50万a来沙漠—黄土边界带的环境演变〔1〕，本文主要内容关键词为：黄土论文,边界论文,沙漠论文,环境论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
提要 毛乌素沙漠与黄土高原接壤的沙漠——黄土边界带以其特有的古风成砂—黄土—古土壤沉积系列记录了这一地区约50万a 以来的环境演变。地层中的埋藏古风成砂是在冬季风极为强大时堆积的，古土壤是在冬季风萎缩、夏季风强盛时发育的，而黄土则是在上述两种极端气候的过渡状态下堆积的。研究结果表明毛乌素沙漠至少在50万a 前就已经形成，但也并不是从一出现就持续至今，而是在第四纪气候振荡的作用下，历经“沙漠—非沙漠”的多次转变，其中沙漠明显扩大的时期至少有13次。
关键词 沙漠—黄土边界带 古气候 环境演变
毛乌素沙漠与黄土高原接壤的沙漠—黄土边界带，兼有生态脆弱性和气候敏感性的双重特点，是开展古全球变化研究（PAGES）的理想地区之一。在这一地区，受第四纪地质时期气候振荡的影响，沙漠边界曾发生多次往复摆动，相应的在地层中留下了黄土、古土壤与古风成砂的迭覆沉积。这些沉积是恢复毛乌素沙漠的演变历史、探讨东亚季风环流演变特点的地质基础。此外，虽然国外已对非洲、北美、澳大利亚等地干旱、半干旱地区的环境变迁作了大量的研究工作[1—7]，但上述地区沙漠外围的风成沉积，无论是地层连续性、还是时间跨度，均不能与中国东部沙漠外围的风沙沉积相提并论，由此更突出了中国的沙漠—黄土边界带在古全球变化研究中的重要性。
近几十年来，国内学者从不同角度对毛乌素沙漠的形成与发展作了大量研究，如候仁之[8]、朱震达[9—10]等对历史时期的沙漠化作了精辟的论述，董光荣[11—13]、史培军[14]、孙继敏等[15—16]从第四纪地质角度对鄂尔多斯高原的古风成砂及沙漠演化进行了探讨。本文将重点讨论毛乌素沙漠的形成时间、演化次数以及地层的空间对比问题。
1 区域地理概况
本文的沙漠—黄土边界带位于毛乌素沙漠与黄土高原的交接带上（图1）。就地貌类型而言， 其北部为地形相对比较平坦的波状沙丘地，在景观上呈现流动沙丘与固定、半固定沙丘共存的特点；南部为地表切割破碎，沟壑众多，且地表局部覆沙的黄土梁峁地形。就气候而言，沙漠—黄土边界带地处半干旱向半湿润的过渡带上，年降水量在400～450mm左右，但降水变率大，主要集中分布于7、8、9三个月， 占全年降水量的60%以上[17]。此外，该带大风频繁，年平均风速多在2.5m/s以上，冬春季节盛行西北风，夏秋季节盛行东南风，因而处在干冷、暖湿的季风气候控制之下。
图1 沙漠—黄土边界带的地理位置
Fig.1 Location of the desert-loess transitional zone
近年我们对沙漠—黄土边界带的红石峡、石峁、蔡家沟等剖面进行了考察，这几个剖面均为榆溪或无定河两岸高阶地上的风成沉积剖面，其中尤以石峁剖面露头最为清晰、地层连续性最好，成为该区约50 万a以来颇具代表性的剖面。因此石峁剖面也就成了本文的研究重点。石峁剖面位于榆林城南约50km的横山县党岔乡，地貌类型属地表局部覆沙的黄土残梁，剖面厚76.7m，底部出露砂砾石层， 其下与中生代紫红色砂岩为不整合接触（图2）。
图2 石峁剖面古风成砂、黄土、古土壤沉积序列
Fig.2 The eolian sand-loess-palaeosol sequence of Shimao profile
1.风成砂 2.古土壤 3.黄土 4.弱发育土壤 5.砂砾石 6.中生代基岩
2 地层特征
与黄土高原内部的典型剖面不同，石峁剖面是以出现古风成砂—黄土—古土壤沉积系列为特点的，三种不同的沉积对应着三种不同的气候条件：地层中的埋藏古风成砂是在冬季风极为强大时堆积的；古土壤是在冬季风萎缩、夏季风强盛时发育的；而黄土则是在上述两种极端气候的过渡状态下沉积的。因而，认识这一地区的地层特征将有助于探讨沙漠—黄土边界带的环境演变特点及东亚古季风环流的演变历史。
2.1 剖面的底界年龄
