中亚昭苏黄土剖面粒度记录的末次冰期以来气候变化历史①

李传想 宋友桂 千琳勃 王乐民

(1.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室 西安 710075; 2.中国科学院研究生院 北京 100049;3.新疆维吾尔自治区地质勘查基金项目管理中心 乌鲁木齐 830002)

中亚昭苏黄土剖面粒度记录的末次冰期以来气候变化历史①

李传想1,2宋友桂1千琳勃1,2王乐民3

(1.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室 西安 710075; 2.中国科学院研究生院 北京 100049;3.新疆维吾尔自治区地质勘查基金项目管理中心 乌鲁木齐 830002)

对处于西风区的中亚昭苏黄土进行了粒度分析,重建了末次冰期以来的气候环境变化历史。粒度分析表明,昭苏黄土粉砂粒级含量最高,平均含量接近78%,黏土粒级次之,砂粒含量最低,具有典型的风尘堆积特征。剖面粒径>63μm含量变化能与格陵兰冰芯进行良好对比,记录了Heinrich事件和Younger Dryas冷事件及D-O旋回等具有全球意义的气候波动事件,揭示中亚地区末次冰期以来的气候变化具有全球特征。

昭苏剖面 黄土粒度 末次冰期 中亚 气候变化

中亚是世界上黄土的主要分布区之一,地处研究程度很高的中国黄土高原和欧洲两大黄土区之间,对研究亚洲内陆干旱化、北半球粉尘来源、古大气环流和全球气候环境变化具有重要的意义[1]。伊犁地区位于中亚地区东北部,常年受西风环流控制之下,黄土遍布天山山麓地区和河流阶地,成为研究中亚地区气候变化的理想场所之一[2～10]。沉积物的粒度主要受搬运介质、搬运方式、沉积环境和气候等多种因素控制,对揭示古气候和环境变化具有重要的指示作用。本文选择中亚地区伊犁盆地南缘的昭苏剖面进行了系统的粒度测量,分析了粒度组成特点,探讨了末次冰期以来伊犁黄土粒度的古气候意义。

1 地理背景

伊犁盆地东部地处我国新疆天山山脉西段,西部位于哈萨克斯坦共和国境内,在地貌轮廓上是一个开口向西的喇叭形山间谷地,地势东高西低,盆地西侧为中亚戈壁沙漠区(图1)。该区冬季为蒙古高压所控制[1];夏季受印度热低压影响,高空一年四季都盛行西风[3]。虽地处亚欧大陆的中心地带,远离海洋,属于大陆性中温带气候。但由于受到地形的影响,使来自北冰洋和大西洋及地中海的水汽可以直接从伊犁谷地西口进入本区,受北、东、南三面环山的阻挡,形成丰沛的降水。年降水量在200～550 mm之间,但是分布不均匀,山区多,山地最大降水量大于1 000 mm,平原则相对较少。由于逆温和地形阻隔作用,年平均气温在2.6～10.4℃之间,区内温差较小。

2 剖面位置与采样

天山伊犁黄土分布广泛,呈条带状,主要分布于伊犁河、巩乃斯、特克斯河和喀什河等各级河流阶地上、低山丘陵区、山麓斜坡及沙漠边缘,厚度从数米到近百米不等,盆地东部厚,西部薄,多为末次冰期以来的沉积[11]。昭苏波马剖面(ZSP)(80.25°E,42.69° N,1 875 m)邻近中哈边界波马镇,位于伊犁盆地的南缘特克斯河的河流阶地上(图1),该黄土剖面厚6.9 m,其中上部0.9 m为灰褐色的灰钙土,含有植物根系,疏松多孔;0.9～3.4 m为浅色黄土,含有较多直径0.1～0.5 cm的钙结核;3.4～4.8 m为弱发育古土壤,浅褐红色,较致密,有较多的虫孔,土壤团粒结构较明显;4.8～6.5 m为浅黄色黄土,疏松,质地均匀;6.5～6.9 m为褐红色古土壤,含有蜗牛化石,以下为河流砾石层(图2)。采样间距均为5 cm,共采样138个,在剖面的1.2 m处采集14C年代样品一个,在3 m、4 m、5m和6 m处采集4个光释光测年样品,结果如图2。年代与深度呈正比关系,相关性达0.98,说明该剖面的黄土几乎是匀速沉积的,根据年代深度回归方程线性外推,该剖面黄土底部年龄为8.2万年[11]。

3 方法

图1 采样点位置及伊犁地区地理环境状况图Fig.1 Sampling site and the geographical environment of Yili Basin

