最近130ka黄土高原夏季风变迁的Rb和Sr地球化学证据

我国的黄土-古土壤序列完整地记录了最近2.5Ma东亚古气候的变化,其中的磁化率被证明是指示夏季风环流强弱的一个较好的代用指标.近年来,有关黄土和古土壤中磁化率成因已有多种模式提出,研究工作仍在深入.为此,从地球化学角度出发,在黄土-古土壤剖面中找出分辨率高、指示性强、成因清楚的气候代用指标,对于揭示磁化率的成因和指示古气候的变化均有重要意义.笔者在分析了大量元素之后,选择了Rb和Sr进行深入探讨,取得了较为满意的结果.由于Rb和Sr表生地球化学行为主要受风化成壤作用强度,尤其是土壤湿度控制,因此黄土-古土壤中Rb/Sr比有可能成为揭示黄土高原夏季风变迁历史的又一替代性指标.1 样品的采集与分析样品采自洛川黑木沟剖面,该剖面位于陕西省洛川县城南约5km(35°45′N,109°25′E).采样层位包括全新世黑垆土(S_0)、马兰黄土(L_1)、离石黄土顶部第1层古土壤(S_1)及其下伏黄土(L_2).采样从黑垆土底部开始,采样间距20cm.样品同时进行磁化率测试和Rb和Sr的含量分析.磁化率测量在中国科学院西安黄土与第四纪地质国家重点实验室完成,采用英国Bartington公司制造的MS2磁化率仪进行测试.Rb和Sr含量分析在南京大学现代分析中心进行,采用X射线荧光光谱方法(XRF),其分析误差为±1(×10~(-6)).     

黄土高原现代植被花粉稳定同位素基本特征

中国黄土地层的稳定同位素特征与黄土高原气候环境特征的关系前人已做过一些工作,并取得了一些很好的成果.耿安松等指出黄土地层中碳酸盐的δ~(13)值越低显示生物活动越强气候越温湿,反之气候越冷干生物活动越弱则碳酸盐的δ~(13)C值越高,可以用做古气候代用指标.魏明建等做出了较详细的碳酸盐碳、氧同位素序列,其中δ~(13)C序列可与深海沉积同位素气候曲线对比,与磁化率、全氧化铁气候曲线的波动一致,表明是一种较好的气候指标.同时指出:由于其易迁移所以时间分辨率较低,且记录的气候变化超前于其他指标.谭桂声等研究了钙质结核碳、氧同位素组成,认为δ~(13)C主要指示古土壤发育时的环境降水量,δ~(18)O指示土壤发育时的环境温度,δ~(13)C-δ~(18)O直线指示控制古土壤形成环境的古夏季风风场.     

第四纪初气候转寒事件的化石稳定碳同位素证据

研究了甘肃庆阳巴家嘴动物群以马科为主的有蹄类化石,根据牙齿釉质与动物取食草类之间的碳同位素富集关系,恢复了当地该地区草本植物中Ｃ３和Ｃ４类型所占的比例,表明以Ｃ３植物为主。Ｃ３草本植物适应于冷湿的气候,分析结果显示巴家嘴动物群生活的时期正处于冰期开始和夏季风退缩的临床状态,是第四纪初全球气候转寒事件的反映。     

甘肃西峰黄土-古土壤剖面的碳酸盐与有机碳的碳同位素差值(Δδ13C)的变化及其古环境意义

选取位于黄土高原中部的甘肃西峰剖面作为研究对象, 分析了该剖面末次间冰期以来土壤有机碳和全岩碳酸盐的碳同位素组成变化. 该剖面的土壤有机碳同位素组成(δ¹³C_SOM)变化范围为−23.8‰~−20.2‰, 间冰期偏高, 冰期偏低. 全岩碳酸盐的碳同位素组成(δ¹³C_TC)变化范围为−8.5‰~−3.6‰, 但总体显示出与δ¹³C_SOM值相反的变化趋势, 即δ¹³C_TC值在冰期偏高, 而在间冰期偏低. 土壤无机碳酸盐碳同位素与有机碳同位素的差值(Δδ¹³C)的变化范围为14.1‰~19.4‰, Δδ¹³C值的大小反映了源区原生碳酸盐物质在全岩碳酸盐中所占相对比例的多少. 据此, 计算了西峰剖面源区碳酸盐的贡献: 在黄土沉积阶段, Δδ¹³C值较大, 源区碳酸盐与次生碳酸盐的相对比例最高可达6:4; 而在古土壤(弱古土壤)阶段, Δδ¹³C值较小, 原生碳酸盐物质的相对比例低. 同时, 由于风尘颗粒包含了原生碳酸盐物质, 研究认为黄土沉积中的Δδ¹³C值变化指示了粉尘对黄土高原的贡献程度.     

