黃土高原晚新生代風(fēng)環(huán)流和風(fēng)沙環(huán)流演變的研究

黃土高原晚新生代風(fēng)環(huán)流和風(fēng)沙環(huán)流演變的研究

由于黃土的風(fēng)成原因，以及中國(guó)北方微風(fēng)運(yùn)動(dòng)和沉積的氣循環(huán)過(guò)程一直是研究黃土古氣候的重要課題之一。中國(guó)北方風(fēng)塵的源區(qū)、傳輸路徑和沉積區(qū),既是東亞季風(fēng)的重要活動(dòng)區(qū),也位于北半球西風(fēng)環(huán)流緯度帶上。低空季風(fēng)環(huán)流與高空西風(fēng)環(huán)流的疊加決定著東亞大陸的大氣環(huán)流基本格局,中國(guó)北方風(fēng)塵物質(zhì)正是通過(guò)這種大氣環(huán)流系統(tǒng)來(lái)傳輸與沉積的。關(guān)于黃土搬運(yùn)的大氣環(huán)流問(wèn)題,最先引起人們注意的是西風(fēng)環(huán)流在黃土搬運(yùn)與沉積中的作用;黃土-古土壤序列形成的古季風(fēng)理論強(qiáng)調(diào)了東亞冬季風(fēng)在黃土形成中的主導(dǎo)作用。近年對(duì)黃土粒度組分的研究發(fā)現(xiàn)了風(fēng)塵沉積粒度分布中的兩個(gè)成因組分,并將其與低空季風(fēng)和高空西風(fēng)環(huán)流相聯(lián)系。利用這一方法對(duì)末次冰期旋回的黃土-古土壤序列的研究,揭示了第四紀(jì)冰期旋回中低空季風(fēng)環(huán)流和高空西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度變化的時(shí)空特征,同時(shí)通過(guò)典型剖面記錄,初步認(rèn)識(shí)了季風(fēng)環(huán)流和西風(fēng)環(huán)流在第四紀(jì)和晚新生代演化的基本趨勢(shì)。然而,由于粒度與大氣環(huán)流系統(tǒng)之間的復(fù)雜關(guān)系的存在,單個(gè)剖面的粒度往往不能客觀地反映大尺度大氣環(huán)流變化。其中一個(gè)很重要的原因是,風(fēng)塵沉積物粒度分布是多因素控制的大氣環(huán)流下的產(chǎn)物,其不僅要受大尺度大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響,也受到了局部風(fēng)場(chǎng)空間特征的影響,而后者往往與風(fēng)場(chǎng)的高頻變化和局部地形地貌有關(guān),對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間尺度的大氣環(huán)流研究來(lái)說(shuō)可視為噪音。所以,從不同剖面的記錄來(lái)獲得大氣環(huán)流的平均狀態(tài)的變化,對(duì)于萬(wàn)年以上的古氣候重建來(lái)說(shuō)是十分重要的。本文首次報(bào)道了靈臺(tái)剖面和趙家川剖面的兩個(gè)粒度組分?jǐn)?shù)據(jù),結(jié)合已發(fā)表的西峰剖面和洛川剖面,討論了晚新生代中國(guó)北方大氣環(huán)流變化的基本規(guī)律以及季風(fēng)環(huán)流和西風(fēng)環(huán)流在這一時(shí)間段的演化趨勢(shì),并結(jié)合影響中國(guó)北方大氣環(huán)流的主要?dú)夂蛞蛩氐淖兓?討論了中國(guó)北方大氣環(huán)流演化與青藏高原和極地冰量的聯(lián)系。1磨損沉積的粒度組成與氣氛循環(huán)1.1粒度分離方法研究所用的數(shù)據(jù)分兩類,一類是首次在本文發(fā)表的靈臺(tái)剖面和趙家川剖面,另一類是已發(fā)表的西峰剖面和洛川剖面。粒度測(cè)量前對(duì)樣品采用了較徹底的前處理方法,以除去與成壤作用有關(guān)的有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽和次生粘土礦物等。粒度測(cè)量用兩種粒度儀進(jìn)行,靈臺(tái)剖面、洛川剖面和西峰剖面的粒度分析在德國(guó)Fritsch公司的Analysette22型激光粒度儀,該儀器在0～1200μm的粒度范圍內(nèi)以0.25?