第四纪研究  2015, Vol.35 Issue (6): 1480-1488   PDF    
洛川黄土堆积粗颗粒变化记录与华北第四纪哺乳动物迁徙关系的初步探讨
袁宝印 , 郝青振, 徐钦琦, 岳峰, 张伟④①, 刘平⑤⑥    
(① 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院新生代地质与环境重点实验室, 北京 100029; ② 中国科学院古脊椎动物 与古人类研究所, 北京 100044; ③ 河北省泥河湾国家级自然保护区管理处, 张家口 075000; ④ 泰山学院旅游与资源环境学院, 泰安 271021; ⑤ 中国科学院计算地球动力学重点实验室, 北京 100049; ⑥ 中国科学院大学, 北京 100049)
摘要    黄土高原的黄土是典型的风尘堆积, 气候干冷时期, 西北冬季风加强, 黄土堆积颗粒较粗, 反之较细。据此对洛川黄土-古土壤序列的非碳酸盐粗颗粒(0.10~0.0625mm)进行测试并绘制其变化曲线。结果显示第四纪时期出现过10次冬季风超级强盛事件, 判定这些事件的地质年龄后, 发现它们与欧洲阿尔卑斯山冰期有较好的对应关系, 表明黄土堆积非碳酸盐粗颗粒值可能是极端气候变化事件的替代性指标。第四纪时期, 华北哺乳动物群曾出现4次迁徙事件, 它们与10次冬季风超强事件有一定的联系, 事件对古人类活动也显示了某些影响, 说明极端气候事件与哺乳动物进化有明显的关系, 是值得今后进一步深入研究的领域。
主题词     非碳酸盐粗颗粒    冬季风    超强事件    第四纪冰期    动物迁徙事件    
中图分类号     P534.63                    文献标识码    A

1 引言

20世纪下半叶,地球科学在生物进化和板块构造领域取得重大理论突破[1],并开始测定深海沉积氧同位素变化[2],随后中国学者对黄土高原黄土-古土壤序列开展了深入研究。在20世纪60~80年代,刘东生等[3, 4, 5, 6, 7]根据翔实的野外调查资料和大量实验数据,确立了黄土风成说。此后,刘东生、 丁仲礼等[6, 7, 8, 9]提取黄土-古土壤序列保存的气候变化信息,发现距今2.6Ma以来,地球至少发生过32次寒冷期(冰期)与温暖期(间冰期)交替的气候旋回。通过与深海沉积氧同位素曲线对比,确定这些气候旋回受地球轨道要素周期性变化的控制,这是对地球大气圈演化历史研究的重大突破。黄土-古土壤序列与深海沉积氧同位素曲线显示了地球轨道要素控制下,全球气候变化过程,并对地球不同纬度带的环境有不同的影响。高纬地区表现为极地冰盖的进退[10, 11],中纬地区主要表现为山地冰川的进退与哺乳动物的迁徙等[12, 13]

20世纪上半叶,欧洲、 北美地区第四纪地质与地貌研究曾确定第四纪时期地球发生过4次大的冰期,我国第四纪研究也曾划分出相应的4次冰期[12, 14]。华北第四纪哺乳动物的研究也发现曾发生过4次迁徙[13, 15, 16, 17]。按照系统科学的观点,山地冰川与哺乳动物群都是开放体系,其控制参数的变化(如环境变迁)小于临界阈值时,这个体系仍可保持稳定,不会发生哺乳动物迁徙事件。但某个时期控制参数超过临界阈值后,这个体系会变得不稳定,出现山地冰川进退或哺乳动物迁徙事件。然而,上述事件在深海沉积氧同位素曲线上[2]没有明确的显示。是否第四纪时期地球发生过的32次冰期与间冰期周期性气候变化中,出现过一些比较严酷的冰期,引起我国中纬地区发生更为强盛的冬季风事件,导致山地冰川的出现与哺乳动物的迁徙呢?如果上述推测是正确的,那么应当在黄土-古土壤序列和古生物遗存等记录中提取到相关信息。考虑及此,我们对洛川黑木沟黄土-古土壤序列的粗颗粒变化记录的古气候信息进行研究,并初步探讨与阿尔卑斯山冰期、 华北第四纪哺乳动物迁徙的对应关系。

2 洛川黑木沟黄土-古土壤序列非碳酸盐粗颗粒变化曲线

刘东生等[3]研究黄土堆积的粒度组成和矿物成分发现,>0.25mm粒级的颗粒仅见于山东一个地区的标本中,含量也极少,其他地区还未见含>0.25mm粒级的标本。黄土堆积中,0.25~0.10mm的粒级含量比例也极小,最大一般不超过6.5%。而0.10~0.05mm粒级含量则有明显的变化。因此,黄土堆积中0.10mm粒级是明显的界线,0.10mm以上的颗粒含量很少,<0.10mm 的颗粒开始大为增加。此外,黄土高原黄土堆积的粒度自西北向东南具有方向性变小的趋势[3],反映了风力搬运黄土颗粒的特征。研究还发现黄土堆积主要矿物成分为石英、 长石和云母等三类矿物,占碎屑矿物含量的80%以上,重矿物则主要集中于0.05~0.01mm粒级中。对不同地区黄土堆积矿物成分的分析显示,黄土堆积具有来自火成岩、 变质岩和沉积岩的各种矿物,它们的成分不随黄土高原不同地区基岩的不同而变化,说明黄土堆积的颗粒在搬运过程中经过高度混合,形成即复杂又均匀的黄土矿物成分[3]

