中亞昭蘇黃土剖面粒度記錄的末次冰期以來氣候變化歷史①

李傳想 宋友桂 千琳勃 王樂民

(1.中國科學院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室 西安 710075; 2.中國科學院研究生院 北京 100049;3.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項目管理中心 烏魯木齊 830002)

中亞昭蘇黃土剖面粒度記錄的末次冰期以來氣候變化歷史①

李傳想1,2宋友桂1千琳勃1,2王樂民3

(1.中國科學院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室 西安 710075; 2.中國科學院研究生院 北京 100049;3.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項目管理中心 烏魯木齊 830002)

對處于西風區(qū)的中亞昭蘇黃土進行了粒度分析,重建了末次冰期以來的氣候環(huán)境變化歷史。粒度分析表明,昭蘇黃土粉砂粒級含量最高,平均含量接近78%,黏土粒級次之,砂粒含量最低,具有典型的風塵堆積特征。剖面粒徑>63μm含量變化能與格陵蘭冰芯進行良好對比,記錄了Heinrich事件和Younger Dryas冷事件及D-O旋回等具有全球意義的氣候波動事件,揭示中亞地區(qū)末次冰期以來的氣候變化具有全球特征。

昭蘇剖面 黃土粒度 末次冰期 中亞 氣候變化

中亞是世界上黃土的主要分布區(qū)之一,地處研究程度很高的中國黃土高原和歐洲兩大黃土區(qū)之間,對研究亞洲內(nèi)陸干旱化、北半球粉塵來源、古大氣環(huán)流和全球氣候環(huán)境變化具有重要的意義[1]。伊犁地區(qū)位于中亞地區(qū)東北部,常年受西風環(huán)流控制之下,黃土遍布天山山麓地區(qū)和河流階地,成為研究中亞地區(qū)氣候變化的理想場所之一[2～10]。沉積物的粒度主要受搬運介質(zhì)、搬運方式、沉積環(huán)境和氣候等多種因素控制,對揭示古氣候和環(huán)境變化具有重要的指示作用。本文選擇中亞地區(qū)伊犁盆地南緣的昭蘇剖面進行了系統(tǒng)的粒度測量,分析了粒度組成特點,探討了末次冰期以來伊犁黃土粒度的古氣候意義。

1 地理背景

伊犁盆地東部地處我國新疆天山山脈西段,西部位于哈薩克斯坦共和國境內(nèi),在地貌輪廓上是一個開口向西的喇叭形山間谷地,地勢東高西低,盆地西側(cè)為中亞戈壁沙漠區(qū)(圖1)。該區(qū)冬季為蒙古高壓所控制[1];夏季受印度熱低壓影響,高空一年四季都盛行西風[3]。雖地處亞歐大陸的中心地帶,遠離海洋,屬于大陸性中溫帶氣候。但由于受到地形的影響,使來自北冰洋和大西洋及地中海的水汽可以直接從伊犁谷地西口進入本區(qū),受北、東、南三面環(huán)山的阻擋,形成豐沛的降水。年降水量在200～550 mm之間,但是分布不均勻,山區(qū)多,山地最大降水量大于1 000 mm,平原則相對較少。由于逆溫和地形阻隔作用,年平均氣溫在2.6～10.4℃之間,區(qū)內(nèi)溫差較小。

2 剖面位置與采樣

天山伊犁黃土分布廣泛,呈條帶狀,主要分布于伊犁河、鞏乃斯、特克斯河和喀什河等各級河流階地上、低山丘陵區(qū)、山麓斜坡及沙漠邊緣,厚度從數(shù)米到近百米不等,盆地東部厚,西部薄,多為末次冰期以來的沉積[11]。昭蘇波馬剖面(ZSP)(80.25°E,42.69° N,1 875 m)鄰近中哈邊界波馬鎮(zhèn),位于伊犁盆地的南緣特克斯河的河流階地上(圖1),該黃土剖面厚6.9 m,其中上部0.9 m為灰褐色的灰鈣土,含有植物根系,疏松多孔;0.9～3.4 m為淺色黃土,含有較多直徑0.1～0.5 cm的鈣結(jié)核;3.4～4.8 m為弱發(fā)育古土壤,淺褐紅色,較致密,有較多的蟲孔,土壤團粒結(jié)構較明顯;4.8～6.5 m為淺黃色黃土,疏松,質(zhì)地均勻;6.5～6.9 m為褐紅色古土壤,含有蝸?；?以下為河流礫石層(圖2)。采樣間距均為5 cm,共采樣138個,在剖面的1.2 m處采集14C年代樣品一個,在3 m、4 m、5m和6 m處采集4個光釋光測年樣品,結(jié)果如圖2。年代與深度呈正比關系,相關性達0.98,說明該剖面的黃土幾乎是勻速沉積的,根據(jù)年代深度回歸方程線性外推,該剖面黃土底部年齡為8.2萬年[11]。

