天山北麓黃土記錄的30 萬年以來古氣候演變

陳渠，劉秀銘，呂鑌，葉瑋，趙國永

1.浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004

2.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007

3.福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州 350007

4.信陽師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，河南信陽 464000

0 引言

在過去數(shù)十年，對黃土記錄的古氣候研究已經(jīng)取得巨大成就。黃土高原的研究廣泛而深入，亞洲中部西風(fēng)帶黃土的研究也屢有重要進(jìn)展[1-7]。但是由于客觀原因，比如相對于黃土高原黃土，整個(gè)天山地區(qū)的黃土成壤普遍較弱，物源復(fù)雜，沉積較薄，分布受限，局地因素影響大，區(qū)域差異明顯，限制了天山黃土研究更深入開展。已有的天山黃土古氣候研究時(shí)間尺度較多為末次間冰期即S1古土壤層開始沉積以來，而對于形成年代更老的古土壤層則較少涉及或未有深入研究。天山北麓黃土以安集海河支流頭道溝出山口東岸的鹿角灣剖面[8]和寧家河一級支流清水河沖洪積扇上堆積的東灣鎮(zhèn)剖面最具代表性[3]（圖1）。鹿角灣黃土底部古土壤層年齡大約為距今300 ka[9]，但已有研究集中于全新世氣候變化[10-12]；東灣鎮(zhèn)黃土反映800 ka 以來內(nèi)陸干旱化的一般趨勢[3,13-14]。鑒于鹿角灣黃土的成壤強(qiáng)度明顯強(qiáng)于東灣等地黃土，黃土古土壤的交替十分清楚，更有利于進(jìn)一步分析對比近數(shù)十萬年以來不同階段的古氣候條件。本研究以鹿角灣黃土為主，以東灣等其他天山北麓典型黃土為輔，綜合色度、總碳含量、粒度、常量地球化學(xué)元素含量和環(huán)境磁學(xué)等多種指標(biāo)，分析黃土物源、搬運(yùn)動(dòng)力和風(fēng)化成壤強(qiáng)度等，探討天山北麓地區(qū)300 ka以來的古氣候演變。

1 剖面概況

鹿角灣位于沙灣縣城以南65 km 的依連哈比爾尕山北麓，冬季平均氣溫約-14 ℃，夏季平均氣溫約20 ℃，年降雨量600 mm以上。剖面位于博爾通古牧場與鹿角灣風(fēng)景區(qū)內(nèi)，在安集海河支流頭道溝出山口東岸（緯度：43.972 95°N，經(jīng)度：85.126 4°E，海拔高度：2 065 m）。自20 世紀(jì)80 年代起陸續(xù)有學(xué)者對鹿角灣黃土作了年代學(xué)、地層學(xué)與黃土磁學(xué)等方面研究工作。文啟忠等[8,15-16]研究認(rèn)為，鹿角灣剖面共有4 層古土壤層，在剖面頂部的古土壤層獲得的14C 年齡為2.870±0.170 ka，在第一層黃土層底部獲得的熱釋光年齡為77±6 ka。Sun[17]根據(jù)文啟忠等[8,15-16]的年代學(xué)研究工作進(jìn)一步指出，鹿角灣剖面可與黃土高原洛川剖面上部相對應(yīng)，其底部古土壤層相當(dāng)于黃土高原的S3。呂紅華等[9]用電子自旋（順磁）共振測年法（ESR）獲得該剖面第3 層古土壤年齡為260 ka，據(jù)此推斷剖面底界年齡約為300 ka，第2~4層古土壤對應(yīng)于黃土高原的S1、S2 與S3?？梢姡叭藢β菇菫称拭娴哪甏c地層劃分認(rèn)識一致。依據(jù)野外觀察，鹿角灣剖面出露近9 m，可明顯辨認(rèn)出4層古土壤層。最上一層古土壤厚約1.25 m，其中可見黃色夾層。另外三層古土壤層呈褐紅色，采樣深度分別為2.5~2.8 m、5.05~6.9 m 與7.45~8.4 m。古土壤層之間與8.4~8.8 m 為黃土層，呈灰黃色，8.8 m 之下為礫石層?；谝巴庥^察及前人的年代學(xué)研究結(jié)果，依黃土高原慣例[1,5]，我們把鹿角灣剖面的四層古土壤由上而下依次標(biāo)記為S0、S1、S2 與S3，古土壤層之間的黃土層則相應(yīng)地分別標(biāo)記為L1、L2與L3。結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，S2又可以細(xì)分為三層，由上而下依次標(biāo)記為S2S1，S2L1 與S2S2。于鹿角灣剖面頂部至剖面底部接近礫石層處連續(xù)采樣，其中最底部7.8~8.8 m 以20 cm 間距采樣，在此之上以5 cm 間距采樣，共計(jì)采樣160個(gè)。

