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环境磁学是一门介于地学、磁学和环境科学之间的新兴边缘学科。它通过研究磁性矿物在环境系统中的迁移、转化和组合的规律,根据物质在磁性特征上的联系及其反映在环境的内涵,探索不同时空尺度的环境作用、环境问题和人类活动影响,揭示环境变化的过程和机制。中国黄土地层由多层黄土和古土壤叠覆而成,是一种记录第四纪气候波动历史的十分理想的信息载体。黄土中蕴涵着多种古气候指标,其中,黄土的环境磁学性质已成为研究古气候的重要对象。
作为陆地上最完整的信息载体,中国黄土的研究与深海氧同位素曲线互相映证,揭示了气候旋回的全球性,成为当今全球变化研究的重要途径。对于中国风尘黄土分布,多数学者认为其南界到达了长江以南,“广泛发育于北纬30°—49°之间”。刘东生、安芷生、丁仲礼、李吉均等对黄土高原研究已取得巨大成功,但对江南,例如南京地区的研究,过去虽有李立文等做过工作,仍然十分欠缺,主要是未做过系统的古地磁测年、磁化率和粒度分析工作,未建立与北方黄土地层的对比分析研究。我们的工作就是初步恢复中国江南的第四纪风尘堆积,使风尘堆积的研究系统化,并对当时的沉积环境进行探讨。
长江以南地区的第四纪风尘堆积具有堆积时间长、沉积连续的特点。作为古环境信息的载体,它记录了形成过程中环境变迁的丰富信息。通过对南京江北泰山新村下蜀土所采的144个样品和南京江南燕子矶下蜀土剖面所采的467个样品所进行的古地磁测年、磁化率测量和粒度测定,提取其记录的气候环境信息,可以阐明这一地区更新世以来的环境变迁规律。它与北方黄土—古土壤序列以及深海氧同位素阶段进行对比,可以验证古气候变化的全球一致性以及东亚季风区气候的特殊性。本文通过系统的磁性地层学沉积学研究,建立了南京地区下蜀黄土—古土壤堆积192.7kaBP~0.6kaBP的序列:
1、下蜀黄土磁化率记录的气候环境变化呈现出明显的旋回波动特征,它所记录的古气候波动与北方黄土记录有着良好的对应关系,特别是192.kaBP以来下蜀黄土记录(燕子矶剖面磁化率曲线)可与深海沉积氧同位素记录进行细节上的对比,说明下蜀黄土堆积对全球古气候变化有着显著响应。
2、粒度特征进一步证实下蜀黄土是中国北方黄土的空间延伸堆积,它们是在第四纪气候旋回条件下地.气相互作用形成的地质统一体,验证了下蜀黄土的风成学说。
3、各向异性记录的古风场变化,说明下蜀黄土并不是在西北季风的单一影响下形成的,而是冬季风、夏季风共同作用的结果;与此同时,下蜀黄土的物源也并非只有西北干旱区,东部沿海地区冰期时出露的大陆架也是其物源区,甚至可能是主要的物质来源。
4、根据磁化率、各向异性、粒度等环境代用指标,将约192.7kaBP以来南京地区的古环境变迁划分为5个时段:
1)192.7kaBP~151.4kaBP:这一段为暖期,对应发育古土壤S2层;气温约为12-13℃,降水量为660-743mm,气候温润;风向以东南向为主,说明夏季风占优势。
2)151.4kaBP~98.2kaBP:本段为冷期,对应于下蜀土L2层;气温在5-13℃之间变化,降水量为369-718mm,气候由暖湿向干冷转型;其中151.4 kaBP~120.3 kaBP较温暖,平均气温约11℃,平均降水量655mm,此时仍以东风为主,夏季风是主导因素;120.3kaBP~98.2kaBP最为干冷,平均气温约7℃,最低气温5.2℃,平均降水量约479mm,最低降水369mm:此时主风向是西北—东南向,冬季风影响增强,与夏季风共同作用于下蜀土的堆积。
3)98.2kaBP~49.3kaBP:这一段为暖期,对应发育古土壤S1层;气温约为11-14℃,降水量为639-767mm,气候暖湿,平均气温约12.5℃,平均降水量709mm;风向以东南向为主,夏季风重新占据优势地位。
4)49.3kaBP~11.5kaBP:本段为冷期,对应于末次冰期,堆积下蜀土L1层;气温约为9-13℃,降水量为533-761mm,最低气温8.5℃,最低降水量533mm;气候比上一段暖期干冷,但没有120.3kaBP~98.2kaBP段恶劣;西北风再次占优,冬季风又一次加强,甚至超过120.3kaBP~98.2kaBP段,比夏季风影响更强;同时东北风也有所增强,影响范围扩大。
5)11.5kaBP~0.6kaBP:这一段为暖期,进入全新世,发育S0层古土壤;气温约为13-14℃,降水量为741-789mm,最高气温14.0℃,最大降水789mm;此时以西风和南风为主。
以上研究结果确立了南京地区风尘堆积的古气候全球变化意义。