古气候环境演变代用指标研究进展

古气候环境演变代用指标研究进展

气候环境变化是世界变化的集中体现，也是世界变化研究的核心。地球环境变化在不同尺度地域空间内的表现不同,这些表现可以储存于不同的载体之中,现代检测技术已能较好地从这些载体中提取全球环境变化的信息[1~4]。研究表明:磁化率、孢粉、有机稳定碳同位素δ13C、沉积物粒度特征、地球化学特征、分形方法等作为载体示踪剂在指示古气候环境演变的有力工具,近年来常作为研究和恢复2.5Ma(M/G)以来古气候环境的代用指标[5~10]。1土壤磁化率与气候的关系岩石、土壤和沉积物的磁化率作为研究气候环境变化的代用指标已受人们的普遍关注[11~20]。近年来风尘黄土—古土壤序列磁化率的古气候意义引起了人们的极大兴趣,并进行了多方面的研究。我国黄土与古土壤沉积序列的研究已表明,黄土磁化率曲线可与深海氧同位素曲线表示的第四纪气候变化规律很好地对比,虽然在机制上还存在诸多疑问,但磁化率在指示气候冷暖变化和东亚季风变迁等方面具有独特的敏感性。众多学者认为可以利用黄土的磁化率来了解第四纪气候及全球气候变化,作为气候变化的良好替代性指标。近年来,关于红土剖面的磁测也发现红土的磁化率曲线可与黄土—古土壤序列和深海氧同位素曲线较好地进行对比,磁化率作为记录古气候冷暖变换的代用指标同样也适合于我国红壤地区。如用红土剖面磁化率值的谷峰振荡证明从早更新世以来发生了多次冷暖气候变化的旋回,其红土剖面的磁化率曲线与黄土剖面磁化率曲线和氧同位素变化曲线有明显的可比性。湖泊沉积物的环境磁学研究也揭示磁化率可以作为反映近代历史环境变化的代用指标。应用磁化率作为衡量环境变化的代用指标需解决的关键问题是土壤磁性增强的物理机制,关于古土壤磁化率增强的机制,已经有各种各样的假说被提出来,如弱磁性颗粒对相对恒定输人的强磁性颗粒的稀释作用,植物残体分解产生超细粒的磁性颗粒,成土过程中强磁性矿物的生成。据计算,沉积物压实和碳酸盐淋滤作用并不是古土壤磁化率增强的主导因素;源区差异假说和稀释作用模式也不能圆满解释古土壤磁化率增强的真正原因。尽管对古土壤磁化率增强的机制还在进一步探索之中,目前,古土壤磁化率增强的土壤成因模式,即湿热气候条件下成土成因的超顺磁强磁性颗粒—磁铁矿和/或磁赤铁矿导致古土壤磁化率增强已被广泛接受。可以作为反映近代历史环境化的代用指标。1990年,Zhou等就开创性地提出了古土壤磁化率增强的土壤成因观点。用环境磁学方法对亚热带和暖温带交界处由第四纪沉积物发育土壤的磁性增强机制研究表明,土壤磁性增强作用的主要磁性载体是成土过程中形成的稳定单畴(SSD)和超顺磁性(SP)态的次生磁性矿物。深入的研究发现土壤磁化率与气候的关系不是一个完全统一的模式,它受多种因素的影响。因此,必须研究不同地带土壤磁化率的形成机制以及磁性与气候环境的关系,这是应用环境磁学开展全球气候变化研究的基础性工作。2古气候研究现状自然环境的发展演化从较大的时空尺度来看是一个长期的地质历史过程,孢粉分析是迄今恢复古气候的可靠方法之一。近些年来,孢粉—气候关系研究已成为世界孢粉学界的热点之一[33~34]。通过对东、黄海沉积物的孢粉研究,表明了在晚更新世晚期,海平面大幅度下降,东、黄海陆架大部分出露成陆,成为“东海平原”或“黄海平原”。郑桌和王建华(1998)采用孢粉谱分析方法对珠江三角洲北部地区多个钻孔进行了古植被和古环境的研究。黄翡和熊尚发(2001)对江西九江第四纪红土中孢粉研究,表明该地红土是湿热环境下的产物。覃军干等(2002)通过对上海CY孔晚第四纪沉积样品的孢粉、藻类资料分析研究表明研究区古土壤形成期间曾经历水泛和水退的环境交替。