洛川黄土地层的再划分及其L9、L15古环境意义的新解释.pdf

第2 2 巷第5 期2 0 0 2 年9 月第四纪研究Q U A T E R N A R YS C I E N C E SV o l2 2N O5S e p t e m b e r，2 0 0 2洛川黄土地层的再划分及其L，、L，。古环境意义的新解释“孙继敏刘东生P 5n中国科学院地质与地球物理研究所，北京1 0 0 0 2 9)摘要洛川剖面的午城黄土是可以在野外进行细分的，洛川的午城黄土含有1 8 层古土壤和1 8 层黄土。其中S 的土壤组台与前人划分的W S，相当，b 与w k 相当，S 与w s 2 相当，k 与w k 相当，与w S 相当，k 与w b 相当。黄土高原的两个粉砂层b和L。，虽然形成于第四纪的冷期但并非代表了第四纪时期最为干冷的气候条件。笔者的解释是：其形成与这两个时期青藏高原及其周边山体的快速隆升导致的沙漠和黄土物源的快速增加有关。特别是1 1 M a BP 前后(k，)的隆起，使中国黄土记录对全球变化的响应显著增强，也正是在这次运动之后，中国黄土古气候记录可以与深海氧同位素很好对比而此前的午城黄土与深海对比困难。主题词午城黄土地层划分k 和L。气候意义l引言自从刘东生”首次发现并报道洛川黄土剖面以来，该剖面就因其地层序列的完整性、出露的良好性，且位于黄土高原主体部位的最大的洛川塬上而成为中国黄土地层的经典剖面。该剖面也是世界范围内研究程度最高、涉及的国内外研究人员最多的黄土剖面。对洛川剖面的研究几乎囊括了第四纪地质学的所有研究内容，包括了土壤地层学、沉积学、磁性地层学、古生物学、环境磁学、年代学、地球化学等0 1，因而是全球最经典的第四纪陆相黄土剖面。但是，由于洛川剖面早更新世午城黄土中的古土壤比较致密，在当时的研究背景下前人未对午城黄土做详细的地层划分，仅仅大致将其划分为W S，、w k、W 是、w L、W S，、w k6 套地层组合”。随着后来在黄土高原南部的关中盆地陆续发现的一系列可以更进一步细分的午城黄土o ，“突现”了洛川剖面午城黄土早期地层划分方面的缺陷。其实不然，只要在野外进行细致的观察，洛川剖面的午城黄土同样可以与关中黄土一样，从中可以划分出1 8 层古土壤和1 8 层黄土(s，一k)。由于洛川剖面位于黄土高原中部最大的塬面上，周围设有高大的山脉，因而其风成沉积受山脉的影响较小(山脉既可以阻挡搬运粉尘的气流，又可以向附近的黄土剖面提供近源物质)，无论从地貌学、气象学，还是第一作者简介：孙继敏男3 7 岁研究员第四纪地质学专业E-m a r l：j m s u n 9 5 7 7 7c o m*国家杰出青年科学基金(批准号：4 0 1 2 5 0 0 9)项目资助2 0 0 2 0 5 2 0 收稿，2 0 0 2 0 6 0 7 收惨改稿 万方数据5 期孙继敏等：洛川黄土地层的再划分及其k、h，古环境意义的新解释沉积学角度来看，洛川剖面与对它的研究程度一样，仍是全球最好的陆相黄土剖面。其次，自从刘东生“在黄土高原首次发现并命名r 上、下粉砂层(k L)以来，这两个标志层的古气候意义也同样为人们所关注。长期以来，人们往往依据k、L，的突出的厚度和最粗的粒度，将其解释为代表了第四纪以来最为干冷的气候条件”“，然而，这也构成了陆相黄土与深海沉积在古气候记录上的分歧。本文将重点论述洛川剖面午城黄土的地层划分，并对k、k 的古气候意义提出了新的解释。2 洛川剖面午城黄土的重新划分笔者近年对洛川剖面进行了详细的野外地层划分和采样。事实上，洛川剖面午城黄土中的古土壤在野外还是易于分辨的。就古壤而言，午城黄土中有3 层发育栏度高、颜色偏红的古土壤，即S。、S。和S 州另外，尚有3 层厚度较大的黄土层，即k、k。和k 它们可以作为地层划分的标志层。依据这3 个厚层的黄土层，洛J I I 的午城黄土可以划分为6段。其中，s，至为第一段，含9 层古土壤，相当于前人划分的W S。k 为第二段，相当于W L。S。至S：。为第三段，含5 层古土壤，相当于W S：。k 为第四段，相当于w I。s，至S、：为第五段，含4 层古土壤(其中S，：是由两层古土壤叠合而成)，该段古土壤组合相当于w s，。