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黄土与第四纪地质国家重点实验
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黄土-古土壤与第四纪古气候

中国黄土高原在全球变化的研究中发挥着越来越重要的地位。在本文中,简单介绍了黄土在世界范围内的分布,并且中国的黄土分布是最广,地层最全,厚度最大的国家,尤其以黄土高原的黄土最为典型。文中简单介绍洛川剖面和宝鸡剖面,宝鸡剖面可划分出37个土壤地层单位,它们分别代表了2.5Ma以来37次大的气候冷暖振荡,通过对比深海沉积氧同位素曲线,建立了一条连续的时间标尺,由于黄土沉积速率要明显大于深海沉积,在时间尺度上黄土剖面曲线的分辨率要高于深海沉积氧同位素曲线。讨论的中国黄土的连续性,通过从沉积和古气候两个角度来分析,说明虽然从沉积角度来说黄土沉积稍有间断,但是从古气候的角度来说,中国黄土具有很好的连续性,可以作为第四纪时间古气候的标准尺之一。

关键词:黄土 古气候旋回 黄土连续性

一、前言

第四纪环境变迁是“过去全球变化”研究的主要内容,它主要受控于两大因素——新构造运动和气候变迁,由这两类变动而引起了一系列事件的发生和演替。记录环境的载体应该有连续性、完整性、成因简单性、单个因素的可分辨性和重复性。在深海沉积物中,已经成功的找到了这样的载体,通过一种属有孔虫氧同位素分析阐述了近250万年来的气候演化旋回。在陆地上,越来越多的事实表明,正是黄土,而且是中国黄土高原的黄土,正是最佳的一种陆相信息载体。通过不断的对比研究,我们日益发现,在全球变化的研究中,中国的黄土高原是不可多得的天然试验场,从它那里可以提取大量的信息。

二、黄土简介

黄土是我国北方人民长期以来对当地黄色松散堆积物习惯上的总称,它是240万年以来干旱半干旱气候环境条件下形成的,近年来有的学者又提出黄土是2200万年以来形成的。我们现在所说的黄土包括原生黄土和次生黄土。黄土的颜色有深浅差异,以灰黄、棕黄、褐黄为主。颗粒成分中以粉沙土(0.05-0.005毫米)为主,直径大于0.25毫米的颗粒基本上没有。黄土中富含大量的碳酸钙和少量的钙结核,含量一般在6%-8%以上。黄土还有其他一些特性,例如无层理性,具有肉眼可见的大孔隙,自然剖面柱状节理发育,能保持直立陡壁,遇水湿陷等。黄土地层中记录了大量的第四纪以来的生物、气候信息,是研究第四纪气候和古环境变化的信息库。

黄土在地球上分布甚广,覆盖着全球陆地表面9.3%左右的面积,约1300万平方千米,集中分布于温带沙漠外缘的半干旱地区和南北半球中纬度地带的森林草原和荒漠草原地带,呈东西向带状断续分布。在欧洲和北美,其北界大致与第四纪大陆冰川南界相连,分布在美国、加拿大、德国、法国、比利时、荷兰等国家;中欧和东欧的俄罗斯、白俄罗斯和乌克兰等地也有分布;在亚洲和南美洲与沙漠、戈壁相邻,主要分布在中国、伊朗、阿根廷及中亚地区;在北非和南半球的新西兰、澳大利亚也有零星分布。

我国是世界上黄土分布最广,地层最全,厚度最大的国家。大致以北纬34度至35度一线为界,即昆仑山、祁连山、秦岭、鲁东山区和辽东半岛山地一线。此线以北的东北各省经山东、河北、山西、陕西、甘肃、青海、新疆等省区的干旱和半干旱地带皆有分布。而此线以南地区黄土分布比较少,性质也有所改变,总面积63.5万平方千米若将华北和黄淮海平原也视为次生黄土覆盖区。那么,我国黄土和次生黄土分布面积便超过100万平方千米,占世界黄土面积的7.6%。我国北方大片黄土是沿东西方向呈带状长条分布的,黄土带以北有较大面积的沙漠,沙漠以北有以碎石为主的戈壁。在平面位置上黄土、沙漠、戈壁成带状分布。黄土带范围北起阴山山麓,东至松辽平原和大小兴安岭山前,西至天山、昆仑山山麓,南至秦岭,其中以黄河中游的黄土高原分布最为集中,连片分布,形成蔚为壮观的黄土高原,为世界所罕见。黄土高原黄土堆积厚度一般在30~200米,最厚达到439米(兰州)。最新研究资料显示,黄土最大堆积厚度可达500米(甘肃靖远)。我国黄土大致分为四个分布区,黄土高原区、华北区、东北区和西北的内陆分布区。这四个区里黄土分布、产状、地层和厚度都各有特色。其中以黄土高原的黄土最为典型。

