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MIS5b以来西樵山主量地球化学元素记录的D/O旋回与古生物实证

牛东风 李保生 舒培仙 司月君 温小浩 朱丽东 王丰年 李志文

牛东风, 李保生, 舒培仙, 司月君, 温小浩, 朱丽东, 王丰年, 李志文. MIS5b以来西樵山主量地球化学元素记录的D/O旋回与古生物实证[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1166-1178. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001
引用本文: 牛东风, 李保生, 舒培仙, 司月君, 温小浩, 朱丽东, 王丰年, 李志文. MIS5b以来西樵山主量地球化学元素记录的D/O旋回与古生物实证[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1166-1178. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001
NIU DongFeng, LI BaoSheng, SHU PeiXian, SI YueJun, WEN XiaoHao, ZHU LiDong, WANG FengNian, LI ZhiWen. D⁃O Cycle Climate Changes Inferred from Main Geochemical Elements in the Xiqiaoshan of South China since MIS5b and Paleontological Evidence[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1166-1178. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001
Citation: NIU DongFeng, LI BaoSheng, SHU PeiXian, SI YueJun, WEN XiaoHao, ZHU LiDong, WANG FengNian, LI ZhiWen. D⁃O Cycle Climate Changes Inferred from Main Geochemical Elements in the Xiqiaoshan of South China since MIS5b and Paleontological Evidence[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1166-1178. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001

MIS5b以来西樵山主量地球化学元素记录的D/O旋回与古生物实证

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41471159, 41572345

广东省自然科学基金项目 2015A030310183

详细信息
    作者简介:

    牛东风,男,1978年出生,博士,高级实验师,第四纪地质,E⁃mail: 33845410@qq.com

    通讯作者:

    李保生,男,教授,E⁃mail: libsh@scnu.edu.cn

  • 中图分类号: P595 P532

D⁃O Cycle Climate Changes Inferred from Main Geochemical Elements in the Xiqiaoshan of South China since MIS5b and Paleontological Evidence

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41471159, 41572345

Natural Science Foundation of Guangdong Province 2015A030310183

  • 摘要: 位于中国南亚热带的西樵剖面主要是一套大约MIS5b以来形成的湖沼相。根据对该剖面759个主要元素氧化物SiO2、Al2O3和TOFE(Fe2O3+ FeO)含量分析结果并以Al2O3/SiO2比值作为考察“脱硅富铝”的气候代用指标,将西樵剖面MIS5b以来的主要元素波动划分出34.5个元素旋回“CY0—CY34”(其中CY0属于0.5个旋回),其平均变率—3.1 ka/旋回为千年尺度级别。通过对这些元素与气候的关系和古生物(孢粉和哺乳动物化石)指示的古生态的论证,认为气候旋回与这些元素旋回存在内在的因果关系,进而提出MIS5b以来该地曾发生过34.5个时期的寒冷与温暖即东亚冬季风与夏季风交替变化的千年尺度的气候旋回。研究表明,MIS5b以来这些旋回中的若干阶段与北半球高纬地区D/O事件存在很好的“遥相关”,即在时间—气候性质上的变化节奏基本一致。这是首次在中国的南亚热带发现的MIS5b以来高分辨率的元素/气候波动,其意义在于它展现了自那时以来一个比较完整的D/O气候旋回在东亚大陆更南部区域的存在。表明,这个时代东亚季风旋回的发生、发展和演化,除了北半球冰量变化幅度的影响外,西太平洋暖池(温度与消长幅度)亦对其产生过重要的影响,其中夏季风时期对低纬地区的影响更加强烈。
  • 图  1  本文涉及的西樵山及邻近地区地层剖面和动物化石地点的分布位置

    Figure  1.  Distribution of stratigraphic sections and animal fossil sites in the Xiqiao Mountain and adjacent areas

    图  2  西樵山及邻近地区MIS5以来的地层分布与划分

    Figure  2.  Stratigraphic distribution and division in the Xiqiao Mountain and adjacent areas since MIS5

    图  3  西樵剖面及花粉样品镜下照片

    (a)西樵山山麓分布的绛红—赤红色土与上覆的人工耕作土;(b)西樵剖面露头;(c)西樵剖面中的湖沼相(XQ17);(d)西樵剖面XQW19中的大戟科花粉;(e)西樵剖面XQW4中的木兰科花粉

    Figure  3.  Xiqiao section and the pollens's photos under microscope

    (a)Photo a Terra⁃cotta⁃colored soil and the overlying cultivated soil at the foot of Xiqiao mountain (b) Photo b Xiqiao section outcrop (c) Photo c The lacustrine facies⁃XQ17 in Xiqiao section (d) Photo d Pollen from Euphorbiaceae in XQW4 of the Xiqiao section (e) Photo e Pollen from Magonliaceae in XQW4 of the Xiqiao section

    图  4  西樵剖面及其层段划分与主量元素的分布

    Figure  4.  Stratigraphic divisions of the Xiqiao section and distribution of main elements

    图  5  西樵剖面SiO2分别与Al2O3、TOFE、Al2O3+TOFE含量和Al2O3/SiO2比值构成的散点图

    Figure  5.  Scatter diagram of SiO2 content in Xiqiao section vs. content of Al2O3, TOFE, Al2O3+TOFE, and Al2O3/SiO2 ratios

    图  6  西樵剖面Al2O3/SiO2比值分布与MIS5b以来气候旋回划分

    Figure  6.  Distribution of Al2O3/SiO2 ratio in the Xiqiao section and division of climate cycles since MIS5b

    图  7  西樵剖面相关层位的孢粉分析结果

    Figure  7.  Results of sporopollen analysis of relevant layers in the Xiqiao section