為間隔給出54個(gè)粒級(jí)的含量數(shù)據(jù)。趙家川剖面的粒度分析在英國(guó)Malvern公司的Mastersizer2000型激光粒度儀,它在0～2000μm的測(cè)量范圍內(nèi)以0.1?為間隔給出100個(gè)粒級(jí)。該儀器屬于第二代激光粒度儀,相對(duì)于第一代而言,其最大的優(yōu)勢(shì)是在細(xì)粒端有非常高的分辨率,所以不僅能揭示主要組分的變化,而且對(duì)超細(xì)粒部分仍然有較高的分辨率。粒度組分分離的原理是通過(guò)設(shè)計(jì)樣品總體粒度分布函數(shù),用實(shí)測(cè)粒度數(shù)據(jù)對(duì)分布函數(shù)進(jìn)行擬合以計(jì)算函數(shù)的參數(shù),從而獲得各組分的分布函數(shù)。樣品的總體分布函數(shù)是各組分分布函數(shù)與該組分百分比乘積的和函數(shù)。根據(jù)組分的分布類型確定分布函數(shù)類型。分布函數(shù)擬合實(shí)驗(yàn)表明,WEIBULL分布函數(shù)能較好地?cái)M合風(fēng)塵粒度分布,以擬合殘差最小為目標(biāo),對(duì)絕大多數(shù)風(fēng)塵沉積物都可獲得分布函數(shù)并從數(shù)學(xué)上分離各粒度組分(分離方法見(jiàn)文獻(xiàn))。所有剖面的年代標(biāo)尺均來(lái)自相關(guān)的磁性地層年代學(xué)研究,即以古地磁界線年代為年代序列的控制點(diǎn),以沉積粒度作為沉積速率指示對(duì)控制點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插以獲得全剖面的年代。1.2粒度分布特征結(jié)果模擬實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算都表明,平均粒徑小于2μm的細(xì)粒粉塵,一旦被風(fēng)吹起,便可以上升到高空大氣中懸浮較長(zhǎng)的時(shí)間,并被氣流搬運(yùn)到較遠(yuǎn)的地區(qū)。而平均粒徑大于20μm的顆粒,很少在空氣中懸浮較長(zhǎng)的時(shí)間,即使被大風(fēng)吹起也只能在低空作短時(shí)間的懸浮,被搬運(yùn)的距離也較短,其搬運(yùn)方式是近地面短距離懸移,風(fēng)速減弱便回落到地面。黃土中的粗粒和細(xì)粒組分分別與上述兩種成因類型在粒度范圍和分布特征上較為一致。從分布曲線的特征來(lái)看,粗粒組分的分布峰度較高,粒度范圍較小,占總樣的多數(shù),它表現(xiàn)出一種集中發(fā)生的降塵過(guò)程,代表了低空近源的粉塵沉積。黃土中的粗粒組分的眾數(shù)粒徑一般在12～80μm之間,以20～40μm為最多,但其含量變化較大,在第四紀(jì)黃土中大致變化于40%～70%之間,而在第三紀(jì)紅粘土中可變化于0～60%之間。相對(duì)來(lái)說(shuō),細(xì)粒分布的峰度較小,粒度分布范圍較大,從這一特征來(lái)看,這一組分的形成是一種經(jīng)常性降塵過(guò)程,代表了黃土高原大氣粉塵的本底。黃土中的細(xì)粒組分的眾數(shù)粒徑一般在2～8μm之間,以5～6μm最多,而北太平洋粉塵只有1.8～2.2μm,這一差異與西風(fēng)粉塵的粒度沿下風(fēng)方向緩慢減小的特征是一致的?，F(xiàn)代粉塵的粒度特征及其產(chǎn)生的氣候過(guò)程研究為上述解釋提供了依據(jù)。非洲粉塵區(qū)的降塵和大氣背景粉塵的粒度分布也表現(xiàn)出與中國(guó)粉塵有相同的粒度分布特征和相近的粒度分布參數(shù)。北太平洋的西風(fēng)帶粉塵只有一個(gè)細(xì)粒組分,并且位于黃土細(xì)粒組分的范圍之內(nèi),但比黃土的細(xì)粒組分粒度明顯小。除了組成粉塵主體部分的兩個(gè)組分外,在高分辨率的粒度分析結(jié)果的頻率分布曲線上,在細(xì)粒端存在一個(gè)很小的組分,其平均粒徑大約在0.5μm左右,在黃土中含量大致3%,在古土壤中約5%,成因研究表明其與成壤作用有關(guān)。2粒度和沉積速率的記錄2.1粗粒組分的變化圖1給出了靈臺(tái)剖面的兩個(gè)組分的時(shí)間序列,其中年代標(biāo)尺來(lái)自文獻(xiàn)。