厚层黄土k 为第六段，相当于w k。同时，笔者尚“1 0t i n 为间距，对洛川I 剖面进行了系统的采样。粒度和磁化率分析结果所指示的峰、谷变化与野外的古土壤、黄土划分是可以很好对比的(图1)。与丁仲礼和刘东生【3 1 对宝鸡剖面午城黄土的划分对比，洛川午城黄土的地层划分与其有如下相同和不同点：(1)无论是宝鸡，还是洛川剖面，我们对W S(S，S。)和W L。(k)的划分是相同的。(2)不同点在于对w s 2、w k、W S，和w k 的划分是不同的。笔者在洛川剖面划分上述地层的标志是野外极为显著的两个厚层黄土层即b(w k)和k(w 乙)，而宝鸡剖面依据的划分标志层是k，和k。对于洛J I 剖面与宝鸡剖面在午城黄土地层划分中的部分分歧，其原因尚不清楚，不过，笔者有如下讨论：首先，黄土作为一种风成沉积，在其下风方向的堆积，受严格的地貌条件控制。很显然，最利于堆积、保留且不易发生二次扬起(s e c o n d e n t r a i n m e n t)或扰动的地点，应是那些下风方向上存在的大型前第四纪沉积盆地，而洛川盆地恰好具备这样的特点，这也决定了洛川塬和其西部的董志塬(即西峰塬)应是黄土记录最好的地点，尽管它们的黄土厚度并不是黄土高原最大的。需要指出的是：黄土最厚的地点并不一定是古气候记录最好的地点，以黄土高原北部的靖远、会宁等剖面为例，这些地区在第四纪冰期的极盛期时，由于北极冰盖的扩大、边缘海的暴露，冬季风极为强大，此时上述地区由于靠近沙漠边缘，粉尘的堆积速率和风蚀速率均得到加强，即使保留下来的沉积厚度十分可观，但冰期极盛期时没有风蚀间断是难以想象的。其次，洛川塬的四周没有高耸的山脉，搬运粉尘的气流未受阻挡，因此局地(1 0 c a l)的 万方数据第四纪研究因素对粉尘的沉降影响较小。楹性柱深度I nOMG口中值牲径磁化奉，m九0 4 m 3k 一图I洛川剖面早更新世午城黄土的地层划分及其磁化率和粒度曲线1 黄土2 古土壤3 红牯土F i g1P e d o s t r a l i g r a p h i cs u b d i v i s i o no ft h eE a r l yP l e i s l o c e n eW u c h e n gk s sF o r m a t i o na tL u o e h u a na n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t ya n dp a r t i c l es i z ec t l l w P s3L 9 和L。；的古气候意义及讨论3 1 问题的提出长期以来，黄土高原的上、下粉砂层一直被解释为代表了第四纪时期最为干冷的气候条件。如果这一解释成立的话，那么，这两个极端气候事件也应该同样被深海氧同位素所记录，因为深海和陆相黄土已经被国际公认为最完整记录整个第四纪古气候的两大支柱。然而，图2 却清楚地表明了与k 和k 相对应的时期即氧同位素阶段2 2 和阶段3 4 其氧同位素值并非整个第四纪最大的，也就是说全球冰量在这两个时期并非最大。从深海记录来看“1 这两个时期的气候条件不应是最为干冷的。也就是说，L 9 和L，的早期解释使黄土和深海在古气候记录上产生了分歧，原因是什么?其次，图2 还表明了并不是整个第四纪时期中国黄土与深海沉积都可以进行很好对比，只是在L。，以上部分(即1 1 M a B P 一峨一呱一峨一叽一峨一帆l|郎郎印如蛳鲫印”鲫鲂跏印鼬M器鲫鼬帅加 万方数据5 期孙继敏等：洛川黄土地层的再划分及其b 州L 占环境意义的新解释以后)，二者的对比良好，这又足为什么?撮性柱深度BMoMO中值粒径磁化率深海氧同位煮，1 0-。