    表  1  西樵剖面OSL年代测定结果及其参数

    Table  1.   Results of OSL dating for the Xiqiao section and its parameters

    样品编号/所属层位 深度/cm U/(μg/g) Th/(μg/g) K/% Dy(Gy/ka) E.D(Gy) ka B.P.
    XQ OSL⁃2/XQ3 80 19.10 38.00 0.81 7.86±0.56 80.0±3.6 10.2±0.9
    XQ OSL⁃4/XQ14 230 26.40 45.50 0.27 7.82±0.50 185.1±19.2 23.7±2.9
    XQ OSL⁃6/XQ28 500 22.70 45.80 0.26 9.12±0.66 194.0±12.1 21.3±2.0
    XQD⁃1 顶部/XQ28 530 21.20 33.80 0.74 6.68±0.43 184.8±13.08 27.7±2.6
    XQD⁃2 顶部⁃1/XQ29 560 15.90 29.30 1.56 7.02±0.50 212.0±13.90 30.2±2.9
    XQD⁃3 顶部⁃1/XQ33 640 25.70 24.20 3.10 10.59±0.75 204.2±11.8 19.3±1.8
    ISL⁃LUM2016⁃138/XQ33 660 4.70 18.40 1.47 3.20±0.23 244.64±9.70 76.5±6.2
    ISL⁃LUM2016⁃133/XQ36 690 2.65 10.60 1.19 2.41±0.17 183.6±10.30 76.1±6.9
    ISL⁃LUM2016⁃135/XQ42 770 0.83 3.53 0.99 1.43±0.11 125.8±6.60 87.9±8.0
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    表  2  西樵剖面AMS⁃14C年代测试结果

    Table  2.   AMS⁃14C testing results for the Xiqiao section

    序号 样品标号 深度/cm 实验室 层位 测试年龄/ a B.P. 校正年龄/Cal. a B.P.
    1 XQ⁃1S⁃8 8 Beta实验室 XQ1 2 030±30 2 105~2 086
    2 XQ⁃1S⁃16 16 Beta实验室 XQ1 2 200±30 2 315~2 141
    3 XQ⁃1S⁃24 24 Beta实验室 XQ1 3 630±30 3 994~3 854
    4 XQ⁃2LS⁃11 43 Beta实验室 XQ2 40±30 84~31
    5 XQ⁃3LS⁃18 48 地球环境所 XQ2 5 295(中间概率) 6 175~6 000
    6 XQ⁃4FL⁃1 82 地球环境所 XQ3 6 110(中间概率) 7 150~6 910
    7 XQ⁃4FL⁃31 112 Beta实验室 XQ6 8 330±30 9 440~9 280
    8 XQ⁃5LS⁃3 142 Beta实验室 XQ8 8 690±30 9 703~9 548
    9 XQ⁃5LS⁃17 154 Beta实验室 XQ8 9 570±30 11 090~10 746
    10 XQ⁃5LS⁃31 168 Beta实验室 XQ9 10 720±30 12 730~12 627
    11 XQ⁃5LS⁃42 179 Beta实验室 XQ9 10 860±40 12 800~12 691
    12 XQ⁃6FL⁃5 186 Beta实验室 XQ10 11 080±40 13 062~12 816
    13 XQ⁃7LS⁃3 213 Beta实验室 XQ13 14 090±40 17 235~17 025
    14 XQ⁃8FL⁃42 275 Beta实验室 XQ17 11 930±40 13 850~13 571
    15 XQ⁃9FL⁃72 368 Beta实验室 XQ20 20 450±80 24 958~24 304
    16 XQD⁃1⁃1 514 Beta实验室 XQ28 22 630±80 27 185~26 740
    17 XQD8 820 Beta实验室 XQ43 >43 500
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    表  3  西樵剖面主元素在不同沉积相中的分布

    Table  3.   Distribution of main elements in different sedimentary facies

    沉积相(样品数) SiO2范围/平均值 Al2O3范围/平均值 TOFE范围/平均值 Al2O3/SiO2范围/平均值
    湖沼相(413) 42.09~77.18/64.25 16.49~27.54/23.11 1.10~15.30/4.85 0.22~0.56/0.37
    河流相(127) 66.84~96.48/83.23 4.52~12.97/7.88 0.40~3.20/0.94 0.05~0.18/0.10
    古土壤(97) 51.9~69.45/57.48 16.00~26.80/22.74 4.40~12.10/8.20 0.25~0.50/0.40
    泥炭(92) 53.18~78.29/66.30 16.85~26.44/20.84 0.90~10.40/3.71 0.21~0.45/0.32
    风成砂(22) 56.76~79.59/70.31 15.81~22.73/18.96 0.90~6.50/1.95 0.20~0.34/0.27
    棕黄色土(8) 58.85~64.16/61.85 14.65~20.50/17.34 2.00~5.30/3.90 0.24~0.33/0.28
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-03
  • 刊出日期:  2020-12-25

目录

    MIS5b以来西樵山主量地球化学元素记录的D/O旋回与古生物实证

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001
      基金项目:

      国家自然科学基金项目 41471159, 41572345

      广东省自然科学基金项目 2015A030310183

      作者简介:

      牛东风,男,1978年出生,博士,高级实验师,第四纪地质,E⁃mail: 33845410@qq.com

      通讯作者: 李保生,男,教授,E⁃mail: libsh@scnu.edu.cn
    • 中图分类号: P595 P532

    摘要: 位于中国南亚热带的西樵剖面主要是一套大约MIS5b以来形成的湖沼相。根据对该剖面759个主要元素氧化物SiO2、Al2O3和TOFE(Fe2O3+ FeO)含量分析结果并以Al2O3/SiO2比值作为考察“脱硅富铝”的气候代用指标,将西樵剖面MIS5b以来的主要元素波动划分出34.5个元素旋回“CY0—CY34”(其中CY0属于0.5个旋回),其平均变率—3.1 ka/旋回为千年尺度级别。通过对这些元素与气候的关系和古生物(孢粉和哺乳动物化石)指示的古生态的论证,认为气候旋回与这些元素旋回存在内在的因果关系,进而提出MIS5b以来该地曾发生过34.5个时期的寒冷与温暖即东亚冬季风与夏季风交替变化的千年尺度的气候旋回。研究表明,MIS5b以来这些旋回中的若干阶段与北半球高纬地区D/O事件存在很好的“遥相关”,即在时间—气候性质上的变化节奏基本一致。这是首次在中国的南亚热带发现的MIS5b以来高分辨率的元素/气候波动,其意义在于它展现了自那时以来一个比较完整的D/O气候旋回在东亚大陆更南部区域的存在。表明,这个时代东亚季风旋回的发生、发展和演化,除了北半球冰量变化幅度的影响外,西太平洋暖池(温度与消长幅度)亦对其产生过重要的影响,其中夏季风时期对低纬地区的影响更加强烈。

    English Abstract

    牛东风, 李保生, 舒培仙, 司月君, 温小浩, 朱丽东, 王丰年, 李志文. MIS5b以来西樵山主量地球化学元素记录的D/O旋回与古生物实证[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1166-1178. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001
    引用本文: 牛东风, 李保生, 舒培仙, 司月君, 温小浩, 朱丽东, 王丰年, 李志文. MIS5b以来西樵山主量地球化学元素记录的D/O旋回与古生物实证[J]. 沉积学报, 2020, 38(6): 1166-1178. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001
    NIU DongFeng, LI BaoSheng, SHU PeiXian, SI YueJun, WEN XiaoHao, ZHU LiDong, WANG FengNian, LI ZhiWen. D⁃O Cycle Climate Changes Inferred from Main Geochemical Elements in the Xiqiaoshan of South China since MIS5b and Paleontological Evidence[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1166-1178. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001
    Citation: NIU DongFeng, LI BaoSheng, SHU PeiXian, SI YueJun, WEN XiaoHao, ZHU LiDong, WANG FengNian, LI ZhiWen. D⁃O Cycle Climate Changes Inferred from Main Geochemical Elements in the Xiqiaoshan of South China since MIS5b and Paleontological Evidence[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(6): 1166-1178. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2020.001
    • 近年来,对GRIP冰芯中MIS5以来D/O旋回—千年尺度的冰阶间冰阶[13]及其与南极冰芯氧同位素波动的对比[4]以及D/O旋回在亚洲季风区域的表现[5]的研究取得了一些新的进展。这些研究表明,自那时以来GRIP冰芯的D/O气候波动模式[68]似乎具有全球意义。然而,这种千年尺度的气候波动是否也影响到中国低纬区域特别是南亚热带,迄今研究不多。作者通过对中国南亚热带南部西樵剖面及邻近地区的相关地层考察和研究,认为该剖面记录了大约MIS5b以来以湖相为主的一套地层。根据对其主要元素氧化物SiO2、Al2O3和TOFE(Fe2O3+FeO)(以下简称“主元素”)含量分析结果,发现这些元素含量显示有规律的千年尺度波动,其揭示的冷暖变化基本上与GRIP的D/O旋回等在时间—气候性质上的变化节奏一致。而西樵剖面的一些孢粉以及邻近地区哺乳动物化石指示的古生态也支持这一看法。这是首次在中国南亚热带发现的MIS5b以来高分辨率的元素/气候波动,为丰富过去全球变化与中国低纬度区域的环境响应特别是D/O旋回在亚洲季风区域的表现提出了一个新的认识材料。

      • 西樵剖面(22°56′15″ N,112°57′16″ E)位于中国广东省佛山市西樵镇,剖面顶部海拔15 m。地处南亚热带的南部边缘,该地受东亚季风特别是南海夏季风影响显著,年平均气温与降水分别是22.4 ℃和1 600 mm。全年主要降水出现在49月,平均降水量是1 305.9 mm,占全年总量的79%;10月至次年3月主要受大陆冬季风影响,平均降雨量仅335.5 mm,占全年降水量的21%。西樵镇周边河网密布,在西樵山山麓周围分布着冲洪积扇,且连接开阔的珠江三角洲冲积平原。本文涉及的西樵剖面位于西樵山西麓与西江之间的和缓的山前平原(图1)之下0~10 m的位置。该地地表及其以下0~50 cm,相当于西樵剖面之顶部XQ1层位,为晚近数千年以来形成的一套绛红—赤红色土以及叠加其上的人工耕作土(图3a),含较多人类活动遗迹(破碎的瓦块、砖块、陶罐与人工打制的石器)。

        西樵邻近地区指的是西江和珠江及其以北的广东省境内区域。在中国土壤区划上,这一区域属于红壤、赤红壤分布范围,并有一定面积的水稻土与部分黄壤和石灰土(图1[9]。根据调查并参考年代测试结果,MIS5以来的棕黄色土即所谓黄壤和红土在区域上广泛分布(图2剖面1⁃6,分布位置见图1)。在层位上,前者与后者上下叠覆,两者之间界面的年代与通常认为的MIS4/MIS5即末次冰期/末次间冰期的时间界限73 ka B.P.相近(图2剖面3⁃6)。

