徐新文　趙慶　邱海軍

摘要：中國(guó)黃土高原的黃土-古土壤風(fēng)塵堆積序列具有粒度細(xì)、沉積速率高和連續(xù)性好等特征，是古氣候?qū)W研究的重要組成部分。黃土沉積物在軌道尺度上與全球氣候關(guān)系密切，可以記錄千年-百年尺度的快速氣候事件。中國(guó)黃土古氣候?qū)W取得的核心成果之一，就是磁化率可以作為東亞夏季風(fēng)替代性指標(biāo)，然而，磁化率在古氣候研究中存在多解性，導(dǎo)致其在高分辨率研究中應(yīng)用較少。文中選擇黃土高原的趙家川和巴謝剖面磁化率數(shù)據(jù)，通過(guò)與格陵蘭冰心和中國(guó)石筍等高分辨率古氣候記錄進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)趙家川剖面磁化率記錄了4次Heinrich事件，巴謝剖面磁化率記錄了全新世以來(lái)新仙女木、9.2 ka和4.2 ka 3次氣候快速惡化事件。通過(guò)對(duì)比分析巴謝剖面磁化率記錄的3次快速氣候事件及其可能的驅(qū)動(dòng)因素，認(rèn)為太陽(yáng)輻射減弱可能是主要因素。

關(guān)鍵詞：黃土;磁化率;千年-百年氣候事件

中圖分類號(hào)：P318.44

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－03－011

Millennial and centennial time scaleclimate change recorded by Chinese loess magnetic susceptibility and its paleoclimatic implications

XU Xinwen1， ZHAO Qing QIU Haijun1

Abstract： The thick and continuous aeolian loess sequences from Chinese Loess Plateau （CLP） were ideal research materials for paleoclimate research.The Chinese loess sequence recorded orbital scaleclimate change excellently that could be compared well with ocean and ice core record. And it is also applied in studies of millennial and centennial time scale climate change. Magnetic susceptibility （MS） is an excellent indicator for East Asian Summer Monsoon （EASM） intensity in loess paleoclimate studies. However， it is seldom applied in millennial and centennial time scale climate change in loess paleoclimate studies because of its multipleinterpretations. In this paper， the high resolution MS record in Zhaojiachuan （ZJC） and Baxie （BX） loess profile were studied to discuss the evidence of millennial and centennial time scale climate change. MS in ZJC shows four major decrease that greater than 10×10-8m3·kg-1 in the past 60 to 10 ka. The age of these decreases in MS was 51.43 ka， 40.98 ka， 31.66 ka and 21.35 ka， respectively. The age dependent decrement of MS can make these changes more visible. MS in BX shows two abrupt decreases at about 12.16 ka and 5.33 ka. In addition， it also exhibits a distinct trough at about 9.3 ka. Compared with δ18O record in Greenland ice core and Chinese stalagmite， four Heinrich events （H5， H4， H3，H2） were identified in ZJC MS record. BX MS recorded three abrupt climate changes? related to Younger Dryas （YD）， 9.2 ka and 4.2 ka events. Comparing to the absent event happened at 8.2 ka， the most effect of these three events in CLP was the abrupt and large amplitude decrease of precipitation other than temperature. The similar behaviors of these three events in MS record in BX profile indicate they have similar driving factor. Compared to 8.2 ka event， the decrease in solar activity was the common possible driving factor for YD， 9.2 ka and 4.2 ka events， and should be the most possible driving factor.

Key words： loess; magnetic susceptibility; millennial and centennial scale climate change

廣泛分布于中國(guó)黃土高原的黃土-古土壤風(fēng)塵堆積序列具有粒度細(xì)、沉積速率高和連續(xù)性好等特征，是蘊(yùn)含古地磁和古氣候信息最為豐富的晚新生代陸相沉積物。它系統(tǒng)記錄了晚第四紀(jì)以來(lái)亞洲內(nèi)陸季風(fēng)干旱環(huán)境的演化歷史，在地質(zhì)學(xué)、古氣候?qū)W、地層學(xué)、古地磁學(xué)以及古生物學(xué)等研究領(lǐng)域都占有舉足輕重的地位［1-9］。

