由黄土中碳同位素来判定末次间冰期以来的古气候--《长安大学学报(地球科学版)》1993年04期
由黄土中碳同位素来判定末次间冰期以来的古气候
【摘要】：本文通过在洛川黄土地层中采样和测定,绘制出了黄土地层δ~(13)C变化曲线。将之与美、欧、深海、极冰等多种气候曲线做对比,结果表明它是一种极敏感的代用性气候指标,而且它对湿度反应最为灵敏。配合过去所研究过的用全铁含量来反映温度变化的作法,使我们在把δ~(13)C曲线转换成直接气候指标方面更向前趋近了一步。
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1原理及方法简述 黄土地层是反映陆地上古气候的连续完整和良好的纪录,科学家们正在试图利用此种纪录来探求最好的气候指标,以便从中提取出最可靠和最完整的气候信息。 直接从黄土地层中提取碳酸盐,分析其中的碳同位素组成,是近年来发现的一个新方向。一些科学家在这方面已做
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京公网安备75号浅析黄土各理化参量在重建古气候环境研究中的意义
黄土是第四纪风力作用形成的土状堆积物，按其沉积物的来源又分为冷性和暖性黄土；按其沉积时代不同又分为午城黄土、离石黄土、马兰黄土。地质时期气候变化形成黄土区黄土——古土壤序列。
目前深海沉积、冰芯、黄土、树轮、石笋等载体由于蕴藏了丰富的过去气候信息，常被用来进行古气候的重建研究，中国黄土分布广、沉积连续、保存的环境信息丰富，已成为环境演变研究的支柱之一。黄土中可作为主要替代性气候指标的主要有黄土粒度、黄土磁化率、蜗牛化石、碳氧同位素等。
1.黄土的粒度组成及其古气候意义
安芷生等提出黄土粒度的变化主要是由冬季风的强度变化所控制，由此可以将其作为冬季风变化的一个替代性指标。事实上黄土粒度变化与沉积区与物源区的距离密切相关。冰期时，沙漠向南扩张；间冰期时，沙漠向西北退缩。这个过程对于黄土沉积中颗粒粒度的变化可能是决定性。因此，黄土高原北部，西北部边缘区黄土沉积粒度不是单一的冬季风强度变化所控制，它同时受控于沙漠进退。从这一点讲可将其视为季风-沙漠系统演化的替代性指标。同时黄土粒度组成的变化还受风化过程影响，特别是对东南部古土壤的粒度组成变化有影响。此外，黄土物质的搬用，除冬季风外西风环流也是其载体。粒度反演的确切的古气候意义及其变化机制还有待进一步研究。
2.黄土磁化率变化及其古气候意义
磁化率是物质被磁化难易程度的一种度量方法，表示单位体积样品的感应磁化强度与外加磁场强度的比值，反映沉积物中磁性矿物的含量。定义关系式k=M/H.式中H是外加磁场的强度，M是物质在外加磁场作用下产生的磁化强度。
土壤磁化率的研究最早由Henin等在1954年第五届国际土壤学会上提出。1975年刘东生院士测得黑木沟古土壤样品平均磁化率约是黄土的两倍。由此区分古土壤与黄土。关于古土壤磁性增强的机制，不同学者提出了不同假设，大都没能完美的解释这一问题，但成土过程形成非常细小的强磁性物质-磁铁矿或次赤铁矿造成古土壤磁性增强这一点已被广泛接受。
在如何将磁化率的变化转换成定量或半定量的气候参数的研究中，有学者把黄土-古土壤序列中磁化率变化与古降水量联系起来。值得一提的是，吕厚远教授根据全国166个表土样品的磁化率，研究磁化率随温度、降水量变化的统计规律。研究表明，在一定温度和降水量范围内，磁化率随年平均温度和年降水量的增加。但当年平均温度超过15°或年降水量超过1200mm时，土壤磁化率反而减小。他建立了黄土高原及其周边地区表层土壤磁化率与年均温、降水之间的函数关系——四次回归方程。据此方程推算研究区的古温度、降水，并与深海氧同位素和南极冰芯的研究结果做对比以确认其准确性。但这个方程是由统计学方法得出，并不一定适用于所有黄土剖面，如对兰州九州台剖面就不那么适用。
