāo)，但是由于低粒徑組分（＜4 μm）受到成壤作用的影響較大，其代表性顯著降低[21]。鹿化煜[4]和汪海斌[22]等分別利用＞30 μm和＞40 μm粒徑組分來指示黃土高原地區(qū)冬季風(fēng)強(qiáng)度的變化。30和40 μm介于粉砂粒組分（4～63 μm）之間，因此，本研究選取粉砂粒組分作為東亞冬季風(fēng)的替代性指標(biāo)，黏粒組分（＜4 μm）作為東亞夏季風(fēng)的替代性指標(biāo)。

磁化率是黃土高原地區(qū)重要的古氣候代用指標(biāo)之一。通常在黃土層中較低，在古土壤層中較高，因而被用于指示黃土的成壤強(qiáng)度，進(jìn)而成為東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的重要替代性指標(biāo)[20]。宋揚(yáng)等[23]在黃土高原現(xiàn)代表土的研究中發(fā)現(xiàn)，磁化率值與大氣降水具有較好的正相關(guān)性，而與溫度的相關(guān)性較低。近期，路彩晨等[24]在黃土高原安塞剖面的研究中，進(jìn)一步指出降水是影響磁化率值的主要環(huán)境因素，低溫或高溫都不能增加地層中強(qiáng)磁性礦物的含量。進(jìn)入全新世以來，銅川剖面頻率磁化率同東亞季風(fēng)區(qū)重建的降水信息呈同步變化，即降水增加，頻率磁化率值增加（圖3）。低頻磁化率值在早晚全新世相對較低，中全新世較高，也能夠響應(yīng)東亞季風(fēng)區(qū)重建的降水變化。但是，頻率磁化率及低頻磁化率與溫度記錄的變化趨勢有較大出入，特別是在晚全新世，溫度的降低并沒有引起磁化率值的增加。因此，銅川剖面磁化率主要受到降水的控制，進(jìn)而，本研究將其作為指示東亞夏季風(fēng)降水的替代性指標(biāo)。

3.2 古氣候意義

通過上述對粒度和磁化率指標(biāo)的古氣候意義進(jìn)行分析，這里將粉砂粒作為指示東亞冬季風(fēng)的替代性指標(biāo)，黏粒和磁化率值作為東亞夏季風(fēng)的替代性指標(biāo)。此外，為了更準(zhǔn)確地闡述銅川剖面黃土-古土壤記錄的古氣候變化，本研究還結(jié)合在該剖面已經(jīng)開展的元素地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對比分析[16]。可初步將銅川地區(qū)在11.4～1.5 kaBP 期間的古氣候變化劃分為如下4個(gè)階段（圖4）：

11.4 ～10.2 kaBP，粉砂粒（75.15%）含量為全剖面最高值（圖4a），黏粒（21.98%）和頻率磁化率（8.84%）值在該時(shí)段處于全剖面的最低值（圖4b，c）。指示該階段東亞冬季風(fēng)較強(qiáng)，東亞夏季風(fēng)帶來的區(qū)域有效降水較少，氣候以寒冷干燥為主。該剖面的元素地球化學(xué)指標(biāo)（Rb/Sr和CIA值）也相對較低，指示化學(xué)風(fēng)化作用較弱，降水較少（圖4d，e）。該階段氣候可能受新仙女木事件[25]結(jié)束期的影響，仍處于較寒冷干燥期。

圖3 銅川剖面磁化率指標(biāo)對降水和溫度變化的響應(yīng)（a，b）與東亞季風(fēng)區(qū)年平均降水量（c）[25]及中國氣溫距平曲線（d）[26]Fig.3 a,b. Response of magnetic minerals to climatic factors of Tongchuan section，c. Reconstructed annual precipitation in East Asian monsoon region[25], d. The air temperature anomaly in China[26]

圖4 銅川剖面氣候記錄指標(biāo)與東亞夏季風(fēng)指標(biāo)、降水記錄及石筍記錄對比a ，b， c. 銅川剖面粒度、磁化率指標(biāo)；d， e. 銅川剖面元素地球化學(xué)指標(biāo)[16]；f. 耀縣剖面重建的區(qū)域有效降水[15]；g. 東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指標(biāo)[27]；h. 30°N 太陽輻射[28]；i. 董哥洞石筍氧同位素[29]。Fig.4 Comparison of climatic records in Tongchuan section with some proxies such as EAM, precipitation recorder and oxygen isotope record（δ18O）from the Dongge cave a, b ,c. particle size and magnetic susceptibility indices; d, e. geochemical indices[16]; f. Reconstructed rainfall in Yaoxian[15]; g. EASM index synthesized from monsoonal eastern China[27]; h. Summer insolation record for 30°N[28]; i. Oxygen isotope record（δ18O）from the Dongge cave[29].