图2 昭苏剖面地层和深度-年代图Fig.2 The stratigraphy and depth-age on the Zhaosu section

粒度的具体测试方法为:(1)将野外采集的样品晾干,以去除水分,把块状样品粉碎;(2)取样品0.3 ～0.5 g放入烧杯中;(3)向烧杯的样品中先加入10 ml 10%H2O2,加热直至完全去除有机质,再加10 ml 10%盐酸,加热直至去除样品中的碳酸盐物质;(4)将样品静置12h以上,使颗粒物沉降至烧杯底部,轻轻倒掉上部液体;(5)加入10 m l 30%的分散剂六偏磷酸钠溶液以便颗粒充分分散;(6)最后将烧杯放入超声波震荡仪上震15 min使样品有效分散;(7)然后测量。所有样品的粒度分析在黄土与第四纪地质国家重点实验室英国Malvern公司生产的Mastersizer2000型激光粒度仪上测量完成,该仪器的测量范围为0.02～2 000μm,测量精度为0.15φ,相对误差小于3%。

4 结果

4.1 粒度组成特点

为了更清晰显示该剖面黄土粒度组成特点,采用63μm、4μm分别作为砂粒、粉砂和黏粒的分界线。测试结果表明,昭苏剖面黄土各粒级组成有如下特征:

砂粒组分(>63μm):所有分析样品中砂粒级含量相对较少,变化在0.5%～10.7%之间,平均值仅为2.9%,仅1组样品的含量大于10%。

粉砂组分(4～63μm):该粒组含量一般变动于70%～85%之间,平均含量接近78%,为昭苏剖面黄土的众数粒组,该粒组即是伊犁地区典型黄土的众数粒组,也是风成堆积的“基本粒组”。

黏粒组分(<4μm):在昭苏剖面黄土黏粒含量相对较高,一般变动于14%～22%之间,最可高达25%,平均含量19.1%,显著高于砂粒组分。

由此可见,从整个剖面粒度组成来看,粉砂粒级含量最高,平均含量接近78%,粘粒级次之,砂粒含量最低,粒度组成相对集中,粉砂粒级占绝对优势;伊犁地区黄土粒度组成与中亚其他地区十分接近[7]。同时有资料表明伊犁黄土粒度在平面分布上具有自西向东由粗变细的规律[2],加之考虑该区地形和环流条件,可以基本断定伊犁黄土这种水平分布特征是该区黄土为风成的重要佐证,也是粉尘主要来自中亚沙漠的最好证明。此外,在整个剖面中<50 μm粉砂粒级的含量可达90%以上,在第四纪黄土研究中,一般认为以<50μm粉砂组分占绝对优势的特点被认为风成沉积的典型特征[12],这也是伊犁黄土风成成因的又一重要证据。

从整个剖面粒度参数来看,平均粒径变化于14 ～29μm之间,众数变化于15～30μm之间,所有沉积物的偏度均较小,属于正偏态,少数样品是极正偏或者近于正态分布,说明伊犁黄土的多物源性和距物源的远近也不同;就峰态而言,伊犁黄土绝大多数为中等峰态,少量为宽峰态,极少数为窄峰态,标准偏差介于13～42之间,说明相当部分黄土来自于近源;此外,矿物学研究表明伊犁黄土中的矿物多呈棱角状和次棱角状,圆形颗粒较少,且矿物表面较为洁净[4],也可以证实其含有较多近源组分。同时伊犁黄土粒度结构参数分布(图3)和C-M分布(图4)与黄土高原具有较强的相似性,具有风成堆积的特征,说明其含有远源组分。由此可见,近源物质与远源粉尘沉积作用的叠加,是伊犁地区黄土形成的重要原因之一。

图3 伊犁昭苏剖面黄土与黄土高原黄土-古土壤的粒度结构参数散点图Fig.3 Plots of structural parameters of grain size from Zhaosu section loess in Yiliarea and Chnaona Loess-paleosol section in the Loess Plateau

图5(a)为昭苏剖面黄土的粒度频率曲线,我们看到,研究区黄土的粒度分布范围一般为0～63μm之间,以突出的第一众数、正偏态、有一较长的细尾为特征,这种单峰态的特征说明了粉尘在沉积之前,经过充分的混合并在长途搬运过程中被分选,所以第一众数十分的显著[5]。该剖面黄土粒度主要分布于4 ～63μm之间,占绝对优势,是其众数粒组,但从众数值向两端粒度变化速率不同,向粗粒端,粒度迅速减小,曲线显得平滑而陡峭,向细粒端,粒度减小的速度相对较缓慢,并经常在粒度变细的一端出现一个不太明显的峰,这些特征与黄土高原朝那剖面具有相似性。但不同的是大多伊犁黄土样品的粒度在0.1～1 μm之间含量相对偏高;此外其大多样品基本粒组的范围较黄土高原宽且峰态较平坦,样品粒度分布相对分散,没有出现像黄高原较尖的峰部,其分选程度总体不及黄土高原;同时伊犁部分黄土样品向粗粒端> 63μm区域也出现了较明显的峰,这样在伊犁黄土频率曲线上出现3个明显的峰,这与黄土高原明显不同;指示了其有多种成因组分构成但每种成因组分对整体的贡献率不同,其中位于粗粒端的峰态可能反映样品中混入部分水成物质对粒度的分布造成较大的影响,或者由于靠近沙源的特殊地理位置近源搬运沉积所致[13]。