3 方法

圖1 采樣點位置及伊犁地區(qū)地理環(huán)境狀況圖Fig.1 Sampling site and the geographical environment of Yili Basin

圖2 昭蘇剖面地層和深度-年代圖Fig.2 The stratigraphy and depth-age on the Zhaosu section

粒度的具體測試方法為:(1)將野外采集的樣品晾干,以去除水分,把塊狀樣品粉碎;(2)取樣品0.3 ～0.5 g放入燒杯中;(3)向燒杯的樣品中先加入10 ml 10%H2O2,加熱直至完全去除有機質(zhì),再加10 ml 10%鹽酸,加熱直至去除樣品中的碳酸鹽物質(zhì);(4)將樣品靜置12h以上,使顆粒物沉降至燒杯底部,輕輕倒掉上部液體;(5)加入10 m l 30%的分散劑六偏磷酸鈉溶液以便顆粒充分分散;(6)最后將燒杯放入超聲波震蕩儀上震15 min使樣品有效分散;(7)然后測量。所有樣品的粒度分析在黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer2000型激光粒度儀上測量完成,該儀器的測量范圍為0.02～2 000μm,測量精度為0.15φ,相對誤差小于3%。

4 結(jié)果

4.1 粒度組成特點

為了更清晰顯示該剖面黃土粒度組成特點,采用63μm、4μm分別作為砂粒、粉砂和黏粒的分界線。測試結(jié)果表明,昭蘇剖面黃土各粒級組成有如下特征:

砂粒組分(>63μm):所有分析樣品中砂粒級含量相對較少,變化在0.5%～10.7%之間,平均值僅為2.9%,僅1組樣品的含量大于10%。

粉砂組分(4～63μm):該粒組含量一般變動于70%～85%之間,平均含量接近78%,為昭蘇剖面黃土的眾數(shù)粒組,該粒組即是伊犁地區(qū)典型黃土的眾數(shù)粒組,也是風成堆積的“基本粒組”。

黏粒組分(<4μm):在昭蘇剖面黃土黏粒含量相對較高,一般變動于14%～22%之間,最可高達25%,平均含量19.1%,顯著高于砂粒組分。

由此可見,從整個剖面粒度組成來看,粉砂粒級含量最高,平均含量接近78%,粘粒級次之,砂粒含量最低,粒度組成相對集中,粉砂粒級占絕對優(yōu)勢;伊犁地區(qū)黃土粒度組成與中亞其他地區(qū)十分接近[7]。同時有資料表明伊犁黃土粒度在平面分布上具有自西向東由粗變細的規(guī)律[2],加之考慮該區(qū)地形和環(huán)流條件,可以基本斷定伊犁黃土這種水平分布特征是該區(qū)黃土為風成的重要佐證,也是粉塵主要來自中亞沙漠的最好證明。此外,在整個剖面中<50 μm粉砂粒級的含量可達90%以上,在第四紀黃土研究中,一般認為以<50μm粉砂組分占絕對優(yōu)勢的特點被認為風成沉積的典型特征[12],這也是伊犁黃土風成成因的又一重要證據(jù)。

