青藏高原東北部黃土的年代及古氣候意義

青藏高原東北部黃土的年代及古氣候意義

1有效的氣候變化采樣過去20年，國內(nèi)外科學(xué)家對青藏高原的第四紀(jì)環(huán)境變化進(jìn)行了多方面的研究，取得了許多成果。特別是對高原上第四紀(jì)厚層緩慢沉積物的研究（這里沒有系列層），獲得了高原上高度氣候和環(huán)境變化的新認(rèn)識。在青藏高原東北部若爾蓋地區(qū)的河湖相沉積鉆探、柴達(dá)木盆地和青海湖環(huán)境鉆探、青藏高原中部的錯(cuò)鄂沉積環(huán)境鉆探以及青藏高原東南部的云南鶴慶沉積物鉆孔與環(huán)境變化研究等具有代表性。但是,分析已有的工作,發(fā)現(xiàn)存在年代學(xué)工作過于簡單、環(huán)境替代性指標(biāo)有多解性等問題。更為嚴(yán)重的是,由于受鉆探技術(shù)和沉積過程的限制,一些鉆探取芯率很低、沉積序列嚴(yán)重缺失,這些問題為重建青藏高原第四紀(jì)的氣候變化帶來很多不確定性,進(jìn)而阻礙了對這個(gè)關(guān)鍵地區(qū)氣候變化規(guī)律和機(jī)制的認(rèn)識。黃土堆積良好地記錄了第四紀(jì)氣候變化,黃土古氣候記錄研究的方法相對成熟。在青藏高原東北部,堆積著厚層黃土,已對其進(jìn)行了大量的研究[19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36]。但是,這些工作偏重于末次冰期旋回,對于整個(gè)第四紀(jì)的氣候變化過程涉及不多。原因是這里黃土顆粒粗而疏松,次生黃土堆積披覆很厚,常用的剖面采樣方法只適合于部分出露好的層位,對整個(gè)剖面的連續(xù)采樣常常出現(xiàn)難以解釋的現(xiàn)象(鹿化煜等,2002,未發(fā)表數(shù)據(jù))。因此,實(shí)施厚層黃土的鉆探采樣,可望獲得較為完整的第四紀(jì)氣候和環(huán)境變化的記錄。在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下,2004年8～11月,我們對青藏高原東北部西寧-互助地區(qū)的厚層黃土進(jìn)行了鉆探取樣,取得長分別約為182m和232m的兩根黃土巖芯,取芯率大于95%。同時(shí),在野外直接進(jìn)行巖性觀察、記錄、測量和取樣,獲取了8000多個(gè)樣品。這項(xiàng)穿透厚層黃土的鉆探工程,使我們看到了埋藏黃土的真面目,也為認(rèn)識青藏高原東北部的氣候和環(huán)境變化提供了新材料。本文報(bào)道鉆探揭示的土壤地層、磁性地層和磁化率變化,初步討論厚層黃土堆積記錄的青藏高原東北部第四紀(jì)氣候變化。2黃土剖面位置泮子山(PZS)和大墩嶺(DDL)的黃土堆積分別位于青?；ブ喜亢弯宜鲗幣璧氐暮恿麟A地上(圖1和圖2),野外測量黃土剖面的厚度達(dá)183m和250m,為第四紀(jì)的沉積物。泮子山(36.649°N,101.844°E,海拔2728m)和大墩嶺(36.657°N,101.787°E,海拔2740m)鉆孔分別選擇在黃土的沉積中心部位。2.1采樣取樣情況泮子山鉆孔(見圖1和圖2)巖芯厚度181.7m,由3部分組成:1)挖井采樣(0～4.45m);2)重力鉆探取樣(4.43～25.53m);3)泥漿鉆探取樣(19.60～181.60m)?，F(xiàn)場進(jìn)行的鉆探巖芯描述(表1)與以前的露頭剖面觀察有一定的區(qū)別。2.2第一口鉆井漏孔大墩嶺鉆孔(見圖1和圖2)的巖芯由兩部分組成(表2)。第一口鉆井(0～20.65m)發(fā)生了漏孔而進(jìn)行移位;第二口鉆井(20.00～232.15m)穿透了黃土層,到達(dá)河流階地的礫石層上部。3層結(jié)構(gòu)與磁化率3.1青海湖中部黃土堆積序列對青藏高原東北緣黃土露頭剖面的地層研究和釋光測年表明,該地區(qū)保存著末次冰期旋回的黃土-古土壤堆積,并與黃土高原的L1和S1黃土地層對應(yīng)(J.-P.Buylaert,2005,個(gè)人交流)。這次工作中,對西寧-互助地區(qū)兩個(gè)鉆探點(diǎn)的黃土天然剖面和鉆孔巖芯進(jìn)行了詳細(xì)的觀察和描述,結(jié)合以前的研究(鹿化煜等,2002,未發(fā)表數(shù)據(jù)),獲得了較為完整的PZS土壤地層序列(見圖2)。