晚中新世柴達(dá)木盆地低偏心率時期傾角驅(qū)動的干濕變化

鄧欣宜，聶軍勝，任雪萍

蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，西部環(huán)境教育部重點實驗室， 蘭州 730000

人類目前生活的地質(zhì)時期是1.17萬年至今的全新世，這是一個地球軌道偏心率較低、太陽輻射振幅變化較小的間冰期[1-2]。在工業(yè)化革命后溫室氣體持續(xù)增排的背景下，到21世紀(jì)末大氣CO2濃度可能上升到（500～600）×10-6[3]，遠(yuǎn)高于北半球冰蓋形成時的閾值。未來全球氣候可能會繼續(xù)變暖，演變成北半球夏季無冰的“單極冰室模式”[4-5]。晚中新世是一個距今較近的溫暖期，該時期僅在南極形成了大規(guī)模冰蓋，北半球尚未形成大規(guī)模的穩(wěn)定冰蓋[6-7]。因此，分析過去暖期的干濕變化，如晚中新世的低偏心率期氣候干濕變化規(guī)律及其對地球軌道參數(shù)的響應(yīng)機(jī)制，對預(yù)測未來亞洲地區(qū)氣候干濕變化具有重要參考價值[8-16]。

近幾十年來，國內(nèi)外許多學(xué)者基于中國黃土[17-25]、石筍[26-27]、湖泊[24,28-29]、海洋沉積物[30-33]等載體，對與當(dāng)前天文背景（低偏心率下的全新世）相似的溫暖間冰期，如深海氧同位素11和19階段（MIS 11和MIS 19）等，開展了廣泛的研究，為剖析區(qū)域和全球氣候演化的驅(qū)動機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。以MIS11為例[34]，東亞高分辨率石筍氧同位素記錄的軌道尺度降水變化具有明顯的2萬年周期，支持了北半球夏季太陽輻射對亞洲夏季風(fēng)降水的控制[26-27]，而中國黃土磁化率記錄的降水變化存在顯著10萬年周期，這與北半球冰量的周期性變化一致[14,35-37]。此外，模擬結(jié)果表明，在低偏心率時期，傾角變化是控制氣候變化的主要因素。例如，Wu 等[38]利用大氣、生物、海洋和海冰地球系統(tǒng)模型（LOVECLIM）模擬了南北兩個半球海溫和海冰在417～511 ka期間對歲差和傾角的不同響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)低偏心率時期（417～460 ka ）傾角變化發(fā)揮主導(dǎo)作用。同時，第四紀(jì)約1～2 Ma時期大氣環(huán)流模型（GCM）的結(jié)果也表明，低偏心率時期傾角變化控制著南北半球高緯度冰量和氣候變化[39]。上述研究主要集中在北半球有冰時期，北半球沒有永久冰蓋時低偏心率時期氣候變化研究還很薄弱，氣候變化如何響應(yīng)軌道參數(shù)變化的機(jī)制尚不清楚，這些都限制了對亞洲內(nèi)陸環(huán)境未來變化的預(yù)測[40]。

以往對中國北方干旱-半干旱地區(qū)高分辨率氣候變化的研究偏重從較長尺度理解軌道尺度氣候干濕變化規(guī)律，少有針對低偏心率這一特殊短時期軌道尺度干濕變化規(guī)律和驅(qū)動機(jī)制研究[41-43]，制約了對干旱區(qū)低偏心率時期軌道尺度干濕變化規(guī)律和驅(qū)動機(jī)制的認(rèn)識。例如，在柴達(dá)木盆地、貴德盆地、天水盆地、蘭州盆地基于磁化率或Rb/Sr重建的古氣候變化記錄共同表明，晚漸新世（28.1～24.1 Ma）、早中新世（21.5～17.2 Ma）和晚中新世（約 14～7 Ma）降水變化以顯著的10萬年周期為主，這歸因于偏心率調(diào)節(jié)的降水變化[11,16,41-43]。因此，為解答亞洲干旱區(qū)低偏心率時期氣候變化如何響應(yīng)地球軌道參數(shù)，亟需獲取對氣候變化更為敏感地區(qū)的高分辨率古氣候記錄。

