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地球科学进展, 2019, 34(1): 34-47 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.01.0034

中亚干旱区第四系黄土和干旱环境研究进展

王鑫,1, 张金辉1, 贾佳1,2, 王蜜1, 王强1, 陈建徽1, 王飞1, 李再军1, 陈发虎,1,3,*,*

1. 兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000

2. 浙江师范大学地理与环境科学学院,浙江 金华 321004

3. 中国科学院青藏高原研究所,北京 100101

Pleistocene Loess-Paleosol Sequences in Arid Central Asia State of Art

Wang Xin,1, Zhang Jinhui1, Jia Jia1,2, Wang Mi1, Wang Qiang1, Chen Jianhui1, Wang Fei1, Li Zaijun1, Chen Fahu,1,3,*,*

1. Key Laboratory of Western China's Environmental Systems, College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

2. College of Geography and Environmental Sciences, Zhejiang Normal University, Zhejiang 321004, China

3. Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

收稿日期: 2018-11-27   修回日期: 2018-12-28   网络出版日期: 2019-02-26

基金资助: 国家自然科学基金项目“塔吉克盆地晚始新统—中新统风成沉积序列的年代学和古环境记录研究”.  编号:41672158
国家重点研发计划项目“亚洲中部干旱区气候变化影响与丝路文明变迁研究”.  编号:2018YFA0606404

Received: 2018-11-27   Revised: 2018-12-28   Online: 2019-02-26

作者简介 About authors

王鑫(1983-),男,河南武陟人,副教授,主要从事第四纪地质和全球变化研究.E-mail:xinw@lzu.edu.cn , E-mail:xinw@lzu.edu.cn

陈发虎(1962-),男,陕西丹凤人,教授,中国科学院院士,主要从事环境变化与文明演化研究.E-mail:fhchen@itpcas.ac.cn , E-mail:fhchen@itpcas.ac.cn

摘要

中亚黄土位于连接欧洲黄土和中国黄土的咽喉地带,黄土地层的古气候记录研究对完整认识地质时期欧亚大陆古气候的演化历史、空间差异和不同时间尺度上的主控因素,深入理解欧亚大陆西风—季风系统的相互作用机制有重要意义。然而,中亚黄土的研究程度与欧洲和中国黄土相比明显偏弱,尤其与中国黄土的对比研究亟待加强。综述了近些年中亚第四系黄土研究的主要进展,基于代表性剖面和中国黄土古气候记录粗框架的对比,讨论了中亚干旱区第四纪以来构造尺度上的干旱化过程,轨道尺度上的干湿变化历史和亚轨道尺度上的干湿变化及其与东亚季风区古气候变化的相位关系。

关键词: 黄土—古土壤 ; 古气候 ; 中亚干旱区 ; 第四纪

Abstract

Loess of central Asia is located in a linkage zone between the European and Chinese loess depositional belts. Paleoclimate signatures from loess-paleosol sequences here is a key for completely understanding the spatial-tempo paleoclimate changes of Euro-Asia and for understanding the interactions between westerlies and Asia monsoon system during geological time. However, paleoclimate investigations of loess-paleosol sequences in arid central Asia is relatively weak than those from Europe and Chinese Loess Plateau. Specific, correlations of paleoclimate records with Chinese loess is required for better understanding “westerly regimes” in central Asia and its phase relationship with monsoon Asia on various time scale. In this work, we reviewed new advantages of loess study in central Asia during the last decades. Based on the stratigraphic and paleoclimatic correlations of loess-paleosol sequences between central Asia and the Chinese Loess Plateau, we discussed aridification history of Asia on tectonic time scale, the hydroclimate changes in arid central Asia and its phase relationship with Monsoonal Asia on orbital and millennial time scale during the Pleistocene.

Keywords: Loess-Paleosol ; Paleoclimate ; Arid Central Asia ; Pleistocene.