最近13万年黄土高原季风变迁的磁化率证据

黄土高原的近代褐土属季风气候条件下的地带性土壤。黄土-古土壤序列中褐土型古土壤和黑垆土的微形态特征及所保存的生物遗存,指示了干湿季节分明和高温与多雨季节相一致的季风气候特点。黄土高原古土壤和黄土交替出现的变化序列记录了过去夏季风(东     

75ka以来黄土高原蜗牛生长季节长度的变化

第四纪冰期-间冰期气候变化在年际尺度上是通过季节变化或季节长度的调整来实现的,如何揭示冰期-间冰期期间季节长度的变化,是深入探索气候变化过程和机制的新课题.蜗牛生长季节的壳体同位素具有记录季节性气候特征的潜力.通过对黄土高原不同气候区18个地点现生蜗牛组合中喜冷干种Pupillaaeoli(杂色虹蛹螺)和喜暖湿种Punctumorphana(显口多点螺)蜗牛壳体碳酸盐碳、氧同位素分析,揭示出P.aeoli蜗牛壳体δ13C值相对于P.orphana壳体偏负1.3±1.0‰,δ18O值偏正3.3±1.1‰;而且从黄土高原东部山西娘子关到西部青海官亭,随着生长季节长度(日均温≥10℃)由202±6d缩短为162±7d,冷、暖2种蜗牛壳体的δ13C差值和δ18O差值都逐渐减小,其中δ13C差值从东部的2.8‰减小到西部的0.2±1.1‰,δ18O差值从4.7‰减小到2.9±1.3‰.且2种蜗牛壳体δ13C差值每相差1‰,蜗牛生长季节相差约15d左右;δ18O差值每相差1‰,蜗牛生长季节相差约19d左右.进一步对西峰剖面75ka以来蜗牛壳体同位素分析显示,全新世中期(8～3ka),蜗牛壳体δ13C和δ18O的差值最大,分别为2.6±0.7‰和2.1±1.4‰;间冰段MIS3次之,为2.5±0.4‰和1.6±0.8‰;末次盛冰期最小,为0.2‰和0.4‰.推测全新世中期蜗牛生长季节长度约为200±10d,间冰段MIS3为190±6d左右,冰期时蜗牛生长季节长度约160±3d左右.     

新仙女木时期东亚夏季风降水不稳定的证据

通过位于沙漠／黄土边界带的杨桃峁剖面ＡＭＳ＾１４Ｃ年代和磁化率,粒度,有机质总量等气候代用指标的测定分析,认为新仙女木气候事件在该区存在夏季风降水波动和不稳定性,反映了东亚季风区和极地高纬地区Ｙｏｕｎｇｅｒ ｄｒｙａｓ时斯的气候差异,其原因可能是南北半球大气相互作用以及赤道太平洋地区气压异常所致。     

2 ka来苏干湖沉积碳酸盐稳定同位素记录的气候变化

选择位于柴达木盆地北缘的苏干湖作为研究对象. 利用²¹⁰Pb, AMS ¹⁴C以及常规¹⁴C等测年手段, 建立了苏干湖沉积岩芯2 ka以来的时间序列. 对湖泊沉积细颗粒中的碳酸盐进行碳、氧同位素分析. 结合流域地表水δ¹⁸O值的变化以及气温观测资料, 认为碳酸盐δ¹⁸O值指示了流域有效湿度的变化; δ¹³C值的变化与湖泊年内冰封湖面时期的长短有关, 间接指示了区域冬半年气温的变化. 在此基础上, 建立了2 ka来苏干湖地区气候变化序列, 其气候变化过程经历了5个阶段: 0~190 AD, 暖干; 190~580 AD, 冷干; 580~1200 AD(MWP), 暖干; 1200~1880 AD(LIA), 冷湿; 1880~1950 AD期间为冷干气候, 20世纪50年代以来, 气候变暖. 碳同位素反映的2 ka以来冬半年气温的变化与历史文献记录以及其他地质记录有很好的一致性, 表明苏干湖同位素记录的2 ka来气候变化具有普遍意义.     