東灣鎮(zhèn)位于沙灣縣城以北，兩者距離大約30 km，年降水量約270 mm，年均溫度約6.5 ℃，為荒漠草原灰鈣土分布區(qū)。該區(qū)黃土厚度可達(dá)90 m，是整個(gè)天山北麓地區(qū)目前已報(bào)道的最厚的，這是因?yàn)樵诖擞袃晒娠L(fēng)系幅合，分別為西北風(fēng)與北北東風(fēng)[3]。位于清水河最高階地上的東灣鎮(zhèn)黃土剖面厚達(dá)71 m，土壤發(fā)育較弱，但根據(jù)顏色、特征和密實(shí)度仍可識別出9 大層古土壤[14]。我們在東灣選取出露較好的黃土（緯度：44.175°N，經(jīng)度：85.780°E，海拔高度：726 m），自表層至8.7 m深度以5 cm間距采樣。

金溝河剖面位于金溝河最高階地上，厚8.8 m，海拔1 367 m，年平均降水量約為300 mm，年平均溫度約5 ℃。米東剖面位于烏魯木齊市米東區(qū)東北郊，厚30.5 m，海拔650 m，據(jù)烏魯木齊市平原地區(qū)氣候記錄，年平均降水量200 mm，年平均氣溫-7.5 ℃~6.2 ℃。在金溝河剖面與米東剖面以5 cm 間距采集黃土樣品。兩剖面巖石磁學(xué)與粒度測試和前期研究工作已經(jīng)完成[18]。

2 實(shí)驗(yàn)方法

對東灣樣品作粒度測試，對鹿角灣樣品作下述所有測試。粒度測試使用Malvern Instrument 公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度儀，分選系數(shù)、峰度與偏度等粒度參數(shù)的計(jì)算依據(jù)Folk-Ward圖解法[19]。色度測試使用日本柯尼卡美能達(dá)公司生產(chǎn)的CR-400色彩色差計(jì)，采用CELAB 色度表達(dá)系統(tǒng)測量樣品亮度（L*），紅度（a*），黃度（b*）?？偺己渴褂肨OC分析儀測量。常量地球化學(xué)元素使用Thermo Scientific公司生產(chǎn)的ARL Perform’X射線熒光光譜儀測定。高、低頻磁化率使用英國生產(chǎn)的Bartington MS2型磁化率儀測量。非磁滯剩磁（ARM）配合使用捷克AGICO公司生產(chǎn)的LAD-3 交變退磁儀（100 mT 交變場，50 μT 直流場）與英國Molspin 小旋轉(zhuǎn)磁力儀測量。低溫飽和等溫剩磁隨溫度變化測試將樣品采用液氮降溫后再使其獲得飽和等溫剩磁（施用1T 磁場），然后連續(xù)測量直至樣品升溫至室溫。等溫剩磁和飽和等溫剩磁（施用1T磁場）配合使用美國ASC公司生產(chǎn)的脈沖強(qiáng)磁儀和小旋轉(zhuǎn)磁力儀測量。色度與總碳含量測試在浙江師范大學(xué)地理過程實(shí)驗(yàn)室完成；常量地化元素在信陽師范學(xué)院分析測試中心完成；粒度和巖石磁學(xué)測試在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 色度

