第四纪研究  2020, Vol.40 Issue (6): 1622-1630   PDF    
郑州邙山黄土碳酸盐和白云石含量记录的80 ka以来季风降水变化及驱动机制
邵可涵, 鹿化煜, 陈久毅, 顾心婕, 褚博文, 伍江, 弋双文     
( 南京大学地理与海洋科学学院, 江苏 南京 210023)
摘要:揭示东亚季风气候精细变化过程和区域差异,是第四纪古气候学研究的重要内容。本文以季风影响显著的中原郑州黄土堆积上部31 m为研究对象,基于高密度光释光独立定年和619份样品的碳酸盐、白云石含量、磁化率测试,重建了约80 ka以来东亚季风降水/季风强度变化过程。黄土碳酸盐、白云石含量时间序列显示,末次间冰期末期以来,中原地区发生过数次季风降水增强事件,每次降水增强期持续时间短于岁差、偏心率等轨道周期,表明存在亚轨道时间尺度季风快速变化现象。中原黄土碳酸盐/白云石含量主要受土壤呼吸CO2的影响,土壤呼吸CO2含量由季风降水和土壤温度控制,因此,碳酸盐/白云石含量是东亚夏季风强度的良好替代指标。中原地区千年时间尺度的季风湿润和干旱事件与其他地区黄土、石笋记录具有同步性,证实在东亚季风降水核心区、中心区和边缘区千年时间尺度干湿变化的同步性,支持季风环流大空间同步增强的模式。这一季风降水型式与现代观测到的"南涝北旱"的"+-+"三极型季风降水分布不同,可能表明不同时间尺度季风降水型式有明显区别。进一步分析表明,季风降水增强/减少事件存在约22 ka和约1.6 ka的周期,表明低纬太阳辐射、大洋环流和高纬度冷事件对东亚季风的联合驱动作用。
关键词东亚季风    千年尺度    季风降水事件    黄土碳酸盐和白云石    中原黄土    高纬和低纬联合驱动    
中图分类号     P532;P597+.2                     文献标识码    A

0 引言

中国黄土堆积在揭示第四纪轨道-亚轨道时间尺度亚洲季风和古气候变化中发挥着重要作用[1-4]。随着黄土与古季风研究工作的深入,除了黄土高原的黄土记录外,黄土高原外围地区诸如东北黄土[5-7]、长江中下游黄土(下蜀土)[8-9]、新疆黄土[10-11]以及东秦岭黄土[12-13]与古气候古环境的研究,得到了加强,深化了黄土古气候记录的认识。受大气环流和区域气候影响,黄土高原外围的黄土记录在揭示气候变化中有独特性和不可替代的作用。

黄土是半干旱、半湿润气候条件下的堆积物,沉积过程受到气候、物源和地貌部位的影响[14-15]。在我国季风影响中心区和核心区,缺少堆积速率快、沉积连续且时间分辨率高的黄土剖面。然而,自从河南郑州邙山黄土堆积被报道[16]以来,因其快速的沉积速率而备受关注,加上中原地区是受东亚季风直接影响的中心区,黄土堆积与季风变化的关系显得尤为重要。邙山地区桃花峪、赵下峪、官庄峪、孤柏嘴等剖面均有着厚度远大于同时期黄土高原马兰黄土的沉积序列[17-22],成为季风气候变化的良好记录。早在1997年,蒋复初等[17]通过对比邙山桃花峪剖面的磁化率与深海氧同位素数据,发现中原地区夏季风变化响应全球冰期旋回。近年来,用甘油二烷基甘油四醚类化合物(GDGTs)指标重建了该区域古气温和古土壤pH值的变化[23-24]。然而,作为东亚季风直接影响的区域,郑州地区具有高密度独立年代控制的季风降水记录较少。本文选取郑州邙山塬刘家沟黄土-古土壤序列(34.95°N,113.38°E),通过对80ka以来黄土的磁化率、碳酸盐含量、白云石含量分析,并结合该剖面高密度光释光定年结果,重建中原地区季风降水变化,探讨轨道-亚轨道时间尺度东亚季风降水变化的驱动机制。

