中国东部地区全新世气候演化及其与气候事件的对应性

2022-04-19王江月白伟明王照波王明辉李宝杰

海洋地质与第四纪地质 2022年2期

王江月，白伟明，王照波，王明辉，李宝杰

1. 自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，济南 2500132. The university of Sheffield，Sheffield S102TN，UK，England 3. 中国地质调查局青岛海洋地质研究所，青岛 2662374. 临沂沂蒙山世界地质公园管理局，临沂 2733045. 山东指南针矿产勘查有限公司，临沂 276006

全新世最初由Gerivais在1869年提出，后经第24届国际地质学会推荐，于1932年被国际第四纪委员会采用，并规定其底界划在10000 aBP[1]。全新世以新仙女木事件（Younger Dryas Event）的结束为起点，14C校正后日历年龄为11627±472 cal.aBP[2]。最新的国际年代地层表将4.2与8.2 kaBP作为全新世晚、中、早的划分时间[3]。

全新世气候并非都温暖湿润，如Lelstol在1960年就把欧洲的全新世划分出4次寒冷期，4次寒冷期的时间分别为8250、5350、2780 aBP（称为新冰期）、1550—1900 AD(称为小冰期)[1]。近年来，越来越多的气候记录揭示了全新世气候的不稳定性，全新世气候事件主要包括全新世大暖期[4]、多次极端冷事件（11.1 ka事件、10.3 ka事件、9.4 ka事件、8.2 ka事件、6.4 ka事件、5.3 ka事件、4.2 ka事件、2.8 ka事件、1.5 ka事件以及0.5 ka小冰期等）[5]。近些年，中国在贵州董哥洞洞穴石笋、湖北大九湖湖泊沉积、陕西岐山黄土沉积、内蒙巴彦查干湖湖泊沉积中（图1），均获得了全新世气候演化曲线。此外，王照波等[6]对山东蒙山的冰川遗迹进行了多种方法测年，确认了全新世10、8.2、5.3 kaBP的3次强降温事件[7-10]。Bond整理了格陵兰GISP2冰芯气候演化曲线，在全新世划分出8次降温事件（图2a），因此，全新世节律性降温事件被称作“Bond事件”[11-12]。Wanner等认为Bond事件可能主要局限在北大西洋及其周边区域，其影响范围可能偶尔会扩展到亚洲，甚至南半球[13]。Wanner等的这一观点显然受到近年中国东部全新世气候研究相关成果的冲击，Bond事件不仅在东亚地区普遍存在，并且借助东亚冷槽[10]南下延伸到中纬度地区。安芷生[14]对黄土记录的分析也指出中国存在千年尺度的气候震荡。王绍武等[15]专门综述了全新世千年尺度气候变率的有关研究成果。

图1 中国东部全新世重要气候数据研究点分布位置Fig.1 The distribution of research sites which recorded important Holocene climatic fluctuations in eastern China

很明显，中国东部地区在全新世期间也经历了多期次节律性的冷事件，综合近年中国的洞穴石笋、湖泊沉积、黄土沉积等形成的全新世气候演化曲线，建立气候演化节律分期，以此为基础，对中国全新世洪水、海进、海退、冰川等各类气候事件进行对应性分析，建立各类气候事件与气候节律性演化曲线之间的内在关系，对理解中国全新世气候演化特征具有重要意义。

1 中国东部全新世气候演化特征

1.1 北半球全新世气候演化特征

Marcott等[16]收集了全球73条符合要求的全新世温度记录，基于5°×5°格点数据的面积加权平均，首次获得了全球全新世以来时间分辨率大于300 a的温度模拟集成记录，其按照60°纬度为间隔，分别形成了30°～90°N、30°N～30°S、30°～90°S 3个区域的全新世温度变化记录。图2b为30°～90°N区域内全新世气候演化趋势，尤其δ18O反映的气候曲线（以下简称北半球综合曲线），更加清晰地展现了30°～90°N这一区域的气候演化特征。该曲线较好地反映了全新世的降温期，代表了30°～90°N区域气候演化的基本特征。

