新疆东部气候湿润化的气候记录

新疆东部气候湿润化的气候记录

1低温时长对气候变化的影响40.30kab.p.相当于深度天然气形成的第三阶段（mis3）。以前的观点认为，这一时期的温度高于末次冰期（mis4）和晚冰期（mis2），显著低于末次冰期（mis5）。然而,根据L.G.Thompson等、姚檀栋等对位于西昆仑山海拔6200m高处的古里雅冰芯记录的研究,深海氧同位素第3阶段的温暖程度相当于间冰期。L.G.Thompson已发表的温度曲线显示,深海氧同位素第3阶段位于58～32kaB.P.,由两峰夹一谷组成,后期最暖,最大值出现在35kaB.P.左右,由δ18O值所估计的温度高出现代4℃,其次在55kaB.P.左右,高出现代约3℃,中期最冷在45kaB.P.左右,比现代低约5℃。施雅风等进一步研究发现,在40～30kaB.P.时段整个青藏高原气候都异常温暖湿润,温度比现代高2°～4℃,达到间冰期程度,降水比现代增加40%～100%以上,出现了许多湖面高出现代30～200m的淡水大湖,李炳元称之为40～25kaB.P.青藏高原大湖期。其原因可能与当时岁差周期所导致的中、低纬度太阳辐射增加,促使青藏高原夏季热低压增强,太平洋和印度洋海表温度升高,蒸发加强,海陆热力对比加大,从而形成青藏高原特强夏季风事件有关。西北地区地处青藏高原的北部,现代属温带荒漠区。气候干旱,既受西风环流作用,又受季风系统的影响,年降水量50～150mm,极端干旱地区低于50mm,但盆地边缘的高山可达几百毫米,成为干旱区的水塔,与东部季风区和青藏高原区气候特征有较大差别。40～30kaB.P.期间西北地区气候有什么特征?是值得研究的科学问题。为此,本文根据新疆、青海与内蒙古西部的湖泊沉积记录、伊犁黄土-古土壤记录,以及塔里木盆地南缘克里雅河流阶地和巴丹吉林沙漠中钙质胶结层等记录(图1),对这一问题作初步探讨。24030kab.p.p.中国西北地区的亚热带气候2.1联合湖数据集(1)柴窝堡湖湖相层mis3天山南麓吐鲁番盆地现代是极端干旱地区。盆地中心的艾丁湖面海拔-154m,是我国最低地点,1994年湖面积不足3km2,主要依靠源于天山的地下水补给。李秉孝等据湖东侧500m处老盐壳上一个深51m的钻孔剖面研究,认为在井深11.6m处?14C年龄约为24.9±1.24kaB.P.,水体明显收缩,进入盐湖阶段,标志着进入末次冰盛期的干旱气候;此层以下全部为潮湿气候下形成的粘土、粉砂、细砂、砾石等碎屑淡水湖相沉积;在16.63m处取得另一?14C年龄为39.7±4.87kaB.P.,从沉积速率推算井深42m处的年龄为115kaB.P.,由此可推测艾丁湖区已经历了漫长的湿润时期,至少是MIS5至MIS3。由进一步的调查得知,晚更新世艾丁湖淡水沉积范围达2500～3000km2,海拔高度大约为-40m。艾丁湖西北直线距离约为150km的柴窝堡湖,属干旱荒漠带。现代柴窝堡湖海拔1100m,面积30km2,实测湖泊年蒸发高达1319mm。据湖西北7km处深500m的钻孔得知,132m以下全部为洪积相,以上为冲积洪积相与浅湖相交替出现,在磁性地层布容正极性世730kaB.P.以来出现了5层相当于间冰期(段)暖湿气候下形成的湖相沉积,其中第2湖相层位于13.4～23.36m间,以青灰色和灰黑色亚粘土为主,深度16m处14C年龄为23±0.766kaB.P.,指示在23kaB.P.左右时湖泊范围扩大。另外,在柴窝堡湖西部18.5～33.0m深处青灰色粉砂与粘土互层,指示了浅湖相环境,其下部?14C年龄为35±1.49kaB.P.