黃土記錄的古全球變化研究

黃土記錄的古全球變化研究

全球變化的研究是目前最活躍的國際科學(xué)活動之一，以國際地理圈計劃（igbp）為基礎(chǔ)。它是繼“大陸漂移-海底擴張-板塊學(xué)說”之后,地球科學(xué)從“整體地球系統(tǒng)”角度的又一次全球性多學(xué)科攻關(guān)。全球變化研究的主要不確定因素是環(huán)境變化的機制和原因,對過去的全球變化研究是理解環(huán)境系統(tǒng)變化規(guī)律、驅(qū)動因素和機制的關(guān)鍵途徑。因此,IGBP將古全球變化(PastGlobalChange)設(shè)立為核心項目(PAGES)。它自實施以來,為科學(xué)的發(fā)展做出了巨大的貢獻,其中有關(guān)氣候的自然變率、工業(yè)化前的全球大氣成分、全球溫室氣體的自然變化及其與氣候的關(guān)系、陸地生態(tài)系統(tǒng)對過去氣候變化的響應(yīng)、過去氣候系統(tǒng)的突發(fā)性變化等方面的成果,被國際學(xué)術(shù)界認為是自然科學(xué)的重要進步。我國的古全球變化研究是地球科學(xué)領(lǐng)域在國際上的一塊“金牌”,其中北方的風(fēng)成黃土-古土壤序列是250萬年來東亞環(huán)境變化的連續(xù)完整記錄,一直與深海沉積和極地冰巖芯等一起,構(gòu)成全球環(huán)境變化研究的重要支柱。長期以來,我國眾多科研管理部門對該領(lǐng)域的研究給予了大力資助。國家自然科學(xué)基金委員會多年來一直將古全球變化研究作為重點領(lǐng)域,以不同層次的項目給予大力資助,項目的資助率和資助強度逐年增大,取得了一系列高水平的研究成果,培養(yǎng)了一支高質(zhì)量的研究隊伍。本文基于近年來研究的一些新進展,簡要介紹中國黃土-古土壤序列在古全球變化研究中若干方面的貢獻。這些成果顯示出我國的黃土研究無論在廣度上和深度上都具有明顯的優(yōu)勢,被國際學(xué)術(shù)界認為是古全球變化研究科學(xué)貢獻的重要組成部分。1晚東南角-古土壤序列的研究古氣候記錄的年代地層學(xué)研究是其他研究的基礎(chǔ)。黃土-古土壤序列年代地層學(xué)研究一直在不斷進展和完善。目前,不同方法獲得的結(jié)果有較好的統(tǒng)一性,證實了黃土-古土壤序列是250萬年來古環(huán)境變化的連續(xù)完整記錄。黃土地層與深海記錄的對比方案已為國際學(xué)術(shù)界所廣泛接受,二者均是全球環(huán)境變化研究中古氣候?qū)Ρ鹊臉?biāo)準(zhǔn)和經(jīng)典記錄。在國家自然科學(xué)基金“八五”重大項目的支持下,黃土年代學(xué)研究的一個重要進展是對晚第四紀(jì)序列的熱釋光和14C年代學(xué)測定,其中以渭南剖面的測年數(shù)量最多,從而使晚第四紀(jì)黃土-古土壤序列獲得了一個基于年代測定的、較高分辨率的獨立時間標(biāo)尺,對研究東亞古環(huán)境演化與全球變化的關(guān)系具有重要意義。這些結(jié)果還揭示出,主要地層界限的年代與海陸對比的結(jié)果基本一致,但與深海氧同位素3期的下界卻不一致:黃土年代測定為約5萬年,而深海記錄為6萬年。這一點可能對理解海陸氣候聯(lián)系有重要意義,是今后黃土年代學(xué)研究值得重視的問題。近年來,在國家自然科學(xué)基金面上項目、國家杰出青年基金及其他一些部門經(jīng)費資助下,我國北方古環(huán)境記錄研究的一個重要進展是對下伏于第四紀(jì)黃土-古土壤序列的第三紀(jì)“紅土”的磁性地層學(xué)研究。結(jié)果顯示出,該套記錄是一套基本連續(xù)的環(huán)境記錄,下界年齡可達7Ma左右,從而與上覆第四紀(jì)黃土-古土壤序列一起,構(gòu)成中新世晚期以來全球罕見的陸相環(huán)境記錄,為國際學(xué)術(shù)界高度重視。