西安黃土臺塬區全新世黃土磁化率古氣候環境演變

李秉成， 李正澤

(1. 西京學院 土木工程學院， 陜西 西安 710123； 2. 長安大學 環境科學與工程學院， 陜西 西安 710054 ； 3. 西北大學 大陸動力學國家重點實驗室/地質學系， 陜西 西安 710069; 4. 中國航天科技集團公司 第六研究院， 陜西 西安 710100)

西安黃土臺塬區全新世黃土磁化率古氣候環境演變

李秉成1，2，3， 李正澤4

(1. 西京學院 土木工程學院， 陜西 西安 710123； 2. 長安大學 環境科學與工程學院， 陜西 西安 710054 ； 3. 西北大學 大陸動力學國家重點實驗室/地質學系， 陜西 西安 710069; 4. 中國航天科技集團公司 第六研究院， 陜西 西安 710100)

通過對西安神禾塬魚包頭村和涇陽縣新莊村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，結合涇陽縣新莊村AMS14C的年代測定和其他學者的測年數據，建立了該地區全新世以來黃土沉積年代序列.根據磁化率氣候替代指標在剖面上的變化規律以及該黃土剖面反映的東亞冬、夏季風強弱變化特點，詳細分析了西安地區全新世以來環境變化的特征和規律，進而將該剖面磁化率曲線特征與其他學者的孢粉譜建立的溫度曲線進行對比.對西安地區全新世以來古氣候的階段進行了劃分，將西安地區10 000 a以來的氣候演變劃分為6個氣候階段： 10.0～9.0 kaBP,冷溫轉換階段； 9.0～7.0 kaBP,暖冷波動階段； 7.0～5.0 kaBP,溫暖階段； 5.0～3.4 kaBP,暖冷劇烈波動階段； 3.4～2.0 kaBP,氣溫先降后升階段； 2.0 kaBP至現在，溫暖半濕潤、半干旱階段.

全新世； 古氣候環境； 黃土； 磁化率； 西安黃土臺塬區

全新世的氣候變化為當前關注的熱點，對認識現代環境的形成和預測未來的人類生存環境有著十分重要的意義.

劉東生[1]對陜北洛川黑木溝黃土樣品的磁化率進行了測定，發現古土壤大約是黃土的2倍.F.Heller等[2]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，他們系統地測量了中國黃土與古土壤的磁化率，發現磁化率值的高低與成土作用的強弱有一定聯系，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境變化的信息.黃土的磁學性質研究引起了廣泛的興趣[3-9].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境變化的意義[5].20多年的實踐證明，中國黃土磁化率值與成土作用呈現良好的正相關關系，磁化率作為研究古氣候的替代性指標得到了充分的認識和應用[3-4，6].在經典的洛川和西峰黃土剖面中[10-11]，磁化率的高值和低值分別對應于古土壤層和黃土層[12].以上這些工作和成果為磁化率研究奠定了良好的基礎，將磁化率這一物理參數作為反映古氣候環境變化的替代性指標普遍為中外學者所接受.

1 地質概況和年代序列

1.1 地質概況 長安區魚包頭村和涇陽縣新莊村同屬陜西關中地區中部,分別位于渭河南、北的黃土塬區，前者位于神禾塬，后者位于涇陽塬，又同屬于西安地區的黃土塬區.對較小范圍內同一地區的2個黃土塬選取2個全新世黃土剖面進行野外觀察描述、地層劃分和對比，發現兩剖面地層結構基本相同，代表了該區全新世以來黃土沉積層序.

西安神禾塬全新世黃土剖面位于渭河以南西安市南郊長安區潏河、滈河間神禾塬之上的魚包頭村公路旁(108°46′E，34°08′N)(圖1).神禾塬由于后晉天福六年(公元941年)在塬上發現一禾九穗而得名[13]，塬由東南伸向西北，長約11 km，寬1.5～2 km，海拔490～600 km，高出潏河、滈河40～100 m.受構造影響,塬面由東南向西北呈階梯狀傾斜，明顯分為3級，海拔高度分別為490～530 m、540～570 m、580～600 m；塬面略有起伏，洼地與隆起相間.該剖面以5 cm間隔采樣37個，深度1.85 m，黃土沉積由上(地表)至下巖性描述如下：

▲ 研究剖面地點

1) 表層土(Ms)，也稱耕作層.深度0～0.3 m，顏色為灰黃色，顆粒細、均勻，結構疏松，有孔隙發育，富含植物根須，土中有瓦片、碎石分布，應為擾動土，厚0.3 m.

2) 黃土(L0).深度0.3～0.7 m，顏色為灰黃色，顆粒細，黏性較大，有大孔隙發育，含有植物根須和零星鈣質小結核，厚度0.4m.

