上新世暖期(5-3Ma)是与当代全球变暖最为相似的类比期。这一时期同工业革命前相比,全球气温高2.5℃,大气二氧化碳浓度高35%,北半球大规模冰川缺失,海平面上升。太平洋地区的表层海水温度上升,在东西和南北两个方向上温度差缩小。由低纬度海洋向中纬度内陆地区输送暖湿气流的信风系统减弱。这些气候特征与当代“厄尔尼诺”现象相似。据现代气象观测,“厄尔尼诺”会给我国北方带来干旱天气。然而上新世暖期的气候是否会长期处于“厄尔尼诺”状态之下,有没有给我国北方地区带来持续性的干旱,目前存有很大争议。黄土高原的红粘土风成序列为研究这一时期的我国北方的气候特点提供了最佳的材料。为了恢复红粘土发育时期的气候特点,研究人员围绕气候代用指标展开了一系列研究工作,取得了丰硕的成果。这些代用指标包括蜗牛化石记录、植物孢粉记录、磁化率、粒度、铁矿物、碳酸盐矿物含量、碳氧同位素等。然而使用已有的气候代用指标获得的古气候信息之间缺乏一致。上新世的气候特征仍然颇具争议,争议的焦点在于上新世东亚季风是否存在、黄土高原的气候是否更加干燥、黄土高原的植被分布特征与现代是否相似。为了回答这些问题,本文以气候变化敏感矿物——碳酸盐为切入点,在野外地质考察的基础上,对六盘山以东地区自南向北四条红粘土剖面(段家坡、灵台、巴家嘴和佳县)展开地球化学研究。围绕红粘土碳酸盐矿物已开展的研究工作存在如下问题或不足：1)对于不同的碳酸盐矿物种类未作区分；2)缺少不同种类的碳酸盐矿物的地球化学特征；3)对不同类型的碳酸盐矿物的时空分布特点缺乏了解；4)成壤碳酸盐碳同位素的解释存在争议；5)成壤碳酸盐氧同位素的研究整体上较为薄弱。针对以上问题,本文采用X射线衍射、漫反射红外光谱(FTIR)、场发射扫描电镜(FE-SEM)和稳定同位素质谱仪(MAT)等手段,研究了各剖面中碳酸盐的矿物学特征、成因,建立碳酸盐矿物的定量分析方法,阐明了各剖面中碳酸盐矿物(原白云石、方解石)的含量、碳氧同位素变化规律与分布。在此基础上,进一步探讨了成壤碳酸盐的种类和含量变化与季风的关系；恢复了上新世古生态；揭示了红粘土成壤碳酸盐氧同位素与全球气候变化的联系。论文的原创性成果包括以下四个方面：1)发现红粘土存在着次生成因的原白云石(高钙白云石)。本文使用红外光谱方法(FTIR)鉴定和定量了红粘土原白云石和共生方解石,获得了自南向北四条红粘土剖面的原白云石和方解石矿物含量。发现随着地层由老到新,原白云石含量和出现频率在四条红粘土剖面一致呈现出降低的趋势。在空间上,段家坡和巴家嘴红粘土原白云石含量较高,平均值分别达到了6.0%和3.6%；灵台和佳县剖面原白云石含量较低,平均值只有1.6%和1.7%。2)红粘土原白云石的碳氧同位素偏负,指示了陆相“淡水”成因和大气降水的参与。微形貌观察显示红粘土原白云石由直径为1-20μm的自生微晶体构成,具有菱面体结构,生长在土壤孔隙中与自生方解石共生。这表明原白云石原位生长,是在成壤过程中自生形成的。论文提出较高的Mg2+/Ca2+比值和较为温暖、干旱的气候条件是形成原白云石的必要条件;红粘土原白云石对上新世较温暖和干旱的气候条件具有重要的指示意义。3)发现红粘土沉积序列存在着碳酸盐淋滤-淀积旋回,基本与深海氧同位素轨道尺度旋回吻合。其中淋滤层碳酸盐含量低,磁化率高,Rb/Sr比值高,Zr/Rb比值低；而淀积层碳酸盐含量高,磁化率低,Rb/Sr比值低,Zr/Rb比值高；与上覆第四纪黄土-古土壤旋回相类似。确立了8-3Ma期间至少存在七次重大环境事件,为青藏高原隆升和全球变化的区域响应研究提供了新的证据。此外,研究发现上新世暖期(5-3Ma B.P.)存在类似于第四纪的季风旋回,结论并不支持上新世暖期“永久性厄尔尼诺”假说。4)发现了红粘土钙结核碳同位素自南向北逐渐偏正,并揭示了在6.7-6.4Ma和～3.6Ma两次重要的C4植被扩张事件,很可能与干旱化加剧有关。据红粘土钙结核氧同位素时间序列变化特点,确定了晚中新世以来三个重要演化阶段。发现6.1-3.6Ma,钙结核氧同位素逐渐偏正；-3.6Ma之后,偏正的趋势加剧。钙结核氧同位素值逐步偏正与深海氧同位素由轻变重的趋势一致,很可能与全球变冷过程和中国西部内陆干旱化的加强有关。