图4 伊犁昭苏剖面黄土与黄土高原黄土-古土壤C-M图Fig.4 The integrated C-M diagram of Zhaosu section loess in Yili area and Chaona Loess-paleosol in the Loess Plateau

图5 昭苏剖面黄土和黄土高原朝那剖面黄土-古土壤颗粒粒径的频率曲线和累计曲线Fig.5 The curves of grain size distribution of loess at the Zhaosu loess section in Yili area and at Chaona Loess-paleosol section in the Loess Plateau

通过对比S1以来的黄土-古土壤<4μm黏土组分平均含量,发现伊犁昭苏剖面值为19.2%,稍高于黄土高原朝那剖面的18.3%,而<2μm组分含量为10.9%也稍高于与黄土高原(10.3%),但与黄土高原相比,伊犁地区水热条件总体不及黄土高原,因此该区在类似于现代气候条件下黄土堆积过程中风化成壤作用应该较微弱;同时有研究利用黄土中IC/ IQ值较低这一证据证明伊犁黄土为弱风化黄土[16],所以在伊犁黄土中由于风化成壤作用产生的黏土量应低于黄土高原,但伊犁黄土中<4μm的粒径含量较黄土高原稍高;此外有研究证实黄土中的细段的第二分量可能主要为远源组分[15];由此基本可以断定,伊犁地区黄土中<4μm的粒径组分可能主要来源于中亚荒漠地区,仅有极少部分黏土是由于风化成壤或者碎屑作用所致。因此,从区域地形和环流条件推测,伊犁黄土物质可能主要来自其西部的中亚荒漠区,常年盛行的西风和远源粉尘在该区黄土形成中可能扮演重要角色。

由图5(b)我们清楚地看到,在频率累计曲线的变化趋势上昭苏剖面黄土粒度组成主要分为砂(> 63μm)、粉砂(4～63μm)和黏土(<4μm),含量以粉砂为主,黏土次之,砂最少。黄土粒度累积曲线的主体由两个线段组成,它们分别对应于频率曲线上的两个组分,每个线段的长度与组分的粒径范围有关,它的斜率则取决于组分的分选程度。从昭苏剖面黄土粒度频率累积曲线来看,短线段代表粒度<4μm的组分,分选程度较低,长线短段代表粒度处于4～ 63μm之间的组分,大多昭苏黄土样品分选程度相对较好,虽有些样品分选程度总体不及黄土高原,但这又是河流冲积难以形成的。同时根据张平等[16]利用统计学方法对典型稳定湖相沉积物和典型风成黄土粒度参数进行定量化分析所获得用于判定稳定湖相与风成沉积物的函数模型:

F=20.363Mz-56.371Sd-67.922Sk+23.516Kg-55.626,

把昭苏剖面黄土粒度参数(Mz、Sd、Sk和Kg)代入函数模型,F<0,属于风成沉积物,也可以说明伊犁黄土属于风成的。

综合分析昭苏剖面黄土粒度组成,结果表明,与黄土高原黄土粒度组成类似,主要以粉砂占优势,但昭苏剖面黄土却以砂含量较低、粉砂含量显著区别于与黄土高原黄土堆积,这可能是西风气流对黄土的远源输送并在伊犁地区沉积的结果。此外,从伊犁黄土的粒度分布特征和结构参数分布组合特征及其频率曲线和累积曲线分布特征也可以说明其主要为风成成因;同时细粒黏土组分稍高于黄土高原,揭示了伊犁地区黏土组分可能主要来自于源区。

4.2 不同径粒剖面的变化特征

根据剖面不同粒径组分随深度的变化特征(图6)可以把末次冰期以来昭苏剖面粒度曲线划分为以下四个阶段:

74～60.2 ka本段初期平均粒径相对较粗,砂含量平均为2.3%,处于一个较低的水平且有小幅度上升的趋势,在69ka左右突然大幅度上升,除此之外,在66.2 ka和61.7 ka也出现了两次明显的粒度变粗事件,峰谷交替且变化明显,三次粒度变粗事件持续的时间相对较长;黏土含量具有波动下降趋势且波动周期和幅度变大,粉砂含量的波动与之具有较好的反相关性。

图6 昭苏剖面粒径随年代的变化Fig.6 Grain size distribution of the loess from Zhaosu section with the age