靈臺(tái)剖面的粒度分布與黃土高原的大多數(shù)剖面不同,其中一個(gè)顯著的特點(diǎn)是總體分布中細(xì)粒組分的含量明顯高于其他剖面(見(jiàn)圖1d)。這一特點(diǎn)在古土壤層中表現(xiàn)得最為明顯,在第三紀(jì)紅粘土中更是如此。實(shí)際上,靈臺(tái)剖面紅粘土的高沉積速率主要是由于細(xì)粒組分的含量較高所致,即較高的背景粉塵沉積?？赡苡捎诔练e速率較高,靈臺(tái)剖面的兩個(gè)組分的趨勢(shì)變化不如其他剖面大,但主要的變化趨勢(shì)還是較為明顯的。粗粒組分的粒度變化在第三紀(jì)的特征是,7～5Ma的早期粒度平均較粗,并在6.6Ma,6.4Ma,6.0Ma和5.4Ma存在幾個(gè)粒度明顯變粗的時(shí)期。自4.2Ma開(kāi)始,粗粒組分的粒度明顯變細(xì),并且波動(dòng)的幅度也較早期小,這種性狀一直持續(xù)到2.8Ma,粗粒組分的含量變化在第三紀(jì)早期也表現(xiàn)出較大的變化,但其與粒度并不同步,總的特征是粗粒組分含量較高的時(shí)期較多,平均在50%～55%左右,并在6.7Ma,6.0Ma,5.2Ma和4.1Ma的4個(gè)時(shí)期含量變低,其含量一般可減小到10%～15%左右。自4.1Ma開(kāi)始,粗粒組分的含量隨著其粒度的變小有所減小,并且變化幅度也明顯變小,表現(xiàn)為平均粒度和含量呈平穩(wěn)的變化特征。從2.8Ma開(kāi)始,粗粒組分的粒度和含量都發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化,粒度明顯變大,含量明顯減小,其中2.8～2.7Ma的第一個(gè)大冰期出現(xiàn)時(shí),粗粒組分的粒度達(dá)到了近60μm,含量也達(dá)到了55%,是整個(gè)晚新生代中最明顯的粒度事件。第四紀(jì)早期存在2.5Ma和1.8Ma兩個(gè)粒度變大的時(shí)期,而其他時(shí)期的粒度相對(duì)于第三紀(jì)只有少量的增加。粗粒組分的含量變化在第四紀(jì)早期有同步反相變化的特征,但變化幅度并不完全一致?？偟脕?lái)說(shuō),粗粒組分的粒度、含量及其變化在早第四紀(jì)的變化幅度和頻率較第四紀(jì)都要明顯大一些。從中更新世的1.6Ma開(kāi)始,粗粒組分是一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折,它的粒度開(kāi)始變大,這一趨勢(shì)在0.9Ma進(jìn)一步加強(qiáng),這種趨勢(shì)一直保持到末次冰期,使得其粒度平均值升高到末次冰期的35μm。含量的變化有所不同,它從0.9Ma開(kāi)始才有所變大,并且在中晚第四紀(jì)存在多次波動(dòng),總的來(lái)說(shuō)還是存在變大趨勢(shì)。細(xì)粒組分的變化明顯不同于粗粒組分,其粒度和含量都較粗粒組分小得多,并以4Ma為界線,在之前和之后表現(xiàn)出不同的變化特征。在第三紀(jì)早中期細(xì)粒粒度較晚期細(xì),眾數(shù)粒徑大致8μm,并在6.8Ma,5.8Ma和5.2Ma處存在幾次變粗的時(shí)期,粒度從5Ma開(kāi)始變粗,雖然在4.3Ma左右發(fā)生了變粗的事件,但4.2Ma開(kāi)始一直保持著眾數(shù)粒徑約為5μm的較細(xì)水平,穩(wěn)定的粒度一直保持到2.8Ma。與粗粒不同的是,細(xì)粒組分的含量變化大致與其粒度同步,即含量隨著粒度變粗而增加。在4.2Ma之前波動(dòng)幅度較大,并且主要變化也與粒度相同,最高含量可達(dá)95%,最低可至25%。從大致4Ma開(kāi)始其含量相對(duì)穩(wěn)定在48%的水平,這種情況一直保持到2.8Ma。進(jìn)入第四紀(jì)冰期旋回,細(xì)粒組分的含量和粒度也表現(xiàn)出同步變化的特征,其變化幅度都較第三紀(jì)大得多。其粒度在2.8～1.7Ma的早第四紀(jì)較粗,但其含量較第三紀(jì)晚期略低并有較大的變化。在1.7Ma存在一個(gè)突變,細(xì)粒組分的粒度突然變細(xì),同時(shí)含量變小。