1、黄土的研究现状及古气候意义姓 名 石慧瑾院 系 地理科学专 业 地理科学班 级 1101学 号 1155010115黄土的研究现状及古气候意义地科学院 1101 班 石慧瑾 摘要：黄土高原黄土一古土壤序列是古气候演化在陆相地层中的反映，已经成为认识第四纪地球气候与环境变化的三个重要信息载体之一，可用来探讨东亚季风气候的形成演化和受控机制、气候突变事件的记录乃至反演我国内陆干旱化历史。稳定同位素、磁化率和抱粉等气候代用指标的地球化学、物理学以及生物学分析为提取黄土一古土壤序列中蕴藏的古气候环境信息提供了新的途径。随着定量重建古气候方法的不断引进，运用替代指标研究的结果的准确度和精度也在不断提高。
2、研究黄土具有重要的价值和意义，本文从以下几个方面介绍了黄土的研究现状：过去典型增温期黄土高原东西部 C3、C4 植物组成变化特征、黄土高原黄土_ 古土壤序列古气候代用指标、粒度分析在中国第四纪黄土古气候研究中的应用现状、特征时期黄土高原风化成壤强度的空间特征与气候梯度。并详细叙述了对古气候的意义。关键词：黄土；古土壤；研究现状；古气候1 引言 中国的黄土高原大约有 7Ma 的历史，甚至更长(22Ma)。黄土一古土壤是季风气候下的产物，其中黄土层形成于冬季风相对强盛时期，期间气候干冷，粉尘堆积速率高，风化成壤较弱;古土壤则代表了夏季风相对强盛期，气候温暖湿润，风化成壤作用强，就形成褐红色的古土壤
3、。因此黄土一古土壤序列记录了最近 7Ma 东亚冬季风占优势和夏季风占优势气候期相互交替的变迁历史。该风尘堆积序列随着青藏高原高度的不断增长，越来越多地显示黄土高原气候向干旱化方向发展。赵济针对全新世时期亚洲大陆的造山运动已基本停止这一情况，提出引起黄土高原环境演变具有全局性意义的自然因素首先是气候的波动。由于长尺度环境记录的相对缺乏，导致气候和构造事件发生时代的不确定性成为研究工作面临的突出困难。但利用不同古气候代用指标的地球化学、物理学以及生物学等方面的对比分析无疑会有助于从黄土一古土壤序列中分离出全球性和区域性的气候变化信息。下面，就黄土研究现状和对古气候意义进行阐述。2 黄土的研究现状2
4、.1 过去典型增温期黄土高原东西部 C3、C4 植物组成变化特征研究现状通过对整个黄土高原末次间冰期以来的典型黄土剖面的研究，较系统的获得了黄土高原东、西部末次间冰期和全新世中期两个特征高温期 C3/C4 植被的演化特征。全新世中期时段，黄土高原东部和西部均表现为 C4 植物丰度的明显增加；而末次间冰期时段，黄土高原东部和西部不同地貌类型 C4 植物丰度存在显著的差异，西部粱峁区 C4 植物减少，而东部和西部塬区则 C4 植物增加。空间差异可能与降水增多的季节性变化导致植物变化有关。如把两典型增温时段作为未来全球增温的相似型，未来增温情形下黄土高原东部和西部塬区的自然 C4 植物可能增加，而黄
5、土高原西部粱峁区则可能为先增加后减少的变化趋势。2.2 黄土高原黄土_古土壤序列古气候代用指标研究现状黄土高原黄土-古土壤序列古气候代用指标均为多种因素综合作用的结果，所反映的气候特征具有良好的可比性，且与冰芯和深海沉积等所反映的气候变化趋势可以进行很好的对比，在未来全球气候和环境变化研究中拥有无限潜力和生命力。对研究季风气候的形成演化和受控机制、气候突变事件的记录乃至反演我国内陆干旱化历史等问题具有重大意义，在国际古全球变化研究中占有重要的位置。目前的气候变化研究评估指标、方法和结果还存在很大的不确定性，绝大部分气候变化影响指标、适应性和脆弱性评估模型是以定量的气候和非气候情景作为输入参数，
6、气候模式的不完善直接带来气候变化影响最主要的不确定性来源之一，就是各种情景假设的不确定性。同时，物源的远近、风力的强弱、沉积区的地形以及沉积后的保存条件等，都会影响到黄土记录的可靠性。随着全球气候变化研究的不断深人，人们认识到包含着气候突变事件的气候环境系统的不稳定性，可能会对人类生存环境带来灾难性的影响，相应要求寻找高分辨率的古环境记录成为解决这些问题的关键，为此结合地理信息系统等软件技术的开发，提高分析结果的客观性、直观性和准确性，全面推动分析方法的研究，推动古气候研究向着多元古环境替代指标、高分辨率古气候研究、气候变化的多种驱动因素等方面发展。2.3 粒度分析在中国第四纪黄土古气候研究中
7、的应用现状粒度是中国第四纪黄土古气候研究的经典替代指标之一。不同前处理方法对粒度测量结果有较大影响。在中国北方黄土研究中,中值粒径、平均粒径、粗颗粒百分含量(30m、40m)等常用作指示冬季风的替代指标;提纯石英颗粒的方法虽然理想,但分离石英的实际工作量很大;63m 的砂粒百分含量可用于指示沙漠进退 ;黏粒含量可用于指示夏季风强度。对多粒度参数的综合分析(粒度结构参数散点图、 C-M 图、判别分析等)可用于沉积物成因研究。目前,黄土敏感粒度组分分离方法主要有 2 种:以概率统计函数(如 Weibull 分布)为粒度频率曲线的拟合函数,对多动力来源的粒度全样进行数学分离,提取各敏感组分众数粒径和