60.2 ～30.4 ka 本段早期(60.2～50.3 ka)平均粒径较粗,砂含量平均为0.8%,具有波动降低的趋势,接近剖面各自的最小值,而黏土和粉砂含量变化则表现为长周期波动,且在长周期内部存在次一级小波动,二者具有较好的相关性;从中期(50.3～ 39.4 ka)开始各粒径含量变化均表现为高频波动,特别是黏土和粉砂含量变化表现最为明显,而平均粒径较粗,砂含量平均值为1.5%,处于一个低水平小幅度波动阶段,黏土和粉砂含量变化均表现为波动幅度变小而波动频率增加的趋势;晚期(39.4～30.4 ka)各粒径含量的变化均存在小幅度波动,与中期相比,平均粒径相对较粗,粗粒径含量处于一个相对较高的水平上波动,总体变化幅度相对增大但频率减小,黏土和粉砂含量波动都表现为频率减小,但峰谷交替更明显,而粉砂含量变化具有波动增加趋势,黏土含量变化趋势与之相反,二者波动具有互补的特点。

30.4～11 ka 从30.4 ka开始平均粒径大小和砂含量变化与前一时段相比均表现为大幅度波动趋势,粒度变粗具有突变的特点,而且幅度较大,砂含量在12 ka、16 ka、24 ka和28.2 ka左右各达到一个峰值,存在四次明显的粒度变粗事件,而黏土粒径含量具有波动减少趋势,在14.5 ka左右达到一个低谷,其含量为8.7%,为其在整个剖面的一个最低值,而粉砂含量具有波动上升趋势,直到14 ka以后才表现为波动下降趋势。

11 ka以来 本时段平均粒径大小和砂含量均具有波动上升的趋势,直到8 ka左右分别达到25μm和9.1%,几乎接近各自剖面的最大值,在8～3.8 ka之间存在一个明显的低谷,自3.8 ka以后波动幅度减小,平均含量变化不大;而黏土含量具有波动上升趋势但不如粉砂含量波动下降趋势明显。

5 讨论

5.1 伊犁盆地黄土粒度古气候意义

伊犁黄土粒度分布同中国黄土高原黄土堆积一样是由分布峰度较高、分选较好的粗粒组分和分布峰度较低、分选较差的细粒组分叠加组成的,前者代表强环流条件近距离低空搬运的粉尘物质,其粒度可以指示近地面气流的强度的变化;细粒黏土组分可能主要为常态存在,自由高空气流搬运的远源粉尘,代表伊犁地区原始粉尘的本底,它的粒度变化特征可以指示高空气流的强度变化;因此,在环流加强时,其搬运能力加强,大量较粗和粗颗粒组分沉积在该区,反之,则较细和细颗粒含量相对增多。在基本排除研究区细粒黏土组分是成壤作用所致后,我们可以黄土粒度来反映本区的大气环流状况。

本文以>63μm砂粒含量代表干旱度和环流或者风力强度[17],以<4μm黏土含量代表高空环流简单阐述伊犁地区环流和源区的变化及联系。粗粒组分含量增加表明该区近地面环流或风力强度和干旱度增强,而高空气流所带来的细粒组分含量相对减少,在考虑区域大气环流条件下,此时粉尘主要来源于中亚和北部荒漠地区;同时,粗粒组分中可能含有伊犁河中下游近源沙漠分布区粉尘组分,反映沙尘暴的过程。而当细粒组分含量增加,粗粒组分含量减少,则指示近地面环流减弱,细粒黏土粉尘主要通过高空环流从中亚荒漠地区携带而来。从整个剖面来看,粗粒组分含量变化具有多次明显大幅度波动,表明近地面环流明显加强,但细粒组分含量维持在20%左右上下小幅波动,表明高空环流相对稳定。由此可见,伊犁地区末次冰期以来近地面大气环流存在不稳定性。

5.2 环境演化阶段划分

根据粒度分布变化特征,可以把末次冰期以来伊犁地区气候变化划分为4个阶段(图6):

74～60.2 ka:寒冷期

本时段存在三次明显的粒度变粗事件,其时间主要位于69.2 ka、66.2 ka、61.7 ka左右,持续时间相对较长,黏土含量变化与之具有互补性,表明本区此时环流或风力强度和干旱程度增加,其中发生于61.7 ka左右粒度变粗事件,砂组分在平均含量仅为2.9%的背景下变化幅度可达127%,是一次较明显的具有全球意义的Heinrich事件在黄土粒度上的反应。虽有粒度变细时的暖事件的发生,但持续事件较短且强度不大,此时研究区环境主要以干冷环境占优势。