10.2 ～9.1 kaBP，該時(shí)段為全新世早期，氣候處于向全新世暖濕期的過渡階段。這一時(shí)期，黏粒（27.24%）和頻率磁化率值（9.73%）處于相對低值上升區(qū)（圖4b，c），表明該階段東亞夏季風(fēng)呈增強(qiáng)的趨勢，其帶來的降水增加。耀縣剖面重建的區(qū)域有效降水也與之同步變化（圖4f），呈增加的變化趨勢。粉砂粒（70.79%）組分為相對高值下降區(qū)（圖4a），表明該階段冬季風(fēng)強(qiáng)度有所減弱。此外，在10.1 kaBP（358 cm）左右，粉砂粒組分出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的低谷值說明在該時(shí)段東亞冬季風(fēng)有一個(gè)明顯的減弱期。但是，低頻磁化率在該時(shí)段的變化并不明顯（圖3a），僅頻率磁化率和黏粒值有小幅度的峰值出現(xiàn)，指示夏季風(fēng)帶來的降水并沒有顯著增加。CIA和Rb/Sr值在10.1 kaBP左右也出現(xiàn)一個(gè)較強(qiáng)的峰值，表明風(fēng)化成壤作用增強(qiáng)，可能是冬季風(fēng)減弱，導(dǎo)致區(qū)域溫度出現(xiàn)短暫上升，利于土壤發(fā)育（圖4d，e）?？傮w而言，該階段氣候仍較冷干，但是，與末次冰期相比，有較大改善。

9.1 ～4.4 kaBP，該階段區(qū)域有效降水量及東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到全新世最高（圖4f，g），銅川剖面黏粒和磁化率值指示的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度與之具有較好的對應(yīng)性：黏粒（31.68%）含量和頻率磁化率（10.85%）值上升至全剖面最高（圖 4b，c），表明該階段東亞夏季風(fēng)帶來的降水達(dá)到最豐沛期；粉砂粒（67.25%）含量降至全剖面最低（圖4a），說明東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度降低至全新世最弱期。該階段的沉積地層以灰黑色、黑色的黑壚土為主，進(jìn)一步說明該階段氣候溫暖濕潤，十分利于古土壤發(fā)育。其中，頻率磁化率和黏粒值在約5.5 kaBP（圖4虛線）出現(xiàn)較小幅度低谷值，指示該時(shí)段東亞夏季風(fēng)帶來的降水減少。磁化率指標(biāo)與該階段的元素地球化學(xué)指標(biāo)（Rb/Sr和CIA值）變化趨勢趨于一致，且元素地球化學(xué)指標(biāo)的變化更為顯著（圖4d，e），可能是不同指標(biāo)響應(yīng)氣候事件的敏感性差異導(dǎo)致的。東亞夏季風(fēng)指標(biāo)以及耀縣剖面利用磁化率值定量重建的區(qū)域有效降水減弱期發(fā)生在5.8 kaBP左右（圖4g，f），可能是銅川剖面對中全新世氣候惡化事件的響應(yīng)期要晚于東亞夏季風(fēng)減弱期。但是，也不排除利用不同定年手段確定年代標(biāo)尺產(chǎn)生的誤差。總之，這一氣候惡化事件將中全新世暖濕期（9.1～4.4 kaBP）分為兩個(gè)階段：前期（9.1～5.5 kaBP）氣候最為溫暖濕潤，即全新世適宜期，后期（5.5～4.4 kaBP）暖濕度降低。

4.4 ～1.5 kaBP，該時(shí)段東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度顯著降低，耀縣剖面重建的區(qū)域有效降水也緩慢降低（圖4g，f）。銅川剖面黏粒（25.80%）含量和頻率磁化率值（9.70%）也緩慢下降（圖 4b，c），指示該階段東亞夏季風(fēng)減弱，區(qū)域有效降水減少。粉砂粒（71.45%）含量緩慢上升（圖4a），表明東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度有所增強(qiáng)。其中，頻率磁化率和黏粒值在3.0～2.5 kaBP左右出現(xiàn)的峰值，及粉砂粒組分在該時(shí)段出現(xiàn)的低谷值，指示該時(shí)段氣候出現(xiàn)一個(gè)短暫的暖濕期。在該階段之后，氣候逐漸向冷干的方向演化。此外，該時(shí)段粒度指標(biāo)波動(dòng)較大，不排除存在人為擾動(dòng)等因素的影響。

綜合上述分析，粒度和磁化率等指標(biāo)較好地記錄了銅川地區(qū)11.4～1.5 kaBP期間的氣候變化情況，與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指標(biāo)及耀縣剖面利用磁化率值定量重建的區(qū)域有效降水記錄具有較好的一致性（圖4g，f）。特別是在中晚全新世銅川剖面的氣候記錄與30°N太陽輻射量呈同步變化，說明銅川地區(qū)和董哥洞石筍氧同位素記錄的全新世氣候變化一樣，都主要受到太陽輻射量的控制（圖4i，h）。銅川剖面粒度、磁化率和元素地球化學(xué)指標(biāo)記錄的全新世氣候變化規(guī)律具有較好的一致性，總體變化趨勢為：早期（11.4～9.1 kaBP）寒冷干燥，中期（9.1～4.4 kaBP）溫暖濕潤，晚期（4.4～1.5 kaBP）氣候惡化，轉(zhuǎn)向冷干。

4 結(jié)論

（1）銅川剖面粒度組成主要以粉砂粒為主，其次是黏粒，砂粒含量最低。粒度參數(shù)（黏粒、粉砂粒和砂粒）和磁化率值與黃土-古土壤沉積具有很好的對應(yīng)性，黏粒、低頻磁化率和頻率磁化率在古土壤層中較高，在黃土層中較低；粉砂粒和砂粒在古土壤層中較低，在黃土層中較高。

（2）銅川剖面11.4～1.5 kaBP期間的氣候變化可以劃分為4個(gè)階段：11.4～10.2 kaBP，以寒冷干燥為主；10.2～9.1 kaBP，冬季風(fēng)減弱，氣候略溫偏干，總體仍較冷干；9.1～4.4 kaBP，夏季風(fēng)達(dá)到強(qiáng)盛期，氣候溫暖濕潤；4.4～1.5 kaBP，冬季風(fēng)增強(qiáng)，夏季風(fēng)減弱，氣候逐漸向冷干的方向演化。