西安狄寨塬全新世的古氣候環(huán)境

李秉成，李正澤

(1.西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，西安 710123；2.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054 ；3.西北大學(xué) 大陸動力學(xué)國家重點實驗室/地質(zhì)學(xué)系，西安 710069;4.中國航天科技集團公司 第六研究院，西安 710100)

?

西安狄寨塬全新世的古氣候環(huán)境

李秉成1，2，3*，李正澤4

(1.西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，西安 710123；2.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054 ；3.西北大學(xué) 大陸動力學(xué)國家重點實驗室/地質(zhì)學(xué)系，西安 710069;4.中國航天科技集團公司 第六研究院，西安 710100)

對西安地區(qū)全新世以來的環(huán)境演變特征進行系統(tǒng)研究，建立該地區(qū)全新世以來黃土—古土壤沉積年代序列，揭示其反映的東亞冬、夏季風(fēng)變遷規(guī)律，為預(yù)測西安地區(qū)乃至中國和全球未來環(huán)境的發(fā)展趨勢提供依據(jù). 通過對西安白鹿塬劉家坡典型剖面全新世黃土—古土壤地層的巖性描述、地層劃分和對比，結(jié)合涇陽縣新莊村AMS14C的年代測定和其他學(xué)者的測年數(shù)據(jù)，建立了該地區(qū)全新世以來黃土沉積年代序列. 根據(jù)磁化率氣候替代指標顯示的曲線特征，闡述了這一替代指標在剖面上的變化規(guī)律，探討了該黃土剖面所反映的東亞冬、夏季風(fēng)強弱變化特點，論證和詳細分析了西安地區(qū)全新世以來環(huán)境變化的特征和規(guī)律，進而對該剖面磁化率曲線特征與其他學(xué)者的孢粉譜建立的溫度曲線對比，對西安地區(qū)全新世以來古氣候的階段性進行了詳細分析和論證. 將西安地區(qū)10 000年以來的氣候演變劃分為7個氣候階段.

西安狄寨塬； 全新世； 古氣候環(huán)境

劉東生在1975年對陜北洛川黑木溝黃土樣品的平均磁化率進行了測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)古土壤大約是黃土的2倍[1]后，此時Heller和劉東生注意到黃土剖面中古土壤層和黃土層的磁化率有顯著的差異.后來，Heller和劉東生系統(tǒng)地測量了中國黃土與古土壤的磁化率，發(fā)現(xiàn)磁化率值的高低與成土作用的強弱有一定聯(lián)系，黃土剖面的磁化率曲線可以與深海沉積物的氧同位素記錄曲線對比，并指出磁化率有可能成為一種古氣候變化的指標.同時認為磁化率的波動變化包含了全球環(huán)境變化的信息[2].隨后，黃土的磁學(xué)性質(zhì)研究引起了廣泛的興趣[3-9]，后來發(fā)現(xiàn)洛川和吉縣兩地黃土-古土壤序列記錄了完全同步變化的磁化率曲線，證實了磁化率記錄指示全球環(huán)境變化的意義[10].近20多年來，全新世的研究成果累累.首先在黃土高原、沙漠和黃土邊界、沙漠邊緣研究較深入.通過對黃土高原洛川、隴西、西峰[1]和陜西富平、寧夏水洞溝遺址、陜北榆林孟家灣、西安附近[11]及西安白鹿塬狄寨[12]等剖面全新世黃土地層的劃分及氣候的分期進行了系統(tǒng)研究.由于以上這些工作和成果為磁化率研究奠定了良好的基礎(chǔ)，普遍為中外學(xué)者所接受，紛紛將磁化率這一物理參數(shù)作為反映古氣候環(huán)境變化的替代性指標而廣泛應(yīng)用于第四紀古氣候環(huán)境的研究之中.這些研究成果為我們更加深入地開展對西安地區(qū)全新世以來的環(huán)境演變研究奠定了良好的基礎(chǔ).