邓兵等(2003)结合孢粉研究长江三角洲地区晚第四纪古土壤层记录的古环境信息,结果表明古土壤堆积阶段气候温暖而湿润。贾丽等(2004)通过对上海地区高桥G2孔晚第四纪地层中孢粉的研究,恢复了该地区植被演替、气候波动的六个阶段,这种气候的波动不仅与世界性气候变化一致,而且其波动曲线与海平面变化曲线也是相吻合的。张玉兰(2005)通过对长江三角洲地区晚第四纪沉积10多口钻井的孢粉、藻类资料分析研究进一步证实了研究层硬粘土形成期间曾经历滞水和水退的环境交替。汪品先等(2006)对我国海陆120个剖面的孢粉和古植物资料进行汇总,参照各地的岩性证据,再造了古植被指示的气候分布格局。随着定量分析技术与方法的改进和发展,古气候定量重建已成为当今全球变化研究中的前沿课题之一。定量重建古气候有各种各样的方法,但从花粉分析得出的古气候参数以其直接性和可靠性在全球气候研究中具有无可替代的作用。目前,在定量解译孢粉资料所反映的气候特征方面,转换函数法是比较成功的方法之一[44~46],其原理是利用表土孢粉资料进行数理统计分析,建立气候因子的回归模型,然后计算地层数据,进而得到古气候参数值。利用转换函数法,已在欧洲、北美、非洲[48~49]各地取得了令人信服的古气候研究结果。在20世纪80年代晚期,Bartlein等(1986)提出了一种新方法,即花粉-气候响应面(Pollen-climateresponsesurface)方法,这是生态响应面、地质趋势面在孢粉学中的应用,近年来已被广泛应用于各种重要的古气候研究项目[51~53]。此法选取若干有代表性的花粉类型逐类地将现代花粉丰度在地理空间的分布转换为在气候空间(如年降雨量与夏季气温为坐标)的分布,然后用二次或三次响应面函数的方法求出该类花粉分布的气候最佳条件(最高值)与极端条件(最低值),将化石花粉组合的数据与各种花粉的气候响应面对比,便可求得古气候参数。由于此法建立在逐类花粉的生态分布资料基础上,并且考虑了花粉与气候之间的非线性关系,因此具有广泛的使用范围。此外,除地层化石孢粉外,现代花粉雨和表土孢粉谱研究也是最重要的基础工作,对正确解释孢粉资料、定量恢复古气候起着关键作用,国内外孢粉学界对此已有足够认识,近几年以来正大力开展和深入进行现代表层孢粉在沉积物中的分布以及与气候因子和植被之间关系的研究。3稳定同位素在气候变化中的应用研Craig(1954)利用北美巨杉的整轮进行分析,发现树轮纤维素13C组成记录了大气气候信息,这是一项具有开创性的工作。陆生植物由于光合作用的途径不同可以分为C3、C4和CAM植物,由于这种光合作用途径不同而产生δ13C分馏的差异,这也是利用土壤中有机稳定碳同位素组成来推算古植被中C3、C4植物相对丰度,进而恢复古环境的理论基础[56~57]。有机稳定碳同位素δ13C气候环境背景与意义表现为:在温度为主要因素的控制条件下,气候越温暖则C4植物越丰富,δ13C值也相应偏正;气候愈寒冷,则C3植物增多。湖泊沉积物有机稳定碳同位素(δ13C)在古全球变化中的应用研究近年来发展迅速,成果令人瞩目。钟巍等(2005)对塔里木盆地南缘湖沼相沉积物δ13C研究揭示了研究区近4Ka以来此地区气候环境变化划分了8个阶段,而且与GreenlandGISP2冰芯δ18O记录之间有很好的吻合,表明研究区近4Ka以来的气候与环境变化可能具有全球背景。汪品先等(2006)在南沙海区通过对δ13C研究,发现了碳同位素有40~50万年长周期,经过全球对比证明是世界大洋碳储库对于地球运行轨道偏心率长周期的响应。虽然湖泊沉积物有机质δ13C在解释古气候变化上存在多解性,但在实际工作中,再结合其它环境指标共同使用,δ13C可以探讨和恢复古气候。