毛烏素沙漠東南緣DGS1層段CaCO3記錄的全新世氣候變化

王豐年，李保生，牛東風(fēng)溫小浩

李志文4，司月君5，郭億華6，楊志英1，劉恩波1

doi：10.7515/JEE201503002

毛烏素沙漠東南緣DGS1層段CaCO3記錄的全新世氣候變化

王豐年1，李保生2，3，牛東風(fēng)2，溫小浩2，

李志文4，司月君5，郭億華6，楊志英1，劉恩波1

（1.惠州學(xué)院 旅游系，惠州516007；2.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，廣州510631；3.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710061；
4.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，南昌330013；
5.廣西師范學(xué)院 規(guī)劃與地理科學(xué)學(xué)院，南寧 530001；6.廣州地理研究所，廣州510070）

毛烏素沙漠東南緣薩拉烏蘇河流域滴哨溝灣剖面DGS1層段主要由沙丘砂、湖沼相和次生黃土組成。根據(jù)測(cè)年結(jié)果，該層段為全新世風(fēng)沙沉積序列。通過(guò)對(duì)該層段CaCO3的分析，發(fā)現(xiàn)CaCO3含量在沙丘砂、湖沼相和次生黃土依次變化于0.35％～2.74％（平均值1.03％）、0.13％～60.31％（平均值22.16％）和8.64％ ～12.83％（平均值9.21％），并與DGS1層段粒度Mz（平均粒徑）呈顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.68）。研究表明，毛烏素沙漠冬季風(fēng)盛行時(shí)期沙丘砂堆積，CaCO3發(fā)生遷移；夏季風(fēng)盛行時(shí)期湖沼相發(fā)育，CaCO3相對(duì)聚集。據(jù)此，我們認(rèn)為CaCO3含量變化揭示了毛烏素沙漠在全新世以來(lái)經(jīng)歷了多次冬夏季風(fēng)交互演替的氣候變化過(guò)程，全新世氣候波動(dòng)主要可分為4個(gè)階段：全新世早期回暖期、全新世鼎盛期、暖冷過(guò)渡期和冷干氣候不穩(wěn)定期。

毛烏素沙漠；DGS1；CaCO3；氣候變化；全新世

全新世氣候變化的研究，通過(guò)冰芯（O'Brien et al，1995）、深海沉積（Braddock，1996；Summer et al，2008；David et al，2009；Matt et al，2010）、湖泊（金章東等，2002）以及亞洲季風(fēng)區(qū)石筍（Dong et al，2010）和泥炭記錄（周衛(wèi)健等，2001）等揭示出全球全新世氣候存在不穩(wěn)定性。全新世全球氣候變化通過(guò)東亞季風(fēng)影響中國(guó)沙漠，在沙漠地區(qū)表現(xiàn)為以冬季風(fēng)為代表的寒冷事件（安芷生等，1990；陳發(fā)虎等，2001；李保生等，2010；楊利榮和岳樂(lè)平，2011）。對(duì)于中國(guó)沙漠地區(qū)全新世氣候變化的進(jìn)一步探討，有利于理解全球氣候變化以東亞季風(fēng)為載體對(duì)中國(guó)沙漠地區(qū)環(huán)境變化的區(qū)域影響。

