古氣候環(huán)境演變代用指標研究進展

古氣候環(huán)境演變代用指標研究進展

氣候環(huán)境變化是世界變化的集中體現(xiàn)，也是世界變化研究的核心。地球環(huán)境變化在不同尺度地域空間內的表現(xiàn)不同,這些表現(xiàn)可以儲存于不同的載體之中,現(xiàn)代檢測技術已能較好地從這些載體中提取全球環(huán)境變化的信息[1~4]。研究表明:磁化率、孢粉、有機穩(wěn)定碳同位素δ13C、沉積物粒度特征、地球化學特征、分形方法等作為載體示蹤劑在指示古氣候環(huán)境演變的有力工具,近年來常作為研究和恢復2.5Ma(M/G)以來古氣候環(huán)境的代用指標[5~10]。1土壤磁化率與氣候的關系巖石、土壤和沉積物的磁化率作為研究氣候環(huán)境變化的代用指標已受人們的普遍關注[11~20]。近年來風塵黃土—古土壤序列磁化率的古氣候意義引起了人們的極大興趣,并進行了多方面的研究。我國黃土與古土壤沉積序列的研究已表明,黃土磁化率曲線可與深海氧同位素曲線表示的第四紀氣候變化規(guī)律很好地對比,雖然在機制上還存在諸多疑問,但磁化率在指示氣候冷暖變化和東亞季風變遷等方面具有獨特的敏感性。眾多學者認為可以利用黃土的磁化率來了解第四紀氣候及全球氣候變化,作為氣候變化的良好替代性指標。近年來,關于紅土剖面的磁測也發(fā)現(xiàn)紅土的磁化率曲線可與黃土—古土壤序列和深海氧同位素曲線較好地進行對比,磁化率作為記錄古氣候冷暖變換的代用指標同樣也適合于我國紅壤地區(qū)。如用紅土剖面磁化率值的谷峰振蕩證明從早更新世以來發(fā)生了多次冷暖氣候變化的旋回,其紅土剖面的磁化率曲線與黃土剖面磁化率曲線和氧同位素變化曲線有明顯的可比性。湖泊沉積物的環(huán)境磁學研究也揭示磁化率可以作為反映近代歷史環(huán)境變化的代用指標。應用磁化率作為衡量環(huán)境變化的代用指標需解決的關鍵問題是土壤磁性增強的物理機制,關于古土壤磁化率增強的機制,已經有各種各樣的假說被提出來,如弱磁性顆粒對相對恒定輸人的強磁性顆粒的稀釋作用,植物殘體分解產生超細粒的磁性顆粒,成土過程中強磁性礦物的生成。據計算,沉積物壓實和碳酸鹽淋濾作用并不是古土壤磁化率增強的主導因素;源區(qū)差異假說和稀釋作用模式也不能圓滿解釋古土壤磁化率增強的真正原因。盡管對古土壤磁化率增強的機制還在進一步探索之中,目前,古土壤磁化率增強的土壤成因模式,即濕熱氣候條件下成土成因的超順磁強磁性顆?！盆F礦和/或磁赤鐵礦導致古土壤磁化率增強已被廣泛接受?？梢宰鳛榉从辰鷼v史環(huán)境化的代用指標。1990年,Zhou等就開創(chuàng)性地提出了古土壤磁化率增強的土壤成因觀點。用環(huán)境磁學方法對亞熱帶和暖溫帶交界處由第四紀沉積物發(fā)育土壤的磁性增強機制研究表明,土壤磁性增強作用的主要磁性載體是成土過程中形成的穩(wěn)定單疇(SSD)和超順磁性(SP)態(tài)的次生磁性礦物。深入的研究發(fā)現(xiàn)土壤磁化率與氣候的關系不是一個完全統(tǒng)一的模式,它受多種因素的影響。因此,必須研究不同地帶土壤磁化率的形成機制以及磁性與氣候環(huán)境的關系,這是應用環(huán)境磁學開展全球氣候變化研究的基礎性工作。