近年研究的新动向是利用黄土磁化率各项异性研究古风向变化。研究实例是利用黄土沉积的磁组构特征重建青藏高原东缘祁连山东北部的古风向变化。研究表明，在1.4~0.78Ma期间，本区地面主导风向为NE-SW风，从0.78Ma开始,风向转变，而到0.5Ma时，风向相反，而这一风向转变很可能是同期青藏高原强烈隆起对大气环流影响产生的环境后果。
3.黄土中的蜗牛化石及其古环境意义
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第四纪时期北极冰盖的增长与消融主导了海平面的升降和全球冰期（寒冷期）-间冰期（温暖期）气候的交替出现。北极冰盖演化的信息主要来自深海氧同位素记录，但是学术界逐渐认识到后者实际上反映的是两极冰盖变化的综合环境效应，并且可能受到大洋底流水温的严重影响。北极冰芯的连续环境记录仅能够追溯至第四纪晚期，如何获得更老时期高纬气候和北极冰盖演化的信息，成为古全球变化研究的重大命题。这方面的研究对认识北极冰盖的未来发展趋势也具有重要的现实意义。
长期以来人们一直希望能找到地质历史时期的“环境相似型”来推测未来气候的发展趋势。40万年前后太阳辐射变化幅度与未来6万年相似，是距今最近相似型。因此本世纪初40万年前后的间冰期的环境演化成为全球古气候研究的一个焦点，但终因不同地区地质记录、模型模拟结果存在显著差异，至今没有对这个时期的温暖程度、间冰期长度等问题形成统一的认识。更为重要的是，这种太阳辐射变化的相似性是否在地球环境系统的演化过程中产生过重要的作用，并在地质记录中具有重现性和周期性，是运用相似型方法预测未来气候的关键。
地质地球所新生代地质与环境研究室的郝青振副研究员与合作者发挥我国黄土记录的优势，根据黄土粒度变化研究了90万年以来不同冰期北极冰盖增长的规律，发现在以40万年为周期的北纬65°夏季太阳辐射变化幅度最小时期，北极冰盖的增长滞后于全球冰期发展，滞后时间最长约达到2万年，也就说，全球进入“冰期”后，北半球继续处于气候温暖的间冰期状态。这种现象不仅发生在40万年前后，还发生在80万年前后。
图1&过去88万年来黄土记录的东亚冬季风（EAWM）和东亚夏季风（EASM）演化序列与全球其他古气候记录的对比
a：北纬65°夏季太阳辐射（橙色）和地球轨道偏心率长期变化（黑色）；b：Imbrie北极冰量理论模型；c：深海氧同位素复合曲线（指示全球冰量）；d-e：驿马关黄土剖面粒度（&32μm的百分比，）和频率磁化率变化曲线（-间冰期变化）；f-g：洛川黄土剖面粒度（&32μm的百分比）和频率磁化率变化曲线。
阴影区显示了主要的古土壤单元以及与其他古气候记录的对比，绿色的影区突出显示了黄土粒径的滞后变化
该研究进一步提出，太阳辐射变化幅度降低、驱动变弱是造成40万年前、80万年前北极冰盖滞后发展的根本原因。已有地质证据与气候模式研究发现，北极冰盖的演化受到地球轨道要素配置的综合影响，但是北纬夏季太阳辐射降低是冰盖增长的根本原因。在太阳辐射变幅减小的时期，其最低值高于冰期形成的阈值，这就使得在40万年前、80万年前北极冰盖难以和全球冰期同步发育。
图2&（上图）40万年前后（氧同位素阶段11-10）太阳辐射（黑色曲线）与未来6万年太阳辐射（紫色曲线）的对比（负值代表未来）；
（下图）40万年前后黄土粒度（蓝色线，响应北极冰盖变化）和磁化率（橘黄色线，响应冰期-间冰期变化），显示北极冰盖滞后全球冰期发展至少2万年，指示北半球在这一时期至少持续了6万年。
上述结果为推断未来北半球冰期来临的时间提供了关键证据。与40万年前后相比，未来6万年太阳辐射的变率更低。根据北极冰盖响应太阳辐射变化的周期性规律，不考虑人为增加的大气CO2浓度的影响，北半球目前温暖的间冰期气候可能至少还会持续约4万年的时间。
上述研究结果发表在日出版的国际著名科技期刊NATURE上（Hao et al. Delayed build-up of Arctic ice sheets during 400 kyr minima in insolation variability. Nature, : 393-396）。
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