图2 中国东部全新世气候演化曲线图中竖虚线代表降温期峰值，C1-C10为冷期编号。a. 格陵兰GISP2冰芯气候演化曲线[12]，曲线旁数字为Bond确定的降温期次；b. 北纬30°～90°N综合气候演化曲线[16]；c. 贵州省董哥洞石笋气候演化曲线[18]；d. 四川省红原泥炭腐殖质含量变化曲线[23]；e. 湖北省神农架大九湖泥炭沉积反映的温度变化曲线[24]；f. 陕西省岐山全新世黄土剖面磁化率曲线图[28]；g. 大兴安岭中段月亮湖沉积物反映的气候演化曲线[27]。Fig.2 The Holocene climatic evolution curve of Eastern ChinaThe horizontal dotted lines represent the mid-value of cooling periods, C1-C10 are the numbers of the cold periods.

1.2 中国东部全新世气候演化曲线特征

近年，中国学者也对国内全新世气候演化进行了研究，通过石笋、黄土沉积、湖泊沉积等载体研究获得了多介质的气候演化曲线，同时，近些年对洪水事件、海侵海退事件、冰川冰冻事件的研究，也获得了大量有重要气候意义的年代数据成果。本文重点探讨中国东部(105°E以东)[17]全新世气候演化特征。

1.2.1 洞穴石笋中的气候演化信息

洞穴石笋在气候演化研究中具有重要意义，近年来获得了大量的气候演化曲线，如董哥洞[18]、和尚洞[19]、三宝洞[20]等，但董哥洞全新世石笋研究具有较强的代表性，程海等[21]对比研究了南京葫芦洞与董哥洞的氧同位素记录，发现虽然两洞相距千里，但具有很好的一致性。董哥洞位于贵州省荔波县洞塘乡老场村东（位置见图1），洞口高程为680 m[18]。Dykoski等对董哥洞的石笋进行了研究，获得了全新世以来的δ18O演化曲线（图2c，以下简称董哥洞曲线）[22]。δ18O数值的增大，指示该段时间降雨量减少，东亚季风减弱，对应于北极地区的降温事件，如11.2、9.16、8.2 kaBP降温事件均有明显的反映。董哥洞居于中国南部，这表明全新世时期的降温事件已经深远影响到中国南方地区。

1.2.2 湖泊沉积中的气候演化信息

Yu 等对青藏高原东缘四川红原泥炭腐殖质含量进行了研究，获得了腐殖质含量变化曲线图（图2d，位置见图1，以下简称红原曲线），分辨出7次冷事件，分别为1.5、3.5、5.2、6.2、8.0、9.6～10.1、11.1 kaBP[23]。Zhang等对湖北神农架大九湖泥炭沉积物的元素地球化学、同位素地球化学及孢粉记录进行了研究，发现中国东部存在明显的8.2与9.2 kaBP降温事件，而9.2 kaBP事件的降温幅度远远超过了8.2 kaBP事件，除此之外，还存在明显的4.7～5.7 kaBP降温事件（图2e，位置见图1，以下简称大九湖曲线）[24]。宁凯根据巴丹吉林沙漠湖泊沉积孢粉和正构烷烃记录还原了全新世环境变化，分辨出9.4、8.2、5.4、2.8和1.4 kaBP的干旱事件[25]。赵艳等根据内蒙古巴彦查干湖（位置见图1）的孢粉记录，发现在5.4 kaBP时存在“崩溃式”植被突变，当时植被类型由针阔混交林退化为荒漠草原。同时还识别出4.2 kaBP气候突变事件[26]。李倩对大兴安岭中段的月亮湖（位置见图1，以下简称月亮湖曲线）全新世的沉积记录进行了较为详细的研究，获得了相关气候演化的曲线，曲线中的升温、降温期段与其他曲线对应的较为吻合（图2g）[27]。

1.2.3 黄土沉积中的气候演化信息

张宗祜对陕西岐山黄土剖面进行研究，绘制了全新世磁化率曲线图（图2f，位置见图1，以下简称岐山曲线），提出在全新世存在11.0、10.5、5.4和3 kaBP等几次降温期，曲线中9.0～6.0 kaBP期间显示为全新世的高温期，但由于测年数值分布不均匀，8.2 kaBP降温事件在曲线中没有得到准确的显示[28]，但王艳娟对陕西五丈原一带全新世黄土进行了较详细的测年研究，剖面记录了8.3、5.7、5.3 kaBP前后出现明显的降温，并提出8.6～8.3、5.7、5.3、4.0 kaBP等几个显著的降温事件产生了范围较广的影响，对人类文明的发展起到不可忽视的影响[29]。

