西安黄土台塬区全新世黄土磁化率古气候环境演变

李秉成， 李正泽

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

西安黄土台塬区全新世黄土磁化率古气候环境演变

李秉成1，2，3， 李正泽4

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

通过对西安神禾塬鱼包头村和泾阳县新庄村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在剖面上的变化规律以及该黄土剖面反映的东亚冬、夏季风强弱变化特点，详细分析了西安地区全新世以来环境变化的特征和规律，进而将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进行对比.对西安地区全新世以来古气候的阶段进行了划分，将西安地区10 000 a以来的气候演变划分为6个气候阶段： 10.0～9.0 kaBP,冷温转换阶段； 9.0～7.0 kaBP,暖冷波动阶段； 7.0～5.0 kaBP,温暖阶段； 5.0～3.4 kaBP,暖冷剧烈波动阶段； 3.4～2.0 kaBP,气温先降后升阶段； 2.0 kaBP至现在，温暖半湿润、半干旱阶段.

全新世； 古气候环境； 黄土； 磁化率； 西安黄土台塬区

全新世的气候变化为当前关注的热点，对认识现代环境的形成和预测未来的人类生存环境有着十分重要的意义.

刘东生[1]对陕北洛川黑木沟黄土样品的磁化率进行了测定，发现古土壤大约是黄土的2倍.F.Heller等[2]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，他们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.黄土的磁学性质研究引起了广泛的兴趣[3-9].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[5].20多年的实践证明，中国黄土磁化率值与成土作用呈现良好的正相关关系，磁化率作为研究古气候的替代性指标得到了充分的认识和应用[3-4，6].在经典的洛川和西峰黄土剖面中[10-11]，磁化率的高值和低值分别对应于古土壤层和黄土层[12].以上这些工作和成果为磁化率研究奠定了良好的基础，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普遍为中外学者所接受.

1 地质概况和年代序列

1.1 地质概况 长安区鱼包头村和泾阳县新庄村同属陕西关中地区中部,分别位于渭河南、北的黄土塬区，前者位于神禾塬，后者位于泾阳塬，又同属于西安地区的黄土塬区.对较小范围内同一地区的2个黄土塬选取2个全新世黄土剖面进行野外观察描述、地层划分和对比，发现两剖面地层结构基本相同，代表了该区全新世以来黄土沉积层序.

西安神禾塬全新世黄土剖面位于渭河以南西安市南郊长安区潏河、滈河间神禾塬之上的鱼包头村公路旁(108°46′E，34°08′N)(图1).神禾塬由于后晋天福六年(公元941年)在塬上发现一禾九穗而得名[13]，塬由东南伸向西北，长约11 km，宽1.5～2 km，海拔490～600 km，高出潏河、滈河40～100 m.受构造影响,塬面由东南向西北呈阶梯状倾斜，明显分为3级，海拔高度分别为490～530 m、540～570 m、580～600 m；塬面略有起伏，洼地与隆起相间.该剖面以5 cm间隔采样37个，深度1.85 m，黄土沉积由上(地表)至下岩性描述如下：

▲ 研究剖面地点

1) 表层土(Ms)，也称耕作层.深度0～0.3 m，颜色为灰黄色，颗粒细、均匀，结构疏松，有孔隙发育，富含植物根须，土中有瓦片、碎石分布，应为扰动土，厚0.3 m.

2) 黄土(L0).深度0.3～0.7 m，颜色为灰黄色，颗粒细，黏性较大，有大孔隙发育，含有植物根须和零星钙质小结核，厚度0.4m.

3) 古土壤(S0).深度0.7～1.6 m，颜色为棕红色，颗粒很细，黏性大，黏粒表面光滑，棱柱状构造发育，有孔隙，含有植物根须、虫孔和白色钙膜，厚0.9 m.

4) 马兰黄土(L1).出露深度1.6～1.85 m(未到底)，颜色为灰黄—淡灰褐色，颗粒较细，质地均一，无层理，结构疏松，大孔发育，含钙，淀积层20 cm，厚0.25 m(未到底).