從整個剖面粒度參數(shù)來看,平均粒徑變化于14 ～29μm之間,眾數(shù)變化于15～30μm之間,所有沉積物的偏度均較小,屬于正偏態(tài),少數(shù)樣品是極正偏或者近于正態(tài)分布,說明伊犁黃土的多物源性和距物源的遠近也不同;就峰態(tài)而言,伊犁黃土絕大多數(shù)為中等峰態(tài),少量為寬峰態(tài),極少數(shù)為窄峰態(tài),標準偏差介于13～42之間,說明相當部分黃土來自于近源;此外,礦物學研究表明伊犁黃土中的礦物多呈棱角狀和次棱角狀,圓形顆粒較少,且礦物表面較為潔凈[4],也可以證實其含有較多近源組分。同時伊犁黃土粒度結(jié)構參數(shù)分布(圖3)和C-M分布(圖4)與黃土高原具有較強的相似性,具有風成堆積的特征,說明其含有遠源組分。由此可見,近源物質(zhì)與遠源粉塵沉積作用的疊加,是伊犁地區(qū)黃土形成的重要原因之一。

圖3 伊犁昭蘇剖面黃土與黃土高原黃土-古土壤的粒度結(jié)構參數(shù)散點圖Fig.3 Plots of structural parameters of grain size from Zhaosu section loess in Yiliarea and Chnaona Loess-paleosol section in the Loess Plateau

圖5(a)為昭蘇剖面黃土的粒度頻率曲線,我們看到,研究區(qū)黃土的粒度分布范圍一般為0～63μm之間,以突出的第一眾數(shù)、正偏態(tài)、有一較長的細尾為特征,這種單峰態(tài)的特征說明了粉塵在沉積之前,經(jīng)過充分的混合并在長途搬運過程中被分選,所以第一眾數(shù)十分的顯著[5]。該剖面黃土粒度主要分布于4 ～63μm之間,占絕對優(yōu)勢,是其眾數(shù)粒組,但從眾數(shù)值向兩端粒度變化速率不同,向粗粒端,粒度迅速減小,曲線顯得平滑而陡峭,向細粒端,粒度減小的速度相對較緩慢,并經(jīng)常在粒度變細的一端出現(xiàn)一個不太明顯的峰,這些特征與黃土高原朝那剖面具有相似性。但不同的是大多伊犁黃土樣品的粒度在0.1～1 μm之間含量相對偏高;此外其大多樣品基本粒組的范圍較黃土高原寬且峰態(tài)較平坦,樣品粒度分布相對分散,沒有出現(xiàn)像黃高原較尖的峰部,其分選程度總體不及黃土高原;同時伊犁部分黃土樣品向粗粒端> 63μm區(qū)域也出現(xiàn)了較明顯的峰,這樣在伊犁黃土頻率曲線上出現(xiàn)3個明顯的峰,這與黃土高原明顯不同;指示了其有多種成因組分構成但每種成因組分對整體的貢獻率不同,其中位于粗粒端的峰態(tài)可能反映樣品中混入部分水成物質(zhì)對粒度的分布造成較大的影響,或者由于靠近沙源的特殊地理位置近源搬運沉積所致[13]。

圖4 伊犁昭蘇剖面黃土與黃土高原黃土-古土壤C-M圖Fig.4 The integrated C-M diagram of Zhaosu section loess in Yili area and Chaona Loess-paleosol in the Loess Plateau

圖5 昭蘇剖面黃土和黃土高原朝那剖面黃土-古土壤顆粒粒徑的頻率曲線和累計曲線Fig.5 The curves of grain size distribution of loess at the Zhaosu loess section in Yili area and at Chaona Loess-paleosol section in the Loess Plateau

通過對比S1以來的黃土-古土壤<4μm黏土組分平均含量,發(fā)現(xiàn)伊犁昭蘇剖面值為19.2%,稍高于黃土高原朝那剖面的18.3%,而<2μm組分含量為10.9%也稍高于與黃土高原(10.3%),但與黃土高原相比,伊犁地區(qū)水熱條件總體不及黃土高原,因此該區(qū)在類似于現(xiàn)代氣候條件下黃土堆積過程中風化成壤作用應該較微弱;同時有研究利用黃土中IC/ IQ值較低這一證據(jù)證明伊犁黃土為弱風化黃土[16],所以在伊犁黃土中由于風化成壤作用產(chǎn)生的黏土量應低于黃土高原,但伊犁黃土中<4μm的粒徑含量較黃土高原稍高;此外有研究證實黃土中的細段的第二分量可能主要為遠源組分[15];由此基本可以斷定,伊犁地區(qū)黃土中<4μm的粒徑組分可能主要來源于中亞荒漠地區(qū),僅有極少部分黏土是由于風化成壤或者碎屑作用所致。因此,從區(qū)域地形和環(huán)流條件推測,伊犁黃土物質(zhì)可能主要來自其西部的中亞荒漠區(qū),常年盛行的西風和遠源粉塵在該區(qū)黃土形成中可能扮演重要角色。