在黃土中，呈赤紅色的赤鐵礦是主要的染色礦物，與紅度有明顯相關(guān)性[20-21]。鹿角灣剖面色度指標(biāo)與總碳含量變化曲線（圖2）表明，紅度在剖面的垂向變化與野外觀察的地層變化比較一致，在0.35 m、2.65 m、6 m 與7.7 m 附近為紅度峰值，對應(yīng)于四層古土壤（S3 下部樣品未測試色度，但自7.3 m 往下至7.7 m，紅度呈增加趨勢）。S1與紅度峰值十分吻合，S2S1 與S2S2 下部紅度較低，但其總碳含量相對下伏層位明顯增加?？傮w上，色度指標(biāo)變化與野外觀察的成壤強(qiáng)度變化相符。

圖2 鹿角灣黃土亮度（L*），紅度（a*），黃度（b*）與總碳含量（TC）（TL 年齡據(jù)文獻(xiàn)[16]，ESR 年齡據(jù)參考文獻(xiàn)[9]）Fig.2 Variations in chromatic parameters and total carbon content vs. depth at Lujiaowan(TL age from reference [16]; ESR age from reference [9])

3.2 粒度

粒徑分布曲線可以鑒別沉積物成因，曲線上的峰可指示主要搬運(yùn)動(dòng)力的強(qiáng)度，多峰形態(tài)則可指示沉積物有多個(gè)不同的搬運(yùn)動(dòng)力[12,22-24]。粒度分析顯示（圖3），鹿角灣各黃土層樣品的粒度眾數(shù)，即粒度分布曲線上的峰值，為30 μm左右；粒度分布曲線形態(tài)與風(fēng)成成因的典型黃土一致，隨著成壤強(qiáng)度增加，由單峰形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰形態(tài)，或由尖銳突出單峰轉(zhuǎn)變?yōu)檩^平緩的單峰；S0 與S1 典型樣品呈雙峰分布，較粗端峰位于25~35 μm，較細(xì)端峰（一般為第一眾數(shù)）位于5~10 μm；S3下部樣品較粗端峰不明顯，上部樣品為平緩單峰；S2樣品類似S3上部，但與S0和S1的較細(xì)端峰更接近，粒度眾數(shù)更小。

圖3 鹿角灣黃土古土壤層代表性樣品粒度分布曲線Fig.3 Grain size distribution of typical loess￣paleosol samples from Lujiaowan

平均粒度顯示（圖4），以5 m 為界，下部（S2 至S3）粒度明顯細(xì)于上部，而且波動(dòng)較小，各古土壤層粒度小于黃土層；其他粒度指標(biāo)變化與平均粒度一致。黃土層正偏態(tài)程度甚于古土壤層，但L2 中部偏態(tài)接近0，這是因?yàn)樵搶游慌cS0部分樣品一樣，在粗端有一小峰，這也導(dǎo)致其>63 μm組分比重大，分選系數(shù)高。分選系數(shù)在剖面下部較低，反映分選動(dòng)力較為穩(wěn)定，相對單一。峰度變化與分選系數(shù)基本一致，但L1峰度較低，因?yàn)樵搶硬oL2中部所呈現(xiàn)的粗端小峰，16~44 μm 組分比重大，較明顯偏向粗粒度一側(cè)，分布集中，故峰態(tài)尖銳。中值粒徑、>63 μm 組分與<2 μm 組分同樣反映了剖面上下部之間與黃土古土壤之間的差異。剖面下部>63 μm組分占比明顯低于上部，反映其以粉塵懸浮輸入為主，為典型風(fēng)成成因[23]。鑒于粒度呈雙峰分布，并且為了排除成壤生成的細(xì)粒組分與局地風(fēng)成或水成輸入的粗粒組分影響，采用U 比率（U-ratio），即5.5~16 μm 與16~44 μm兩粒度組分含量的比值（5.5~16 μm/16~44 μm）[24]分析兩個(gè)峰值附近組分相對比例的變化。結(jié)果顯示，下部古土壤樣品U比率大多高于S1，但峰值低于S0中部分層位。