上述研究结果表明黄土堆积是风力搬运堆积的产物,全球干冷时期,中国境内的西北季风强盛,黄土堆积粒度较大,反之粒度较小。同一地点,黄土粒度变化应反映冬季风强度变化的特征。而0.10~0.05mm粒级的颗粒,以石英矿物为主,堆积后受后期风化、 成土作用的影响最小,应能更清楚地显示气候冷暖的变化。为此,我们对洛川黑木沟黄土-古土壤序列进行了系统采样,并在实验室测定其0.10~0.0625mm粗颗粒含量。

采样剖面位于洛川县坡头村黑木沟(35°45′N,109°25′E),总厚149m,上部黄土-古土壤序列厚135m,下伏上新世红粘土可见厚度14m。黄土与红粘土之间未见明显的侵蚀,呈假整合接触关系。古地磁测试结果显示黄土与红粘土的接触面为M/G界限,年龄约为距今2.6Ma[4]。采样间距0.2m,共采样638个,然后在实验室通过筛分法测定样品中粗颗粒含量。测定步骤如下: 取样品10克,放入烧杯中加入蒸馏水,然后加入浓度10%的盐酸除去钙质,其中包括细小的次生钙结核以及蜗牛化石碎屑,再用分散剂(0.05mol/L的偏磷酸钠)分散样品。最后样品放入140目和230目分析筛中进行水筛,以测定0.10mm和0.0625mm之间的颗粒含量。

样品中未检出有>0.1mm的颗粒,对0.10~0.0625mm的颗粒称重,并用双目镜检查颗粒矿物成分。结果显示它们主要为石英矿物颗粒,偶尔可见一两颗其他矿物成分的颗粒,完全不见碳酸钙结核或蜗牛化石碎片等,因此可以认为提取的颗粒是样品中的非碳酸盐粗颗粒(以下简称为粗颗粒)。最后将所有样品提取的粗颗粒重量值绘制成黄土-古土壤序列的粗颗粒变化曲线。该曲线与黄土-古土壤序列的粒度中值曲线[7]完全不同,清楚地显示出2.6Ma以来粗颗粒出现了10次高峰值(图 1)。黄土高原黄土堆积粒度变化主要受冬季风强度与黄土物源区进退变化的影响,兰州、 榆林等距黄土物源区较近的地区,黄土粒度和沉积特征可显示出物源区的进退变化[18],但洛川离黄土物源区较远,黄土堆积粒度主要受冬季风强度的影响,因此初步判定10次粗颗粒高峰值是冬季风超级强盛事件造成的结果。

图 1 洛川黄土堆积粗颗粒曲线与第四纪冰期[12]的对比 Fig. 1 The correlation between the coarse particles in Luochuan loess-paleosol section and Pleistocene classical glaciations
3 洛川黄土堆积非碳酸盐粗颗粒变化曲线与第四纪冰期的对比

洛川黑木沟黄土堆积粗颗粒曲线(图 1)自距今2.6Ma以来至少出现过10次高峰值,它们指示了冬季风超级强盛事件。自下而上,对10次高峰值分别以C1、 C2、 C3、 C4、 C5、 C6、 C7、 C8、 C9和C10表示。在松山反极性时阶段粗颗粒含量小,只在L32、 L28、 L15和L9的相应部位出现高峰值,分别以C1、 C2、 C3和C4表示。说明午城黄土堆积阶段,气候特征总体相对温湿,只在个别阶段出现冬季风超强事件。布容正极性时,黄土层堆积明显加厚,显示干冷时期加长,而粗颗粒值也总体增加,曲线高峰值频繁出现。其中最明显的高峰值出现在L6、 L5、 L4、 L3、 L2和L1阶段,分别以C5、 C6、 C7、 C8、 C9和C10表示,其中C5~C9位于离石黄土中部,C10位于马兰黄土上部。粗颗粒变化曲线的总体特征如下:

(1)午城黄土粗颗粒含量小,粗颗粒事件出现频率低。向上粗颗粒含量逐渐变大,离石黄土、 马兰黄土粗颗粒值明显增大,粗颗粒事件出现频率增高。

(2)粗颗粒高峰值基本与黄土层对应,但都位于该层黄土的顶部,甚至达到上覆古土壤层下部。推测可能是古土壤发育时期,对下伏黄土层上部的成土改造作用所致。

(3)布容正极性时阶段,除存在较多持续时间较长的粗颗粒高峰值外,还有多个持续时间较短的次高峰值,它们甚至大于松山反极性时阶段C1和C2的峰值。从而显示出布容期阶段,冬季风超强事件出现频率高,气温低。

Ding等[7]建立了宝鸡等黄土-古土壤序列的粒度中值变化综合曲线的轨道调谐时间标尺,确定了黄土-古土壤序列的黄土层和古土壤层顶底界年龄值,进一步实现了与深海氧同位素地层的精确对比。那么,据此可以确定粗颗粒曲线10个冬季风超强事件的地质年龄。结果是:C1开始于距今2.49Ma,结束于距今2.31Ma,C2为2.13~2.12Ma,C3为1.50~1.22Ma,C4为0.94~0.84Ma,C5为0.68~0.59Ma,C6为0.48~0.39Ma,C7为0.36~0.33Ma,C8为0.31~0.25Ma,C9为0.23~0.13,C10为0.025~0.013Ma。