位于毛烏素沙漠東南部邊緣的薩拉烏蘇河流域（圖1）是北方黃土與沙漠的過(guò)渡帶，在第四紀(jì)氣候振蕩的作用下，深受東亞季風(fēng)影響，歷經(jīng)“沙漠—間沙漠”的多次轉(zhuǎn)變，記錄了豐富的晚第四紀(jì)環(huán)境變化的地質(zhì)信息（Teilhard，1924；董光榮等，1983；蘇志珠等，1997；李保生等，1998；Li et al，2000，2007；靳鶴齡等，2007）。近年來(lái)，Niu et al（2008）、Lu et al（2010）、牛東風(fēng)等（2011）分別對(duì)薩拉烏蘇河流域全新世以來(lái)的米浪溝灣剖面地層序列（MGS1層段）進(jìn)行了化學(xué)元素、磁化率和碳酸鈣等氣候代用指標(biāo)的研究，結(jié)果表明全新世以來(lái)毛烏素沙漠經(jīng)歷了類(lèi)似于北大西洋D/O振蕩式的氣候波動(dòng)——千年尺度的東亞冬夏季風(fēng)交替的氣候循環(huán)（Li et al，2000；李明啟等，2006；Du et al，2012；Si et al，2014）。最近，通過(guò)對(duì)薩拉烏蘇河流域的持續(xù)考察，發(fā)現(xiàn)位于該流域左岸的滴哨溝灣全新世剖面存在多種沉積相互疊覆而構(gòu)成的沉積序列，并具有明顯的沉積旋回，這為我們進(jìn)一步探討毛烏素沙漠全新世的氣候變化提供了重要線(xiàn)索。為此，本文基于滴哨溝灣剖面全新世DGS1層段（以下稱(chēng)DGS1），以CaCO3含量的變化為依據(jù)，結(jié)合年代測(cè)試結(jié)果，探討毛烏素沙漠全新世的氣候變化。

1 材料與方法

滴哨溝灣剖面位于薩拉烏蘇河流域滴哨溝灣村的河流左岸，37°43′26.3″N，108°31′2.3″E，剖面頂部海拔高度1309 m（圖1）。該剖面地層出露厚度為62.70 m，屬晚第四紀(jì)全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)上部（靳鶴齡等，2007）。DGS1的堆積深度為0～4.84 m，由12層湖沼相（LS）、3層古流動(dòng)沙丘砂（D）、3層古固定-半固定沙丘砂（FD）、1層砂質(zhì)古土壤（S）、1層泥炭（P）和1層次生砂質(zhì)黃土（CS）組成（圖2）。其中古流動(dòng)沙丘以灰黃色風(fēng)成細(xì)沙為主，松散、分選均勻。古固定-半固定沙丘砂以灰黃色含粉沙的極細(xì)砂質(zhì)細(xì)沙為主，分選較好、松散。砂質(zhì)古土壤表現(xiàn)為棕灰色含粉沙的細(xì)沙，略緊實(shí)，弱成土壤化。泥炭以砂質(zhì)沉積物為主，分選較好，黑色；次生砂質(zhì)黃土以暗灰黃色粉沙為主，松散、水平層理發(fā)育。湖沼相以灰黑色或灰白色細(xì)砂質(zhì)粉沙為主，含植物根系、緊實(shí)，并含大量的軟體動(dòng)物化石，根據(jù)粒度變化對(duì)10—17LS進(jìn)行了細(xì)分。

對(duì)DGS1層段的7個(gè)層位進(jìn)行了年代測(cè)試，其中6個(gè)14C測(cè)試年代（表1）和1個(gè)OSL測(cè)試年代（圖2）。14C年代在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所14C實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。OSL年代在中國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所光釋光實(shí)驗(yàn)室完成。對(duì)14C年代采用Calib 7.0程序中Intcal 13數(shù)據(jù)集（Reimer et al，2013）進(jìn)行校正（表1）。在6個(gè)常規(guī)14C年代中，位于444 cm深度的9450±52 a BP與454 cm深度的9384±83 a BP出現(xiàn)倒置。根據(jù)地層層序律和線(xiàn)性回歸結(jié)果，9384±83 a BP更符合“地層層序律”原則，刪除9450±52 a BP。將這些年代結(jié)果作為控制點(diǎn)，運(yùn)用沉積速率線(xiàn)性?xún)?nèi)插方法建立了該剖面的時(shí)間標(biāo)尺，各層位的年代見(jiàn)表2。根據(jù)表1和圖2，DGS1層段的起始年代即為21LS底部的年代10925±216 cal.a BP（蘇志珠等，1997）；終止年代為1CS頂部1800±100 a BP（OSL），因此，DGS1層段屬于全新世風(fēng)沙堆積序列。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 The study area

