徐新文　趙慶　邱海軍

摘要：中國黃土高原的黃土-古土壤風塵堆積序列具有粒度細、沉積速率高和連續(xù)性好等特征，是古氣候?qū)W研究的重要組成部分。黃土沉積物在軌道尺度上與全球氣候關(guān)系密切，可以記錄千年-百年尺度的快速氣候事件。中國黃土古氣候?qū)W取得的核心成果之一，就是磁化率可以作為東亞夏季風替代性指標，然而，磁化率在古氣候研究中存在多解性，導致其在高分辨率研究中應用較少。文中選擇黃土高原的趙家川和巴謝剖面磁化率數(shù)據(jù)，通過與格陵蘭冰心和中國石筍等高分辨率古氣候記錄進行對比，發(fā)現(xiàn)趙家川剖面磁化率記錄了4次Heinrich事件，巴謝剖面磁化率記錄了全新世以來新仙女木、9.2 ka和4.2 ka 3次氣候快速惡化事件。通過對比分析巴謝剖面磁化率記錄的3次快速氣候事件及其可能的驅(qū)動因素，認為太陽輻射減弱可能是主要因素。

關(guān)鍵詞：黃土;磁化率;千年-百年氣候事件

中圖分類號：P318.44

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－03－011

Millennial and centennial time scaleclimate change recorded by Chinese loess magnetic susceptibility and its paleoclimatic implications

XU Xinwen1， ZHAO Qing QIU Haijun1

Abstract： The thick and continuous aeolian loess sequences from Chinese Loess Plateau （CLP） were ideal research materials for paleoclimate research.The Chinese loess sequence recorded orbital scaleclimate change excellently that could be compared well with ocean and ice core record. And it is also applied in studies of millennial and centennial time scale climate change. Magnetic susceptibility （MS） is an excellent indicator for East Asian Summer Monsoon （EASM） intensity in loess paleoclimate studies. However， it is seldom applied in millennial and centennial time scale climate change in loess paleoclimate studies because of its multipleinterpretations. In this paper， the high resolution MS record in Zhaojiachuan （ZJC） and Baxie （BX） loess profile were studied to discuss the evidence of millennial and centennial time scale climate change. MS in ZJC shows four major decrease that greater than 10×10-8m3·kg-1 in the past 60 to 10 ka. The age of these decreases in MS was 51.43 ka， 40.98 ka， 31.66 ka and 21.35 ka， respectively. The age dependent decrement of MS can make these changes more visible. MS in BX shows two abrupt decreases at about 12.16 ka and 5.33 ka. In addition， it also exhibits a distinct trough at about 9.3 ka. Compared with δ18O record in Greenland ice core and Chinese stalagmite， four Heinrich events （H5， H4， H3，H2） were identified in ZJC MS record. BX MS recorded three abrupt climate changes? related to Younger Dryas （YD）， 9.2 ka and 4.2 ka events. Comparing to the absent event happened at 8.2 ka， the most effect of these three events in CLP was the abrupt and large amplitude decrease of precipitation other than temperature. The similar behaviors of these three events in MS record in BX profile indicate they have similar driving factor. Compared to 8.2 ka event， the decrease in solar activity was the common possible driving factor for YD， 9.2 ka and 4.2 ka events， and should be the most possible driving factor.

Key words： loess; magnetic susceptibility; millennial and centennial scale climate change

廣泛分布于中國黃土高原的黃土-古土壤風塵堆積序列具有粒度細、沉積速率高和連續(xù)性好等特征，是蘊含古地磁和古氣候信息最為豐富的晚新生代陸相沉積物。它系統(tǒng)記錄了晚第四紀以來亞洲內(nèi)陸季風干旱環(huán)境的演化歷史，在地質(zhì)學、古氣候?qū)W、地層學、古地磁學以及古生物學等研究領域都占有舉足輕重的地位［1-9］。

