山西運(yùn)城丁村人遺址沉積物中的古氣候?qū)W特征

山西運(yùn)城丁村人遺址沉積物中的古氣候?qū)W特征

丁村位于山西省秀芬縣城南5公里的汾河?xùn)|岸。在丁村附近，沿著汾河兩岸約10公里，在第四紀(jì)層發(fā)現(xiàn)了大量古脊椎動物化石。1954年裴文中、賈蘭坡等在丁村附近又發(fā)現(xiàn)古人類化石和大量舊石器。1976年于該地又發(fā)現(xiàn)人類化石及大量石器。因而更引起國內(nèi)外第四紀(jì)地質(zhì)、古生物和古人類工作者的重視。多年來裴文中、賈蘭坡等曾對地層劃分和古生物等做過大量工作。但對古氣候問題涉及不多。本文重點(diǎn)通過“丁村人”遺址100地點(diǎn)和7701地點(diǎn)的沉積物中粘土礦物、重礦物、化學(xué)分析、有機(jī)物和酸堿度的分析,并結(jié)合古脊椎動物、水生物、孢子花粉等資料來探討“丁村人”生活時期的氣候變遷,將對研究“丁村人”生活環(huán)境,提供可靠的科學(xué)依據(jù)。一、晚更新統(tǒng)沉積特征臨汾盆地,在大地構(gòu)造上位于祁呂賀蘭山字型構(gòu)造體系的東翼,屬于滹沱一汾河陸槽的南段,為一系列多字型的新生代盆地之一。晚更新統(tǒng)地層,在臨汾盆地中以丁村為中心沿汾河河谷地區(qū)廣泛發(fā)育。從沉積物特征、沉積構(gòu)造和所處的地貌位置,王向前等人劃分為上更新統(tǒng)早期()和晚期()堆積(圖1,2)1)。我們從這些堆積物中采樣,進(jìn)行粘土礦物的差熱分析,X射線衍射分析,化學(xué)分析和有機(jī)質(zhì)、酸堿度的分析。在砂層中進(jìn)行重礦物、輕礦物組合分析和化學(xué)分析。通過這些分析探討當(dāng)時的古氣候變化規(guī)律。二、差熱與x射線衍射粘土礦物在形成和風(fēng)化過程中,常常受氣候因素的影響。粘土礦物隨生物-氣候帶不同,分布的緯度也不同。例如現(xiàn)在我國新疆、內(nèi)蒙高原的西部、柴達(dá)木盆地、青藏高原大部分地區(qū)土壤中粘土礦物組合是以水云母礦物為主,其次為蒙脫石和綠泥石。反映出這些地區(qū)在現(xiàn)今干燥而寒冷氣候條件下形成的粘土礦物組合特征。目前在秦嶺山地和長江中、下游平原區(qū)這一狹長的南北過渡地帶的自然氣候條件下,形成的粘土礦物組合,為水云母—蛭石—高嶺石。在“丁村人”遺址所采集的樣品經(jīng)過實(shí)驗室粘土提純處理,實(shí)驗條件如下:dc0.01mm、中性體、三氧化二鋁、熱電偶導(dǎo)線將鉑銠絲升溫速度10%。對晚更新統(tǒng)早期丁村1、2、3三個樣品進(jìn)行差熱分析,從差熱分析的曲線圖中(圖3)可以看出丁村1號樣品在150—160℃;585℃處有兩個伊利石不大的吸熱谷。在877℃處有不明顯的高嶺石礦物放熱效應(yīng)峰值。在丁村2號樣品中,差熱曲線在160℃、600℃處有兩個伊利石不大的吸熱谷。在900℃處有不明顯的高嶺石放熱效應(yīng)峰值。在丁村3號樣品中,差熱曲線在160℃、590℃a)(處有兩個伊利石吸熱谷,在915℃處有一個明顯的高嶺石放熱效應(yīng)的峰值。在丁村1、2、3三個樣品中可能有極少量的蒙脫石,但在840℃處看不到明顯的蒙脫石吸熱谷出現(xiàn)。