由圖5(b)我們清楚地看到,在頻率累計曲線的變化趨勢上昭蘇剖面黃土粒度組成主要分為砂(> 63μm)、粉砂(4～63μm)和黏土(<4μm),含量以粉砂為主,黏土次之,砂最少。黃土粒度累積曲線的主體由兩個線段組成,它們分別對應于頻率曲線上的兩個組分,每個線段的長度與組分的粒徑范圍有關,它的斜率則取決于組分的分選程度。從昭蘇剖面黃土粒度頻率累積曲線來看,短線段代表粒度<4μm的組分,分選程度較低,長線短段代表粒度處于4～ 63μm之間的組分,大多昭蘇黃土樣品分選程度相對較好,雖有些樣品分選程度總體不及黃土高原,但這又是河流沖積難以形成的。同時根據(jù)張平等[16]利用統(tǒng)計學方法對典型穩(wěn)定湖相沉積物和典型風成黃土粒度參數(shù)進行定量化分析所獲得用于判定穩(wěn)定湖相與風成沉積物的函數(shù)模型:

F=20.363Mz-56.371Sd-67.922Sk+23.516Kg-55.626,

把昭蘇剖面黃土粒度參數(shù)(Mz、Sd、Sk和Kg)代入函數(shù)模型,F<0,屬于風成沉積物,也可以說明伊犁黃土屬于風成的。

綜合分析昭蘇剖面黃土粒度組成,結(jié)果表明,與黃土高原黃土粒度組成類似,主要以粉砂占優(yōu)勢,但昭蘇剖面黃土卻以砂含量較低、粉砂含量顯著區(qū)別于與黃土高原黃土堆積,這可能是西風氣流對黃土的遠源輸送并在伊犁地區(qū)沉積的結(jié)果。此外,從伊犁黃土的粒度分布特征和結(jié)構參數(shù)分布組合特征及其頻率曲線和累積曲線分布特征也可以說明其主要為風成成因;同時細粒黏土組分稍高于黃土高原,揭示了伊犁地區(qū)黏土組分可能主要來自于源區(qū)。

4.2 不同徑粒剖面的變化特征

根據(jù)剖面不同粒徑組分隨深度的變化特征(圖6)可以把末次冰期以來昭蘇剖面粒度曲線劃分為以下四個階段:

74～60.2 ka本段初期平均粒徑相對較粗,砂含量平均為2.3%,處于一個較低的水平且有小幅度上升的趨勢,在69ka左右突然大幅度上升,除此之外,在66.2 ka和61.7 ka也出現(xiàn)了兩次明顯的粒度變粗事件,峰谷交替且變化明顯,三次粒度變粗事件持續(xù)的時間相對較長;黏土含量具有波動下降趨勢且波動周期和幅度變大,粉砂含量的波動與之具有較好的反相關性。

圖6 昭蘇剖面粒徑隨年代的變化Fig.6 Grain size distribution of the loess from Zhaosu section with the age

60.2 ～30.4 ka 本段早期(60.2～50.3 ka)平均粒徑較粗,砂含量平均為0.8%,具有波動降低的趨勢,接近剖面各自的最小值,而黏土和粉砂含量變化則表現(xiàn)為長周期波動,且在長周期內(nèi)部存在次一級小波動,二者具有較好的相關性;從中期(50.3～ 39.4 ka)開始各粒徑含量變化均表現(xiàn)為高頻波動,特別是黏土和粉砂含量變化表現(xiàn)最為明顯,而平均粒徑較粗,砂含量平均值為1.5%,處于一個低水平小幅度波動階段,黏土和粉砂含量變化均表現(xiàn)為波動幅度變小而波動頻率增加的趨勢;晚期(39.4～30.4 ka)各粒徑含量的變化均存在小幅度波動,與中期相比,平均粒徑相對較粗,粗粒徑含量處于一個相對較高的水平上波動,總體變化幅度相對增大但頻率減小,黏土和粉砂含量波動都表現(xiàn)為頻率減小,但峰谷交替更明顯,而粉砂含量變化具有波動增加趨勢,黏土含量變化趨勢與之相反,二者波動具有互補的特點。