由于環(huán)境磁學(xué)研究方法具有簡(jiǎn)便、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)［10］，在黃土與古季風(fēng)研究領(lǐng)域，中國(guó)黃土的巖石磁學(xué)和環(huán)境磁學(xué)研究長(zhǎng)久以來(lái)一直被視為核心內(nèi)容之一［5， 11-12］。磁性礦物的種類、含量和粒徑分布的變化蘊(yùn)藏了大量的古環(huán)境和古氣候信息［10， 12］，為深入理解古季風(fēng)的演化歷史提供了大量可靠的環(huán)境磁學(xué)指標(biāo)［12-13］。通過(guò)中外科學(xué)家的合作研究，環(huán)境磁學(xué)在亞洲古季風(fēng)研究中取得了豐碩成果，其中最為引人注目的成果是發(fā)現(xiàn)黃土高原第四紀(jì)黃土-古土壤序列的磁化率可以作為東亞夏季風(fēng)替代性指標(biāo)［2， 13-14］，而且磁化率可以與深海沉積物氧同位素記錄的冰期／間冰期旋回進(jìn)行良好地對(duì)比［2， 15］，表明軌道尺度上中國(guó)第四紀(jì)黃土堆積與全球氣候之間存在密切的內(nèi)在聯(lián)系。近年來(lái)，隨著高分辨率黃土古氣候?qū)W的展開(kāi)，黃土沉積可以記錄Heinrich事件和D－O旋回等亞軌道氣候波動(dòng)［8， 16］，甚至全新世以來(lái)的快速氣候惡化事件也有所表現(xiàn)［17］。然而，在高分辨率黃土古氣候?qū)W研究中，主要依靠粒度、元素等指標(biāo)［16-17］，作為夏季風(fēng)代用指標(biāo)的磁化率（環(huán)境磁學(xué)參數(shù)）卻很少提及。本文選擇黃土高原中部的西峰趙家川和巴謝剖面，通過(guò)高密度磁化率數(shù)據(jù)分析可能包含的千年-百年尺度的氣候波動(dòng)，進(jìn)而對(duì)黃土中記錄的氣候快速變化事件進(jìn)行更為深入的認(rèn)識(shí)和理解。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

巴謝剖面位于甘肅省東鄉(xiāng)族自治縣境內(nèi)巴謝河的二級(jí)階地上（103°24′ E，36°42′ N），厚度為16m，根據(jù)14C和熱釋光年代標(biāo)定點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過(guò)磁化率年代計(jì)算公式［18］獲得整個(gè)剖面的年代，底部為15.76 ka［19］。趙家川剖面位于黃土高原現(xiàn)存面積最大的董志塬東緣，位于甘肅省西峰市以東約16km的胡家崾險(xiǎn)村至趙家川村間（35°45′ N，107°49′E）。剖面選擇氧同位素階段的終止點(diǎn)年齡作為控制點(diǎn)，對(duì)控制點(diǎn)間年齡應(yīng)用粒度年代模式線性內(nèi)插獲得［20］。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果

文中所用數(shù)據(jù)，趙家川剖面為近60～10 ka以來(lái)磁化率，巴謝剖面為近15.76 ka以來(lái)磁化率，其中，趙家川剖面磁化率變化范圍為41.9～83.66×10-8m3·kg-1，平均值為55.04×10-8m3·kg-1（圖2A）。整個(gè)剖面磁化率變化較為平穩(wěn)，按照磁化率的變化特點(diǎn)，自底部向上可以劃分為3個(gè)階段：60～40.98 ka，磁化率波動(dòng)較小，變化范圍為53.54～72.82×10-8m3·kg-1;40.98～26.43 ka，磁化率值與前一階段相比有所減小，波動(dòng)仍然較小，變化范圍為43.44～58.88×10-8m3·kg-1;26.43～19.45 ka，磁化率值呈現(xiàn)一個(gè)峰值，最大值可達(dá)83.67×10-8m3·kg-1;19.45～10 ka，磁化率值較低，且變化較小，范圍為41.90～54.97×10-8m3·kg-1。