圖4 鹿角灣黃土粒徑指標(biāo)隨深度變化曲線Fig.4 Variations in grain size parameters vs. depth at Lujiaowan

3.3 常量元素地球化學(xué)

黃土元素的淋溶富集反映化學(xué)風(fēng)化程度，而化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）與（CaO+Na2O+MgO）/TiO2是較可靠的化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)[5,25-27]?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)計(jì)算公式為CIA=［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］×100，其中CaO*是指硅酸鹽中的鈣含量，具體計(jì)算方法參考已有研究[26]。將鹿角灣黃土所含常量元素以氧化物形式表示（圖5），結(jié)果顯示SiO2、Al2O3和CaO 是含量最高三個(gè)組分。其中SiO2含量最高，在S0 高達(dá)60%~67%，在整個(gè)剖面為47%~67%；Al2O3含量次之，變化范圍為10.4%~14.3%，在S1 與S2 為峰值；CaO 含量第三，變化范圍為1.8%~13.8%。CaO 在古土壤層中較低，在黃土層較高，F(xiàn)2O3反之；K2O、Na2O和MgO含量低值見于黃土層?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)（CIA）與（CaO+Na2O+MgO）/TiO2指示古土壤層風(fēng)化程度高于鄰近黃土層。

圖5 鹿角灣黃土地球化學(xué)指標(biāo)隨深度變化曲線Fig.5 Variations in geochemical parameters vs. depth at Lujiaowan

3.4 巖石磁學(xué)

天山北麓黃土的巖石磁學(xué)特征及其環(huán)境意義已經(jīng)有比較多的研究[28-31]。巖石磁學(xué)特征受控于成壤作用、風(fēng)力強(qiáng)度變化與物源區(qū)進(jìn)退及區(qū)域或局地水分條件改變等多種因素影響。不同剖面與同一剖面不同層位的主控因素不盡一致甚至截然不同。如果土壤有效濕度超過一定臨界值，則成壤生成的超細(xì)顆粒的強(qiáng)磁性的低矯頑力的亞鐵磁性礦物（磁鐵礦與磁赤鐵礦）轉(zhuǎn)化為弱磁性的高矯頑力的非亞鐵磁性礦物（赤鐵礦等），導(dǎo)致磁化率（χ）、頻率磁化率（χfd）降低，非磁滯剩磁磁化率與飽和等溫剩磁（或磁化率）的比值（χARM/SIRM 或χARM/χ）也可能有一定幅度的降低[32-35]。盡管如此，χARM/SIRM 與SIRM/χ等指標(biāo)通常仍然可以較好的指示黃土的成壤作用[9,33]。χARM/SIRM 能靈敏地反映磁性礦物粒度的變化，進(jìn)而揭示成壤強(qiáng)度的變化；SIRM/χ則受到磁性礦物粒度與磁性礦物組成兩方面的影響[36-37]。100 mT 或300 mT 磁場中獲得的等溫剩磁與飽和等溫剩磁的比值（IRM100mT/SIRM 或IRM300mT/SIRM，標(biāo)記為F100或F300）可以反映非亞鐵磁性礦物或高矯頑力磁性礦物的相對含量。根據(jù)鹿角灣黃土磁學(xué)指標(biāo)變化曲線（圖6），S0明顯不同于其下伏各黃土古土壤層各地層，S0 的磁化率與頻率磁化率明顯更高；而多種指標(biāo)顯示成壤程度較高的S2S2的磁化率與頻率磁化率為全剖面最低，另一轉(zhuǎn)折界線則和非磁學(xué)指標(biāo)相符，在5 m 左右（L2/S2界線）。