和38.06±1.25kaB.P.,因此该湖相层可以肯定为深海氧同位素第3阶段晚期沉积。该层所含孢粉丰富,以灌木及草本植物占优势,藜科(Chenopodiaceae)和蒿属(Artemisia)平均占23.4%,有少量云杉(Spruce)、桦(Birch)和柳(Willow)出现,指示湿润气候,氧碳同位素分析也指示这个阶段比较温和湿润。此时段湖泊范围远大于现代,湖水外溢南下流入艾丁湖盆地,流域面积的扩大也是古艾丁大湖存在的条件之一。(2)回采过程中玛纳斯湖的生长天山北麓著名的玛纳斯河末端的玛纳斯湖,位于准噶尔盆地西部,海拔251m,现为干涸的盐湖,但在1957年尚为深6m、面积750km2的大湖,主要因灌溉用水大量增加而入湖径流激减所致。现在湖区年均温约4℃,年降水量约100mm,蒸发量为年降水量的10倍。钻孔LM-Ⅱ近底部4.66～4.68m处的碳酸盐AMS14C年龄为32.1±0.75kaB.P.;钻孔LM-Ⅲ4.68m处的?14C年龄为37.8±1.5kaB.P.,两种测年结果均指示在30～40kaB.P.时期,以方解石为主的碳酸盐沉积较低的δ13C值(-0.6%～-0.5%)和水生藻类组合均对应于淡水和湖水相对较深的环境,湖面积可能扩展到8000km2以上,显示当时气候远比现代湿润,湖泊范围也比现代大得多。地貌调查指示早期玛纳斯湖受到北面阿尔泰山河流补给,从卫星影像判读玛纳斯湖还可能与西南相距180～200km的艾比湖相连,不连续的、缺乏年代数据的材料显示出32kaB.P.以后湖泊水位降低和收缩,全新世初期(10.12～0.56kaB.P.)湖面又复升高和扩大,进入一个新湿润期。约3kaB.P.出现石盐沉积,0.925kaB.P.湖泊干化,出现蒸发盐沉积。此外,大约在25kaB.P.之前,艾比湖呈现为面积广阔的大型淡水湖,估计当时水面面积约3000km2,并形成海拔高度为280m的高阶地。(3)湖相环境的变化天山东段山间盆地中的巴里坤湖,海拔1575m,面积112.5km2,是一个中型咸水湖,湖区年降水量200～250mm,年蒸发量约为1000～1500mm,折合大水面蒸发为550～825mm。湖泊西北部钻孔ZK00A,长13.63m,据韩淑等描述、测年和于革等的综合研究,深度13.6～13.3m处沉积为灰色、褐色粘土和细粉砂,是相对深水的湖相环境,其?14C年龄界于36.7±0.829～35.1±0.74kaB.P.之间;在此之后,深度13.0～12.7m处褐黄色钙质粘土沉积中碳酸盐含量增加显示湖水深度减小,其?14C年龄为32.85±0.67～33.71±0.17kaB.P.;深度12.7～12.1m处的绿灰色粉砂质粘土,指示湖水增加,其顶部?14C年龄为31.95±0.11kaB.P.;在11.5m深度为粉沙质粘土夹细砾石沉积,指示湖水变浅,其顶部?14C年龄约为30.49kaB.P.;在7.9m深度为灰、黄色湖相粘土,指示湖水又一次加深,顶部年代为24.31±0.225kaB.P.;以后湖水深度相对变浅,但仍有多次深浅变化,至12.15kaB.P.后,盐度大幅度增加;在1.75～1.50m深度再次出现淡水环境的湖相淤泥,时间为全新世初期的0.845～0.7kaB.P.,此后盐度再次增加,湖泊变浅;而至1.20～0.78m深度,时间在0.413±0.116kaB.P.是最后一次盐度减小、水深增加时期。显然巴里坤湖的水文条件优于前述的艾丁湖与玛纳斯湖,这主要由于巴里坤湖海拔较高、蒸发量较小所致。(4)晚更新世气候特点塔里木盆地东部的罗布泊(40°50′N,90°48′E),海拔780～795m,现在是个干盐湖。