對(duì)DGS1自上而下共采集247個(gè)樣品進(jìn)行了CaCO3分析，采樣間距1～2 cm。樣品分析是在華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院沉積物實(shí)驗(yàn)室完成。CaCO3實(shí)驗(yàn)采用氣量法，使用希臘產(chǎn)的Boscomb Calcimeter儀器平均測(cè)試。其步驟：稱(chēng)取2.00 g樣品與過(guò)量的HCl作用后，記錄其產(chǎn)生的CO2氣體的體積和溫度，再根據(jù)CO2的體積換算出CaCO3的含量：CaCO3％=f×[（1.22×V×100）/（Ws×T ）]，其中f是校正系數(shù)；Ws為樣品重量；T是實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度，換算關(guān)系273+t ℃；V是CO2氣體體積；1.22為轉(zhuǎn)換系數(shù)。為減小測(cè)量誤差，每一樣品重復(fù)測(cè)試3～4次，然后取平均值。

2 結(jié)果

分析結(jié)果顯示出的CaCO3含量分布示于表3，并繪入圖3?，F(xiàn)結(jié)合圖3將各個(gè)沉積相CaCO3的分布概述如下：

（1）CaCO3含量在不同層位變化非常大，分布范圍在0.13％～60.31％，平均值高達(dá)12.05％。CaCO3含量在DGS1表現(xiàn)出大起大落的峰谷型波動(dòng)曲線(xiàn)（圖3）。

（2）不同沉積相CaCO3含量差別明顯。流動(dòng)沙丘砂（42個(gè)樣品）CaCO3含量低，變化范圍是0.35％～2.74％，平均值為1.01％；半固定沙丘砂（52個(gè)樣品）CaCO3含量低，變化范圍是0.55％～2.36％，平均值為1.06％；湖沼相（117個(gè)樣品）CaCO3含量的變化范圍是0.13％～60.31％，其平均值也達(dá)到22.16％；沖積次生黃土（19個(gè)樣品）CaCO3含量的變化范圍是8.46％～12.83％，平均值為9.21％。為了進(jìn)一步說(shuō)明這幾類(lèi)沉積相的粒度Mz（Φ）（表4）與CaCO3含量之間的關(guān)系，繪制了Mz（Φ）-CaCO3散點(diǎn)圖（圖4）。

如圖所示，沙丘砂（D）、湖相（LS）和沖積次生黃土（CS）的Mz（Φ）值增大——顆粒變細(xì)CaCO3含量相應(yīng)增高。該圖各沉積相的大部分樣品均表現(xiàn)出相對(duì)集中的分布區(qū)域，DGS1的湖沼相CaCO3含量異乎尋常的高可能與當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境有關(guān)系，CaCO3含量最高的19LS也是本層段軟體動(dòng)物化石最多的部分，雖然在CaCO3含量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中已經(jīng)將軟體動(dòng)物化石剔除，但是仍然無(wú)法將其在湖沼相沉積發(fā)育時(shí)就已經(jīng)破碎融入土壤的肉眼無(wú)法識(shí)別的軟體動(dòng)物殼體的微小碎屑挑出，這就是湖沼相CaCO3含量異乎尋常高的原因。

圖2 DGS1沉積序列Fig.2 The sedimentary sequences of the DGS1

表1 滴哨溝灣DGS1層段14C年齡測(cè)定結(jié)果Table 1 14C dating ages and calibrated ages of some layers in the DGS1