柴達(dá)木盆地是重建低偏心率時期高分辨率軌道尺度氣候變化歷史的理想場所[42,44]。首先，柴達(dá)木盆地處于東亞季風(fēng)區(qū)、亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)和青藏高原高寒區(qū)這三大自然區(qū)的交匯位置，對氣候變化尤為敏感[45-46]。其次，柴達(dá)木盆地內(nèi)發(fā)育巨厚的新生代河湖相地層，沉積速率高，較完整地記錄了氣候變化的詳細(xì)信息[47-50]；位于其東北部的大紅溝剖面地層出露較為連續(xù)，晚中新世時段平均沉積速率高達(dá)約34 cm/ka，提供了高分辨率環(huán)境干濕變化研究的良好地質(zhì)載體[51-52]。本研究選取柴達(dá)木盆地大紅溝剖面河湖相沉積地層為研究對象，運(yùn)用頻率磁化率指標(biāo)，重建北半球無冰的晚中新世（9～12 Ma）高分辨率干濕變化歷史，對比軌道參數(shù)，探究在低偏心率時期該區(qū)干濕變化規(guī)律、主導(dǎo)周期及其對地球軌道參數(shù)的響應(yīng)機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地是中國西北內(nèi)陸地區(qū)、青藏高原東北部一個封閉的山間斷陷盆地，位于35～39°N、90～99°E（圖1）。盆地被周圍高大山系所環(huán)繞，西北、東北和南部分別為阿爾金山、祁連山-南山和昆侖山系，周圍山脈海拔范圍高達(dá)4 000～5 000 m，盆地內(nèi)部海拔為2 700～3 000 m。氣候方面，盆地當(dāng)前大氣環(huán)流模式主要受西風(fēng)環(huán)流控制[53]，而盆內(nèi)以高寒大陸性氣候為主，終年干旱少雨，多大風(fēng)天氣；降水主要集中在夏季，年均降水量小于150 mm；蒸發(fā)量相對較強(qiáng)（年均2 000～3 000 mm）。構(gòu)造上，盆地被東北部祁連山逆沖斷裂、西北部阿爾金走滑斷裂、南部東昆侖斷裂和東部鄂拉山走滑斷裂4個典型斷裂帶包圍，在盆地的形成和演化中發(fā)揮著重要作用[54]。盆內(nèi)部新生代河湖相地層分布廣泛，大量沉積物質(zhì)主要由周邊山地剝蝕和風(fēng)化作用提供，富含新生代環(huán)境演化過程的關(guān)鍵信息[47]。

大紅溝剖面（37°31′N、95°09′E）位于柴達(dá)木盆地東北部，出露較為連續(xù)，全長6 200 m（圖1）。剖面地層由老到新依次劃分為路樂河、下干柴溝、上干柴溝、下油砂山、上油砂山和獅子溝組，主要為河湖相沉積。其中，本文研究的9～12 Ma段地層主要包括下干柴溝組（3 250～3 500 m）上部和上干柴溝組大部（3 500～4 400 m）。下干柴溝組以曲流河相沉積為主，巖性包括砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾雜礫巖等，上干柴溝組則是以曲流河-濱湖相沉積為主，巖性以棕紅色泥巖和黃綠色砂巖為主[55]。