        西樵剖面厚约9.6 m,其中地表露头5.26 m(图3b),自此之下开挖剖面4.40 m。该剖面属上更新统—全新统,按岩性和沉积相可以划分为44个层序:30层湖沼相、4层泥炭、2层河流相、3层风成砂、2层棕黄色土和3层古土壤。大多数湖沼相属于灰白—青灰色黏土—粉砂,少数层位(XQ15、XQ18、XQ20和XQ25)颗粒稍粗,为粉砂质极细砂。这些层位中植物根系较为常见且常常发育有锈黄色斑点(图3c)。4个层位的泥炭—XQ2和XQ44,灰黑色砂质泥炭;XQ14、XQ30灰黑色粉砂质泥炭。风成砂(XQ29、XQ34、XQ36)和棕黄色土(XQ38和XQ40)属于棕黄色砂土堆积,分选比较均匀,前者系粉砂质极细砂,后者系黏土质粉砂。由于后者与中国北方黄土的特征极为类似,也将其作为风成堆积来处理。3层古土壤XQ1、XQ28和XQ41,前者为前已述及的晚近数千年以来形成的绛红—赤红色土以及叠加其上的人工耕作土;后两者属于网纹红土,主要系红色的黏土和亚黏土或黏土质粉砂,在剖面形态上系具有白或灰白色的带有指状、管状或虫状的土壤,其中的部分黏土呈现黄色,形成白色与黄色网纹相间、夹杂于红色土层中。其中的XQ28风化程度很深,呈现显著的高岭土化作用。2层河流相—XQ42和XQ43分别为棕红色细砂和灰白色中—细砂,松散。由于这两层河流相出现在剖面底部的泥炭层之上和以湖沼相为主的层系之下,推测西樵剖面主要是河流相(XQ42和XQ43)之后形成的牛轭湖类型的湖沼相沉积。

        总的来看,西樵山及邻近地区主要显示为MIS5以来气下形成的土壤,而西樵剖面则是一个例外,其中多层位的湖沼相或许能够更加真实地记录过去的气候环境变化。

        图  1  本文涉及的西樵山及邻近地区地层剖面和动物化石地点的分布位置

        Figure 1.  Distribution of stratigraphic sections and animal fossil sites in the Xiqiao Mountain and adjacent areas

        图  2  西樵山及邻近地区MIS5以来的地层分布与划分

        Figure 2.  Stratigraphic distribution and division in the Xiqiao Mountain and adjacent areas since MIS5

        图  3  西樵剖面及花粉样品镜下照片

        Figure 3.  Xiqiao section and the pollens's photos under microscope

      • 对西樵剖面总共测试了26个年龄:9个OSL和17个AMS⁃14C年代结果。OSL年代测试材料为<10 µm的石英细粒,由中国科学院青海盐湖所OSL年代实验室测定,测试仪器Ris Ø TL⁃DA⁃20,测试的年代参数和结果见表1;AMS⁃14C测试材料系地层中的有机质,由美国Beta实验室和中国科学院地球环境研究所14C年代实验室完成,结果见表2

        表1表2中这些年龄,基本上反映出西樵剖面沉积物上新下老的趋势(图4),符合“地层层序律”原则。其中,也有一些年代结果出现倒置:XQ2、XQ28和XQ33的年龄则较其上覆地层的年龄要新,XQ44(>43 500 a)则超出14C年代的测试范围;而XQ14的年龄都较其下伏地层的年龄要老。其原因比较复杂,其中的14C年代,可能受到碳库效应的影响(流域内老碳、湖水自身的化学性质等),也包括碳库对大气中CO2汇集的不稳定因素,还有是否还存在样品的污染等尚不清楚。至于OSL年代,也许与堆积之前的信号晒退不彻底以及样品所在层位的含水量的影响有关。尽管如此,考虑到上述年代结果的总的趋势,可以认为这一剖面大多数年代结果是可信的。因此,在下文不再使用这些倒置的年代。

        表 1  西樵剖面OSL年代测定结果及其参数

        Table 1.  Results of OSL dating for the Xiqiao section and its parameters

        样品编号/所属层位 深度/cm U/(μg/g) Th/(μg/g) K/% Dy(Gy/ka) E.D(Gy) ka B.P.
        XQ OSL⁃2/XQ3 80 19.10 38.00 0.81 7.86±0.56 80.0±3.6 10.2±0.9
        XQ OSL⁃4/XQ14 230 26.40 45.50 0.27 7.82±0.50 185.1±19.2 23.7±2.9
        XQ OSL⁃6/XQ28 500 22.70 45.80 0.26 9.12±0.66 194.0±12.1 21.3±2.0
        XQD⁃1 顶部/XQ28 530 21.20 33.80 0.74 6.68±0.43 184.8±13.08 27.7±2.6
        XQD⁃2 顶部⁃1/XQ29 560 15.90 29.30 1.56 7.02±0.50 212.0±13.90 30.2±2.9
        XQD⁃3 顶部⁃1/XQ33 640 25.70 24.20 3.10 10.59±0.75 204.2±11.8 19.3±1.8
        ISL⁃LUM2016⁃138/XQ33 660 4.70 18.40 1.47 3.20±0.23 244.64±9.70 76.5±6.2
        ISL⁃LUM2016⁃133/XQ36 690 2.65 10.60 1.19 2.41±0.17 183.6±10.30 76.1±6.9
        ISL⁃LUM2016⁃135/XQ42 770 0.83 3.53 0.99 1.43±0.11 125.8±6.60 87.9±8.0