60.2～30.4 ka:温暖期

本段早期(60.2～50.3 ka)平均粒径变细、砂含量表现为波动下降趋势,黏土和粉砂含量变化以长周期波动且具有负相关性为特点,表明该时段风力强度或环流和干旱度减弱,环境有好转趋势;中期(50.3 ～39.4 ka)平均粒径较细,砂含量均在一个较低的水平波动且变化幅度不大,在45.8 ka左右出现一次相对明显的粒度变粗事件,是中期较明显的一次粒度变粗事件,黏土和粉砂含量则表现为有高幅低频向低幅高频转变,表明此时环境以温湿为主且比较稳定,但在中期出现一次小幅降温事件的发生;晚期(39.4～ 30.4 ka)平均粒径大小和砂含量相对于中期而言处于一个相对较高的水平波动,但波动幅度和频率不大,38.3 ka左右出现一次明显的粒度变粗事件,黏土和粉砂含量在一个相对较高的水平上波动且幅度增大,表明此时气候发生明显波动,其中38.3 ka左右这次降温事件是全时段明显的一次降温事件,比中期变冷事件强的多,但总体仍以温湿环境占优势,就暖湿程度和稳定性而言较中期有所降低。总体来看,此时研究区环境以温暖为主。

30.4～11 ka:寒冷期

本时段的早期(30.4～14 ka)平均粒径大小和砂含量明显波动增加,出现三次明显粒度变粗事件,分别位于28.5 ka、24.2 ka和16.1 ka左右,黏土含量具有明显降低趋势,在14.9 ka左右达到最低值,而砂含量具有明显波动增加趋势,表明此时环流或风力强度和干旱度有一定程度的增强,其中发生28.5 ka和24.2 ka左右的降温事件最为强烈,环境恶化且变得不稳定;晚期(14.9～11 ka)粗粒径组分具有波动增加趋势,位于12 ka左右存在一次明显的粒度变粗事件,同时黏土含量有减少的趋势,说明气候总体以干冷为主,其中12 ka左右这次变冷事件最为强烈,是Younger Dryas冷事件在黄土粒度上反应。总体而言,此时研究区环境以干冷气候占优势。

11 ka以来:温干期

平均粒径大小和砂含量均反映出4次明显的粒度变粗事件,分别位于9.9 ka、8 ka、3.8 ka和1.9 ka,但后两次在较高水平上变化幅度不大。进入全新世后深海沉积和冰芯氧同位素变化不明显,而昭苏剖面黄土粒度记录5.6 ka和2.5 ka左右出现温暖期的千年尺度气候波动,且黏土含量总体处于较高水平波动;同时进入全新世黄土沉积一直持续到晚全新世,在整个全新世黄土地层没有埋藏古土壤,且黄土中碳酸盐含量多,指示了偏干的气候;此外有资料证实全新世中期天山冰川全部消融是由于中亚地区气候变干所致[15],只有到了晚全新世成壤作用才逐渐增强,由此基本可以推断研究区全新世总体以温干的环境为主。

综上所述,从整个剖面来看,昭苏剖面黄土粒度所记录的变冷事件不仅记录了具有全球意义的61.7 ka、45.8 ka、38.3 ka、28.5 ka、24.2 ka和16.1 ka六次降温事件和末次冰消期全球气候变暖过程中的一次千年级Younger Dryas冷事件,还记录了69.2 ka、 66.2 ka、58.7 ka、56.5 ka、50.6 ka、36.6 ka、32 ka和22.9 ka处的一些类似于冰筏沉积的变冷事件,其中69.2 ka和66.2 ka处的冷事件最为强烈。由此可见,昭苏剖面所记录的末次冰期以来的反映伊犁地区气候不稳定性的粒度变粗事件既有全球意义的变冷事件也有区域性的变冷事件。

5.3 昭苏剖面所记录的气候变化事件与格陵兰冰芯对比

深海沉积和极地冰芯所揭示末次冰期以来有6次Heinrich事件(图7中用H1～H6表示)和20次D-O事件[6,18-22](图中用数字1～20表示)。黄土高原风成黄土粒度也记录了Heinrich事件和D-O旋回[23～28]。末次冰期以来昭苏剖面的粒度变化所揭示的气候突变事件与格陵兰GISP2冰芯氧同位素揭示的Heinrich事件和Younger Dryas冷事件及D-O事件具有较好的对应关系(图7)。

图7 昭苏剖面末次间冰期以来的粒度序列与格陵兰冰心氧同位素记录[20]对比Fig.7 Grain size from the Zhaosu section and the comparison with the oxygen isotope records since the last interglacial stage

如图7所示,>63μm砂组分含量随深度变化,由该图可以看出,砂含量较多时,格陵兰冰芯记录氧同位素偏轻,表明环流或风力强度增强,砂含量变化与格陵兰冰芯记录具有良好的同步对应关系;在昭苏剖面黄土粒度曲线上,于61.7 ka、45.8 ka、38.3 ka、28.5 ka、24.2 ka和16.1 ka处都有相应的风力增强事件,与格陵兰冰芯所记录的Heinrich事件具有较好对应关系,由此可见北大西洋冰筏事件不仅在黄土高原黄土中有记录,而且在常年受西风控制的伊犁地区黄土地层中也能清晰反映出其节拍。北大西洋冰筏事件导致气候变冷,亚洲内陆干旱化加剧,风力增强,粒度变粗,黄土堆积增多,在昭苏剖面均有较好的反映。末次冰期中,格陵兰冰芯记录有20个间冰阶,丁仲礼等人对黄土高原会宁李家源黄土剖面高分辨率的磁化率、粒度分析结果初步揭示出[29],在昭苏剖面亦有记录。