上述通过不同载体获得的全新世气候演化曲线，虽然由于采样点密度、年龄测试误差等会使得曲线拐点存在微量的漂移，但各种载体形成的气候曲线均显示出较强的对应性，综合各曲线进行对比分析，发现Marcott等综合30°～90°N区间气候资料绘制的气候演化曲线[16]参考意义重大，大多气候演化降温拐点都能够得到显示。全新世期间的升温、降温节律性具有明显时段性，尤其降温事件会在曲线中形成凸出的显示，10.9、10.0 kaBP降温事件在格陵兰GISP2冰芯、北半球综合曲线、董哥洞曲线、红原曲线中有明显的显示； 9.1、8.2、6.2、4.2、2.8 kaBP降温事件在各气候曲线中均有较好的显示；5.3 kaBP事件在董哥洞曲线、红原曲线、月亮湖曲线中反映突出；1.5 kaBP降温事件在北半球综合曲线、红原曲线中有显示；0.5 kaBP降温事件在北半球综合曲线、董哥洞曲线中有对应显示。有些曲线中会存在个别拐点的缺失或弱显示，这可能与样点的采集密度、原始沉积速率、测年误差等因素有关。

根据降温事件在气候曲线中的显示，可以划分出10个冷期（编号为C1—C10）、11个暖期（编号为W1—W11），见图2和表1。降温时段的峰值点，分布在0.5、1.5、2.8、4.2、5.3、6.2、8.2、9.1、10.0、10.9 kaBP，两个降温峰值之间存在一个暖期。

2 中国东部全新世气候事件与气候演化间的对应性

表应对据数龄年件事候气等冻冰、川冰、退海、侵海、水洪与期分化演候气世新 1 全表Table 1 The division of Holocene climatic evolution stages and their correlation with the dating data of flood events, transgression events, glaciation events and freezing events 献[12][28][30]文祜月考宗江参Bond等张王C11W11 0.5 W101.20.8，C9 1.6 W9 C8 2.73.0 W8 C7 4.04.0 W7 C6 5.25.0 W6 C5 7.4 W5 7.5 C4 8.6 W4 C3 9.4 W3 C2 10.3 W2 C1 11.1 10.8 W1件事域流温面剖河型降土沭类芯黄、件山河事GISP2冰岐沂兰西陵陕格[31]等琳吉1.00.9～1.81.6～3.22.8～棚家晏游上江汉[32]亮耀刘2.12.2～3.54.56.76.0～7.07.2～庄杨三阳安南河Zhang Y Z[33]4.24.0～5.85.0～7.67.4～段君宜河洛北南河Zhang Y Z[33]1.81.7～4.03.8～6.05.5～址遗头里二[34]He Z等2.62.3～3.93.7～4.74.1～6.66.2～9.28.9～川石流支河渭[35]等长春黄3.13.0～4.34.0～凌杨河水漆[36]等楠彬石1.81.6～3.23.0～水天河渭件事水洪[37]等亮洪顾3.22.8～4.24.0～陵高河泾[38]等建高郝3.23.0～9.08.5～县吉谷峡陕晋[39]等瑾雯刘1.91.7～3.43.0～关头马谷峡陕晋[40]等瑾雯10.6刘9.6～10.2～10.8滩林柳谷峡陕晋[41]等楠彬石0.61～0.771.81.7～3.22.9～门龙谷峡陕晋[42]Yu S Y等4.03.5～泽菏[43]文等本儒廷周1.21.1，1.92.53.06.05.4湖寿积万沉邑壳平贝[44]等海国刘2.01.5～3.4＞7.0区地连大件事侵海[45]等翔雁雷BXZK138.7湾海渤[46]等彬喜韩5.38.2 QC2孔海东件事退海[8-10][43]波等照儒王廷周5.36.08.28.010.0山城蒙凉东蒙山内冻冰件川事冰0.51.01.52.12.83.54.24.55.35.86.27.28.28.59.19.610.0 10.5 10.9 11.3龄年值峰水洪窝沙湖寿万期冰荣清湖寿万积沉沼湖期冰马拦期冰鱼鳄件事候气ka。为位单，值龄年为据数中表；期温降为号，C编期温升为号：W编注