30.4～11 ka 從30.4 ka開始平均粒徑大小和砂含量變化與前一時段相比均表現(xiàn)為大幅度波動趨勢,粒度變粗具有突變的特點,而且幅度較大,砂含量在12 ka、16 ka、24 ka和28.2 ka左右各達到一個峰值,存在四次明顯的粒度變粗事件,而黏土粒徑含量具有波動減少趨勢,在14.5 ka左右達到一個低谷,其含量為8.7%,為其在整個剖面的一個最低值,而粉砂含量具有波動上升趨勢,直到14 ka以后才表現(xiàn)為波動下降趨勢。

11 ka以來 本時段平均粒徑大小和砂含量均具有波動上升的趨勢,直到8 ka左右分別達到25μm和9.1%,幾乎接近各自剖面的最大值,在8～3.8 ka之間存在一個明顯的低谷,自3.8 ka以后波動幅度減小,平均含量變化不大;而黏土含量具有波動上升趨勢但不如粉砂含量波動下降趨勢明顯。

5 討論

5.1 伊犁盆地黃土粒度古氣候意義

伊犁黃土粒度分布同中國黃土高原黃土堆積一樣是由分布峰度較高、分選較好的粗粒組分和分布峰度較低、分選較差的細粒組分疊加組成的,前者代表強環(huán)流條件近距離低空搬運的粉塵物質(zhì),其粒度可以指示近地面氣流的強度的變化;細粒黏土組分可能主要為常態(tài)存在,自由高空氣流搬運的遠源粉塵,代表伊犁地區(qū)原始粉塵的本底,它的粒度變化特征可以指示高空氣流的強度變化;因此,在環(huán)流加強時,其搬運能力加強,大量較粗和粗顆粒組分沉積在該區(qū),反之,則較細和細顆粒含量相對增多。在基本排除研究區(qū)細粒黏土組分是成壤作用所致后,我們可以黃土粒度來反映本區(qū)的大氣環(huán)流狀況。

本文以>63μm砂粒含量代表干旱度和環(huán)流或者風力強度[17],以<4μm黏土含量代表高空環(huán)流簡單闡述伊犁地區(qū)環(huán)流和源區(qū)的變化及聯(lián)系。粗粒組分含量增加表明該區(qū)近地面環(huán)流或風力強度和干旱度增強,而高空氣流所帶來的細粒組分含量相對減少,在考慮區(qū)域大氣環(huán)流條件下,此時粉塵主要來源于中亞和北部荒漠地區(qū);同時,粗粒組分中可能含有伊犁河中下游近源沙漠分布區(qū)粉塵組分,反映沙塵暴的過程。而當細粒組分含量增加,粗粒組分含量減少,則指示近地面環(huán)流減弱,細粒黏土粉塵主要通過高空環(huán)流從中亞荒漠地區(qū)攜帶而來。從整個剖面來看,粗粒組分含量變化具有多次明顯大幅度波動,表明近地面環(huán)流明顯加強,但細粒組分含量維持在20%左右上下小幅波動,表明高空環(huán)流相對穩(wěn)定。由此可見,伊犁地區(qū)末次冰期以來近地面大氣環(huán)流存在不穩(wěn)定性。

5.2 環(huán)境演化階段劃分

根據(jù)粒度分布變化特征,可以把末次冰期以來伊犁地區(qū)氣候變化劃分為4個階段(圖6):

74～60.2 ka:寒冷期

本時段存在三次明顯的粒度變粗事件,其時間主要位于69.2 ka、66.2 ka、61.7 ka左右,持續(xù)時間相對較長,黏土含量變化與之具有互補性,表明本區(qū)此時環(huán)流或風力強度和干旱程度增加,其中發(fā)生于61.7 ka左右粒度變粗事件,砂組分在平均含量僅為2.9%的背景下變化幅度可達127%,是一次較明顯的具有全球意義的Heinrich事件在黃土粒度上的反應。雖有粒度變細時的暖事件的發(fā)生,但持續(xù)事件較短且強度不大,此時研究區(qū)環(huán)境主要以干冷環(huán)境占優(yōu)勢。