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本文引用格式

王鑫, 张金辉, 贾佳, 王蜜, 王强, 陈建徽, 王飞, 李再军, 陈发虎. 中亚干旱区第四系黄土和干旱环境研究进展. 地球科学进展[J], 2019, 34(1): 34-47 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.01.0034

Wang Xin, Zhang Jinhui, Jia Jia, Wang Mi, Wang Qiang, Chen Jianhui, Wang Fei, Li Zaijun, Chen Fahu. Pleistocene Loess-Paleosol Sequences in Arid Central Asia State of Art. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(1): 34-47 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.01.0034

1 引 言

亚洲内陆中纬度干旱区是全球典型的中纬度干旱区,由于干旱气候条件下植被覆盖度低且有持续的物质供应,该地区大面积裸露地表的碎屑物质被大尺度西风环流和/或近地表风系携带向北半球输送大量的粉尘物质[1,2,3,4],通过改变地表辐射平衡及其与大气圈、生物圈、岩石圈间的能量交换,对区域乃至全球气候产生着深刻影响[5,6,7]。亚洲内陆的干旱—半干旱环境何时、何因形成及其与东亚季风区古气候变化的相位关系一直是我国乃至国际古气候研究的基本科学问题之一。

根据地理位置和主导大气环流系统的不同,可大体将亚洲内陆中高纬度地区划分为西风环流影响显著的中亚干旱区和亚洲季风系统主导的东亚季风区(图1a)。其中,中亚干旱区大致从里海向东一直延伸到我国腾格里沙漠沿线,其核心区域包括Karakum、Kyzylkum、Muyunkum、塔克拉玛干、古尔班通古特等内陆沙漠及其下风向地区分布面积广泛的黄土和砂黄土沉积区,构成亚洲内陆中纬度干旱区的主体,东亚季风区则主要集中在中国黄土高原及其东南地区[8,9,10]

现代观测资料表明,中亚干旱区气候的主要特征为降水集中分布在冬春季节(图1b, c),气候的干湿变化与西风环流[10,11,12]、西伯利亚高压[13]乃至亚洲夏季风[14]位置和强度变化密切相关。而东亚季风区的降水则集中分布在夏季和秋季(图1d),气候的干湿变化主要受控于东亚夏季风和印度季风北界位置和强度的变化[15]。陈发虎等[8,9,16]和Huang等[10]根据大量的全新世湖泊记录,发现全新世以来中亚干旱区年际—千年尺度上的干湿变化模式与东亚季风存在错位相乃至反相位的关系,据此系统提出了中亚干旱区气候变化的“西风模态”。然而,中亚干旱区轨道尺度和构造尺度上的古气候变化历史,以及全新世之前其他间冰期亚轨道尺度上的干湿变化模式及其与东亚季风区的相位关系尚需进一步深入研究。

黄土—古土壤序列为认识区域轨道和构造尺度上的古气候演化历史提供了绝佳的沉积记录,也能为认识亚轨道尺度上的变化趋势提供重要参考。多年来,研究者对欧洲南部[17,18,19,20]和中国黄土[21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]开展了极为系统的研究工作,尤其中国黄土的研究取得了一系列举世瞩目的成果。而地理位置介于两者之间的中亚黄土研究程度则极为薄弱,目前的研究多侧重于晚第四系黄土地层的沉积学和年代学研究[34],缺少在重要古气候科学问题框架下与欧洲黄土和中国黄土的对比研究,极大地限制了人们对亚欧大陆第四纪古气候时空演化历史及其在不同时间尺度上的主控机制认识。

本文综述了近年来中亚干旱区第四系黄土研究的新进展,通过与中国黄土高原黄土—古土壤序列粗框架的对比,讨论了中亚干旱区第四纪以来不同时间尺度上的古气候变化历史及其与东亚季风区可能的相位关系。

2 中亚干旱区的黄土地层和年代

中亚干旱区的黄土地层主要发育在毗邻沙漠边缘的山麓地带(图1a),多呈带状分布[35,36],地层厚度普遍较薄,且在不同的地区变化较大。

图1

图1   亚洲内陆气候格局和本文涉及的黄土剖面位置

Fig. 1   Major climate regimes over Central Asia and locations of typical loess sections

KR: Karakum沙漠; KZL: Kyzylkum沙漠; MYK: Muyunkum沙漠; TK: 塔克拉玛干沙漠; GB: 古尔班通古特沙漠; KM: 库姆塔格沙漠; QD: 柴达木沙漠; BJ: 巴丹吉林沙漠; TG: 腾格里沙漠; MU: 毛乌素沙地; CLP: 黄土高原; EAWM: 东亚冬季风; ISM: 印度夏季风; EASM: 东亚夏季风;AB1: Agh Band 1; TS: Toshan; CS: Chashmanigar; OT: Orkutsay; BS: Bishkek; RM: Remizovka; LJW: 鹿角湾; JZT: 九州台; LT: 灵台; LC: 洛川