与格陵兰地区千年尺度气候变化记录相对比,每个寒冷的Heinrich事件期间,伊犁地区大气环流都非常强大,而在每个Heinrich事件结束后,大气环流都迅速较显著减弱,基本对应于高纬地区Bond旋回开始时的显著D-O变暖事件,紧接着伊犁地区大气环流又较快速增强,伊犁黄土所揭示的气候变冷事件同GISP2曲线上对应的变冷事件的变化趋势基本相同。同时,在昭苏剖面上所揭示的Younger Dryas冷事件发生时间与GISP2冰芯的结果基本一致,暗示常年受西风控制伊犁地区与北半球高纬地区的气候在末次冰期内很有可能是一种同步变化的对应关系。

此外,粒度变化所记录的末次冰期以来伊犁地区大气环流在总体上仍然表现出在冰期-间冰期、冰阶-间冰阶之间有很大的波动,其特征与格陵兰冰芯氧同位素记录的变化特征和趋势基本相似,即MIS4期间大气环流较强,黄土粒度变粗,太阳辐射在这一阶段处于一个低谷附近;MIS3期间大气环流减弱,黄土粒度变细,太阳辐射总体在一个低水平上波动;MIS2期间,大气环流再一次增强,黄土粒度变粗,太阳辐射又处于一个低谷处,表明伊犁地区在千年尺度上气候变化可能主要受太阳辐射-大气环流相互作用的制约。在末次冰期中,由冷期向暖期的快速变化特征方面在昭苏剖面黄土粒度所记录的也有一定程度的反映,说明末次冰期以来伊犁地区气候存在千年尺度的变化,与北半球高纬地区气候变化具有一定程度的相似性。

6 结论

(1)通过对昭苏剖面粒度组成分析表明,伊犁地区与黄土高原黄土粒度组成相似,主要都以粉砂占优势,但伊犁黄土以砂粒含量较低和黏土含量稍高区别于黄土高原黄土。同时,从该剖面黄土粒度的分布特征和结构参数分布组合特征及其频率曲线和累计曲线分布特征也均指示了伊犁地区黄土的风成性。

(2)根据黄土粒度变化特征,可以把伊犁地区末次冰期以来的气候演化划分为(74～60.2 ka)寒冷期、(60.2～30.4 ka)温暖期、(30.4～11 ka)寒冷期和<11 ka温干期。

(3)末次冰期以来,昭苏剖面黄土粒度所揭示的大气环流的变化所反映的气候突变事件与格陵兰GISP2冰芯氧同位素揭示的Heinrich事件和Younger Dryas冷事件及D-O事件具有较好的对应关系,暗示了常年受西风控制伊犁地区与北半球高纬地区的气候在末次冰期内很有可能是一种同步变化的对应关系。此外,昭苏剖面所记录的末次冰期以来的反应伊犁地区气候不稳定性的粒度变粗事件既有全球意义的变冷事件也有区域性的变冷事件。

References)

1 宋友桂,史正涛,方小敏,等。伊犁黄土的磁学性质及其与黄土高原对比[J]。中国科学:地球科学,2010,40(1):61-72[Song Yougui, Shi Zhengtao,Fang Xiaomin,etal.Loessmagnetic properties in the Ili basin and their correlation with the Chinese Loess Plateau[J]。Science China:Earth Sciences,2010,53(3)419-431]

2 叶玮,靳鹤龄。新疆伊犁地区黄土的粒度特征与物质来源[J]。干旱区地理,1998,21(4):1-8[Ye Wei,Jin Heling.The mineral characteristics of grain size and material sources of loess in the Yili region,Xinjiang[J]。Arid Land Geography,1998,21(4):1-8]

3 叶玮。新疆伊犁地区自然环境特点与黄土形成环境[J]。干旱区地理,1999,22(3):9-16[YeWei.Characteristics of physical environment and conditions of loess formation in Yili area,Xinjinag[J]。Arid Land Geography,1999,22(3):9-16]

4 叶玮。新疆伊犁地区黄土矿物特征与沉积环境[J]。干旱区研究, 2000,17(4):1-10[YeWei.Themineral characteristics of loess and depositional environment in Yili area,Xinjinag[J]。Arid Zone Research,2000,17(4):1-10]

