黄土磁化率对千年-百年尺度气候事件的记录及其古气候意义

徐新文　赵庆　邱海军

摘要：中國黄土高原的黄土-古土壤风尘堆积序列具有粒度细、沉积速率高和连续性好等特征，是古气候学研究的重要组成部分。黄土沉积物在轨道尺度上与全球气候关系密切，可以记录千年-百年尺度的快速气候事件。中国黄土古气候学取得的核心成果之一，就是磁化率可以作为东亚夏季风替代性指标，然而，磁化率在古气候研究中存在多解性，导致其在高分辨率研究中应用较少。文中选择黄土高原的赵家川和巴谢剖面磁化率数据，通过与格陵兰冰心和中国石笋等高分辨率古气候记录进行对比，发现赵家川剖面磁化率记录了4次Heinrich事件，巴谢剖面磁化率记录了全新世以来新仙女木、9.2 ka和4.2 ka 3次气候快速恶化事件。通过对比分析巴谢剖面磁化率记录的3次快速气候事件及其可能的驱动因素，认为太阳辐射减弱可能是主要因素。

关键词：黄土;磁化率;千年-百年气候事件

中图分类号：P318.44

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－03－011

Millennial and centennial time scaleclimate change recorded by Chinese loess magnetic susceptibility and its paleoclimatic implications

XU Xinwen1， ZHAO Qing QIU Haijun1

Abstract： The thick and continuous aeolian loess sequences from Chinese Loess Plateau （CLP） were ideal research materials for paleoclimate research.The Chinese loess sequence recorded orbital scaleclimate change excellently that could be compared well with ocean and ice core record. And it is also applied in studies of millennial and centennial time scale climate change. Magnetic susceptibility （MS） is an excellent indicator for East Asian Summer Monsoon （EASM） intensity in loess paleoclimate studies. However， it is seldom applied in millennial and centennial time scale climate change in loess paleoclimate studies because of its multipleinterpretations. In this paper， the high resolution MS record in Zhaojiachuan （ZJC） and Baxie （BX） loess profile were studied to discuss the evidence of millennial and centennial time scale climate change. MS in ZJC shows four major decrease that greater than 10×10-8m3·kg-1 in the past 60 to 10 ka. The age of these decreases in MS was 51.43 ka， 40.98 ka， 31.66 ka and 21.35 ka， respectively. The age dependent decrement of MS can make these changes more visible. MS in BX shows two abrupt decreases at about 12.16 ka and 5.33 ka. In addition， it also exhibits a distinct trough at about 9.3 ka. Compared with δ18O record in Greenland ice core and Chinese stalagmite， four Heinrich events （H5， H4， H3，H2） were identified in ZJC MS record. BX MS recorded three abrupt climate changes  related to Younger Dryas （YD）， 9.2 ka and 4.2 ka events. Comparing to the absent event happened at 8.2 ka， the most effect of these three events in CLP was the abrupt and large amplitude decrease of precipitation other than temperature. The similar behaviors of these three events in MS record in BX profile indicate they have similar driving factor. Compared to 8.2 ka event， the decrease in solar activity was the common possible driving factor for YD， 9.2 ka and 4.2 ka events， and should be the most possible driving factor.

Key words： loess; magnetic susceptibility; millennial and centennial scale climate change

广泛分布于中国黄土高原的黄土-古土壤风尘堆积序列具有粒度细、沉积速率高和连续性好等特征，是蕴含古地磁和古气候信息最为丰富的晚新生代陆相沉积物。它系统记录了晚第四纪以来亚洲内陆季风干旱环境的演化历史，在地质学、古气候学、地层学、古地磁学以及古生物学等研究领域都占有举足轻重的地位［1-9］。