圖6 鹿角灣巖石磁學(xué)指標(biāo)隨深度變化曲線Fig.6 Variations in rock magnetism parameters vs. depth at Lujiaowan

低溫飽和等溫剩磁隨溫度的變化可以反映黃土亞鐵磁性礦物的粒度組成，估算其超順磁性、單疇與多疇組分的含量[38-39]。黃土樣品的Verwey 轉(zhuǎn)換一般在-153 ℃~-163 ℃，但也可能更低[40]。Verwey轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的低溫飽和等溫剩磁減少幅度可用以計(jì)算多疇與較粗單疇磁性顆粒的占比，室溫時(shí)保留的剩磁強(qiáng)度可以視為主要來自單疇磁性顆粒的貢獻(xiàn)，兩者之外的可以認(rèn)為是超順磁顆粒的貢獻(xiàn)。從代表性樣品的歸一化的低溫飽和等溫剩磁曲線（圖7）可以看出，L2有最明顯的Verwey轉(zhuǎn)換，L1僅次之，反映含有較多的強(qiáng)風(fēng)輸入的多疇磁鐵礦。而S0 曲線下降較慢，Verwey 轉(zhuǎn)換最不明顯，至室溫后的剩磁強(qiáng)度不及L1、S1與S2，可解釋為S0包含的單疇相對含量不及S1與S2。

圖7 鹿角灣代表性樣品低溫飽和等溫剩磁隨溫度變化曲線Fig.7 Thermal demagnetization curves for typical samples from Lujiaowan

4 討論

4.1 代用指標(biāo)適用性

在天山北麓山前平原、古爾班通古特沙漠南緣地區(qū)，黃土沉積厚，研究時(shí)間尺度長，但是古土壤不發(fā)育，黃土—古土壤序列不明顯，巖石磁學(xué)與地球化學(xué)指標(biāo)等可能不夠靈敏甚至不適用[25]。而在天山北麓較高海拔的黃土分布的上界附近，雖然黃土沉積速率低，但成壤較強(qiáng)，能更好記錄冰期間冰期氣候旋回，巖石磁學(xué)與地球化學(xué)指標(biāo)等更靈敏，粒度指標(biāo)也蘊(yùn)含更豐富的古氣候信息，可以為相應(yīng)時(shí)間尺度的古氣候研究提供很好的素材。

天山山地黃土的研究顯示紅度受赤鐵礦含量的影響，兩者呈正相關(guān)，可以很好地反映氣候變化過程，氣候意義比磁化率更加明確[20]。鹿角灣剖面S2S1 與S2S2 下部紅度較低，總碳含量較高；S0 中成壤較強(qiáng)的層位（0.65~0.85 m）同樣如此，這暗示紅度可能為總碳含量抑制。

粒度分布曲線揭示鹿角灣黃土的沉積受控于兩股不同風(fēng)系，較粗端峰可能反映近地面風(fēng)系，而較細(xì)端峰可能反映西風(fēng)沿天山北坡繞流形成的西北風(fēng)[3,12]。在黃土層，近地面風(fēng)系占優(yōu)，黃土以粗粒為主，粒度分布曲線上西風(fēng)輸入的細(xì)粒粉塵貢獻(xiàn)被掩蓋。在古土壤層，黃土的細(xì)粒組份增加，在粒度分布曲線上西風(fēng)與近地面風(fēng)系的貢獻(xiàn)都得以表現(xiàn)，甚至反映以西風(fēng)影響為主?？傮w而言，粗粒組分含量與細(xì)粒組分含量隨深度的變化是相反的，<2 μm組分與U比率（U-ratio）能指示研究區(qū)西風(fēng)強(qiáng)度[12]。