PZS剖面的地層相對齊全和穩(wěn)定,古土壤發(fā)育較弱,地層厚度變化很大(與標(biāo)準(zhǔn)的黃土高原中部洛川和西峰黃土地層對比,下同)。根據(jù)土壤形態(tài)、磁化率等和野外觀察,PZS鉆探巖芯有比較清楚的S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S10,S11,S12,S13,S14,S15,S16,S17,WS1,WS2和WS3等古土壤層和其間的黃土層(見圖2)。在DDL鉆探巖芯中,這些古土壤層和黃土地層更清楚(見圖2),古土壤層堆積速率慢、磁化率高,表現(xiàn)為磁化率曲線上的窄峰;黃土層堆積速率快、磁化率低,表現(xiàn)為磁化率曲線的寬平谷(見圖2)。DDL黃土堆積的平均速率比PZS高,主要的原因可能是DDL黃土堆積在湟水較低階地上,水蝕和風(fēng)蝕強(qiáng)度小,而PZS黃土堆積在較高的地貌部位,有較強(qiáng)的風(fēng)蝕和水蝕作用,加之后期的新構(gòu)造活動(dòng)(抬升)作用,使黃土地層的侵蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重。在DDL鉆探點(diǎn)基本沒有早更新世的黃土地層,這是因?yàn)镈DL剖面位于較年青的階地上。兩個(gè)鉆探點(diǎn)的黃土地層可以良好對比,也可與黃土高原的黃土地層對比,證明在長時(shí)間尺度上,青藏高原東北部的黃土序列較為完整。根據(jù)對兩個(gè)鉆孔巖芯的細(xì)致分析發(fā)現(xiàn),這里的黃土堆積存在局部侵蝕現(xiàn)象。青藏高原東北部,地勢高,黃土疏松多孔,加上強(qiáng)烈的新構(gòu)造活動(dòng)和適宜的降雨量(大約400mm/a),成為其侵蝕的原因。侵蝕面表現(xiàn)為磁化率的跳躍變化特征,比如S3,S6古土壤層向黃土層過渡期的磁化率突變,以及兩個(gè)鉆孔在一些地層層位(如S3,S5)磁化率值變化的不協(xié)調(diào)。青藏高原東北部黃土沉積速率變化很大,可能的原因是,在氣候和構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定的沉積期,堆積速率是黃土高原的數(shù)倍;而在氣候變化和構(gòu)造活動(dòng)的活躍期,部分黃土或古土壤地層被侵蝕。與黃土高原的黃土堆積一樣,青藏高原東北部的黃土堆積在某些時(shí)間段存在著缺失的現(xiàn)象。因此,利用黃土堆積可以重建氣候變化的宏觀特征或某些時(shí)間段的細(xì)節(jié),但難以獲得連續(xù)的高精度的氣候變化記錄。與洛川(LC)標(biāo)準(zhǔn)黃土地層相比,鉆探揭示的青藏高原厚層黃土堆積序列具有自身特征。西寧-互助黃土沉積速率總體上比黃土高原的高,馬蘭黃土內(nèi)部的古土壤層發(fā)育弱,磁化率數(shù)值比較平穩(wěn)(粒度數(shù)據(jù)表現(xiàn)出高頻率大幅度的變化,正在整理中)。S1復(fù)合古土壤層有明顯的三分,即S1由3條古土壤層組成,磁化率曲線表現(xiàn)出“三峰夾兩谷”的形態(tài);S5復(fù)合古土壤層在整個(gè)剖面上發(fā)育不是最強(qiáng)烈的,即沒有“紅三條”的特征,磁化率值也不是最高的。L5,L9和L15地層出現(xiàn)了砂質(zhì)堆積,指示當(dāng)時(shí)的風(fēng)力強(qiáng)盛,氣候較為干冷,砂質(zhì)物源區(qū)較近。兩個(gè)鉆探巖芯的砂質(zhì)層對應(yīng)不是很一致,可能是由于局地的物源對黃土堆積的貢獻(xiàn)和影響所致,指示了該地區(qū)黃土堆積的不連續(xù)性?？傮w上,連續(xù)的鉆探巖芯揭示的青藏高原東北部黃土-古土壤地層可以與標(biāo)準(zhǔn)的黃土地層對應(yīng),同時(shí),一些階段表現(xiàn)出很高的時(shí)間分辨率,而另外一些階段則存在部分地層缺失,比如S1和S5兩個(gè)復(fù)合古土壤層與黃土高原比較,S1比黃土高原的普遍偏厚,有明顯的三分,而S5則比較薄,沒有三分現(xiàn)象。這些特征可能是局地的構(gòu)造活動(dòng)和氣候變化共同作用的結(jié)果。