5 叶玮。新疆伊犁地区黄土与黄土状土粒度对比[J]。干旱区地理, 2000,23(4):310-314[YeWei.Comparison of textural features of loess and reworked loess in Yili area,Xinjiang[J]。Arid Land Geogrphy,2000,23(4):310-314]

6 叶玮,董光荣,袁玉江,等。新疆伊犁地区末次冰期气候的不稳定性[J]。科学通报,2000,45(6):641-646[Ye Wei,Dong Guangrong,Yuan Yujiang,etal.The climate instability of the lastglacier in the Yili area,Xinjiang[J]。Chinese Science Bulletin,2000,45(6): 641-646]

7 叶玮,桑长青,赵兴有。新疆黄土分布规律及粉尘来源[J]。中国沙漠,2003,25(3):514-520[Ye Wei,Sang Changqing,Zhao Xingyou,etal.Spatial-temporal distribution of loess and source of dust in Xinjiang[J]。Journal of Desert Research,2003,25(3):514-520]

8 叶玮,矢吹真代,赵兴有。中国西风区与季风区黄土沉积特征对比研究[J]。干旱区地理,2005,28(6):789-794[Ye Wei,Shi Chuizhendai,Zhao Xingyou.Comparison of the sedimentary features of loess between the westerly and monsoon regions in China[J]。Arid Land Geogrphy,2005,28(6):789-794]

9 史正涛,董铭。天山黄土粒度特征及粉尘来源[J]。云南师范大学学报,2007,27(3):55-57[Shi Zhengtao,Dong Ming.Characteristics of loess grain size and source of dust in Tianshan,China[J]。Journal of Yunnan Normal University,2007,27(3):55-57]

10 史正涛,董铭,方小敏。伊犁盆地晚更新世黄土-古土壤磁化率特征[J]。兰州大学学报:自然科学版,2007,43(2):8-10[Shi Zhengtao,Dong Ming,Fang Xiaomin.The characteristics of later Pleistocene loess-palesol magnetic susceptibility in Yili Basin[J]。Journal of Lanzhou University:Natural Sciences,2007,43(2):8-10]

11 宋友桂,史正涛。伊犁盆地黄土分布和组成特征[J]。地理科学, 2010,31(2):267-272[Song Yougui,Shi Zhengtao.The characteristics of distribution and composition of loess from the Yili basin[J]。Journal of Geographical Sciences,2010,31(2):267-272]

12 刘东生。黄土与环境[M]。北京:科技出版社,1985[Liu Dongsheng.Loess and Environment[M]。Beijing:Science and Technology Press,1985]

13 刘艳霖,岳乐平,帕拉提。黄河中游新近系红粘土粒度特征及其古环境——以陕西府谷老高川为例[J]。沉积与特提斯地质, 2004,24(1):78-83[Liu Yanlin,Yue Leping,Palati.Grain-size distribution and palaeoenvironmental significance for the Neogene red clay in themiddle reaches of the Huanghe River:An example from the Laogaochuan section in Fugu,Shaanxi[J]。Sedimentary Geology and Tethyan Geology,2004,24(1):78-83]

14 中国科学院新疆资源开发综合考察队编。新疆第四纪地质与环境[M]。北京:中国农业出版社,1994[Xinjiang Team of Comprehensive Resources Exploration.Chinese Academy of Sciences.Xinjiang Quaternary Geology and Environment[M]。Beijing:China Agriculture Press,2001]

15 叶玮。新疆西风区黄土沉积特征与古气候[M]。北京:海洋出版社,2001[Ye Wei.The Characteristics and Paleaoclimate of Loess Deposits in Westerly Area[M]。Beijing:Ocean Press,2001]

16 张平,宋春晖,杨用彪,等。稳定湖相沉积物和风成黄土粒度判别函数的建立及其意义[J]。沉积学报,2008,26(3):501-507 [Zhang Ping,Song Chunhui,Yang Yongbiao,etal.The significance and establishment of discriminant function with grain size of stable lacustrine sediment and eolian loess[J]。Acta Sedimentlogica Sinica,2008,26(3):501-507]

17 方小敏,史正涛,杨胜利,等。天山黄土和古尔班通古特沙漠发育及北疆干旱化[J]。科学通报,2001,7(47):540-545[Fang Xiaomin,Shi Zhengtao,Yang Shengli,etal.The developmentof Tianshan and loess and Gurbantunggut Desert and northern drought[J]。Chinese Science Bulletin,2001,47(7):540-545]

18 Blunier T,Brook E.Timing of millennial-scale climate change in Antarctica and Greenland during the last glacial period[J]。Science, 2001,291:109-112

19 Heinrich H.Origin and consequences of cyclic ice rafting in the Northeast Atlantic Ocean during the past130000 years[J]。Quaternary Research,1988,29:142-152

20 Dansgaard W,Johnsen SJ,Clausen H B,etal.Evidence for general instability of past climate from a 250 kya ice-core record[J]。Nature, 1993,364:218-220