圖1 研究區(qū)及采樣剖面位置圖Fig.1 The study area showing sampling section location

目前對于大紅溝剖面地層古地磁年代還存在三種不同的年代模式，第一種觀點結(jié)合孢粉、介形蟲、葉化石和介形蟲等將剖面年代界定為古新世——晚中新世（約52～7 Ma）[48,50]；第二種觀點結(jié)合新發(fā)現(xiàn)的紅溝動物化石群將該剖面年代界定為晚漸新世——上新世（約25～5 Ma），與地層中發(fā)現(xiàn)的新近紀(jì)孢粉時代較為吻合[51]，第三種觀點則將地層年代界定為早中新世——上新世（約21～5 Ma）[52]。其中，后面兩種年代模式都是結(jié)合晚中新世哺乳動物化石群得到，年代主要差別在于路樂河組，而其他時段古地磁極性柱對比較好，說明剖面地層古地磁結(jié)果較為可靠[51-52]。此外，在第三種年代模式下的古氣候研究發(fā)現(xiàn)，大紅溝剖面降水在中中新世暖期增強(qiáng)，與區(qū)域乃至全球氣候變化較為一致，也說明該年代模式是相對可靠的。因此本研究基于第三種年代模式進(jìn)行高分辨率古氣候重建。根據(jù)該年代模型已有的古地磁控制點[52]建立了9～12 Ma時期對應(yīng)的時間標(biāo)尺（4個古地磁年代控制點對應(yīng)年代分別是 12.049、11.056、9.786和 9.105 Ma，結(jié)合控制點線性內(nèi)插可得到詳細(xì)的年代序列），為高分辨率軌道尺度干濕變化歷史的重建提供了良好的年代基礎(chǔ)[52]。

2 材料及方法

本剖面采樣平均間隔1 m，共采集古環(huán)境樣品999個，樣品平均時間分辨率為3 ka。我們首先將散裝樣品在恒溫烘箱（約40℃）中烘干，用研缽將樣品研磨粉碎至無明顯顆粒狀（不破壞磁性礦物)，同時將粉末樣品裝入一個邊長為2 cm的立方體（無磁性）塑料盒中壓實固定并稱重。然后，在遠(yuǎn)離電磁場干擾的環(huán)境中測試每個樣品的磁化率值。測試儀器采用Barington MS2 磁化率儀，分別獲得低頻（470 Hz）和高頻（4 700 Hz）磁化率（χlf和χhf），并重復(fù)測量2次，取其平均值。由平均高低頻磁化率之間的差值計算（χfd=χlf-χhf）可得頻率磁化率（χfd）。頻率磁化率通常反映超順磁（SP）和單疇（SSD）臨界點附近顆粒含量的變化[56]，這些顆粒的形成主要受氣候變化相關(guān)的成壤作用控制[57]。同時，以往基于黃土高原現(xiàn)代表層土壤中χfd與氣候變化（降水和溫度）關(guān)系的研究指出，χfd代表成壤或風(fēng)化過程產(chǎn)生的超順磁顆粒中亞鐵磁性礦物含量的變化，與降水變化的相關(guān)性較高，χfd越高表明降水相對越多[58-60]。

對于河湖相沉積物，頻率磁化率指標(biāo)蘊(yùn)含的信息更加復(fù)雜，可能受到其他因素的影響，比如沉積后的還原溶解作用及搬運(yùn)過程中基巖碎屑物質(zhì)加入的影響等。但是，大紅溝剖面晚中新世以河流相和邊緣湖相沉積為主，非封閉性湖泊，還原作用相對弱，磁性礦物發(fā)生溶解的可能性較小。另外，該剖面熱退磁方法揭示出該序列沉積物中的主要載磁性礦物包括磁鐵礦和赤鐵礦[52]。而9～12 Ma期間大紅溝剖面物質(zhì)來源相對穩(wěn)定[52]，說明碎屑物質(zhì)來源變化不大，加入到沉積物中的基巖碎屑物質(zhì)沒有明顯變化，不影響軌道周期的研究。因此我們認(rèn)為在軌道尺度上，其他因素引起的誤差有限，不足以影響對軌道周期變化的討論。因此，本研究采用大紅溝剖面沉積序列中的χfd記錄來指代柴達(dá)木盆地東北部9～12 Ma的降水變化。