對兩個(gè)鉆探巖芯的900多塊樣品進(jìn)行了古地磁測試,樣品分別在零磁空間中進(jìn)行了系統(tǒng)的熱退磁和交變退磁實(shí)驗(yàn),大部分樣品的熱退磁表現(xiàn)出良好的退磁過程(圖3),但是,有少部分的樣品退磁過程不是很穩(wěn)定。PZS鉆探剖面的磁傾角在地層深度87m處發(fā)生倒轉(zhuǎn),解釋為B/M界線,之下還發(fā)現(xiàn)了兩次正極性事件,分別對應(yīng)Jaramillo和Olduvai亞極性事件,以這個(gè)磁性地層對比方案為基礎(chǔ),根據(jù)沉積速率外推,PZS黃土堆積底部的年齡為約2.0Ma(圖4)。對大墩嶺鉆探巖芯的古地磁測試表明,部分退磁曲線不是很好,可能與該區(qū)黃土堆積顆粒較粗、部分層位為砂層有關(guān)。結(jié)合上述土壤地層結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)黃土地層對比以及以前的研究結(jié)果,我們認(rèn)為大墩嶺黃土地層的底界到達(dá)了午城黃土的上部,年代約為1.40～1.39Ma前后(見圖4),比以前認(rèn)為的要老約200ka。3.2巖芯磁化率變化黃土高原黃土堆積的磁化率變化被認(rèn)為是辨認(rèn)地層和氣候變化的良好替代性指標(biāo)。在青藏高原東北部,黃土地層變化總體上與磁化率變化相對應(yīng)(見圖2)。在古土壤層發(fā)育強(qiáng)的層位,磁化率值較高,而在古土壤層發(fā)育弱的層位,磁化率值較低,磁化率變化對應(yīng)黃土的風(fēng)化強(qiáng)度變化,進(jìn)而指示氣候變化。對青藏高原東北部黃土和古土壤的巖石磁學(xué)研究表明,總體上黃土序列的磁化率變化可以指示氣候變化;但在某些弱發(fā)育的古土壤層位,磁化率并沒有隨成壤化作用增強(qiáng)而增大,磁化率作為一種古氣候替代指標(biāo),存在“失真現(xiàn)象”。在高寒地區(qū)的黃土磁化率的增強(qiáng)可能以風(fēng)塵輸入模式為主,而在西寧-互助溫度濕度相對中等的地區(qū)風(fēng)化成壤模式起主導(dǎo)作用,磁化率變化可以作為氣候變化的替代性指標(biāo),也反映了高原夏季風(fēng)強(qiáng)弱的變化。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,黃土磁化率的增強(qiáng)可能還與露頭剖面的長期風(fēng)化作用有關(guān),受后期氧化改造作用很大,并不一定代表原生的地層剩磁的變化(W.Balsam,2001,個(gè)人交流)。為了檢驗(yàn)后期氧化作用對地層磁性的影響,我們在野外直接對獲得的新鮮鉆探巖芯進(jìn)行了磁化率測量,并把現(xiàn)場測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果進(jìn)行對比(圖5)?？梢钥吹?兩者對比良好,從而排除了由于暴露地表而使樣品磁化率受到影響的推論。磁化率測試結(jié)果還表明,其值在12～94單位(10-8m3/kg)之間波動(dòng)。在發(fā)育比較強(qiáng)的古土壤層磁化率值顯著增高,表現(xiàn)為磁化率曲線中的“高窄峰”,可能指示了暖濕的氣候持續(xù)的時(shí)間較短。在發(fā)育比較弱的古土壤層,磁化率波動(dòng)較小,與上下的黃土層/砂層的磁化率區(qū)別不大,但還是可以看到次一級的磁化率變化。在黃土層,磁化率值很低,表現(xiàn)為“寬平谷”。磁化率的變化指示了青藏高原東北部第四紀(jì)氣候變化多旋回的特點(diǎn)。在早更新世的午城黃土堆積的時(shí)期,PZS鉆探的巖芯的磁化率表現(xiàn)為小幅度的變化,在下離石黃土堆積的時(shí)期,磁化率的振幅變大,至上離石黃土堆積和馬蘭黃土堆積期,磁化率變幅進(jìn)一步加大。DDL鉆探巖芯也有類似的特征。這說明,如果磁化率的變化受氣候的暖濕程度(高原夏季風(fēng)強(qiáng)度)控制,那么,最近約2.0Ma以來高原夏季風(fēng)環(huán)流在構(gòu)造時(shí)間尺度有階段性增強(qiáng)的特征,這與第四紀(jì)以來全球冰量變化、高原隆升是否存在聯(lián)系,還是與低緯度的驅(qū)動(dòng)有關(guān),需要進(jìn)一步分析。