1 研究区概况以及样品采集和测试方法

邙山塬刘家沟剖面位于河南郑州西北方向黄河南岸(图 1),这里年均温14.8℃,年降水量608.8mm,年蒸发量1910.9mm(中国气象网,1981~2010年),70 %以上的降水量集中在夏季风盛行的月份(5月至8月),东亚夏季风主导该地区降水量。

图 1 采样点位置与研究区地理 红色实心圆指示采样点;黄色箭头分别是:EASM——东亚夏季风,EAWM——东亚冬季风,W——中纬度西风环流,ISM——印度季风(南亚季风) Fig. 1 Geography of the studied site close to Zhengzhou, and the Asian monsoon circulation(inset). The red solid circle indicates the sampling site, and the yellow arrows denote the East Asian summer monsoon, East Asian winter monsoon, the Westerlies and Indian monsoon, respectively

选取郑州邙山刘家沟剖面上部31m以5cm间隔进行采样,共采集样品619个,进行磁化率、碳酸盐含量与白云石含量的测定与分析。

郑州刘家沟剖面的年代学控制基于光释光绝对定年获得。对刘家沟剖面进行了高密度的石英和钾长石光释光年代测试,得到了100多个精确的光释光年代数据。测试流程通过了预热坪试验、剂量恢复试验等方法检验,得到的年代结果与地层具有良好的一致性,验证了光释光年龄的准确可靠。依据光释光年代结果,使用基于贝叶斯理论的Bacon模型[25]进行年代与深度的拟合,建立了刘家沟剖面约80ka以来的时间标尺。具体的光释光定年结果将另文发表。

根据野外地层观测、分析和对比以及磁化率测试和光释光年龄控制,郑州刘家沟剖面0~2.3m为全新世黑垆土(S0),为浅棕褐色粉砂质古土壤;2.3~27.8m发育浅灰黄色粉砂层,质地均匀,疏松多孔,为L1黄土层;27.8~31.0m发育浅棕褐色粉砂质粘土,为S1土壤层。前人对邙山地区的黄土地层学研究表明,邙山地区马兰黄土层厚达>70m至40m左右[17-22],而本文中的马兰黄土层厚仅25.5m,这个差别可能是由于选取了全新的沉积剖面,处于不同的地貌部位的黄土地层厚度有较大的差别造成。具体的原因有待深入分析。

采用傅里叶变化红外光谱(FTIR)技术[26-27]对黄土样品碳酸盐含量及白云石含量进行定量测试,仪器为Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪漫反射仪。碳酸盐含量可将样品研磨至面粉状后直接上机测试,而测试白云石含量前,需进行彻底的前处理[27],首先将已测得的样品碳酸盐含量近似视为方解石含量,当方解石含量 < 8 %、8 % ~14 %、14 % ~18 %和>18 %时,分别用0.05mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L和0.5mol/L的醋酸反应30min,以除去方解石而尽可能保留白云石。上机测试后,分别采用2513cm-1与2626cm-1作为碳酸盐含量与白云石含量的特征峰,测量特征峰面积。特征峰面积与白云石和碳酸盐含量的转换方程通过以下方法建立:利用稀盐酸完全去除黄土样品中的方解石与白云石,再用去除碳酸盐的样品与一定质量的白云石和方解石配置成一系列不同含量的白云石和方解石样品,测量对应的特征峰面积,建立特征峰面积与白云石和碳酸盐含量的关系,经验公式分别为:

测试磁化率时,把样品放入40℃烘箱烘干后,使用Bartington MS2磁化率仪进行测定。光释光定年与磁化率测试在南京大学地理与海洋科学学院实验室完成,碳酸盐含量及白云石含量实验在南京大学地球科学与工程学院表生地球化学教育部重点实验室完成。

2 测试结果

郑州刘家沟剖面白云石含量变化范围为0~1.58 %,碳酸盐含量变化范围为0.12 % ~17.42 %,总体上冰期高、间冰期低,与常用夏季风指标磁化率[28-29]呈现相反的变化趋势(图 2)。在万年尺度上,3个气候替代指标时间序列有同步变化的规律。

图 2 郑州刘家沟剖面碳酸盐含量(a)、白云石含量(b)以及磁化率(c)随深度变化 Fig. 2 Variations of carbonate (a), dolomite content(b) and magnetic susceptibility(c) of loess sequence against depth at Zhengzhou, Central China