初步研究結(jié)果顯示,紅土可能是風(fēng)塵物質(zhì)經(jīng)風(fēng)化作用形成的一套紅色堆積。我們對六盤山以東一些典型地區(qū)的研究顯示出,較典型風(fēng)塵黃土(但比第四紀(jì)黃土略細)在約350萬年就已開始堆積。這樣看來,黃土的下界年齡可以推至350萬年前。第三紀(jì)紅土的中、下部雖然與典型黃土有較大區(qū)別,但含有大量類似于黃土的風(fēng)塵物質(zhì),表明中國北方風(fēng)塵堆積至少在600萬年前就開始了。2干旱化的起源和演化亞洲干旱化的起源和發(fā)展是國際古氣候?qū)W界研究的熱點。在“八五”期間,國家自然科學(xué)基金委員會將“15萬年來我國干旱-半干旱區(qū)環(huán)境演化的動態(tài)過程及發(fā)展趨勢”列為重大研究項目,其成果進一步深化了對干旱區(qū)環(huán)境演化的認識。根據(jù)對第四紀(jì)風(fēng)塵堆積的研究,西北干旱區(qū)是黃土物質(zhì)來源區(qū),是北方大面積風(fēng)塵堆積的前提條件。因此,黃河中游地區(qū)的風(fēng)塵堆積指示了中國西北和中亞地區(qū)干旱化的起源和演化歷史。第三紀(jì)“紅土”中含有大量風(fēng)塵物質(zhì),表明中國西北地區(qū)至少在650萬年前就開始出現(xiàn)相當(dāng)規(guī)模的干旱區(qū)。典型風(fēng)塵堆積在約350萬年前出現(xiàn),表明當(dāng)時干旱化的進一步加強。到250萬年左右(第四紀(jì)黃土-古土壤序列的下界),干旱程度更趨嚴重。上述特征與最近發(fā)表的北太平洋風(fēng)塵記錄有高度的吻合性,表明黃河中游地區(qū)的風(fēng)塵與北太平洋粉塵的主要物源相同,均來自中國西北和中亞地區(qū)的干旱區(qū)。黃土-古土壤序列記錄表明在約85萬年前后,冰期黃土堆積量顯著加大,表明西北干旱化的進一步發(fā)展。這些重要的干旱化起源和發(fā)展的時代,與北極冰蓋的發(fā)育歷史有較好的吻合性,一些重要變化的年代界限又與亞洲以青藏高原隆升為主體的構(gòu)造運動有較好的一致性。3東亞冬、夏季風(fēng)環(huán)流形勢展望在PAGES的科學(xué)與執(zhí)行計劃中,將古大氣環(huán)流的演化列為重點研究對象。黃土區(qū)地處全球大氣環(huán)流的樞紐位置,降水主要由來自太平洋的東亞夏季風(fēng)環(huán)流所攜帶;而形成黃土的風(fēng)塵由亞洲冬季風(fēng)環(huán)流和北半球西風(fēng)帶自北部荒漠地區(qū)搬運而來。因此,黃土-古土壤序列中包含了東亞夏季風(fēng)、亞洲冬季風(fēng)和西風(fēng)帶3個重要大氣環(huán)流分支在過去不同時間尺度上的演化及相互作用的信息,使黃土成為研究東亞冬、夏季風(fēng)環(huán)流的關(guān)鍵記錄。“九五”期間,國家自然科學(xué)基金委員會將“中國季風(fēng)區(qū)環(huán)境演變機制及其與全球變化的動力學(xué)聯(lián)系”列為重大研究項目,該項目被PAGES列入了其環(huán)球環(huán)境大斷面(PEP-Ⅱ)的執(zhí)行計劃之中。從黃土-古土壤序列中分離出不同古環(huán)流演化的信息是研究的關(guān)鍵,至今已取得相當(dāng)大的進展。在長時間尺度上,獲得了粒度變化和磁化率的時間序列,分別作為古冬、夏季風(fēng)環(huán)流強度的替代指標(biāo)。但由于對磁化率的氣候意義在機制上一直有些爭議,與成壤強度也有不吻合的地方,近來將古風(fēng)化強度被用來反映古夏季風(fēng)環(huán)流的強度,獲得不少新的信息。同時,黃土中鐵含量的變化被用來探討西風(fēng)氣流的演化強度。在較短時間尺度上,生物及其他地球化學(xué)指標(biāo)的研究也取得突破。