第四纪冰期以欧洲阿尔卑斯山区山地冰川堆积和地貌研究最为详尽、 最具代表性。1909年彭克和布吕克纳在阿尔卑斯山区划分出贡兹(Günz)、 民德(Mindle)、 里斯(Riss)、 武木(Würm)4次冰期,后来的研究又在贡兹冰期之前划分出多瑙冰期(Donau)和拜伯冰期(Biber),也就是第四纪时期阿尔卑斯山区共出现过6次山地冰川[12]。北欧莱茵河口也划分出相应的前蒂格利(Pretiglien)、 伊布龙(Eburonien)、 门纳伯(Menapien)、 埃尔斯特(Elsterien)、 萨勒(Saolien)、 威赫塞尔(Weichselien)等6次冰期。对这些冰期的地质年龄有关学者进行了不同程度的研究,除最后一次冰期外,其他冰期的年龄值尚在不断修正,故称之为浮动(floating)年代。各冰期开始的大致年龄值为: 多瑙冰期为距今1.6Ma,贡兹冰期为0.9Ma,民德冰期为0.6Ma,里斯冰期为0.36Ma,武木冰期为0.025Ma[12]

黄土堆积粗颗粒曲线显示的10个冬季风超强事件,因为有较确切的年龄值,可以较好的与欧洲第四纪冰期对比(图 1),初步对比结果为:C1和C2与拜伯和前蒂格利冰期对比,年代为距今2.49~2.12Ma。C3与多瑙冰期对比,距今1.50~1.22Ma。C3的峰值远大于C1和C2的峰值,而且早在L24时已表现出粗颗粒值的增加,甚至可接近C1和C2的峰值,因此该寒冷期发生一次更为剧烈的冬季风超强事件。C4与恭兹冰期对比,它的开始时间大致在L9底部,结束于S8中部。C5与民德冰期对比,时段为距今0.68~0.59Ma。C6~C9与里斯冰期对比,时段为0.48~0.13Ma。C10与武木冰期对比,位于马兰黄土上部,该冰期有较精确的年龄,时段为距今25~13ka,与C10的最盛期基本一致。上述对比说明,粗颗粒曲线显示一次冰期所经历的时间,可能相当于若干个黄土-古土壤旋回。

此外,在上新世红粘土层的上部,也出现了一个粗颗粒高峰值,将其以C0表示。它是否代表上新世末出现过冬季风超强事件,尚需进一步研究。Beard等[19]研究北美冰期时认为,北美第一次寒冷时期开始于距今2.8Ma之前,距今2.2Ma结束,其时段恰好相当于拜伯和前蒂格利。是否在上新世末,拜伯和前蒂格利之前,已有冰期气候发生,该冰期与北极冰盖扩展的关系等,都需后续的深入研究。

中国第四纪冰期研究中,在东部划分出鄱阳、 大姑、 庐山、 大理4个冰期,西部划分出相应的希夏邦马、 聂聂雄拉、 绒布寺、 珠穆朗玛等4个冰期[12, 14]。有关学者[20]将它们与欧洲的恭兹、 民德、 里斯、 武木冰期对比,虽然缺乏确切的年代学数据,但这样的对比推动了我国早期第四纪研究的进展。至于庐山是否存在冰川沉积,已有学者给出了否定的调查结果[21],但欧洲里斯冰期在中国的某些山区应当有所表现,对此还需要更广泛深入的调查。因此本文仍把原来的对比结果列入图 1中,在尚无新的命名前暂保留庐山冰期的名称。

以上是黄土-古土壤序列粗颗粒曲线记录的冬季风超级增强事件与欧洲、 中国第四纪冰期的对比。根据对已有研究结果的总结[22],从构造时间尺度到10年际尺度,冬季风增强的时期均对应北半球高纬度地区比较寒冷的时期。因此上述冬季风超强事件可能同时反映了北半球的寒冷事件。如果上述对比符合实际,那么黄土-古土壤序列粗颗粒曲线揭示了欧洲冰期在我国的黄土堆积中的记录,也就是说黄土-古土壤序列粗颗粒曲线记录了第四纪全球性的寒冷事件。

4 黄土堆积寒冷期记录与华北第四纪哺乳动物迁徙的关系

华北晚新生代哺乳动物进化是中外学者长期关注的热点问题。Vrba[23]在讨论环境对生物进化的影响时认为:“生物进化事件乃是环境变迁(主要是全球温度变化)的直接函数”。在该领域中哺乳动物迁徙与第四纪冰期的关系讨论尤为集中,徐钦琦等[13, 15, 16, 17]曾将华北第四纪哺乳动物迁徙事件与气候寒冷事件进行了对比。哺乳动物迁徙事件的发生只能在某些化石地点发现,除这些地点的化石层有待更加精确的测年外,哺乳动物迁徙事件目前无法取得连续的记录,因此很难与连续地层的气候记录精确对比。但黄土堆积粗颗粒曲线显示的冬季风超强事件却与之有较好的对比关系,虽然这样的对比是初步的或粗糙,却是今后有价值的研究方向。泥河湾盆地是华北哺乳动物化石和古人类活动遗迹最多最集中的地区,具有很好的代表性[24],同时黄土高原地区也保存了多个重要的动物群化石[25, 26, 27, 28],因此本文通过这些动物群、 古人类遗址与黄土堆积粗颗粒变化曲线中的冬季风超强事件进行对比(图 2),探讨这些事件对哺乳动物进化的影响。

图 2 黄土堆积粗颗粒寒冷事件与华北哺乳动物迁徙的关系 Fig. 2 The correlation between the coarse particles in Luochuan loess-paleosol section and southward mammal migration in North China