泾阳新庄村剖面位于渭河以北的泾阳县新庄村东南约500 m处的路旁，以2 cm间隔采样160个，深度3.2 m，地层由新至老简述如下：

1) 表层土(Ms).深度0～0.52 m，浅灰黄色，疏松，含植物根须，虫孔发育，厚0.52 m.

2) 黄土(L0).深度0.52～0.88 m，浅灰黄色，颗粒较细，植物根须、虫孔发育，厚0.36 m.

3) 古土壤(S0).深度0.88～2.64 m，棕褐色，颗粒细、黏性大，含植物根须和白色钙膜，厚1.76 m.

4) 马兰黄土(L1).出露深度2.64～3.2 m(未见底)，浅灰黄色，团块结构，具大孔隙，质地均一，无层理，在134～135号样，即2.68～2.7 m之间有一层约0.03 m厚比较特殊的褐色黏土层，其质地较硬，含有蜗牛，厚0.56 m.

1.2 年代序列 在对西安神禾塬鱼包头村和泾阳县新庄村全新世黄土剖面岩性观察描述和详细分层的基础上，又对西安地区泾阳南塬寨头村、西安白鹿塬刘家坡等全新世黄土剖面进行了详细的地质调查，特别在泾阳县新庄村黄土剖面中取3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.测年的样品制备、测量及数据处理等均由该中心完成.经过前处理的样品经过系统燃烧制取CO2气体，然后经过制靶系统用Zn粉把CO2还原成CO，CO经过铁粉被还原成石墨，制成石墨靶样，就可以用于AMS14C测年了.所有14C测年均使用加速器测年方法，测年结果见表1.测年在剖面中的位置和数据见图2和表2.依据本次测年数据，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，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，特别是有学者的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)、黄土层(L0)、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6个界线确定如下：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10 000 a[14-15]，这是基本公认的年龄数据；早全新世与中全新世早期界线年龄，根据西安狄寨剖面[16]和昔阳康家岭剖面[1]测得的8 900 a和8 990 a，综合考证应为9 000 a；关于中全新世早期、中期和晚期上界，据部分学者意见和笔者所测数据分别应为7 000 a[17]、5 000 a[15]和3 400 a[18](表2，图2)；晚全新世(L0)与表层土(Ms)的界线年龄，笔者本次所测数据为(1 980±25)a(图2、表1和表2)，根据大多数学者意见应暂定为2 000 a.

表 1 泾阳县新庄村全新世黄土剖面AMS 14C测年数据表

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县新庄村全新世黄土沉积年代序列(图2，表2).6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/Ms等3个界线容易识别.本文所讨论的神禾塬全新世黄土剖面与泾阳县新庄村全新世黄土剖面在地理位置上同属于西安地区(即西安市范围内)，两者距离相当近，在地貌上同属于渭河河谷西安地区的塬上.据野外实地调查，两剖面黄土沉积速率基本相当，沉积环境相同.神禾塬全新世黄土剖面Ms、L0和S0层位清晰且与泾阳县新庄村黄土剖面吻合，它们是同一小区域范围内同时期的沉积物，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神禾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黄土剖面断代的基本依据.

图 2 西安及黄土高原全新世黄土年代地层对比示意图

时代阶段年代/aBP地点数据/aBP资料来源地点数据/aBP资料来源晚全Q642000西安地区1980±25自测环县东塬1936±136文献[17]新世Q543400西安地区3420±35自测西峰后宫寨3300±60文献[19]中全新世晚期Q445000西安地区4605±30自测兰州九州台5000文献[15]中期Q347000陇西暖泉沟7360±250文献[17]兰州九州台7310±90文献[17]早期Q249000西安狄寨8900±250文献[16]陇西暖泉沟8550±340文献[17]早全新世Q1410000西安蓝田10000文献[14]兰州九州台10000文献[15]

2 磁化率曲线特征及气候环境

在西安神禾塬鱼包头村全新世黄土剖面(取样37个，间距为5 cm)和泾阳县新庄村全新世黄土剖面(取样160个，间距为2 cm)上进行系统采样，能够较全面地分析出该区全新世黄土-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测量，每个样品取约20 g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.