1 地質(zhì)概況和年代序列

1.1 地質(zhì)概況

西安劉家坡剖面位于西安市東郊白鹿塬東北塬邊的劉家坡(10907′30″E，34014′20″N)(圖1).白鹿塬長25 km，寬6～9 km，面積263 km2，是西安境內(nèi)最大的黃土臺塬.塬面自東北向西南傾斜，海拔680～780 m，東北側(cè)高出灞河240～350 m，西南側(cè)高出浐河150～200 m，塬面高亢，與灞、浐河谷高差懸殊.塬內(nèi)荊峪溝順塬面傾斜方向發(fā)育切割，將塬面分割為南北兩部分，左側(cè)南塬又稱炮里塬，塬面平緩；右側(cè)北塬又稱狄寨塬，起伏較大.本次在全新世地層中進行系統(tǒng)取樣31個，深度2.325 m.該剖面地層由上至下描述如圖2.

圖1 地理位置圖Fig.1 Map of geographical location

1) 表層土(Ms)，也稱耕作層，深度0～0.3 m，顏色為淺棕褐色，土質(zhì)軟，具團粒結(jié)構(gòu)，夾有灰渣、瓦片等碎屑物，疏松，富大孔隙，富含有機質(zhì)及蚯蚓糞便、植物根須，蟲孔發(fā)育，距地面0.28～0.30 m處見有0.01～0.02 m厚的鈣質(zhì)小結(jié)核呈層狀分布，厚0.3 m.

2) 黃土(L0)，深度0.3～0.6 m，顏色為灰黃色，疏松多孔，團粒及團塊結(jié)構(gòu)，富含植物根須和蟲孔，有明顯的鈣質(zhì)小結(jié)核，厚0.3 m.

3) 古土壤(S0)，深度0.6～2.175 m，顏色為紅褐色—棕褐色，表面風(fēng)化后常呈棕紅色，棱柱狀結(jié)構(gòu)發(fā)育，棱面上的鐵質(zhì)膠膜和黏粒膠膜呈不均勻的蠟狀光澤，含白色鈣膜及鈣絲，底部鈣質(zhì)結(jié)核成層分布，厚1.575 m.

4) 馬蘭黃土(L1)，出露深度2.175～2.325 m(未見底)，顏色為灰黃—淺灰褐色，富含大孔隙，團塊結(jié)構(gòu)，見鈣質(zhì)薄膜和斑點，成壤化明顯，略顯紅色，質(zhì)地均一，具垂直節(jié)理，厚1.15 m(未到底).

