辽宁朝阳凤凰山古土壤序列粒度特征与古气候变化
高 校 地 质 学 报
Geological Journal of China Universities
2009 年 12 月，第 15 卷，第 4 期，563-568页December 2009，Vol. 15， No.4， p. 563-568辽宁朝阳凤凰山古土壤序列粒度特征与古气候变化
陈 辉，王秋兵，韩春兰
（沈阳农业大学 土地与环境学院，沈阳 110161）
摘要：通过对朝阳凤凰山剖面风成古土壤序列进行2 cm 间距的高密度连续采样，测量样品的粒度百分含量，分析不同粒度组分的古气候意义，选择了粗粒组分、超细粒组分和细粒组分的百分含量分别作为研究区冬、夏季风和西风强度变化的替代性指标，分析了71~453 ka BP 间该剖面记载的冬、夏季风和西风的演化和古气候变迁。结果表明：71~453 ka BP 辽宁地区冬、夏季风和西风变化较同步，其中夏季风和西风的变化趋势较一致，明显存在着4个增强阶段和4个减弱阶段，与深海氧同位素曲线的MIS5~MIS12这8个阶段相对应。冬季风的变化趋势与夏季风和西风的变化趋势相反。该时期辽宁地区的古气候变化可以划分为8个阶段：其中71~148 ka BP, 176~208 ka BP, 225~243 ka BP 和311~403 ka BP 阶段为温暖湿润气候； 148~176 ka BP, 208~225 ka BP, 243~311 ka BP 和403~423 ka BP 阶段为较寒冷干燥气候。关键词：朝阳凤凰山剖面；古土壤；粒度；古气候；辽宁西部
中图分类号：P532 文献标识码：A 文章编号：1006 -7493（2009）- 04 -0563-06
Abstract: Based on the grain -size analysis of the paleosol section at Fenghuang Mountain in Chaoyang, Liaoning Province, the
percentages of the coarse grains, fine grains and supper -fine grains were used as indicators of winter monsoon, westerly wind and summer monsoon strengths, respectively. The results show that the winter monsoon, westerly wind and summer monsoon change synchronously. The westerly wind and summer monsoon have the same variation trend, and there are 4 enhanced stages and 4 decreased stages plotted. The winter monsoon has the opposite variation trend. The climate was warm and wet at the following stages: 71-148 ka BP, 176-208 ka BP, 225-243 ka BP, and 311-403 ka BP；and the climate was cold and dry at the following stages: 148-176 ka BP, 208-225 ka BP, 243-311 ka BP and 403-423 ka BP.Key words: Chaoyang; paleosol; grain -size distribution; paleo -climate
CHEN Hui ,WANG Qiu -bing ,HAN Chun -lan
C Land and Environment College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China )
Grain -Size Characteristics and Climatic Changes of a Paleosol Sequence at
Fenghuang Mountain in Chaoyang, Liaoning Province
收稿日期：2003-03-19；修回日期：2009-10-22
基金项目： 教育部博士点基金课题（20040157007）；国家自然科学基金（40671079）联合资助作者简介：陈辉，女，1982年生，博士生，从事土壤地理学研究；E -mail: chenhuisy@https://www.360docs.net/doc/282752476.html,