下图即为黄土在我国的分布情况。

三、黄土土壤地层

在上个世纪70年代,黄土的土壤地层学的研究才受到重视,人们逐渐认识到:任何单独的埋藏古土壤层和黄土层是不同气候条件下的产物,它们代表了第四纪历史上的不同的气候事件。可以说,中国黄土土壤地层学的研究是随着第四纪古气候历史的研究而逐渐深化的。根据黄土古土壤系列建立第四纪古气候史,有一个最为重要的前提:黄土地层必须具有良好的连续性。在黄土剖面中,黄土土壤主要分午城黄土、离石黄土和马兰黄土。各种黄土的特点如下:

午城黄土:早更新世,只出现在某些塬区。

离石黄土:中更新世,含有若干红色条带,即褐色型古土壤层,又称红色黄土,厚度很大,分布很广,覆盖在岩石山地之间的各种地形上,构成塬、梁、峁的物质主体。

马兰黄土:晚更新世,颜色灰黄,质地松软,厚度不大,却罩盖在所有塬、梁、峁上面,并散布在一些石质山地的坡麓、甚至山顶上。

中国黄土土壤地层学一直都在关注这几个问题:

1、午城黄土中有多少层古土壤;

2、洛川剖面离石黄土中的土壤层在整个黄土高原中是否有代表性;

3、中国黄土是否连续;

4、中国黄土中共有多少个古土壤;

5、各土壤地层单位在空间上是否能一一对比。

自从刘东生首次发现并报道洛川黄土剖面以来,该剖面就因其地层序列的完整性、出露的良好性,且位于黄土高原主体部位的最大的洛川源上而成为中国黄土地层的经典剖面。该剖面也是世界范围内研究程度最高、涉及的国内外研究人员最多的黄土剖面。对洛川剖面的研究几乎囊括了第四纪地质学的所有研究内容,包括了土壤地层学、沉积学、磁性地层学、古生物学、环境磁学、年代学、地球化学等,因而是全球最经典的第四纪陆相黄土剖面。

整个洛川剖面厚130m,从下到上分为午城黄土、离石黄土下部、离石黄土上部和马兰黄土。午城黄土下部是一套厚约20m的上新世红色粘土,它与上覆粘土呈基本连续过渡。在图1中仅为洛川剖面中午城黄土地层。

随着黄土高原土壤地层学的研究逐步深人,并在南部的关中盆地中发现了三个从上到下古土壤层都很清楚的黄土剖面,关中盆地完整的黄土地层可以宝鸡剖面为代表。宝鸡剖面黄土厚160m,下伏30m左右的红色粘土,红粘土以下为一套厚100m左右的河湖相积。黄土的沉积基底地形平缓,为晚第三纪时相对抬升的北山山前台地。

土壤地层单位的上界定在土壤体的物理顶面,土壤地层单位的下界定在下伏黄土母质层的物理底面。这样,宝鸡剖面可划分出37个土壤地层单位,它们分别代表了2.5Ma以来37次大的气候冷暖振荡。

根据对比洛川和宝鸡黄土剖面发现,马兰黄土分布很稳定,其厚度在8-10m之间。在洛川等相对干旱的地区,马兰黄土中间的那层古土壤是不很明显的;在宝鸡剖面中的马兰黄土细分比较明显,它可以分为三段,其中上段与下段风化成土作用相对较弱,中间一段成土较强,为黑钙土型土壤,并且中间一段由两个土壤组合而成,上部土壤厚80cm,底部伏有10—20cm的钙质淀积层,下部土壤厚约225cm,底部伏有约15cm的钙结核层。

对于冷期中次一级气候波动的识别,主要基于野外研究,即根据颜色、质地和结构等特征之不同,对各个黄土层进行野外划分。在此基础上,通过使用野外磁化率仪以10cm间隔,对整个剖面进行了磁化率测量。野外划分与磁化率值的变化具有很好的相关性。如下图所示,

