西安狄寨塬全新世的古气候环境

李秉成，李正泽

(1.西京学院 土木工程学院，西安 710123；2.长安大学 环境科学与工程学院，西安 710054 ；3.西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系，西安 710069;4.中国航天科技集团公司 第六研究院，西安 710100)



西安狄寨塬全新世的古气候环境

李秉成1，2，3*，李正泽4

(1.西京学院 土木工程学院，西安 710123；2.长安大学 环境科学与工程学院，西安 710054 ；3.西北大学 大陆动力学国家重点实验室/地质学系，西安 710069;4.中国航天科技集团公司 第六研究院，西安 710100)

对西安地区全新世以来的环境演变特征进行系统研究，建立该地区全新世以来黄土—古土壤沉积年代序列，揭示其反映的东亚冬、夏季风变迁规律，为预测西安地区乃至中国和全球未来环境的发展趋势提供依据. 通过对西安白鹿塬刘家坡典型剖面全新世黄土—古土壤地层的岩性描述、地层划分和对比，结合泾阳县新庄村AMS14C的年代测定和其他学者的测年数据，建立了该地区全新世以来黄土沉积年代序列. 根据磁化率气候替代指标显示的曲线特征，阐述了这一替代指标在剖面上的变化规律，探讨了该黄土剖面所反映的东亚冬、夏季风强弱变化特点，论证和详细分析了西安地区全新世以来环境变化的特征和规律，进而对该剖面磁化率曲线特征与其他学者的孢粉谱建立的温度曲线对比，对西安地区全新世以来古气候的阶段性进行了详细分析和论证. 将西安地区10 000年以来的气候演变划分为7个气候阶段.

西安狄寨塬； 全新世； 古气候环境

刘东生在1975年对陕北洛川黑木沟黄土样品的平均磁化率进行了测定，结果发现古土壤大约是黄土的2倍[1]后，此时Heller和刘东生注意到黄土剖面中古土壤层和黄土层的磁化率有显著的差异.后来，Heller和刘东生系统地测量了中国黄土与古土壤的磁化率，发现磁化率值的高低与成土作用的强弱有一定联系，黄土剖面的磁化率曲线可以与深海沉积物的氧同位素记录曲线对比，并指出磁化率有可能成为一种古气候变化的指标.同时认为磁化率的波动变化包含了全球环境变化的信息[2].随后，黄土的磁学性质研究引起了广泛的兴趣[3-9]，后来发现洛川和吉县两地黄土-古土壤序列记录了完全同步变化的磁化率曲线，证实了磁化率记录指示全球环境变化的意义[10].近20多年来，全新世的研究成果累累.首先在黄土高原、沙漠和黄土边界、沙漠边缘研究较深入.通过对黄土高原洛川、陇西、西峰[1]和陕西富平、宁夏水洞沟遗址、陕北榆林孟家湾、西安附近[11]及西安白鹿塬狄寨[12]等剖面全新世黄土地层的划分及气候的分期进行了系统研究.由于以上这些工作和成果为磁化率研究奠定了良好的基础，普遍为中外学者所接受，纷纷将磁化率这一物理参数作为反映古气候环境变化的替代性指标而广泛应用于第四纪古气候环境的研究之中.这些研究成果为我们更加深入地开展对西安地区全新世以来的环境演变研究奠定了良好的基础.

1 地质概况和年代序列

1.1 地质概况

西安刘家坡剖面位于西安市东郊白鹿塬东北塬边的刘家坡(10907′30″E，34014′20″N)(图1).白鹿塬长25 km，宽6～9 km，面积263 km2，是西安境内最大的黄土台塬.塬面自东北向西南倾斜，海拔680～780 m，东北侧高出灞河240～350 m，西南侧高出浐河150～200 m，塬面高亢，与灞、浐河谷高差悬殊.塬内荆峪沟顺塬面倾斜方向发育切割，将塬面分割为南北两部分，左侧南塬又称炮里塬，塬面平缓；右侧北塬又称狄寨塬，起伏较大.本次在全新世地层中进行系统取样31个，深度2.325 m.该剖面地层由上至下描述如图2.

图1 地理位置图Fig.1 Map of geographical location

1) 表层土(Ms)，也称耕作层，深度0～0.3 m，颜色为浅棕褐色，土质软，具团粒结构，夹有灰渣、瓦片等碎屑物，疏松，富大孔隙，富含有机质及蚯蚓粪便、植物根须，虫孔发育，距地面0.28～0.30 m处见有0.01～0.02 m厚的钙质小结核呈层状分布，厚0.3 m.