KR: Karakum Desert; KZL: Kyzylkum Desert; MYK: Muyunkum Desert; TK: Taklimakan Desert; GB: Gurbantunggut Desert; KM: Kumtag Desert; QD: Qaidam Desert; BJ: Badain Jaran Desert; TG: Tengger Desert; MU: Mu Us Desert; CLP: Chinese Loess Plateau; EAWM: Eastern Asian Winter Monsoon; ISM: Indian Summer Monsoon; EASM: Eastern Asian Summer Monsoon;AB1: Agh Band 1; TS: Toshan; CS: Chashmanigar; OT: Orkutsay; BS: Bishkek; RM: Remizovka; LJW: Lujiaowan; JZT: Jiuzhoutai; LT: Lingtai; LC: Luochuan


伊朗北部的黄土沉积区位于Karakum沙漠的下风向地区,在Alborz山北麓的山坡和河间地带呈带状分布,在Kopet Dag和Alborz山脉之间的平坦地带集中分布,形成于类似于黄土高原的景观[37]。Alborz山北麓黄土沉积区的年平均降水量为600~750 mm,出露的黄土地层厚约30 m,底部为一套强发育的深棕褐色古土壤层(图2a),底界年代为(127±14) ka[38],大体对应于中国黄土高原的S1[39]。伊朗黄土高原的年平均降水量为200~350 mm,该地区的中、晚第四系黄土地层厚度大于50 m(图2b),含4套弱发育的淡棕褐色古土壤层,早期的红外释光定年(Infrared Stimulated Luminescence,IRSL)结果表明,其底界年代为(145±14) ka[40],最近对细粒(4~11 μm)矿物的pIRIR290定年结果表明其底界年代为(206±14) ka,在177~97 ka存在沉积间断[41]。伊朗黄土高原晚第四系黄土—古土壤序列之下,广泛分布着厚约20 m的陆相红色碎屑岩沉积(图2c)。系统的野外和粒度、土壤微型态、扫描电镜、地球化学元素等多种沉积学证据,从不同侧面验证了这套地层实为风成沉积,高精度的古地磁和古生物定年结果表明,其底界和顶界年代分别约为2.4 Ma和1.8 Ma[42],对应于中国黄土高原午城黄土中部,是迄今中亚干旱区发现的为数不多的早第四系黄土沉积。

图2

图2   中亚干旱区典型黄土—古土壤剖面照片

Fig. 2   Photograph showing lithology of representative loess-paleosol sequences from Central Asia


塔吉克斯坦的第四系黄土集中分布在塔吉克盆地东北部,北临天山、东临帕米尔高原,黄土沉积基本相连成片,披覆在古地形之上,地层多有倾斜,可能与中新统河湖相沉积呈角度不整合接触[35]。该地区黄土地层厚达200 m,不同地区的黄土地层有很好的对比,是迄今中亚干旱区发现的分布面积最大、黄土地层最厚、沉积最为连续的黄土沉积区。丁仲礼等[43]在Chashmanigar剖面(图2d)厚195 m的黄土地层(未见底)中划分出了29套黄土—古土壤层,对应于中国黄土的S0~S24,对关键层位的古地磁定年结果表明,其底界年代约为1.77 Ma,而周边最老的黄土可达2.0~2.4 Ma[35]

乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦和哈萨克斯坦的黄土主要发育在天山北麓的河流阶地、较高的台地和开阔的河谷地带,位于Kyzylkum和Muyunkum沙漠的下风向地区[35]。乌兹别克斯坦的黄土堆积以Tashkent地区最佳,在Orkutsay剖面厚达100 m,含10套古土壤层(PC1~PC10),与下伏地层呈角度不整合接触,底界年龄大于780 ka[44]。其他剖面的黄土厚度为40~50 m,披覆在不同的地貌单元之上,含3~4套弱发育的古土壤层,由于早期的热释光(Thermoluminescence,TL)定年技术存在系统低估等问题,目前该地区晚第四系黄土尚缺少可信的年代框架[45]。哈萨克斯坦东南部的黄土厚度为80~100 m(图2e),含数套古土壤夹层,其中17.9~23.7 m的古土壤层可能对应于中国黄土的S1,但需要进一步的年代约束[13,46,47,48]。吉尔吉斯斯坦的黄土沉积在比什凯克附近出露最好,地层厚度约20 m,底界年代约为80 ka,在16.2~17.8 m处有弱发育的淡棕褐色古土壤层[49]

