毛乌素沙漠东南缘DGS1层段CaCO3记录的全新世气候变化

王丰年，李保生，牛东风温小浩

李志文4，司月君5，郭亿华6，杨志英1，刘恩波1

doi：10.7515/JEE201503002

毛乌素沙漠东南缘DGS1层段CaCO3记录的全新世气候变化

王丰年1，李保生2，3，牛东风2，温小浩2，

李志文4，司月君5，郭亿华6，杨志英1，刘恩波1

（1.惠州学院 旅游系，惠州516007；2.华南师范大学 地理科学学院，广州510631；3.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710061；
4.东华理工大学 地球科学学院，南昌330013；
5.广西师范学院 规划与地理科学学院，南宁 530001；6.广州地理研究所，广州510070）

毛乌素沙漠东南缘萨拉乌苏河流域滴哨沟湾剖面DGS1层段主要由沙丘砂、湖沼相和次生黄土组成。根据测年结果，该层段为全新世风沙沉积序列。通过对该层段CaCO3的分析，发现CaCO3含量在沙丘砂、湖沼相和次生黄土依次变化于0.35％～2.74％（平均值1.03％）、0.13％～60.31％（平均值22.16％）和8.64％ ～12.83％（平均值9.21％），并与DGS1层段粒度Mz（平均粒径）呈显著相关（相关系数0.68）。研究表明，毛乌素沙漠冬季风盛行时期沙丘砂堆积，CaCO3发生迁移；夏季风盛行时期湖沼相发育，CaCO3相对聚集。据此，我们认为CaCO3含量变化揭示了毛乌素沙漠在全新世以来经历了多次冬夏季风交互演替的气候变化过程，全新世气候波动主要可分为4个阶段：全新世早期回暖期、全新世鼎盛期、暖冷过渡期和冷干气候不稳定期。

毛乌素沙漠；DGS1；CaCO3；气候变化；全新世

全新世气候变化的研究，通过冰芯（O'Brien et al，1995）、深海沉积（Braddock，1996；Summer et al，2008；David et al，2009；Matt et al，2010）、湖泊（金章东等，2002）以及亚洲季风区石笋（Dong et al，2010）和泥炭记录（周卫健等，2001）等揭示出全球全新世气候存在不稳定性。全新世全球气候变化通过东亚季风影响中国沙漠，在沙漠地区表现为以冬季风为代表的寒冷事件（安芷生等，1990；陈发虎等，2001；李保生等，2010；杨利荣和岳乐平，2011）。对于中国沙漠地区全新世气候变化的进一步探讨，有利于理解全球气候变化以东亚季风为载体对中国沙漠地区环境变化的区域影响。

位于毛乌素沙漠东南部边缘的萨拉乌苏河流域（图1）是北方黄土与沙漠的过渡带，在第四纪气候振荡的作用下，深受东亚季风影响，历经“沙漠—间沙漠”的多次转变，记录了丰富的晚第四纪环境变化的地质信息（Teilhard，1924；董光荣等，1983；苏志珠等，1997；李保生等，1998；Li et al，2000，2007；靳鹤龄等，2007）。近年来，Niu et al（2008）、Lu et al（2010）、牛东风等（2011）分别对萨拉乌苏河流域全新世以来的米浪沟湾剖面地层序列（MGS1层段）进行了化学元素、磁化率和碳酸钙等气候代用指标的研究，结果表明全新世以来毛乌素沙漠经历了类似于北大西洋D/O振荡式的气候波动——千年尺度的东亚冬夏季风交替的气候循环（Li et al，2000；李明启等，2006；Du et al，2012；Si et al，2014）。最近，通过对萨拉乌苏河流域的持续考察，发现位于该流域左岸的滴哨沟湾全新世剖面存在多种沉积相互叠覆而构成的沉积序列，并具有明显的沉积旋回，这为我们进一步探讨毛乌素沙漠全新世的气候变化提供了重要线索。为此，本文基于滴哨沟湾剖面全新世DGS1层段（以下称DGS1），以CaCO3含量的变化为依据，结合年代测试结果，探讨毛乌素沙漠全新世的气候变化。

1 材料与方法

滴哨沟湾剖面位于萨拉乌苏河流域滴哨沟湾村的河流左岸，37°43′26.3″N，108°31′2.3″E，剖面顶部海拔高度1309 m（图1）。该剖面地层出露厚度为62.70 m，属晚第四纪全新统、上更新统和中更新统上部（靳鹤龄等，2007）。DGS1的堆积深度为0～4.84 m，由12层湖沼相（LS）、3层古流动沙丘砂（D）、3层古固定-半固定沙丘砂（FD）、1层砂质古土壤（S）、1层泥炭（P）和1层次生砂质黄土（CS）组成（图2）。其中古流动沙丘以灰黄色风成细沙为主，松散、分选均匀。古固定-半固定沙丘砂以灰黄色含粉沙的极细砂质细沙为主，分选较好、松散。砂质古土壤表现为棕灰色含粉沙的细沙，略紧实，弱成土壤化。泥炭以砂质沉积物为主，分选较好，黑色；次生砂质黄土以暗灰黄色粉沙为主，松散、水平层理发育。湖沼相以灰黑色或灰白色细砂质粉沙为主，含植物根系、紧实，并含大量的软体动物化石，根据粒度变化对10—17LS进行了细分。