2) 黄土(L0)，深度0.3～0.6 m，颜色为灰黄色，疏松多孔，团粒及团块结构，富含植物根须和虫孔，有明显的钙质小结核，厚0.3 m.

3) 古土壤(S0)，深度0.6～2.175 m，颜色为红褐色—棕褐色，表面风化后常呈棕红色，棱柱状结构发育，棱面上的铁质胶膜和黏粒胶膜呈不均匀的蜡状光泽，含白色钙膜及钙丝，底部钙质结核成层分布，厚1.575 m.

4) 马兰黄土(L1)，出露深度2.175～2.325 m(未见底)，颜色为灰黄—浅灰褐色，富含大孔隙，团块结构，见钙质薄膜和斑点，成壤化明显，略显红色，质地均一，具垂直节理，厚1.15 m(未到底).

1.2 年代序列

笔者对西安刘家坡全新世黄土剖面岩性观察描述和分层的基础上，又对西安地区泾阳县新庄村、泾阳南塬寨头村、西安神禾塬鱼包头村等全新世黄土剖面进行了详细的地质调查，特别是在泾阳县新庄村黄土剖面中取5个样品，在中国科学院地球环境研究所西安加速器质谱中心进行了AMS14C测年.测年位置和数据见表1.在5个样品中，到目前只获得该剖面上部3个样的年龄数据，下部的2个样，正在重新进行测试，待后补上再行讨论.依据本次这一组测年数据并结合其他学者以前在全新世黄土剖面相应部位的测年数据进行对比，以确定本区黄土-古土壤沉积的年代序列.本区剖面与一些学者的剖面有很好的对比性，特别是有的学者研究剖面就在西安及其关中地区渭河流域，对比起来可靠性较大，应能得到可信的效果，全新世黄土-古土壤剖面由老至新的基本序列为：古土壤层(S0，有的学者在S0以下分出过渡层Lt)、黄土层(L0)和表层土(Ms)，各层分界已有大量测年数据，经过综合对比分析现将7个界线确定如下：1) 晚更新世马兰黄土(L1)和早全新世古土壤层(S0)底界的年龄，据众多学者认为应为10000aBP.2) 早全新世与中全新世早期界线年龄，综合考证应为9000aBP.3) 中全新世早期和中全新世晚期(此种划法系孙建中，1991[2]，2005[15])的界线年龄，笔者本次测数为4605±30aBP(表1)，大多学者认为是5000aBP，由于5000这个数字的位置和气候情况的特殊性，人们一般以此线为界分为中全新世早期和晚期之界[11，15].但笔者认为，在中全新世早期(9000aBP)至中全新世晚期(5000aBP)间应划分出中全新世中期来，即9000～7000aBP为中全新世早期，7000～5000aBP为中全新世中期，5000～3400aBP为中全新世晚期，3400aBP为晚全新世.根据这种划法，7000aBP为中全新世早期的上界，即中全新世中期的下界.关于这个界线年龄根据多数学者所测数据是存在的.有关7000～5000aBP间有的学者测出了6140±185aBP[12]，施雅风也确定了一个6000aBP[14]的数据等.因此在此应分出6000aBP的界线和5000aBP的界线.④有关中全新世晚期和晚全新世的界线(即S0与L0)年龄，笔者本次所测数据为3420±35aBP(表1)，故暂定为3400aBP.⑤晚全新世(L0)与表层土(Ms)的界线年龄，笔者本次所测数据为1980±25aBP(表1)，根据大多数学者意见应暂定为2000aBP.

以上是笔者根据测年数据并参考其他学者测年数据建立的泾阳新庄村全新世黄土沉积年代序列(表1).7个时段的界限在剖面中表现清楚，易于识别，特别是L1/S0、S0/L0、L0/Ms3个界线容易识别.由于本文中所讨论的刘家坡全新世黄土剖面与泾阳县新庄村全新世黄土剖面同属于西安地区(即西安市范围内)，距离很近，其黄土沉积厚度基本相当，沉积环境相同.据野外调查白鹿塬全新世黄土剖面Ms、L0和S0层位清晰且与泾阳县新庄村全新世黄土剖面十分吻合，故泾阳县新庄村全新世黄土剖面所测年代数据应能较准确地代表白鹿塬全新世黄土剖面的年代.同时，它可以作为西安地区乃至黄土高原全新世剖面断代的基本依据.