沉积物的粒度特征因能直接指示沉积动力的大小和沉积环境的变迁，且兼有相对完善的实验原理和技术方法，一直是区别沉积类型、分析沉积作用、恢复沉积环境最基本的方法。应用粒度特征反演古气候最典型的例子是我国黄土高原地
区风成沉积的粒度研究。利用黄土—古土壤序列的粒度特征可以推测古冬季风的变迁（An et al，1991），揭示季风—沙漠系统的变化（丁仲礼等，1996），探讨季风环流和西风环流的演化（孙东怀等，2003；孙东怀和鹿化煜，2007），
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还可以判断成壤作用的程度（孙东怀，2006），间接指示夏季风的强弱（管清玉等，2004）等。同时，黄土高原地区的粒度分布具有很强的时空规律性，易于进行区域性对比（Ding et al, 2001）。
辽宁地区风成古土壤分布广泛，是东亚季风和西风的重要活动场所之一，同黄土高原地区相比，属于不同的阶梯地貌，气候和土壤的性质有很大的差异。但对该区古气候研究较少，前人多从地层学角度进行探讨（辽宁省地质局水文地质大队，1983；贾文锦，1992），缺乏可与黄土高原黄土—古土壤序列相对照的典型沉积序列的系统研究。辽西朝阳凤凰山剖面是辽宁地区一个不可多得的多时期、较连续的风成古土壤的剖面（陈辉等，2009），蕴藏着丰富的古气候信息，它的发现为辽宁地区系统的古气候研究典型提供了可能。本研究拟通过对辽宁朝阳凤凰山剖面黄土—古土壤序列粒度特征的分析，探讨该区的古气候演变历史，为全面阐述我国北方的古气候变迁提供理论依据。
1 剖面介绍与实验方法
1.1 剖面介绍
凤凰山剖面位于辽宁省朝阳市双塔区凌凤街荒甸子村（E120°30′20.8″，N41°33′09.6″；见图1），是我国黄土分布区的东北部。从地理位置上看，该剖面位于辽西低山丘陵区松岭山脉中段凤凰山区的一个封闭较好的山间盆地内，受外来水流的影响较小，同时离分水岭较近，汇水面积较小，因此古土壤保存相对完整，在辽宁地区极具代表性。
剖面厚19.85 m，未见地层底界，没有人为扰动。2.28 m以上存在明显的流水作用的痕迹，沉积环境较复杂。本文重点研究部分为2.28 m以下由风力沉积所形成相间分布的4层古土壤层和4层黄土层剖面（见图2），地层界限较清晰。其中L4厚度较大，上层有明显的“红包黄”特征，下层淡黄橙色，垂直节理发育，有大孔隙，上层和下层的底部
Fig. 1 Location of the soil sampling site
565
陈辉等：辽宁朝阳凤凰山古土壤序列粒度特征与古气候变化4 期各有一条明显的铁锰、粘粒胶膜包被而成的黑色条带，其余部位仅有少量铁锰、粘粒胶膜淀积；L 2和L 3较薄，发育较弱，其中L 3上层有明显“红包黄”特征，通体铁锰、粘粒胶膜较少，L 2通体铁锰、粘粒胶膜较多；L 5只有部分出露，铁锰、粘粒胶膜较多。4层古土壤中S 1和S 4厚度较大，结构体发育相对较好，铁锰、粘粒胶膜丰富；S 2和S 3则较薄，结构体发育较弱，铁锰、粘粒胶膜较少。整个剖面除S 1层碳酸钙明显淀积外，其他各层均无石灰反应。通体尚未发现侵蚀面或不整合面。1.2 样品的采集与分析1.2.1 粒度样品的采集和分析
本研究以2 cm间距对剖面进行高密度连续采样，共采集946个样品。样品在前处理过程中，首先在10 mL浓度为 10% 的 H 2O 2 溶液中煮沸，使其充分反应；冷却后加入10 mL浓度为 10％ 的 HCl 并
煮沸，使其充分反应；给烧杯注满蒸馏水并静置24h；最后抽去蒸馏水，加入10 mL浓度为0.05 mol ／L的（NaPO 3）6 分散剂，并用超声波清洗机振荡10 min后测量（鹿化煜和安芷生，1997）。样品测量采用荷兰安米德公司生产的粒度分析仪CIS -100（测试的粒度范围为 0.1~3 600μm，测量误差 为±2.5%），测定结果为各粒级的体积百分含量。 1.2.2 定年样品的采集和分析
本研究依据地层结构，在凤凰山剖面各层次界限处采集了有控制意义的10个定年样品，分别进行光释光（1个）和电子自旋共振（9个）测年。样品测试在国家地震局完成，剖面的时间跨度约为0~423 ka BP。所获得的10个测年数据没有时间颠倒的问题（见图2）。其中，虽然电子自旋共振法测定误差较大，但由于所测定的时间序列长达几十万年之久，因此仍可以用来初步确定各沉积层年代。剖面的时间标尺通过对已有的10个测年数据和相应层次的沉积速率进行线性内插和外推得到。
1.2.3 敏感粒度指标的确定
先前研究表明黄土—古土壤序列不同粒级组分的古气候意义不同，并且各粒级组分界线随着
研究地区的不同而发生变化（鹿化煜和安芷生，1998）。如何从沉积物中提取合适的环境敏感粒度指标，是应用粒度指标研究古环境问题的关键。 敏感粒度指标的提取方法主要包括Weibull函数拟合、端元粒度模型、粒级-标准偏差和主成分分析等，本研究采用粒级-标准偏差法（孙有斌等，2003；肖尚斌和李安春，2005；徐树建等，2006）来提取研究区的敏感粒度指标。标准偏差是反映数据离散程度的重要指标。标准偏差越大，数据的变异程度也越大。某一粒级所对应的标准偏差越大，表明该粒级的变异程度越大，即该粒级受环境的影响程度越大，该粒级对环境变化也越敏感。