900 ka以来黄土-古土壤序列记录的风尘铁含量变化及其古气候意义

风尘中所含的铁是海洋生物的营养元素, 对浮游生物的生产力有重要影响, 从而对海洋吸收CO₂的量有调节作用, 进而影响全球气候. 从亚洲内陆产生的粉尘不仅堆积于黄土高原, 形成黄土-古土壤序列, 而且落入北太平洋等海域. 基于黄土高原中部的西峰和长武两个剖面, 对900 ka 以来风尘的铁含量及其时域变化特征进行分析, 结果表明, 不同时期的风尘铁含量具有明显的变化. 铁含量的波动总体上与冰期-间冰期旋回的变化差异较大, 不具明显的100 ka的周期, 而具有较强的准20 ka的周期和清晰的准40 ka周期, 显示北半球太阳辐射的变化对风尘铁含量有明显的控制作用. 900 ka以来, S5-1古土壤(深海氧同位素阶段13)的铁含量最高, 对应于900 ka以来大洋碳同位素值最高的时期, 表明该事件具有全球性的意义.     

天然气水合物伴生的沉积物碳、氧稳定同位素示踪

对取自东北太平洋Oregon州海岸俯冲增生楔，天然气（甲烷）水合物脊上南北两端的两组钻孔沉积物样品全岩碳和氧稳定同位素分析，测得δ13C和δ18O值大于多在－29．81‰－48．2‰（PDB）和2．56‰－4．28‰（PDB）之间，数值落在“冷喷气孔附近典型的受甲烷气影响的碳酸盐矿物”区内，显示这类沉积物的全岩碳，氧稳定同位素特征已明显不同于一般海相碳酸盐类矿物， 它们已受到了沉积物中甲烷水保物的形成和演化的影响，此外，两处钻孔均显示出δ13C随深度增加而增加，δ18O随深度增加而减少的趋势，这种变化趋势认为主要是由于钻孔不同深度位置甲烷的缺氧氧化作用（AOM）强度和水合物形成过程中氧同位素的分馏作用而造成的，沉积物的这种碳，氧稳定同位素特殊性，认为可作为一个识别标志应用于其他海区，以确定或探索海底沉积物中是否存在天然气水合物。     

塬堡黄土剖面末次间冰期古土壤有机质碳同位素记录的夏季风演化历史

对黄土高原西部地区甘肃临夏塬堡剖面的末次间冰期古土壤有机质碳同位素分析发现，该地区在末次间冰期经历了5次夏季风增强事件，这些事件在古土壤地层、孢粉记录、磁化率以及古土壤有机质碳同位素组成上都有相应的反映。当夏季风增强时，有机质的δ^13C值和磁化率都相应增大。由于夏季风的增强引起当时地表植被类型发生变化，导致古土壤中有机质δ^13C值发生变化，故古土壤中有机质碳同位素组成是记录夏季风变化的良好指标。在这5次夏季风增强事件当中，第1，2，5次夏季风是以较平滑的方式到达其极盛期的，而第3，4次则是在到达极盛期之前经历了一个较小的寒冷事件。这5个夏季风增强事件的形成机制并非都是一样的，这说明了影响全球气候变化系统各种因素的复杂性。     

离石丰义剖面2.50 MaB.P.前后稳定同位素组成的变化及其意义

2.50MaB.P.是地球历史上一个重要的界线,在此前后,全球环境发生了明显的变化.最近我们在离石丰义剖面上,在该界线上下,发现黄土和红粘土中碳酸盐的氧碳同位素组成有明显的变化,这可以做为研究古气候变化的主要标志.1 研究剖面和样品采集研究剖面位于山西省离石县丰义镇.该剖面总厚123m,由第四纪黄土和上新世红粘土组     

树轮稳定碳同位素的研究现状及前景

本文系统地介绍了树轮碳同位素的分馏模型,综述了树轮碳同位素在大气参数、环境气候和水文上的研究进展。结果表明,树轮碳同位素反映了大气δ＾１３Ｃ和大气ＣＯ２浓度的变化,与温度、湿度、降水及河流径流量存在一定的相关关系;环境污染也可解释树轮碳同位素比率的变异。同时,对未来该领域的研究方向作了展望。     