由于環(huán)境磁學研究方法具有簡便、快速、經(jīng)濟等特點［10］，在黃土與古季風研究領域，中國黃土的巖石磁學和環(huán)境磁學研究長久以來一直被視為核心內(nèi)容之一［5， 11-12］。磁性礦物的種類、含量和粒徑分布的變化蘊藏了大量的古環(huán)境和古氣候信息［10， 12］，為深入理解古季風的演化歷史提供了大量可靠的環(huán)境磁學指標［12-13］。通過中外科學家的合作研究，環(huán)境磁學在亞洲古季風研究中取得了豐碩成果，其中最為引人注目的成果是發(fā)現(xiàn)黃土高原第四紀黃土-古土壤序列的磁化率可以作為東亞夏季風替代性指標［2， 13-14］，而且磁化率可以與深海沉積物氧同位素記錄的冰期／間冰期旋回進行良好地對比［2， 15］，表明軌道尺度上中國第四紀黃土堆積與全球氣候之間存在密切的內(nèi)在聯(lián)系。近年來，隨著高分辨率黃土古氣候?qū)W的展開，黃土沉積可以記錄Heinrich事件和D－O旋回等亞軌道氣候波動［8， 16］，甚至全新世以來的快速氣候惡化事件也有所表現(xiàn)［17］。然而，在高分辨率黃土古氣候?qū)W研究中，主要依靠粒度、元素等指標［16-17］，作為夏季風代用指標的磁化率（環(huán)境磁學參數(shù)）卻很少提及。本文選擇黃土高原中部的西峰趙家川和巴謝剖面，通過高密度磁化率數(shù)據(jù)分析可能包含的千年-百年尺度的氣候波動，進而對黃土中記錄的氣候快速變化事件進行更為深入的認識和理解。

1 數(shù)據(jù)來源

巴謝剖面位于甘肅省東鄉(xiāng)族自治縣境內(nèi)巴謝河的二級階地上（103°24′ E，36°42′ N），厚度為16m，根據(jù)14C和熱釋光年代標定點為基礎，通過磁化率年代計算公式［18］獲得整個剖面的年代，底部為15.76 ka［19］。趙家川剖面位于黃土高原現(xiàn)存面積最大的董志塬東緣，位于甘肅省西峰市以東約16km的胡家崾險村至趙家川村間（35°45′ N，107°49′E）。剖面選擇氧同位素階段的終止點年齡作為控制點，對控制點間年齡應用粒度年代模式線性內(nèi)插獲得［20］。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果

文中所用數(shù)據(jù)，趙家川剖面為近60～10 ka以來磁化率，巴謝剖面為近15.76 ka以來磁化率，其中，趙家川剖面磁化率變化范圍為41.9～83.66×10-8m3·kg-1，平均值為55.04×10-8m3·kg-1（圖2A）。整個剖面磁化率變化較為平穩(wěn)，按照磁化率的變化特點，自底部向上可以劃分為3個階段：60～40.98 ka，磁化率波動較小，變化范圍為53.54～72.82×10-8m3·kg-1;40.98～26.43 ka，磁化率值與前一階段相比有所減小，波動仍然較小，變化范圍為43.44～58.88×10-8m3·kg-1;26.43～19.45 ka，磁化率值呈現(xiàn)一個峰值，最大值可達83.67×10-8m3·kg-1;19.45～10 ka，磁化率值較低，且變化較小，范圍為41.90～54.97×10-8m3·kg-1。

巴謝剖面磁化率變化范圍為9.14～82.33×10-8m3·kg-1，平均值為40.18×10-8m3·kg-1（圖2B）。整個剖面按照磁化率的變化特點自底部向上可以劃分為3個階段：15.76～12.9 ka，磁化率呈現(xiàn)穩(wěn)定的低值，變化范圍為9.14～22.38×10-8m3·kg-1;12.9～5 ka，磁化率值整體較高，平均值可達51.73×10-8m3·kg-1，在11.91 ka和9.21 ka處磁化率出現(xiàn)了兩次大幅度的快速降低;5 ka以來，磁化率以幅度較小的波動為主，變化范圍為21.57～55.36×10-8m3·kg-1，平均值為33.7×10-8m3·kg-1。

3 討 論

環(huán)境磁學作為一種重要的古環(huán)境研究手段，在黃土研究中得到了廣泛的應用［12-13］。大量巖石磁學證據(jù)表明，成土作用的強度是導致黃土與古土壤中磁化率差異的本質(zhì)因素［21］，是磁性增強的主導機制［13， 22］。在成土過程中，大量細顆粒（超順磁性顆粒和單疇顆粒）磁鐵礦和磁赤鐵礦生成，造成了古土壤的磁化率顯著高于黃土。因此，磁化率與夏季風降水密切相關(guān)，可以作為東亞夏季風相對強度變化的代用性指標［2， 13， 22］。