鹿角灣黃土的常量元素變化特點(diǎn)與同處于比較冷濕氣候下的青藏高原東南緣的理縣黃土有相似之處，除反映了剖面風(fēng)化程度差異之外，還可能受到物源和礦物組成等因素的影響[25]。如果與同在天山北麓且相距不遠(yuǎn)的鐘梁黃土剖面相比較[19]，鹿角灣剖面的不同之處主要在于CaO谷值見于古土壤層而非黃土層。這是因?yàn)樵阽娏浩拭娼邓棵黠@較少，風(fēng)化強(qiáng)度整體不高，CaO淋溶有限，所以富集于古土壤層。CIA 與（CaO+Na2O+MgO）/TiO2很好地反映了鐘梁剖面與鹿角灣剖面黃土與古土壤的分異，尤其是后一指標(biāo)，同時(shí)也揭示鹿角灣黃土經(jīng)歷了比鐘梁黃土更強(qiáng)的風(fēng)化作用。

S0的χ、χfd與χARM/SIRM為全剖面最高，三者同步變化，反映成壤生成的超細(xì)顆粒的亞鐵磁性礦物主導(dǎo)磁性變化[41]，指示全新世濕潤氣候。S1 磁化率低于L1與L2，對應(yīng)粒度谷值，L1中部磁化率急劇增加，對應(yīng)粒度峰值>63 μm 組分的比例由<10%增加至接近25%，反映風(fēng)力增強(qiáng)，較粗的風(fēng)成成因的原生磁鐵礦主控磁性變化。S1 的χARM/SIRM 較高，SIRM/χ較低，反映有較多穩(wěn)定單疇磁鐵礦，指示一定成壤作用和較濕潤氣候，但缺乏風(fēng)成輸入的磁鐵礦，所以磁化率反而較低。

F100（IRM100mT/SIRM）與F300（IRM300mT/SIRM）峰值同樣出現(xiàn)在L1中部，對應(yīng)粒度峰值，這與風(fēng)力增強(qiáng)導(dǎo)致東灣鎮(zhèn)黃土中更多風(fēng)成成因的低矯頑力的磁鐵礦的報(bào) 道 一 致[30]。S2 及 其 下伏 地層 的SIRM/χ與χARM/SIRM 明顯高于其上覆地層；SIRM/χ與F100在S0 分別為谷值與峰值，但在S2 與S3 上部反之。S2 與S3 并沒有生成大量的細(xì)顆粒的（超順磁和穩(wěn)定單疇）亞鐵磁性礦物，反而富集非亞鐵磁性礦物。S2與S3其發(fā)育階段可能經(jīng)歷更溫和的氣候，風(fēng)力和緩，風(fēng)力輸入的多疇與較粗的假單疇磁鐵較少，所以在低溫飽和等溫剩磁隨溫度變化曲線上反映的單疇含量相對S0更高。另一方面因?yàn)楦吆畾夂颍寥烙行穸冗^高，細(xì)顆粒的亞鐵磁性礦物會(huì)轉(zhuǎn)化為非亞鐵磁性礦物（如赤鐵礦），它們同樣對剩磁強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，這或許也是S2 升溫至室溫后，剩磁強(qiáng)度高于其他古土壤層的原因。

綜上，可以推斷大致S3~S2（8.8~5.05 m）、L2 至L1（5~1.25 m）和S0 分別對應(yīng)于（古土壤有效濕度過高條件下的）磁性衰減模式為主、風(fēng)力模式為主與成壤增強(qiáng)模式為主。SIRM/χ與χARM/SIRM 能較好指示古氣候演變。