巴謝剖面磁化率變化范圍為9.14～82.33×10-8m3·kg-1，平均值為40.18×10-8m3·kg-1（圖2B）。整個(gè)剖面按照磁化率的變化特點(diǎn)自底部向上可以劃分為3個(gè)階段：15.76～12.9 ka，磁化率呈現(xiàn)穩(wěn)定的低值，變化范圍為9.14～22.38×10-8m3·kg-1;12.9～5 ka，磁化率值整體較高，平均值可達(dá)51.73×10-8m3·kg-1，在11.91 ka和9.21 ka處磁化率出現(xiàn)了兩次大幅度的快速降低;5 ka以來(lái)，磁化率以幅度較小的波動(dòng)為主，變化范圍為21.57～55.36×10-8m3·kg-1，平均值為33.7×10-8m3·kg-1。

3 討 論

環(huán)境磁學(xué)作為一種重要的古環(huán)境研究手段，在黃土研究中得到了廣泛的應(yīng)用［12-13］。大量巖石磁學(xué)證據(jù)表明，成土作用的強(qiáng)度是導(dǎo)致黃土與古土壤中磁化率差異的本質(zhì)因素［21］，是磁性增強(qiáng)的主導(dǎo)機(jī)制［13， 22］。在成土過(guò)程中，大量細(xì)顆粒（超順磁性顆粒和單疇顆粒）磁鐵礦和磁赤鐵礦生成，造成了古土壤的磁化率顯著高于黃土。因此，磁化率與夏季風(fēng)降水密切相關(guān)，可以作為東亞夏季風(fēng)相對(duì)強(qiáng)度變化的代用性指標(biāo)［2， 13， 22］。

3.1 黃土磁化率與Heinrich事件

趙家川剖面磁化率在21.35 ka處存在顯著降低的現(xiàn)象（圖3）。此外，51.43 ka，40.98 ka和31.66 ka處均顯示出一定的磁化率降低，幅度均大于10×10-8m3·kg-1。為了更加清晰的辨識(shí)磁化率可能記錄的環(huán)境事件，我們采用磁化率的變化量來(lái)突出。磁化率的變化量定義為MSi=MSi-MSi-1，如果該值為正，表明磁化率出現(xiàn)了降低，且值越大磁化率降低的越強(qiáng)烈。通過(guò)磁化率變化量隨時(shí)間的變化可知，在60～10 ka之間，磁化率快速降低（降低幅度大于10×10-8m3·kg-1）發(fā)生過(guò)4次，依次為51.43 ka，40.98 ka， 31.66 ka和21.35 ka。通過(guò)與格陵蘭冰心（GRIP）氧同位素［23］、葫蘆洞石筍氧同位素［24］、靖遠(yuǎn)剖面黃土平均粒徑［8］變化的比較可知， 趙家川剖面中黃土磁化率的快速降低在時(shí)間上與北大西洋冰筏事件（Heinrich events）H5，H4，H3，H2相對(duì)應(yīng)。因此，我們認(rèn)為在采樣分辨率足夠高的情況下，磁化率依然可以記錄千年尺度的快速氣候事件。但是，在60～10 ka這一時(shí)段，本身就屬于冰期環(huán)境，氣候較為干冷［23］。在這種情況下，成土作用的發(fā)育程度較差，磁化率處于低值段［8］，而以Heinrich事件為代表的氣候快速變冷情況，可能無(wú)法再進(jìn)一步引起磁化率值的顯著降低并形成石筍氧同位素［24］等指標(biāo)當(dāng)中的“谷值”，更多的以類似趙家川剖面中磁化率數(shù)值的小幅度減小為表現(xiàn)形式。

3.2 黃土磁化來(lái)記錄的全新世以來(lái)氣候事件

對(duì)于全新世部分，我們則采用巴謝剖面的磁化率為例（圖4）。巴謝剖面磁化率在12.16 ka和5.33 ka處呈現(xiàn)了快速、大幅度的降低。通過(guò)與格陵蘭冰心（GRIP）氧同位素［23］和董哥洞石筍氧同位素［25］比較可知，這兩次磁化率的快速降低分別對(duì)應(yīng)于新仙女木事件（YD）和4.2 ka事件。