新疆黄土主要分布于天山和昆仑山的山麓地带[21],以乌鲁木齐—奎屯一线、新源县、和田等地区发育最佳。新疆黄土主要沉积于河流阶地、较高的台地和开阔的河谷地带,普遍位于临近沙漠的下风向的迎风坡,沉积厚度随着海拔高度的增加呈现先增加后减小的变化规律,沉积物粒度随着海拔的增加而变细。天山黄土质地较细,以粉砂为主,细砂含量极低,沉积厚度通常不超过30 m(图2f),最厚可达70 m以上,主体形成于晚第四纪[50,51,52,53,54,55,56]。需注意的是,天山黄土的底界年代一直存在争论,不同测年结果的差异表明天山黄土的底界年代仍需深入研究[54]。昆仑山黄土质地较粗,以粗粒粉尘为主,细砂含量较高,沉积厚度巨大,普鲁地区黄土岩芯厚约670 m,为迄今为止发现的最厚第四系黄土,其底界年代可能为晚上新世[57]

梳理目前已发表的中亚黄土地层和年代,不难发现,广泛分布在中亚干旱区的黄土沉积主体为中、晚第四纪以来的沉积,在塔吉克斯坦[35,43]和伊朗北部[42]有早第四系黄土的报道。中亚干旱区晚第四系黄土地层普遍含黄土和古土壤2套沉积单元,最新的系列年代学结果表明[35,38,43,48,49,58],黄土形成于冰期/冰阶,古土壤形成于间冰期/间冰阶,黄土—古土壤的发育模式与中国黄土近似[21]

3 中亚黄土的潜在物源和可能的沉积过程

明确中亚黄土的物质来源和沉积过程,是合理解释黄土地层古气候记录的基础。与中国黄土在黄土高原地区大面积堆积的分布特征不同,中亚黄土多在沙漠下风向地区的山麓地带呈带状分布。目前,中亚黄土的物源来源和沉积过程研究也多以单一地区为主,缺少系统的对比归纳,也缺少中亚粉尘对北半球粉尘传输贡献的研究。众多证据表明,中亚黄土的物质来源较为复杂,包括冰川和冰雪冻融作用对山体基岩磨蚀产生的碎屑物质[59],在构造抬升背景下山地风化产生的碎屑物质[60],上风向地区沙漠、冲洪积平原、河流阶地和干涸湖盆等大量裸露地表的细粒物质[61],以及远源干旱区的细粒物质[43,62,63]

Smalley等[58]对乌兹别克斯坦北东北部Tashkent地区的黄土堆积模式进行了系统的讨论(图3),认为该地区黄土的形成过程主要包括: 粉砂级颗粒的产生(P),主要为冰川对山体基岩的磨蚀以及构造活跃的山地因风化作用产生的大量碎屑物质;细粒物质的搬运(T)和堆积(D)。首先,在高大山体上产生的碎屑物质(包括粗粒和细粒物质),在局地河流搬运和重力作用下(T1),在山麓地带形成混杂堆积(D1)。然后,山麓地带的混在堆积物中的细粒物质被搬运至大型河流(T2),进而被搬运至远离山地的低地/盆地沉积(T3),随着河流动力的减弱而就地堆积(D2),形成粒度偏细、分选较好、质地较为均一的沉积物,在干旱气候条件下,经风力就地分选,分别形成沙漠和干荒草原景观。最后,沙漠、干荒草原、干涸湖盆和河流阶地等大量裸露地表的碎屑物质,被近地表风搬运,形成沙尘暴,细粉砂级粉尘颗粒以短距离/长距离跃移的形式向山麓地带搬运(T4),以干沉降/湿沉降形式沉降(D3),在山麓地带形成黄土,更细粒的物质(<10 μm)可能被带至高空,被西风环流搬运(T5),参与北半球风尘的传输。在山麓地带沉降后的黄土经历沉积后的成壤改造,尤其在气候条件相对湿热的间冰期,成壤强度相对较高,形成弱发育/强发育的古土壤层。