对DGS1层段的7个层位进行了年代测试，其中6个14C测试年代（表1）和1个OSL测试年代（图2）。14C年代在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所14C实验室测定。OSL年代在中国地质矿产部水文地质工程地质研究所光释光实验室完成。对14C年代采用Calib 7.0程序中Intcal 13数据集（Reimer et al，2013）进行校正（表1）。在6个常规14C年代中，位于444 cm深度的9450±52 a BP与454 cm深度的9384±83 a BP出现倒置。根据地层层序律和线性回归结果，9384±83 a BP更符合“地层层序律”原则，删除9450±52 a BP。将这些年代结果作为控制点，运用沉积速率线性内插方法建立了该剖面的时间标尺，各层位的年代见表2。根据表1和图2，DGS1层段的起始年代即为21LS底部的年代10925±216 cal.a BP（苏志珠等，1997）；终止年代为1CS顶部1800±100 a BP（OSL），因此，DGS1层段属于全新世风沙堆积序列。

图1 研究区地理位置Fig.1 The study area

对DGS1自上而下共采集247个样品进行了CaCO3分析，采样间距1～2 cm。样品分析是在华南师范大学地理科学学院沉积物实验室完成。CaCO3实验采用气量法，使用希腊产的Boscomb Calcimeter仪器平均测试。其步骤：称取2.00 g样品与过量的HCl作用后，记录其产生的CO2气体的体积和温度，再根据CO2的体积换算出CaCO3的含量：CaCO3％=f×[（1.22×V×100）/（Ws×T ）]，其中f是校正系数；Ws为样品重量；T是实验环境温度，换算关系273+t ℃；V是CO2气体体积；1.22为转换系数。为减小测量误差，每一样品重复测试3～4次，然后取平均值。

2 结果

分析结果显示出的CaCO3含量分布示于表3，并绘入图3。现结合图3将各个沉积相CaCO3的分布概述如下：

（1）CaCO3含量在不同层位变化非常大，分布范围在0.13％～60.31％，平均值高达12.05％。CaCO3含量在DGS1表现出大起大落的峰谷型波动曲线（图3）。

（2）不同沉积相CaCO3含量差别明显。流动沙丘砂（42个样品）CaCO3含量低，变化范围是0.35％～2.74％，平均值为1.01％；半固定沙丘砂（52个样品）CaCO3含量低，变化范围是0.55％～2.36％，平均值为1.06％；湖沼相（117个样品）CaCO3含量的变化范围是0.13％～60.31％，其平均值也达到22.16％；冲积次生黄土（19个样品）CaCO3含量的变化范围是8.46％～12.83％，平均值为9.21％。为了进一步说明这几类沉积相的粒度Mz（Φ）（表4）与CaCO3含量之间的关系，绘制了Mz（Φ）-CaCO3散点图（图4）。

如图所示，沙丘砂（D）、湖相（LS）和冲积次生黄土（CS）的Mz（Φ）值增大——颗粒变细CaCO3含量相应增高。该图各沉积相的大部分样品均表现出相对集中的分布区域，DGS1的湖沼相CaCO3含量异乎寻常的高可能与当时的沉积环境有关系，CaCO3含量最高的19LS也是本层段软体动物化石最多的部分，虽然在CaCO3含量实验过程中已经将软体动物化石剔除，但是仍然无法将其在湖沼相沉积发育时就已经破碎融入土壤的肉眼无法识别的软体动物壳体的微小碎屑挑出，这就是湖沼相CaCO3含量异乎寻常高的原因。

图2 DGS1沉积序列Fig.2 The sedimentary sequences of the DGS1

表1 滴哨沟湾DGS1层段14C年龄测定结果Table 1 14C dating ages and calibrated ages of some layers in the DGS1