自1.7Ma以來(lái)存在兩個(gè)大的變化旋回,其特征是粒度逐漸變大同時(shí)含量也變大,然后再突然變小進(jìn)入下一個(gè)旋回,第1個(gè)旋回為1.7～0.9Ma,第2個(gè)旋回為0.9Ma至現(xiàn)代。靈臺(tái)剖面沉積速率變化的階段性比粒度要明顯得多。最顯著的特點(diǎn)是第三紀(jì)紅粘土的沉積速率比第四紀(jì)小得多。第三紀(jì)的沉積速率在大多時(shí)期較小,一般為2～3cm/ka,但在7Ma,6Ma,5Ma和4Ma存在幾個(gè)高沉積速率時(shí)期,這些高沉積速率與高磁化率相對(duì)應(yīng)。自2.8Ma開(kāi)始,沉積速率快速大幅度增加至8cm/ka的第四紀(jì)平均水平。雖然第四紀(jì)的風(fēng)塵沉積速率較高,但也表現(xiàn)出明顯的階段性變化,在早第四紀(jì)的2.8～1.8Ma較低,平均約5cm/ka,而后上升至8～9cm/ka的水平。第四紀(jì)沉積速率變化的顯著特征是大幅度的冰期-間冰期波動(dòng),即冰期沉積速率明顯高于間冰期。另外,與第三紀(jì)相比,第四紀(jì)的間冰期沉積速率也高于第三紀(jì)。第四紀(jì)沉積速率變化的另一個(gè)特點(diǎn)是自0.6Ma以來(lái)一直增加。2.2地質(zhì)特征和沉積速率圖2是趙家川剖面的粒度數(shù)據(jù)的時(shí)間序列,其年代標(biāo)尺來(lái)自文獻(xiàn)?？梢钥闯?兩個(gè)組分及其含量在第三紀(jì)和第四紀(jì)變化始終是逐步變化的,但仍然能看出第三紀(jì)和第四紀(jì)的粒度有顯著區(qū)別。粗粒組分的粒度自7.6～2.8Ma一直在減小,而其含量卻一直增加。7.6～6.0Ma粗粒組分的粒度明顯粗,變化幅度也較大,其含量與粒度有同步變化的特征;6～5Ma粗粒組分的粒度逐漸減小,含量也在減小;5.0～0.8Ma粗粒組分的粒度含量保持在穩(wěn)定的水平上,并且存在較小幅度的波動(dòng);進(jìn)入第四紀(jì)大冰期,粗粒組分突然變粗,并在2.8～2.7Ma存在一個(gè)粒度特別粗的事件,是整個(gè)風(fēng)成序列中最粗的時(shí)段;進(jìn)入第四紀(jì),雖然粗粒組分也有不太明顯的變粗趨勢(shì),但最主要的特征是冰期-間冰期粒度的大幅度粗細(xì)波動(dòng),即冰期變粗間冰期變細(xì)。粗粒組分的百分含量變化趨勢(shì)比其粒度大得多,它在過(guò)去7.6Ma以來(lái)一直在增加,其階段性也是很明顯的。在最初的7.6～6.2Ma,含量總體較低,只是在早期有一個(gè)高含量的時(shí)段;從6.2Ma開(kāi)始,含量快速增加至30%的水平;在6.2～5.0Ma期間有略微減小的趨勢(shì);6.2～2.8Ma,含量只有緩慢增加的趨勢(shì),基本特征是在同一水平上小幅度波動(dòng);自2.8Ma開(kāi)始,細(xì)粒組分的含量增加趨勢(shì)變得明顯,這個(gè)增加趨勢(shì)一直持續(xù)到0.9Ma;而0.9Ma以來(lái),細(xì)粗部分含量進(jìn)一步增加,到末次間冰期達(dá)到了65%的平均水平。第四紀(jì)時(shí)期粗粒組分的含量在軌道尺度上與粒度基本同步大幅度變化,其基本特征是在增加的趨勢(shì)上,冰期增加間冰期減小。細(xì)粒組分的變化較粗粒組分小一點(diǎn),其粒度的總體特征是7.6Ma以來(lái)一直在減小,但是階段性也非常明顯,最初的7.6～6.2Ma粒度較粗,是整個(gè)時(shí)段中最粗的時(shí)期,其眾數(shù)粒徑大致在8～15μm間波動(dòng);從6.2Ma開(kāi)始,快速變化為6μm;其后的6.2～2.8Ma期間粒度只有較小的變化趨勢(shì),并存在小幅度的波動(dòng);進(jìn)入第四紀(jì),細(xì)粒組分的粒度變化也不如粗粒組分的明顯。細(xì)粒組分的百分含量變化與粗粒組分的變化完全相反。在整個(gè)7.6Ma以來(lái),細(xì)粒組分的百分含量一直在減小,其階段性也是很明顯的:在最初的7.6～6.2Ma,其百分含量較高,占全樣的70%～80%,并且在初期含量略低一點(diǎn);從6.2Ma開(kāi)始,快速減少至50%左右;在6.2～5.0Ma期間有略微增加的趨勢(shì);在5.0～3.4Ma期間保持在60%的水平上,同時(shí)存在小幅度的波動(dòng);從3.4Ma開(kāi)始,粗粒組分的含量一直在增加,這種增加的趨勢(shì)一直保存到現(xiàn)代。