8、相应的百分含量,作为东亚冬季风或高空西风的替代指标;通过计算粒级-标准偏差变化的方法获得敏感粒度组分信息。谱分析是粒度指标时间序列定量研究中常用方法之一,可用于古气候变化周期性、驱动因子和驱动过程解释等方面。粒度指标序列对于建立地层年代标尺起着重要作用,粒度年龄模型仍是较可信的建立地层年代序列的方法之一。2.4 特征时期黄土高原风化成壤强度的空间特征与气候梯度研究现状对黄土高原 15 个剖面 5 个特征时期 L1,S0, S1, S4, S5-1 风化成壤强度空间变化的研究,得出如下初步认识。1、黄土高原冰期和间冰期风化成壤强度均呈现由东南向西北减弱的特征,且南北梯度明显大于东西梯度,与现代夏
9、季风影响的降雨与温度的空间变化特征一致。但冰期时风化成壤强度的梯度变化比间冰期小。这种格局反映了冰期时夏季风环流对黄土高原影响很小,南北气候梯度更多体现了气候带的纬度效应。2、不同古土壤的研究表明,间冰期时黄土区风化成壤强度和南北气候梯度不具严格的对应关系。S1 和 S5-1 发育时期 ,高原风化成壤强度总体较强且其南北梯度亦较大,指示了当时较强的夏季风环流,但冬季风的影响亦相对较强。已有研究表明,成壤最强的 S5-1(对应于深海氧同位素第 13 阶段) 发育时期,夏季风环流较现在的季风前缘向北伸进可能近 200km15;S0 和 S4 发育时期,高原南北风化成壤强度的梯度明显变小, 可能反映
10、了当时黄土高原在夏季风影响的背景下,冬季风的影响减弱, 导致南北梯度的减小。因此,低纬驱动作用( 主要是夏季风环流)和高纬驱动作用(主要是冬季风环流)相互作用的模式可以较合理地解释本文观测到的冰期、不同间冰期风化成壤强度的空间变化特征。值得指出的是,本文的研究结果是初步的, 随着数据空间覆盖率的加大和多种指标的进一步印证,有望为探讨高低纬气候驱动力对我国北方黄土高原的影响提供更多的证据。3 古气候的意义大气动力学研究表明,在一定平均风速的大气边界层中风速随高度以对数函数规律增加,这一风速随高度的变化率,即风的剪切速度, 决定着风对表面颗粒所施加的剪切力,它是表面颗粒克服重力和表面阻力而运动的动
11、力。发生于粉尘源区普通尘暴事件可同时起动平均粒径在几百微米以下的所有粒级, 然而, 这些起动的颗粒所能上升的高度、它的搬运方式以及搬运距离在风的特征一定时取决于颗粒的粒径。从风成相的特征粒级分布及其在空间上分布的非线性来看, 搬运方式对粒度的分选是非线性的, 即某种粒级有其优势的搬运方式,这可能也是搬运方式上存在明显粒度界限的原因。理论计算和实际观测都表明,风的剪切速度(Uf)和颗粒开始运动所需的剪切速度阈值(u*)是颗粒运动方式是两个基本因素,并可用两者比值(Uf/u*)来评估, 当比值大于 1 时, 颗粒最多只能沿地表滚动或爬行,比值在 10.7 之间的颗粒主要以跃移方式运动,比值小于 0
12、.7 则主要作悬移运动。进一步的研究表明,一般大气环流的剪切速度存在一个明显的下限, 对于悬移组分中剪切速度阈值远远小于这一下限的粘粒组分来说,它几乎处于 “永久性”搬运状态, 只有当风速明显减小时才可沉降或随雨水沉降。而阈值速度在此之上的悬移颗粒则只能悬浮一定的距离,所以悬移组分中有短距离悬移和长距离两种组分。Pye 研究认为短距离悬移和长距离悬移的 Uf/u*比值界线大约为 0.1,它们所估算的两者的搬运距离分别为几百千米和几千千米1 。在理论计算和实际观测的基础上,Pye 等总结了普通风暴中各粒级组分的的主要搬运方式、搬运高度和一次性搬运距离。这一理论模式表明,在一般的尘暴事件中,砂和粉
13、砂级粗粒组分(70500 m)每次起动只能在上升到近地表的几厘米到几米的高度并在水平方向上跃移同样量级的距离, 这一组分就近形成风成砂;平均粒径为 20 70m 的粉砂组分其 Uf/u*值在普通风暴中一般为 0.70.1 之间 ,这一组分粒度与风速的线性相关性较好, 在一般的风暴中可上升到近地表的几百米以内, 最大高度一般不超过上千米的大气边界层,理论计算的一次性搬运距离的大致在 1 000 km 以内 ,这一组分是黄土的主要组分。它们很少在空气中悬浮较长的时间, 即便是被大风吹起也只能在低空作短时间的悬浮而被搬运较短的距离,一但风速减弱便回到地面而沉降, 它搬运的方式是近地面短距离悬移, 它