对凤凰山剖面风成部分进行粒级-标准偏差分析，结果如图3。凤凰山剖面风成部分的粒度-标准偏差曲线为正偏态分布，可分出粗粒、
图２ 凤凰山古土壤剖面图（陈辉等，2009）Fig. 2 Profile of paleosols at Fenghuang Mountain
(After Chen et al, 2009)
图3 凤凰山剖面风成部分的粒度-标准偏差曲线
Fig. 3 Standard deviation curve of the aeolian section of the
Fenghuang Mountain profile
高 校 地 质 学 报15卷4期
566细粒和超细粒3种组分。主峰为粗粒组分，在19.9~52.6μm之间，是各粒级中对环境变化最为敏感的组分。大气动力学研究表明（Pye，1987），该组分与风速的线性相关性较好，是风成沉积的基本粒级，搬运方式主要是短距离悬浮搬运，在一般的风暴中可上升到近地表的几百米以内，最大高度一般不超过上千米的大气边界层。研究区的低空大气环流为东亚季风环流，来自中、高纬大陆的冬季风是该区粉尘的主要携带者。因此，粗粒组分含量变化可以较直接地反映冬季风强度变化，可作为冬季风变化的敏感粒度指标。 次峰为细粒组分，在3~5μm之间，成因较复杂。研究表明（Pye，1987），该组分的沉降速率特别小，一旦起动就很容易上升到高层大气中，被高空气流带到下风区，只有当风速明显减小时才能沉降或随雨水沉降。所以该组分的存在主要依赖于西风环流的高空长距离悬浮搬运。同时，较弱的低空气流也可以携带该组分颗粒（杨前进，2004），但由于较弱的低空气流都在地表附近运动，而地表风向不断改变，所以它们一般都在本地区内来回流动，因此不是影响该组分含量变化的主要因素；成壤作用对该组分粒级的含量变化也具有一定的影响，但其最敏感的粒级应
<2μm（孙有斌等，2002），不会在该峰段形成波峰，也不是影响该组分含量变化的主要因素。综上所述，可用该组分含量的变化来指示西风强度的变化。
在0.5~1.0μm之间存在一个明显的平台，为超细粒组分。成壤作用所产生的颗粒主要集中在这部分（孙有斌等，2002），同时，大气降尘也可以带来该组分的颗粒。一般认为，夏季风带来温暖湿润的气流，有利于成壤作用的进行，同时温暖湿润的气流，不利于粗颗粒的扬起，大气降尘中也以细颗粒为主。所以可以用该部分粒度组分来指示夏季风的变化。
2 结果与讨论
图4为各组分粒度百分含量随深度变化图，由该图可以看出，各组分粒度百分含量变化较同步，其中细粒组分和超细粒组分粒度百分含量变化趋势一致，存在4个明显的峰值和4个明显的谷值，在地层上大致可于凤凰山剖面风成部分的4层古土壤层和4层黄土层相对应，在时间上相当于深海氧同位素的MIS5~MIS12八个阶段。粗粒组分粒度百分含量变化趋势与细粒组分和超细粒组分粒度百分含量的变化趋势相反。这说明总体上冬、
图4 凤凰山剖面风成黄土部分各粒度组分随时间变化图（单位：
%）Fig. 4 Grain -size fraction variations of the aeolian section of the Fenghuang Mountain profile in Chaoyang,
Liaoning as a function of the time scale
（%）
567陈辉等：辽宁朝阳凤凰山古土壤序列粒度特征与古气候变化
4 期
夏季风和西风变化较同步。其中夏季风和西风的变化趋势较一致，存在4个明显的增强阶段和4个明显的减弱阶段，在地层上大致可于凤凰山剖面风成部分的4层古土壤层和4层黄土层相对应，在时间上相当于深海氧同位素的MIS5~MIS12八个阶段。冬季风的变化趋势与夏季风和西风的变化趋势相反。据此，可将71~423 ka BP辽宁地区冬、夏季风和西风演化过程划分为8个阶段。
1）403~423 ka BP（MIS12阶段）
大致可对应与凤凰山剖面的L5层。该沉积时期各粒级百分含量波动幅度较小，粗粒组分含量较多，而细粒组分和超细粒组分含量较少，表明该沉积时期冬季风较强，夏季风和西风较弱。冬季风带来寒冷干燥的气流，因此沉积时期气候较为寒冷干燥，同时气候波动幅度不大。
2）311~403 ka BP（MIS11阶段）
大致可对应与凤凰山剖面的S4层。该沉积时期各粒级百分含量变化幅度均较大，粗粒组分含量比前一阶段明显减少，而细粒组分和超细粒组分百分含量明显增加，表明该沉积时期冬季风较弱，夏季风和西风较强。有研究表明（孙东怀等，2003），间冰期时北半球西风环流较弱，而研究区西风环流较强，说明该区西风环流强度的变化主要受西风环流位置的改变（西风急流的移动）的影响。间冰期西风急流北移，引起降水中心北移，配合夏季风所带来的温暖潮湿的气流，使得该沉积时期气候逐渐转为温暖湿润，同时波动幅度较大。