表1 西安地区及黄土高原全新世黄土沉积年代序列

2 磁化率的曲线特征及气候环境

在西安白鹿塬刘家坡全新世黄土剖面中共取磁化率样品30个，采用7.5 cm为间距的系统采样方式，系统地分析了该区全新世黄土-古土壤序列的堆积过程及其磁化率所代表的气候环境.所有样品均在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行了测量，每个样品取约20 g左右的粉状样，在40℃恒温条件下，烘干48 h，放入小型塑料袋中，先称出质量，然后利用中国制造的MAGNETIC SUSCEPTIBILITY MODEL-942型磁化率仪进行测量，每个样品测量3次取其平均值，再除以样品的质量，即为所要测的磁化率值.

从图2看出，该剖面磁化率总体特征是：从马兰黄土L1的顶部至全新世表土层Ms顶部曲线波动幅度较大，曲线呈两峰两谷，整个剖面磁化率值变化范围是15.25(0.45 m处)～23.30 10-4SI(1.35 m处)，马兰黄土L1(深度2.175 m)中有一较小数值为19.18 10-4SI，黄土层L0(深度0.45 m)中有一最小数值为15.25 10-4SI.古土壤S0(深度1.35 m)中有一最大数值为23.30 10-4SI，古土壤S0(深度0.675 m)中又一较大数值为20.15 10-4SI.从数值上看，同样在马兰黄土L1和黄土层L0中为较小或最小，在古土壤S0中其值最大或较大，符合黄土-古土壤沉积序列的规律.磁化率在剖面上的具体表现为：在马兰黄土中(深度2.325～2.250 m)磁化率值从19.22～19.36 10-4SI，出现数值稍微增长趋势；在古土壤S0的下部(深度2.175 m)至中部(深度1.350 m)，数值由19.18～23.30 10-4SI呈波动增长趋势，直至达到最大值；随后S0中磁化率数值在波动中减小(深度0.825 m)至17.47 10-4SI；在黄土层L0的下部(深度0.60 m)开始数值由18.79 10-4SI急剧减小至顶部(深度0.375 m)的15.49 10-4SI；在表层土Ms中由底部(深度0.30 m)数值15.27 10-4SI逐渐增长至顶部(深度0.075 m)的16.86 10-4SI.从磁化率曲线总体上看，马兰黄土L1阶段的曲线呈现出走出低谷稍有波动的过程.说明晚更新世晚期气候较干冷向全新世气候转暖的特征.古土壤S0阶段的曲线总体上表现了较高磁化率值的峰值阶段，但从底部(深度2.175 m)至中部(深度1.35 m)呈波动上升阶段，后再至深度0.825 m处呈波动下降阶段，再后至深度0.675 m处又呈剧烈上升阶段.曲线的波动意味着在全新世适宜期时气候湿润温度较高到后期的气候变冷，最后气温又回升的特点.黄土层L0阶段的曲线急剧下降，说明气候较冷.在表层土Ms阶段的曲线又出现逐渐上升的特征，说明气温在升高或与人为影响有关.

图2 西安狄寨塬全新世黄土剖面磁化率曲线图Fig.2 Map of susceptibility curve of loess section during the Holocene in xi’an Dizhaiyuan

3 讨论与结论

从西安刘家坡全新世黄土剖面磁化率曲线反映出特点如下：磁化率曲线的变化趋势与地层岩性特征是极为一致的，这也证明了利用磁化率曲线是可以进行黄土—古土壤序列分层的，也检验了在第1节中该区全新世黄土—古土壤序列分层的正确性；该剖面的磁化率曲线与泾阳县新庄村磁化率曲线以及笔者另外测试的西安神禾塬鱼包头村剖面、泾阳南塬寨头村剖面的磁化率曲线，从总体上看较为相似，特别是白鹿塬刘家坡和泾阳县新庄村两剖面的磁化率曲线较接近(图3中A，B)，通过几条曲线的互补能够体现该区的气候变化特征.但有些局部出现不一致现象，有的曲线在某一段发生突变，有的曲线并未能表现明显.就图3中A、B两条磁化率曲线而言，其形态也并非完全一致.出现不一致的原因有两点，其一是两条曲线的取样间距不一致，白鹿塬的取样间隔为0.075 m，而泾阳县新庄村剖面为0.02 m，即前者间距大，分辨率较差.后者间距小，分辨率较高.前者不能够准确地反映气候的细微变化，故用后者为支撑说明问题.其二，两条曲线的取样地虽同在关中地区，但相距较远，这与各自小区域的黄土沉积环境有细微差别有关.当然，曲线的总体特征表现为在古土壤中为峰，在黄土中为谷，在每一个高峰和每个低谷中都有次一级的波动；该剖面的磁化率变化规律与该区其它剖面磁化率曲线是一致的，代表了全新世黄土-古土壤的气候地层序列.反映了古土壤堆积时期成壤作用强、夏季风环流强盛、气候暖湿及黄土堆积时期成壤作用弱、冬季风环流强盛、气候冷干的总特点.