3.1 黃土磁化率與Heinrich事件

趙家川剖面磁化率在21.35 ka處存在顯著降低的現(xiàn)象（圖3）。此外，51.43 ka，40.98 ka和31.66 ka處均顯示出一定的磁化率降低，幅度均大于10×10-8m3·kg-1。為了更加清晰的辨識磁化率可能記錄的環(huán)境事件，我們采用磁化率的變化量來突出。磁化率的變化量定義為MSi=MSi-MSi-1，如果該值為正，表明磁化率出現(xiàn)了降低，且值越大磁化率降低的越強烈。通過磁化率變化量隨時間的變化可知，在60～10 ka之間，磁化率快速降低（降低幅度大于10×10-8m3·kg-1）發(fā)生過4次，依次為51.43 ka，40.98 ka， 31.66 ka和21.35 ka。通過與格陵蘭冰心（GRIP）氧同位素［23］、葫蘆洞石筍氧同位素［24］、靖遠剖面黃土平均粒徑［8］變化的比較可知， 趙家川剖面中黃土磁化率的快速降低在時間上與北大西洋冰筏事件（Heinrich events）H5，H4，H3，H2相對應。因此，我們認為在采樣分辨率足夠高的情況下，磁化率依然可以記錄千年尺度的快速氣候事件。但是，在60～10 ka這一時段，本身就屬于冰期環(huán)境，氣候較為干冷［23］。在這種情況下，成土作用的發(fā)育程度較差，磁化率處于低值段［8］，而以Heinrich事件為代表的氣候快速變冷情況，可能無法再進一步引起磁化率值的顯著降低并形成石筍氧同位素［24］等指標當中的“谷值”，更多的以類似趙家川剖面中磁化率數(shù)值的小幅度減小為表現(xiàn)形式。

3.2 黃土磁化來記錄的全新世以來氣候事件

對于全新世部分，我們則采用巴謝剖面的磁化率為例（圖4）。巴謝剖面磁化率在12.16 ka和5.33 ka處呈現(xiàn)了快速、大幅度的降低。通過與格陵蘭冰心（GRIP）氧同位素［23］和董哥洞石筍氧同位素［25］比較可知，這兩次磁化率的快速降低分別對應于新仙女木事件（YD）和4.2 ka事件。

新仙女木事件（YD）是末次冰期向全新世轉(zhuǎn)換期間，急劇升溫過程中的最后一次快速降溫事件，格陵蘭冰心記錄表明當?shù)販囟仍趲啄甑綆资曛醒杆俳档偷奖跁r的水平［26］。巴謝剖面磁化率顯示了短時間內(nèi)的大幅度降低，表明夏季風降水的快速減少，這一結(jié)果與石筍等降水指標一致。青藏高原的古里雅冰芯記錄則指出，在12.2～10.9 ka間氣溫快速降低，幅度可達12°C［27］。由此可見，YD事件導致了我國季風區(qū)降水顯著減低，氣溫也呈現(xiàn)出快速降低的變化。關(guān)于YD事件的驅(qū)動機制，目前仍然存在一定的爭論，主要有下幾種認識：①勞倫泰德（Laurentide）冰蓋融冰排入北大西洋導致溫鹽環(huán)流的擾動和北大西洋深層水生成的停止，低緯度熱量無法通過洋流傳送到高緯度地區(qū)，最終引發(fā)快速降溫［28］。②太陽輻射的減弱導致大氣當中14C迅速增加，同溫層下層降溫和同溫層風速的減小，引起極地氣團擴張，西風帶向低緯度方向移動，北半球降雨帶南移［29］。③YD期間由于全球氣候變冷，進入海洋的冰川融水就會減少，進而引起海平面上升速率的回落［30］。此外還有低緯驅(qū)動［31］、彗星撞擊［32］等說法。

我國季風區(qū)的記錄均表明了YD期間，氣溫迅速降低，降水顯著減少，夏季風強度較弱［16， 25］。然而，與之不同的是我國西北干旱區(qū)，羅布泊CK－2鉆孔湖相沉積物元素組合特征表明12.8～11.6 ka期間，我國內(nèi)陸干旱區(qū)以寒冷濕潤的氣候為特征［33］。我國季風區(qū)和西風區(qū)氣候的變化特征表明，YD期間西風環(huán)流增強，西風帶南移，季風強度減弱。美國中北部YD期間降雨量同樣出現(xiàn)了增加記錄，可能與極地急流南移，冬季降水增加所致［34］。因此，中緯度地區(qū)氣候溫度驟降而降雨增加的特征似乎支持太陽輻射減弱與大氣當中14C迅速增加這一說法。