对比碳酸盐含量、白云石含量和磁化率变化,发现在冰期季风降水较少的时期,碳酸盐含量和白云石含量对季风降水变化的响应更为敏感,比如,在27~18m之间,碳酸盐含量与白云石含量均呈现波动增大的趋势,而磁化率则较稳定,只有两个较小的峰值。这可能是当降水量低于某一个阈值时,成壤作用非常弱,不足以生成较多的强磁性矿物,但可以引起碳酸盐矿物的淋溶。而在间冰期季风降水较多的时期,碳酸盐被完全淋溶,而且白云石较方解石更早被淋溶殆尽,此时磁化率对降水量的变化相对敏感。

年代测试结果显示,在2.3m深处(距今约18.5~10.4ka)存在沉积间断。距今约15~10ka的黄土沉积间断在黄土高原地区曾被报道,其成因可能是冰期-间冰期转换期间气候快速变化,地表侵蚀造成的[30]。黄土高原及其邻区部分点位黄土沉积缺失上界时间相近,可能表明其成因类似。郑州刘家沟剖面黄土记录缺失的时间,是北半球冰盖开始消融、气候从寒冷干燥向温暖湿润转变的阶段,此时气候处于转型期,降水量变幅变率大、植被响应滞后、地表脆弱不稳定,容易发生侵蚀作用[30]。因此,可能是由于气候变化,邙山地区降水增多,原先冰期时的地表覆盖发生了变化,导致地表侵蚀加剧。

3 讨论 3.1 黄土碳酸盐和白云石含量对季风降水变化的指示

黄土中的碳酸盐主要包含方解石和白云石,根据成因可分为原生碳酸盐与次生碳酸盐[14]。其中,源区物质的碎屑碳酸盐是黄土原生碳酸盐的主要来源,次生碳酸盐的产生则包括大气降水带入、硅酸盐矿物风化及原生碳酸盐溶解后再沉淀[31]。经计算,雨水作用带入的碳酸盐量上限为0.58 % ~1.17 % [31],硅酸盐矿物组分中Ca2+溶解析出并再沉淀生成次生碳酸盐含量的上限为1.8 % [27]。由此可知,降水和硅酸盐矿物风化对黄土碳酸盐的贡献有限,两者之和小于2.97 %,因此,源区物质带来的碎屑碳酸盐淋滤后重新淀积是形成次生碳酸盐的主要过程。总的说来,黄土碳酸盐的含量受控于原始粉尘中的碳酸盐含量及沉积后的淋滤淀积过程。

原始粉尘的碳酸盐含量主要受物源变化和粒度分选的影响[27]。对于物源变化影响的研究表明,黄土碳酸盐主要来源于沙漠源区[27],但其他成因的粉尘也会对碳酸盐含量造成不同程度的影响。Nd同位素组成[32]和锆石年龄谱[33-34]研究显示,在末次冰期-间冰期旋回,黄土物源几乎不变。邙山黄土堆积区位于以风尘沉积为主的黄土区和风成-水成沉积共同作用的平原区之间的过渡地带,黄河河漫滩提供的近源冲积物是邙山黄土的主要补给[35-36],且锆石年龄谱分析表明,至少自L9以来邙山黄土物源稳定[37]

除了物源变化,粒度分选也可能是影响原始碳酸盐含量的因素。黄土高原黄土粒度和沉积速率自北向南逐渐下降,冰期与间冰期粒度波动大[38-40]。若碳酸盐在不同粒度范围内含量不同,也可能导致不同地点,或同一地点的不同时间内黄土初始堆积的碳酸盐含量不同。对末次冰期旋回黄土高原西部曹岘和环县黄土剖面不同粒度分布的研究表明,白云石和方解石在不同粒度组分分布较均匀[27],因此,碳酸盐含量的粒度效应可以忽略。

富含碎屑碳酸盐的粉尘沉积物受雨水和生物等作用,大部分碎屑碳酸盐和部分硅酸盐矿物的Ca2+溶解进入土壤溶液,以重碳酸盐的形式迁移,再因土壤溶液CO2分压减小重新析出生成次生方解石[31]。这个过程主要受反应时间和土壤溶液碳酸盐活度影响,后者主要受温度、降水及大气和土壤CO2分压的影响[41-44]