表2 DGS1年代表Table 2 The ages of different layers in the DGS1

表3 DGS1层段CaCO3含量Table 3 The contents of CaCO3in the DGS1

3 讨论

毛乌素沙漠南缘地区萨拉乌苏河流域处于沙漠—黄土过渡带，其风成砂—砂质黄土—湖相地层序列的碳酸钙含量却与黄土高原地区的碳酸钙含量变化规律相反，呈现出风成砂中含量相对低、河湖相中含量相对高的现象（杜恕环等，2009）。这种碳酸钙在沙漠地区的河湖相、古土壤中高的现象被视为是夏季风增强，温度升高，降水增加的表现；而在沙丘砂中出现的碳酸钙低值被视为是冬季风增强，降水减少，风力增大的体现。在DGS1堆积时，气候条件寒冷多风，降水量稀少，地表堆积仅能受到物理风化作用，碳酸钙呈现原生碎屑状态分布，总体含量不高；然而湖相发育时，气候温暖湿润，风化增强。因为萨拉乌苏河地区其时是一鄂尔多斯高原和黄土高原之间的洼地，湖泊往往是细小河流的终点，当气候条件好转，降水增加，河流会携带溶解于水中的碳酸钙归流于此，聚少成多，湖相内碳酸钙含量呈现高值，并数倍于同剖面的沙丘砂；DGS1内冲积次生黄土碳酸钙含量较高，产生原因类似于湖相中碳酸钙含量的成因。

夏季风盛行的时期也有利于生物化学风化作用，地表物质分解的较多细粒，也被水流搬运到河湖沼泽中。从而使得DGS1中湖相粉沙和粘土含量增加。同时，夏季风盛行时期的水热环境有利于DGS1堆积区域周围高地CaCO3淋溶，并随水流堆积而相对富集，如19LS具有较高的CaCO3含量，这可能与湖沼发育时受到周围河湖水汇聚有关。Mz-CaCO3散点图（图4）一步说明了这几类沉积相粒度与CaCO3含量之间的关系。如图所示，随着沙丘砂、湖相和次生黄土的Mz（Φ）值增大，DGS1中沉积物颗粒变细，CaCO3含量相应增高。研究表明，沙漠风沙流物质的机械破碎度与干冷多风环境密切相关，同时也导致沙物质中高度贫钙（董光荣等，1983）。从DGS1的Mz-CaCO3散点图（图4）上也不难看出这一现象。同时也说明这些沙丘砂反映了其时的干冷多风的风沙流沉积环境。自Mz/3.0 Φ-CaCO3/5％，次生黄土样点随Mz（Φ）值的增长，CaCO3含量略微增高，湖相样点随Mz（Φ）值的增长，CaCO3含量显著增高。根据DGS1沙丘砂沉积环境与毛乌素沙漠现代沙丘形成环境类似的推断，可以进一步认为，湖相和次生黄土样点增多并替代沙丘砂，可以解释为这是驱动沙丘砂的冬季风动力的衰减所致。而夏季风盛行的气候条件下，气候暖湿，较高含量的CaCO3滋生。由此可见，DGS1的湖相、次生黄土发育期间风沙流已经不是沉积物贡献的主要的地貌营力。大量研究结果（Xiao et al，1995；Wang et al，2001；Guo et al，2002；吴正，2003）表明，第四纪以来我国北方东部地区东亚冬夏季风是两个对立统一的主体气候，两者在我国东部沙区表现为互为消长的关系（Dong et al，1997）。据此进一步推论，DGS1次生黄土、湖沼相形成时应该主要受到东亚夏季风环境的影响。随着来自东南的夏季风向我国西北的推进，不仅大大抑制了冬季风作用，同时还给萨拉乌苏河流域乃至毛乌素沙漠带来更多的降水，气候温暖潮湿，湖沼发育。从上述认识出发，可以将CaCO3含量分布在沙丘砂所呈现的谷态和在湖沼相、次生黄土中所呈现的峰态特征（图3）视为是东亚冬夏季风分别增强的体现。

图3 DGS1层段CaCO3含量及其变化Fig.3 The variations of CaCO3in different layers of the DGS1

据此，本文将DGS1全新世气候划分为以下四个阶段：

第一阶段，21LS—18FD（11020—10290 a BP），全新世早期回暖期。DGS1层段CaCO3含量逐渐增加，表现为冬季风减弱，夏季风增强，沙漠主要以古固定-半固定沙丘为主，温度升高，降水增加，局部地区形成了暂时性湖泊和沼泽，湖沼相发育。但暖湿程度在逐渐提高。祁连山敦德冰芯记录了冰后期升温始于10.75 ka BP以前，且气候发生多次震荡（章新平和姚檀栋，1993）。Bond et al（1997）发现的北大西洋10.3 ka BP冷事件与DGS1中的18FD（10290—10580 a BP）、20FD（10670 —10930 a BP）冷期遥相呼应。