進(jìn)入第四紀(jì),細(xì)粒組分的百分含量與粗粒組分一樣,表現(xiàn)出明顯的冰期間冰期波動(dòng),即冰期減小間冰期增加。趙家川剖面的沉積速率變化(見(jiàn)圖2)趨勢(shì)與靈臺(tái)(見(jiàn)圖1)一致,且更明顯一些。第三紀(jì)的紅粘土沉積速率較低,大致為0.8～1.0cm/ka,也存在幾個(gè)變大的時(shí)期,但變化幅度小得多。自2.8Ma開(kāi)始沉積速率明顯變大,并且變化幅度也增大。但變化最主要發(fā)生在冰期,間冰期的沉積速率與第三紀(jì)相比只有少量增加。冰期沉積速率自2.8Ma至0.6Ma一直在增加,到0.6Ma時(shí)增加至27cm/ka的峰值,自0.6Ma開(kāi)始有所減小,但仍然保持在較高的水平。需要說(shuō)明的是,除了粒度和沉積速率,趙家川剖面的指示季風(fēng)氣候的地球化學(xué)指標(biāo)也在主要界線上有明顯相似的變化。2.3ma:粗粒組分的粒度、精變化及沉積速率西峰巴家咀剖面只給出了6.5～2.2Ma的粒度數(shù)據(jù)(圖3,序列的年代標(biāo)尺來(lái)自文獻(xiàn)),但趨勢(shì)和細(xì)節(jié)變化都是很明顯的。粗粒組分的粒度總體趨勢(shì)是在變大。在6.5～5.2Ma的初期,粗粒組分較粗,并存在大幅度的變化,其含量則較小;在5.2～3.4Ma的紅粘土中部,粗粒組分的粒度穩(wěn)定在較低的水平上,并存在小幅度的波動(dòng);自3.4Ma開(kāi)始,粗粒組分的粒度突然增加至32～35μm的平均水平,其含量雖然在3.4Ma突然減小,但以后一直在增加,至2.8Ma,粗粒組分的粒度達(dá)到了峰值,是整個(gè)時(shí)段的最粗時(shí)期。細(xì)粒組分的粒度趨勢(shì)變化與粗粒組分基本一樣,總的特征是自下往上變粗,但最初的6.5～5.2Ma的趨勢(shì)是變細(xì)的;5.2～3.4Ma細(xì)粒組分的粒度逐漸變粗,但變率不大;3.4Ma開(kāi)始粒度由原來(lái)的4μm快速增加至6μm,并在3.4～2.2Ma之間仍然保持著粒度變粗的趨勢(shì);2.8Ma也是全時(shí)段中粒度最粗的時(shí)期。細(xì)粒組分含量的總體變化趨勢(shì)是減小的,自6.5Ma的70%～80%一直減小到2.2Ma的50%～60%,但是存在幾個(gè)特征時(shí)段,如5.0Ma,3.6Ma和2.8Ma左右都存在著含量較小的時(shí)期。西峰巴家咀剖面的沉積速率與趙家川剖面基本一致。在6.5Ma以來(lái)的整個(gè)時(shí)段里,沉積速率階段性增加,在6.5～2.8Ma的晚第三紀(jì)時(shí)期,雖然沉積速率總的來(lái)說(shuō)是增加的,但也存在變化,其總體特征是,6.5～5.0Ma之間沉積速率呈減小趨勢(shì);5.0～4.5Ma之間是最低谷;從4.5Ma開(kāi)始緩慢增加,這種增加趨勢(shì)保存到2.8Ma;自2.8Ma開(kāi)始,沉積速率發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化,自晚第三紀(jì)的2～3cm/ka的平均水平增加到15～20cm/ka的早第四紀(jì)冰期的水平。相對(duì)于第三紀(jì)而言,第四紀(jì)間冰期沉積速率仍然是升高的,但在間冰期期間沉積速率基本相當(dāng),冰期之間的沉積速率變化則較明顯,其特征是:從2.8～0.6Ma,冰期的沉積速率增加,到0.6Ma達(dá)到了35～40cm/ka的峰值,0.6Ma以來(lái),冰期沉積速率則略微降低,保持在25cm/ka的水平。2.4粗粒與細(xì)粒的變化圖4給出了洛川剖面最近2.8Ma粗、細(xì)粒組分粒度和百分比序列,便于層位對(duì)比還給出了磁化率曲線。我們看到,粗粒和細(xì)粒組分最顯著的變化特征是萬(wàn)年尺度的冰期旋回中兩個(gè)組分具有一致的變化。就冰期旋回中變化的幅度而言,兩個(gè)組分從0.9Ma以來(lái)明顯增大,這一方面說(shuō)明了第四紀(jì)冰期旋回中高空氣流與低空氣流具有一致的變化行為,同時(shí)也說(shuō)明,整個(gè)大氣環(huán)流在軌道尺度的氣候變化中的波動(dòng)幅度從0.9Ma開(kāi)始有增大的趨勢(shì)。