在X射線衍射圖譜中(圖4),丁村1、2、3樣品曲線在6.25附近有不明顯的高嶺石峰值出現(xiàn)。因綠泥石峰值往往同高嶺石峰值重迭在一起,故峰值不明顯,應(yīng)通過其他實(shí)驗數(shù)據(jù)加以校正。在14.75附近出現(xiàn)了蒙脫石的反應(yīng)峰值。總之,對丁村1、2、3三個樣品的差熱與X射線衍射測試,說明這一時期的粘土礦物組合為伊利石—高嶺石,可能有少量蒙脫石。說明這一時期的河湖相堆積物是在比較溫暖而濕潤的氣候條件下形成。在含丁村人化石、脊椎動物化石和舊石器層位的上部丁村5號樣品中,差熱曲線圖(圖3)特點(diǎn)是在145℃和580℃處有兩個不大的伊利石吸熱谷,在580℃—850℃之間有一個小的吸熱谷和一個小的不明顯的放熱峰,這是綠泥石礦物差熱曲線特征。在丁村5號樣品中沒有出現(xiàn)高嶺石礦物的峰值。在X射線衍射圖譜中(圖4),在3.1、6.25處出現(xiàn)綠泥石礦物峰值,在10.45處出現(xiàn)明顯的伊利石峰值。在14.75附近可能有蒙脫石出現(xiàn)。這些特征同差熱分析曲線反映出粘土礦物組合基本相似。粘土礦物組合為伊利石—綠泥石,可能有少量蒙脫石,說明當(dāng)時氣候由溫暖而濕潤向干燥而涼爽方向轉(zhuǎn)變。在丁村遺址丁家溝7701地點(diǎn)地層(圖2)中,我們采集了7701—2—3,7701—3—1,7701—3—2三個樣品,進(jìn)行差熱和X射線衍射分析。實(shí)驗條件同前,差熱分析曲線見圖5。在7701—2—3樣品的曲線中看到伊利石在145℃和580℃處有二個不大的吸熱谷。在910℃處有一個很不明顯的高嶺石的放熱效應(yīng),說明樣品中高嶺石含量不多,峰值不明顯。在865℃處可能有一個極微弱的蒙脫石吸熱谷,反應(yīng)甚不明顯。在7701—3—1樣品差熱曲線中,看到伊利石在155℃、578℃處有二個吸熱谷。綠泥石礦物在578至850℃之間出現(xiàn)了不明顯的小吸熱谷和放熱峰。在870℃處出現(xiàn)一個明顯的吸熱谷。在蒙脫石礦物的差熱曲線中伊利石在145℃和580℃處有兩個吸熱谷出現(xiàn)。在580—850℃之間有一個平緩的吸熱谷和一個平緩的放熱峰值,為綠泥石礦物的差熱反應(yīng)。在865℃處有一個蒙脫石吸熱谷出現(xiàn)。從X射線衍射圖譜中(圖6)可以看到7701—2—3樣品中,在10附近出現(xiàn)極明顯的伊利石礦物峰值,在3.01和6.19處出現(xiàn)綠泥石礦物的峰值。在13.94處出現(xiàn)長石的峰值。綜上所述,可以看出差熱分析和X射線衍射峰值結(jié)果基本上一致。7701—2—3樣品中粘土礦物組合為伊利石、高嶺石和可能有少量蒙脫石。在7701—3—1、7701—3—2樣品中粘土礦物組合為伊利石—綠泥石—蒙脫石。這些粘土礦物組合的變化,反映出氣候由溫暖而濕潤的氣候轉(zhuǎn)化為溫涼至寒冷而干燥的氣候。晚更新統(tǒng)晚期(推測年代為15000—10000年)為馬蘭黃土堆積時期,樣品取自丁村100地點(diǎn)上部8層。在差熱曲線圖(圖3)中,伊利石礦物在150℃和580℃處有兩個吸熱谷反應(yīng)。在580℃—800℃之間有一個不明顯的吸熱谷和放熱峰,為綠泥石礦物特征。在X射線衍射圖譜中(圖4)于10附近有明顯的伊利石峰值。在3.1和6.25處附近都有綠泥石礦物的峰值。