1.2 年代序列

筆者對西安劉家坡全新世黃土剖面巖性觀察描述和分層的基礎(chǔ)上，又對西安地區(qū)涇陽縣新莊村、涇陽南塬寨頭村、西安神禾塬魚包頭村等全新世黃土剖面進行了詳細的地質(zhì)調(diào)查，特別是在涇陽縣新莊村黃土剖面中取5個樣品，在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所西安加速器質(zhì)譜中心進行了AMS14C測年.測年位置和數(shù)據(jù)見表1.在5個樣品中，到目前只獲得該剖面上部3個樣的年齡數(shù)據(jù)，下部的2個樣，正在重新進行測試，待后補上再行討論.依據(jù)本次這一組測年數(shù)據(jù)并結(jié)合其他學(xué)者以前在全新世黃土剖面相應(yīng)部位的測年數(shù)據(jù)進行對比，以確定本區(qū)黃土-古土壤沉積的年代序列.本區(qū)剖面與一些學(xué)者的剖面有很好的對比性，特別是有的學(xué)者研究剖面就在西安及其關(guān)中地區(qū)渭河流域，對比起來可靠性較大，應(yīng)能得到可信的效果，全新世黃土-古土壤剖面由老至新的基本序列為：古土壤層(S0，有的學(xué)者在S0以下分出過渡層Lt)、黃土層(L0)和表層土(Ms)，各層分界已有大量測年數(shù)據(jù)，經(jīng)過綜合對比分析現(xiàn)將7個界線確定如下：1) 晚更新世馬蘭黃土(L1)和早全新世古土壤層(S0)底界的年齡，據(jù)眾多學(xué)者認為應(yīng)為10000aBP.2) 早全新世與中全新世早期界線年齡，綜合考證應(yīng)為9000aBP.3) 中全新世早期和中全新世晚期(此種劃法系孫建中，1991[2]，2005[15])的界線年齡，筆者本次測數(shù)為4605±30aBP(表1)，大多學(xué)者認為是5000aBP，由于5000這個數(shù)字的位置和氣候情況的特殊性，人們一般以此線為界分為中全新世早期和晚期之界[11，15].但筆者認為，在中全新世早期(9000aBP)至中全新世晚期(5000aBP)間應(yīng)劃分出中全新世中期來，即9000～7000aBP為中全新世早期，7000～5000aBP為中全新世中期，5000～3400aBP為中全新世晚期，3400aBP為晚全新世.根據(jù)這種劃法，7000aBP為中全新世早期的上界，即中全新世中期的下界.關(guān)于這個界線年齡根據(jù)多數(shù)學(xué)者所測數(shù)據(jù)是存在的.有關(guān)7000～5000aBP間有的學(xué)者測出了6140±185aBP[12]，施雅風(fēng)也確定了一個6000aBP[14]的數(shù)據(jù)等.因此在此應(yīng)分出6000aBP的界線和5000aBP的界線.④有關(guān)中全新世晚期和晚全新世的界線(即S0與L0)年齡，筆者本次所測數(shù)據(jù)為3420±35aBP(表1)，故暫定為3400aBP.⑤晚全新世(L0)與表層土(Ms)的界線年齡，筆者本次所測數(shù)據(jù)為1980±25aBP(表1)，根據(jù)大多數(shù)學(xué)者意見應(yīng)暫定為2000aBP.

以上是筆者根據(jù)測年數(shù)據(jù)并參考其他學(xué)者測年數(shù)據(jù)建立的涇陽新莊村全新世黃土沉積年代序列(表1).7個時段的界限在剖面中表現(xiàn)清楚，易于識別，特別是L1/S0、S0/L0、L0/Ms3個界線容易識別.由于本文中所討論的劉家坡全新世黃土剖面與涇陽縣新莊村全新世黃土剖面同屬于西安地區(qū)(即西安市范圍內(nèi))，距離很近，其黃土沉積厚度基本相當，沉積環(huán)境相同.據(jù)野外調(diào)查白鹿塬全新世黃土剖面Ms、L0和S0層位清晰且與涇陽縣新莊村全新世黃土剖面十分吻合，故涇陽縣新莊村全新世黃土剖面所測年代數(shù)據(jù)應(yīng)能較準確地代表白鹿塬全新世黃土剖面的年代.同時，它可以作為西安地區(qū)乃至黃土高原全新世剖面斷代的基本依據(jù).

表1 西安地區(qū)及黃土高原全新世黃土沉積年代序列

2 磁化率的曲線特征及氣候環(huán)境

在西安白鹿塬劉家坡全新世黃土剖面中共取磁化率樣品30個，采用7.5 cm為間距的系統(tǒng)采樣方式，系統(tǒng)地分析了該區(qū)全新世黃土-古土壤序列的堆積過程及其磁化率所代表的氣候環(huán)境.所有樣品均在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室進行了測量，每個樣品取約20 g左右的粉狀樣，在40℃恒溫條件下，烘干48 h，放入小型塑料袋中，先稱出質(zhì)量，然后利用中國制造的MAGNETIC SUSCEPTIBILITY MODEL-942型磁化率儀進行測量，每個樣品測量3次取其平均值，再除以樣品的質(zhì)量，即為所要測的磁化率值.