王鑫等[63]对伊朗北部黄土的粒度分析结果表明,该地区表土和晚第四系黄土的粒度组成普遍存在2个组分,由分选较好的粗粒粉尘组分(7~75 μm)和分选较差的细粒粉尘组分(2~7 μm)叠加而成,其中,粗粒粉尘组分的含量为70%~90%,构成黄土物质的主体,细粒粉尘组分的含量为10%~30%(图4)。黄土的形成包括风尘颗粒的启动、传输、沉降和沉积后的成壤改造[65]。现代观测和动力学研究表明,在风尘物质的传输过程中,10~70 μm 的粗粒粉尘颗粒,以近地面短距离/长距离跃移为主,在靠近源区的下风向地区形成砂黄土和亚砂土,在较远的沉积区形成典型黄土,而10 μm 的细粒粉尘颗粒则以高空长距离悬移为主,在远距离形成背景粉尘[66]。伊朗北部黄土组成以粗粒粉尘为主的沉积特征表明,该地区黄土的主体应为近缘沉积[63]。结合伊朗北部L1黄土厚度和粒径自北向南递减[40]、黄土多发育于山体北坡、上风向地区古沙丘砂的传输路径等证据,可以推断伊朗北部黄土的直接源区为周边的里海低地和上风向的Karakum沙漠[63]。而这2个地区大面积裸露地表的碎屑颗粒的矿物组成与Kopet Dag和Alborz山体的碎屑物质具有一定的可对比性[67],因此,有理由相信其最终物源为周边山体风化的碎屑物质。伊朗北部黄土的形成机制与乌兹别克斯坦黄土的类似,能在一定程度上代表中亚黄土的发育模式。

综合看来,中亚黄土多为近缘沉积,其直接物源区是上风向地区沙漠、冲洪积平原、河流阶地、干涸湖盆等低海拔地区,可笼统地划分为“低亚洲”(Low Asia)。而黄土物质的最终来源于构造活动活跃的高大山地,可称之为“高亚洲”(High Asia)。河流和风力作用在中亚黄土的形成过程中起着重要作用。

图3

图3   中亚黄土释放—搬运—沉积过程示意图[58]

Fig. 3   Schematic map showing emission, transportation, and deposition processes of loess deposits in Central Asia[58]


图4

图4   伊朗北部晚第四系黄土粒度组成及组分分离结果[64]

Fig. 4   Grain-size distribution of upper Pleistocene loess in north Iran[64]

FE: 拟合误差; UF: 超细粒组分; FD: 细粒粉尘; CD: 粗粒粉尘

FE: Fitting Error; UF: Ultra-fine component; FD: Fine dust component; CD: Coarse dust comoponen


现今中亚干旱区的大气环流系统主要受中纬度西风环流、西伯利亚高压、乃至亚洲夏季风系统影响[10,11,12,13,14]。除此之外,山麓前缘的局地风系对地表粉尘和水汽的传输亦具有不可忽视的影响,这与中国黄土高原主要受控于亚洲季风系统的特征显著不同。不同地区晚第四系黄土的粒度均以粗粒粉尘为主,反映了中亚黄土多为近缘沉积,意味着局地风系可能在风尘传输过程中起着主导作用。尽管局地风场的变化可能与上述大气环流系统有关,但若以单一地区黄土剖面的粒度变化来重建大尺度大气环流系统的演变历史可能存在问题,尤其需要加强物源分析和不同位置黄土记录的综合研究。

4 第四纪中亚干旱区黄土地层的古气候记录及其与东亚季风区的对比框架

4.1 构造尺度上的干旱化时空演化历史探讨

地质证据表明,白垩纪至早新生代的大部分时期,欧洲和中亚大部分地区被与印度洋、大西洋和极地大洋连通的副特提斯海占据[68,69,70,71,72,73,74,75],阿尔卑斯山、高加索山、伊朗高原和青藏高原—帕米尔高原等高大山体尚未形成,欧亚大陆的气候条件相对湿润[69]。现今,亚洲内陆中高纬度地区是全球最大的中高纬度干旱—半干旱区,这种内陆型干旱—半干旱环境何时形成?在空间上有怎样的演变过程?