盆地年降水量不足20mm,年蒸发量达2600mm以上,折合大水面蒸发为1430mm以上。据闫顺等研究,钻孔K1总长度100.2m,上部0～17.4m属于晚更新世以来的湖泊沉积,由棕色、灰色粘土组成,与中更新世绿灰色、灰绿色含膏泥岩和灰绿色泥岩夹石膏沉积相比,表明晚更新世气候较湿润;在钻孔K1深约8m处的?14C年龄为26.172±0.479kaB.P.,以灌木及草本花粉占绝对优势,主要为蒿属、藜科、柽柳属(Tamrix)、麻黄属(Ephedra)、禾本科(Graminaceae)等,反映古植被为荒漠-荒漠草原类型;钻孔K1深8～17m段,14C年龄为26.172kaB.P.以前,包括深海氧同位素第3阶段,孢粉组合中有较多水生植物花粉,其中香蒲(Typha)含量高达17.2%,表明当时湖水体面积广阔,湖水矿化度不高,为微咸水的湖泊沉积环境。据于革等对盆地中心另外两个浅钻孔综合分析,认为20kaB.P.以后湖水也出现多次波动,其中,20.8～20.47kaB.P.水位极高,20.47～19.65kaB.P.中等,19.65～11.02kaB.P.水位高,0.96kaB.P.后湖泊水体消失。(5)u3000人察尔汗盐湖(36°45′N,95°20′E)是柴达木盆地中的一个大型干盐湖,海拔2675m,面积达5800km2。区内年降水量25～50mm,年平均温度为2°～4℃,而年蒸发量却高达3000mm以上。据陈克造等的研究,察尔汗盐湖东侧保存的贝壳层,高出地面约3m,贝壳沉积中有瓣鳃类、腹足类和介形类等动物化石,在贝壳层深度0.05m和1.8m处的?14C年龄分别为28.65±0.67kaB.P.和38.6±0.68kaB.P.,指示38～28kaB.P.之间湖面较高,湖泊范围比现代大得多,估计面积可达15000km2,是现今盐湖面积的2.6倍,水质为淡水-微咸水。张彭熹等对柴达木中部察尔汗盐湖北侧钻孔中原生石盐包体水的δD与δ18O测定,得出50～30kaB.P.间该地区气温为6℃,高出现代2℃,41.9～0.9kaB.P.为淡水期。另据F.Lehmkuhl和F.Haselein的综合研究,32～24kaB.P.期间察尔汗地区年降水量在150～350mm之间,是现今的3～7倍之多,估计40～32kaB.P.期间降水更为丰沛。在柴达木盆地中部的达布逊湖东南岸的达1井孢粉分析结果揭示在古地磁年龄为30kaB.P.时,喜暖湿的乔木、蕨类和水生植物全面衰退,植被开始由森林草原向荒漠草原发展,达布逊湖南岸的达参1井剖面也显示出在?14C年龄约30kaB.P.时介形类突然大量灭绝,反映气候急剧变冷变干。(6)古居延海最高湖位它们位于内蒙古西部额济纳旗干旱的巴丹吉林沙漠西北边缘,主要依赖祁连山流来的黑河补给,1958年索古诺尔和噶顺诺尔面积分别为35.0km2和267.0km2,以后完全干涸。湖区年降水量仅40mm,年蒸发量3745mm,折合大水面蒸发约为2050mm。据H.J.Pachur等研究,由含软体动物粗砂组成的最高湖滩比现在湖面高22～30m,推算湖面积达到33000km2,其?14C年龄为29.4±0.45kaB.P.与34±1.5kaB.P.。F.Lehmkuhl和F.Haselein综合分析后肯定古居延海最高湖水位出现于41～33kaB.P.之间。可以肯定当时湖泊上游祁连山来水除黑河外,还应有北大河、清水河、梨园河等汇流注入,而沙漠地区的降水量也应有相当增加。(7)两级阶地特征图7白碱湖位于祁连山东段北坡石羊河末端甘肃民勤县境内,为腾格里沙漠所包围,现为盐沼,其海拔1281m,面积42km2,年平均气温7℃,年降水量48mm,蒸发量2600mm。