仔細(xì)觀察兩個(gè)組分的粒度曲線會(huì)發(fā)現(xiàn),細(xì)粒組分相對(duì)于粗粒組分更容易變化,這一點(diǎn)在千年尺度的氣候事件上表現(xiàn)更為明顯。在粗粒組分上存在的事件,細(xì)粒組分上都有,且幅度大得多;在粗粒組分中不明顯的氣候事件在細(xì)粒組分中仍很明顯,這些特征似乎說(shuō)明高空氣流強(qiáng)度的變化比近地面氣流更敏感。更有意義的是粗粒和細(xì)粒組分的變化趨勢(shì),粗粒組分的粒度在2.6～1.2Ma期間基本上在相同的水平上波動(dòng),從1.2Ma開(kāi)始變粗,這種趨勢(shì)一直保持到現(xiàn)代。細(xì)粒組分的變化趨勢(shì)與之相應(yīng),從2.6～0.9Ma在一個(gè)略微變粗的趨勢(shì)上波動(dòng),而從0.9Ma開(kāi)始粒度突然變小,并在最近0.9Ma一直保持著變細(xì)的趨勢(shì)。有趣的是粗粒和細(xì)粒的相對(duì)百分比,從圖4可以看出2.6～1.2Ma的粗/細(xì)比保持在約55%的平均水平上波動(dòng),而從1.2Ma開(kāi)始粗粒百分比快速增加,這種趨勢(shì)也保持到現(xiàn)代,其中變化最快的是1.2～0.9Ma。粗粒與細(xì)粒的這些變化特征說(shuō)明:1)第四紀(jì)冰期旋回中低空季風(fēng)環(huán)流和高空西風(fēng)環(huán)流在萬(wàn)年尺度的變化中是有同步變化特征;2)強(qiáng)度變化趨勢(shì)相反,低空季風(fēng)環(huán)流從1.2Ma開(kāi)始緩慢加強(qiáng)而高空西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度則從0.9Ma開(kāi)始減弱。高空西風(fēng)急流對(duì)黃土的貢獻(xiàn)從1.2Ma開(kāi)始快速減小而低空季風(fēng)環(huán)流對(duì)黃土的貢獻(xiàn)則相對(duì)增加,這一重要轉(zhuǎn)換發(fā)生在約1.2～0.9Ma的中更新世。洛川剖面的沉積速率比其他剖面相同地層都要小,但最近2.8Ma以來(lái)的時(shí)間里變化趨勢(shì)與其他剖面相同。自2.8Ma開(kāi)始,沉積速率自晚第三紀(jì)的1cm/ka的平均水平增加到3cm/ka的早第四紀(jì)冰期的水平。從2.8～1.2Ma,冰期的沉積速率只有少量增加,自1.2Ma冰期沉積速率突然達(dá)到25～30cm/ka的峰值,0.6Ma以來(lái),冰期沉積速率則略微降低,保持在20cm/ka的水平。3關(guān)于全球循環(huán)的發(fā)展3.1氣氣形勢(shì)變化對(duì)中國(guó)北方大氣環(huán)流的影響對(duì)于幾十萬(wàn)年至百萬(wàn)年尺度的趨勢(shì)變化的氣候機(jī)制,普遍認(rèn)為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的氣候效應(yīng)和全球冰量的演化是主要驅(qū)動(dòng)因素。這兩者在新生代有著不同的變化趨勢(shì),我們?cè)噲D通過(guò)對(duì)比粒度趨勢(shì)變化的特征來(lái)分析冰量和構(gòu)造因素對(duì)中國(guó)北方大氣環(huán)流演化的貢獻(xiàn)。一般認(rèn)為,全球冰量特別是北半球冰量主要通過(guò)冷空氣活動(dòng)對(duì)蒙古高壓的影響來(lái)影響東亞季風(fēng)環(huán)流,并通過(guò)高低緯之間的溫度梯度來(lái)影響西風(fēng)環(huán)流的位置和強(qiáng)度。我們知道,全球冰量在新生代演化的基本特征是在波動(dòng)的同時(shí)冰量逐漸增加。本文研究的幾個(gè)序列都有一致的趨勢(shì)變化,即最近7Ma以來(lái)高空西風(fēng)環(huán)流和低空季風(fēng)環(huán)流都在加強(qiáng),所以,中國(guó)北方的大氣環(huán)流演化中冰量的貢獻(xiàn)是肯定的。