当土壤溶液中离子活度近似等于离子浓度且pH < 9时,次生碳酸盐在活度aCaCO3=1时沉降。碳酸盐活度计算方程如下所示:

其中,K1、K2分别为碳酸与碳酸氢根离子的解离常数,Kcal为方解石溶度积,KCO2为二氧化碳与水生成碳酸的反应平衡常数。mCa2+为土壤溶液中钙离子的质量分数[45]

当温度升高时,增加,因而在二氧化碳分压不变的条件下,随着温度升高,碳酸钙溶解度下降。对于白云石,呈现相同的规律[27]。初步研究表明,末次冰消期期间邙山地区的温度可能从约15℃上升到约27℃[23],虽然这一温度上升值有较大的不确定性,但是其升温是肯定的。我们测试结果却显示,期间方解石和白云石的含量均显著下降,据此推断温度并不是决定邙山地区黄土碳酸盐含量的主导因素。

土壤溶液中Ca2+离子浓度与二氧化碳分压也是影响碳酸盐沉淀的因素[41, 44, 46]。模拟表明,土壤剖面水平衡和碱土元素(Ca,Mg)的供应影响碳酸盐的沉淀,但是,碳酸盐的沉淀特别依赖于大气与土壤CO2分压[46]。土壤CO2主要来源于土壤呼吸,雨后土壤呼吸产生的二氧化碳,是大气二氧化碳分压的5~100倍[44]。有关土壤碳酸盐沉淀季节偏向性的研究表明,在二氧化碳分压显著降低的干旱季节容易形成土壤碳酸盐;在同样年降水量的条件下,有干湿季节循环的环境比起降水量均匀分布更有利于碳酸盐形成[41]。对于邙山地区,年蒸发量远远大于年降水量,可以推测蒸发条件不是制约碳酸盐含量的主要因素;此外,由于降水集中在夏季,主要由季风活动带来的夏季降水量可以近似反映一个平均的年降水量。

一般认为,黄土中碳酸盐含量高,指示了干冷的环境,古土壤中碳酸盐含量低,指示了暖湿的环境[47]。但是,由于原生和次生碳酸盐都可能存在,并且难以分离和量化,黄土中碳酸盐含量是复杂的[48],方解石易于迁移的特性也为实验数据的解释增加了难度。然而,碳酸盐比铁氧化物和硅酸盐矿物对风化更为敏感[49],这为碳酸盐作为降水量代用指标提供了可能。

由于次生碳酸盐矿物主要为方解石,次生白云石矿物在第四纪土壤中很难形成[50],因此,在粉尘白云石含量不变的情况下,黄土白云石含量仅反映粉尘沉降到地表至被埋藏到淋溶层以下这段时间所受的淋滤作用,古气候指示意义较碳酸盐含量明确。白云石在黄土-古土壤中含量较少,过去的X射线衍射(XRD)测量方法存在定量误差大、检测限不准等问题,使得应用白云石含量重建古气候受到限制。近年来,在傅里叶变化红外光谱(FTIR)定量碳酸盐含量及白云石含量的技术支持下,有学者系统地研究了碳酸盐含量及白云石含量与降水量之间的关系,并提出了碳酸盐溶解四阶段模式的季风降水新指标,在方解石与白云石共存的阶段,白云石含量与年降水量之间存在较好的负相关关系[27]。在本研究中,大部分样品方解石与白云石共存,白云石含量变化可以较好地反映季风降水波动;在实测数据中,白云石含量有较多且较大的不规则波动,为了更好地理解季风降水波动,除了采用滑动平均法对数据进行降噪,也使用传统的碳酸盐含量指标与白云石含量进行对比。

3.2 碳酸盐含量记录的郑州地区季风降水变化

对比郑州刘家沟剖面碳酸盐含量、白云石含量、磁化率的时间序列,可以看出,约80ka以来邙山地区至少存在20次季风降水增强事件,表现为碳酸盐含量、白云石含量减少,磁化率增高(图 3)。