m k B l年龄，M a BP口I 2 咖3 皿4图2 洛川剖面的磁化率和粒度曲线与深海氧同位素记录的对比(深海资料来自NJ s h a c k l e 协n 等”9 的综合曲线)1 黄土2 古土壤3 红粘上4 粉砂层F i g 2M a g n e t i cs u s c e p t i b i l i t ya n dp a r t i c l es i z eC U l C e t o fL u o c h u a nL o e s aa n di t sc o r r e l a t i o nw i t ht h em a r i n eo x y g e ni s o t o p em e o w s00214邬&霸卵岛岛曲“魏卸卸如即郎邬卵卵鼬鲫鼬即蠡鼬鲫即 万方数据第四纪研究2 0 0 2 3 2L 和L；古气候意义的新解释这罩，笔者认为之所以产生卜述分歧，主要原因在于前人仅仅依据b 和L，的巨大厚度和粗粒程度而直观地将其解释为代表了最为于冷的气候条件。我们的新解释是：尽管I|和L，是在第四纪干冷的冰期时堆积的，但其干冷程度绝非第四纪时期最盛的，这两个巨厚粉砂层的产生，应当在一定程度F，与这些时期青藏高原及其周边山脉的快速隆升导致区域和局地黄土的物源增加，沙漠扩张所致。根据与深海氧一J 位素的对比，我们可以得出，这两个时期分别是1 1 M a B P 和0 9 M a B P”。我们的解释如下：自晚新生代以来，青藏高原及其周边山脉一直在发生阶段性的隆升，而在山体隆升快速的时期受海拔上升的影响+岩石的昼夜温差变大，寒冻风化加剧，导致岩石的物理风化速度加快；同时，由于山体的坡降变大，河水的水动力加强，不仅使河流下切而且河流可以将更多的岩石风化或冰川研磨产生的碎屑物质搬运到前盆地，而这些物质在风力吹扬下，发生物理分选，沙物质形成沙漠，而细粒物质则被风力带往更远的下风方向，加速r 黄土的堆积。因此k 和L，虽然形成于干冷的冰期，但干冷的气候并非形成这两个粉砂层的单一因素，而在11 M a BP 和0 9 M a BP 期间发生的青藏高原及其周边山体的快速隆升导致的沙漠和黄土物源的急剧增加，对这两个粉砂层的形成起到了非常重要的作用。3 3 相关的证据l 述观点的提出，我们可以找到很多的证据。最直接的证据是：无论是在昆仑山，还是天山山前，早更新世的西域砾岩与中更新世的高阶地砾岩之间，存在广泛分布的角度不整合代表了期间曾发生过大规模的构造运动，而其年龄根据早、中更新世的界限，应在11 M a B P 左右，与分割午城、离石黄土的L，相当。JJ“等1“通过对兰州附近黄河阶地的研究，认为存在1 1 M a B P 前后的高阶地。崔之久等”通过对昆仑山哑口地区的地貌学等研究提出了该区在1 1 0 7 M a B P 前后发生过构造运动。其次，岳乐平和薛祥熙“对关中盆地古三门湖的研究也揭示出，该地的湖相沉积在1 1 M a B P 前后被风成黄土所取代这应当与此期青藏高原及其周边地区的构造抬升所导致的河流下切有关。也正是这次运动，使黄河切穿了三门峡，直接导致湖水流干，并开始形成黄土堆积。此外，在昆仑山前的出山河流，如和田河、克里雅河、尼雅河等两岸，广泛发育多级阶地，其中在克里雅河上游的高阶地的下部沉积中，有两层火山岩分布，根据刘嘉麒的研究”“，火山岩年龄为1 1 M a BP 前后，说明昆仑山前的这级高阶地即形成与这一时期，与我们的结论也是相吻合的。再者，青海地矿局曾在柴达木盆地布置了大量的钻孔，并进行了地层划分和古地磁极性测定“。对这些钻孔资料的分析均表明了在1 1 0 9 M a B P 期间，沉积速率急剧增大”o。由于柴达木盆地四周被阿尔金山、祁连山、昆仑山包围，其入湖物质无疑主要来自周边山脉，在1 1 0 9 M a B P 期间的沉积速率剧增应当反映了此期为周边山体快速抬升的时期。万方数据5 期孙继敏等：洛川黄上地层的再划分及其b、k 古环境意义的新解释4 l3 4 讨论黄土高原的L 咛和L，具有非常重要的古环境意义，尤其是下粉砂层I。，其形成与这一时期青藏高原的快速隆升密切相关。正是这次隆起，使中国黄土记录与深海氧同位素记录在1 1 M a BP 以后可以很好地对比，而此前早更新世午城黄土与深海对比困难(见图2)。事实上，正是这次隆起，很可能使青藏高原的隆升高度达到了某一阈值，通过其对沙漠、黄土物质来源的影响，从i 使区域尺度上(r e g i o n a ls c a l e)的中崮黄土的记录与全球冰量变化的耦台性增强。