從圖2看出，該剖面磁化率總體特征是：從馬蘭黃土L1的頂部至全新世表土層Ms頂部曲線波動幅度較大，曲線呈兩峰兩谷，整個剖面磁化率值變化范圍是15.25(0.45 m處)～23.30 10-4SI(1.35 m處)，馬蘭黃土L1(深度2.175 m)中有一較小數(shù)值為19.18 10-4SI，黃土層L0(深度0.45 m)中有一最小數(shù)值為15.25 10-4SI.古土壤S0(深度1.35 m)中有一最大數(shù)值為23.30 10-4SI，古土壤S0(深度0.675 m)中又一較大數(shù)值為20.15 10-4SI.從數(shù)值上看，同樣在馬蘭黃土L1和黃土層L0中為較小或最小，在古土壤S0中其值最大或較大，符合黃土-古土壤沉積序列的規(guī)律.磁化率在剖面上的具體表現(xiàn)為：在馬蘭黃土中(深度2.325～2.250 m)磁化率值從19.22～19.36 10-4SI，出現(xiàn)數(shù)值稍微增長趨勢；在古土壤S0的下部(深度2.175 m)至中部(深度1.350 m)，數(shù)值由19.18～23.30 10-4SI呈波動增長趨勢，直至達到最大值；隨后S0中磁化率數(shù)值在波動中減小(深度0.825 m)至17.47 10-4SI；在黃土層L0的下部(深度0.60 m)開始數(shù)值由18.79 10-4SI急劇減小至頂部(深度0.375 m)的15.49 10-4SI；在表層土Ms中由底部(深度0.30 m)數(shù)值15.27 10-4SI逐漸增長至頂部(深度0.075 m)的16.86 10-4SI.從磁化率曲線總體上看，馬蘭黃土L1階段的曲線呈現(xiàn)出走出低谷稍有波動的過程.說明晚更新世晚期氣候較干冷向全新世氣候轉(zhuǎn)暖的特征.古土壤S0階段的曲線總體上表現(xiàn)了較高磁化率值的峰值階段，但從底部(深度2.175 m)至中部(深度1.35 m)呈波動上升階段，后再至深度0.825 m處呈波動下降階段，再后至深度0.675 m處又呈劇烈上升階段.曲線的波動意味著在全新世適宜期時氣候濕潤溫度較高到后期的氣候變冷，最后氣溫又回升的特點.黃土層L0階段的曲線急劇下降，說明氣候較冷.在表層土Ms階段的曲線又出現(xiàn)逐漸上升的特征，說明氣溫在升高或與人為影響有關(guān).

圖2 西安狄寨塬全新世黃土剖面磁化率曲線圖Fig.2 Map of susceptibility curve of loess section during the Holocene in xi’an Dizhaiyuan

3 討論與結(jié)論

從西安劉家坡全新世黃土剖面磁化率曲線反映出特點如下：磁化率曲線的變化趨勢與地層巖性特征是極為一致的，這也證明了利用磁化率曲線是可以進行黃土—古土壤序列分層的，也檢驗了在第1節(jié)中該區(qū)全新世黃土—古土壤序列分層的正確性；該剖面的磁化率曲線與涇陽縣新莊村磁化率曲線以及筆者另外測試的西安神禾塬魚包頭村剖面、涇陽南塬寨頭村剖面的磁化率曲線，從總體上看較為相似，特別是白鹿塬劉家坡和涇陽縣新莊村兩剖面的磁化率曲線較接近(圖3中A，B)，通過幾條曲線的互補能夠體現(xiàn)該區(qū)的氣候變化特征.但有些局部出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，有的曲線在某一段發(fā)生突變，有的曲線并未能表現(xiàn)明顯.就圖3中A、B兩條磁化率曲線而言，其形態(tài)也并非完全一致.出現(xiàn)不一致的原因有兩點，其一是兩條曲線的取樣間距不一致，白鹿塬的取樣間隔為0.075 m，而涇陽縣新莊村剖面為0.02 m，即前者間距大，分辨率較差.后者間距小，分辨率較高.前者不能夠準確地反映氣候的細微變化，故用后者為支撐說明問題.其二，兩條曲線的取樣地雖同在關(guān)中地區(qū)，但相距較遠，這與各自小區(qū)域的黃土沉積環(huán)境有細微差別有關(guān).當然，曲線的總體特征表現(xiàn)為在古土壤中為峰，在黃土中為谷，在每一個高峰和每個低谷中都有次一級的波動；該剖面的磁化率變化規(guī)律與該區(qū)其它剖面磁化率曲線是一致的，代表了全新世黃土-古土壤的氣候地層序列.反映了古土壤堆積時期成壤作用強、夏季風(fēng)環(huán)流強盛、氣候暖濕及黃土堆積時期成壤作用弱、冬季風(fēng)環(huán)流強盛、氣候冷干的總特點.