表2 DGS1年代表Table 2 The ages of different layers in the DGS1

表3 DGS1層段CaCO3含量Table 3 The contents of CaCO3in the DGS1

3 討論

毛烏素沙漠南緣地區(qū)薩拉烏蘇河流域處于沙漠—黃土過(guò)渡帶，其風(fēng)成砂—砂質(zhì)黃土—湖相地層序列的碳酸鈣含量卻與黃土高原地區(qū)的碳酸鈣含量變化規(guī)律相反，呈現(xiàn)出風(fēng)成砂中含量相對(duì)低、河湖相中含量相對(duì)高的現(xiàn)象（杜恕環(huán)等，2009）。這種碳酸鈣在沙漠地區(qū)的河湖相、古土壤中高的現(xiàn)象被視為是夏季風(fēng)增強(qiáng)，溫度升高，降水增加的表現(xiàn)；而在沙丘砂中出現(xiàn)的碳酸鈣低值被視為是冬季風(fēng)增強(qiáng)，降水減少，風(fēng)力增大的體現(xiàn)。在DGS1堆積時(shí)，氣候條件寒冷多風(fēng)，降水量稀少，地表堆積僅能受到物理風(fēng)化作用，碳酸鈣呈現(xiàn)原生碎屑狀態(tài)分布，總體含量不高；然而湖相發(fā)育時(shí)，氣候溫暖濕潤(rùn)，風(fēng)化增強(qiáng)。因?yàn)樗_拉烏蘇河地區(qū)其時(shí)是一鄂爾多斯高原和黃土高原之間的洼地，湖泊往往是細(xì)小河流的終點(diǎn)，當(dāng)氣候條件好轉(zhuǎn)，降水增加，河流會(huì)攜帶溶解于水中的碳酸鈣歸流于此，聚少成多，湖相內(nèi)碳酸鈣含量呈現(xiàn)高值，并數(shù)倍于同剖面的沙丘砂；DGS1內(nèi)沖積次生黃土碳酸鈣含量較高，產(chǎn)生原因類(lèi)似于湖相中碳酸鈣含量的成因。

夏季風(fēng)盛行的時(shí)期也有利于生物化學(xué)風(fēng)化作用，地表物質(zhì)分解的較多細(xì)粒，也被水流搬運(yùn)到河湖沼澤中。從而使得DGS1中湖相粉沙和粘土含量增加。同時(shí)，夏季風(fēng)盛行時(shí)期的水熱環(huán)境有利于DGS1堆積區(qū)域周?chē)叩谻aCO3淋溶，并隨水流堆積而相對(duì)富集，如19LS具有較高的CaCO3含量，這可能與湖沼發(fā)育時(shí)受到周?chē)雍畢R聚有關(guān)。Mz-CaCO3散點(diǎn)圖（圖4）一步說(shuō)明了這幾類(lèi)沉積相粒度與CaCO3含量之間的關(guān)系。如圖所示，隨著沙丘砂、湖相和次生黃土的Mz（Φ）值增大，DGS1中沉積物顆粒變細(xì)，CaCO3含量相應(yīng)增高。研究表明，沙漠風(fēng)沙流物質(zhì)的機(jī)械破碎度與干冷多風(fēng)環(huán)境密切相關(guān)，同時(shí)也導(dǎo)致沙物質(zhì)中高度貧鈣（董光榮等，1983）。從DGS1的Mz-CaCO3散點(diǎn)圖（圖4）上也不難看出這一現(xiàn)象。同時(shí)也說(shuō)明這些沙丘砂反映了其時(shí)的干冷多風(fēng)的風(fēng)沙流沉積環(huán)境。自Mz/3.0 Φ-CaCO3/5％，次生黃土樣點(diǎn)隨Mz（Φ）值的增長(zhǎng)，CaCO3含量略微增高，湖相樣點(diǎn)隨Mz（Φ）值的增長(zhǎng)，CaCO3含量顯著增高。根據(jù)DGS1沙丘砂沉積環(huán)境與毛烏素沙漠現(xiàn)代沙丘形成環(huán)境類(lèi)似的推斷，可以進(jìn)一步認(rèn)為，湖相和次生黃土樣點(diǎn)增多并替代沙丘砂，可以解釋為這是驅(qū)動(dòng)沙丘砂的冬季風(fēng)動(dòng)力的衰減所致。而夏季風(fēng)盛行的氣候條件下，氣候暖濕，較高含量的CaCO3滋生。由此可見(jiàn)，DGS1的湖相、次生黃土發(fā)育期間風(fēng)沙流已經(jīng)不是沉積物貢獻(xiàn)的主要的地貌營(yíng)力。大量研究結(jié)果（Xiao et al，1995；Wang et al，2001；Guo et al，2002；吳正，2003）表明，第四紀(jì)以來(lái)我國(guó)北方東部地區(qū)東亞冬夏季風(fēng)是兩個(gè)對(duì)立統(tǒng)一的主體氣候，兩者在我國(guó)東部沙區(qū)表現(xiàn)為互為消長(zhǎng)的關(guān)系（Dong et al，1997）。據(jù)此進(jìn)一步推論，DGS1次生黃土、湖沼相形成時(shí)應(yīng)該主要受到東亞夏季風(fēng)環(huán)境的影響。隨著來(lái)自東南的夏季風(fēng)向我國(guó)西北的推進(jìn)，不僅大大抑制了冬季風(fēng)作用，同時(shí)還給薩拉烏蘇河流域乃至毛烏素沙漠帶來(lái)更多的降水，氣候溫暖潮濕，湖沼發(fā)育。從上述認(rèn)識(shí)出發(fā)，可以將CaCO3含量分布在沙丘砂所呈現(xiàn)的谷態(tài)和在湖沼相、次生黃土中所呈現(xiàn)的峰態(tài)特征（圖3）視為是東亞冬夏季風(fēng)分別增強(qiáng)的體現(xiàn)。