参考文献1刘糸生黄土的物质成分和结构北京：科学出版社1 9 6 67 5 7 72 刘求生黄土与环境北京：科学出版社，1 9 8 51 0 6 1 1 23r 仲礼，刘东生巾国黄土研究新进展(一)黄土地层第P q 纪研究1 9 8 9，(1)：2 4 3 54G u oZT L i uTSF e d o r o f fN Ha lC l i w a t ee x h P m e si nl o fC h i n ac o u p l e dw i t ht b es t r e n g t ho fd e e p w a e rf o t l o ni nt h eN o r t hA t l a n t i cG o b“a n dP l a w t a r yC h a n g e 1 9 9 8 1 8：1 1 3 1 2 85王嘉荫华山顶上的黄土，中国第四纪研究1 9 6 0，3 I L 86S h a e k l e t o nNJ，P NGA u n o s p h e r i ec“b o nd i o x i d e，o r b i t a lf o n：i n g a n dc l i m a t eG e o p h y s i c a lw o n o g m p hS e r i e s1 9 8 5，3 2：4 1 2 4 1 77S b e c k l e t o n J，B e r g e r A P e l t i e r WR A na l t e r n a t i v e 蜡t m n o m i c a lc a l i b r a t i o no f t h e l，w e rP l e i s t 咖e n e t i m e s e a f ob a s e do nO D PS i t e6 7 7T t a n s a c t o n so f t h eR o y a lS o c i e t y。，E d i n b u r g h：E a r t hS c i e m，1 9 9 0，8 1：2 5 1 2 6 18S h a c k l e t o nNJ，C r o c h e tS，H a g e l b e r RT a lA l a t eN e o g e Mf i a l e：A p p l i c a t i o nt ol e g1 3 8s i t e sP r w p e d i n g s0，t h e0 皑nD r i l l i n gP r o g r a m，Y c i e m i f wR 口u l t n，1 9 9 5 a，1 3 8：7 3 1 0 19S h a c k l e t o nNJ H a l lMA，P a t eDP l i w e n es t a b l ei m t o p es t r a t i g r a p h yo fO D Ps i t e8 4 6F n w e e d i n g so f t h e0 c D r i l l i n gP r o-S c i e n t f i c 如a 8，1 9 9 5 b，1 3 8：3 3 7 3 5 31 0S u nJM 1,i uTSS l r a t i g r a p h i e 州i d e n e ef o rt h eu p l i f to ft h eT i b e t a nP l a t 朗ub e t w e e n 1la r】d 09m y ra g op m f e m“叫凡把m 2 0 0 0，5 4：9 3 2 01 1kJJ，F 明s XM，M aH Zda i G e o 瑚r p h o l 呷e a la n de n v i r o n m e n t a le v o l u t i o n i n t h eu p p e rr e 虻h e so f t h eY e l l o wR i v e rd u r i n gt h el a t eC e n o i eS c*i nC h(S e r i e sD)，1 9 9 6 3 9(4)：3 8 0 3 9 01 2 崔之久，伍永秋，刘耕年等关于“昆仑一黄河”运动中国科学(D 