通过洞穴石笋、湖泊沉积、黄土沉积等获得的气候演化曲线，只能间接反映气候节律性冷暖变化规律及存续的大致时段，但相应时段的气候具体状况，则需要通过具体的气候事件来对应分析其环境状况，当气候曲线与气候事件的测年精度准确可靠时，具体的气候事件与气候演化曲线之间应相互约束，且存在较高的吻合性，也就是说，洪水、海进事件应与暖期吻合，冰川、冷冻、海退事件应与冷期吻合。近些年，伴随测年技术的发展，中国东部有关全新世时段内的洪水、海侵、海退、冰川等气候事件的测年研究，为气候事件与气候曲线间的对应性研究提供了基本的数据前提。将气候事件发生时间对应到表1中，从而可以检视不同研究者发现的不同类型、不同期次的气候事件与气候演化曲线之间的对应性。当然，由于介质原始沉积速率、采样密度与精度、测年数据误差等，从而会导致一定时段气候事件的缺失或偏离。

2.1 洪水事件的对应性

全新世节律性气候演化过程中，其升温时段必然伴有对应的气候事件，如频发的洪水事件也被研究者所追踪。笔者根据山东沂沭河流域的洪水滞留沉积物，捕捉到发生在0.8、1.2 kaBP的两次洪水事件[30]对应于W10升温时段。吉琳等在汉江上游晏家棚段识别出了3次洪水事件， OSL测年结果显示 3 期特大洪水事件分别发生于0.9～1.0、1.6～1.8和2.8～3.2 kaBP，基本可以对应到W10、W9、W8三期升温时段[31]。刘耀亮对于河南安阳三杨庄沉积剖面进行了研究，分辨出5期洪水事件[32]，其中7.0～7.2、6.7～6.0、2.2～2.1 kaBP较吻合于W5、W6、W9三期升温时段，4.5～2.3 kaBP洪水事件跨过了W7、W8两次升温时段，该洪水事件剖面仅有4个测年数据，大多数的数据为内插所得，影响了事件时期的精度。安阳三杨庄剖面对于全新世气候、古文化的演化研究具有重要意义，应当进行更为密集的测年研究与事件分辨。Zhang等在河南北洛河宜君段分辨出3期洪水[33]，分别为4.0～4.2 kaBP（W7?）、5.0～5.8 kaBP（W6）、7.4～7.6 kaBP（W5），但4.0～4.2 kaBP的洪水事件年龄进入降温期C7时段，应该是测试误差所致。此外，Zhang在二里头遗址剖面分辨出3期洪水，分别为1.7～1.8 kaBP（W9）、3.8～4.0 kaBP（W8）、5.5～6.0 kaBP（W6），对应性较好。He等[34]在渭河支流石川河分辨出5期洪水，分别为2.3～2.6 kaBP（W9）、3.7～3.9 kaBP（W8）、4.1～4.7 kaBP（W7）、6.2～6.6 kaBP（W6）、8.9～9.2 kaBP（W4），相应时段存在微弱的偏离，且地层中缺失了W5大暖期时段的洪水事件。黄春长等[35]、石彬楠等[36]、顾洪亮等[37]、郝高建等[38]、刘雯瑾等[39-40]、石彬楠等[41]、Yu 等[42]对黄河流域洪水期次的研究，也均显示出较好的对应性。近年，笔者在蒙山兰溪上游一次洪水滞留物中获得1.1和1.2 kaBP两个年龄，对应于W10升温时段。张鹏等[47]对黄河流域的洪水滞留沉积物测年数据进行了整理，滞留沉积物的年龄与本文划分为全新世暖期有很好的对应性。3.0～4.2 kaBP，黄河流域洪水事件频发，且集中于3.0～3.2 kaBP（W8）和4.0～4.2 kaBP（W7）。笔者在平邑县城东万寿湖中采集光释光年龄样品，经青岛海洋地质研究所测试，获得1.9 kaBP的洪水沉积年龄，对应于W9升温时段。在下层洪水砂层中获得6.0 kaBP的沉积年龄，对应于W6升温时段（表2）。