雖然西寧-互助黃土序列的磁化率與黃土高原中部黃土堆積的磁化率變化曲線在形狀上有區(qū)別,但是,在趨勢上是一致的(見圖2和圖4)。從早更新世到全新世,間冰期古土壤層的磁化率值階段性增高的特征在黃土高原也有體現(xiàn),可能表明了冰期與間冰期的氣候狀況反差階段性增強(qiáng)。大墩嶺黃土堆積的鉆探取芯達(dá)到232.2m,其平均沉積速率到達(dá)17.85cm/ka,分別是黃土高原中部洛川黃土平均沉積速率5.27cm/ka和西峰黃土平均沉積速率6.74cm/ka的3.4和2.6倍,也是鄰近的泮子山黃土堆積速率的近2倍。大墩嶺黃土古土壤序列可以提供青藏高原東北部第四紀(jì)氣候變化某些時(shí)段的細(xì)節(jié),需要進(jìn)一步研究。4藏族高原中部地區(qū)青藏高原東北部氣候變化受到高原季風(fēng)環(huán)流控制。在冰期-間冰期時(shí)間尺度,高原季風(fēng)環(huán)流與東亞季風(fēng)環(huán)流有聯(lián)系也有區(qū)別,黃土記錄表明高原季風(fēng)氣候的變率和變幅大于東亞季風(fēng)氣候。鉆探巖芯的磁化率曲線指示在冰期-間冰期轉(zhuǎn)化的時(shí)候高原季風(fēng)氣候存在快速變化的現(xiàn)象(見圖2)。在S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S12,S13等古土壤發(fā)育的階段磁化率值高,通過與洛川標(biāo)準(zhǔn)黃土?xí)r間序列進(jìn)行對比,可以知道,在距今129～71ka,254～188ka,334～279ka,428～385ka,576～471ka,670～658ka,748～706ka,788～760ka,883～853ka,1000～967ka,和1120～1061ka等時(shí)間段,青藏高原東北部古土壤發(fā)育,是相對溫暖濕潤的時(shí)期;其間厚層的黃土/砂層堆積則反映了寒冷干旱的氣候,寒冷干旱時(shí)期至少從大約2.0Ma就開始,在71～12ka,188～130ka,380～334ka,471～428ka,658～576ka,853～788ka,1273～1265ka和1727～1640ka等時(shí)間段寒冷干旱比較強(qiáng)烈。這次厚層黃土鉆探的取芯率高,揭示了青藏高原第四紀(jì)黃土存在短期侵蝕的現(xiàn)象。比如S3,S6古土壤層向黃土層過渡期的磁化率突變,以及兩個(gè)鉆孔在一些地層層位(如S3,S5)磁化率值變化的不協(xié)調(diào),都可能與地表侵蝕有關(guān)。越來越多的證據(jù)表明,許多跨度長的第四紀(jì)的松散沉積物難以保持連續(xù)沉積,中國典型的黃土沉積已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了類似的問題。海洋沉積也可能不是以前人們認(rèn)為的那么穩(wěn)定(汪品先,2006,個(gè)人交流)。這些事實(shí)提醒我們,在重建高精度的環(huán)境變化序列時(shí),要考慮復(fù)雜的地表過程。與黃土高原的黃土序列相比較,青藏高原黃土揭示的階段性演化不如黃土高原的強(qiáng)烈,而在冰期-間冰期時(shí)間尺度上揭示的氣候變化頻率和幅度比黃土高原大。重建高原冰川變化過程是青藏高原環(huán)境變化研究的一個(gè)重要方面,但是,關(guān)于這個(gè)問題的認(rèn)識分歧較大。近年的研究表明,在青藏高原從早更新世開始就可能有冰川活動(dòng),并且各冰川期次的時(shí)間和范圍有較大的不同。連續(xù)的冰川沉積物常難以保存,往往是后期較大的冰川活動(dòng)改變了已有的沉積。并且,對冰川沉積物的準(zhǔn)確定年還存在一定的困難。冰川發(fā)育是受氣候變化控制的,那么,有較為準(zhǔn)確定年的青藏高原東北部黃土沉積可能包含著冰川進(jìn)退的某些信息。另一方面,冰川發(fā)育過程中產(chǎn)生的大量粉砂級顆粒物質(zhì),可能成為厚層黃土的重要物源。鉆探揭示的黃土序列指示青藏高原氣候在距今71～12ka,188～130ka,380～334ka,471～428ka,658～57