辑)，1 9 9 8，1 8(1)：5 3 5 91 3 岳乐平，薛祥熙中囿黄土古地礅学北京：地质出版牡1 9 9 66 3 6 41 4 刘嘉麒对“新疆普舟火山岩及时代归属问题”一文的质疑岩石学报1 9 8 9(2)：9 5 9 71 5 沈振枢，程果，葛同明柴达木盆地第四纪磁性地层特征及其意义青海地质，1 9 9 2(2)：1 9 2 9 万方数据4 1 2第四纪研究P E D o S T R A T I G R A P CS U B D I V I S l o No FT H EL o E S S P A L E o S o LS E Q U E N C E SA TL U o C H U A NA N DAN E WI N T E R P R E T A T l o No NT H EP A L o E N、，琢0 N M 匮N T A Ls I G N I C A N C Eo FL 9A N DL 1 5S u nJ i m i nL i uT u n g s h e n gh“m 矿G e o l o g ya t u lG e o p h y s i c s，C h i r*a eA c a d e m)矿3 c i e 一，B e o i n g1 0(】0 2 9A b s t r a c tT h eE a r l yP l e i s t o c e n eW u c h e n gL o e s sF o r m a t i o na tL u o e h u a nw a sp r e v i o u s l yd i v i d e d1 o l l g h l yi n t os i xu n i t s(W S l，w L l，W S 2，W L，w a n d W L 3)，b u to n t h eb a s i so fO U rr e c e n ts t u d i e s i t i ss u b d i v i d e di n l oe i g h t e e nl o e s sb e d sa n de i g h t e e ns o i l s，s i m i l a rt ot h o s ei nt h eB a o j il o e s ss e c t i o n A m o n gt h en e ws u b d i v i d e du n i t sS l5 一S 2 3，k，S 2 4 S M，k，s 3 2，a n dL c o r r e s p o n dt ot h ep r e v i o u sd i v i d e du n i t sW S l，W L l，W S 2，W k，W S 3a n dW L，r e s p e c t i v e l y T h et W Os a n d yl o e s sb e d so fbm a dL 1 5m a r k e db yt h eg r e a t e s tt h i c k n e s sa n dt h el a r g e s tp a r t i c l es i z eb a db e e nu s e da sm a r k e rl a y e r sf o rs p a t i a l l yp e d o s t r a t i g r a p h i cc o r r e l a t i o nt h r o u g h o u tt h eL o e，|s sP l a t e a u，a n dt h e yh a db e e ni n t e r p r e t e da sr e p r e s e n t i n gt w oc o l da n dd r ye x t r e m e so ft h eQ u a t e r n a r y H o w e v e r，t h i si n t e r p r e t a t i o nc a 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