图 3 郑州刘家沟剖面(d)碳酸盐含量、(e)白云石含量(橙色为原始数据,红色为5点滑动平均值)、(f)磁化率年代序列及与(a)GISP2冰芯氧同位素[51]、(c)南京葫芦洞石笋[52]、(b)古浪黄土记录[54]对比 Fig. 3 Variations of magnetic susceptibility (f), carbonate content (d), dolomite content(red line represents five point moving average and orange line represents original data) (e)of loess sequence with time at Zhengzhou and their comparison with ice core δ 18 O of GISP 2[51] (a), mean grain size of Gulang loess deposit[54] (b), and speleothem δ 18 O of Hulu Cave[52] (c)

在轨道和亚轨道时间尺度郑州刘家沟剖面记录的季风降水变化与格陵兰冰芯[51]、南京葫芦洞[52]和黄土高原黄土记录的气候变化[53-54]有可比性,提供了在季风主控区东亚季风变化的新证据。在轨道时间尺度,这些古气候变化均响应全球冰期旋回;在亚轨道尺度上,郑州刘家沟剖面24ka、31ka、39ka、48ka、60ka左右白云石含量记录的季风降水波动与Heinrich事件有较好的对应,并且与黄土高原西北部黄土、葫芦洞石笋记录也具有同步性,而碳酸盐含量在H2~H4对应有所偏差,这可能与碳酸盐含量指标的多解性有关(图 3)。以往的研究表明,Heinrich事件可以通过北大西洋经向翻转流(AMOC)振荡影响东亚季风气候,Heinrich事件带来的淡水强迫导致AMOC减弱,能量的经向传输减弱,纬向温度梯度增加,从而造成北半球中纬度地区冬季强风;与此同时,北太平洋副热带高压减弱,由此产生的强气旋性环流异常导致东亚梅雨锋的辐合减弱和夏季降水减少[53-56]。中原地区黄土、黄土高原西北部黄土、南京地区石笋千年时间尺度季风降水记录的同步性,表明千年尺度东亚季风降水核心区、中心区、边缘区具有同步增强或减弱的规律,表明季风环流大空间同步增强。这一季风降水型式与现代观测的“南涝北旱”的“+-+”三极型季风降水分布不同[57-58],可能揭示了时间尺度对季风降水型式的重要影响。有趣的是,80~60ka的间冰期期间,邙山地区的降水量较冰期高,甚至出现白云石完全淋溶的现象,但同时期葫芦洞记录的南京地区季风降水量比当地冰期时期更少,这可能是由于南京葫芦洞石笋在末次间冰期沉积量很小,记录时间短,并且同位素分馏受到局域环境影响所致。

对70~20ka期间郑州刘家沟剖面碳酸盐含量、白云石含量时间序列进行频谱分析和小波分析,检测出22ka、3.7ka、3.4ka、1.6ka的变化周期(图 4)。其中约22ka岁差周期表明低纬太阳辐射对东亚季风降水的驱动作用,而1.6ka左右的周期则与“1500-year cycle”[59]相近,可能表明大洋环流和高纬度冷事件对季风降水存在影响。两类周期同时存在,加上亚轨道时间尺度季风干旱和高纬度变冷时间的对应,表明东亚季风受到低纬太阳辐射、大洋环流和高纬度冷事件的联合驱动。

图 4 70~20ka郑州刘家沟剖面黄土-古土壤气候代用指标时间序列频谱分析与小波分析 左图分别为白云石含量(a)与碳酸盐含量(b)使用Blackman-Tukey法计算的功率谱图,红线为80 %置信区间 Fig. 4 Global wavelet spectral power(left panels)and wavelet spectra of (a) dolomite content and (b) carbonate content of Zhengzhou loess sequence during 70~20ka. The global wavelet spectral power(left panels)have been computed according to Blackman-Tukey method, and the red line indicates the 80 % confident level
4 结论

中原地区黄土碳酸盐/白云石含量主要受季风降水影响的土壤呼吸作用强度所控制,因此碳酸盐/白云石含量是东亚夏季风强度的良好替代指标。郑州黄土堆积的碳酸盐和白云石含量是敏感的季风降水量指标。在气候干旱时期,碳酸盐与白云石含量相比于磁化率对降水量变化响应更为敏感;而在气候湿润时期,土壤中的碳酸盐被淋滤殆尽,磁化率等其他季风降水指标可以反映降水量变化。