土壤层S0,S1和S2-1具有磁化率高值,黄土层L1和L2为磁化率低值,而黄土层L1和L2中皆含有几个弱发育的土壤层(显著风化黄土),如L1中的C2和C3, L2中的C3和C5,它们亦具有磁化率的相对高值。磁化率测量证明了野外划分的可靠性。根据对比,宝鸡剖面中共划分出37个气候旋回,这37个气候旋回由74个气候阶段组成,74个气候阶段可进一步划分成110个次级阶段。

将土壤地层学的概念与一些地球化学、地球物理学的方法相结合得到的气候地层系列,黄土剖面在时间上已达到万年左右的分辨率。

四、黄土的连续性

中国黄土的连续性,需要区别对待两个不同角度的连续性,以为沉积意义上的连续性,二为记录古气候事件的连续性。有人认为这么厚的黄土连续沉积是不可想象的,因为黄土地层中可明显见到古土壤的上部被剥蚀现象,另外,黄土层中,即使存在着明显的沉积间断或小的缺失,在野外是很难鉴定的。显然,这种观点是从沉积学角度出发的。

确实,古土壤的上部被剥蚀现象在黄土高原各个区域都是存在的,这个现象最直观的特征为古土壤的B层与上覆黄土层直接接触。但是,古土壤的上部被剥蚀的程度在各剖面中是不一致的,比如,在洛川,S2-Ⅱ只剩下厚度为50cm的土壤下部,但在宝鸡等地剖面中,S2-Ⅱ 全部得到保存,其厚度在2m左右。因此,A层被侵蚀的现象是一种局部现象,并非到处一致。至于黄土层的缺失或沉积间断,从理论上讲是可以存在的,但我们从黄土堆积的气候条件分析,认为不大可能产生明显的剥蚀现象,因为在干活的气候条件下,地表水活动较为微弱,对地势较高,地形平坦的黄土塬区来说,由于流水作用造成的黄土剥蚀现象的可能性很小。在野外调查中,有一个现象很值得注意,即在黄土高原各个区域,尽管黄土堆积的总厚度可以有很大差别,但各个黄土层的相对厚度却较为一致,这表明在冷期堆积的黄土,在地形平坦的沉积区基本上被保存下来。

从古气候方面来考虑黄土沉积的连续性,首先要明确的是:每个黄土层和每个古土壤层均代表一次独立的气候条件。在沙漠和黄土高原这个特殊的环境耦合系统中,黄土层和古土壤层代表的气候事件具有全球性的意义,即他们待变了全球范围内的冷期和暖期。在一个特定的冷期或暖期中,有时候可以划分成几个次一级的阶段,这些次一级的阶段,在黄土-古土壤系列中,有时候可以得到记录,有些也可能没有被记录下来。比如,古土壤一般是在黄土母质上发育起来的,冷期的晚期甚至整个冷期所堆积的黄土有可能被转化成土壤,由此则失去一些冷期的记录。对于这个问题,可以从两个方面来分析。首先,第四纪的气候冷暖交替是目前关心的重点。在本世纪有关冰期、间冰期的历史研究以来,迄今为止,还没有从哪种沉积记录中明确得出第四纪时期到底有多少个冷暖旋回的结论。所以在黄土-古土壤系列研究中,首先关心的是格局黄土沉积阐明第四纪时期出现过多少次冷暖旋回而不是次一级的气候波动。由于各个地区的黄土堆积速率有不同,根据黄土-古土壤系列重建第四纪古气候时,需要将不同区域的地层综合起来进行工作。

因此,从严格的沉积学角度出发,可以认为中国黄土在沉积过程中,存在一些小的间断,但从古气候变迁的角度出发,中国黄土则具有很好的连续性。

五、黄土-古土壤系列和古气候旋回

在上世纪70年代以前,第四气候划分中流行的是欧洲阿尔斯山区的传统冰期划分方案,即4—5次冰期与间冰期的,由于黄土地层所显示的气候变化与传统冰期划分差异极大,所以70年代以前的黄土地层气候未受到应有的重视,也未对黄土地层的气候旋回进行划分。在70年代中期深海氧同位素气候曲线发表之后,黄土地层的气候研究得到了迅速的发展。如下图所示,黄土地层的突出特点之一是有清楚的宏观可见的气候显示,表现为37余层黄土地和37余层红褐色古土壤的交替,有这种可靠的清楚所环境显示的地层在其它地质时代是十分罕见的,这为人们研究第四纪环境变化提供了极为理想的依据。