14、沉积的机理是一旦风速减小因重力作用而沉降,并且依颗粒重力大小在搬运距离上分选, 因此,在一次搬运过程中粒度越粗搬动距离越小, 就是说同一层位的黄土在横向上粒度的变化不能说明任何古气候问题,而且只有当源区基本一致时粒度在同一剖面上的变化才能指示风动力的相对变化。几个微米以下的细粒组分的搬运方式、搬运高度和搬运距离则与粗颗粒有实质性的不同,由于它们的沉降速率特别小, 在普通大气环流的 u*值都远远大于其沉降速率,所以它们一旦起动则很容易上升到高层大气并分散到不同高空的大气中被高空气流带到下风区的任一上空。高空长距离悬浮是粘粒级粉尘的主要搬运方式, 它的粒度与搬运距离之间关系不大,并且当搬运距离超过
15、上千千米时粉尘的粒度则与搬运它的风速达到了平衡,这一平衡的粒度变化指示了风速的变化。由中国内陆沙漠、黄土高原、中国和日本海域以及北太平洋粉尘区组成的北半球风尘系统是全球规模最大、发育历史最长的风尘系统,这一系统中的风尘沉积物在粒度组成和搬运方式上都表现出与上述理论计算和实际观测相一致的规律。对比三种搬运方式的粉尘粒级范围与黄土中的二个粒度组分我们清楚地看到,黄土中的粗粒主组分的粒度完全在短距离悬移粒级范围之内。从分布曲线特征来看,主组分的峰度较高,粒度分布的范围较小且较粗,它占总样的多数, 它表现出一种集中发生的降尘过程, 即它们产生于黄土高原的降尘季节里。同样的比较会发现,细粒组分显然属于长
16、距离高空悬移组分,它分布的峰度较小,分布粒度范围较大, 几乎覆盖了整个黄土粒度范围, 从这一特征来看,这一组分的形成为一种经常性降尘过程, 代表了黄土高原大气粉尘的本底。黄土与东亚冬季风的密切成因联系是近年黄土古气候研究的重要成果。黄土的古气候研究和现代粉尘的观测都表明, 冬半年是黄土高原降尘的主要季节,东亚冬季风环流主导了这些季节里的近地面气流。黄土中主组分较粗的粒度、近地面短距离搬运、在全样中的百分比、特别是它所表现出的集中发生的降尘过程等特征,都揭示了它与冬季风环流的直接关系。所以, 黄土主要组成部分的粗粒组分是东亚冬季风的产物,这一组分的粒度在很大程度上指示了东亚冬季风环流的强度。虽然
17、中国黄土主要是冬季风搬动的粉尘,但许多研究者认识到了西风环流在现代粉尘第四纪黄土和晚第三纪风成红粘土搬运中的作用。西风带是北半球中纬度大气环流系统的重要组成部分,它在黄土高原活动时间比冬季风长得多, 在冬半年里,西风带不仅覆盖了亚洲粉尘的源区和中国黄土高原,其强度也明显加强;在夏季, 虽然西风带由于夏季风北进而北移, 但它对黄土高原大气环流的影响仍明显,特别是黄土高原北部和高空气流。对于黄土中可能为长距离搬运且常年性形成的细粒组分,它的形成与西风带有密切的关系是很容易理解的。所以,细粒组分的粒度在某种程度上指示了高空西风气流的强度。从细粒组分的成因来理解的话,它的含量主要取决于主要由源区干燥度
18、决定的当时大气中的本底粉尘量,而粗粒相对于它的含量则指示了当时冬季风暴的频率,粗粒组分的粒度则指示了冬季风环流的强度。当然, 包括高空西风气流和近地面季风气流在内的任何风都可搬运细粒组分,然而现代气候研究表明,东亚季风系统是活动于中国大陆的浅薄系统,其主要活动高度一般在 1 000 m 内的大气边界层, 最大高度不超过 3 000 m。而其上则为西风环流,从地面向上几千米最大至 10 000 m 都是西风环流的活动范围, 现代粉尘活动的观测也证明高空细粒粉尘的活动可在万米以内的任一高度, 对于长距离搬运的粉尘来说则主要在几千米左右。显然,对于几百米以内活动的冬季风来说, 它对细粒组分的搬运同样
19、也是存在的, 但仅从其活动范围与西风气流相比则只有 1/10,且不说近地面气流中也有西风气流的贡献。所以,我们认为黄土中的细粒组分可能主要与西风带有关。参考文献：1 刘东生,丁仲礼.中国黄土研究新进展(二) 古气候与全球变化.第四纪研究, 1990.2 陈明扬.中国风尘堆积与全球干旱化.第四纪研究, 1991.3 徐馨,何才华,沈志达,等.第四纪环境研究方法M.贵阳:贵州科技出版社, 1992. 4 鹿化煜,安芷生.洛川黄土粒度组成的古气候意义J.中国科学(D 辑).5 鹿化煜,安芷生.黄土高原红粘土与黄土古土壤粒度特征对比红粘土风成成因的新证据J.沉积学报,1999.6 徐树建,杜忠花.激光
20、粒度仪测量风成堆积物粒度的实验研究J.水土保持研究, 2007.7 张红艳,鹿化煜,赵军等.超声波振荡对细颗粒黄土样品粒度测影响的实验分析J.沉积学报, 2008.8 孙斌,郭正堂,尹秋珍等.西宁第四纪黄土-古土壤序列中的可溶盐、来源及环境意义.第四纪研究, 2006.9 汪海斌,陈发虎,张家武.黄土高原西部地区黄土粒度的环境指示意义J.中国沙漠, 2002.10 孙有斌,周杰,鹿化煜等.风化成壤对原始粉尘粒度组成的改造证据J.中国沙漠, 2002.11 乔彦松,赵志中,李增悦等.成都平原红土堆积的风成成因证据J.第四纪研究, 2007,12 Lu Huayu, Zhang Fuqing, L