表2 蒙山及周边全新世洪水事件光释光年龄Table 2 OSLdating data of Holocene flood events in Mengshan and surrounding areas

2.2 海侵、海退事件的对应性

海侵事件是由于陆地冰川融化导致海平面上升造成的，因此全新世的海侵事件是升温时段的产物，而海退事件则对应于降温时段，这在全新世也有清晰的表现。

周廷儒等对山东福山黄海海岸高出现代海平面15 m的贝壳层进行测年，获得14C年龄为5420±95 aBP；在芝罘岛北口邱家庄全新世剖面底部洪坡积物之上的贝壳沉积中，获得14C年龄为2540±75 aBP[43]，这代表着两次高海面的升温时段，分别对应于W6、W9两个升温时段。黄海西岸的苏北滨海平原普遍发育三道贝壳堤，据顾家裕等[48]测年研究，分别获得贝壳14C年龄为6539±79 、5677±75、3882±69 aBP，3次海侵较好地对应于W5、W6、W8暖期阶段。

姚菁[49]在渤海南岸的LZ908孔中分辨出一层有机质泥炭沉积层，获得的AMS14C年龄为8.24±0.054 kaBP，这次明显的海退事件是由8.2 kaBP事件引起的，其高度对应于C4降温时段。李凤林等[50]根据渤海海岸海相生物化石分辨出9.1、8.6、7.3 kaBP 3次海侵事件，其中8.6 kaBP海侵对应于W4暖期，7.3 kaBP对应于W5暖期，9.1 kaBP数据存在偏差，尚需讨论。此外认为，7.3 kaBP海侵事件形成了贝壳堤和牡蛎礁组成的第Ⅰ道海岸线，形成年龄为7.7～7.2 kaBP，也是最老的海岸线，属于大暖期的鼎盛时期。庄振业等[51]根据渤海南岸的贝壳堤分辨出一次6.0～5.7 kaBP海侵事件，该事件与W6暖期相吻合。刘国海等对大连地区全新世泥炭沉积与渤海海面波动进行了研究，得出在大于7.0 kaBP的时段达到了最大海侵范围[44]，这与W5升温时段为全新世大暖期相吻合。此外还在大连渤海海岸发现3.4与1.5～2.0 kaBP的两期贝壳堤，代表了两次海侵事件，这对应于W8、W9两个升温时段。雷雁翔等[45]通过渤海湾沿岸BXZK13钻孔恢复晚更新世以来黄河三角洲沉积环境，其划分的地层单元U4为8.7 kaBP的潮坪—浅海相，为海侵事件，与本文划分的全新世W4暖期相对应。

韩喜彬等[46]对东海QC2孔上部全新世剖面进行了详细的分层研究，从中分辨出全新世新仙女木事件、8.2 kaBP事件以及对应于C4降温时段的拦马冰期，发现的中全新世气候衰退事件（MHCR，5.3 kaBP）对应于C6降温时段的清荣冰期，这是全新世降温事件在海洋沉积过程中的直观反映。王可等[52]根据东海MD06-3040孔的粒度分析，也分辨出8.2 kaBP冷事件与7.0 kaBP高海平面事件，EM1%粒度图解上较好地反映了8.2、6.2、4.2 kaBP冷事件的存在，这与C4、C5、C7降温时段吻合。

2.3 冰川、冰冻事件的对应性

冰碛是冰川事件的直接产物，冰碛的堆积年龄则反映了冰期发生的时间。原则上，冰期不能发生在升温时段，只能发生在降温时段。

王照波等[6-10]对蒙山的冰川遗迹通过测年研究证实为10.0、8.2、5.3 kaBP 3次全新世冰川事件的遗存，分别对应于C2、C4、C6降温时段。周廷儒等在内蒙凉城全新世地层中发现两层融冻褶皱，获得的14C年龄分别为8005±100和6039±90 aBP[43]，这也是C4、C5两次降温事件的直观反映。王照波[10]在大别山白马尖东谷对称排列的右列侧碛垄中获得7.65 kaBP的冰碛堆积年龄，对应于C4降温时段的拦马冰期。