這些特征同差熱曲線反應(yīng)相一致,說明這一時期氣候變化更為干燥而寒冷。三、不同層次樣品的重礦物組合用重、輕礦物組合的系統(tǒng)分析和礦物的穩(wěn)定度高低,來了解物源區(qū)母巖的性質(zhì)和氣候的冷暖變化有著實(shí)際意義。尤其對很難保存孢子花粉的砂、礫石層更為重要。在丁村100地點(diǎn)中丁—1、丁—3、丁—4、丁—6、丁—7和7701地點(diǎn)中7701—2—1、7701—2—3層上部(圖1、2),采集的重砂樣品,進(jìn)行人工重礦物分析,其結(jié)果如下:在丁—1樣品中穩(wěn)定礦物和極穩(wěn)定礦物組合中的磁鐵礦、榍石、赤鐵礦、矽線石、金紅石、鋯石、柘榴子石、銳鈦礦、電氣石等礦物晶形不完整,有的呈半滾圓形、有的為粒狀,這是重礦物在溫暖的氣候條件下,搬運(yùn)和沉積過程中經(jīng)風(fēng)化和水解作用較強(qiáng)烈所形成的結(jié)果。因此,表現(xiàn)出穩(wěn)定和極穩(wěn)定礦物組合,其百分比和礦物種類都超過不穩(wěn)定和較穩(wěn)定礦物組合。丁—3樣品中重礦物組合的特點(diǎn)同丁—1樣品基本上相同,其中極穩(wěn)定礦物組合的含量有所增加,說明風(fēng)化和水解作用更強(qiáng)烈,反映出氣候更趨于溫暖而濕潤。丁村100地點(diǎn)4層中含人化石、石器、脊椎動物和蚌化石。這一層重礦物組合特征是穩(wěn)定和極穩(wěn)定礦物組合,含量較丁—1、丁—3兩個樣品都有大幅度的增加。說明這一時期風(fēng)化和水解作用更為強(qiáng)烈,氣候更加溫暖而濕潤,為亞熱帶類型,使大量不穩(wěn)定礦物在風(fēng)化和水解作用后而流失,使難于風(fēng)化和水解的穩(wěn)定礦物大量地保存下來。在丁—6層(圖1)樣品中礦物組合明顯發(fā)生變化,易風(fēng)化和水解的不穩(wěn)定礦物角閃石的含量大幅度增高。角閃石晶形為完好的柱狀晶體,多數(shù)帶有棱角狀,說明是處于比較干燥而涼爽的氣候條件下,風(fēng)化和水解作用微弱,穩(wěn)定程度低的角閃石礦物才大量地保存下來。而穩(wěn)定礦物,如磁鐵礦、榍石、鈦鐵礦、電氣石和白鈦礦等含量均有所減少,且礦物的晶體也較好地保存下來。反映當(dāng)時的風(fēng)化和水解作用微弱,氣候干燥而涼爽。丁—7樣品中不穩(wěn)定礦物組合中角閃石、蛭石含量又開始減少,穩(wěn)定和極穩(wěn)定礦物組合中磁鐵礦、鋯石等又有所增多。說明氣候又發(fā)生變化,風(fēng)化和水解作用又有所增強(qiáng),氣候又有轉(zhuǎn)向溫暖的趨勢。晚更新世中期,為丁村丁家溝7701地點(diǎn)(圖2),我們采集了兩個樣品(7701—2—1和7701—3—1),進(jìn)行重礦物分析,其結(jié)果如表1。7701—2—1樣品采自7701地點(diǎn),含有脊椎動物化石、石器和蚌化石的層位中。重礦物組合中穩(wěn)定礦物為磁鐵礦、榍石、褐鐵礦;極穩(wěn)定礦物為鋯石、金紅石、電氣石、白鈦礦等。其含量和礦物種類均多于不穩(wěn)定和較穩(wěn)定礦物。說明當(dāng)時氣候溫暖而濕潤,風(fēng)化和水解作用較強(qiáng)烈,使穩(wěn)定礦物也受風(fēng)化和溶蝕。因此,礦物晶形為不規(guī)則的半滾圓狀。