4.2 多剖面記錄的古氣候演變

鹿角灣黃土記錄了S3 以來的冰期間冰期周期變化，同時(shí)也反映了干旱化的趨勢，L2 至L1（5~1.3 m）比S3~S2（8.8~5.05 m）經(jīng)歷了更干旱的氣候，類似趨勢也見于天山北麓其他典型黃土剖面，在SIRM/χ曲線變化上表現(xiàn)明顯。東灣鎮(zhèn)黃土（圖8a）兩指標(biāo)線性相關(guān)程度較高，擬合曲線斜率較低，反映其磁性變化主要受風(fēng)力控制，亞鐵磁性礦物粒度較粗。在散點(diǎn)圖左下方，樣品分布比較集中，SIRM相近的樣品，其磁化率也相近。這部分樣品基本來自東灣鎮(zhèn)黃土剖面40 m 以下，SIRM/χ為15×10-5~20×10-5Am2kg-1，整體上高于鹿角灣下部的13×10-5~15.6×10-5Am2kg-1。如果成壤貢獻(xiàn)可以忽略的話，那么遠(yuǎn)離沙漠、近地面風(fēng)系影響更小的鹿角灣下部的磁性礦物粒度應(yīng)該更小，SIRM/χ值應(yīng)該高于東灣鎮(zhèn)黃土下部。但事實(shí)并非如此，這說明相對于東灣鎮(zhèn)黃土，鹿角灣黃土下部成壤作用有一定貢獻(xiàn)，影響到磁性礦物粒度與組成兩方面，使SIRM/χ更低。鹿角灣剖面（圖8b）三個(gè)不同部分可以明顯區(qū)分，下部樣品位于其他樣品的左上方，擬合曲線斜率較高，S0 樣品位于右下方，兩指標(biāo)線性相關(guān)程度低（這可能因?yàn)镾0 物源相對復(fù)雜），L2 至L1 樣品位置介于兩者之間。通常成壤作用會(huì)生成大量的磁赤鐵礦與赤鐵礦，兩者的絕對量都增加。鹿角灣黃土的下部古土壤強(qiáng)磁性礦物大幅減少，而包括赤鐵礦在內(nèi)的矯頑力較高的磁性礦物增加，所以紅度較高，反映土壤有效濕度高，化學(xué)風(fēng)化更強(qiáng)，古氣候更濕潤。金溝河剖面（圖8c）下部樣品位于上中部樣品的左上方，這可能源于物源的變化或者黃土沉積物化學(xué)風(fēng)化程度的差異。參照粒度指標(biāo)，金溝河下部黃土堆積階段，源區(qū)與沉積區(qū)氣候較溫和濕潤，風(fēng)力減弱而化學(xué)風(fēng)化加強(qiáng)，導(dǎo)致風(fēng)成輸入的原生磁性礦物氧化程度的變化，進(jìn)而使磁性礦物組成發(fā)生變化[42-43]。另一可能是因?yàn)轱L(fēng)力減弱，輸入的亞鐵磁性礦物粒度變細(xì)，這也會(huì)造成SIRM/χ增加。雖然金溝河黃土都呈灰黃色，野外觀察無法分辨出古土壤層，但其磁學(xué)指標(biāo)也反映了干旱化趨勢。距離沙漠更近的米東剖面（圖8d）反映比較單一的磁化率風(fēng)力增強(qiáng)模式，光釋光測年結(jié)果顯示米東（即白楊河BYH）黃土剖面底部年齡為145 ka[44]，依據(jù)χARM/χ與SIRM/χ等環(huán)境磁學(xué)指標(biāo)，其S1發(fā)育以來有一定干旱化的趨勢[18]。

圖8 磁化率與飽和等溫剩磁散點(diǎn)圖（a）東灣鎮(zhèn)黃土[30]；（b）鹿角灣黃土；（c）金溝河黃土[18]；（d）米東黃土Fig.8 Relationships between SIRM and χ of loess from (a)Dongwan[30]; (b)Lujiaowan; (c) Jingouhe[18]; (d) Midong