黄土高原东南缘黄土-古土壤序列的环境磁学结果及其古气候意义

对黄土高原东南缘三门峡地区曹村黄土剖面L1~L13(时间跨度约1 Ma)的环境磁学研究表明: (1) 质量磁化率(χ)、饱和等温剩磁(SIRM)和非磁滞剩磁(ARM)等及其组合磁参数均呈明显的线性相关关系. 由于超顺磁(SP)磁性颗粒对磁化率贡献最大而对剩磁(包括ARM和IRM)没有贡献, 因而这种线性关系意味着古土壤中由成土作用形成的磁性颗粒仍主要以相对偏细的单畴颗粒(SSD)为主, 而前人所认为的SP颗粒对磁化率的贡献可能被高估了; (2) 曹村剖面的磁粒度参数χARM/χ与黄土高原腹地典型黄土剖面的中值粒径曲线表现出很好的相似性, 在某种程度上反映了χARM/χ可以表征黄土-古土壤序列磁性颗粒的粒径相对变化; (3) 磁组分参数S-ratio和HIRM测试结果表明, 在由成土作用形成的低矫顽力强磁性矿物含量显著增加的同时, 高矫顽力的弱磁性赤铁矿/针铁矿的绝对含量也相应增加.     

新仙女木时期东亚夏季风降水不稳定的证据

通过位于沙漠 /黄土边界带的杨桃峁剖面AMS14 C年代和磁化率、粒度、有机质总量等气候代用指标的测定分析 ,认为新仙女木 (Youngerdryas)气候事件在该区存在夏季风降水波动和不稳定性 ,反映了东亚季风区和极地高纬地区Youngerdryas时期的气候差异 ,其原因可能是南北半球大气相互作用以及赤道太平洋地区气压异常 (ENSO)所致 .     

工业革命以来大气CO_2浓度不断增加的树轮稳定碳同位素证据

树轮稳定碳同位素研究已被广泛用于探讨古气侯波动、大气圈过去CO_2水平,以及全球碳循环.我国对这一领域的研究几乎还是一个空白.本文对采自我国黄土高原上的两棵油松年轮进行了δ~(13)C分析,探讨了工业革命以来大气CO_2碳同位素组成的变化对树轮δ~(13)C的影响.     

黄土高原中部1.5 Ma以来古生态环境演化的孢粉记录

通过对黄土高原中部朝那黄土-古土壤剖面的孢粉研究, 揭示出1.5Ma 以来蒿属、藜科等旱生草本与松、桦、栎等乔木花粉含量在黄土-古土壤序列中呈现有规律的互为消长的变化, 指示了冰期-间冰期的冷干-暖湿旋回, 其中过去无机指标所指示的上、下粉砂层(L9和L15)的两次极端干冷事件, 植被变化表明其干冷程度与其他冰期黄土沉积时期相似. 从长期演化趋势上来看, 以0.95和0.5 MaBP为界, 可以分为3个阶段, 古生态环境经历了两次阶段性剧烈变化, 植被由早期的森林草原转变为中期的疏林草原继而演变为后期的草原, 指示了黄土高原阶段性的干旱化过程.     

中国干旱-半干旱区风尘物质的Sr,Nd同位素地球化学:对黄土来源和季风演变的指示

不同的岩石和矿物有不同的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值, 在大气迁移或沉积过程中这些比值比元素组分更难被改变, 因而Sr和Nd同位素作为物质来源和迁移的示踪剂具有很大的潜能. 在地表过程中, 沉积物Sr同位素比值受母岩特征、粒度变化和化学风化的制约. 一般地, 母岩Sr同位素比值高, 和/或细颗粒组分多, 和/或化学风化作用强, 沉积物Sr同位素比值就高; 反之, 则低. Nd同位素比值不受粒度和化学风化的控制, 而仅与母岩同位素特征相关. 关于黄土高原物质来源, 利用Sr-Nd同位素示踪方法, 不同的学者获得不一致甚至相反的结论. 综合已有的Nd同位素资料, 我们认为塔里木盆地、内蒙古中西部沙漠、青藏高原是黄土高原的主要源区, 而这些源区以及黄土高原又是远东地区风尘的生产地. 黄土高原风尘物质组成均一, 其Sr同位素比值仅受风力分选作用和风化成壤作用的制约. 风力分选作用与东亚冬季风有关, 而风化成壤作用主要与夏季风相关联. 黄土-古土壤序列中Sr同位素的研究表明, 酸溶物⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值是黄土高原化学风化程度的指标, 可指示东亚夏季风的变化; 酸不溶物⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值的变化明显受粒度的制约, 可作为反映东亚冬季风强弱变化的替代指标, 并表明自第四纪以来东亚冬季风逐渐加强, 这与第四纪大冰期以来气候逐渐变冷的观点一致.