2古氣候研究現(xiàn)狀自然環(huán)境的發(fā)展演化從較大的時空尺度來看是一個長期的地質歷史過程,孢粉分析是迄今恢復古氣候的可靠方法之一。近些年來,孢粉—氣候關系研究已成為世界孢粉學界的熱點之一[33~34]。通過對東、黃海沉積物的孢粉研究,表明了在晚更新世晚期,海平面大幅度下降,東、黃海陸架大部分出露成陸,成為“東海平原”或“黃海平原”。鄭桌和王建華(1998)采用孢粉譜分析方法對珠江三角洲北部地區(qū)多個鉆孔進行了古植被和古環(huán)境的研究。黃翡和熊尚發(fā)(2001)對江西九江第四紀紅土中孢粉研究,表明該地紅土是濕熱環(huán)境下的產物。覃軍干等(2002)通過對上海CY孔晚第四紀沉積樣品的孢粉、藻類資料分析研究表明研究區(qū)古土壤形成期間曾經歷水泛和水退的環(huán)境交替。鄧兵等(2003)結合孢粉研究長江三角洲地區(qū)晚第四紀古土壤層記錄的古環(huán)境信息,結果表明古土壤堆積階段氣候溫暖而濕潤。賈麗等(2004)通過對上海地區(qū)高橋G2孔晚第四紀地層中孢粉的研究,恢復了該地區(qū)植被演替、氣候波動的六個階段,這種氣候的波動不僅與世界性氣候變化一致,而且其波動曲線與海平面變化曲線也是相吻合的。張玉蘭(2005)通過對長江三角洲地區(qū)晚第四紀沉積10多口鉆井的孢粉、藻類資料分析研究進一步證實了研究層硬粘土形成期間曾經歷滯水和水退的環(huán)境交替。汪品先等(2006)對我國海陸120個剖面的孢粉和古植物資料進行匯總,參照各地的巖性證據,再造了古植被指示的氣候分布格局。隨著定量分析技術與方法的改進和發(fā)展,古氣候定量重建已成為當今全球變化研究中的前沿課題之一。定量重建古氣候有各種各樣的方法,但從花粉分析得出的古氣候參數(shù)以其直接性和可靠性在全球氣候研究中具有無可替代的作用。目前,在定量解譯孢粉資料所反映的氣候特征方面,轉換函數(shù)法是比較成功的方法之一[44~46],其原理是利用表土孢粉資料進行數(shù)理統(tǒng)計分析,建立氣候因子的回歸模型,然后計算地層數(shù)據,進而得到古氣候參數(shù)值。利用轉換函數(shù)法,已在歐洲、北美、非洲[48~49]各地取得了令人信服的古氣候研究結果。在20世紀80年代晚期,Bartlein等(1986)提出了一種新方法,即花粉-氣候響應面(Pollen-climateresponsesurface)方法,這是生態(tài)響應面、地質趨勢面在孢粉學中的應用,近年來已被廣泛應用于各種重要的古氣候研究項目[51~53]。此法選取若干有代表性的花粉類型逐類地將現(xiàn)代花粉豐度在地理空間的分布轉換為在氣候空間(如年降雨量與夏季氣溫為坐標)的分布,然后用二次或三次響應面函數(shù)的方法求出該類花粉分布的氣候最佳條件(最高值)與極端條件(最低值),將化石花粉組合的數(shù)據與各種花粉的氣候響應面對比,便可求得古氣候參數(shù)。由于此法建立在逐類花粉的生態(tài)分布資料基礎上,并且考慮了花粉與氣候之間的非線性關系,因此具有廣泛的使用范圍。此外,除地層化石孢粉外,現(xiàn)代花粉雨和表土孢粉譜研究也是最重要的基礎工作,對正確解釋孢粉資料、定量恢復古氣候起著關鍵作用,國內外孢粉學界對此已有足夠認識,近幾年以來正大力開展和深入進行現(xiàn)代表層孢粉在沉積物中的分布以及與氣候因子和植被之間關系的研究。