根据我们的研究结果，石峁剖面的底界年龄应大致为0.5MaB.P.。证据如下：
2.1.1 土壤地层证据 中国黄土地层中夹有十数层古土壤，这些古土壤的发育程度是不一致的。其中尤以第五层古土壤（S[,5]）发育最好、颜色最红、层位也最稳定，并通常由三层古土壤迭覆而成，俗称“红三条”。刘东生等于60年代初就将这层古土壤作为划分和对比地层的标志层[18]，至今S[,5]仍是黄土地层空间对比的显著标志层之一。野外观察表明石峁剖面的底部出露第五层古土壤（S[,5]）。其特点是：土壤发育程度是全剖面最好的，并由三层古土壤和夹于其间的两层黄土组成，将其划归S[,5]应不存在疑问。根据丁仲礼等所建的时间标尺[19]，其底界年龄应大致为0.5MaB.P.。
2.1.2 古地磁证据 古地磁方法日益被应用于第四纪地层的划分、对比及相对定年研究[20]。笔者在石峁剖面从顶至底共采集了40块古地磁定向标本，并用中国科学院地球物理研究所的超导磁力仪对样品进行了剩磁测定。结果表明所有样品显示正极性，应为布容期的沉积，底界年龄不可能超过0.73MaB.P.。
2.1.3 阶地年龄证据 石峁剖面地处无定河右岸，剖面底部有一层厚1.6m的砂砾石层，砾石最大直径为10cm左右，并不整合于中生代紫红色砂岩之上，为无定河流域的高阶地剖面。根据前人的研究结果，黄河及其主要支流在第四纪时期普遍发育有Ⅰ～Ⅵ级河流阶地（T[,1]～T[,6]），其中T[,3]的阶地面上发育S[,1]以来的风成沉积，T[,4]的阶地面上发育S[,5]以来的沉积，T[,5]的阶地面上发育S[,15]以来的沉积，T[,6]的阶地面上发育S[,22]以来的沉积[21]。由于T[,1]、T[,2]、T[,3]的阶地年龄均小于0.15Ma，T[,5]及T[,6]的阶地年龄均大于0.73Ma，因此石峁剖面只可能与T[,4]相当，发育S[,5]以来的沉积。
2.2. 石峁剖面与黄土高原地区典型剖面的对比
为了了解不同地域的地层配置特点，我们将沙漠—黄土边界带的石峁剖面与黄土高原的洛川剖面[20]、会宁白草塬剖面〔3〕作了对比（图3）。
图3 石峁剖面与黄土高原典型剖面的对比
Fig.3 The correlation between Shimao profile and the other profiles of Loess Plateau
1.风成砂 2.古土壤 3.黄土 4.弱发育土壤 5.砂砾石 6.钙结核
从对比结果看，代表暖期的古土壤沉积在不同的地域有不同的特点：在洛川剖面，从S[,0]到S[,5]，各层古土壤中均不见黄土夹层，尽管S[,2]、S[,5]为复合土壤，但这些复合土壤是由钙结核而非黄土层所隔；向西到西峰剖面，也只在S[,2]中出现黄土夹层，但其余各土壤层情况与洛川相近；再向西到白草塬剖面，S[,2]、S[,5]中均已出现黄土夹层，其中S[,2]中夹有一层厚2.9m的黄土，S[,5]中夹有两层厚度分别为1.8m和1m的黄土层；而在沙漠—黄土边界带的石峁剖面，古土壤更显著地表现为组合土壤，除S[,0]以外，S[,1]～S[,5]的各层古土壤中均夹有黄土或古风成砂层。一个值得注意的现象是，S[,2]、S[,5]中已经有古风成砂夹层。上述古土壤的空间配置特点，至少能给我们两点启示。
其一，古土壤发育时的暖期并非以持续温暖为特点，而是有明显波动的，石峁剖面反映最好。在黄土高原主体部位的洛川、西峰剖面，受沉积速率小及成土作用强的影响，暖期时的气候波动往往得不到很好地反映，古土壤中的黄土夹层极易被接下来的成壤作用所改造。所以，尽管古土壤的成壤强度较高，但却不能很直观地记录暖期中的寒冷气候信息。在沙漠—黄土边界带，不仅沉积速率较大、成土作用弱，而且又处于气候敏感带上，暖期时的气候格局可得到很好反映。其特点是：几乎每期古土壤中都夹有代表寒冷气候的沉积，而且根据古土壤中的古风成砂或黄土夹层，还可进一步将这些次一级的冷期划分为干冷及极端干冷气候。