7701—3—1樣品中礦物組合特征又不同于7701—2—1樣品中礦物組合。在7701—3—1樣品中不穩(wěn)定礦物和較穩(wěn)定礦物含量有明顯的增多。其中不穩(wěn)定礦物角閃石含量高達(dá)60%。這一特征,反映當(dāng)時氣候干燥而涼爽,風(fēng)化和水解作用較弱,使不穩(wěn)定礦物得以大量地保存下來。四、有機(jī)質(zhì)和ph值從丁村100地點(diǎn)和76006、7701地點(diǎn)取9個樣品,分析結(jié)果如表2。丁村100地點(diǎn)和76006、7701地點(diǎn),下部和中部層位中Fe2O3、S含量下部高、而上部稍偏低。有機(jī)質(zhì)和pH值分析結(jié)果見表3。從表3中可以看到pH值均在8-9之間,為中性-弱堿性特征,相當(dāng)于我國現(xiàn)今河南封丘、安徽碭山、江蘇徐州等地氣候條件下形成的土壤酸堿度特征。有機(jī)質(zhì)含量比這些地區(qū)土壤中含量相應(yīng)低一些。這些變化特征,雖然沒有很明顯的規(guī)律性,但可以認(rèn)為在丁村人化石地點(diǎn)中,下部代表比較溫暖而濕潤的氣候,上部代表比較干燥而涼爽的氣候環(huán)境。五、晚更新世氣候變遷綜合分析根據(jù)粘土礦物組合、重礦物組合、化學(xué)分析、pH值和有機(jī)質(zhì)測定的數(shù)據(jù),結(jié)合古脊椎動物、水生物化石、孢子花粉和其他相關(guān)地區(qū)資料,對本區(qū)晚更新世氣候變遷綜合分析如表4。從氣候變化規(guī)律來看,可將丁村一帶晚更新世劃分為早、中、晚三個時期,現(xiàn)從老至新分別論述如下:1.青魚的氣候特征從丁村54—100地點(diǎn)中、下部層位中發(fā)現(xiàn)的28種哺乳動物化石,大部分是生活在森林和山地之中。如德永象、納瑪象、印度象、水牛等,基本上是生活在疏林、草原湖泊和沼澤的溫暖而濕潤的氣候環(huán)境中。從魚化石的研究來看,青魚是一種以介類為食的魚類,現(xiàn)生種廣泛分布在我國南方長江流域。從蚌科化石研究表明,丁村54—100地點(diǎn)含人化石、脊椎動物化石層的蚌化石,現(xiàn)生種都限于秦嶺以南的漢水流域和長江中、下游地區(qū),反映當(dāng)時的氣候環(huán)境是溫暖而濕潤。這一時期在華北平原又發(fā)生了規(guī)模僅次于渤海海進(jìn)的白洋淀海進(jìn)。根據(jù)對滄州海進(jìn)的同位素年齡測定,推測白洋淀海進(jìn)的海相層同位素年齡可能大于7萬年,小于11萬年。這一時期由于白洋淀海進(jìn)的影響,出現(xiàn)溫暖而濕潤的氣候環(huán)境。上面所述的氣候特征,與粘土礦物組合、重礦物組合、化學(xué)分析和pH值等方面測定結(jié)果所反映的氣候特征相一致。因此,可以認(rèn)為丁村人是生活在溫暖而濕潤的暖溫帶南部和亞熱帶北部的氣候環(huán)境中。2.正作花粉組合丁村54—100地點(diǎn)5層的上部至6層,為灰黃色粉細(xì)砂層,這一層中未見到脊椎動物化石,推測年代為7—5萬年。據(jù)周昆叔對孢子花粉組合研究,丁村100地點(diǎn)中、上部是以草本植物為主,其中禾本科花粉占多數(shù),其他草本花粉甚少。反映出干燥而涼爽的草原型氣候特征。