        表 2  西樵剖面AMS⁃14C年代测试结果

        Table 2.  AMS⁃14C testing results for the Xiqiao section

        序号 样品标号 深度/cm 实验室 层位 测试年龄/ a B.P. 校正年龄/Cal. a B.P.
        1 XQ⁃1S⁃8 8 Beta实验室 XQ1 2 030±30 2 105~2 086
        2 XQ⁃1S⁃16 16 Beta实验室 XQ1 2 200±30 2 315~2 141
        3 XQ⁃1S⁃24 24 Beta实验室 XQ1 3 630±30 3 994~3 854
        4 XQ⁃2LS⁃11 43 Beta实验室 XQ2 40±30 84~31
        5 XQ⁃3LS⁃18 48 地球环境所 XQ2 5 295(中间概率) 6 175~6 000
        6 XQ⁃4FL⁃1 82 地球环境所 XQ3 6 110(中间概率) 7 150~6 910
        7 XQ⁃4FL⁃31 112 Beta实验室 XQ6 8 330±30 9 440~9 280
        8 XQ⁃5LS⁃3 142 Beta实验室 XQ8 8 690±30 9 703~9 548
        9 XQ⁃5LS⁃17 154 Beta实验室 XQ8 9 570±30 11 090~10 746
        10 XQ⁃5LS⁃31 168 Beta实验室 XQ9 10 720±30 12 730~12 627
        11 XQ⁃5LS⁃42 179 Beta实验室 XQ9 10 860±40 12 800~12 691
        12 XQ⁃6FL⁃5 186 Beta实验室 XQ10 11 080±40 13 062~12 816
        13 XQ⁃7LS⁃3 213 Beta实验室 XQ13 14 090±40 17 235~17 025
        14 XQ⁃8FL⁃42 275 Beta实验室 XQ17 11 930±40 13 850~13 571
        15 XQ⁃9FL⁃72 368 Beta实验室 XQ20 20 450±80 24 958~24 304
        16 XQD⁃1⁃1 514 Beta实验室 XQ28 22 630±80 27 185~26 740
        17 XQD8 820 Beta实验室 XQ43 >43 500

        另外,XQ36的年龄(76 100±6 900 a)较其上的XQ33的年龄(76 500±6 200 a)稍微年轻,似乎也存在所谓“倒置”,由于其仍在OSL的年龄误差范围,因而不视此为倒置的年代;XQ31与附近的富贤剖面“FX4”(图2剖面2)的岩性相似,都是红色的亚黏土且都具有轻微的高岭土化作用,故作为相同时代的地层来处理。张家富等[10]测得FX4/FX5界面的年龄为(48 700±6 000) a(其年龄参数:U(μg/m3)=7.40,Th(μg/m3)=21.60,K(%)=0.50,m·Gy=3.22±0.11,Gy=156.70±18.60)。据此将这一年龄置在XQ31之底部(图4)。

        图  4  西樵剖面及其层段划分与主量元素的分布

        Figure 4.  Stratigraphic divisions of the Xiqiao section and distribution of main elements

      • 主要依据年代结果并参照GRIP MIS1⁃5的时间界限[67],对西樵剖面自MIS5b以来的地层相应地划分为XQS5b、XQS5a、XQS4—XQS1层段(图4)。现将各个层段的时间界限阐述如下:

        XQS5a/XQS5b(MIS5a/MIS5b)的时间界限。西樵剖面XQ42顶部深度为770 cm的(87.9±8.0) ka的结果表明,这两个层段界面—XQ41/XQ42的时间界限大致相当于GRIP的MIS5a/5b的时间界限87 ka B.P.[8]。这一年龄层位之下还有大约200 cm的河流相和泥炭XQ42~44,我们将这部分地层置在MIS5b。

        XQS5/XQS4(MIS5a/MIS5b)。从西樵、临江、潭头桥和蕉岭4个剖面(分别见图2的剖面1和剖面3~5)上接近于棕黄色土/红土界面的7个释光年代的平均值73.60 ka结果来看,该界面与通常认为的MIS4/MIS5的时间界限基本一致。西樵剖面这一界面(XQS5/XQS4)位于718 cm深度的XQ40/XQ41,尽管其上有(76.5±6.2) ka(深度为660 cm)和(76.1±6.9) ka(深度为690 cm)的年龄,但这一界面上下的岩性和沉积相与邻近地区者颇为一致,因此我们认为XQS5/XQS4的年代与MIS4/MIS5的时间界限一致。

        XQS3/XQS4(MIS3/MIS4)。大致在深度为679 cm的XQ33/XQ34界面。这一界面之上约40 cm的位置即XQ31之底部的年龄是上述通过对比获得的(48 700±6 000) a。按其正误差来算接近于MIS3/MIS4的时间界限—57 ka,故推测XQS3/XQS4界面的时间相当于57 ka。另外,这一划分还考虑到与GRIP气候地层的对比关系,将在后面详述。

        XQS2/XQS3(MIS2/MIS3)。深度为382 cm的XQ 20/XQ21界面。XQ20的年代为24 958~24 304 a,接近于MIS2/MIS3的23 ka的时间界限。

        XQS1/XQS2(MIS1/MIS2)。深度为152 cm的XQ 8/XQ9界面。XQ8下限的年龄系11 090~10 746 a,其下的XQ9为12 730~12 627 a,故可将XQ8/XQ9界面的时间界限视为MIS1/MIS2的界限,即新仙女木事件终结的距今11.6 ka[8]

      • 对西樵剖面XQ44以上的深度为0~878 cm的层位XQ1~43测试了759个化学元素样品(平均大约样品/1.2 cm)。测试仪器采用荷兰帕纳科公司生产的偏振能量色散X⁃射线荧光光谱仪(型号:Epsilon 5)。样品及制备过程:先将样品低温(<40 ℃)烘干,过2 mm筛去除杂物,使用振动磨样机研磨90 s,过200目(<74 μm)筛,然后取6.0 g样品以硼酸镶边垫底,在30 T压力下保压时间30 s,最后压制为直径3.2 cm圆饼进行测试。校正曲线使用27个国家土壤成分(GSS2⁃GSS28)、6个水系沉积物成分(GSD2a、GSD7a、GSD9⁃GSD12)和6个岩石成分(GSR1⁃GSR6)分析的标准物质。实验过程中加入GSS17标准样品进行控制,实验误差±5%,仪器检测限为1 μg/g。