其二，石峁剖面与黄土高原典型剖面之间具有很好的空间可对比性。首先，[S,0]在上述剖面中是可以相互对比的。其特点是尚处于成壤初期的有机质积累阶段，均具暗腐殖质诊断表层，碳酸盐的淋溶程度不高；剖面有碳酸盐反应，一般无成形的Ca层，是一种处在发育初期的古土壤。其次，从洛川、西峰、白草塬等地S[,5]以来的沉积来看，暖期中气候波动幅度最大的是S[,2]、S[,5]两个成壤期，表现为只有S[,2]、S[,5]为复合土壤。在沙漠—黄土边界带的石峁剖面，尽管从S[,1]～S[,5]均为组合土壤，但只有S[,2]、S[,5]中夹有古风成砂层，显示了S[,2]、S[,5]是气候振荡幅度最大的两个成壤期，这与典型黄土剖面所得出的结果是一致的。此外，代表冷期的沉积总体上是可以对比的，但在不同空间的地层配置上又各具特点。在黄土高原的洛川、西峰、白草塬等地，冷期沉积几乎无一例外地表现为黄土层；但在沙漠—黄土边界带，冷期的沉积可进一步划分为黄土和古风成砂层。
3 气候替代性指标反映的约50万a以来的环境演变
中国学者已经比较早的注意到黄土与古土壤的磁化率差异[23]，即古土壤的磁化率通常都大于黄土。Heller和刘东生最早将黄土剖面的磁化率曲线与深海沉积物的氧同位素记录进行了对比[24]，此后，磁化率作为一种气候替代性指标（proxy data），在中国黄土研究中得到了较广泛的应用[25～32]。
本文也引入了磁化率指标，并由此建立了50万a 以来的气候曲线（图4）。该曲线是以10cm为间距，用英国Bartington公司生产的MS—2型磁化率仪在室内测定的。需要指出的是，截止目前为止，虽然对磁化率反映古气候的机制尚有不同的解释，但大多都承认磁化率与成土作用强度有重要联系，而粉尘物质在其堆积之后所经受的成土强度与夏季风盛衰密切相关，因此，磁化率可在一定程度上反映冬、夏季风的强弱变化，对这一点已基本形成共识。
图4 石峁剖面的磁化率曲线
Fig.4 The magnetic susceptibility curve of Shimao profile
1.古风成砂 2.黄土 3.弱发育土壤 4.古土壤
图4表明石峁剖面的磁化率曲线呈现出极显著的“峰、谷”变化。其中，波峰与古土壤对应，磁化率值基本上都大于40×10[-5]SI，在一定程度上指示了沙漠—黄土边界带成土作用与夏季风显著增强的时段；波谷与古风成砂对应，其磁化率均小于20×10[-5]SI，是冬季风环境效应突出、沙漠南侵的时期；黄土的磁化率则介于古土壤与古风成砂之间，指示了一种过渡类型气候条件。因此，磁化率曲线可以大致反映沙漠—黄土边界带50万a以来的环境变迁历史。
4 对沙漠—黄土边界带环境变迁的讨论
4.1 毛乌素沙漠的演化历史
第四纪地质时期，毛乌素沙漠历经出现、扩大与缩小、固定的多次转变。本文磁性地层、土壤地层等的研究结果，揭示了石峁剖面最老的古风成砂据今50万a左右。也就是说，毛乌素沙漠至少在50万a前就已经存在。而且石峁剖面夹有13层古风成砂，由此揭示了在过去的50万a 里，至少有13次沙漠明显扩大的时期。石峁剖面顶部的那层现代流沙是在历史时期人类活动的过度影响下产生的，而非沙漠演变的自然过程。
4.2 冷期与暖期的气候特征
第四纪冷期与暖期的划分主要是依据深海氧同位素曲线的变化，人为地将氧同位素曲线划分为若干阶段，而且其影响因素甚多，除受冰量变化控制外，至少还受海水表面温度（SST）的影响， 但在目前的水平上还无法将这两种因素很好地区分。与深海沉积不同，风成沉积序列其沉积实体受控于气候变化，沉积相的差异直接地记录了当时的气候状况。以黄土剖面为例，依据野外所见的黄土—古土壤序列，即可获得有关气候变化的明确认识，如黄土层代表干冷气候，古土壤层代表温湿气候，但典型的黄土地层剖面虽能直观地反映第四纪时期大的气候冷、暖振荡，但对每个冷期或暖期中的次一级波动反映不甚理想。而这一问题，在沙漠—黄土边界带可得以很好解决。