60.2～30.4 ka:溫暖期

本段早期(60.2～50.3 ka)平均粒徑變細、砂含量表現(xiàn)為波動下降趨勢,黏土和粉砂含量變化以長周期波動且具有負相關性為特點,表明該時段風力強度或環(huán)流和干旱度減弱,環(huán)境有好轉(zhuǎn)趨勢;中期(50.3 ～39.4 ka)平均粒徑較細,砂含量均在一個較低的水平波動且變化幅度不大,在45.8 ka左右出現(xiàn)一次相對明顯的粒度變粗事件,是中期較明顯的一次粒度變粗事件,黏土和粉砂含量則表現(xiàn)為有高幅低頻向低幅高頻轉(zhuǎn)變,表明此時環(huán)境以溫濕為主且比較穩(wěn)定,但在中期出現(xiàn)一次小幅降溫事件的發(fā)生;晚期(39.4～ 30.4 ka)平均粒徑大小和砂含量相對于中期而言處于一個相對較高的水平波動,但波動幅度和頻率不大,38.3 ka左右出現(xiàn)一次明顯的粒度變粗事件,黏土和粉砂含量在一個相對較高的水平上波動且幅度增大,表明此時氣候發(fā)生明顯波動,其中38.3 ka左右這次降溫事件是全時段明顯的一次降溫事件,比中期變冷事件強的多,但總體仍以溫濕環(huán)境占優(yōu)勢,就暖濕程度和穩(wěn)定性而言較中期有所降低。總體來看,此時研究區(qū)環(huán)境以溫暖為主。

30.4～11 ka:寒冷期

本時段的早期(30.4～14 ka)平均粒徑大小和砂含量明顯波動增加,出現(xiàn)三次明顯粒度變粗事件,分別位于28.5 ka、24.2 ka和16.1 ka左右,黏土含量具有明顯降低趨勢,在14.9 ka左右達到最低值,而砂含量具有明顯波動增加趨勢,表明此時環(huán)流或風力強度和干旱度有一定程度的增強,其中發(fā)生28.5 ka和24.2 ka左右的降溫事件最為強烈,環(huán)境惡化且變得不穩(wěn)定;晚期(14.9～11 ka)粗粒徑組分具有波動增加趨勢,位于12 ka左右存在一次明顯的粒度變粗事件,同時黏土含量有減少的趨勢,說明氣候總體以干冷為主,其中12 ka左右這次變冷事件最為強烈,是Younger Dryas冷事件在黃土粒度上反應?？傮w而言,此時研究區(qū)環(huán)境以干冷氣候占優(yōu)勢。

11 ka以來:溫干期

平均粒徑大小和砂含量均反映出4次明顯的粒度變粗事件,分別位于9.9 ka、8 ka、3.8 ka和1.9 ka,但后兩次在較高水平上變化幅度不大。進入全新世后深海沉積和冰芯氧同位素變化不明顯,而昭蘇剖面黃土粒度記錄5.6 ka和2.5 ka左右出現(xiàn)溫暖期的千年尺度氣候波動,且黏土含量總體處于較高水平波動;同時進入全新世黃土沉積一直持續(xù)到晚全新世,在整個全新世黃土地層沒有埋藏古土壤,且黃土中碳酸鹽含量多,指示了偏干的氣候;此外有資料證實全新世中期天山冰川全部消融是由于中亞地區(qū)氣候變干所致[15],只有到了晚全新世成壤作用才逐漸增強,由此基本可以推斷研究區(qū)全新世總體以溫干的環(huán)境為主。

綜上所述,從整個剖面來看,昭蘇剖面黃土粒度所記錄的變冷事件不僅記錄了具有全球意義的61.7 ka、45.8 ka、38.3 ka、28.5 ka、24.2 ka和16.1 ka六次降溫事件和末次冰消期全球氣候變暖過程中的一次千年級Younger Dryas冷事件,還記錄了69.2 ka、 66.2 ka、58.7 ka、56.5 ka、50.6 ka、36.6 ka、32 ka和22.9 ka處的一些類似于冰筏沉積的變冷事件,其中69.2 ka和66.2 ka處的冷事件最為強烈。由此可見,昭蘇剖面所記錄的末次冰期以來的反映伊犁地區(qū)氣候不穩(wěn)定性的粒度變粗事件既有全球意義的變冷事件也有區(qū)域性的變冷事件。