這些重要進展為研究不同時間尺度的古大氣環(huán)流演化奠定了基礎(chǔ)。3.1從季節(jié)因素看,表現(xiàn)為執(zhí)法、事件的時域和季節(jié)變化根據(jù)第三紀(jì)風(fēng)塵堆積推測,亞洲冬季風(fēng)至少在650萬年前就已存在,以后總體上逐漸加強。250萬年來,黃土粒度變化反映的冬季風(fēng)強度與全球冰量的演化有較好的吻合性,反映了后者對冬季風(fēng)的驅(qū)動作用。85萬年前,冰期-間冰期的反差加大,表明此時冬季風(fēng)強度顯著增強,此前以4萬年為主導(dǎo)周期波動,此后以10萬年為主導(dǎo)周期。但冬季風(fēng)環(huán)流也有與全球冰量變化不一致的地方,其中在250-160萬年時段,二者在周期上的可對比性較弱;幾個砂質(zhì)黃土層反映了第四紀(jì)極端干冷的氣候,而在深海同位素記錄中卻沒有對應(yīng)的特征。它們與北大西洋深層流強度的減弱有密切關(guān)系。東亞夏季風(fēng)環(huán)流的起源遠早于第三紀(jì)紅土的下界年齡。研究表明,250萬年來東亞夏季風(fēng)環(huán)流經(jīng)歷了4次明顯的增強過程,時間大致為1.5Ma,1.1Ma,0.85Ma和0.6Ma。季風(fēng)波動與全球性的冰期-間冰期旋回及地球軌道的參數(shù)變化(ETP)有一種整體上的一致性。但是,全球冰量在900ka以前以40ka周期為主,之后以100ka為主,而夏季風(fēng)從第四紀(jì)開始到1200ka都有明顯的40ka期,其原因是今后值得重視的重要問題。另外,黃土中記錄了多次極端季風(fēng)增強事件(以S4、S5-1和S5-3為代表)(圖1),既不能用全球冰量的變化來解釋,也不能用太陽輻射的變化來直接解釋,但它們改變了海陸碳庫的格局,已有研究表明,它們在成因上與北大西洋深層流(NADW)強度加強有關(guān)。上述記錄是迄今為止有關(guān)東亞冬、夏季風(fēng)環(huán)流長尺度演化的最完整記錄,為研究東亞古環(huán)境演化的歷史、規(guī)律、動力因素和機制提供了重要依據(jù)。這些結(jié)果揭示出,東亞季風(fēng)氣候的長尺度演化不僅受全球冰期-間冰期旋回和由地球軌道變化引起的太陽輻射的變化的影響,而且與全球性的構(gòu)造變動及北大西洋的變化密切相關(guān)。3.2第二,從科學(xué)問題的提出來探討風(fēng)環(huán)流演化的發(fā)生原因和機制近年對格陵蘭冰巖芯及北大西洋深海沉積的研究發(fā)現(xiàn),氣候系統(tǒng)在過去存在著一系列目前尚不明原因的、快速的、大幅度的變化(Dansgaard-Oechger旋回及Heinrich事件)。如果類似事件發(fā)生,其速度之快足可危及人類社會,變幅之大足以造成災(zāi)難性后果。這些事件的發(fā)現(xiàn)使人們加深了對氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定性的認識,并提出一系列重要科學(xué)問題:它們發(fā)生的原因是什么?能否引起全球性氣候變化?如果能,是通過什么機制?在不同地區(qū)引起多大氣候變幅?類似事件是否在其他時段也有發(fā)生?解決問題的關(guān)鍵是對世界不同地區(qū)此類事件的行為及其在空間上的差異進行研究。中國黃土研究為研究東亞地區(qū)氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定性作出了重要貢獻。這些研究表明,冬季風(fēng)環(huán)流在末次冰期-間冰期旋回中曾發(fā)生過千年尺度變化,且與極地冰芯和北大西洋深海沉積記錄有較好的可對比性。類似事件在倒數(shù)第二次冰期中也很明顯。