黄土是典型的风成沉积,中亚干旱区的黄土地层多发育在毗邻沙漠的下风向地区而远离冰川,应属“热黄土”或“沙漠黄土”[76]。因此与中国黄土类似,中亚黄土开始大规模堆积可以一定程度上反映源区干旱化的启动,沉积速率的变化可粗略反映源区干旱度的变化[21]

前期的研究表明,中亚黄土大多形成于晚第四纪,而人们对东亚季风区的中国黄土高原黄土开始大规模堆积的年代的认识经历了2.6 Ma[22],7~8 Ma[27,28,33,77],乃至22~26 Ma[30,78,79,80]的阶段性更新。然而,一个不争的事实是中亚干旱区黄土的研究程度较中国黄土研究而言极为薄弱,且研究时段主要集中于晚第四纪,早期仅在位于中亚干旱区中部的塔吉克斯坦有早第四系黄土的报道[35,43,81]。最近在伊朗北部发现的早第四系黄土,位于中亚干旱区最西缘,与塔吉克斯坦黄土沉积区相距约1 300 km。不同位置的黄土在约2.4 Ma开始同时沉积(图5),反映了中亚干旱区的干旱化的历史至少可追溯到第四纪早期。这次早第四纪的干旱事件与塔克拉玛干沙漠的扩张[82,83]、中国黄土沉积速率[31]和北太平洋粉尘沉积速率的[2]显著增加时代大体一致,反映了整个亚洲内陆的古粉尘活动历时和干旱化历史至少可追溯到第四纪早期。

图5

图5   中亚第四系黄土—古土壤序列及其与中国黄土高原的对比框架[27,35,42,43]

Fig. 5   Pleistocene loess-paleosol sequences in Central Asia and its correlation with the Chinese Loess Plateau[27,35,42,43]


伊朗北部早第四纪黄土的沉积速率为2~3 cm/ka[42],显著低于上覆晚第四系黄土的沉积速率(约60 cm/ka)[41],塔吉克斯坦的黄土自大约1.77 Ma以来沉积速率也具有阶段性增加的趋势[43],反映了中亚干旱区的干旱度自早第四纪以来具有阶段性增加的趋势,与中国黄土高原的记录一致[31],反映了第四纪以来整个亚洲内陆干旱区的干旱度逐步增加的变化趋势。

需要强调的是,由于受山麓地带的侵蚀和副特提斯海进退的影响,中亚干旱区普遍缺少适宜黄土物质保存的地貌条件,中亚干旱区是否存在更老的黄土是值得深入研究的工作。最近对塔吉克盆地早新生界地层的研究结果表明,自副特提斯海在大约38 Ma从中亚最终退出之后,经短暂的河流相沉积,塔吉克盆地东北缘发育了相当规模以风成砂和风成砂黄土为主的近源风成沉积[64,75]。中亚干旱区新生代地层的风成沉积及其古气候记录研究可能是新的研究方向。

4.2 轨道尺度上气候的干湿变化

早期观点认为中亚干旱区的黄土—古土壤发育模式与中国黄土高原的相反,即在冰期发育古土壤、间冰期发育黄土[84,85]。近年来中亚干旱区不同地区黄土的研究结果表明与中国黄土的发育模式近乎一致,即在冰期堆积黄土、间冰期发育古土壤[38,42,43,48,49,58],宏观上反映了中亚干旱区第四纪轨道尺度上的干湿变化与东亚季风区大体同步。

末次间冰期以来黄土地层古气候记录的对比,能为认识2个地区轨道尺度上的干湿变化规律及其相位关系提供重要参考依据。可靠的年代标尺和有效指示干湿变化的古气候代用指标记录是对比的关键。最近,Lauer等[38,41]对伊朗北部Toshan和Agh Band剖面进行了系统的红外释光定年研究,发现Toshan剖面强发育的古土壤层的底界和顶界年代分别约为126 ka和74 ka,与中国黄土的S1和MIS5有很好的对比。Vlaminck等[86]对伊朗北部Toshan剖面开展了高分辨多指标体系的代用指标记录研究,发现红度的变化能客观反映黄土—古土壤的更替,即古土壤发育时红度高,而黄土堆积时红度低。通常而言,红色是赤铁矿引起的,形成于高温干旱的气候条件和排水条件好的氧化环境,黄色和灰绿色由针铁矿引起,形成于相对冷湿的气候条件和排水条件较差的还原环境。由于染色矿物与沉积物形成时的气候条件,尤其是温度和降水密切相关,红度的变化可作为温度和降水的代用指标,反映区域降水/温度的长周期变化[87,88]。基于可靠的年代控制和有效的古气候代用指标记录,伊朗北部末次间冰期以来黄土沉积的古气候记录与中国黄土高原的类似,即冰期时为相对干冷的环境,而间冰期是为相对湿热的环境(图6),从细节上反映了末次间冰期以来2个地区轨道尺度上大体相似的干湿变化历史。