3) 古土壤(S0).深度0.7～1.6 m，顏色為棕紅色，顆粒很細，黏性大，黏粒表面光滑，棱柱狀構造發育，有孔隙，含有植物根須、蟲孔和白色鈣膜，厚0.9 m.

4) 馬蘭黃土(L1).出露深度1.6～1.85 m(未到底)，顏色為灰黃—淡灰褐色，顆粒較細，質地均一，無層理，結構疏松，大孔發育，含鈣，淀積層20 cm，厚0.25 m(未到底).

涇陽新莊村剖面位于渭河以北的涇陽縣新莊村東南約500 m處的路旁，以2 cm間隔采樣160個，深度3.2 m，地層由新至老簡述如下：

1) 表層土(Ms).深度0～0.52 m，淺灰黃色，疏松，含植物根須，蟲孔發育，厚0.52 m.

2) 黃土(L0).深度0.52～0.88 m，淺灰黃色，顆粒較細，植物根須、蟲孔發育，厚0.36 m.

3) 古土壤(S0).深度0.88～2.64 m，棕褐色，顆粒細、黏性大，含植物根須和白色鈣膜，厚1.76 m.

4) 馬蘭黃土(L1).出露深度2.64～3.2 m(未見底)，淺灰黃色，團塊結構，具大孔隙，質地均一，無層理，在134～135號樣，即2.68～2.7 m之間有一層約0.03 m厚比較特殊的褐色黏土層，其質地較硬，含有蝸牛，厚0.56 m.

1.2 年代序列 在對西安神禾塬魚包頭村和涇陽縣新莊村全新世黃土剖面巖性觀察描述和詳細分層的基礎上，又對西安地區涇陽南塬寨頭村、西安白鹿塬劉家坡等全新世黃土剖面進行了詳細的地質調查，特別在涇陽縣新莊村黃土剖面中取3個樣品，在中國科學院地球環境研究所西安加速器質譜中心進行了AMS14C測年.測年的樣品制備、測量及數據處理等均由該中心完成.經過前處理的樣品經過系統燃燒制取CO2氣體，然后經過制靶系統用Zn粉把CO2還原成CO，CO經過鐵粉被還原成石墨，制成石墨靶樣，就可以用于AMS14C測年了.所有14C測年均使用加速器測年方法，測年結果見表1.測年在剖面中的位置和數據見圖2和表2.依據本次測年數據，結合其他學者以前在全新世黃土剖面相應部位的測年數據，以確定本區黃土-古土壤沉積的年代序列.本區剖面與一些學者的剖面有很好的對比性，特別是有學者的研究剖面就在西安及其關中地區渭河流域，對比起來可靠性較大，應能得到可信的效果.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)、黃土層(L0)、表層土(Ms).各層分界已有大量測年數據，經過綜合對比分析，現將6個界線確定如下：晚更新世馬蘭黃土(L1)和早全新世古土壤層(S0)底界的年齡，據眾多學者認為應為10 000 a[14-15]，這是基本公認的年齡數據；早全新世與中全新世早期界線年齡，根據西安狄寨剖面[16]和昔陽康家嶺剖面[1]測得的8 900 a和8 990 a，綜合考證應為9 000 a；關于中全新世早期、中期和晚期上界，據部分學者意見和筆者所測數據分別應為7 000 a[17]、5 000 a[15]和3 400 a[18](表2，圖2)；晚全新世(L0)與表層土(Ms)的界線年齡，筆者本次所測數據為(1 980±25)a(圖2、表1和表2)，根據大多數學者意見應暫定為2 000 a.

表 1 涇陽縣新莊村全新世黃土剖面AMS 14C測年數據表

以上是筆者根據測年數據并參考其他學者測年數據建立的涇陽縣新莊村全新世黃土沉積年代序列(圖2，表2).6個時段的界限在剖面中表現清楚，易于識別，特別是L1/S0、S0/L0、L0/Ms等3個界線容易識別.本文所討論的神禾塬全新世黃土剖面與涇陽縣新莊村全新世黃土剖面在地理位置上同屬于西安地區(即西安市范圍內)，兩者距離相當近，在地貌上同屬于渭河河谷西安地區的塬上.據野外實地調查，兩剖面黃土沉積速率基本相當，沉積環境相同.神禾塬全新世黃土剖面Ms、L0和S0層位清晰且與涇陽縣新莊村黃土剖面吻合，它們是同一小區域范圍內同時期的沉積物，故涇陽縣新莊村全新世黃土剖面所測年代數據應能較準確地代表神禾塬全新世黃土剖面的年代.同時，它可以作為西安地區乃至黃土高原全新世黃土剖面斷代的基本依據.