4.2.1 冷期的气候特征 在沙漠—黄土边界带，每个冷期的沉积都是由黄土和古风成砂层组成的，古风成砂是在比黄土更为干冷的气候条件下沉积的。籍此我们可以了解每个冷期发生时其细节上的变化。与洛川剖面L[,1]～L[,5]相当的各冷期，在沙漠—黄土边界带有如下特点：与L[,1]相当的冷期其早、中、晚各出现一次极端干冷气候，在沙漠—黄土边界带相应地出现三层古风成砂沉积；与L[,2]、L[,3]相当的冷期其晚期的气候比早期更为干冷；与L[,4]相当的冷期在中期与晚期各出现一次极端干冷事件，而且中期的干冷程度更甚；L[,5]整体上以出现古风成砂沉积为主体，是L[,1]～L[,5]中极端干气候持续时间最长的时期。由此我们认识到每个冷期发生时，气候是有明显波动的，并非以持续不变的干冷为特点，而是在干冷为主的背景上叠加了次一级的较为温暖或更为干冷的气候事件。
4.2.2 暖期的气候特征 与冷期的情况类似， 暖期的气候也并非以持续的温暖为特点。具体表现为暖期的古土壤往往被分隔成2～3层，其间夹有干冷气候条件下形成的黄土或古风成砂沉积。S[,1]在沙漠—黄土边界带普遍由三层古土壤和夹于其间的两层黄土组成，其中顶部和中部的土壤均为灰钙土，底部的土壤为碳酸盐褐土。由此揭示了S[,1]所代表的暖期（即末次间冰期）是由三个次一级的暖期和夹于其间的两个冷期组成的，其中又以最早出现的那次暖期气候更为湿润。S[,2]由两层古土壤和一层古风成砂组成。揭示了这次暖期发生时，曾一度出现气候极为干冷的时期。这次暖期也就由两个次一级的暖期和夹于其间的一个冷期构成。S[,3]由三层古土壤和夹于其间的两层黄土组成，与S[,3]对应的暖期是由三个次一级的暖期和夹于其间的两个冷期组成的。S[,4]由两层古土壤和一层黄土组成。反映了这次暖期也就由两个次一级的暖期和夹于其间的一个冷期构成。S[,5]由三层古土壤和两层古风成砂组成，当这次暖期中的冷期发生时，沙漠范围也曾一度扩大。这次暖期由三个次一级的暖期和夹于其间的两个冷期构成。
4.3 沙漠—黄土边界带环境演变的动力机制
在对古环境变迁的研究中，必然要涉及其演变的动力机制问题。目前，对东亚地区季风变化的动力机制，主要有以下三种解释：大陆冰盖驱动模式[33]，太阳辐射驱动模式[34]及最近刚刚提出的“双中心”驱动模式[35]。沙漠—黄土边界带地处东南季风边缘，笔者倾向其环境演变是受大陆冰盖控制的。
大陆冰盖是通过对西伯利亚—蒙古高压的控制作用来影响东亚季风环流的。冰期鼎盛时，西件利亚—蒙古高压加强，来自高纬度的寒潮和反气旋频频南下，冬季风的环境效应突出，而夏季风相对萎缩、甚至已不能深入沙漠—黄土边界带。在大风与干旱气候的耦合作用下，沙漠—黄土边界带的地表风沙活动加剧，沙丘活化，沙漠—黄土边界带位置南移，古风成砂的分布范围扩大；间冰期鼎盛时，情况正好相反，西件利亚—蒙古高压减弱，夏季风充分深入沙漠—黄土边界带，其强度及停留时间增长，温湿的气候使植被覆盖度提高，地表的风沙活动得以控制，沙漠—黄土边界带位置北移，在先前的沙丘或黄土母质上发育古土壤沉积；在上述两种极端气候的过渡情况时，冬季风的强度及持续时间已较冰期鼎盛时有所减弱及缩短，同时，夏季风仍能深入沙漠—黄土边界带，并能带来有限的降水，黄土也正是在这种气候条件下沉积的。
因此，沙漠—黄土边界带古风成砂与黄土、古土壤迭覆出现的特点，是东亚季风环流变迁的体现，并最终直接受控于北极冰盖的变化。
5 结论
（1）沙漠—黄土边界带石峁剖面的地层记录表明最老的古风成砂约形成于50万a前，换言之，毛乌素沙漠至少在50万a前就已经出现。
（2）历史时期的沙漠化与第四纪地质时期的沙漠变迁是两个不同时间尺度上的问题。第四纪地质时期的沙漠变迁明显受气候振荡控制，毛乌素沙漠在气候的自然调节下，历经“沙漠—非沙漠”的多次演变。在过去的50万a里，有明显记录的沙漠扩大次数至少有13次。
（3）在空间上， 沙漠—黄土边界带的地层可以与黄土高原不同地域的黄土剖面很好对比，在对气候的敏感程度上，却是后者所不能比拟的：冷期沉积中古风成砂层的存在及暖期形成的古土壤中黄土夹层的出现，均说明第四纪地质时期不仅有冰期—间冰期旋回，而且每个冰期或间冰期的气候也是有明显波动的，无论是冰期还是间冰期都夹有次一级的冷暖旋回。
收稿日期：95—7—13