郑州刘家沟黄土剖面厚度31m的高分辨率黄土堆积的磁化率、碳酸盐含量等指标揭示了约80ka以来东亚季风降水/季风强度变化过程。在轨道尺度上,磁化率、碳酸盐与白云石含量均响应东亚季风冰期-间冰期的波动。在亚轨道尺度上,磁化率在冰期时变化幅度不大,敏感性低;而碳酸盐和白云石含量在冰期有快速、明显的变化。通过分析郑州刘家沟剖面的碳酸盐与白云石含量,可知80ka以来,中原地区存在多次季风降水增强事件,且其记录的Heinrich事件可与石笋、冰芯、黄土高原其他剖面记录相对比。这些结果证实在千年时间尺度东亚季风降水核心区、中心区和边缘区干湿变化的同步性,支持季风环流大空间同步增强的模式。这一季风降水型式与现代观测到的“南涝北旱”的“+-+”三极型季风降水分布不同,可能表明不同时间尺度季风降水型式有明显区别。

对70~20ka邙山地区季风降水变化时间序列进行周期分析,发现具有较显著的22ka、3.7ka、3.4ka和1.6ka周期。季风干旱阶段与高纬度变冷的对应以及频谱分析发现的约22ka岁差以及1.6ka左右的季风降水增强/减少事件周期,表明东亚季风降水变化受低纬太阳辐射、大洋环流和高纬度冷事件的联合驱动。

致谢: 实验室测试过程中得到了季峻峰教授、孟先强博士、杨彬老师等指导和帮助。

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East Asian monsoon precipitation variations over the past 80 ka revealed by carbonate and dolomite content in loess deposit at Zhengzhou(Central China) and forcing mechanism
Shao Kehan, Lu Huayu, Chen Jiuyi, Gu Xinjie, Chu Bowen, Wu Jiang, Yi Shuangwen     
( School of Geography and Ocean Science, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu)

Abstract

In order to fully understand East Asian monsoon variation and their regional heterogeneity at orbital to suborbital timescales, we investigate a loess-paleosol sequence(34.95°N, 113.38°E) at Mangshan, Zhengzhou, Central China, which is located in monsoon central region and has a high dust accumulation rate, therefore an ideal paleoclimatic record for reconstructing the monsoon variations since the last interglaciation. We sampled upper 31 m of this loess-paleosol section at 5 cm interval(total 619 samples are obtained) and carried out analyses for carbonate and dolomite contents, using Fourier transform infrared spectroscopy. Magnetic susceptibility which is regarded as a summer monsoon proxy is also measured. On the basis of more than 100 optically stimulated luminescence(OSL) dating ages, as well as the Bacon modelling, an independent and high-resolution timescale for the loess deposition over the past ca. 80 ka is established. The carbonate and dolomite contents in the loess are controlled by soil CO2 respiration, and speed of soil CO2 respiration is dominated by local precipitation and soil temperature, therefore, carbonate and dolomite content of the loess deposit can be used as proxy indicators of the East Asian summer monsoon intensity. Based on the newly obtained timescale and the paleoclimatic proxies, our records show that there are around twenty monsoon strengthened events during which there are more precipitation, and these monsoon changes have significantly influenced regional hydroecology during Late Quaternary. The synchronous variations between the monsoon rainfall in Zhengzhou and that in western Chinese Loess Plateau, and the monsoon core region, supporting consistent variations in the monsoon precipitation at millennial timescale in the monsoon core, central and marginal regions in East Asia. Our results suggest that East Asian monsoon variations are synchronous in a large-scale region at millennial timescale. Our new record does not support the "south flood and north drought" monsoon rainfall pattern dubbed "the sandwich model", showing the monsoon varied at different pattern at decadal and millennial timescales. Spectral analyses show there are clearly ca. 22 ka and ca. 1.6 ka periodicities in the monsoon precipitation time series, findings of these cycles provide direct evidences that insolation at low-latitude, ocean circulation and high-latitude temperature together forced East Asian monsoon variations during Late Quaternary.
Key words: East Asian monsoon    millennial timescale    monsoon precipitation events    carbonate and dolomite of loess    loess deposit at Zhongyuan(Central China)    high-and low-latitude forcing