由于环境磁学研究方法具有简便、快速、经济等特点［10］，在黄土与古季风研究领域，中国黄土的岩石磁学和环境磁学研究长久以来一直被视为核心内容之一［5， 11-12］。磁性矿物的种类、含量和粒径分布的变化蕴藏了大量的古环境和古气候信息［10， 12］，为深入理解古季风的演化历史提供了大量可靠的环境磁学指标［12-13］。通过中外科学家的合作研究，环境磁学在亚洲古季风研究中取得了丰硕成果，其中最为引人注目的成果是发现黄土高原第四纪黄土-古土壤序列的磁化率可以作为东亚夏季风替代性指标［2， 13-14］，而且磁化率可以与深海沉积物氧同位素记录的冰期／间冰期旋回进行良好地对比［2， 15］，表明轨道尺度上中国第四纪黄土堆积与全球气候之间存在密切的内在联系。近年来，随着高分辨率黄土古气候学的展开，黄土沉积可以记录Heinrich事件和D－O旋回等亚轨道气候波动［8， 16］，甚至全新世以來的快速气候恶化事件也有所表现［17］。然而，在高分辨率黄土古气候学研究中，主要依靠粒度、元素等指标［16-17］，作为夏季风代用指标的磁化率（环境磁学参数）却很少提及。本文选择黄土高原中部的西峰赵家川和巴谢剖面，通过高密度磁化率数据分析可能包含的千年-百年尺度的气候波动，进而对黄土中记录的气候快速变化事件进行更为深入的认识和理解。

1 数据来源

巴谢剖面位于甘肃省东乡族自治县境内巴谢河的二级阶地上（103°24′ E，36°42′ N），厚度为16m，根据14C和热释光年代标定点为基础，通过磁化率年代计算公式［18］获得整个剖面的年代，底部为15.76 ka［19］。赵家川剖面位于黄土高原现存面积最大的董志塬东缘，位于甘肃省西峰市以东约16km的胡家崾险村至赵家川村间（35°45′ N，107°49′E）。剖面选择氧同位素阶段的终止点年龄作为控制点，对控制点间年龄应用粒度年代模式线性内插获得［20］。

2 数据结果

文中所用数据，赵家川剖面为近60～10 ka以来磁化率，巴谢剖面为近15.76 ka以来磁化率，其中，赵家川剖面磁化率变化范围为41.9～83.66×10-8m3·kg-1，平均值为55.04×10-8m3·kg-1（图2A）。整个剖面磁化率变化较为平稳，按照磁化率的变化特点，自底部向上可以划分为3个阶段：60～40.98 ka，磁化率波动较小，变化范围为53.54～72.82×10-8m3·kg-1;40.98～26.43 ka，磁化率值与前一阶段相比有所减小，波动仍然较小，变化范围为43.44～58.88×10-8m3·kg-1;26.43～19.45 ka，磁化率值呈现一个峰值，最大值可达83.67×10-8m3·kg-1;19.45～10 ka，磁化率值较低，且变化较小，范围为41.90～54.97×10-8m3·kg-1。

巴谢剖面磁化率变化范围为9.14～82.33×10-8m3·kg-1，平均值为40.18×10-8m3·kg-1（图2B）。整个剖面按照磁化率的变化特点自底部向上可以划分为3个阶段：15.76～12.9 ka，磁化率呈现稳定的低值，变化范围为9.14～22.38×10-8m3·kg-1;12.9～5 ka，磁化率值整体较高，平均值可达51.73×10-8m3·kg-1，在11.91 ka和9.21 ka处磁化率出现了两次大幅度的快速降低;5 ka以来，磁化率以幅度较小的波动为主，变化范围为21.57～55.36×10-8m3·kg-1，平均值为33.7×10-8m3·kg-1。

3 讨 论

环境磁学作为一种重要的古环境研究手段，在黄土研究中得到了广泛的应用［12-13］。大量岩石磁学证据表明，成土作用的强度是导致黄土与古土壤中磁化率差异的本质因素［21］，是磁性增强的主导机制［13， 22］。在成土过程中，大量细颗粒（超顺磁性颗粒和单畴颗粒）磁铁矿和磁赤铁矿生成，造成了古土壤的磁化率显著高于黄土。因此，磁化率与夏季风降水密切相关，可以作为东亚夏季风相对强度变化的代用性指标［2， 13， 22］。