ENVIRONMENTAL EVOLUTION OF THE DESERT—LOESS TRANSITIONAL ZONE OVER THE LAST 0.5Ma
Sun Jimin
Ding Zhongli Liu Tungsheng
(Institute of Geology,Chinese Academy of Sciences,Beijing,China)
Abstract
Besed of studying the sand—loess—palaeosol series of Shimao profile,which is located in the desert—loess transitional zone of north China,the Mu Us Desert evolution and the climatic flunctuations over the last 0.5Ma have been discussed.Our result indicated that:
1.According to the sedimental records of Shimao profile,the oldest aeolian sand of desert—loess transitional zone formed at 0.5Ma B.P.,so this probably means the earliest occuring time of Mu Us desert.
2.The evolution of Mu Us Desert is controlled by the Quaternary climatic oscillation,and underwent changes from desert to non—desert or non—desert to desert.During the past 0.5Ma,at least 13 times of desert extension occurred,which are inferred by the 13 palaeoeolian sand layers of Shimao profile.
3.The stratigraphic sequence of the desert—loess transitional zone can be correlated with that of the Loess Plateau,but shows more sensitive to the past climatic changes:the sand layers sandwiched in glacial loess sediments and the loess or sand layers interbedded in interglacial palaeosols,all suggest that the sedimental successions in the transitional zone have a high resolution potential for recognozing not only the glacial—interglacial stages but also the within—stage climaticfluctuations.
Key words:desert—loess transitional zone; palaeoclimate; environment change
注释：
〔1〕国家自然科学基金资助项目。
〔2〕现在中国科学院广州地球化学研究所从事博士后研究。
〔3〕丁仲礼， 中国黄土土壤地层学与气候地层学研究与划分（中国科学院地质研究所博士学位论文），1988。
标签：毛乌素沙漠论文; 黄土地貌论文; 沙漠论文; 地层划分论文; 土壤剖面论文; 中国边界论文; 黄土高原论文; 第四纪论文;