然而,中國(guó)風(fēng)塵序列的粒度所指示的幾次大氣環(huán)流的階段性變化,顯然無(wú)法用冰量的變化來(lái)解釋,而與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征相似。普遍認(rèn)為,青藏高原隆升對(duì)晚新生代中國(guó)北方的大氣環(huán)流系統(tǒng)的大尺度調(diào)整起著決定性作用。新生代高原隆升的基本特征是其多階段性,這與粒度所指示的大氣環(huán)流趨勢(shì)變化的轉(zhuǎn)型事件有相似之處。研究表明,青藏高原對(duì)西風(fēng)環(huán)流的強(qiáng)迫性調(diào)整主要表現(xiàn)在使西風(fēng)帶分裂為南北兩支,并強(qiáng)迫部分西風(fēng)急流爬行繞流,結(jié)果使高原東側(cè)的環(huán)流強(qiáng)度減弱。青藏高原隆升對(duì)低空環(huán)流的作用主要表現(xiàn)在高原隆升加速或引發(fā)了季風(fēng)環(huán)流的建立,從而使中國(guó)北方的低空環(huán)流由隆升前的行星風(fēng)系(西風(fēng)帶)被階段性加強(qiáng)的季風(fēng)環(huán)流取代。地質(zhì)證據(jù)和青藏高原隆升驅(qū)動(dòng)的東亞季風(fēng)演化[21,22,23,24,25,26]都一致表明青藏高原在1.2～0.6Ma的中更新世是一次重要的隆升時(shí)期。進(jìn)一步的研究認(rèn)為,這一階段的隆升不僅使主高原面上升到了與現(xiàn)今相當(dāng)?shù)母咴?而且可能在冰期時(shí)高原面上發(fā)育了大規(guī)模冰川,從而使主高原面進(jìn)入冰圈。青藏高原進(jìn)入冰凍圈后下墊面狀況將發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變,對(duì)季風(fēng)環(huán)流的加強(qiáng)是明顯的。近年的研究已明確提出了中更新世黃土高原粉砂層的形成與青藏高原冰凍圈形成的成因聯(lián)系?？磥?lái)青藏高原中更新世隆升至少可從兩個(gè)方面對(duì)中國(guó)北方大氣環(huán)流產(chǎn)生影響,一是隆升對(duì)大氣環(huán)流的直接改造與強(qiáng)迫作用,二是高原下墊面的實(shí)質(zhì)性改變對(duì)環(huán)流的作用。以上這些粒度組分反映的第四紀(jì)大氣環(huán)流的調(diào)整與第四紀(jì)青藏高原隆升的研究是相吻合的。所以,黃土中粒度組分指示的中國(guó)北方大氣環(huán)流演化,不僅揭示了中國(guó)北方低空季風(fēng)環(huán)流和高空西風(fēng)環(huán)流由于青藏高原隆升導(dǎo)致的一系列調(diào)整歷史,同時(shí)也從風(fēng)塵沉積學(xué)方面提供了大氣環(huán)流證據(jù),佐證了青藏高原的隆升對(duì)中國(guó)北方大氣環(huán)流的決定性作用。為了更清楚地分析晚新生代以來(lái)風(fēng)塵序列粒度組分的趨勢(shì)變化及其空間分異的特征,將4個(gè)剖面的粒度時(shí)間序列放在同一張圖中(圖5),所有的粒度和沉積速率都使用同一標(biāo)尺。幾個(gè)剖面中粗粒組分和細(xì)粒組分都表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)變化。粗粒組分粒度變化的基本特征是,7～5Ma有一個(gè)緩慢減小的趨勢(shì),從5Ma以來(lái)一直在增加,這些特征在靈臺(tái)、西峰和趙家川3個(gè)剖面上都有明顯表現(xiàn)。然而,粗粒組分含量在這一時(shí)期是增加的,這種特征指示著,自8～7Ma以來(lái)至5Ma,近地面冬季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度存在著減小的趨勢(shì),但其對(duì)粉塵的貢獻(xiàn)是增加的。這一特征與深海氧同位素記錄的變化相一致,印證了全球冰量減小對(duì)中國(guó)北方大氣環(huán)流的作用。幾個(gè)序列從5Ma以來(lái),粗粒組分的粒度和百分含量表現(xiàn)出一致的增加趨勢(shì),在這一趨勢(shì)的基礎(chǔ)上存在著明顯的階段性變化,其中最矚目的是2.8Ma全球冰期旋回以來(lái)粗粒組分的突然變粗,與此同時(shí),其對(duì)粉塵的貢獻(xiàn)也在大幅度增加。