3.1 黄土磁化率与Heinrich事件

赵家川剖面磁化率在21.35 ka处存在显著降低的现象（图3）。此外，51.43 ka，40.98 ka和31.66 ka处均显示出一定的磁化率降低，幅度均大于10×10-8m3·kg-1。为了更加清晰的辨识磁化率可能记录的环境事件，我们采用磁化率的变化量来突出。磁化率的变化量定义为MSi=MSi-MSi-1，如果该值为正，表明磁化率出现了降低，且值越大磁化率降低的越强烈。通过磁化率变化量随时间的变化可知，在60～10 ka之间，磁化率快速降低（降低幅度大于10×10-8m3·kg-1）发生过4次，依次为51.43 ka，40.98 ka， 31.66 ka和21.35 ka。通过与格陵兰冰心（GRIP）氧同位素［23］、葫芦洞石笋氧同位素［24］、靖远剖面黄土平均粒径［8］变化的比较可知， 赵家川剖面中黄土磁化率的快速降低在时间上与北大西洋冰筏事件（Heinrich events）H5，H4，H3，H2相对应。因此，我们认为在采样分辨率足够高的情况下，磁化率依然可以记录千年尺度的快速气候事件。但是，在60～10 ka这一时段，本身就属于冰期环境，气候较为干冷［23］。在这种情况下，成土作用的发育程度较差，磁化率处于低值段［8］，而以Heinrich事件为代表的气候快速变冷情况，可能无法再进一步引起磁化率值的显著降低并形成石笋氧同位素［24］等指标当中的“谷值”，更多的以类似赵家川剖面中磁化率数值的小幅度减小为表现形式。

3.2 黄土磁化来记录的全新世以来气候事件

对于全新世部分，我们则采用巴谢剖面的磁化率为例（图4）。巴谢剖面磁化率在12.16 ka和5.33 ka处呈现了快速、大幅度的降低。通过与格陵兰冰心（GRIP）氧同位素［23］和董哥洞石笋氧同位素［25］比较可知，这两次磁化率的快速降低分别对应于新仙女木事件（YD）和4.2 ka事件。

新仙女木事件（YD）是末次冰期向全新世转换期间，急剧升温过程中的最后一次快速降温事件，格陵兰冰心记录表明当地温度在几年到几十年中迅速降低到冰期时的水平［26］。巴谢剖面磁化率显示了短时间内的大幅度降低，表明夏季风降水的快速减少，这一结果与石笋等降水指标一致。青藏高原的古里雅冰芯记录则指出，在12.2～10.9 ka间气温快速降低，幅度可达12°C［27］。由此可见，YD事件导致了我国季风区降水显著减低，气温也呈现出快速降低的变化。关于YD事件的驱动机制，目前仍然存在一定的争论，主要有下几种认识：①劳伦泰德（Laurentide）冰盖融冰排入北大西洋导致温盐环流的扰动和北大西洋深层水生成的停止，低纬度热量无法通过洋流传送到高纬度地区，最终引发快速降温［28］。②太阳辐射的减弱导致大气当中14C迅速增加，同温层下层降温和同温层风速的减小，引起极地气团扩张，西风带向低纬度方向移动，北半球降雨带南移［29］。③YD期间由于全球气候变冷，进入海洋的冰川融水就会减少，进而引起海平面上升速率的回落［30］。此外还有低纬驱动［31］、彗星撞击［32］等说法。

我国季风区的记录均表明了YD期间，气温迅速降低，降水显著减少，夏季风强度较弱［16， 25］。然而，与之不同的是我国西北干旱区，罗布泊CK－2钻孔湖相沉积物元素组合特征表明12.8～11.6 ka期间，我国内陆干旱区以寒冷湿润的气候为特征［33］。我国季风区和西风区气候的变化特征表明，YD期间西风环流增强，西风带南移，季风强度减弱。美国中北部YD期间降雨量同样出现了增加记录，可能与极地急流南移，冬季降水增加所致［34］。因此，中纬度地区气候温度骤降而降雨增加的特征似乎支持太阳辐射减弱与大气当中14C迅速增加这一说法。