進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)同一指標(biāo)在剖面下部的峰值或谷值大多并不在S3，而是在S2S2。S3 下部粒度等指標(biāo)波動(dòng)較大，上部基本與S2S2相當(dāng)，但古氣候意義比較明確的χARM/SIRM 則要略低于S2S2。比較鹿角灣與東灣鎮(zhèn)黃土，可以發(fā)現(xiàn)兩者第三層古土壤都發(fā)育比較深厚，可以劃分為三個(gè)亞層，磁化率都比第四層古土壤低（圖9）。類似發(fā)現(xiàn)同樣見于西昆侖山黃土[45]與昆侖山北麓的于田大坂白西黃土[14]。依據(jù)西昆侖山黃土古氣候代用指標(biāo)變化曲線，可觀察到大約距今230~350 ka，粒度較粗，而且在200 ka左右相對于在300 ka 左右粒度明顯較粗，反映古氣候比較干旱[45]。天山北麓黃土S3發(fā)育階段比S2發(fā)育階段干旱，可能跟300 ka左右的干旱化事件有關(guān)。盡管如此，東灣鎮(zhèn)黃土第四層古土壤（S3）發(fā)育以來的粒度與巖石磁學(xué)指標(biāo)變化趨勢與鹿角灣剖面有別[30]，這可能因?yàn)檩^高海拔的鹿角灣剖面更多的受西風(fēng)水氣影響，而海拔較低且位于沙漠南緣的東灣鎮(zhèn)黃土物源更復(fù)雜，更多受到局地氣流影響。

圖9 東灣鎮(zhèn)與鹿角灣黃土巖石磁學(xué)指標(biāo)隨深度變化曲線對比（東灣鎮(zhèn)磁化率曲線據(jù)文獻(xiàn)[13]）Fig.9 Variations in rock magnetism parameters vs. depth at Dongwan (modified from reference [13]) and Lujiaowan

東灣剖面黃土粒度變化分析（圖10）表明在大約8~2.4 m 處粒度有較明顯的增加趨勢（8 m 以下層位粗粒組分大幅增加，對應(yīng)L2）。相對于鹿角灣剖面，東灣剖面粒度眾數(shù)明顯更粗，采用4~30 μm與30~63 μm 兩粒度組分含量的比值（4~30 μm/30~63 μm）作為代用指標(biāo)，其變化與其他粒度指標(biāo)一致，反映自S1以來直至全新世開始，研究區(qū)持續(xù)干旱化。

圖10 東灣黃土粒度指標(biāo)隨深度變化曲線Fig.10 Variations in grain size parameters vs. depth at Dongwan

中緯度亞洲內(nèi)陸地區(qū)古氣候演變受冰期間冰期周期變化控制，在間冰期又受西風(fēng)氣流影響[46]，這在鹿角灣的粒度曲線變化中有所反應(yīng)。古土壤發(fā)育是不同物源（近地面風(fēng)系為主）與不同水氣來源（西風(fēng)為主）綜合影響的結(jié)果[12]。不同位置的黃土剖面對古氣候的響應(yīng)有所不同。古土壤開始發(fā)育與黃土開始堆積很可能并不嚴(yán)格對應(yīng)一個(gè)間冰期的起止。各指標(biāo)適用性、靈敏性不一，單一指標(biāo)的運(yùn)用需要謹(jǐn)慎。對于該區(qū)不同尺度的古氣候演變研究還有待進(jìn)一步深入開展。

5 結(jié)論

鹿角灣黃土記錄了大約300 ka以來的冰期間冰期變化，并反映了西風(fēng)強(qiáng)度變化對粉塵輸送與古氣候演變的影響。不同黃土剖面受西風(fēng)氣流與局地氣流的影響，所記錄區(qū)域古氣候變化不盡一致，但都反映黃土沉積以來干旱化的趨勢。研究區(qū)在鹿角灣黃土S2 發(fā)育階段總體上可能比在S3 發(fā)育階段略為濕潤，L2黃土開始堆積對應(yīng)古氣候明顯變干，S1發(fā)育階段比S2與S3發(fā)育階段干旱，干旱化趨勢一直保持至全新世之前。

致謝 感謝陳家勝博士、馬明明博士、郭雪蓮博士與毛學(xué)剛博士在野外工作與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中的幫助，感謝評審專家細(xì)致的建設(shè)性修改意見。