圖 2 西安及黃土高原全新世黃土年代地層對比示意圖

時代階段年代/aBP地點數據/aBP資料來源地點數據/aBP資料來源晚全Q642000西安地區1980±25自測環縣東塬1936±136文獻[17]新世Q543400西安地區3420±35自測西峰后宮寨3300±60文獻[19]中全新世晚期Q445000西安地區4605±30自測蘭州九州臺5000文獻[15]中期Q347000隴西暖泉溝7360±250文獻[17]蘭州九州臺7310±90文獻[17]早期Q249000西安狄寨8900±250文獻[16]隴西暖泉溝8550±340文獻[17]早全新世Q1410000西安藍田10000文獻[14]蘭州九州臺10000文獻[15]

2 磁化率曲線特征及氣候環境

在西安神禾塬魚包頭村全新世黃土剖面(取樣37個，間距為5 cm)和涇陽縣新莊村全新世黃土剖面(取樣160個，間距為2 cm)上進行系統采樣，能夠較全面地分析出該區全新世黃土-古土壤序列的堆積過程及其磁化率所代表的氣候環境.所有樣品均在西北大學大陸動力學國家重點實驗室進行測量，每個樣品取約20 g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，再除以樣品的質量，即為所要測的磁化率值.

由于兩剖面距離較近，磁化率曲線大體波動應相似，所反映的氣候環境大體也應是相似的.當然，兩曲線在細微的表現上是有差異的，這主要由各自所處的局部地貌部位的不同和取樣間距的大小差異所致.有關涇陽縣新莊村全新世黃土剖面磁化率曲線特征及氣候變化將在下一節中討論，在此不多贅述.現僅對神禾塬魚包頭村全新世黃土剖面磁化率的曲線特征及氣候環境作一簡述.

圖 3 西安神禾塬新世黃土剖面磁化率曲線圖

從圖3中可以看出，西安神禾塬魚包頭村全新世黃土剖面磁化率曲線特征表現為：馬蘭黃土L1的上部至全新世表土層Ms頂部波動幅度較大，磁化率為10.03×10-7(深度1.85 m)～23.12×10-7m3/kg，最小值在最下部(深度1.85 m)的馬蘭黃土L1之中，最大值處于古土壤層S0中(深度0.85 m).這2個數值變化完全符合磁化率在黃土-古土壤序列中分布的一般規律.

該剖面磁化率的變化具體為：在馬蘭黃土中最小，37～33號樣變化范圍是10.03×10-7～12.52×10-7m3/kg，其值逐漸增加；在古土壤S0中最大， 32～15號樣變化范圍是12.55×10-7～23.12×10-7m3/kg，磁化率逐漸增大后又漸漸減小；在黃土層L0中磁化率明顯較在S0中小， 14～07號樣變化范圍是18.26×10-7～20.20×10-7m3/kg，磁化率值在波動；在表層土Ms中變化不大，對應的06～01號樣，其變化范圍為19.53×10-7～18.89×10-7m3/kg(最小值為01號樣).從磁化率曲線基本形態上看，十分明顯地指示了本剖面所在地區全新世黃土-古土壤序列的沉積環境及其氣候變化特征.

馬蘭黃土L1階段的曲線呈現由低谷向S0階段波峰的漸變平滑過渡，體現了冬季風占優勢的黃土成土作用弱、磁化率值低、氣候由寒冷逐漸向全新世氣溫漸升轉變的特征.在古土壤S0階段的曲線體現了磁化率的波峰階段，從S0的底部向上至 0.85 m 深度處，曲線一直處于向峰值的增長階段,指示了夏季風占優勢的古土壤成壤作用強、磁化率值高、氣候溫暖的全新世氣候適宜期的特點.剖面上0.85～0.70 m時曲線在下降，說明氣候有轉冷的趨勢.在黃土層L0階段，曲線出現了4次連續降、升的之字型的波動，說明此時冬、夏季風交替占優勢，氣候冷、暖有波動，但總體比S0階段溫度要低，氣候較差.耕作層磁化率表現為近似直線.

3 討論

西安神禾塬魚包頭村全新世黃土剖面磁化率曲線的變化趨勢與地層巖性特征具有對比性，檢驗了在第1節中該區全新世黃土—古土壤序列分層的正確性.從總體上看，該剖面的磁化率曲線與筆者涇陽縣新莊村的磁化率曲線(圖4)較為相似，通過該兩條曲線的互補能夠體現該區的氣候變化特征，代表全新世黃土-古土壤的氣候地層序列.曲線的特征表現為在古土壤中為峰，在黃土中為谷，在每個高峰和每個低谷中都有次一級的波動，反映了古土壤堆積時期成壤作用強、夏季風環流強盛、氣候暖濕及黃土堆積時期成壤作用弱、冬季風環流強盛、氣候冷干的總特點.

