黄土-红粘土磁学参数记录的晚新生代东亚季风气候演化

摘要

晚新生代青藏高原东北部构造活动、亚洲内陆干旱化、北半球粉尘通量、大气二氧化碳浓度及全球冰量之间存在密切的联系。解析它们之间的关系是地学热点和难点。黄土高原黄土红粘土沉积序列是连接中亚粉尘源区和下风向北太平洋粉尘沉降区的关键站点，其中蕴含着丰富的东亚季风信号，而对这一信号的正确解析对理解青藏高原隆升、中亚变干、晚新生代气候变冷的因果关系具有重要意义。通过对黄土红粘土季风指标与深海记录的对比，可以从海陆记录综合对比分析的独特角度加深对晚新生代东亚季风气候变化机理的认识。
　　黄土红粘土环境磁学在最近三十年得到迅速发展，获得诸多行之有效的磁学参数来反映东亚季风变化，为利用磁学手段进行更深入的东亚季风气候研究提供了新思路。尽管如此，目前的环境磁学参数通常反映沉积样品整体磁性特征，单个磁组分信号无法得到有效表达，没有把磁学指标的潜力完全发挥出来。此外，磁化率作为东亚夏季风代用指标在红粘土中是否有效这一问题还存在争论，争论焦点集中于磁化率是否受到改造，强弱磁性矿物之间是否发生了转化。
　　为了解决上述问题，本文选择位于黄土高原中部、六盘山东侧的朝那剖面作为研究的主剖面，并结合横贯黄土高原东西的现代表土进行相关磁学参数测试。本文系统研究了黄土红粘土磁粒径指标与温度和降水的关系；利用等温剩磁曲线和磁滞回线分离技术，获取不同磁组分；通过漫反射光谱测量，获取弱磁性矿物含量变化信息。最后，基于获取的多种磁学参数记录与海洋记录对比研究，探索晚新生代以来东亚季风气候变化历史。获得的新成果与新认识包括以下四个方面：
　　（1）通过黄土红粘土中磁性矿物粒径指标与东亚夏季风和全球冰量记录的对比研究，发现非磁滞剩磁磁化率/饱和等温剩磁（χARM/SIRM）和非磁滞剩磁磁化率（χARM）与东亚夏季风降水有较好的相关性，而非磁滞剩磁磁化率/低频磁化率（χARM/χlf）对低温变化较为敏感。因此，基于这些指标的对比分析可以分离出黄土红粘土记载的温度和降水信号。黄土高原表土磁粒径指标与相邻气象站点降水和温度数据的相关性分析，支持上述古气候记录对比得到的结论。
　　（2）利用数学模型对黄土、红粘土样品的等温剩磁曲线和磁滞回线进行分离，并分别获得两个具有不同磁性特征的独立磁组分。分离等温剩磁曲线和磁滞回线结果一致显示黄土和红粘土具有相同的低矫顽力成壤组分，而它们的高矫顽力组分存在差异。这一发现进一步证明黄土和红粘土具有相同的磁性增强机制，而它们磁学性质的差异集中体现在高矫顽力组分上。此外，等温剩磁曲线分离和磁滞回线分离结果揭示粗碎屑磁性颗粒的氧化程度和成壤赤铁矿含量变化受到温度的影响，为从风成沉积中分离出温度信号提供了新思路。
　　（3）通过弱磁性矿物含量（如赤铁矿（Hm％）和针铁矿（Gt%））与磁化率的对比研究，发现朝那剖面早于~6 Ma的红粘土由于受到水（地下水或地表水）的改造作用，磁化率不能反映此阶段东亚夏季风的变化；~6 Ma之后红粘土逐渐摆脱水动力作用的影响，磁化率可以作为替代性指标来记录东亚夏季风的动态演化过程。
　　（4）综合分析磁粒径指标、分离等温剩磁曲线和磁滞回线获得的不同组分、频率磁化率/赤铁矿含量（χARM/Hm%）及海洋记录，我们发现在北半球冰盖大幅度增长前，黄土高原地区在～4.5-2.7 Ma期间的气候趋势为变冷变湿，与其它时期具有显著不同的水热组合特征。结合巴拿马地峡形成历史、太平洋温度变化记录、大气CO2记录以及气候模拟的实验结果，我们提出～4.5-2.7 Ma时期东亚夏季风增强与巴拿马地峡关闭造成的太平洋海水淡化及其一系列海-气正反馈机制有着密切关系。我们提出这一海气正反馈机制也造成了～4.5-2.7 Ma时期全球持续降温，最终导致了北太平洋海水分层和北半球冰期的开始。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 黄土红粘土与东亚季风研究现状

1.2 黄土红粘土环境磁学与东亚季风研究进展

1.3 选题依据与意义

1.4 拟解决的科学问题

第二章 研究区概况及研究方法

2.1 研究区自然地理概况及样品采集

2.2 研究方法

第三章 磁粒径指标研究

3.1 磁粒径参数的理论意义

3.2 磁粒径参数的古气候意义

3.3 小结

第四章 磁性指标分离研究

4.1 等温剩磁分离

4.2 磁滞回线分离

4.3 分离结果与古季风气候演化

4.4 小结

第五章 红粘土弱磁性矿物研究

5.1 典型弱磁性矿物赤铁矿、针铁矿含量研究

5.2 涉及亚铁磁性矿物与赤铁矿的相关指标研究

5.3 赤铁矿、针铁矿的环境意义

5.4 弱磁性矿物古气候记录

5.5 小结

第六章 东亚季风气候演化初探

6.1 东亚季风气候的阶段性特征

6.2 东亚季风演化的驱动机制

6.3 小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 存在问题与展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢

附录