图6

图6   末次间冰期以来中亚代表性黄土—古土壤剖面的红度记录及其与中国黄土高原的对比[41,43,86,88,89]

Fig. 6   Correlations of redness records from loess-paleosol sequences in Central Asia and the Chinese Loess Plateau since last inter-glacial period[41,43,86,88,89]


丁仲礼等[43,81]基于关键层位的古地磁年代控制,利用轨道协调方法建立了塔吉克斯坦黄土与中国黄土的古气候代用指标记录对比框架,显示自约1.77 Ma塔吉克盆地和中国黄土高原轨道尺度上具有大体同步的变化规律(图7)。王鑫等[42,63]对伊朗北部早第四纪黄土—古土壤序列的色度记录也与中国黄土高原中的午城黄土有一致的变化规律(图7)。结合末次间冰期以来的气候记录对比,大体可以确定第四纪中亚干旱区和东亚季风区轨道尺度上的干湿变化具有大体同步的规律。

图7

图7   中亚干旱区第四系黄土剖面的红度记录及其与中国黄土高原、深海氧同位素记录的对比框架[42,43,88,89]

Fig. 7   Correlations of redness records from loess-paleosol sequences in Central Asia and the Chinese Loess Plateau since Pleistocene[42,43,88,89]


中亚干旱区的水汽来源主要为西风环流自北大西洋、地中海、黑海、里海等搬运而来,而东亚季风区的水汽来源主要为印度季风和东亚夏季风。2个地区轨道尺度上同步的干湿变化,反映了2个地区轨道尺度上的古气候变化受同一的主控因素影响。研究表明,冰期时北半球冰盖面积增加,极峰位置显著南移、强度增加,能迫使中纬度西风环流的位置显著南移(图8a),进而导致中亚干旱区水汽来源的减少,形成局地干冷气候,黄土堆积。同时,冰量的增加会导致西伯利亚高压位置的南移和强度的增强,迫使亚洲夏季风系统位置南移、强度减弱,导致位于东亚季风区的黄土高原黄土堆积(图8a)。反之,间冰期时,由于极地冰量的减少,极峰、中纬度西风环流和西伯利亚高压位置均向北移动(图8b),导致中亚干旱区水汽来源的增加,中亚干旱区古土壤发育。与此同时,亚洲季风系统位置北移[90],导致季风区降水增加,古土壤发育。

尽管中亚黄土—古土壤序列的发育模式与中国黄土类似,但亦存在显著的区域差异。例如,研究表明中亚干旱区MIS3的沉积速率普遍较高,甚至达到峰值[38,48],这与中国黄土高原MIS3古土壤发育、沉积速率较低[15]的记录有很大的不同。塔吉克斯坦黄土记录中PC3(对应于黄土高原的S3)是发育最强的古土壤层,而黄土高原地区为S5发育最强。黄土高原普遍存在的L9等粗粉砂层在塔吉克斯坦黄土和哈萨克斯坦黄土中均未发育[43]。这些黄土记录中的差异,可能反映了区域性因素对中亚黄土的发育有很大的影响。深入研究,能更好地理解全球性控制因素和区域性控制因素的相互作用,可信的年代学和有效的古气候代用指标研究是重中之重。

图8

图8   中亚干旱区冰期(a)和间冰期(b)大气环流示意图[46,90]

Fig. 8   Schematic map showing major circulation patterns in central Asia during glacial (a) and interglacial (b) periods[46,90]