但古夏季風(fēng)環(huán)流的演化與冬季風(fēng)不大相同:在末次冰期期間,夏季風(fēng)環(huán)流在千年尺度上的波動比較明顯,而在更老的時段要相對平穩(wěn)得多。與格陵蘭冰巖芯記錄進行對比,發(fā)現(xiàn)二者總體上在末次冰期的一致性較高,而在較老的時段耦合程度較低。用原始風(fēng)塵鐵含量對西風(fēng)環(huán)流演化的探討顯示出,在最后2個冰期-間冰期旋回中,西風(fēng)帶北支氣流的強度也明顯存在著千年尺度的變化。這些結(jié)果,對理解千年尺度氣候變化的發(fā)生原因、影響范圍、影響方式和機制都有重要意義。4解決氣溶膠對氣候變化的作用根據(jù)目前各方面的研究成果,形成中國黃土的風(fēng)塵主要來自中國西北及中亞的干旱地區(qū)。亞洲風(fēng)塵不僅影響中國,而且在世界不少地區(qū)都有蹤跡。最近格陵蘭冰芯中風(fēng)塵分析表明,該地區(qū)風(fēng)塵主要來自中國及亞洲干旱區(qū),與中國黃土有密切的親緣關(guān)系。北太平洋的風(fēng)塵也主要來自該地區(qū)。這些結(jié)果說明,亞洲干旱區(qū)的風(fēng)塵是北半球天然氣溶膠的重要來源,而氣溶膠對到達地表的太陽輻射有重要調(diào)節(jié)作用,從而對氣候變化有明顯的影響。近年來出現(xiàn)的有關(guān)冰期-間冰期旋回氣候變化的“鐵假說”,實質(zhì)上也將中國黃土提高到全球生物地球化學(xué)循環(huán)研究的重要位置。對世界多數(shù)海域來說,鐵的不足是海洋生物產(chǎn)率的一個重要限制因素,后者對大氣CO2有關(guān)鍵性的控制作用,海洋生物產(chǎn)率的提高將吸收大氣CO2。而研究表明,落入海洋的風(fēng)塵是遠離陸地的海洋鐵補充的主要途徑。風(fēng)從陸地干旱區(qū)裸露的地表吹揚起大量的風(fēng)塵,含有大量鐵的風(fēng)塵隨高空氣流搬運后落入海洋,提高海洋生物產(chǎn)率,增加海洋對大氣CO2的吸收,促使全球變冷,相反則有利于變暖。由于亞洲干旱區(qū)是北半球風(fēng)塵最重要的來源,它可能通過對海洋生物及CO2的影響,在全球生物地球化學(xué)循環(huán)中有重要地位。這些結(jié)果同時表明,中國地質(zhì)環(huán)境不僅受全球變化的控制,同時對全球環(huán)境變化有顯著的驅(qū)動作用。5環(huán)境參數(shù)的定量估算古全球變化研究的重要任務(wù)是實現(xiàn)古氣候定量估算。由于黃土是相對均勻的物質(zhì),在古氣候參數(shù)定量化研究中具有許多優(yōu)勢。在國家自然科學(xué)基金“八五”和“九五”重大項目中,將古環(huán)境參數(shù)定量化研究列為重點內(nèi)容,目前已獲得了大量表土數(shù)據(jù),建立了磁化率、生物指標(biāo)與現(xiàn)代環(huán)境參數(shù)的定量-半定量關(guān)系,并初步應(yīng)用于古環(huán)境參數(shù)的定量估算(圖2)。同時,發(fā)展了一套較完整的古氣候定量估算的方法。這些成果彌補了我國過去在該方面研究的不足,是東亞地區(qū)古環(huán)境定量化研究的重要進展。6黃粱夢文非織造材料在古全球變化研究中的應(yīng)用及展望今天對中國黃土的研究,已形成一個活躍的研究領(lǐng)域,上述許多成果為學(xué)術(shù)界廣泛接受,成為國際古全球變化研究科學(xué)貢獻的重要組成部分;同時,大量新的進展處于逐步完善之中,也許還有爭議。但正是這些爭議,顯示出黃土-古土壤序列在許多方面的獨特性和不可替代性,孕育著其在未來古全球變化研究中的巨大潛力和生命力。PAGES執(zhí)行主席FrankOldfield于1998年在英國召開的首屆國際古全球變化學(xué)術(shù)大會期間,高度評價了中國科學(xué)家在古全球變化及國際環(huán)球環(huán)境大