3穩(wěn)定同位素在氣候變化中的應用研Craig(1954)利用北美巨杉的整輪進行分析,發(fā)現(xiàn)樹輪纖維素13C組成記錄了大氣氣候信息,這是一項具有開創(chuàng)性的工作。陸生植物由于光合作用的途徑不同可以分為C3、C4和CAM植物,由于這種光合作用途徑不同而產生δ13C分餾的差異,這也是利用土壤中有機穩(wěn)定碳同位素組成來推算古植被中C3、C4植物相對豐度,進而恢復古環(huán)境的理論基礎[56~57]。有機穩(wěn)定碳同位素δ13C氣候環(huán)境背景與意義表現(xiàn)為:在溫度為主要因素的控制條件下,氣候越溫暖則C4植物越豐富,δ13C值也相應偏正;氣候愈寒冷,則C3植物增多。湖泊沉積物有機穩(wěn)定碳同位素(δ13C)在古全球變化中的應用研究近年來發(fā)展迅速,成果令人矚目。鐘巍等(2005)對塔里木盆地南緣湖沼相沉積物δ13C研究揭示了研究區(qū)近4Ka以來此地區(qū)氣候環(huán)境變化劃分了8個階段,而且與GreenlandGISP2冰芯δ18O記錄之間有很好的吻合,表明研究區(qū)近4Ka以來的氣候與環(huán)境變化可能具有全球背景。汪品先等(2006)在南沙海區(qū)通過對δ13C研究,發(fā)現(xiàn)了碳同位素有40~50萬年長周期,經過全球對比證明是世界大洋碳儲庫對于地球運行軌道偏心率長周期的響應。雖然湖泊沉積物有機質δ13C在解釋古氣候變化上存在多解性,但在實際工作中,再結合其它環(huán)境指標共同使用,δ13C可以探討和恢復古氣候。Libby等(1974)首先使用了樹木年輪穩(wěn)定同位素溫度計的概念,指出可以通過樹輪穩(wěn)定同位素序列重建歷史時期溫度變化。Pearn1an(1976)比較完整的闡述了植物穩(wěn)定C同位素在氣候變化研究中的應用前景。我國的植物穩(wěn)定同位素研究起步于20世紀80年代后期,中國科學院西安黃土與第四紀地質研究室做了些探索性的工作,初步建立了樹輪穩(wěn)定C同位素的研究方法,并利用樹輪穩(wěn)定C同位素方法對秦嶺地區(qū)的區(qū)域性氣候模式進行了研究。進入90年代,我國逐步開始在全國各個地區(qū)展開了植物穩(wěn)定C環(huán)境氣候關系的研究,如通過分析植物葉片、樹木年輪、埋藏古木、花粉等穩(wěn)定同位素組成狀況恢復和重建古氣候環(huán)境[63~64]。20世紀9O年代后,國際上的植物穩(wěn)定同位素研究開始逐步趨向成熟,并向著定量化、精確化、多應用領域的方向發(fā)展,在這期間建立了很多植物穩(wěn)定同位素的分餾模型以及與環(huán)境因子的關系模型,植物穩(wěn)定同位素環(huán)境氣候學在全球變化研究領域做出了重要貢獻。我國有機穩(wěn)定碳同位素研究領域偏重于利用樹輪穩(wěn)定同位素序列進行歷史時期氣候的重建。趙興云等(2005)通過浙江西天目山地區(qū)樹輪δ13C研究重建了該地區(qū)9月降水量與平均最高氣溫兩個氣候要素300多年的氣候變化,所反映的氣候變化與我國近500a的氣候變化及該區(qū)部分史料記載有較好的對應。4粒度參數(shù)對沉積環(huán)境的解釋沉積物粒度分布特征仍是判別沉積環(huán)境的一個重要物理標志,粒度分析常常是探究沉積物特征及古環(huán)境意義的第一步驟。