      • 由于测试的主量元素以SiO2、Al2O3和TOFE(Fe2O3+FeO)含量为主,其他元素含量甚微,故本文只讨论西樵剖面这几种元素和铝硅率Al2O3/SiO2(摩尔比)的分布及其相关问题。

      • 在西樵剖面上,SiO2、Al2O3、TOFE和Al2O3/SiO2的分布范围分别为42.09%~96.48%、4.52%~27.54%、0.40%~15.30%和0.05~0.56,平均值分别为66.90%、20.10%、4.41%和0.32。从绘制的该剖面元素散点图(图5)上可以明显地看出,SiO2与Al2O3、TOFE和Al2O3+TOFE在含量上以及与Al2O3/SiO2比值上存在着显著负相关,其相关系数R 2≥0.7。

      • 表3列出了西樵剖面主元素在6种沉积相中的分布。可以看出,该表中的前四类沉积相分布范围较大,后两类—风成砂和棕黄色土分布范围较小。这可能表明,气下的风成沉积物质更为均匀。从平均值来看,由高到低,SiO2含量的排序为河流相—风成砂—泥炭—湖沼相—棕黄色土—古土壤;而Al2O3、TOFE和Al2O3/SiO2含量/比值基本上呈现为与之相反的变化次序。总的看来,无论哪一种沉积相,SiO2与Al2O3图5a)、TOFE(图5b)、Al2O3+TOFE(图5c)含量和与Al2O3/SiO2图5d)比值上的负相关都很明显,暗示在元素的迁移—聚集过程中,前者与后几者之间存在的互为消长的关系。

        图  5  西樵剖面SiO2分别与Al2O3、TOFE、Al2O3+TOFE含量和Al2O3/SiO2比值构成的散点图

        Figure 5.  Scatter diagram of SiO2 content in Xiqiao section vs. content of Al2O3, TOFE, Al2O3+TOFE, and Al2O3/SiO2 ratios

        表 3  西樵剖面主元素在不同沉积相中的分布

        Table 3.  Distribution of main elements in different sedimentary facies

        沉积相(样品数) SiO2范围/平均值 Al2O3范围/平均值 TOFE范围/平均值 Al2O3/SiO2范围/平均值
        湖沼相(413) 42.09~77.18/64.25 16.49~27.54/23.11 1.10~15.30/4.85 0.22~0.56/0.37
        河流相(127) 66.84~96.48/83.23 4.52~12.97/7.88 0.40~3.20/0.94 0.05~0.18/0.10
        古土壤(97) 51.9~69.45/57.48 16.00~26.80/22.74 4.40~12.10/8.20 0.25~0.50/0.40
        泥炭(92) 53.18~78.29/66.30 16.85~26.44/20.84 0.90~10.40/3.71 0.21~0.45/0.32
        风成砂(22) 56.76~79.59/70.31 15.81~22.73/18.96 0.90~6.50/1.95 0.20~0.34/0.27
        棕黄色土(8) 58.85~64.16/61.85 14.65~20.50/17.34 2.00~5.30/3.90 0.24~0.33/0.28

        如果将西樵剖面Al2O3/SiO2比值与之以北区域的沉积和土壤中的这一比值进行比较,不难发现该剖面所具有的较高的富铝化程度。例如:中国北方萨拉乌苏河流域(37°10'~37°59' N,108°10'~108°58' E)MIS1~5湖沼相99个样品中Al2O3/SiO2比值范围/平均值为(0.07~0.17)/0.12[11];位于中亚热带的现代红土[1213] 12个样品Al2O3/SiO2比值范围/平均值(0.06~0.13)/0.10。由表3可以看出,西樵剖面除河流相外,Al2O3/SiO2比值无论在范围还是平均值上都显著地大于这两个地点的这一指标,表明西樵山地区自XQS5b(MIS5b)—河流相沉积之后、MIS5a以来区域背景上可能存在的明显的脱硅富铝作用。

      • 图4可见,西樵剖面SiO2、Al2O3和TOFE在含量上呈现出显著的波动。其规律表现为,SiO2与Al2O3的负相关变化—低含量的SiO2与高含量的Al2O3和高含量的SiO2与低含量的Al2O3构成的峰谷变化旋回在剖面上反复交替出现;TOFE含量与Al2O3的变化节奏基本一致。据此,将西樵剖面MIS5b以来划分为34.5个元素变化旋回,以CY0~CY34显示在图4,其中,CY0为0.5个旋回。

      • 按西樵剖面XQ43底部为MIS5b开始的大约94 ka B.P.年龄起算,自那时以来的元素旋回的平均变率为3.1 ka/旋回。显然,该剖面记录的CY0~CY34属于千年尺度的元素旋回。下面要讨论的是,这些是否是由于气候变化导致的旋回?从目前的分析来看,似乎气候旋回与这些元素旋回存在明显的因果关系。

      • 若将西樵剖面Al2O3/SiO2比值(图6)作为考虑区域上脱硅富铝的程度并进而探讨其时的环境及其变化,有可能获得气候旋回与元素旋回之间存在的联系。此前的研究认为,在中国的南亚热带温暖时期,湿热气候盛行、脱硅富铝作用显著,导致Al2O3得以富集;反之在寒冷时期,湿热气候减弱并导致SiO2相对富集[14]。可以认为,在温暖时期,该地东亚夏季风盛行,有利于西樵及邻近地区地表脱硅富铝与流水剥蚀交互进行。其结果,Al2O3得以在堆积区富集,导致剖面中Al2O3/SiO2比值变大。反之在寒冷时期,该地东亚冬季风盛行,剖面中Al2O3/SiO2比值减小。由于西樵剖面大部分湖相属于黏土—粉砂粒级,表明它们被搬运的形式主要表现为携带悬浮物质的坡面水流,其动力对象极为可能与区域上脱硅富铝的风化壳的物质一致(或许主要是四周涓涓水流将正地形地表的风化壳的物质带入)。从这个意义上来说,将西樵剖面的元素旋回看作气候旋回的产物是可信的。这样一来,CY0~CY34可以视为MIS5b以来该地曾发生过34.5个时期的寒冷与温暖交替变化的气候旋回。从Al2O3/SiO2比值来看,这些旋回的变化幅度一般较小,其原因将在下文中阐述。