由于两剖面距离较近，磁化率曲线大体波动应相似，所反映的气候环境大体也应是相似的.当然，两曲线在细微的表现上是有差异的，这主要由各自所处的局部地貌部位的不同和取样间距的大小差异所致.有关泾阳县新庄村全新世黄土剖面磁化率曲线特征及气候变化将在下一节中讨论，在此不多赘述.现仅对神禾塬鱼包头村全新世黄土剖面磁化率的曲线特征及气候环境作一简述.

图 3 西安神禾塬新世黄土剖面磁化率曲线图

从图3中可以看出，西安神禾塬鱼包头村全新世黄土剖面磁化率曲线特征表现为：马兰黄土L1的上部至全新世表土层Ms顶部波动幅度较大，磁化率为10.03×10-7(深度1.85 m)～23.12×10-7m3/kg，最小值在最下部(深度1.85 m)的马兰黄土L1之中，最大值处于古土壤层S0中(深度0.85 m).这2个数值变化完全符合磁化率在黄土-古土壤序列中分布的一般规律.

该剖面磁化率的变化具体为：在马兰黄土中最小，37～33号样变化范围是10.03×10-7～12.52×10-7m3/kg，其值逐渐增加；在古土壤S0中最大， 32～15号样变化范围是12.55×10-7～23.12×10-7m3/kg，磁化率逐渐增大后又渐渐减小；在黄土层L0中磁化率明显较在S0中小， 14～07号样变化范围是18.26×10-7～20.20×10-7m3/kg，磁化率值在波动；在表层土Ms中变化不大，对应的06～01号样，其变化范围为19.53×10-7～18.89×10-7m3/kg(最小值为01号样).从磁化率曲线基本形态上看，十分明显地指示了本剖面所在地区全新世黄土-古土壤序列的沉积环境及其气候变化特征.

马兰黄土L1阶段的曲线呈现由低谷向S0阶段波峰的渐变平滑过渡，体现了冬季风占优势的黄土成土作用弱、磁化率值低、气候由寒冷逐渐向全新世气温渐升转变的特征.在古土壤S0阶段的曲线体现了磁化率的波峰阶段，从S0的底部向上至 0.85 m 深度处，曲线一直处于向峰值的增长阶段,指示了夏季风占优势的古土壤成壤作用强、磁化率值高、气候温暖的全新世气候适宜期的特点.剖面上0.85～0.70 m时曲线在下降，说明气候有转冷的趋势.在黄土层L0阶段，曲线出现了4次连续降、升的之字型的波动，说明此时冬、夏季风交替占优势，气候冷、暖有波动，但总体比S0阶段温度要低，气候较差.耕作层磁化率表现为近似直线.

3 讨论

西安神禾塬鱼包头村全新世黄土剖面磁化率曲线的变化趋势与地层岩性特征具有对比性，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.从总体上看，该剖面的磁化率曲线与笔者泾阳县新庄村的磁化率曲线(图4)较为相似，通过该两条曲线的互补能够体现该区的气候变化特征，代表全新世黄土-古土壤的气候地层序列.曲线的特征表现为在古土壤中为峰，在黄土中为谷，在每个高峰和每个低谷中都有次一级的波动，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.

从以上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全新世以来的气候分段及规律，再结合第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4)进行进一步的对比，对西安地区全新世以来的气候进行初步综合分析、判断，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.