從以上磁化率曲線特征的對比分析，已經比較明顯地看出西安地區全新世以來的氣候分段及規律，再結合第1節中對年代序列的測定和斷代依據(表1)以及其他學者在其它地區孢粉譜建立的溫度曲線(圖4)進行進一步的對比，對西安地區全新世以來的氣候進行初步綜合分析、判斷，以便與其他學者能夠得到討論，使該區的氣候分段更加準確、可靠，從而得以古氣候環境的恢復.

(a)、(b)為磁化率曲線；(c)、(d)、(e)為孢粉譜建立的溫度曲線

(a)：西安神禾塬(筆者自測)，(b)：陜西涇陽縣莊村(筆者自測)，(c)：黃土高原[14]，(d)：河北東部[20]，(e)：長白山本部[20]

圖 4 西安地區磁化率與孢粉譜的溫度曲線對比

Fig. 4 Contrast of susecptibility curve and sporopollen spectrum temperature curve in Xian area

由于磁化率曲線和孢粉譜建立的溫度曲線均可反映出氣溫的變化，均能代表這一時期以來的氣候變遷；所以在西安地區所測2個剖面的磁化率曲線可以和其他作者在黃土高原[14]、河北東部及長白山西部[20]地區利用孢粉譜建立的3條溫度曲線進行對比.從圖4可見，對比性良好， 2條磁化率曲線的形態和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4，(b))，極為相似；這就為較準確地分析西安地區全新世以來古氣候環境的演變提供了依據.現將該區古氣候分為3個階段如下：

4 結論

由以上討論所知，可得出結論如下：

1) 全新世大暖期應劃分為9.0～3.4 kaBP，延續5.6 ka，其間有多次劇烈的氣候波動與寒冷事件.

2) 將該區全新世的古氣候可具體細分為6個階段：10.0～9.0 kaBP為冷溫轉換階段；9.0～7.0 kaBP 為暖冷波動階段；7.0～5.0 kaBP為溫暖階段；5.0～3.4 kaBP為暖冷劇烈波動階段；3.4～2.0 kaBP為先降后升階段；2.0 kaBP至現在為溫暖半濕潤、半干旱階段.

3) 西安地區的氣候波動與中國西北地區及全球氣候變化具有一致性、周期性、不穩定性和趨勢性.

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(編輯 陶志寧)

Palaeoclimate Environment Vicissitude of Susceptibility of Loess During the Holocene on the Loess Tableland Region in Xi’an

LI Bingcheng1,2,3, LI Zhengze4

(1.SchoolofCivilEngineering,XijingUniversity,Xi’an710123,Shannxi; 2.CollegeofEnvironmentSciencesandEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710054,Shannxi; 3.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics,DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an710069,Shannxi; 4.SixthResearchInstituteofChinaAerospaceScienceandTechnologyCorporation,Xi’an710100,Shannxi)

Doing research about the characteristic of the evolution of environment in Xi’an area during the Holocene, providing a basis for Xi’an area to China and the global in predicting future environment development trends. Loess deposition age sequence during the Holocene in the region is established by the description of rock character of loess-palaeosol stratum, the partition and contrast of stratum of section in Yubaotou village of Xi’an Shenheyuan and Xinzhuang village of Jingyang county, and with the combination of age measuring of AMS14C in Xinzhuang village of Jingyang county and other scholars’ testing data. According to the character of the curve expressed by substitution indication of climate of susceptibility, the changing regularity of this substitution indication in the section, and the strength changing character of winter and summer monsoon in East Asian reflected by the loess section, minutely analysis the characters and laws of environment changing in Xi’an area during the Holocene, then the character of the susceptibility curve of this section is compared with temperature curve of sporopollen spectrum established by other scholars. At the same time, we have been compartmentalized to the palaeoclimate stage trait during the Holocene in Xi’an area, six climate stages nearly 10 000 years in Xi’an area can be suggested and they are： Stage l, 10.0～9.0 kaBP, it is a conversion stage, the climate turned from cold and dry to warm and humidity; Stage 2, 9.0～7.0 kaBP, the climate of this phase often fluctuated, climate was warm and humidity; Stage 3, 7.0～5.0 kaBP, a warm phase; Stage 4, 5.0～3.4 kaBP, it is a turbulent stage, warm and cold alternated; Stage 5, 3.4～2.0 kaBP, the temperature dropped at first and then arised; Stage 6, 2.0 kaBP to present, warm semi-humid and semi-arid stage.

Holocene; palaeoclimate environment; loess; susceptibility; Xi’an loess tableland region

2016-02-17

國家自然科學基金(40772181)

李秉成 (1955—)，男，教授，主要從事第四紀地質與環境研究，E-mail:libingcheng01@tom.com

P534.632

A

1001-8395(2017)03-0404-07

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.03.022