A、B為磁化率曲線：C、D、E為孢粉譜建立的溫度曲線。A-西安狄寨塬(作者本次測)，B-陜西涇陽縣新莊村(作者本次測)，C-黃土高源[11]，D-河北東部[4]，E-長白山西部，其中C、D、E引自施雅風(fēng)等[14].圖3 西安狄寨塬磁化率與孢粉譜的溫度曲線對比Fig.3 Contrast of susceptibility curve and sporopollen spectrum temperature curve in Xi’an Dizhaiyuan

由以上該全新世黃土剖面和涇陽縣新莊村等黃土剖面的磁化率曲線特征的對比分析，已經(jīng)比較明顯地看出西安地區(qū)在全新世以來的氣候冷暖波動及規(guī)律，再依據(jù)第1節(jié)中對年代序列的測定和斷代依據(jù)(表1)以及其他學(xué)者在其它地區(qū)孢粉譜建立的溫度曲線(圖3中C、D、E)進行進一步對比的基礎(chǔ)上，對西安地區(qū)全新世以來的氣候進行初步綜合分析、判斷，從而得出該區(qū)該時段的氣候分段及規(guī)律，以便與其他學(xué)者能夠得到討論，使該區(qū)的氣候分段更加準確、可靠，從而得以古氣候環(huán)境的恢復(fù).

由于磁化率曲線指示著東亞夏季風(fēng)的強弱.東亞夏季風(fēng)強盛指示著濕熱的氣候，氣溫就高；東亞夏季風(fēng)弱時，指示著干冷的氣候，氣溫就低.即磁化率曲線也指示著溫度大小的變化，所以筆者在西安地區(qū)所測2個剖面的磁化率曲線可以和其他作者在其它地區(qū)利用孢粉譜建立的3條溫度曲線[14]進行對比.從圖3的對比發(fā)現(xiàn)，且對比性良好，筆者的2條磁化率曲線的形態(tài)和3條溫度曲線相似，特別是陜西涇陽新莊村剖面的磁化率曲線(圖3，B)極為相似，這就為較準確地分析西安地區(qū)全新世以來的古氣候環(huán)境的演變提供了依據(jù).現(xiàn)據(jù)西安白鹿塬劉家坡和涇陽新莊村兩個剖面磁化率數(shù)值和曲線形態(tài)變化，結(jié)合其它地區(qū)孢粉譜建立的3條溫度曲線，對該區(qū)古氣候提出分段如下(表1，圖3).

自從全新世大暖期一詞的提出，各學(xué)者的起訖時間是不同的，施雅風(fēng)等[14]主張為8.5～3 KaBP.筆者根據(jù)野外地層的劃分、實際年齡的測定及結(jié)合磁化率曲線的波動形態(tài)，將全新世大暖期確定為9.0～3.4 KaBP，延續(xù)達5.6 Ka，其間有多次劇烈的波動與寒冷事件，具體分為9.0～7.0 KaBP，7.0～6.0 KaBP，6.0～5.0 KaBP，5.0～3.4 KaBP.