        图  6  西樵剖面Al2O3/SiO2比值分布与MIS5b以来气候旋回划分

        Figure 6.  Distribution of Al2O3/SiO2 ratio in the Xiqiao section and division of climate cycles since MIS5b

      • 根据以上讨论,可以将每一个Al2O3/SiO2旋回中的峰谷分别看作夏季风“暖峰”和冬季风“冷谷”的象征,并将CY0~CY34中各个暖峰和冷谷分别以XW1~XW34和XC0~XC34表示(图6)。

        有意义的是,经过对比发现这些暖峰和冷谷与北半球高纬地区Bond寒冷期、北欧和GRIP的D/O事件似乎在时间—气候性质上存在有趣的耦合?如果的确如此,则能够从气候地层学的角度上说明所述这些“暖峰”和“冷谷”的说法是成立的。现根据图6阐述如下:

        (1) XQS1与Bond事件。XQS1中CY0~CY9.5的10个冷谷“XC0~XC9”,除XC5冷谷可与广泛出现在中国[1517]和世界其他地点,后者如南极、阿拉伯海等地[18]的6 200 a B.P.的寒冷事件对比外,余皆可以依次与Bond寒冷事件[19]B0~B9对比。

        (2) XQS2与晚冰期事件。XQS2中晚冰期系列—XC10、XW11、XC11、XW12和XC12由新到老依次可与北欧的Younger Dryas寒冷期、Bolling温暖期、Old Dryas寒冷期、Allerod温暖期和Oldest Dryas寒冷期[20]对比。

        (3) XQS2~XQ4与GRIP的MIS2~MIS4中的间冰阶。XQS2~XQS4中含19个暖峰XW13~XW31,依次可与GRIP的MIS2~MIS4中19个间冰阶“IS1~IS19”进行对比(图6)。只是XW20~XW28变化幅度较小,但在图6中放大之后其暖峰与之间冷谷的波动却颇为清晰。XQS2~XQS4中有6个冷谷可以与H1~6事件[21]进行对比,依次是XC13、XC14、XC15、XC20、XC26和XC31。顺便指出,前述中之所以将XQS3/XQS4置在XQ33/XQ34界面,主要考虑到该界面恰处于分别与IS17和IS18相当的XW29和XW30之间,而前两者的时间界限差不多相当于MIS3与MIS4的时间节点,大约57 ka B.P。

        (4) XQS5a和XQS5b含3个暖峰XW32~XW34,依次可与GRIP中MIS5a和MIS5b中IS20~IS22进行对比。

        由此可见,西樵剖面的元素波动与北半球高纬地区的D/O式气候旋回存在的明显的“遥相关”,表明在气候地层学上也支持气候旋回与元素旋回存在的因果关系;自MIS5b以来发生西樵山地区千年尺度的元素旋回是相同时间尺度的气候旋回导致的产物。

      • 相关的哺乳动物和孢粉化石指示的生态学证据也许能够更为直接地说明西樵剖面气候与元素旋回之间的关系。

        (1) 哺乳动物化石。西樵山邻近地区有两处哺乳动物化石出土地点—碧寿洞和罗沙岩,其时代与西樵剖面XQ41—网纹红土的时代MIS5a相当。

        碧寿洞化石点位于西樵剖面NE约240 km的粤东北地区(位置见图1),24°04′10′′ N,114°59′32′′ E,化石层位见图2剖面6中的“BS2”。经过对该层位两次发掘,鉴定出哺乳动物化石6目21个属种[2223]。这一动物群总体上具有东洋界动物区系特征,是典型的中国南方大熊猫—剑齿象动物群。根据含化石层位底部OSL年代(88 800±4 000) a(图2剖面6),将其归属于MIS5a。该动物群中发现的长臂猿(Hylobates sp.)、中国犀(Rhinoceros sinensis)、华南巨獏(Megata⁃ pirus cf. angustus)和亚洲象(Elephas sp.),显示当时该地属热带气候环境。现生的长臂猿生活于东南亚和中国25°10′ N以南的云南中部、南部和西南部以及海南岛等热带气候区域[24];现生的亚洲象的主要分布范围为东南亚、南亚和中国云南西部的热带地区;中国犀和华南巨獏虽属于绝灭种,然而与之相似的现生的犀和獏分布于东南亚的热带地区[2526]

        罗沙岩化石点位于西樵山西北约150 km的西江流域的封开罗沙岩洞,23°31′ N,111°47′ E。该地出土大量化石层位的230Th的年代为79 000±1 500 a,含哺乳动物化石8目44个属种,亦属于具有东洋界动物区系特征的大熊猫—剑齿象动物群[27]。该动物群同样含有热带动物成员—华南巨獏、犀(Rhinoceros sp.)和中国犀。

        上述的动物群中出现的热带成员,为说明MIS5a时西樵剖面温暖期—XW32和XW33提供了重要的生态学证据。当然,在这两个温暖期之间也存在XC32的气候波动,这也许是这两个地点都存在适应暖湿偏凉气候的华南豪猪(Hystrix subcristata Swinboe,1870)和大熊猫洞穴亚种(Ailuropoda melanoleuca fovealis Ma. et Gra.,1923)化石的原因,尽管两者都属于东洋界物种。

