西安何家营全新世黄土磁化率的古气候环境

2014-06-07李秉成

地下水 2014年2期

王俊，李秉成

(长安大学环境科学与工程学院/旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室/陕西省地下水与生态环境工程研究中心，陕西西安 710054)

对全新世气候变化的研究，关键是要选择合适的古气候代用指标和参数，而黄土磁化率作为一个高分辨率物理参数得以在古气候变化研究中被广泛应用。中国黄河中游地区发育着广泛且沉积连续性良好的全新世黄土地层，最早Heller和刘东生发现黄土—古土壤的磁化率与气候变化存在着重大联系:黄土和古土壤分别代表着干冷和湿润的气候，黄土磁化率参数曲线不仅能和同时代的深海氧同位素曲线很好的对比，而且可以反映出更加详细的古气候信息［1］，磁化率逐渐成为了古气候研究的热点;随后人们认识到成壤过程中形成的细粒磁铁矿和磁赤铁矿等细颗粒强磁性矿物是导致古土壤磁化率远高于黄土磁化率的主要原因［2－4］，这些细小铁磁性矿物的含量反映了古气候温湿程度的强弱和持续时间的长短［3］;另外利用不同方法建立的磁化率气候转换函数，也为定量估算古降水古温度提供了新的方法途径［5－6］。

全球气候变化具有同步性，也具有区域性。考虑到目前为止还没有一条曲线能代表全球或北半球平均温度的万千曲线［7］，因此做一些区域性研究是很有必要的。

1 剖面位置及其地层特征

何家营剖面位于西安市长安区境内，地理坐标(34°07'53.8″N，108°56'25.8″E)，海拔 453m(图 1)。经过仔细观测得出，此剖面全新世黄土—古土壤序列发育比较完整，而且层位稳定，界限分明，为未经扰动的全新世地层。

地层岩性从上到下的描述:

(1)表土层 Ms，0～0.15m。棕褐色，具有团块结构，多虫孔发育，有植物根须和蚯蚓粪便等其他碎屑物，耕作现象十分明显，厚度0.2m。

(2)黄土层 L0，0.15 ～0.50m。淡黄褐色，结构疏松，多小孔隙，含植物根须和蚯蚓粪便，厚0.35m。

(3)古土壤层 S0，0.50～1.45m。红棕色，颗粒细小，结构紧密，多见白色碳酸盐假菌丝分布，厚0.95m。

(4)马兰黄土层 L1，1.45～1.8m。灰黄色，粗颗粒，结构较松散，有大孔隙，厚0.35m。

图1 采样点位置示意图

2 运用磁化率年龄模式来确定年代序列

Kukla等研究发现磁化率可以表示黄土地层中铁磁性矿物浓度，每一层地层的厚度与磁化率乘积与时间是成比例的，在古地磁极性转换界面间进行内插，获得的系数可以用来计算每个层位的绝对年龄，本文的磁化率年龄模式采用下列方程计算［8］。从而得到地层年代序列(见图2)。

其中，Tm表示所求某一层位(i)的年龄，T0和T1是两个控制点的年龄，n为两个年龄控制点之间的总层位，m为所求某一层位以前的总层位，a为某一层位的厚度，s为某一层位的质量磁化率，需说明的是:T0和T1可以是剖面中任一点的位置，T1＞T0，即T0代表的是已经标定的较年轻的年龄，T1代表的是已经标定的较老的第n层的年龄。

注:此磁化率年龄模型在冰期或者间冰期，相同的气候阶段内选择合适的节点作为年龄控制，计算出的年龄是可靠实用、趋近事实的［9］。

全新世黄土—古土壤剖面从上到下的序列可以分为:表层土(Ms)、黄土层(L0)、和古土壤层(S0)。故选取全新世现在年龄，Ms/L0，L0/S0和S0/L14个节点为年龄控制点。经过本剖面和其他剖面的对比以及参考了前人的大量资料，确定了这4个节点的年龄分别为0、2 000、3 400和10 000 aB·P(见表1)。

表1 控制点的参数

图2 地层年代序列图

3 磁化率特征曲线

在西安市长安区的何家营新村剖面进行采样工作，自表层土开始从上到下取样，每隔1 cm取一个样，共取样品180个。所有样品拿回实验室先在40℃恒温条件下将其烘干，之后研磨成粉状，每个样品取出20 g左右依次装入带有标号的小型塑料袋中，最后逐个称出样品的质量，测出磁化率数值。需要说明的是所有样品的测量工作都在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行，使用中国制造的MAGNETIC SUSCEPTIBILITY MODEL—942型磁化率仪进行磁化率测量，每个样品测量3次取平均数，再分别除以其质量，得到所求的质量磁化率(见图3)。

从磁化率曲线中(见图3)可以明显看到土壤磁化率随着土壤深度的变化而变化，并且磁化率波动比较大。此曲线的土壤磁化率最大值出现在古土壤层S0中(土壤深度0.59m，磁化率值25.66×10－7m3·kg－1)，最小值出现在马兰黄土层 L1中(土壤深度 1.67m，磁化率值 10.53 ×10－7m3·kg－1)。从整条曲线来看，磁化率大数值都在古土壤层S0中，而小数值都在马兰黄土层L1中。由此可见，这条磁化率曲线完全符合黄土沉积的规律:磁化率值在黄土中最小，在古土壤层中最大，古土壤的磁化率数值大约是黄土中的2倍［1］。