(1)C0与真象最低层位

华北最早的真象化石发现于陕西渭南游河组灰绿色湖相地层中,薛祥熙[25]命名其为游河象(Elaphas youheensis)。当时的气候温湿,植被以森林为主,含少量亚热带植物,其时代为晚上新世。泥河湾盆地东窑子头动物群、 稻地动物群的地质时代和气候环境与游河动物群相当[26, 27]。欧洲的真象、 真马出现于Montopoli动物群中,并命名为“象马事件”,其时代距今2.6~3.0Ma,相当于早维拉方期[29, 30]。Bonifay[31]和Repenning[32]认为早维拉方期气候比较温湿,但与更早的Astian期相比,已显得比较寒冷和干燥。C0是出现于上新世红粘土上部的寒冷期,其时代>2.6Ma,它应是上新世末期气候变冷的产物,这次冬季风超强事件,导致华北地区真象的出现。

(2)C1~C2与真马的首次出现

第四纪研究中曾以真象、 真马、 真牛的出现作为第四纪的开始。华北地区最早的真马化石发现于山西大荔的后河村组中[28]。后河村动物群中游河獏鼠相似种(Mimomys cf. youhenicus)和平额象(Paleoloxodon planifrons)比游河动物群中的游河獏鼠(Mimomys youhenicus)和游河象(Elephas youheensis)在进化阶段上较为进步。后河村动物群中的奥米加鼢鼠(Myospalax omegadon)、 复齿鼠兔(Ochotonoides complicidens)、 三门马相似种(Equus cf. sanmeniensis)等都比泥河湾动物群中的丁氏鼢鼠(M. tingi)、 方氏鼢鼠(M. fontanieri)和三门马(Equus sanmenniensis)要原始。因此,后河村动物群晚于游河动物群,早于泥河湾动物群,其中的三门马也是华北最早出现的真马。因此,一般认为后河村动物群时代大致为距今2.5Ma[16, 28]

Shackleton和Opdyke[2]研究深海沉积气候记录认为,距今2.5Ma发生过一次重要的冰量积聚,同时发生类似现象的地区有北美Iowa及德国[2, 33, 34]。所以,Repenning[32]提出距今2.5Ma北半球发生了新生代以来大陆冰盖第一次重要的积聚。非洲在距今2.5Ma左右,开阔草原迅速扩展,森林面积急剧减少,南方古猿粗壮种(Australopithecus robustus)和南方古猿鲍氏种(A. boisei)取代了南方古猿非洲种(A. africanus),人属中的能人(Homohabilis)开始出现[13]。洛川黄土堆积粗颗粒曲线在午城黄土底部出现C1和C2两个寒冷期,地质年代距今2.49~2.12Ma,与欧洲拜伯冰期和前蔕格利冰期相对应,表明C1和C2两个冬季风超强事件记录了华北第四纪最早的冰期,并可能导致中国真马的出现,也标志着第四纪时期的开始。

(3)C3与华北哺乳动物第一次南迁

C1和C2之后,C3寒冷期到来之前,黄土堆积粗颗粒曲线出现较长时段的低值,表明该时段气候整体比较温暖。这期间华北早更新世气候比较暖湿,泥河湾古湖已扩展到盆地东端,是泥河湾动物群最繁盛的时期[24]。与其同时的动物群有山西的临猗动物群、 西侯度动物群,陕西郭阳动物群及河南三门动物群等,它们的时代大致在距今1.8~1.4Ma[15, 35]。这些动物群以鹿化石为其特色,如山西轴鹿(Axis shansius)、 粗面轴鹿(A. rugostus)、 华丽水鹿(Rusa elagans)、 双叉四不像鹿(Elaphurus bifurcatus)、 晋南四不像鹿(E.chinnaniensis)、 蓝田四不像鹿(E. Lantianensis)和步氏多枝角鹿(Euctenoceros boules)等,它们是南方型动物。泥河湾盆地的马圈沟遗址、 小长梁遗址、 照坡遗址、 葡萄园遗址等均发现于此时段[36],说明当时气候环境适合古人类生存。在距今1.4Ma 前后,中国鬣狗首次出现,上述南方型动物在华北地区消失了,这是第四纪时期华北第一次动物迁徙事件[15]

黄土堆积粗颗粒曲线从L21开始粗颗粒逐渐增加,在L15期间达到最大值(见图 1)。此阶段恰好与欧洲多瑙冰期[12]相对应,所以,C3的粗颗粒高峰值是这次冬季风超强事件的表现,也可能是华北中国鬣狗首次出现和第四纪哺乳动物第一次南迁的原因。目前,在华北地区尚未发现C3寒冷期时段的古人类化石或旧石器遗址,是否该时段古人类无法克服干冷的气候环境,也存在向南迁徙现象,需要进一步研究。

(4)C4与华北哺乳动物第二次南迁

洛川黄土堆积粗颗粒曲线在C3之后,C4寒冷期之前,为粗颗粒低值阶段,华北的公王岭动物群出现在此阶段[37, 38]。公王岭动物群具有明显的南方型动物群色彩,其中有些种属如大熊猫(Alluropoda)、 猎豹(Sivapanthera)、 剑齿象(Stegodon)、 巨貘(Megatapirus)、 貘(Tapirus)、 爪兽(Nesteritherium)、 毛冠鹿(Elaphodus)、 苏门羚(Capricornis)等都是南方大熊猫-剑齿象动物群中的重要成员。蓝田猿人化石与公王岭动物群为同一时期,另外,在泥河湾盆地东端发现东谷坨、 许家坡、 霍家地等旧石器遗址[36],指示在气候环境较为温湿时,华北较多地区有古人类活动。然而,在C4寒冷期阶段华北丽牛(Leptobas)、 埃楚斯坎熊(Ursus etruscus)和爪兽(Nesteritherium sinensis)绝灭了,上述南方型动物在华北地区消失了,此即华北第二次动物南迁事件[15]