        (2) 孢粉。对西樵剖面进行了13个样品—Xp1~13的孢粉分析,采自剖面9、43、130、171、204、320、523、555、586、626、690、748和788cm深度(图4),依次属于XC0、XW4、XW9、XC10、XW11、XC13、XW18、XC18、XW19、XC25、XC30、XC33和XC34(图5)。其中,XC13和XC30即X6和X11号样品的孢粉缺失。从11个样品的孢粉结果来看(图7),具有明显喜于温暖环境的在现今中国主要生活在热带亚热带的植物—大戟科Euphorbiaceae(图3d)、木兰科Magnoliac⁃ eae(图3e)、无患子科Sapindaceae、冬青科Aquifolia⁃ ceae和胡颓子科Elaeagnaceae花粉可见于上述5个暖峰—XW4、XW9、XW11、XW18和XW19以及1个冷谷—XC18所在的层位;其余5个冷谷层位—XC0、XC10、XC25、XC33和XC34皆为缺失,则以三缝孢子、单缝孢子、真菌类或十字花科Cruciferae花粉为特征。然而,花粉指示的温暖环境也存在悖论之处,表现在冬青科既出现在XW11暖峰、又出现在XC18的显著的冷谷。由于现今的冬青科在中国最北可以分布到秦岭的南坡—亚热带的北缘,故这类花粉在说明西樵山地区的气候时尚存在很大的不确定性。尽管如此,孢粉的上述分布在总体上也支持上述气候旋回与元素旋回的因果关系。

        图  7  西樵剖面相关层位的孢粉分析结果

        Figure 7.  Results of sporopollen analysis of relevant layers in the Xiqiao section

      • 主要有两个方面的问题。一是XQS3与XQS4的时间界限以及XQS5b下限的年代,都缺乏直接的测年数据,有待于今后获得进一步的测试结果;二是本文划分的数十次冷暖旋回,仍然需要更多的气候指标加以佐证。

        这是首次在中国南亚热带发现的MIS5b以来具有千年尺度波动的高分辨率、且可以较好地与北半球高纬地区D/O事件进行对比的元素旋回。通过对脱硅富铝的地球化学指标Al2O3/SiO2和古生物指示的古生态的论证,基本上确定了气候旋回与元素旋回之间存在的因果关系。由此参考已有的成果可以清楚地说明,自MIS5b以来特别是94~10 ka B.P.地处低纬的西樵山与中国中纬黄土—中低纬洞穴石笋地区一样[2830],都强烈的受到东亚季风环境的波动影响,并与北半球高纬地区在千年尺度的气候变率上存在较大程度地耦合。有意思的是,在更低纬度的“西太平洋暖池”范围的南海南部—岛礁群外侧9°59.54′ N,112°45.19′ E的NS⁃93⁃5岩芯(553 cm,位于海面之下1 792 m)氧同位素记录:“格陵兰冰芯记录的D/O暖事件1~21和Heinrich事件H1—H6均可在南海南部找到对应特征”[31]。该地IS1—IS21诸δ 18O峰态变化于-2‰~-4‰,而位于南海北部的17940地点—20°07.00′ N,117°23.00′ E的岩芯δ 18O曲线中,IS1~IS10的诸峰态变化于-1.5‰~-2.5‰[32],即使在相当于H1~H5和YD的δ 18O值仅是在-1‰~-2‰之间变动。这两者在δ 18O数值上的接近,似乎揭示西太平洋暖池对南海北部的显著效应。西樵山与17940地点有大约3个纬度之距,地处西太平洋暖池对中国大陆影响的前锋地带。也许正是因为如此,使得剖面中记录的脱硅富铝作用显著,从而导致Al2O3/SiO2比值普遍相对于上述的纬度偏北的区域较大、气候旋回变化的幅度则普遍较小,这不能不说是诸旋回寒冷期受到西太平洋暖池的抑制所致。当然,XQS5b时期是个例外,其Al2O3/SiO2显著的低值可能记录了轨道驱动导致的后果。

        基于对上述问题的理解,我们认为,MIS5b以来千年尺度的气候变化至少是北半球普遍发生的系列事件。西樵剖面的意义在于其展现了自那时以来一个比较完整的D/O气候旋回在东亚大陆更南部区域的存在。也将可能昭示,这个时代东亚季风旋回的发生、发展和演化,除了考虑到北半球冰量变化幅度(包括极地—北大西洋海冰、欧亚大陆冰盖范围和北极锋锋面移动)的影响外,西太平洋暖池(温度与消长幅度)亦对其产生过重大的影响,其中夏季风时期对低纬地区的效应更加强烈。

      • (1) MIS5b以来的西樵剖面主要元素波动可以划分出34.5个元素旋回“CY0~CY34”(其中CY0属于0.5个旋回),其平均变率—3.1 ka/旋回为千年尺度级别。

        (2) 元素Al2O3/SiO2与气候的关系和古生物(孢粉和哺乳动物化石)指示的古生态表明,气候旋回与元素旋回存在因果关系,MIS5b以来西樵山及邻近地区曾发生过34.5个时期的寒冷与温暖即东亚冬季风与夏季风交替变化的千年尺度的气候旋回。

        (3) 西樵剖面元素旋回揭示的MIS5b以来的上述那些“季风旋回”中的若干阶段与北半球高纬、我国中纬,乃至受到西太平洋暖池强烈影响的南沙群岛附近的南中国海地区D/O事件存在很好的相关,即在时间—气候性质上的变化节奏基本一致。

        (4) 这是首次在中国的南亚热带发现的MIS5b以来高分辨率的元素/气候波动,展现出自那时以来一个比较完整的D/O气候旋回在东亚大陆更南部区域的存在。可能表明,这个时代东亚季风旋回的发生、发展和演化,除了受到北半球冰量变化幅度的影响外,西太平洋暖池(温度与消长幅度)亦对其产生过重大影响,其中夏季风时期对低纬地区的效应更加强烈。

    参考文献 (32)

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