這種情況在0.9Ma以來(lái)進(jìn)一步發(fā)展。這一粒度特征指示著冬季風(fēng)環(huán)流在3.4Ma,2.8Ma和0.9Ma時(shí)期的加強(qiáng)過(guò)程。雖然這一大的趨勢(shì)與全球冰量的變化基本一致,但其階段性發(fā)展似乎反映了亞洲冬季風(fēng)環(huán)流較冰量之不同所在,可能與青藏高原的隆升有關(guān)。更進(jìn)一步的推測(cè),有理由認(rèn)為全球冰量在晚新生代的發(fā)展似乎與青藏高原隆升有某種聯(lián)系。細(xì)粒組分的粒度變化與粗粒組分有相似之處,即7Ma到5Ma之間,粒度有稍微變細(xì)的趨勢(shì),5Ma以來(lái)又緩慢變大的趨勢(shì)。但這種趨勢(shì)比粗粒小得多,指示著高空西風(fēng)氣流與季風(fēng)氣流在晚新生代發(fā)生了同樣的變化,它們?cè)?.4Ma,2.8Ma和0.9Ma的3個(gè)時(shí)段突然變化也比較明顯。細(xì)粒組分的百分含量在趨勢(shì)上與粗粒組分成消長(zhǎng)關(guān)系,即7Ma以來(lái)高空西風(fēng)氣流對(duì)粉塵的貢獻(xiàn)逐步減小,揭示了晚新生代以來(lái)西風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度與低空季風(fēng)環(huán)流一樣在加強(qiáng),但對(duì)粉塵的貢獻(xiàn)在不斷減小,可能指示著隨著青藏高原的階段性隆升,風(fēng)塵區(qū)近地面氣流由原來(lái)的西風(fēng)氣流主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榧撅L(fēng)氣流主導(dǎo)的大氣環(huán)流轉(zhuǎn)換過(guò)程。對(duì)比幾個(gè)序列還可以清楚地看到,粗粒組分和細(xì)粒組分粒度的橫向分異是很明顯的。其中,西峰剖面、趙家川剖面和洛川剖面較為接近,而靈臺(tái)剖面與它們的差別較大。從單個(gè)樣品的粒度分布也可以看出靈臺(tái)剖面有不同之處,即背景粉塵在全樣中的比重比其他地區(qū)大,可能與剖面所處的地理位置有關(guān)。西峰剖面與趙家川剖面雖然相距只有三十多公里,但其差別也是明顯的,最顯著的不同是粗粒組分差別較大,而西峰剖面的趨勢(shì)變化規(guī)律也較差,其中有好多信息與局部地區(qū)引起的局部氣候有關(guān),而與大尺度的季風(fēng)環(huán)流和西風(fēng)環(huán)流關(guān)系并不大。趙家川剖面和洛川剖面要穩(wěn)定的多,無(wú)論在趨勢(shì)變化還是細(xì)節(jié)變化上代表性都要好一些,可能較客觀地反映了大尺度的季風(fēng)環(huán)流和西風(fēng)環(huán)流。對(duì)比幾個(gè)剖面的沉積速率變化可以看出,除靈臺(tái)剖面外,西峰、趙家川和洛川剖面都有一致的特征,即沉積速率自7Ma開(kāi)始到5Ma達(dá)到了低谷,5Ma以來(lái)一直在增加。其中,顯著的變化發(fā)生在3.4Ma,2.8Ma和0.9Ma,這幾個(gè)界線與粒度變化是同步的。我們知道,沉積速率是搬運(yùn)粉塵的風(fēng)的頻次和強(qiáng)度的綜合指標(biāo),它與粒度變化的幾個(gè)一致界線意味著這些界線可能是由風(fēng)動(dòng)力加強(qiáng)引起的,而在趨勢(shì)變化中,沉積速率的變化比粒度的變化大得多,這種差異可能指示了干旱化程度對(duì)粉塵沉積速率的貢獻(xiàn),即中國(guó)北方風(fēng)塵區(qū)的干旱化程度自7Ma干旱化開(kāi)始以來(lái),在初級(jí)階段有所減緩,而隨后干旱化趨勢(shì)一直在加劇。沉積速率的突變發(fā)生在2.8Ma和0.9Ma。靈臺(tái)剖面的沉積速率比較特殊,代表性較差,與其他剖面相比,第三紀(jì)紅粘土沉積速率較高,第四紀(jì)黃土古土壤序列較低。整個(gè)靈臺(tái)剖面的沉積速率變化不大。3.2洛川剖面的對(duì)比分析為了便于說(shuō)明萬(wàn)年軌道尺度和千年尺度的氣候變化,我們將分