5.3 昭蘇剖面所記錄的氣候變化事件與格陵蘭冰芯對比

深海沉積和極地冰芯所揭示末次冰期以來有6次Heinrich事件(圖7中用H1～H6表示)和20次D-O事件[6,18-22](圖中用數(shù)字1～20表示)。黃土高原風成黃土粒度也記錄了Heinrich事件和D-O旋回[23～28]。末次冰期以來昭蘇剖面的粒度變化所揭示的氣候突變事件與格陵蘭GISP2冰芯氧同位素揭示的Heinrich事件和Younger Dryas冷事件及D-O事件具有較好的對應關系(圖7)。

圖7 昭蘇剖面末次間冰期以來的粒度序列與格陵蘭冰心氧同位素記錄[20]對比Fig.7 Grain size from the Zhaosu section and the comparison with the oxygen isotope records since the last interglacial stage

如圖7所示,>63μm砂組分含量隨深度變化,由該圖可以看出,砂含量較多時,格陵蘭冰芯記錄氧同位素偏輕,表明環(huán)流或風力強度增強,砂含量變化與格陵蘭冰芯記錄具有良好的同步對應關系;在昭蘇剖面黃土粒度曲線上,于61.7 ka、45.8 ka、38.3 ka、28.5 ka、24.2 ka和16.1 ka處都有相應的風力增強事件,與格陵蘭冰芯所記錄的Heinrich事件具有較好對應關系,由此可見北大西洋冰筏事件不僅在黃土高原黃土中有記錄,而且在常年受西風控制的伊犁地區(qū)黃土地層中也能清晰反映出其節(jié)拍。北大西洋冰筏事件導致氣候變冷,亞洲內(nèi)陸干旱化加劇,風力增強,粒度變粗,黃土堆積增多,在昭蘇剖面均有較好的反映。末次冰期中,格陵蘭冰芯記錄有20個間冰階,丁仲禮等人對黃土高原會寧李家源黃土剖面高分辨率的磁化率、粒度分析結(jié)果初步揭示出[29],在昭蘇剖面亦有記錄。

與格陵蘭地區(qū)千年尺度氣候變化記錄相對比,每個寒冷的Heinrich事件期間,伊犁地區(qū)大氣環(huán)流都非常強大,而在每個Heinrich事件結(jié)束后,大氣環(huán)流都迅速較顯著減弱,基本對應于高緯地區(qū)Bond旋回開始時的顯著D-O變暖事件,緊接著伊犁地區(qū)大氣環(huán)流又較快速增強,伊犁黃土所揭示的氣候變冷事件同GISP2曲線上對應的變冷事件的變化趨勢基本相同。同時,在昭蘇剖面上所揭示的Younger Dryas冷事件發(fā)生時間與GISP2冰芯的結(jié)果基本一致,暗示常年受西風控制伊犁地區(qū)與北半球高緯地區(qū)的氣候在末次冰期內(nèi)很有可能是一種同步變化的對應關系。

此外,粒度變化所記錄的末次冰期以來伊犁地區(qū)大氣環(huán)流在總體上仍然表現(xiàn)出在冰期-間冰期、冰階-間冰階之間有很大的波動,其特征與格陵蘭冰芯氧同位素記錄的變化特征和趨勢基本相似,即MIS4期間大氣環(huán)流較強,黃土粒度變粗,太陽輻射在這一階段處于一個低谷附近;MIS3期間大氣環(huán)流減弱,黃土粒度變細,太陽輻射總體在一個低水平上波動;MIS2期間,大氣環(huán)流再一次增強,黃土粒度變粗,太陽輻射又處于一個低谷處,表明伊犁地區(qū)在千年尺度上氣候變化可能主要受太陽輻射-大氣環(huán)流相互作用的制約。在末次冰期中,由冷期向暖期的快速變化特征方面在昭蘇剖面黃土粒度所記錄的也有一定程度的反映,說明末次冰期以來伊犁地區(qū)氣候存在千年尺度的變化,與北半球高緯地區(qū)氣候變化具有一定程度的相似性。