3）243~311ka BP（MIS10阶段）
大致可对应与凤凰山剖面的L4层。该沉积时期粗粒组分含量有大幅度的增加，出现71~423 ka B.P.间的最高值，同时波动幅度较大，表明该层次沉积时期，冬季风大幅度增强，达到71~423 ka B.P.间的最大值，同时波动明显。细粒组分和超细粒组分均有大幅度的减少，但细粒组分波动幅度较大，而超细粒组分波动幅度较小，表明该层次沉积时期西风和夏季风均明显减弱，但西风波动幅度较大而夏季风波动幅度较小。因此，该沉积时期气候总体上寒冷干燥，波动幅度较大。
4）225~243 ka BP（MIS9阶段）
大致可对应与凤凰山剖面的S3层。该沉积时期粗粒组分含量大幅度减少，出现71~423 ka BP间的最低值，细粒组分和超细粒组分大幅度增加，表明该沉积时期冬季风大幅度减弱，达到71~423 ka BP间的最小值，夏季风和西风大幅度增强。因此，该沉积时期气候大幅回暖，为71~423 ka BP间最为温暖湿润的时期。
5）208~225 ka BP（MIS8阶段）
大致可对应与凤凰山剖面的L3层。该沉积时期粗粒组分表现为先快速增加，后逐渐减少的趋势，细粒组分和超细粒组分略有减少。表明该沉积时期冬季风迅速增强，后逐渐减弱，夏季风和西风略有减弱，气候总体比前一时期略为干冷，其间经历了迅速变冷、后逐渐回暖的过程。
6）176~208 ka BP（MIS7阶段）
大致可对应与凤凰山剖面的S2层。该沉积时期粗粒组分含量较低，表现出先增加后减少的趋势，细粒组分和超细粒组分含量较高，表现为先减少后迅速增加的趋势，其中细粒组分的变化略滞后于粗粒组分和超细粒组分的变化，表明该沉积时期冬季风总体上较弱，先增强后减弱，西风和夏季风先减弱后迅速增强，其中西风的变化略滞后于冬、夏季风的变化，气候总体上较前一阶段湿热。
7）148~176 ka BP（MIS6阶段）
大致可对应与凤凰山剖面的L2层。该沉积时期粗粒组分含量大幅度增加，细粒组分和超细粒组分含量大幅度减少，表明该沉积时期冬季风大幅度增强，夏季风和西风大幅度减弱。因此，该沉积时期，气候逐渐转为干冷，波动幅度较大。
8）71~148 ka BP（MIS5阶段）
大致可对应与凤凰山剖面的S1层。该沉积时期粗粒组分含量大幅度减少，细粒组分和超细粒组分含量大幅度增加，同时超细粒组分表现出明显的3峰2谷的趋势，粗粒组分和细粒组分也具有相应的减少和增加趋势，但变化不明显。这表明该沉积时期总体上冬季风大幅度减弱，夏季风和西风大幅度增强，其间夏季风存在3个明显的增强期和2个明显的减弱期，冬季风和西风也有相应的减弱和增强趋势，但变化不明显。因此，S1层沉积时期，总体上气候温暖潮湿，其间经历了3个相对温暖潮湿的亚阶段和2个相对干冷的亚阶段。
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3 结论
1）71~453 ka BP期间，辽宁地区冬、夏季风和西风变化较同步。其中夏季风和西风的变化趋势较一致，存在4个明显的增强阶段和4个明显的减弱阶段，在时间上大致可于深海氧同位素的MIS5-MIS12这8个阶段相对应，在地层上大致可于凤凰山剖面风成部分的4层古土壤层和4层黄土层相对应。冬季风的变化趋势与夏季风和西风的变化趋势相反。
2）71~453 ka BP期间，辽宁地区的古气候变化可以划分为8个阶段：其中71~148 ka BP, 176~208 ka BP, 225~243 ka BP和311~403 ka BP阶段，气候较为温暖湿润；148~176 ka BP, 208~225 ka BP, 243~311 ka BP和403~423 ka BP阶段，气候较为寒冷干燥。
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辽宁朝阳凤凰山古土壤序列粒度特征与古气候变化
作者：陈辉， 王秋兵， 韩春兰， CHEN Hui， WANG Qiu-bing， HAN Chun-lan
作者单位：沈阳农业大学,土地与环境学院,沈阳,110161
刊名：
高校地质学报
英文刊名：GEOLOGICAL JOURNAL OF CHINA UNIVERSITIES
年，卷(期)：2009,15(4)
被引用次数：1次
参考文献(33条)
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引证文献(1条)
1.王秋兵.崔东.韩春兰.白晨辉.张寅寅.孙仲秀土壤发育指标与气候因子的关系及辽西地区古气候重建[期刊论文]-土壤学报 2013(2)
引用本文格式：陈辉.王秋兵.韩春兰.CHEN Hui.WANG Qiu-bing.HAN Chun-lan辽宁朝阳凤凰山古土壤序列粒度特征与古气候变化[期刊论文]-高校地质学报 2009(4)