深海沉积与黄土剖面比较,由于沉积速率较低,深海氧同位素气候曲线在时间上的分辨率可能比黄土要低一些。通过对比,可以给黄土破面建立一条连续的时间标尺,用于阐述第四纪(2.5ma以来)的古气候旋回、周期及其年代。中国黄土的土壤地层系统中的37个黄土-古土壤组合同时记录了第四纪以来的37个气候冷暖旋回,每一个旋回都有其具体的年代,并且每一个旋回的周期有所不同。从距今2.5ma到1.5ma,1.0ma之间含有10个黄土-古土壤组合,此间主要气候旋回周期以0.1ma为主;从距今1.5ma到0.8ma期间,历时0.7ma,发育了15个土壤地层单位,本段以0.04ma周期成分为主,含有少数0.1ma的周期旋回;从距今0.8ma至现金,共形成12个黄土-古土壤旋回,该时段中,0.04ma和0.1ma周期交替出现,几乎各占一半,并且有0.02ma周期出现。

因此,第四纪古气候总的特点是震荡频率高而冷期时间长于暖期,不同于晚第三纪时期的干湿交替幅度小而暖期大大长于冷期的特点,也就是说在2.5ma前后全球气候发生了一次震荡类型的转换。而第四纪时期,1.6ma和0.8ma前后也发生了两次转变,约2.5-1.6ma间,气候震荡类型为频率小而振幅变率大;在1.6-0.8ma间,气候震荡频率大而振幅小;0.8ma以来则频率小而振幅相对较大。

中国黄土-古土壤系列与深海氧同位素曲线在布容期可作很好的对比,而在松山期则黄土记录的信息更为直观和明确。随着黄土沉积的时间标尺建立厚,将地轴倾斜度和岁差周期滤波曲线和理论计算值相匹配,黄土曲线比深海氧同位素曲线明显有优点。可以预计,在研究第四纪气候长期变化方面,中国黄土有可能得到更可靠的结果。

在以前,第四纪古气候研究中的一个国际性倾向是:将不同地区各种沉积物中得到的古气候记录同深海氧同位素阶段曲线对比,即深海氧同位素记录被公认为一对比标准。但是就目前所知,深海记录在松山期的规律性和震荡周期不是很明确和不够稳定的,而中国黄土-古土壤系列在这个方面明显由于前者。因此,本系列所记载的2.5ma间的37个冷暖气候旋回的结果,可能是目前国际上最完整的第四纪古气候演化的标准尺之一。

通过本文的论述可以了解到中国的黄土在全球变化研究中的优势,中国黄土作为不可多的天然实验场,在建立第四纪古气候时间标尺上比深海沉积氧同位素曲线具有更高的分辨率。在分析黄土剖面的过程中,由于主要通过书籍方面的资料来作为参考,在黄土剖面方面的图比较少,成为本文一个不可忽视的缺点。通过找到的两个剖面—洛川剖面和宝鸡剖面的分析,还是比较详细的叙述了黄土土壤地层的划分,并且通过黄土—古土壤系列来反演第四纪古气候的37个气候旋回,与深海氧同位素曲线来做对比建立时间标尺。

在原计划中,本来还想添加一些有关黄土高原六级阶地的资料已经水系沉积物—古土壤系列,黄土高原新构造旋回的东西,但时间仓促,很多东西没来得及整理,优先整理了有关黄土—古土壤系列的资料。在论述过程中,还有很多缺点,希望老师指正。



 

参考文献:

[1] 丁仲礼,朱照宇.中国黄土高原第四纪古气候与新构造演化

[2] 赵景波. 中国黄土地环境研究的进展

[3] 孙继敏,刘东生. 洛川黄土地层的再划分及其L9、L15古环境意义的新解释

[4] 刘东生,丁仲礼.中国黄土研究新进展

[5] 赵景波.中国黄土地环境研究的进展

[6] 景可.黄土与黄土高原

[7] 刘东生.黄土与环境

[8] 丁仲礼.250万年来的37个旋回

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