[1] 劉東生. 黃土與環(huán)境[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

[2] HELLER F，LIU T S. Magnetism of Chinese Loess Deposition[J].Geophysial Journal of the Royal Astronomial Society，1984，77：125-141．

[3] KUKLA G，HELLER F，LIU X M，et al. Pleistocene climate in China dated by magnetic susceptibility[J].Geology，1988，16:811-814．

[4] MAHER B A，THOMPSON R. Mineral magnetic record of the Chinese Loess and paleosol[J].Geology，1991，19:3-6．

[5] HELLER F，LIU T S. Magneto stratigraphical dating of Loess Deposits in China[J].Nature，1982，300:431-433．

[6] KUKLA G J. Loess stratigraphy in Central China[J].Quaternary Science Reviews，1987，6:191-219．

[7] KUKLA G，AN Z S. Loess stratigraphy in Central China[J].Palaeogeog Palaeoclimatol Palaeoecol，1989，72:203-225．

[8] ZHOU L P，OLDFIELD F，WINTLE A G，et al. Partly pedogenic origin of magnetic variations in Chinese Loess[J].Nature，1990，346:737-739．

[9] 劉秀銘，劉東生，HELLER F，等. 中國黃土磁顆粒分析及其古氣候意義[J].中國科學(xué)(B輯)，1991(6)：639-644．

[10] 韓家懋，HUS J J，劉東生，等. 馬蘭黃土和離石黃土的磁學(xué)性質(zhì)[J].第四紀研究，1991(4)：310-324．

[11] 孫建中. 黃土高原第四紀[M].北京:科學(xué)出版社，1991.

[12] 雷祥義. 西安全新世黃土的顯微結(jié)構(gòu)特征及其古氣候意義[C]//中國第四紀冰川與環(huán)境研究中心.中國西部第四紀冰川與環(huán)境.北京：科學(xué)出版社，1991: 149-155.

[13] 黃春長. 渭河流域全新世黃土與環(huán)境變遷[J].地理研究，1989，8(1)：20-31．

[14] 施雅風(fēng)，孔昭宸，王蘇民，等. 中國全新世大暖期的氣候波動與重要事件[J].中國科學(xué)(B輯)，1992(12):1300-1308．

[15] 孫建中. 黃土學(xué)(上篇)[M].香港:香港考古學(xué)會出版社，2005.

[16] 康建成，李吉均. 甘肅臨夏黃土剖面15萬年環(huán)境演變的良好紀錄[J].地質(zhì)論評，1993，39(2)：165-175.

[17] 鄭洪漢. 黃土中游全新世黃土[J].地球化學(xué)，1984(3)：237-246.

[18] 陳發(fā)虎，張宇田，張維信, 等. 蘭州九州臺黃土沉積年代的綜合研究[J].1989，7(3):105-111．

[19] 張維祥，胡雙煦. 隴東黃土塬區(qū)黑壚土形成的時代與過程[J]，科學(xué)通報，1989(16)：1252-1255.

Palaeoclimate environment during the Holocene in Xi’an Dizhaiyuan

LI Bingcheng1,2，3，LI Zhengze4

(1.School of Civil Engineering, Xijing University, Xi’an 710123;2.College of Environment Sciences and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054;3.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069;4.Sixth Research Institute of China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi’an 710100)

The characteristics of environmental evolution were investigated and the loess-palaeosol deposition age sequence was obtained in Xi’an area during the Holocene. The variation principle of winter and summer monsoon in East Asian was revealed, which provided reference for predicting the development trends of future environment in not only Xi’an area but also China and the whole world. Lithology description along with stratum partition and comparison on typical section of Liujiapo Village in Bai Luyuan of Xi’an were used for generating the loess deposition age sequence in the above region during the Holocene, combining the age determination data from AMS14C in Xinzhuang Village in Jingyang County and previously reported. According to the character in the curve of substitution indication for climate susceptibility, the variation principle for this substitution indication was illuminated and the changing characters on strength of winter and summer monsoon in East Asian were discussed. Meanwhile, the characters and principle for environmental evolution in Xi’an area were demonstrated and analyzed in detail. Additionally, through comparing the characters in the above susceptibility curve of this section with thermal curve established by other researchers based on the sporo-pollen spectrum, the palaeoclimate stage traits in Xi’an area during the Holocene was verified with detailed study. The climate evolution is divided into 7 stages during the 10 000 years.

Xi’an Dizhaiyuan； Holocene； palaeoclimate environment

2016-01-29.

國家自然科學(xué)基金項目(40772181).

1000-1190(2016)05-0758-06

P532

A

*E-mail: libingcheng01@tom.com.