上述這些氣候特點(diǎn),都與丁5和丁6樣品中粘土礦物、重礦物、pH、化學(xué)分析的結(jié)果、反映出干燥而涼爽的草原型氣候相吻合。3.氣候變化層地質(zhì)剖面為丁村遺址丁家溝7701地點(diǎn)(圖2)。在丁家溝7701地點(diǎn)下部2—1層中,發(fā)現(xiàn)脊椎動物化石、石器和蚌化石。在此層中采集的碳粒標(biāo)本,經(jīng)古脊椎所C14實(shí)驗室測定,其年代為距今26400±800年。此層發(fā)現(xiàn)有馬、牛、羊、鹿、象、犀牛等動物化石,其中象和犀牛生活在溫暖而濕潤的氣候環(huán)境之中。本層中含有水生物厚美帶蚌化石,其現(xiàn)生種都分布在長江中、下游地區(qū)的湖泊之中,也是生活在溫暖而濕潤的氣候環(huán)境。這一時期,在我國喜馬拉雅山東段林芝盆地的湖相沉積物中發(fā)現(xiàn)喜熱的“鈀”野牛和古藤本植物化石,湖相沉積物孢子花粉為中國蕨、蒿子、水龍骨、云杉、櫟等。粘土礦物組合為伊利石、高嶺石、埃洛石,反映出比山西南部丁村遺址丁家溝下部沉積時期氣候更溫暖而濕潤。同一時期在我國東北北部顧?quán)l(xiāng)屯,孫建中劃分為中顧?quán)l(xiāng)屯晚間冰緣階的孢子花粉反映出為樺木、云杉等林帶,因緯度遠(yuǎn)在丁村之北。因此,氣候要比當(dāng)時丁村一帶寒冷得多。4.氣候變化的區(qū)域差異晚更新世晚期的時間大約15000—10000年之間。在丁村54—100地點(diǎn)地質(zhì)剖面(圖1)中,丁-8層為灰黃色粉砂土,一般稱為馬蘭黃土。此時正是華北平原地區(qū)最后一次海退高峰期。這一時期在世界范圍內(nèi),海水分別向南北極匯合,使兩極的冰蓋擴(kuò)大,引起全球性海面大幅度下降,對全球性氣候變化造成很大的影響。這一時期在我國形成了黃海和渤海大陸架,海水幾乎全部退出,使下遼河平原與渤海、黃海、華北平原及山東半島全部連成一片,成為陸地。日本列島與大陸之間形成陸橋,相互聯(lián)系。使華北和東北地區(qū)氣候繼續(xù)變得更加干燥而寒冷。這一氣候特征,與丁村遺址100地點(diǎn)丁—8樣品所測得的粘土礦物組合為伊利石—少量綠泥石—少量水云母所反映出干燥而寒冷的草原型氣候環(huán)境相吻合。綜上所述,從圖7中可以看出丁村一帶晚更新世氣候變化的特征。六、從丁村人生活時期看其氣候變遷的期a1.關(guān)于地層的劃分,王向前等根據(jù)丁村54-100地點(diǎn)、丁家溝76006、7701地點(diǎn)的脊椎動物化石、石器、人類化石和C14年代測定將丁村一帶晚更新世地層劃分為下上更新世()和上上更新世()(圖1、2)。王向前等把丁村54-100地點(diǎn)8層灰黃色粘砂土(馬蘭黃土)均劃為的下部。我們依據(jù)對粘土礦物組合的分析、氣候變化特征,認(rèn)為應(yīng)劃到上更新世晚期()為宜。3.在丁村人生活時期,我國南方和北方氣候有明顯的分帶性。例如在云南麗江和西藏林芝地區(qū),晚更新世都有“把”野牛在那里生活,當(dāng)時同現(xiàn)今云南的西雙版納、廣東的海南島相似的熱帶雨林、季雨林地區(qū)。而當(dāng)時丁村人是生活在暖溫帶至北亞熱帶的氣候環(huán)境之中。在我國東北的北部顧?quán)l(xiāng)屯,當(dāng)時是處于北溫帶的氣候環(huán)境。2.丁