新仙女木事件（YD）是末次冰期向全新世轉(zhuǎn)換期間，急劇升溫過(guò)程中的最后一次快速降溫事件，格陵蘭冰心記錄表明當(dāng)?shù)販囟仍趲啄甑綆资曛醒杆俳档偷奖跁r(shí)的水平［26］。巴謝剖面磁化率顯示了短時(shí)間內(nèi)的大幅度降低，表明夏季風(fēng)降水的快速減少，這一結(jié)果與石筍等降水指標(biāo)一致。青藏高原的古里雅冰芯記錄則指出，在12.2～10.9 ka間氣溫快速降低，幅度可達(dá)12°C［27］。由此可見(jiàn)，YD事件導(dǎo)致了我國(guó)季風(fēng)區(qū)降水顯著減低，氣溫也呈現(xiàn)出快速降低的變化。關(guān)于YD事件的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，目前仍然存在一定的爭(zhēng)論，主要有下幾種認(rèn)識(shí)：①勞倫泰德（Laurentide）冰蓋融冰排入北大西洋導(dǎo)致溫鹽環(huán)流的擾動(dòng)和北大西洋深層水生成的停止，低緯度熱量無(wú)法通過(guò)洋流傳送到高緯度地區(qū)，最終引發(fā)快速降溫［28］。②太陽(yáng)輻射的減弱導(dǎo)致大氣當(dāng)中14C迅速增加，同溫層下層降溫和同溫層風(fēng)速的減小，引起極地氣團(tuán)擴(kuò)張，西風(fēng)帶向低緯度方向移動(dòng)，北半球降雨帶南移［29］。③YD期間由于全球氣候變冷，進(jìn)入海洋的冰川融水就會(huì)減少，進(jìn)而引起海平面上升速率的回落［30］。此外還有低緯驅(qū)動(dòng)［31］、彗星撞擊［32］等說(shuō)法。

我國(guó)季風(fēng)區(qū)的記錄均表明了YD期間，氣溫迅速降低，降水顯著減少，夏季風(fēng)強(qiáng)度較弱［16， 25］。然而，與之不同的是我國(guó)西北干旱區(qū)，羅布泊CK－2鉆孔湖相沉積物元素組合特征表明12.8～11.6 ka期間，我國(guó)內(nèi)陸干旱區(qū)以寒冷濕潤(rùn)的氣候?yàn)樘卣鳎?3］。我國(guó)季風(fēng)區(qū)和西風(fēng)區(qū)氣候的變化特征表明，YD期間西風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)，西風(fēng)帶南移，季風(fēng)強(qiáng)度減弱。美國(guó)中北部YD期間降雨量同樣出現(xiàn)了增加記錄，可能與極地急流南移，冬季降水增加所致［34］。因此，中緯度地區(qū)氣候溫度驟降而降雨增加的特征似乎支持太陽(yáng)輻射減弱與大氣當(dāng)中14C迅速增加這一說(shuō)法。

除了YD事件，全新世以來(lái)還有兩次全球廣泛記錄的氣候惡化事件，4.2 ka事件和8.2 ka事件［35-36］。巴謝剖面磁化率數(shù)據(jù)在大約5.33 ka處出現(xiàn)了大幅度的快速降低，與4.2 ka事件相當(dāng)，但是沒(méi)有記錄8.2 ka事件。大量研究成果表明，發(fā)生于距今4.2 ka的北半球中低緯度的氣候干冷事件以快速變干變冷為特征［37］，而中國(guó)北方則主要以快速干旱為主，可能是引起我國(guó)北方季風(fēng)邊緣區(qū)環(huán)境敏感帶許多新石器文明由盛而衰的主要原因［38-39］。關(guān)于這次氣候事件的觸發(fā)因素目前還存在很大的爭(zhēng)論，如Wang等［24］通過(guò)對(duì)董哥洞的研究發(fā)現(xiàn)石筍記錄的降水減少往往與大氣中14C增加相關(guān)，認(rèn)為4.2 ka氣候干旱事件可能與全新世以來(lái)太陽(yáng)輻射減弱有關(guān);Xiao等［40］通過(guò)呼倫湖沉積物多指標(biāo)研究認(rèn)為，4.2 ka事件發(fā)生期間呼倫湖的水位降低與西熱帶太平洋和西北大西洋海水表層溫度的降低導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)水汽來(lái)源減少和降雨帶南移有關(guān)。除東亞季風(fēng)區(qū)的干旱化記錄外，印度季風(fēng)在這一時(shí)期同樣出現(xiàn)了季風(fēng)減弱的情況［41］，因此該事件導(dǎo)致亞洲季風(fēng)區(qū)均出現(xiàn)了降水的顯著減少。