圖3 DGS1層段CaCO3含量及其變化Fig.3 The variations of CaCO3in different layers of the DGS1

據(jù)此，本文將DGS1全新世氣候劃分為以下四個(gè)階段：

第一階段，21LS—18FD（11020—10290 a BP），全新世早期回暖期。DGS1層段CaCO3含量逐漸增加，表現(xiàn)為冬季風(fēng)減弱，夏季風(fēng)增強(qiáng)，沙漠主要以古固定-半固定沙丘為主，溫度升高，降水增加，局部地區(qū)形成了暫時(shí)性湖泊和沼澤，湖沼相發(fā)育。但暖濕程度在逐漸提高。祁連山敦德冰芯記錄了冰后期升溫始于10.75 ka BP以前，且氣候發(fā)生多次震蕩（章新平和姚檀棟，1993）。Bond et al（1997）發(fā)現(xiàn)的北大西洋10.3 ka BP冷事件與DGS1中的18FD（10290—10580 a BP）、20FD（10670 —10930 a BP）冷期遙相呼應(yīng)。

第二階段，17LS —12LS（10290—6590 a BP），全新世鼎盛期。這一階段是以湖相沉積為主的時(shí)期，碳酸鈣含量平均達(dá)到22.16％，最高處可達(dá)60.31％，如此高值的碳酸鈣除了河流攜帶CaCO3溶液的化學(xué)沉積外，只能歸結(jié)為生物化學(xué)堆積，此階段溫度升高，降水增加，當(dāng)?shù)氐闹脖环笔?，湖泊里作為軟體動(dòng)物食物的藻類(lèi)也大量增加，因而湖內(nèi)出現(xiàn)大量的軟體動(dòng)物，這些軟體動(dòng)物死后的遺體——富含碳酸鈣的螺殼也隨之沉積，這就是此階段碳酸鈣含量異常高的原因所在。這更加有力說(shuō)明期間夏季風(fēng)在本地區(qū)占主導(dǎo)地位，冬季風(fēng)減弱，風(fēng)沙活動(dòng)頻次減少，氣候暖濕，沙地中的湖沼相沉積廣泛發(fā)育。此鼎盛期在我國(guó)多處地點(diǎn)均有記錄，如章新平和姚檀棟（1993）、侯光良和方修琦（2011）根據(jù)中國(guó)全新世氣溫集成序列資料認(rèn)為，全新世鼎盛期出現(xiàn)在8—6.4 ka BP。

表4 DGS1層段粒度Mz（Φ）值Table 4 The value of Mz（Φ） in the DGS1

圖4 DGS1不同沉積相Mz（Φ）-CaCO3（％）散點(diǎn)圖Fig.4 The scatter diagram of Mz（Φ）-CaCO3（％）

第三階段，11LS—10LS（6590—3760 a BP），暖冷過(guò)渡期。整個(gè)層段CaCO3含量比大暖期期間低，并呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，屬于氣溫下降時(shí)期。有資料顯示全新世高溫期的晚期氣候更不穩(wěn)定，表現(xiàn)為快速降溫、變干的過(guò)程（陳云等，1999）。