3 結(jié)果與討論

將大紅溝剖面頻率磁化率log10χfd曲線與同時期地球軌道參數(shù)對比（圖2），結(jié)果表明，在低偏心率和低進(jìn)動（歲差）振幅時期（9.2～9.4 、 9.6～9.8 、11.2～11.4 Ma），大紅溝剖面頻率磁化率變化以明顯的4萬年周期為主，與傾角周期一致。同時，從相位關(guān)系上看，柴達(dá)木盆地低偏心率期（9.2～9.4 Ma和9.6～9.8 Ma），氣候干濕變化與傾角變化具有相同的相位變化關(guān)系，傾角較大時，氣候較濕潤（圖2）；然而，在另外一段低偏心率期（11.2～11.4 Ma），氣候變化與傾角變化大致處于反相位關(guān)系（圖2），造成差異的原因可能是干濕變化序列沒有經(jīng)過年代調(diào)諧，軌道尺度上年代控制存在一定誤差。上述結(jié)果表明，低偏心率下柴達(dá)木盆地干濕變化受傾角變化控制。

圖2 大紅溝剖面9~12 Ma頻率磁化率記錄和地球軌道參數(shù)對比圖a——c.地球軌道參數(shù)偏心率（紅線）、歲差（綠線）和傾角（藍(lán)線）曲線[2]， d.頻率磁化率 (χfd) 4 萬年周期濾波曲線， e.Log10χfd曲線，f.低偏心率時期頻率磁化率小波分析圖，白線及箭頭指示頻率0.025。Fig.2 Comparison in frequency magnetic susceptibility (χfd) recorded from the Dahonggou section with astronomical orbital parameter during 9 to 12 Maa-c.The earth’s orbital parameters of eccentricity (red line), precession (green line), and obliquity [2]; d.40 ka Gaussian bandpass filtered output of χfd;e.log10χfd curve; f.the wavelet transform of χfd during the period of low eccentricity, white line and arrows point at the frequency of 0.025.

前人研究發(fā)現(xiàn)，在晚中新世的低偏心率和低進(jìn)動振幅時段，全球冰量變化和其他西風(fēng)區(qū)氣候變化也響應(yīng)4萬年周期性波動，與我們的結(jié)果一致，支持傾角驅(qū)動。例如，根據(jù)南海 ODP1146鉆孔中晚中新世底棲有孔蟲δ18O的記錄，冰量變化在此時期（約9.2～9.7 Ma）以約4萬年周期主導(dǎo)[6,61-62]。此外，有學(xué)者基于磁性地層和旋回地層學(xué)在西班牙東北部的普拉多剖面晚中新世（9.1～10.3 Ma）邊緣湖相地層的研究發(fā)現(xiàn)，在偏心率最低值時（如9.6～9.8 Ma，約9.2～9.4 Ma）的地層旋回厚度明顯高于全剖面平均巖層厚度，推測在進(jìn)動振幅較小的時期，傾角變化可能對氣候變化起主導(dǎo)作用[10]。

以往的研究表明，軌道參數(shù)傾角的周期性變化會影響南北半球太陽輻射的時空分布，傾角可以通過調(diào)節(jié)太陽輻射的溫度梯度來影響極地冰量、西風(fēng)急流和海陸熱差，進(jìn)一步控制亞洲氣候變化[15,63-65]。