C4事件对应氧同位素阶段22。据Kukla和Nakagawa[39]、 Bonifay[31, 40]以及Repenning[32]的深海沉积气候记录研究认为,氧同位素阶段22是全球重大降温事件,并与欧洲贡兹冰期对比,杨怀仁[12]将其与我国鄱阳冰期对比。洛川黄土堆积粗颗粒曲线在L9出现高峰值,即C4冬季风超强事件,可与欧洲贡兹冰期和我国鄱阳冰期相对比。这期寒冷和冬季风超强事件可能导致了华北第二次动物南迁。

(5)C5与民德冰期

洛川黄土堆积粗颗粒曲线的C5冬季风超强事件为中更新世早期,距今0.68~0.59Ma,可与欧洲民德冰期和中国大姑冰期[12]对比。C5冬季风超强事件的粗颗粒峰值大体与C4事件相同,其干冷程度也应相似。C5冬季风超强事件之后为黄土堆积的S5粗颗粒低值阶段,气候温湿,恰好是中更新世华北气候从早更新世的温湿环境向晚更新世干冷气候转换的过渡时期,也是华北动物群从南方型动物群向北方型动物群转换的时期,代表性动物群为周口店动物群[15]。周口店动物群主体为北方型动物,延续时间较长。周口店遗址下部地层喜冷动物有复齿旱獭(Marmota complicidens)、 肿骨鹿(Magaceros phachyosteus)、 洞熊(Ursus cf. spwlaeus)、 狸(Castos sp.)、 中国鬣狗(Hyaena Sinensis)等,喜暖的动物只有梅氏犀(Dicerorhinus cf. kirchbergens )一种。北京猿人发现于周口店遗址的第10层,时代为距今0.57Ma,也处于C5之后的温暖阶段[41]。但南方型动物群在这个温暖阶段尚未扩展到华北时,气候又进入下一个冬季风超强事件。

(6)C6~C9与华北哺乳动物第三次南迁

C6~C9为中更新世后期的冬季风超强事件,粗颗粒高峰值频繁出现,从距今48万年至13万年,与欧洲里斯冰期和中国的庐山冰期[12]大致对应,其中包括了MIS 11、 9、 7和5共4个间冰期。 虽然这一时段内的冰期冬季风超强事件累计的时间只有20多万年,但黄土层堆积厚度共达16m,其堆积速率为午城黄土的4倍。这表明C6~C9阶段气候干冷程度和冬季风强度很高。反映到华北动物群,则出现华北哺乳动物第三次南迁事件。周口店动物群中许多常见种属已侵入到长江北岸,如硕猕猴(Mocaca robustus)、 维氏花鼠(Tamias cf. wimani)、 居氏大河狸(Trogontherium cuvieri)、 变异仓鼠(Cricetulusvaricus)、 中华猫(Felis chinensis)、 双角犀(Dicerorhinus sp.)、 李氏野猪(Suslydekkeri)、 葛氏斑鹿(Pseudaxis grayi)和肿骨鹿(Megaloceros pachyosteus)等,甚至一些北方型动物也侵入到长江北岸,如麝鼹(Scaptochirus sp.)华北绒鼠(Eothenomysinez)和棕熊(Ursus arctos)等[15],说明这次降温事件比以前更为剧烈,持续时间也比较长。虽然此次冰期导致华北北方型哺乳大举南迁,但这个冰期时段华北不仅周口店遗址有古人类生活,陕西大荔人也生活于这个阶段,泥河湾盆地的东端一些旧石器遗址也处在该时段[36]。许家窑遗址和山西的丁村遗址大致处于C6~C9时段的末期。这些古人类是已能抵御冬季风强盛的寒冷气候环境,还是在温湿阶段迁回到这些地区是值得今后深入研究的问题。

(7)C10与华北哺乳动物第四次南迁

C10寒冷期与马兰黄土上部堆积同期,并与深海氧同位素阶段2相对应,粗颗粒高峰值大致出现在距今1.5万年。欧洲武木冰期时代为距今6.0~1.1万年,C10寒冷期正处于该冰期时段,可与中国大理冰期[12]对比。在此期间,华北的北方型哺乳动物第四次南迁,据徐钦琦研究[15],这次事件表现为北方型动物已侵入到长江以南地区。如江苏溧水神仙洞动物群出现棕熊(Ursus cf. arotus)、 麝鼹(Scaptochirus moschatus)和仓鼠(Cricetulus sp.)[42]。浙江余杭凤凰山动物群出现了典型北方型动物,如似布氏田鼠(Microtus brandtioides)和仓鼠(Cricetulus sp.)等[43]

周口店遗址的山顶洞人恰好生活于这次冰期最寒冷时期[41],泥河湾盆地发现与这个阶段的旧石器遗址有新庙庄遗址、 上沙咀遗址、 板井子遗址、 二道梁遗址、 油坊遗址,还有山西的峙峪遗址等都处于这个以冰期为主的环境中[36]。这些是否显示了当时华北古人类已有较高的生产力和文明,能够抵御冰期的寒冷气候还有待深入研究。

5 结论

洛川黑木沟黄土-古土壤序列的粗颗粒曲线变化剧烈,特征明显,对其指示的气候环境进行分析、 总结后,获得以下初步认识:

(1)洛川黄土堆积粗颗粒变化曲线显示了特征性的极端气候事件,可分辨出第四纪以来共发生过10次冬季风超强事件。根据黄土-古土壤序列的年代学研究结果,可以确定这些寒冷事件的年龄值,据此可与欧洲阿尔卑斯山冰期进行较好的对比。因此,推测洛川黄土堆积粗颗粒曲线记录的10次冬季风超强事件是经典第四纪冰期在黄土堆积中的记录。

(2)黄土堆积记录的10次冬季风超强事件与华北哺乳动物迁徙事件有明显的对应关系,使我们对华北哺乳动物迁徙事件的原因和过程有了更为深入的理解。中更新世以来,是否华北古人类已能抵御冰期气候的不利环境条件,值得深入探讨。

(3)洛川黄土剖面粗颗粒变化曲线可能是冬季风超强事件的替代性指标,具有重要的研究价值,应继续在黄土高原更广泛的地区更多的剖面上开展测试和深入研究,或许它将是以前黄土-古土壤序列剖面气候变化曲线的补充与完善。

参考文献(References)
1 Flint R F. Three theories in time. Quaternary Research, 1974,4(1):1~8
2 Shackleton N J, Opdyke N D. Oxygen-isotope and paleomagnetic evidence for early northern hemisphere glaciation. Nature, 1977,270:216~219
3 刘东生等. 中国的黄土堆积. 北京:科学出版社, 1965. 1~237
Liu Tungsheng et al. Accumulation of Loess in China. Beijing:Science Press, 1965. 1~237
4 刘东生等. 黄土与环境. 北京:科学出版社, 1985. 1~481
Liu Tungsheng et al. Loess and the Environment. Beijing:Science Press, 1985. 1~481
5 安芷生, 卢演俦. 华北晚更新世马兰期气候地层划分. 科学通报, 1984,29(4):228~231
An Zhisheng, Lu Yanchou. A climatostratigraphic subdivision of Late Pleistocene strata named Malan formation in North China. Kexue Tongbao, 29(4):228~231
6 Ding Z L, Yu Z W, Rutter N W et al. Towards an orbital time scale for Chinese loess deposits. Quaternary Science Reviews, 1994,13(1):39~70
7 Ding Z L, Derbyshire E, Yang S L et al. Stacked 2.6-Ma grain size record from the Chinese loess based on five sections and correlation with the deep-sea δ18O record. Paleoceanography, 2002,17(3):doi:10.1029/2001PA000725
8 刘东生, 袁宝印. 第四纪气候波动模式——黄土和深海沉积记录的对比. 见:中国科学院地质研究所编. 中国科学院地质研究所地质科研成果选集(第一集). 北京:文物出版社, 1982. 113~121
Liu Tungsheng, Yuan Baoyin. Quaternary climatic fluctuation——A correlation of records in loess with that of the deep sea core. In:Institute of Geology, Academia Sinica ed. Research on Geology(Ⅰ), Institute of Geology, Academia Sinica. Beijing:Cultural Relics Publishing House, 1982. 113~121
9 郭正堂, 丁仲礼, 刘东生. 黄土中的沉积——成壤事件与第四纪气候旋回. 科学通报, 1996,41(1):56~59
Guo Zhengtang, Ding Zhongli, Liu Tungsheng. Pedosedimentary events in loess of China and Quaternary climatic cycles. Chinese Science Bulletin, 1996,41(1):56~59
10 Clark P U, Alley R B, Pollard D. Northern Hemisphere ice-sheet influences on global climate change. Science, 1999,286(5442):1104~1111
11 Haug G H. Ganopolski A, Sigman D M et al. North Pacific seasonality and the glaciation of North America 2.7 million years ago. Nature, 2005,433(7028):821~825
12 杨怀仁等. 第四纪地质. 北京:高等教育出版社, 1987. 64~186
Yang Huairen et al. Quaternary Geology. Beijing:Higher Education Press, 1987. 64~186
13 徐钦琦. 论地球轨道变化对生物进化的影响. 大自然探索, 1987,6(21):48~52
Xu Qinqi. History of Quaternary mammals and astronomical factors. Exploration of Nature, 1987,6(21):48~52
14 李四光. 中国第四纪冰川. 北京:科学出版社, 1975. 1~160
Lee Siguang. Quaternary Glaciations in China. Beijing:Science Press, 1975. 1~160
15 徐钦琦. 东亚更新世哺乳动物的南迁活动及其与气候演变的关系. 见:中国古生物学会编. 中国古生物学会第十三、十四届学术年会论文选集. 合肥:安徽科学技术出版社, 1986. 271~278
Xu Qinqi. Southward migration activitics of mammals in East Asia during Pleistocene and their relationship with palaeoclimatic development. In:Committee of Palaeontology Society in China ed. Selected Papers of 13th and 14th Annual Conventions of China Palaeontological Society. Hefei:Anhui Science and Technology Press, 1986. 271~278
16 徐钦琦. 华北晚新生代哺乳动物的进化事件及其与欧美的对比. 古脊椎动物学报, 1989,27(2):117~127
Xu Qinqi. Late Cenozoic mammalian events in North China and correlation with those in North America and Europe. Vertebrata PalAsiatica, 1989,27(2):117~127
17 徐钦琦. 关于华北第四纪哺乳动物群的突变和气候突变的相关性问题. 古脊椎动物学报, 1990,28(4):312~320
Xu Qinqi. Correlation between mammalian evolutionary events and abrupt climatic changes in North China during Quaternary. Vertebrata PalAsiatica, 1990,28(4):312~320
18 杨勤业, 袁宝印. 黄土高原地区自然环境及其演变. 北京:科学出版社, 1991. 61~107
Yang Qinye, Yuan Baoyin. Natural Environment and Evolution of Loess Plateau. Beijing:Science Press, 1991. 61~107
19 Beard G H, Sangree G B, Smith L A. Quaternary chronology, paleoclimate, depositional sequence and eustatic cycles. Assoclation of Petroleum Geologista Bulletin, 1982,66(2):158~169
20 杨怀仁, 徐馨. 中国东部第四纪自然环境的演变. 南京大学学报(自然科学版), 1980,(1):121~144+166~169
Yang Huairen, Xu Xin. Quaternary environmental changes in Eastern China. Journal of Nanjing University (Natural Sciences), 1980,(1):121~144+166~169
21 施雅风. 论李四光教授的庐山第四纪冰川是对泥石流的误读. 地质论评, 2010,56(5):683~692
Shi Yafeng. On Prof. Lee's having misread debris flow deposits as Quaternary glaciations in the Lushan area, Jiangxi Province. Geological Review, 2010,56(5):683~692
22 Hao Q Z, Wang L, Oldfield F et al. Delayed build-up of Arctic ice sheets during 400,000-year minima in insolation variability. Nature, 2012,490(7420):393~396
23 Vrba E S. Ecological and adaptive change associated with early hominid evolution. In:Delson E ed. Ancestors:The Hard Evidence. New York:Alan R. Liss, Inc. 1985. 63~71