A、B为磁化率曲线：C、D、E为孢粉谱建立的温度曲线。A-西安狄寨塬(作者本次测)，B-陕西泾阳县新庄村(作者本次测)，C-黄土高源[11]，D-河北东部[4]，E-长白山西部，其中C、D、E引自施雅风等[14].图3 西安狄寨塬磁化率与孢粉谱的温度曲线对比Fig.3 Contrast of susceptibility curve and sporopollen spectrum temperature curve in Xi’an Dizhaiyuan

由以上该全新世黄土剖面和泾阳县新庄村等黄土剖面的磁化率曲线特征的对比分析，已经比较明显地看出西安地区在全新世以来的气候冷暖波动及规律，再依据第1节中对年代序列的测定和断代依据(表1)以及其他学者在其它地区孢粉谱建立的温度曲线(图3中C、D、E)进行进一步对比的基础上，对西安地区全新世以来的气候进行初步综合分析、判断，从而得出该区该时段的气候分段及规律，以便与其他学者能够得到讨论，使该区的气候分段更加准确、可靠，从而得以古气候环境的恢复.

由于磁化率曲线指示着东亚夏季风的强弱.东亚夏季风强盛指示着湿热的气候，气温就高；东亚夏季风弱时，指示着干冷的气候，气温就低.即磁化率曲线也指示着温度大小的变化，所以笔者在西安地区所测2个剖面的磁化率曲线可以和其他作者在其它地区利用孢粉谱建立的3条温度曲线[14]进行对比.从图3的对比发现，且对比性良好，笔者的2条磁化率曲线的形态和3条温度曲线相似，特别是陕西泾阳新庄村剖面的磁化率曲线(图3，B)极为相似，这就为较准确地分析西安地区全新世以来的古气候环境的演变提供了依据.现据西安白鹿塬刘家坡和泾阳新庄村两个剖面磁化率数值和曲线形态变化，结合其它地区孢粉谱建立的3条温度曲线，对该区古气候提出分段如下(表1，图3).

自从全新世大暖期一词的提出，各学者的起讫时间是不同的，施雅风等[14]主张为8.5～3 KaBP.笔者根据野外地层的划分、实际年龄的测定及结合磁化率曲线的波动形态，将全新世大暖期确定为9.0～3.4 KaBP，延续达5.6 Ka，其间有多次剧烈的波动与寒冷事件，具体分为9.0～7.0 KaBP，7.0～6.0 KaBP，6.0～5.0 KaBP，5.0～3.4 KaBP.

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Palaeoclimate environment during the Holocene in Xi’an Dizhaiyuan

LI Bingcheng1,2，3，LI Zhengze4

(1.School of Civil Engineering, Xijing University, Xi’an 710123;2.College of Environment Sciences and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054;3.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069;4.Sixth Research Institute of China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi’an 710100)

The characteristics of environmental evolution were investigated and the loess-palaeosol deposition age sequence was obtained in Xi’an area during the Holocene. The variation principle of winter and summer monsoon in East Asian was revealed, which provided reference for predicting the development trends of future environment in not only Xi’an area but also China and the whole world. Lithology description along with stratum partition and comparison on typical section of Liujiapo Village in Bai Luyuan of Xi’an were used for generating the loess deposition age sequence in the above region during the Holocene, combining the age determination data from AMS14C in Xinzhuang Village in Jingyang County and previously reported. According to the character in the curve of substitution indication for climate susceptibility, the variation principle for this substitution indication was illuminated and the changing characters on strength of winter and summer monsoon in East Asian were discussed. Meanwhile, the characters and principle for environmental evolution in Xi’an area were demonstrated and analyzed in detail. Additionally, through comparing the characters in the above susceptibility curve of this section with thermal curve established by other researchers based on the sporo-pollen spectrum, the palaeoclimate stage traits in Xi’an area during the Holocene was verified with detailed study. The climate evolution is divided into 7 stages during the 10 000 years.

Xi’an Dizhaiyuan； Holocene； palaeoclimate environment

2016-01-29.

国家自然科学基金项目(40772181).

1000-1190(2016)05-0758-06

P532

A

*E-mail: libingcheng01@tom.com.