6 結(jié)論

(1)通過對昭蘇剖面粒度組成分析表明,伊犁地區(qū)與黃土高原黃土粒度組成相似,主要都以粉砂占優(yōu)勢,但伊犁黃土以砂粒含量較低和黏土含量稍高區(qū)別于黃土高原黃土。同時,從該剖面黃土粒度的分布特征和結(jié)構參數(shù)分布組合特征及其頻率曲線和累計曲線分布特征也均指示了伊犁地區(qū)黃土的風成性。

(2)根據(jù)黃土粒度變化特征,可以把伊犁地區(qū)末次冰期以來的氣候演化劃分為(74～60.2 ka)寒冷期、(60.2～30.4 ka)溫暖期、(30.4～11 ka)寒冷期和<11 ka溫干期。

(3)末次冰期以來,昭蘇剖面黃土粒度所揭示的大氣環(huán)流的變化所反映的氣候突變事件與格陵蘭GISP2冰芯氧同位素揭示的Heinrich事件和Younger Dryas冷事件及D-O事件具有較好的對應關系,暗示了常年受西風控制伊犁地區(qū)與北半球高緯地區(qū)的氣候在末次冰期內(nèi)很有可能是一種同步變化的對應關系。此外,昭蘇剖面所記錄的末次冰期以來的反應伊犁地區(qū)氣候不穩(wěn)定性的粒度變粗事件既有全球意義的變冷事件也有區(qū)域性的變冷事件。

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History of Climate Change Recorded by Grain Size at the Zhaosu Loess Section in the Central Asia since the Last G lacial Period

LIChuan-xiang1,2SONG You-gui1QIAN Lin-bo1WANG Le-min3
(1.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology,Institute of Earth Environment,Chinese Academ y of Sciences,Xi'an 710075; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049; 3.Geological Survey Fund Management Center of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumqi 830002)

The Ili region is located in the northeastern part of Central Asian region,dominated by the westerlies all the year round,loess sediments are widely distributed in the piedmonts of Tianshan Mountains and river terraces, which enables the Ili region to be one of the ideal places for the studies on Asian interior aridification,dust sources of the Northern Hemisphere,pastatmospheric circulation,and past global climate change.In this paper,we reconstruct the history of climate change since the last glaciation by analyzing the grain size of Zhaosu section loess.The result shows that the content of grain size>63μm can bewell compared with the records of Greenland ice core that the climate fluctuations of the global significance such as Heinrich events and the Younger Dryas cold event aswell as DO cycles,reveals the Central Asian's climate changes with the global features ofmillennial scale and high frequency oscillation since the last glaciation.

The analysis of grain size indicates that the loess grain size distribution of the Ili region is similar to that of the Chinese Loess Plateau,dominated mainly by silt,but the contents of sand in the Ili loess is lower and fine clay higher,which is different from those of the Chinese Loess Plateau.However,compared with the Chinese Loess Plateau, the overall integrated condition ofwater and heat in the Ili region is poorer than that of the Loess Plateau,which basically can be concluded that<4μm grain size fraction in the Ili loessmay bemainly derived from the Central Desert region,only very small partof the clay results from the role ofweathering and pedogenesis or debris.Therefore,given the regional topography and circulation conditions,the dust sourcesmay be mainly from its western desert region of Central Asia,the annually prevalentwesterlies and distal dustmay play an important role in the formation of the Ili loess。

According to the variations of the content of the loess grain size,the Ili region's climate change can be divided into four stages since the last glaciation:(74～60.2 ka)cold period,(60.2～30.4 ka)warm period,(30.4～ 11 ka)cold period and<11 kawarm and dry period.The abrupt climate events reflected from changes in atmospheric circulation revealed by loess grain size at the Zhaosu section loess can be well compared with the Heinrich events and the Younger Dryas cold event aswell as D-O cycles revealed by the oxygen isotope records from GISP2 since the last glaciation,suggesting that the Ili region dominated westerlies is likely to be a simultaneous change with the high latitude climate of the Northern Hemisphere since the last glacial period。

Zhaosu section;loess grain size;the last glaciation;central Asian;climate change

李傳想 男 1984年出生 碩士 第四紀地質(zhì)學 E-mail:licx0530@126。com

P512.2

A

1000-0550(2011)06-1170-10

①國家自然科學基金項目(批準號:41172166,40972230)和國家重點基礎研究規(guī)劃項目(編號:2010CB833406)資助。

2010-09-25;收修改稿日期:2010-12-13