黑色虚线示意末次冰盛期[90]和现今[10]季风边界,黑色点虚线示意西伯利亚高压位置

Black dash lines indicate monsoon boundary during Last Glacial Maximum (LGM)[90] and present[10], black dot-dash lines indicate location of Siberian-Mongolian High pressure (SMH)


4.3 亚轨道尺度上气候干湿变化历史及其与东亚季风区的相位关系

对中亚干旱区湖泊记录系列的研究结果表明,全新世中亚干旱区在年代际到千年尺度上的干湿变化模式与东亚季风存在明显的错位相乃至反相位关系[8,10,91],数值模拟结果显示,全新世以来中亚干旱区亚轨道尺度上的干湿变化主要与全球遥相关、AO/NAO震荡等因素控制的西风带位置、强度和水汽含量的变化密切相关[10,92]

中亚干旱区黄土地层的深入研究能为进一步验证或完善中亚干旱区气候变化的“西风模态”提供新的地质证据。研究表明,新疆和塔吉克斯坦等地全新世黄土剖面底部为黄土、顶部发育古土壤,与位于东亚季风区的中国黄土高原早全新世堆积黄土、中全新世发育古土壤、晚全新世堆积黄土的沉积序列存在显著的差异。陈发虎等[91]对新疆全新世黄土地层的年代学研究发现新疆古土壤发育时间在6 ka前后,降水代用指标反映了区域内湿度在晚全新世达到最佳,这一变化趋势与东亚季风区黄土[73]和湖泊沉积物[93]记录的早全新世干、中全新世湿、晚全新世干的变化趋势存在明显错相位关系(图9)。需要强调的是,新疆黄土揭示的全新世湿度变化历史与区内绝大多数湖泊孢粉记录一致[95,96],但与周边地区的石笋氧同位素[97]和个别湖泊记录[98]存在明显的差异。最新的研究表明,中亚干旱区全新世石笋氧同位素的变化主要受控于大汽环流的变化[99],石笋氧同位素记录能否反映中亚干旱区干湿变化历史需要进一步研究。而与区域记录不一致的伊犁河谷湖泊孢粉记录[98],因研究地层是否是典型的湖泊沉积尚存在争议且早全新世孢粉浓度含量过低,据此重建的全新世湿度变化历史是值得商榷的。综合最新的新疆黄土[91]和中亚干旱区众多的湖泊[8,9,10,95,96]记录,我们认为中亚干旱区全新世湿度变化与东亚季风区的错位相关系是客观存在的。

图9

图9   鹿角湾剖面的湿度记录[8]及其与中国黄土[94]和公海湖泊记录[93]的对比

Fig. 9   Proxy indices of moisture changes from the Lujiaowan Section[8] and its correlation with those from the Chinese Loess[94] and Gonghai Lake[93]


那么,在全新世之前更早的间冰期2个地区是否存在这种错位相关系?伊朗北部早第四系黄土—古土壤序列中发育了2套古土壤层,与中国黄土高原午城黄土中部的2套强发育的古土壤层有很好对比[42,63]。从现有的红度记录来看,伊朗黄土高原的古土壤层中红度变化具有逐步减弱的趋势,而中国黄土高原午城黄土相应古土壤层中红度具有逐步增加的趋势,类似的情况在塔吉克斯坦黄土和中国黄土的对比中亦有存在(图7),似乎反映了中亚干旱区和东亚季风区全新世之前其他间冰期期内亚轨道尺度上的干湿变化也存在错位相关系。对中亚干旱区黄土—古土壤序列开展更为深入的沉积学、年代学和古气候记录研究,是进一步验证和发展中亚干旱区气候变化“西风模态”的重要途径。

5 结论和展望

中亚干旱区的黄土—古土壤序列可能至少自第四纪早期开始堆积,反映了干旱—半干旱环境至少可追溯到早第四纪,是否具有更老的风成沉积仍是值得开展的研究工作。第四纪以来中亚干旱区和东亚季风区黄土地层记录的轨道尺度上干湿变化具有大体一致的变化规律,可能共同受北极冰盖的消长影响。新疆黄土的研究揭示了全新世中亚干旱区亚轨道尺度上的干湿变化与东亚季风区存在明显的错位相关系,这种不一致性在全新世之前更老的间冰期也可能存在,进一步的沉积学、年代学和古气候记录研究能为深入检验和完善中亚干旱区气候变化“西风模态”提供重要的地质记录。

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