此外，巴謝剖面磁化率在約9.3 ka處存在一個(gè)谷值，時(shí)間上與我國(guó)季風(fēng)區(qū)普遍記錄的9.2 ka事件相仿［42］。從磁化率的降低幅度來(lái)看，9.2 ka事件表現(xiàn)較為顯著，而與之年齡相近8.2 ka事件則無(wú)明顯記錄。因此，9.2 ka事件在亞洲季風(fēng)區(qū)的影響要更加顯著和普遍。對(duì)于該事件的成因，可能與太陽(yáng)活動(dòng)的減弱有關(guān)［42］。

綜上所述，4.2 ka事件和YD事件在我國(guó)季風(fēng)區(qū)的表現(xiàn)存在很多相似性，那么他們?cè)谟|發(fā)機(jī)制上是否存在相似性值得思考。僅從巴謝剖面來(lái)看，這兩次事件的發(fā)生導(dǎo)致了磁化率降低的速度和幅度均有很大的相似性。因此，我們認(rèn)為這兩次事件對(duì)黃土高原地區(qū)降雨量減少的影響是相似的，對(duì)古文明的毀滅性影響也是相似的。結(jié)合9.2 ka事件在巴謝剖面的記錄，我們認(rèn)為太陽(yáng)輻射的變化可能對(duì)這三次事件的產(chǎn)生起到了決定性作用，如大氣14 C和10Be產(chǎn)率顯示YD期間和4.2 ka左右太陽(yáng)輻射均處于減弱期［43］，表明二者對(duì)太陽(yáng)輻射減弱的響應(yīng)存在相似性。

但是，這幾個(gè)事件在不同記錄中的表現(xiàn)卻差異較大，究其原因，可能與不同指標(biāo)對(duì)氣候的敏感性不同有關(guān)。在古環(huán)境研究領(lǐng)域，通常所說(shuō)的季風(fēng)強(qiáng)度既包含與風(fēng)力強(qiáng)度有關(guān)的指標(biāo)，也包含與降水有關(guān)的指標(biāo)，甚至多數(shù)情況下采用的指標(biāo)并不能區(qū)分二者的相對(duì)貢獻(xiàn)［42］。磁化率主要受控于成土作用的強(qiáng)度，與夏季風(fēng)降水之間存在相關(guān)性。在我國(guó)干旱半干旱地區(qū)，與溫度相比，降水才是影響成土作用的主要因素。因此，黃土磁化率更多的反映了降水的明顯變化，而對(duì)溫度變化則不敏感。

4 結(jié) 論

通過(guò)趙家川剖面和巴謝剖面的磁化率特征，識(shí)別了其中記錄的千年-百年尺度的氣候事件。趙家川剖面記錄了4次Heinrich事件，巴謝剖面記錄了YD，9.2 ka和4.2 ka三次全新世以來(lái)的氣候惡化事件。全新世以來(lái)的這三次事件在亞洲季風(fēng)區(qū)均表現(xiàn)為降雨的顯著減少，從驅(qū)動(dòng)機(jī)制上來(lái)看，可能與太陽(yáng)輻射的減少關(guān)系更為密切。

致謝：感謝國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)東亞古環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)支撐。

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（編 輯 李 波，邵 煜）

收稿日期：2019－12－05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （41402151，41572164）;黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（SKLLQG1218）

作者簡(jiǎn)介：徐新文，男，陜西神木人，博士，從事第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)與環(huán)境演化研究。

通信作者：邱海軍，男，陜西神木人，教授，從事山地災(zāi)害研究。