风成沉积磁学性质记录的鄂尔多斯高原中全新世以来环境变迁

摘要

本研究对鄂尔多斯高原3个全新世风成沉积剖面和100个现代沙丘表土进行系统的环境磁学参数和粒度测量，探讨沙漠风成沉积物磁性特征变化机制，遴选出东亚夏季风、东亚冬季风和矿物粉尘浓度的代用指标。进一步利用OSL和14C测年手段建立风成沉积剖面的年代框架，并利用遴选出的代用指标重建研究区中全新世以来湿度、风力和粉尘的变化历史，并探索它们之间的相互联系、驱动因素及其与人类活动的关系。主要结论如下：
　　鄂尔多斯高原风成沉积物中磁性矿物的种类主要为亚铁磁性矿物磁铁矿和磁赤铁矿，此外还含有一定量的不完全反铁磁性矿物赤铁矿，磁性矿物的总体浓度较低。土壤发育较强的锦界剖面磁性矿物的粒径较细，以粗粒稳定单畴（SSD）和超顺磁（SP）为主；王家沟剖面和锡尼剖面磁性矿物的粒径较粗，以多畴（MD）和假单畴（PSD）为主。锦界剖面的中全新世古土壤层磁化率的增加主要由成土成因的细粒/超细粒磁性矿物贡献，与黄土高原黄土磁化率增强的“成土模式”一致；而其他全新世风成沉积磁化率的增加主要由碎屑成因的粗粒磁性矿物控制，和新疆黄土磁化率增强的“风尘输入模式”类似。为了选取适宜的古环境代用指标，利用数学算法分离出鄂尔多斯高原风成沉积物磁化率的风尘碎屑组分（Χ0）和成土组分（Χpedo）。结果显示，磁粒度参数ΧARM/SIRM与Χpedo/Χ0的对数线性正相关，表明其在沙漠地区可以用作成土强度和湿度的替代指标；HIRM和Χ0显著线性正相关，可以用来指示碎屑赤铁矿和矿物粉尘的浓度。
　　ΧARM/SIRM记录揭示鄂尔多斯高原地区7.4~4.6ka气候湿润，为全新世气候最适期，4.6ka以来气候逐渐变干，与中国北方季风边缘区沙地及黄土高原大量风成沉积地层年代记录的中全新世古土壤普遍发育，晚全新世风成砂和黄土开始堆积结果一致。本研究不支持鄂尔多斯高原和周边地区部分湖沼沉积记录的早全新世气候最湿润，中全新世干旱的结果。本研究证实沙漠风成沉积物具有记录千年和百年尺度气候波动的潜力。例如，鄂尔多斯高原东南部的锦界剖面和王家沟剖面记录了6.6~5.6ka、4.6~4.1ka、3.5~2.5ka、1.5~1.0ka和0.5ka前后发生干旱气候事件，分别与北大西洋5.9ka、4.2ka、2.8ka、1.4ka和0.4ka冰筏碎屑事件相对应。此外，生态环境更脆弱、对气候变化更敏感的鄂尔多斯高原北部的锡尼剖面还记录了中全新世湿润期存在百年尺度的频繁气候波动，其中6.9ka前后、6.4ka前后、6.1ka前后、6.0~5.8ka、5.5~5.3ka和4.8~4.6ka为夏季风极盛期。这些夏季风增强事件都发生在ENSO事件频率减少的时期，大约出现在ENSO事件频率由极大值开始减少的100~300a之后。表明在千年和百年尺度上东亚夏季风分别受高纬北大西洋和低纬ENSO过程的影响。
　　沉积物粒度揭示中全新世以来东亚冬季风存在逐渐减弱的长期趋势，与夏季风同相位变化，与黄土记录的冰期-间冰期旋回中冬季风和夏季风的反相位不同，地球轨道参数引起的太阳辐射的长期变化可能是导致这种现象的主要原因。由于中全新世以来北半球冬季太阳辐射逐渐减少，夏季太阳辐射逐渐增加，导致冬季和夏季海陆之间的温度梯度均逐渐减小，进而气压梯度减小，东亚冬季风和夏季风均逐渐减弱。全新世气候最适期期间冬季风也存在百年尺度的波动，其中7.1~7.0ka、5.5~5.3ka和4.8~4.6ka冬季风强盛，6.7~6.0ka冬季风总体较强，但存在频繁波动，其他时段冬季风较弱。中全新世冬季风百年尺度波动与格陵兰GISP2冰芯氧同位素记录的北半球高纬地区温度变化高度相关，表明在百年尺度上，东亚冬季风主要受高纬气候过程的影响。北半球高纬地区温度可能通过蒙古-西伯利亚高压间接控制东亚冬季风的强度。
　　HIRM记录显示7.4~4ka矿物粉尘浓度较低，4ka以来矿物粉尘浓度逐渐增加，并且鄂尔多斯高原北部地区的锡尼剖面矿物粉尘浓度显著高于东部的锦界剖面和王家沟剖面。综合集成的黄土高原地区粉尘堆积速率显示，10~4ka堆积速率低于平均水平；4~2ka堆积速率增加，稍高于平均水平；2ka以来堆积速率快速增加。黄土高原粉尘堆积速率集成的结果与本研究风成沉积剖面HIRM记录相吻合，一方面验证了重建结果的可靠性，另一方面也表明至少在中全新世以来，鄂尔多斯高原的粉尘很可能是黄土高原黄土物质的重要来源之一。中全新世以来矿物粉尘的增加主要由气候变干和人类活动增强导致，冬季风的影响相对次要。矿物粉尘浓度和湿度大致呈反比例函数关系。粉尘释放对干旱气候更敏感，当气候较干旱时，粉尘释放量随湿度的增加迅速减少；随着湿度增加到一个阈值（ΧARM/SIRM=0.2×10-3m/A），矿物粉尘浓度减少的速率逐渐减缓；当湿度继续增加达到另一个阈值（ΧARM/SIRM=0.4×10-3m/A）时，矿物粉尘浓度趋于稳定。人类活动对粉尘释放的影响叠加在气候因素之上。2ka以前粉尘的释放主要受气候因素（湿度）的控制，2ka以来人类活动的影响明显增大。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 鄂尔多斯高原全新世古环境研究现状

1.2 风成沉积环境磁学研究概述

1.3 拟解决的科学问题和技术路线

第二章 研究区概况

2.1 毛乌素沙地

2.2 库布齐沙漠

第三章 材料与方法

3.1 研究剖面与采样

3.2 实验方法

第四章 结果与分析

4.1 锦界剖面

4.2 王家沟剖面

4.3 锡尼剖面

4.4 现代沙丘表土

第五章 鄂尔多斯高原风成沉积磁性特征及其古环境意义

5.1 鄂尔多斯高原风成沉积物磁性特征及其变化机制

5.2 磁学参数的古环境意义

5.3 本章小结

第六章 鄂尔多斯高原中全新世以来环境变迁

6.1 中全新世以来夏季风变化

6.2 中全新世以来冬季风变化及其与夏季风的相位关系

6.3 中全新世以来粉尘浓度变化

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