21 Bond G,Broecker W S,Johnsen S,et al.Correlation between climate records from North Atlantic sediments and Greenland ice[J]。Nature,1993,365:143-147

22 Broecker W S.Massive iceberg discharge as triggers for global climate change[J]。Nature,1994,372:421-424

23 Porter SC,An Z S.Correlation between climate events in the North Atlantic and China during the last glaciaton[J]。Nature,1995,375: 305-308

24 Fang X M,Li JJ,Van der Voo R.Palemagnetic/rock-magnetic and grain size evidence for intensified Asian atmospheric circulation since 800kyrs[J]。Earth Planet Sciences Letter,1995,165:129-144

25 管清玉,潘保田,邬光剑,等。末次冰期东亚季风快速波动的模式与成因[J]。沉积学报,2007,25(3):429-436[Guan Qingyu, Pan Baotian,Wu Guangjian,et al.East Asian monsoon pattern and cause of rapid climate fluctuations during the last glacial[J]。Acta Sedimentlogica Sinica,2007,25(3):429-436]

26 陈一萌。塬堡黄土剖面记录的末次冰期气候不稳定性[J]。自然科学进展,2008,18(5):538-545[Chen Yimeng.The instability of the last glacial climate record at the Yuanbao loess section[J]。Progress in Natural Science,2008,18(5):538-545]

27 丁仲礼,任剑章,刘东生,等。晚更新世季风-沙漠系统千年尺度的不规则变化及其机制问题[J]。中国科学:D辑,1996,26 (5):386-391[Ding Zhongli,Ren Jianzhang,Liu Dongsheng,et al.Themechanisms of the millennium-scale irregular change of the late Pleistocenemonsoon-desert system[J]。Science in China:Series D, 1996,26(5):386-391]

History of Climate Change Recorded by Grain Size at the Zhaosu Loess Section in the Central Asia since the Last G lacial Period

LIChuan-xiang1,2SONG You-gui1QIAN Lin-bo1WANG Le-min3
(1.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology,Institute of Earth Environment,Chinese Academ y of Sciences,Xi'an 710075; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049; 3.Geological Survey Fund Management Center of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi 830002)

The Ili region is located in the northeastern part of Central Asian region,dominated by the westerlies all the year round,loess sediments are widely distributed in the piedmonts of Tianshan Mountains and river terraces, which enables the Ili region to be one of the ideal places for the studies on Asian interior aridification,dust sources of the Northern Hemisphere,pastatmospheric circulation,and past global climate change.In this paper,we reconstruct the history of climate change since the last glaciation by analyzing the grain size of Zhaosu section loess.The result shows that the content of grain size>63μm can bewell compared with the records of Greenland ice core that the climate fluctuations of the global significance such as Heinrich events and the Younger Dryas cold event aswell as DO cycles,reveals the Central Asian's climate changes with the global features ofmillennial scale and high frequency oscillation since the last glaciation.

The analysis of grain size indicates that the loess grain size distribution of the Ili region is similar to that of the Chinese Loess Plateau,dominated mainly by silt,but the contents of sand in the Ili loess is lower and fine clay higher,which is different from those of the Chinese Loess Plateau.However,compared with the Chinese Loess Plateau, the overall integrated condition ofwater and heat in the Ili region is poorer than that of the Loess Plateau,which basically can be concluded that<4μm grain size fraction in the Ili loessmay bemainly derived from the Central Desert region,only very small partof the clay results from the role ofweathering and pedogenesis or debris.Therefore,given the regional topography and circulation conditions,the dust sourcesmay be mainly from its western desert region of Central Asia,the annually prevalentwesterlies and distal dustmay play an important role in the formation of the Ili loess。

According to the variations of the content of the loess grain size,the Ili region's climate change can be divided into four stages since the last glaciation:(74～60.2 ka)cold period,(60.2～30.4 ka)warm period,(30.4～ 11 ka)cold period and<11 kawarm and dry period.The abrupt climate events reflected from changes in atmospheric circulation revealed by loess grain size at the Zhaosu section loess can be well compared with the Heinrich events and the Younger Dryas cold event aswell as D-O cycles revealed by the oxygen isotope records from GISP2 since the last glaciation,suggesting that the Ili region dominated westerlies is likely to be a simultaneous change with the high latitude climate of the Northern Hemisphere since the last glacial period。

Zhaosu section;loess grain size;the last glaciation;central Asian;climate change

李传想 男 1984年出生 硕士 第四纪地质学 E-mail:licx0530@126。com

P512.2

A

1000-0550(2011)06-1170-10

①国家自然科学基金项目(批准号:41172166,40972230)和国家重点基础研究规划项目(编号:2010CB833406)资助。

2010-09-25;收修改稿日期:2010-12-13