据H.J.Pachur等对白碱湖的湖相阶地和钻孔资料研究,同时参考于革等的研究,综合得出认为39～23kaB.P.期间湖区降水量比现代大得多,35kaB.P.后出现最高水位,形成最高级阶地,高出湖底30m,为含软体动物的湖滩相砂与砂砾石层;其湖区的第二级阶地高出现代湖底22～27m,由3道沙堤组成,最外侧沙堤?14C年龄为33.5±1.085kaB.P.与32.435±0.84kaB.P.～23.37±0.38kaB.P.,是相对稳定的高水位期,按1310m等高线圈定的湖泊面积达16200km2。以后发现上述圈定范围之外还有大面积湖泊沉积区,因此估计湖泊范围在20000km2以上。其剖面所含微体化石极为丰富,以Darvinulastevensoni和Candonaneglecta为主,表明湖水以淡水-半咸水为特征1)。1(8)吉兰泰盐湖记录位于白碱湖东北约190km,湖面积120km2,90年代缩至37km2,湖区年均气温9.5℃,年降水量115mm,蒸发量3036mm,折合大水面蒸发约为1670mm,水分来源主要为其东南的海拔3556m的贺兰山和西北的海拔1447m的巴彦乌拉山。据耿侃等研究,吉25钻孔所揭露的更新世底界深282.2m,湖泊沉积在更新世贯彻始终,早期可能与黄河边的磴口互相连通。埋深13.8～36.8m沉积岩性为粘土、粉砂、细砂等浅湖相、湖滨相和湖泊沼泽相沉积,推测为晚更新世沉积,其上部厚度14.2m是灰黑色淤泥质及粘土质粉砂,水平层理发育,为松散的湖泊沼泽相沉积,可界定为深海氧同位素第3阶段晚期沉积,指示了显著的暖湿气候。另外,童国榜等研究发现,在银川盆地?14C年龄为33.6±1.4kaB.P.左右发育了7.9m厚的湖相沉积,表明当时气候湿润。2.2丘陵区的立地条件马玉贞等对雅布赖山断头梁剖面研究发现,相当于42～38kaB.P.孢粉带中,为柏科-刺柏属(Juniperus)-桦木属(Betula)组合带,乔木中针叶树种占33.3%～47.2%,阔叶树种占23.6%～41.7%,灌木和旱、盐生小灌木含量较低,分别为9.7%～16.7%和8.3%～12.7%,判断当时丘陵山地(如雅布赖山)已有桦和栎林存在,指示针阔叶混交林分布。相当于38～31kaB.P.孢粉带,阔叶树含量增高且种类繁多,针叶树和阔叶树含量基本相等,分别占15.8%～38.3%和26.9%～39.6%,表明附近丘陵发育着温带、暖温带阔叶林,可能在海拔1600～2200m的雅布赖山发育有柏林,显然气候远比现代温暖湿润。根据森林下限已降到雅布赖山区,比现代贺兰山森林下限下降400～600m,由此推算当时温度比现今高2°～3℃,年降水量比现今高250～350mm,且比较均匀。另据介形类喜暖种Ilyocyprisgibba和对温度要求苛刻的Limnocythereinopinata在42～23kaB.P.期间的出现,指示当时水温不低于10℃,比现今高2.2°～3.0℃。2.3关于土壤测试的记录(1)胶结层厚度据杨小平研究,巴丹吉林沙漠中发育有4层钙质胶结层,自老至新第一层厚度超过50cm,14C年龄为31.75±0.485kaB.P.,第二、第三胶结层厚度均不足20cm,其?14C年龄分别为19±0.77kaB.P.和9.435±0.345kaB.P.,最新一层厚度仅2～8mm,14C年龄为2.07±0.1kaB.P.。现代钙质胶结层发育于年降水量100～300mm?地区,以此推测巴丹吉林沙漠钙质胶结层形成年代的降水量亦应达到此数,即超过上述湖区现代年降水量的2～7倍,其中32kaB.P.