24 袁宝印, 夏正楷, 牛平山. 泥河湾裂谷与古人类. 北京:地质出版社, 2011. 132~219
Yuan Baoyin, Xia Zhengkai, Niu Pingshan. Nihewan Rift and Early Man. Beijing:Geographical Publishing House, 2011. 132~219
25 薛祥熙. 陕西渭南一早更新世哺乳动物群及其层位. 古脊椎动物与古人类, 1981,19(1):35~44
Xue Xiangxu. An Early Pleistocene mammalian fauna and its stratigraphy of the River You, Weinan, Shensi. Vertebrata PalAsiatica, 1981,19(1):35~44
26 汤英俊, 计宏祥. 河北蔚县上新世-早更新世的一个过渡哺乳动物群. 古脊椎动物与古人类, 1983,21(3):245~254
Tang Yingjun, Ji Hongxiang. A Pliocene-Pleistocene transitional fauna from Yuxian, northern Hebei. Vertebrata PalAsiatica, 1983,21(3):245~254
27 蔡保全. 河北阳原-蔚县晚上新世小哺乳动物化石. 古脊椎动物学报, 1987,25(2):124~136
Cai Baoquan. A preliminary report on the Late Pliocene micromammalian fauna from Yangyuan and Yuxian, Hebei. Vertebrata PalAsiatica, 1987,25(2):124~136
28 汪洪. 陕西大荔一早更新世哺乳动物群. 古脊椎动物学报, 1988,26(1):59~72
Wang Hong. An Early Pleistocene mammalian fauna from Dali, Shaanxi. Vertebrata PalAsiatica, 1988,26(1):59~72
29 Lindsay E H, Opdyke N D, Johnson N M. Pliocene dispersal of the horse Equus and Late Cenozoic mammalian dispersal events. Nature, 1980,287(5778):135~138
30 Azzaroli A. Quaternary mammals and the ""end Villafranchian"" dispersal event-a turning point in the history of Eurasia. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 1983,44(1~2):117~139
31 Bonifay M F. Relations entre les données isotopiques océaniques et l'histoire des grandes faunes européennes plio-pleistocenes. Quaternary Research, 1980,14(2):251~263
32 Repenning C A. Quaternary rodent biochronology and its correlation with climatic and magnetic stratigraphies. In:Mahaney W C ed. Correlation of Quaternary Chronologies. Norwich:1984. 105~118
33 Boellstorff J. North American Pleistocene stages reconsidered in the light of probable Pliocene-Pleistocene continental glaciation. Science, 1978,202(4365):305~307
34 Brunnacker K, Löscher M, Tillmanns W et al. Correlation of the Quaternary terrace sequence in the Lower Rhine valley and northern Alpine foothills of Central Europe. Quaternary Research, 1982,18(82):152~173
35 李传夔, 吴文裕, 邱铸鼎. 中国陆相新第三系的初步划分和对比. 古脊椎动物学报, 1984,22(3):163~178
Li Chuankui, Wu Wenyu, Qiu Zhuding. Chinese Neogene:Subdivision and correlation. Vertebrata PalAsiatica, 1984,22(3):163~178
36 卫奇, 李珺, 裴树文. 旧石器遗址与古人类文化. 见:袁宝印等. 泥河湾裂谷与古人类. 北京:地质出版社, 2011. 132~207
Wei Qi, Li Jun, Pei Shuwen. Paleolithic sites and the ancient hominids culture. In:Yuan Baoyin et al.ed. Nihewan Rift and Early Man. Beijing:Geographical Publishing House, 2011. 132~207
37 周明镇, 李传夔. 陕西蓝田陈家窝中更新世哺乳动物类化石补记. 古脊椎动物与古人类, 1965,9(4), 377~393
Chow Mingchen, Li Chuankui. Mammalian fossils in association with the mandible of Lantian man at Chen-Chia-Ou, in Lantian, Shensi. Vertebrata PalAsiatica, 1965,9(4):377~393
38 胡长康, 齐陶. 陕西蓝田公王岭更新世哺乳动物群. 中国古生物志, 1978, 总号155册, 新丙种21:1~64
Hu Changkang, Qi Tao. Gongwangling Pleistocene mammalian of Lantian, Shaanxi. Palaeontologica Sinica,1978, 155C(21):1~64
39 Kukla G, Nakagawa H. Late-Cenozoic magnetostratigraphy:Comparisons with Bio-, Climato-, and Lithozones. Quaternary Research, 1977,7(3):283~293
40 Bonifay M F. L'environuement climatique basé sur les grandes faunes Villafranchiennes. Bulletin de Lassociation Française Pour Létude du Quaternaire, 1983,20(2~3):71~79
41 黄慰文. 周口店北京直立人遗址. 北京:文物出版社, 2007. 1~230
Huang Weiwen. Peking Homo Erectus Site at Zhoukoudian. Beijing:Cultural Relics Publishing House, 2007. 1~230
42 李炎贤, 林一璞, 葛治功等. 江苏省东海县发现的打制石器. 古脊椎动物与古人类, 1980,18(3):239~246+272~273
Li Yanxian, Lin Yipu, Ge Zhigong et al. On a collection of chipped stone artifacts from Donghai, Jiangsu. Vertebrata PalAsiatica, 1980,18(3):239~246+272~273
43 韩德芬, 张森水. 建德发现的一枚人的犬齿化石及浙江第四纪哺乳动物新资料. 古脊椎动物与古人类, 1978,16(4):255~263+303~304
Han Defen, Zhang Senshui. A human canine teeth fossil found in Jiande and the new data of Quaternary mammal in Zhejiang. Vertebrata PalAsiatica, 1978,16(4):255~263+303~304
A PRELIMINARY STUDY ON THE RELATIONSHIP OF CLIMATIC EVENTS RECORDED BY COARSE FRACTIONS IN LOESS-PALEOSOL SEQUENCE FROM LUOCHUAN AND SOUTHWARD MIGRATION OF MAMMALIAN ANIMALS IN NORTH CHINA
Yuan Baoyin , Hao Qingzhen, Xu Qinqi, Yue Feng, Zhang Wei④①, Liu Ping⑤⑥    
(① Key Laboratory of Cenozoic Geology and Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029; ② Institute of Palaeovertebrate and Palaeoanthropology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100044; ③ Hebei Provincial Department of Land and Resources Nihewan National Nature Reserve Management Office, Zhangjiakou 075000; ④ Department of Tourism, Resources and Environment, Taishan University, Tai'an 271021; ⑤ Key Laboratory of Computational Geodynamics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049; ⑥ University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)