图3 黄土剖面磁化率曲线

分段来看这条曲线，土壤深度在1.8～1.4m，磁化率值一度维持在很低的水平，也就是从所取样品全马兰黄土层L1的底部一直到马兰黄土层L1与古土壤层S0过渡部分处，其磁化率数值都非常小，只是稍有小幅度变化;在古土壤层S0的中下部分(大约1.4m处)磁化率值开始大幅度上升，直到在古土壤层S0和全新世黄土层L0过渡部分处，数值才平稳下来。可以说在古土壤层S0内，磁化率数值整体上处在上升阶段;在古土壤层S0上部磁化率数值开始出现下降趋势，到了全新世黄土层L0的下部才稳定下来;之后全新世黄层L0以上一直持续到表土层Ms中，磁化率数值变化不大，只是略有小波动。

4 结语

黄土磁化率是东亚夏季风代用指标［10］，一般与成壤强度成正相关。磁化率高反映夏季风增强，气温升高，带来更多降水，利于成壤作用和形成细小亚铁磁性矿物，使得土壤磁化率增高［11］;反之夏季风减弱，气温下降，气候环境不适宜成壤作用，从而导致土壤磁化率变小。也就是说土壤的磁化率是可以替代气候的指标，高磁化率代表温暖湿润的气候，低磁化率代表干燥寒冷的气候。

(1)早全新世10～8.5 kaBP，冷暖转换阶段。很明显可以看到A曲线在9.5 kaBP左右磁化率值有个波谷，说明这时气候寒冷，这可能与中国东部的泄湖寒冷期相对应，气温比现代还低3.5℃ ～5.5℃［15］。9.5 ～8.5 kaBP 磁化率增大，说明气候开始转暖。B、C、D曲线大致都可以反映出这个阶段的冷暖转换情况，尤其是曲线C与A相当对应。

(2)中全新世8.5～3.4 kaBP，全新世大暖期阶段，时间长达5 ka多年，其间有多次气候剧烈波动和寒冷事件。这与施雅风等提出的全新世大暖期时间十分接近［16］曲线A从8.5 kaBP开始磁化率值一直处于比较高的阶段，持续到3.4 kaBP左右。所以我们有理由说在这个阶段气候特征是温暖湿润。曲线B指出9～5 kaBP为全新世最佳期，曲线C指出9～3.4 kaBP为全新世温暖期，从曲线 D中可以看到9～3 kaBP处于高温期，中间略有波动。学者们对全新世大暖期的起止时间有不同见解，这与数据来源地区、曲线分辨率以及对冷暖程度的界定不一等原因造成的。

图4 全新世气候变化曲线对比图

①8.5～7 kaBP，全新世大暖期冷暖波动阶段。曲线A的磁化率值整体已经开始大于现代值，但可以发现有很明显的波动，表明这期间气候波动还是比较大的。在8 ka左右磁化率值出现一个出现波谷，这可能与8.2 ka的冷事件有关［17］;而在7 ka左右出现的磁化率值波谷则可能与敦德冰心中7.3 ka的降温事件相对应。敦德冰心反映的7.8 ka那次降温事件在曲线A中没有体现。②7～5 kaBP，全新世大暖期鼎盛阶段。曲线A在这个阶段内磁化率值一直处于高值区，而且波动很小，说明这段时间内气候相当温暖湿润，气温一直比较高，起伏小。这与朱士光等人提出的7～5 kaBP的仰韶文化期可以对应起来，这时气温高于现今2℃［18］。从曲线C和D中也可以看出这个阶段的温湿的气候。

③5～3.4 kaBP，全新世大暖期温度波动暖和气候［19］。在曲线A呈现“三峰两古”状态，但是磁化率值依然保持很高的水平，只是波动较大。说明此时的气候是有波动的缓和。姚檀栋认为以5～3 kaBP左右为中心，前后约1 ka的时间一直维持高温气候。即使在这1 ka中的某些相对寒冷阶段，平均温度仍高于过去5 ka的平均值［20］。

(3)晚全新世，3.4 kaBP至今，气温先下降后稳定阶段。从3.4 kaBP开始磁化率值开始减小，气温开始下降。到了3 kaBP左右，磁化率值已经和现代值比较接近了，而且起伏不大，表明气候已经逐渐趋于稳定。需要说明的一点是在700 aA.D.左右磁化率值有一个很明显的波谷，说明此时是个冷期。这个结果与姚檀栋在敦德冰心中提取的信息是一致的，而与竺可桢提出的隋唐大暖期相悖［21］。可能这是由于研究地区不一样造成的，敦德冰心和本文的研究区域都在中国西部地区，而竺可桢提出的隋唐大暖期是相对于中国东部地区而言的，从另一个侧面也可以反映出中国东西部古气候变化存在的差异性。

［1］刘东生.黄土与环境，北京:科学出版社.1985.

［2］邓成龙，刘青松，潘永信，等.中国黄土环境磁学.第四纪研究.2007，27(2):193—209.

［3］刘秀铭，刘东生，Friedrich Heller等.中国黄土磁颗粒分析及其古气候意义.中国科学［B］辑.1991，6:639—644.

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［5］旺罗，刘东生，韩家懋，等.中国第四纪黄土环境磁学研究进展.2000，15(3):335—341.

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［10］刘东生，孙继敏，吴文祥.中国黄土研究的历史、现状和未来——一次事实和故事相结合的讨论.第四纪研究.2001，21(3):185—207.

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［12］安芷生，吴锡浩，卢演俦，等.最近2万年中国古环境变迁的初步研究.黄土·第四纪地质·全球变化第二集.1991:1—26.