Libby等(1974)首先使用了树木年轮稳定同位素温度计的概念,指出可以通过树轮稳定同位素序列重建历史时期温度变化。Pearn1an(1976)比较完整的阐述了植物稳定C同位素在气候变化研究中的应用前景。我国的植物稳定同位素研究起步于20世纪80年代后期,中国科学院西安黄土与第四纪地质研究室做了些探索性的工作,初步建立了树轮稳定C同位素的研究方法,并利用树轮稳定C同位素方法对秦岭地区的区域性气候模式进行了研究。进入90年代,我国逐步开始在全国各个地区展开了植物稳定C环境气候关系的研究,如通过分析植物叶片、树木年轮、埋藏古木、花粉等稳定同位素组成状况恢复和重建古气候环境[63~64]。20世纪9O年代后,国际上的植物稳定同位素研究开始逐步趋向成熟,并向着定量化、精确化、多应用领域的方向发展,在这期间建立了很多植物稳定同位素的分馏模型以及与环境因子的关系模型,植物稳定同位素环境气候学在全球变化研究领域做出了重要贡献。我国有机稳定碳同位素研究领域偏重于利用树轮稳定同位素序列进行历史时期气候的重建。赵兴云等(2005)通过浙江西天目山地区树轮δ13C研究重建了该地区9月降水量与平均最高气温两个气候要素300多年的气候变化,所反映的气候变化与我国近500a的气候变化及该区部分史料记载有较好的对应。4粒度参数对沉积环境的解释沉积物粒度分布特征仍是判别沉积环境的一个重要物理标志,粒度分析常常是探究沉积物特征及古环境意义的第一步骤。沉积物的粒度分布服从对数正态分布规律,利用粒度分析特征值,即平均粒径、标准偏差、偏度系数、峰度系数等,可推测当时的沉积环境[67~68]。对天然沉积物进行粒度分析并用于土壤分类可追溯到1750年,地质学中引入粒度分析方法开始于20世纪初。Udden(1914)提出了以2为底的指数的粒度分级方法,Visher(1969)将对数一概率坐标下的累积频率点连成线段,并解释为不同搬运作用的产物,这就是我们至今仍采用的粒度概率图;Passega(1957)提出了C-M图解法,来研究不同沉积环境在粒度分布上的差别,Sahu(1964)对粒度样本矩进行判别分析,推导出一系列沉积环境的判别公式。黄土沉积序列的粒度参数在提取冰量周期变化、指示冬季风强度变化等方面发挥了重要作用。近年来,利用湖泊沉积物粒度特征反演第四纪气候变化已取得一定成效[70~73]。孙千里等(2001)研究发现处于北方环境敏感带的封闭湖泊岱海,其沉积物的粒度特征反映了岱海降水、水动力搬运强度以及湖面水位高低的变化,从而揭示了岱海沉积时的古环境特征。刘兴起等(2003)研究了青海湖QH-2000孔沉积物粒度组成的变化,结果表明冷干和暖湿气候条件下沉积物的粗颗粒组分明显增多,介于二者之间的气候条件下沉积物的粒径变化相对较平缓。杜磊等(2004)在巢湖取得3个有代表性的沉积物柱样,用激光粒度仪对其进行粒度分析,结果表明两百多年来,巢湖存在两个洪水期和两个平水期。王张峤等(2005)通过对长江河口区大量第四纪钻孔沉积物粒度分析,揭示了研究区沉积环境演化的特征。王亚东等(2005)对阿尔金山山前红三旱1号剖面干柴沟组自下而上不同层位选取典型的沉积岩样品进行粒度分析,发现沉积区柴达木盆地的沉积环境和气候条件因受阿尔金山多期次隆升的影响而发生变化,其各方面的沉积特点受到物源区的控制,也为青藏高原的多次隆升和气候环境变化提供了佐证。5与沿海地区地质环境的关系在研究黄土和红土的物质组成中,化学组成特征是一个重要方面。陈骏等(2001)在研究陕西洛川黄土剖面发现,Rb/Sr值变化实际反映了东亚季风系统的两个相互捎长因子—冬季风与夏季风在轨道时间尺度上的循环交互特征。