除了YD事件，全新世以来还有两次全球广泛记录的气候恶化事件，4.2 ka事件和8.2 ka事件［35-36］。巴谢剖面磁化率数据在大约5.33 ka处出现了大幅度的快速降低，与4.2 ka事件相当，但是没有记录8.2 ka事件。大量研究成果表明，发生于距今4.2 ka的北半球中低纬度的气候干冷事件以快速变干变冷为特征［37］，而中国北方则主要以快速干旱为主，可能是引起我国北方季风边缘区环境敏感带许多新石器文明由盛而衰的主要原因［38-39］。关于这次气候事件的触发因素目前还存在很大的争论，如Wang等［24］通过对董哥洞的研究发现石笋记录的降水减少往往与大气中14C增加相关，认为4.2 ka气候干旱事件可能与全新世以来太阳辐射减弱有关;Xiao等［40］通过呼伦湖沉积物多指标研究认为，4.2 ka事件发生期间呼伦湖的水位降低与西热带太平洋和西北大西洋海水表层温度的降低导致东亚夏季风水汽来源减少和降雨带南移有关。除东亚季风区的干旱化记录外，印度季风在这一时期同样出现了季风减弱的情况［41］，因此该事件导致亚洲季风区均出现了降水的显著减少。

此外，巴谢剖面磁化率在约9.3 ka处存在一个谷值，时间上与我国季风区普遍记录的9.2 ka事件相仿［42］。从磁化率的降低幅度来看，9.2 ka事件表现较为显著，而与之年龄相近8.2 ka事件则无明显记录。因此，9.2 ka事件在亚洲季风区的影响要更加显著和普遍。对于该事件的成因，可能与太阳活动的减弱有关［42］。

综上所述，4.2 ka事件和YD事件在我国季风区的表现存在很多相似性，那么他们在触发机制上是否存在相似性值得思考。仅从巴谢剖面来看，这两次事件的发生导致了磁化率降低的速度和幅度均有很大的相似性。因此，我们认为这两次事件对黄土高原地区降雨量减少的影响是相似的，对古文明的毁灭性影响也是相似的。结合9.2 ka事件在巴谢剖面的记录，我们认为太阳辐射的变化可能对这三次事件的产生起到了决定性作用，如大气14 C和10Be产率显示YD期间和4.2 ka左右太阳辐射均处于减弱期［43］，表明二者对太阳辐射减弱的响应存在相似性。

但是，这几个事件在不同记录中的表现却差异较大，究其原因，可能与不同指标对气候的敏感性不同有关。在古环境研究领域，通常所说的季风强度既包含与风力强度有关的指标，也包含与降水有关的指标，甚至多数情况下采用的指标并不能区分二者的相对贡献［42］。磁化率主要受控于成土作用的强度，与夏季风降水之间存在相关性。在我国干旱半干旱地区，与温度相比，降水才是影响成土作用的主要因素。因此，黄土磁化率更多的反映了降水的明显变化，而对温度变化则不敏感。

4 结 论

通过赵家川剖面和巴谢剖面的磁化率特征，识别了其中记录的千年-百年尺度的气候事件。赵家川剖面记录了4次Heinrich事件，巴谢剖面记录了YD，9.2 ka和4.2 ka三次全新世以来的气候恶化事件。全新世以来的这三次事件在亚洲季风区均表现为降雨的显著减少，从驱动机制上来看，可能与太阳辐射的减少关系更为密切。

致谢：感谢国家科技基础条件平台国家地球系統科学数据共享平台东亚古环境科学数据库提供数据支撑。

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（編 辑 李 波，邵 煜）

收稿日期：2019－12－05

基金项目：国家自然科学基金资助项目 （41402151，41572164）;黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金资助项目（SKLLQG1218）

作者简介：徐新文，男，陕西神木人，博士，从事第四纪地质学与环境演化研究。

通信作者：邱海军，男，陕西神木人，教授，从事山地灾害研究。