左右胶结层最厚,也可能指示当时降水量最大。(2)克里雅河流阶地塔里木盆地南缘是我国极端干旱的地区。按现代气象站观测记录统计,该区多年平均气温11.4℃,多年平均降水量37.2mm,深入沙漠腹地的地区气候更为干旱。在于田县城北60km的克里雅河流阶地,高出现代河床20m,阶地面上有钙质结核层,对其中碳酸钙中的无机碳进行测年,其?14C年龄为28.74±1.5kaB.P.。推断约30kaB.P.时,塔里木盆地南缘年降水量出现过比现代降水量多3～8倍的时期。2.4mis3沉积特征伊犁盆地东部则克台黄土剖面(43°31′53″N,83°18′58″E;海拔850m)附近地区现为荒漠草原,植被盖度小于50%,以蒿、藜为主,剖面出露厚21.4m。据叶玮等研究,埋深3.5m至10.4m间出现上下两个弱古土壤层,中间夹一个黄土层,2个光释光(OSL)年龄分别为26.1±1.6kaB.P.和54.2±3.3kaB.P.,指示相当于MIS3沉积。选取比磁化率曲线更能指示气候变化、粒度小于10μm的颗粒含量曲线阐明MIS3特征有:MIS3由两谷夹一峰组成,其中3.5m至5.5m间约2m厚的弱古土壤层为MIS3a,依沉积速率推测年龄相当于28.82±1.6～35.4±3.3kaB.P.,是成土作用发展、风力作用较强的温暖湿润阶段。伊犁地区不论冰期与间冰期,一直处于西风环流控制之下,现代降水季节分配较均匀,不同于季风区冬干夏湿的情况。正如叶玮指出:“冰段与间冰段中黄土与古土壤碳酸钙含量虽然有高低变化,但差别不大,反映寒冷期与暖温期降水量差别较小,而主要由风力变化导致的粒度变化指示的温度则较明显”。这样,由MIS3间冰阶向MIS2冰阶转变时,降温幅度较大,蒸发强度下降,而降水降幅较小,平衡后仍可形成高湖面,如巴里坤湖记录所示在20.73～12.15kaB.P.时仍能保持相对较高至极高湖面。此外,天山北麓牛圈子剖面中,上、下马兰黄土中夹有一层灰褐色古土壤,其?14C年龄为24kaB.P.,与伊犁则克台剖面的第一层古土壤上部的光释光(OSL)年龄26.1±1.6kaB.P.相近,应是MIS3a阶段暖湿气候下的产物。340西北暖湿气候综上所述,在40～30kaB.P.期间,古艾丁湖淡水沉积范围达2500～3000km2;柴窝堡湖范围远大于现代,湖水外溢南下流入艾丁湖盆地;玛纳斯湖为相对较深的淡水环境,古湖泊面积可能扩展到8000km2以上;巴里坤湖沉积记录指示为相对深水的湖相环境;罗布泊湖当时水体面积广大,为微咸水的湖泊沉积环境。克里雅河出现钙质结核层,年降水量应是现今的3～8倍;伊犁黄土-古土壤剖面记录了厚达2m的弱古土壤层;察尔汗盐湖是现今盐湖面积的2.6倍,年降水量在150～350mm,是现今的3～7倍;内蒙古居延海湖面比现在高22～30m,湖面面积达到33000km2;巴丹吉林沙漠中出现厚度超过50cm的钙质胶结层,估计当时降水量是现代的2～7倍;腾格里沙漠境内白碱湖现为盐沼,但在39～23kaB.P.期间湖区年降水量比现代大得多,35kaB.P.时出现最高水位,最高级阶地高出现湖底30m,估计当时湖泊范围在20000km2以上,湖水为淡水-半咸水;西北部的雅布赖山发育温带、暖温带阔叶林,当时温度比现今高2°～3℃,年降水量比现今高250～350mm。以上记录无可怀疑地指示了40～30kaB.P.西北气候远比现代温暖湿润。对40～30kaB.P.西北地区暖湿气候的形成可以从以下几个方面解释:1)是夏季风作用增强,即东南季风和西南季风同时增强。据W.L.Prell等人研究,亚洲夏季风对地球绕日轨道变化所导致的日射差别极为敏感。A.Be