丁敏综合研究后认为，全新世众多的气候事件中，尤其以8.2 kaBP（C4）、5.5 kaBP（C6）、4.2 kaBP（C7）气候事件对于区域环境和社会文明产生影响最大[53]。陶士臣等专门论述了4.2 kaBP降温事件[54]。吴文祥等专门论述了5.5 kaBP（C6）事件[55]。刘浴辉[56]、崔英方等[57]、王绍武[58]等专门论述了8.2 kaBP（C4）事件。

气候事件是全球气候演化背景下产生的，因此，中国全新世气候事件也必然具有区域性，通过对上述气候事件与气候演化曲线的对应性分析认为降温期与黄土沉积、冰川冰冻事件、海退事件具有时段上的一致性；升温期与洪水事件、海侵事件、高湖面事件在时段上具有一致性，上述冷暖两类气候事件在时间演化序列上反映出近似齿轮式的耦合关系。

3 讨论

Alley等[59]、Dansgaard等[60]、安芷生[14]、王绍武[15]等曾提出全新世气候演化存在千年周期节律的认识。本次通过综合全新世各类介质获得的气候演化曲线，以及与洪水、海侵、海退、冰川、冰冻等气候事件的对应性，也显示中国东部全新世气候存在明显节律性波动，全新世降温时段峰值之间的平均时间为1.15 ka，也即千年周期。

在气候分期的基础上，对全新世的洪水事件、海侵事件、海退事件、冰川事件与气候分期进行的对应性分析，发现中国东部气候事件与气候演化曲线之间存在较高的吻合度，其中10.0、8.2、5.3 kaBP强冷事件已经获得了冰碛研究及测年数据的佐证。周廷儒等在内蒙凉城全新世地层中发现两层融冻褶皱，获得14C年龄分别为8005±100和 6039±90 aBP[43]，也对应于8.2与6.2 kaBP两期降温事件。这显示了中国东部气候演化曲线中反映的强冷事件是确实存在的，且降温幅度较大。韩喜彬等在东海QC2孔上部分辨出全新世8.2、5.3 kaBP两期海面暴露事件[46]，则吻合了中国东部的全新世降温事件，这显示，全新世降温事件在陆地、海洋之间会产生同步的联动效应。除此之外，气候演化曲线中反映的较为突出的6.2、4.2 kaBP降温事件也应有对应的冷事件遗迹的存在，但目前尚未发现，这在将来的冰冻遗迹、冰川遗迹、近海岩芯等气候事件的研究中值得关注。

大暖期，是指全新世期间气候最温暖的时段[61]，目前关于全新世大暖期的具体时段的划分，尚没有形成统一的认识。Renssen等[62]指出大暖期为 11.0～5.0 kaBP，张风菊等认为大暖期在6 kaBP[63]，朱彤[64]提出7～5 kaBP为全新世大暖期，施雅风等认为全新时代大暖期为7.2～6.0 kaBP[65]，计宏祥则认为全新世大暖期出现在8.5～3.0 kaBP[66]，张振克等[67]提出全新世大暖期为8.1～3.0 kaBP，胡玉蓉[68]等认为海南岛的大暖期为7.4～2.7kaBP，俞凯峰[69]提出全新世大暖期的时间为9～5 kaBP。上述关于大暖期起止时间的确定，多跨越了8.2、5.3 kaBP等强冷事件，基于中国东部全新世多介质气候演化曲线（图2），以及气候事件的对应性研究（表1），本文认为大暖期的中心时间约为7.2 kaBP，处于8.2 kaBP强冷事件与6.2 kaBP强冷事件之间的高温时段。全新世大暖期在山东地区形成了广泛的沼泽化沉积，王世进等[70]在黑土湖组灰黑色黏土中取得热释光年龄结果为7380±560 aBP；刘国海等[44]对大连地区全新世泥炭沉积与海面波动进行研究，得出在7.0 kaBP达到了最大海侵范围的结论。此外，在河南安阳发现了7.2～7.0 kaBP洪水事件，北洛河发现了7.6～7.4 kaBP洪水事件，这些事件与气候曲线显示的大暖期时段都高度吻合。