在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合柴達(dá)木盆地氣候變化與傾角關(guān)系分析，推測傾角可能通過控制太陽輻射影響低偏心率時期（9.2～9.8 Ma和 9.6～9.8 Ma）大紅溝剖面的干濕變化。主要原因如下：首先，傾角變化影響中緯度西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度和西風(fēng)位置，從而調(diào)節(jié)亞洲氣候變化。傾角越大，夏季北半球徑向太陽輻射和溫度梯度越小，西風(fēng)環(huán)流越弱，位置越偏北，降水越少[15]。本研究中柴達(dá)木盆地氣候較為濕潤，推測該區(qū)域受西風(fēng)影響較小，且西風(fēng)減弱和北撤也可能增強(qiáng)亞洲季風(fēng)環(huán)流，使柴達(dá)木盆地氣候比較濕潤。其次，傾角通過改變南半球經(jīng)向溫度梯度來影響南極海洋冰蓋動力學(xué)，進(jìn)一步增強(qiáng)了全球氣候?qū)A角驅(qū)動的敏感性[65]。南極冰蓋的擴(kuò)張可以通過增強(qiáng)跨赤道壓力梯度和潛熱釋放來增強(qiáng)東亞夏季風(fēng)[66]，而柴達(dá)木盆地的高降水在9.2～9.4 Ma和9.6～9.8 Ma對應(yīng)于高傾角，不利于南極冰蓋增長[67]，因此推測南極冰蓋對該地區(qū)降水變化的影響較小。第三，模擬和地質(zhì)記錄表明，傾角也可能通過直接控制北方夏季太陽輻射梯度來改變海陸熱力差，再通過調(diào)節(jié)高緯大陸低壓系統(tǒng)和低緯海洋高壓系統(tǒng)之間的熱力差異，對亞洲季風(fēng)氣候產(chǎn)生影響。因此，高傾角可對應(yīng)東亞夏季風(fēng)降水增強(qiáng)，并對周邊內(nèi)陸地區(qū)產(chǎn)生持續(xù)影響[63,68]。近期的研究也已經(jīng)指出，柴達(dá)木盆地在晚中新世構(gòu)造和軌道尺度上可能受到東亞夏季風(fēng)的影響[12,69]。因此，基于以上討論，我們推測在晚中新世低偏心率時期，傾角通過調(diào)節(jié)太陽輻射梯度，影響亞洲夏季風(fēng)，進(jìn)而控制柴達(dá)木盆地軌道尺度的干濕變化。

需要指出的是，本文對于干濕變化的推斷主要是基于頻率磁化率單一指標(biāo)記錄，該指標(biāo)可以指示沉積物中20～30 nm級磁性礦物的含量，這些細(xì)顆粒磁性礦物的含量主要是通過風(fēng)化成壤作用產(chǎn)生的。因此，該指標(biāo)在河湖相沉積物中比磁化率指標(biāo)具有更加明確的環(huán)境干濕變化指示意義。然而在更大的構(gòu)造尺度上該指標(biāo)的變化還可能受到巖性變化和構(gòu)造活動等其他因素的影響，因此本文主要討論軌道尺度的環(huán)境變化。盡管如此，建議未來還應(yīng)繼續(xù)開展基于其他指標(biāo)和不同尺度的干濕變化研究，進(jìn)一步檢驗本文初步結(jié)論的正確性。

4 結(jié)論

本研究以青藏高原東北部柴達(dá)木盆地大紅溝剖面晚中新世（12～9 Ma）河湖相沉積地層為研究對象，在已有的古地磁年代標(biāo)尺基礎(chǔ)上，運(yùn)用頻率磁化率指標(biāo)分析低偏心率時期柴達(dá)木盆地高分辨率干濕變化規(guī)律和主導(dǎo)周期，并通過對比地球軌道參數(shù)記錄，探討了該時期干濕變化與地球軌道參數(shù)變化之間的響應(yīng)關(guān)系。

研究表明，晚中新世低偏心率時期（9.2～9.4 Ma，9.6～9.8 Ma和 11.2～11.4 Ma）歲差 (進(jìn)動) 振幅較小，柴達(dá)木盆地干濕變化具有明顯的4萬年周期，說明低偏心率時期該區(qū)域干濕變化可能主要受傾角控制。其中，9.4～9.2 Ma和9.8～9.6 Ma時段降水變化與傾角變化具有同相位關(guān)系，而11.2～11.4 Ma時段降水變化和傾角變化具有反相位關(guān)系，這可能受到年代誤差影響。結(jié)合前人研究，我們推測低偏心率時期的傾角變化可能通過調(diào)節(jié)太陽輻射梯度來影響柴達(dá)木盆地干濕變化。