(a)、(b)为磁化率曲线；(c)、(d)、(e)为孢粉谱建立的温度曲线

(a)：西安神禾塬(笔者自测)，(b)：陕西泾阳县庄村(笔者自测)，(c)：黄土高原[14]，(d)：河北东部[20]，(e)：长白山本部[20]

图 4 西安地区磁化率与孢粉谱的温度曲线对比

Fig. 4 Contrast of susecptibility curve and sporopollen spectrum temperature curve in Xian area

由于磁化率曲线和孢粉谱建立的温度曲线均可反映出气温的变化，均能代表这一时期以来的气候变迁；所以在西安地区所测2个剖面的磁化率曲线可以和其他作者在黄土高原[14]、河北东部及长白山西部[20]地区利用孢粉谱建立的3条温度曲线进行对比.从图4可见，对比性良好， 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4，(b))，极为相似；这就为较准确地分析西安地区全新世以来古气候环境的演变提供了依据.现将该区古气候分为3个阶段如下：

4 结论

由以上讨论所知，可得出结论如下：

1) 全新世大暖期应划分为9.0～3.4 kaBP，延续5.6 ka，其间有多次剧烈的气候波动与寒冷事件.

2) 将该区全新世的古气候可具体细分为6个阶段：10.0～9.0 kaBP为冷温转换阶段；9.0～7.0 kaBP 为暖冷波动阶段；7.0～5.0 kaBP为温暖阶段；5.0～3.4 kaBP为暖冷剧烈波动阶段；3.4～2.0 kaBP为先降后升阶段；2.0 kaBP至现在为温暖半湿润、半干旱阶段.

3) 西安地区的气候波动与中国西北地区及全球气候变化具有一致性、周期性、不稳定性和趋势性.

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(编辑 陶志宁)

Palaeoclimate Environment Vicissitude of Susceptibility of Loess During the Holocene on the Loess Tableland Region in Xi’an

LI Bingcheng1,2,3, LI Zhengze4

(1.SchoolofCivilEngineering,XijingUniversity,Xi’an710123,Shannxi; 2.CollegeofEnvironmentSciencesandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710054,Shannxi; 3.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics,DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an710069,Shannxi; 4.SixthResearchInstituteofChinaAerospaceScienceandTechnologyCorporation,Xi’an710100,Shannxi)

Doing research about the characteristic of the evolution of environment in Xi’an area during the Holocene, providing a basis for Xi’an area to China and the global in predicting future environment development trends. Loess deposition age sequence during the Holocene in the region is established by the description of rock character of loess-palaeosol stratum, the partition and contrast of stratum of section in Yubaotou village of Xi’an Shenheyuan and Xinzhuang village of Jingyang county, and with the combination of age measuring of AMS14C in Xinzhuang village of Jingyang county and other scholars’ testing data. According to the character of the curve expressed by substitution indication of climate of susceptibility, the changing regularity of this substitution indication in the section, and the strength changing character of winter and summer monsoon in East Asian reflected by the loess section, minutely analysis the characters and laws of environment changing in Xi’an area during the Holocene, then the character of the susceptibility curve of this section is compared with temperature curve of sporopollen spectrum established by other scholars. At the same time, we have been compartmentalized to the palaeoclimate stage trait during the Holocene in Xi’an area, six climate stages nearly 10 000 years in Xi’an area can be suggested and they are： Stage l, 10.0～9.0 kaBP, it is a conversion stage, the climate turned from cold and dry to warm and humidity; Stage 2, 9.0～7.0 kaBP, the climate of this phase often fluctuated, climate was warm and humidity; Stage 3, 7.0～5.0 kaBP, a warm phase; Stage 4, 5.0～3.4 kaBP, it is a turbulent stage, warm and cold alternated; Stage 5, 3.4～2.0 kaBP, the temperature dropped at first and then arised; Stage 6, 2.0 kaBP to present, warm semi-humid and semi-arid stage.

Holocene; palaeoclimate environment; loess; susceptibility; Xi’an loess tableland region

2016-02-17

国家自然科学基金(40772181)

李秉成 (1955—)，男，教授，主要从事第四纪地质与环境研究，E-mail:libingcheng01@tom.com

P534.632

A

1001-8395(2017)03-0404-07

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.03.022