沉積物的粒度分布服從對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律,利用粒度分析特征值,即平均粒徑、標準偏差、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)等,可推測當時的沉積環(huán)境[67~68]。對天然沉積物進行粒度分析并用于土壤分類可追溯到1750年,地質學中引入粒度分析方法開始于20世紀初。Udden(1914)提出了以2為底的指數(shù)的粒度分級方法,Visher(1969)將對數(shù)一概率坐標下的累積頻率點連成線段,并解釋為不同搬運作用的產物,這就是我們至今仍采用的粒度概率圖;Passega(1957)提出了C-M圖解法,來研究不同沉積環(huán)境在粒度分布上的差別,Sahu(1964)對粒度樣本矩進行判別分析,推導出一系列沉積環(huán)境的判別公式。黃土沉積序列的粒度參數(shù)在提取冰量周期變化、指示冬季風強度變化等方面發(fā)揮了重要作用。近年來,利用湖泊沉積物粒度特征反演第四紀氣候變化已取得一定成效[70~73]。孫千里等(2001)研究發(fā)現(xiàn)處于北方環(huán)境敏感帶的封閉湖泊岱海,其沉積物的粒度特征反映了岱海降水、水動力搬運強度以及湖面水位高低的變化,從而揭示了岱海沉積時的古環(huán)境特征。劉興起等(2003)研究了青海湖QH-2000孔沉積物粒度組成的變化,結果表明冷干和暖濕氣候條件下沉積物的粗顆粒組分明顯增多,介于二者之間的氣候條件下沉積物的粒徑變化相對較平緩。杜磊等(2004)在巢湖取得3個有代表性的沉積物柱樣,用激光粒度儀對其進行粒度分析,結果表明兩百多年來,巢湖存在兩個洪水期和兩個平水期。王張嶠等(2005)通過對長江河口區(qū)大量第四紀鉆孔沉積物粒度分析,揭示了研究區(qū)沉積環(huán)境演化的特征。王亞東等(2005)對阿爾金山山前紅三旱1號剖面干柴溝組自下而上不同層位選取典型的沉積巖樣品進行粒度分析,發(fā)現(xiàn)沉積區(qū)柴達木盆地的沉積環(huán)境和氣候條件因受阿爾金山多期次隆升的影響而發(fā)生變化,其各方面的沉積特點受到物源區(qū)的控制,也為青藏高原的多次隆升和氣候環(huán)境變化提供了佐證。5與沿海地區(qū)地質環(huán)境的關系在研究黃土和紅土的物質組成中,化學組成特征是一個重要方面。陳駿等(2001)在研究陜西洛川黃土剖面發(fā)現(xiàn),Rb/Sr值變化實際反映了東亞季風系統(tǒng)的兩個相互捎長因子—冬季風與夏季風在軌道時間尺度上的循環(huán)交互特征。進一步用洛川剖面第四紀以來Sr含量總體演化趨勢與北半球冰量變化模式的相似性驗證了高緯度冰蓋生長與東亞季風強度之間存在著耦合關系。趙錦慧等(2004)對延安地區(qū)的黃土鈉鈣比進行了系統(tǒng)研究,指出黃土的地球化學參數(shù)可以作為本區(qū)指示夏季風波動的敏感性指標。熊志方和龔一鳴(2006)用X射線熒光光譜法(XRF)和X射線衍射法(XRD)分別測試了秦皇島北戴河燕山大學北側紅色風化殼主量元素和粘粒粘土礦物,結果表明風化殼地球化學特征具有環(huán)境指示意義。而利用地球化學元素特征反映湖泊和沿海地區(qū)的第四紀沉積環(huán)境演變在國內外有大量研究成果可尋。