Abstract

The loess-soil sequences in the Chinese Loess Plateau (CLP) comprise high-resolution archives of regional and global climate changes. These eolian dust deposits were mainly carried by the East Asian winter monsoon (EAWM), sourced from the Siberian High, and thus bore the information of changes in high northern latitudes climate. The particle size of loess increased with the strengthened northwesterly EAWM during arid and cold climate conditions and vice versa. The non-carbonate coarse fractions in loess, less affected by the post-depositional weathering, may provide new sight on the cold climate events in Northern Hemisphere. In this study, the classic Luochuan section in central CLP, located in Heimugou, Potou village of Luochuan county (35°45'N, 109°25'E), was investigated. The 149-m thick section comprises the upper Pleistocene loess-soil sequence with a thickness of 135m and the lower Pliocene Red Clay deposit with a thickness of 14m. These two formations have a disconformable contact without clear erosion. Previous paleomagnetic study revealed the contact of the two formations is around M/G boundary with an age of 2.6Ma. The section was sampled at 0.2m interval and totally 638 bulk samples was taken. In the laboratory, 10% of HCL was added to a beaker containing ca.10g of air-dried bulk samples to remove the carbonate materials, then 0.05mol/L of(NaPO3)6 was added to disperse the samples. The dispersed samples was sieved by 140- and 230-Mesh screens, respectively, to get the weight percentage of the particles between 0.10mm and 0.0625mm. These coarse fractions were confirmed to be non-carbonate minerals, examined under microscope. The changes in percentage of coarse fractions show 10 intervals with enhanced content of coarse fractions, indicating 10 cold climate events, characterized by strengthened EAWM winds, during the past 2.6Ma. These cold climate events are:C1(2.49~2.31Ma), C2(2.13~2.12Ma), C3(1.50~1.22Ma), C4(0.94~0.84Ma), C5(0.68~0.59Ma), C6(0.48~0.39Ma), C7(0.36~0.33Ma), C8(0.31~0.25Ma), C9(0.23~0.13), C10(0.025~0.013Ma), according the published orbitally tuning time scale of Chinese loess. These cold climate events were found to be broadly well consistent with the glaciation history of Alps regions:C1~C2 correspond to Biber, C3 to Donau, C4 to Günz, C5 to Mindle, C6~C9 to Riss, and C10 to Würm Glaciations. During the Pleistocene, there were four events of southward migration of mammalian fauna in North China, which were broadly consistent with occurrences of these 10 cold climate events: the first migration correspond to C3 event, the second one to C4 event, the third to C6~C9 events, and the fourth, C10 event. This indicates that extreme cold climate events may have exerted a profound influence on the evolution of mammal. This study suggests that the coarse fraction of loess sediments over CLP regions have a great potential in reconstructing history of the extreme cold climate.

Key words     non-carbonate coarse loess fractions    East Asian winter monsoon    superstrong winds event    Pleistocene glaciations    migration of mammlian fauna