江淮流域晚第四纪黄土记录的环境演变信息及其驱动机制研究

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黄土地层是第四纪古环境信息优良的载体,区域黄土记录为重建区域古环境和探讨全球变化的区域响应提供了有效的支撑。东部晚第四纪黄土是我国黄土重要的组成部分。多年来,由于典型剖面少、后期改造作用强烈等原因,东部黄土的形成年代、古环境信息重建等仍存在较大的不确定性与争议。因此,发掘和研究更多的东部晚第四纪黄土地层,并相应地开展古环境重建工作,有助于厘清晚第四纪东部地区的古环境特征和演化过程,丰富全球环境变化在东部区域响应特征的认识。本文选取我国东部江淮流域典型的南京周家山下蜀黄土剖面和新发掘的驻马店胡庙黄土剖面为研究对象,综合采用光释光(OSL)和电子自旋共振(ESR)测年方法,构建了相应的地层年代框架。通过粒度、环境磁学、元素地球化学和有机碳同位素等指标的综合分析,重建了研究区域晚第四纪的古环境特征。结合功率谱分析和小波分析等时间序列分析方法,揭示了研究区域气候演化的周期性特征,进一步探讨了研究区域晚第四纪古环境演变的驱动机制,及其对晚第四纪全球气候变化的响应特征。本研究主要获得以下几点认识:(1)东部晚第四纪黄土的形成时代可能老于B/M界限。根据电子自旋共振测年结果,通过沉积速率外推,确定周家山剖面的底部年龄约为741 ka,顶部年龄约为132 ka。根据光释光和电子自旋共振测年结果,通过沉积速率外推,确定胡庙剖面的底部年龄约为875 ka,顶部年龄约为5.3 ka。(2)周家山下蜀黄土和胡庙黄土地层中样品的粒度组成特征表明,研究区域的黄土存在多源性。粒度分析结果显示,周家山下蜀黄土剖面和胡庙黄土剖面的频率分布曲线都呈三峰分布,具有长尾的特征,与北方典型风成黄土的粒度分布模式相似。两个黄土剖面都以粉砂组分为主,粘粒组分次之,砂粒组分最少;粒度频率累积曲线都呈现出两段式分布,但胡庙所在区域风的搬运动力更强。周家山下蜀黄土剖面的粒级-标准偏差曲线呈现“双峰分布”,31.7μm附近的粗颗粒敏感组分的标准偏差最大。胡庙黄土剖面的粒级-标准偏差曲线呈现“三峰分布”,15.9μm附近的细颗粒敏感组分的标准偏差最大。说明周家山下蜀黄土剖面和胡庙黄土剖面中的黄土沉积方式、沉积环境与典型风尘黄土相似,来源于相同的风力搬运动力,受到了相似的后期改造作用。(3)周家山下蜀黄土和胡庙黄土地层中蕴含了丰富的古气候演变信息,指示了江淮流域古环境变化的时空异质性显著。通过古环境代用指标的综合分析,周家山下蜀黄土剖面记录的约741 ka以来的古气候演化可分为四个阶段:阶段1(741~570 ka)气候温暖湿润;阶段2(570~480 ka)过渡到寒冷干燥的气候;阶段3(480~197 ka)气候处于冷暖振荡阶段,整体表现为气候温暖湿润,植被发育,生产力较高,降水也较多;阶段4(197~132 ka)气候寒冷干燥。胡庙黄土剖面记录的约875 ka以来的古气候演化可分为五个阶段:阶段1(875~337 ka)气候寒冷干燥;阶段2(337~240 ka)气候处于明显的暖湿阶段;阶段3(240~219ka)气候处于冷暖振荡阶段;阶段4(219~17 ka)气候湿润,温度较高、湿度较大;阶段5(17 ka至全新世中期)为冷干气候。各代用指标在第3阶段出现大幅度跃迁,说明此阶段的气候和环境可能发生了突变。(4)周家山区域的古植被中喜湿性的植被生物量明显高于胡庙区域,对应于东部季风区从东南向西北降水逐步减少的格局。周家山下蜀黄土剖面中有机碳同位素组成(δ13Corg)的平均值(-25.3‰)偏负于胡庙黄土剖面(-23.3‰)。两个黄土剖面中C4植被相对丰度的平均值分别为13.4%和28.8%,表明两个研究区域的植被类型都是以C3植被为主。(5)江淮流域晚第四纪气候存在显著的区域差异性演化阶段。通过综合对比研究剖面与全球晚第四纪经典的古环境演变记录,发现研究区与全球其他区域存在协同变化的同时,在MIS15-13阶段和MIS19-15阶段出现了一些差异性演化信号。这可能表明江淮流域晚第四纪气候变化响应于全球气候波动,同时也具有局地特征。(6)轨道控制因子仍是江淮流域气候变化的主要驱动力。基于对周家山剖面的亮度(L)和红度(a),以及对胡庙剖面的频率磁化率(χfd)、非磁滞磁化率与饱和等温剩磁比值(χARM/SIRM)、饱和等温剩磁与磁化率比值(SIRM/χ)的功率谱和小波分析,发现两个剖面记录的气候变化均存在以100 ka(偏心率)、41 ka(地轴倾角)、23 ka和19 ka(岁差)为主导的周期,其中偏心率的100 ka周期信号最强。这可能表明研究区域晚第四纪东亚冬季风和东亚夏季风受轨道偏心率变化的调控更加显著。中更新世转型事件发生前后全球冰量的变化可能是东亚季风100 ka周期出现的主要原因。以上成果有助于理解东亚季风的演化过程与控制机制,丰富了江淮流域晚第四纪气候变化过程的认识。
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