嚴欽尚等(1979)在研究蘇北金湖凹陷阜寧群的沉積環(huán)境時發(fā)現(xiàn),B、Ga、Sr和Ba所揭示的海侵時期與有孔蟲、礦物組合結果相吻合。王益友等(1979)進一步提出了海陸相地層中B/Ga和Sr/Ba比值的分布范圍,并分析其影響因素。藍先洪等(1987)則探討了微量元素B、Ga、Sr和Ba在珠江三角洲地區(qū)的指相意義。李志中(1991)探討新疆巴里坤湖晚第四紀沉積化學元素分布與古氣候關系得出化學元紊分布與生物地層旋回有很好的相關性,進一步用C/N、Sr/Ba和CaO/MgO比值指示該區(qū)古氣侯變化具有周期性。Dominik和Stanley(1993)認為B/Be比值能有效地判定尼羅河三角洲地區(qū)全新世以來的海陸變遷。通過對于長江河口區(qū)第四紀沉積物中的地球化學元素的分析,Chen等(1997)研究認為,微量元素B以及B/Ga和Sr/Ba比值均與古鹽度線性相關,可鑒別出該區(qū)域的海侵地層,并有助于古環(huán)境重建。曹建廷等(2001)通過對地處氣候敏感帶的岱海湖泊巖芯介形類殼體豐度、Sr/Ca和Mg/Ca摩爾比值,以及自生碳酸鹽氧同位素組成等地球化學指標的綜合分析,重建了岱海小冰期以來氣候環(huán)境演化過程。陳志華等(2003)在南黃海沿岸的研究工作則認為Sr和Sr/Ba比值與末次冰盛期以來該區(qū)的物源變化有關。趙紅艷等(2004)選擇長白山地區(qū)典型的泥炭剖面—大橋剖面,探討其沉積物常量元素和微量元素的垂直分布規(guī)律及其對全新世氣候變化的指示作用,其結論與前人通過孢粉、同位素手段分析得到的環(huán)境變遷規(guī)律相同,從而說明它們可以作為研究環(huán)境變遷的敏感指標。韋桃源等(2006)在前人的工作基礎上,對上海浦東機場孔(Pd)第四紀地層中地球化學微量元素B、Ga、Sr和Ba的觀測和研究,探討了研究區(qū)的古環(huán)境演化。王張嶠等(2005)對長江河口區(qū)大量第四紀鉆孔作了粒度分析,用C-M圖反映了研究區(qū)沉降盆地在演化過程中受到不斷增強的氣候作用的演變特點。魏子新(2003)研究長江三角洲東部第四紀沉積環(huán)境表明,作為常量元素的全氧化鐵和氧化鐵曲線峰值處指示較為的氣候條件,而氧化鐵含量高指示的是干冷的環(huán)境?；瘜W風化指數(shù)(CIA)是反映化學風化強度的有效指標,Guo等(1996)將指標CIA作為與古夏季風強度有關的黃土—古土壤序列風化程度的替代指標,揭示了末次冰期黃土高原夏季風不穩(wěn)定的節(jié)拍。6與其它類型的對比分析自Mandelbrot(1977)引入分形概念以來,眾多學者紛紛將分形方法應用于各個研究領域,取得了大量有價值的研究成果。已有研究表明,分形分析可以從一個似乎是雜亂無章的氣候序列中計算出他的分形數(shù),證實氣候變化趨勢的信息。龔道溢等(1995)對祁連山圓柏樹輪年表進行了分形分析,將算得的關聯(lián)維數(shù)與深海沉積物巖芯氧同位素、上海器測月平均氣溫的分形研究進行對比,發(fā)現(xiàn)它們對氣候環(huán)境變化指示有較一致的特征。Fluegeman和Snow(1989)用R/S(時間序列分析方法)分析太平洋V28-239δ18O比率計算出其分維是1.22,這個資料代表著近2Ma氣候長期變化的特征。朱誠等(1996)以廬山大校場剖面為例,