21、iu Xiaodonget al. Periodicities of palaeo-clmiatic variations recorded by loess-paleosol sequences in China.Quaternary Science Reviews, 2004.13 Nugteren G, Vandenberghe J. Spatial climatic variability on the central Loess Plateau (China) as recorded by grain size for the last250 kyr.Global and Plane
22、tary Change, 2004.14 贾佳,夏敦胜,王博等,黄土高原与伊犁黄土磁学特征对比剂启示.第四纪研究,2012.15 张晓,贾鑫,饶志国等.陇西黄土高原东南部地区末次冰期以来 C3/C4 植物相对丰度变化及其区域性剖面的对比研究.第四纪研究,2013.Research of loess and its paleo climate significancecollege of geographic science class1101 Shi Huijin Abstract: Loess and paleosol sequences in the loess plateau is a
23、reflection of paleoclimatic evolution in continental strata, has become known in the Quaternary period the Earths climate and environmental change in one of the three important information carrier, can be used to study the formation and evolution of the East Asian monsoon climate, abrupt climate cha
24、nge events recorded and controlled mechanism and retrieval of Chinas arid history. Stable isotope and magnetic susceptibility and hold powder, geochemical analysis, physics, and biology of the climatic proxy for the extraction of loess and paleosol sequences contain the paleoclimatic information off
25、ers a new approach. With the introduction of methods of quantitative reconstruction of paleo climate, surrogate marker is used to study the accuracy and precision of results are also rising. Research loess has important of value and meaning, paper from following several aspects introduced has loess
26、of research status: past typical warming period loess plateau things Department C3, and C4 plant composition changes features, and loess plateau loess _ ancient soil sequence ancient climate alternative indicators, and grain degrees analysis in China Quaternary loess ancient climate research in the of application status, and features period loess plateau weathered into soil strength of space features and climate gradient. Paleo climate significance is described in detail.Keywords:loess and paleosol; research status of paleo climate