第四階段，9P—0MD（3760—0 a BP），冷干氣候不穩(wěn)定期。此階段CaCO3含量明顯偏低，雖在1CS階段出現(xiàn)氣候反復(fù)，CaCO3含量增加，但本階段以干冷多風(fēng)氣候?yàn)橹黧w，沙丘砂堆積，氣候具有不穩(wěn)定性。其中的2D、4D、6D是氣候變冷的體現(xiàn)。這與侯光良和方修琦（2011）認(rèn)為晚全新世4 ka BP以來(lái)氣候相對(duì)較冷的觀點(diǎn)相一致。此外，0MD（0—1800 a BP）可與北大西洋冷事件0.4—1.4 ka BP相對(duì)比，6D（2820—3140 a BP）也可與北大西洋寒冷事件2.8 ka BP對(duì)比，次生黃土1CS（1800—1980 a BP）中CaCO3含量上升，代表的氣候回暖期可與GISP2（Grootes et al，1993）和侯光良和方修琦（2011）認(rèn)為的1 ka BP前后的溫暖期對(duì)比。

4 結(jié)論

根據(jù)DGS1層段的測(cè)年與CaCO3含量的變化，本文認(rèn)為毛烏素沙漠南緣地區(qū)全新世氣候經(jīng)歷了全新世早期回暖期（11020—10290 a BP）；

全新世鼎盛期（10290—6590 a BP）；暖冷過(guò)渡期（6590—3760 a BP）和冷干氣候不穩(wěn)定期（3760—0 a BP）四個(gè)時(shí)期。

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Holocene climate changes recorded by CaCO3in the DGS1 segment in the southeast of the M u Us Desert，China

WANG Feng-nian1，LI Bao-sheng2，3，NIU Dong-feng2，WEN Xiao-hao2，
LI Zhi-wen4，SI Yue-jun5，GUO Yi-hua6，YANG Zhi-ying1，LIU En-bo1
（1.Department of Tourism，Huizhou University，Huizhou 516007，China；2.School of Geography，South China Normal University，Guangzhou 510631，China；3.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China；4.College of Earth Science，East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China；5.School of Geography and Planning，Guangxi Teachers Education University，
Nanning 530001，China；6.Guangzhou Institute of Geography，Guangzhou 510070，China）

Mu Us Desert；DGS1；CaCO3；climate changes；Holocene

Located in the Salawusu River Valley on the southeast edge of the Mu Us Desert，the DGS1 segment of the Dishaogouwan section consists of dune sands，lacustrine facies and secondary loess.Based on the age determ ination，the DGS1 segment belongs to the aeolian sedimentary sequence of the Holocene.By CaCO3analysis，we found that CaCO3contents in the DGS1 segment range from 0.35％ to 2.74％ （average 1.03％） in the dune sands，0.13％ to 60.31％ （average 22.16％） in the lacustrine facies and 8.64％ to 12.83％ （average 9.21％） in the secondary loess，respectively；and the CaCO3

2015-02-09

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2013CB955903）；惠州學(xué)院博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目（C513.0203）

李保生，E-mail：libsh@scnu.edu.cn

P532

A

1674-9901（2015）03-0145-09

contents have a signi f cant correlation w ith Mz （coef f cient 0.68 ）.This study shows that the dune sands accumulate and CaCO3greatly moves away when the w inter monsoon prevails；whereas，the lacustrine facies develop and CaCO3largely gathers when the summer monsoon strengthens.Therefore，we suggest that the changes of CaCO3content in the DGS1 segment reveal multi-alternation between the East Asian w inter and summer monsoons in the Mu Us Desert during the Holocene and the climate mainly experiences 4 periods w ithin this area：Early warm ing period，Megathermal period，Cooling transitional period and cold-dry instable period.