进一步用洛川剖面第四纪以来Sr含量总体演化趋势与北半球冰量变化模式的相似性验证了高纬度冰盖生长与东亚季风强度之间存在着耦合关系。赵锦慧等(2004)对延安地区的黄土钠钙比进行了系统研究,指出黄土的地球化学参数可以作为本区指示夏季风波动的敏感性指标。熊志方和龚一鸣(2006)用X射线荧光光谱法(XRF)和X射线衍射法(XRD)分别测试了秦皇岛北戴河燕山大学北侧红色风化壳主量元素和粘粒粘土矿物,结果表明风化壳地球化学特征具有环境指示意义。而利用地球化学元素特征反映湖泊和沿海地区的第四纪沉积环境演变在国内外有大量研究成果可寻。严钦尚等(1979)在研究苏北金湖凹陷阜宁群的沉积环境时发现,B、Ga、Sr和Ba所揭示的海侵时期与有孔虫、矿物组合结果相吻合。王益友等(1979)进一步提出了海陆相地层中B/Ga和Sr/Ba比值的分布范围,并分析其影响因素。蓝先洪等(1987)则探讨了微量元素B、Ga、Sr和Ba在珠江三角洲地区的指相意义。李志中(1991)探讨新疆巴里坤湖晚第四纪沉积化学元素分布与古气候关系得出化学元紊分布与生物地层旋回有很好的相关性,进一步用C/N、Sr/Ba和CaO/MgO比值指示该区古气侯变化具有周期性。Dominik和Stanley(1993)认为B/Be比值能有效地判定尼罗河三角洲地区全新世以来的海陆变迁。通过对于长江河口区第四纪沉积物中的地球化学元素的分析,Chen等(1997)研究认为,微量元素B以及B/Ga和Sr/Ba比值均与古盐度线性相关,可鉴别出该区域的海侵地层,并有助于古环境重建。曹建廷等(2001)通过对地处气候敏感带的岱海湖泊岩芯介形类壳体丰度、Sr/Ca和Mg/Ca摩尔比值,以及自生碳酸盐氧同位素组成等地球化学指标的综合分析,重建了岱海小冰期以来气候环境演化过程。陈志华等(2003)在南黄海沿岸的研究工作则认为Sr和Sr/Ba比值与末次冰盛期以来该区的物源变化有关。赵红艳等(2004)选择长白山地区典型的泥炭剖面—大桥剖面,探讨其沉积物常量元素和微量元素的垂直分布规律及其对全新世气候变化的指示作用,其结论与前人通过孢粉、同位素手段分析得到的环境变迁规律相同,从而说明它们可以作为研究环境变迁的敏感指标。韦桃源等(2006)在前人的工作基础上,对上海浦东机场孔(Pd)第四纪地层中地球化学微量元素B、Ga、Sr和Ba的观测和研究,探讨了研究区的古环境演化。王张峤等(2005)对长江河口区大量第四纪钻孔作了粒度分析,用C-M图反映了研究区沉降盆地在演化过程中受到不断增强的气候作用的演变特点。魏子新(2003)研究长江三角洲东部第四纪沉积环境表明,作为常量元素的全氧化铁和氧化铁曲线峰值处指示较为的气候条件,而氧化铁含量高指示的是干冷的环境。化学风化指数(CIA)是反映化学风化强度的有效指标,Guo等(1996)将指标CIA作为与古夏季风强度有关的黄土—古土壤序列风化程度的替代指标,揭示了末次冰期黄土高原夏季风不稳定的节拍。6与其它类型的对比分析自Mandelbrot(1977)引入分形概念以来,众多学者纷纷将分形方法应用于各个研究领域,取得了大量有价值的研究成果。已有研究表明,分形分析可以从一个似乎是杂乱无章的气候序列中计算出他的分形数,证实气候变化趋势的信息。龚道溢等(1995)对祁连山圆柏树轮年表进行了分形分析,将算得的关联维数与深海沉积物岩芯氧同位素、上海器测月平均气温的分形研究进行对比,发现它们对气候环境变化指示有较一致的特征。Fluegeman和Snow(1989)用R/S(时间序列分析方法)分析太平洋V28-239δ18O比率计算出其分维是1.22,这个资料代表着近2Ma气候长期变化的特征。朱诚等(1996)以庐山大校场剖面为例,