除了YD事件，全新世以來還有兩次全球廣泛記錄的氣候惡化事件，4.2 ka事件和8.2 ka事件［35-36］。巴謝剖面磁化率數(shù)據(jù)在大約5.33 ka處出現(xiàn)了大幅度的快速降低，與4.2 ka事件相當，但是沒有記錄8.2 ka事件。大量研究成果表明，發(fā)生于距今4.2 ka的北半球中低緯度的氣候干冷事件以快速變干變冷為特征［37］，而中國北方則主要以快速干旱為主，可能是引起我國北方季風邊緣區(qū)環(huán)境敏感帶許多新石器文明由盛而衰的主要原因［38-39］。關(guān)于這次氣候事件的觸發(fā)因素目前還存在很大的爭論，如Wang等［24］通過對董哥洞的研究發(fā)現(xiàn)石筍記錄的降水減少往往與大氣中14C增加相關(guān)，認為4.2 ka氣候干旱事件可能與全新世以來太陽輻射減弱有關(guān);Xiao等［40］通過呼倫湖沉積物多指標研究認為，4.2 ka事件發(fā)生期間呼倫湖的水位降低與西熱帶太平洋和西北大西洋海水表層溫度的降低導致東亞夏季風水汽來源減少和降雨帶南移有關(guān)。除東亞季風區(qū)的干旱化記錄外，印度季風在這一時期同樣出現(xiàn)了季風減弱的情況［41］，因此該事件導致亞洲季風區(qū)均出現(xiàn)了降水的顯著減少。

此外，巴謝剖面磁化率在約9.3 ka處存在一個谷值，時間上與我國季風區(qū)普遍記錄的9.2 ka事件相仿［42］。從磁化率的降低幅度來看，9.2 ka事件表現(xiàn)較為顯著，而與之年齡相近8.2 ka事件則無明顯記錄。因此，9.2 ka事件在亞洲季風區(qū)的影響要更加顯著和普遍。對于該事件的成因，可能與太陽活動的減弱有關(guān)［42］。

綜上所述，4.2 ka事件和YD事件在我國季風區(qū)的表現(xiàn)存在很多相似性，那么他們在觸發(fā)機制上是否存在相似性值得思考。僅從巴謝剖面來看，這兩次事件的發(fā)生導致了磁化率降低的速度和幅度均有很大的相似性。因此，我們認為這兩次事件對黃土高原地區(qū)降雨量減少的影響是相似的，對古文明的毀滅性影響也是相似的。結(jié)合9.2 ka事件在巴謝剖面的記錄，我們認為太陽輻射的變化可能對這三次事件的產(chǎn)生起到了決定性作用，如大氣14 C和10Be產(chǎn)率顯示YD期間和4.2 ka左右太陽輻射均處于減弱期［43］，表明二者對太陽輻射減弱的響應存在相似性。

但是，這幾個事件在不同記錄中的表現(xiàn)卻差異較大，究其原因，可能與不同指標對氣候的敏感性不同有關(guān)。在古環(huán)境研究領域，通常所說的季風強度既包含與風力強度有關(guān)的指標，也包含與降水有關(guān)的指標，甚至多數(shù)情況下采用的指標并不能區(qū)分二者的相對貢獻［42］。磁化率主要受控于成土作用的強度，與夏季風降水之間存在相關(guān)性。在我國干旱半干旱地區(qū)，與溫度相比，降水才是影響成土作用的主要因素。因此，黃土磁化率更多的反映了降水的明顯變化，而對溫度變化則不敏感。

4 結(jié) 論

通過趙家川剖面和巴謝剖面的磁化率特征，識別了其中記錄的千年-百年尺度的氣候事件。趙家川剖面記錄了4次Heinrich事件，巴謝剖面記錄了YD，9.2 ka和4.2 ka三次全新世以來的氣候惡化事件。全新世以來的這三次事件在亞洲季風區(qū)均表現(xiàn)為降雨的顯著減少，從驅(qū)動機制上來看，可能與太陽輻射的減少關(guān)系更為密切。

致謝：感謝國家科技基礎條件平臺國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺東亞古環(huán)境科學數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支撐。

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（編 輯 李 波，邵 煜）

收稿日期：2019－12－05

基金項目：國家自然科學基金資助項目 （41402151，41572164）;黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室開放基金資助項目（SKLLQG1218）

作者簡介：徐新文，男，陜西神木人，博士，從事第四紀地質(zhì)學與環(huán)境演化研究。

通信作者：邱海軍，男，陜西神木人，教授，從事山地災害研究。