第二阶段，17LS —12LS（10290—6590 a BP），全新世鼎盛期。这一阶段是以湖相沉积为主的时期，碳酸钙含量平均达到22.16％，最高处可达60.31％，如此高值的碳酸钙除了河流携带CaCO3溶液的化学沉积外，只能归结为生物化学堆积，此阶段温度升高，降水增加，当地的植被繁盛，湖泊里作为软体动物食物的藻类也大量增加，因而湖内出现大量的软体动物，这些软体动物死后的遗体——富含碳酸钙的螺壳也随之沉积，这就是此阶段碳酸钙含量异常高的原因所在。这更加有力说明期间夏季风在本地区占主导地位，冬季风减弱，风沙活动频次减少，气候暖湿，沙地中的湖沼相沉积广泛发育。此鼎盛期在我国多处地点均有记录，如章新平和姚檀栋（1993）、侯光良和方修琦（2011）根据中国全新世气温集成序列资料认为，全新世鼎盛期出现在8—6.4 ka BP。

表4 DGS1层段粒度Mz（Φ）值Table 4 The value of Mz（Φ） in the DGS1

图4 DGS1不同沉积相Mz（Φ）-CaCO3（％）散点图Fig.4 The scatter diagram of Mz（Φ）-CaCO3（％）

第三阶段，11LS—10LS（6590—3760 a BP），暖冷过渡期。整个层段CaCO3含量比大暖期期间低，并呈现逐渐下降的趋势，属于气温下降时期。有资料显示全新世高温期的晚期气候更不稳定，表现为快速降温、变干的过程（陈云等，1999）。

第四阶段，9P—0MD（3760—0 a BP），冷干气候不稳定期。此阶段CaCO3含量明显偏低，虽在1CS阶段出现气候反复，CaCO3含量增加，但本阶段以干冷多风气候为主体，沙丘砂堆积，气候具有不稳定性。其中的2D、4D、6D是气候变冷的体现。这与侯光良和方修琦（2011）认为晚全新世4 ka BP以来气候相对较冷的观点相一致。此外，0MD（0—1800 a BP）可与北大西洋冷事件0.4—1.4 ka BP相对比，6D（2820—3140 a BP）也可与北大西洋寒冷事件2.8 ka BP对比，次生黄土1CS（1800—1980 a BP）中CaCO3含量上升，代表的气候回暖期可与GISP2（Grootes et al，1993）和侯光良和方修琦（2011）认为的1 ka BP前后的温暖期对比。

4 结论

根据DGS1层段的测年与CaCO3含量的变化，本文认为毛乌素沙漠南缘地区全新世气候经历了全新世早期回暖期（11020—10290 a BP）；

全新世鼎盛期（10290—6590 a BP）；暖冷过渡期（6590—3760 a BP）和冷干气候不稳定期（3760—0 a BP）四个时期。

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Holocene climate changes recorded by CaCO3in the DGS1 segment in the southeast of the M u Us Desert，China

WANG Feng-nian1，LI Bao-sheng2，3，NIU Dong-feng2，WEN Xiao-hao2，
LI Zhi-wen4，SI Yue-jun5，GUO Yi-hua6，YANG Zhi-ying1，LIU En-bo1
（1.Department of Tourism，Huizhou University，Huizhou 516007，China；2.School of Geography，South China Normal University，Guangzhou 510631，China；3.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China；4.College of Earth Science，East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China；5.School of Geography and Planning，Guangxi Teachers Education University，
Nanning 530001，China；6.Guangzhou Institute of Geography，Guangzhou 510070，China）

Mu Us Desert；DGS1；CaCO3；climate changes；Holocene

Located in the Salawusu River Valley on the southeast edge of the Mu Us Desert，the DGS1 segment of the Dishaogouwan section consists of dune sands，lacustrine facies and secondary loess.Based on the age determ ination，the DGS1 segment belongs to the aeolian sedimentary sequence of the Holocene.By CaCO3analysis，we found that CaCO3contents in the DGS1 segment range from 0.35％ to 2.74％ （average 1.03％） in the dune sands，0.13％ to 60.31％ （average 22.16％） in the lacustrine facies and 8.64％ to 12.83％ （average 9.21％） in the secondary loess，respectively；and the CaCO3

2015-02-09

国家重点基础研究发展计划（2013CB955903）；惠州学院博士科研启动项目（C513.0203）

李保生，E-mail：libsh@scnu.edu.cn

P532

A

1674-9901（2015）03-0145-09

contents have a signi f cant correlation w ith Mz （coef f cient 0.68 ）.This study shows that the dune sands accumulate and CaCO3greatly moves away when the w inter monsoon prevails；whereas，the lacustrine facies develop and CaCO3largely gathers when the summer monsoon strengthens.Therefore，we suggest that the changes of CaCO3content in the DGS1 segment reveal multi-alternation between the East Asian w inter and summer monsoons in the Mu Us Desert during the Holocene and the climate mainly experiences 4 periods w ithin this area：Early warm ing period，Megathermal period，Cooling transitional period and cold-dry instable period.