中国黄土高原东部边缘黄土沉积的古气候指示

《Journal of Asian Earth Sciences》：Paleoclimatic indications of loess deposits in the eastern margin of Chinese loess plateau

黄土高原东部Tuban剖面通过磁 susceptibility、颗粒大小及有机碳同位素重建了245万年来古气候演变，揭示出四个显著气候阶段： MIS7最暖湿期，MIS6冷干期包含短暂暖湿事件，MIS5温暖湿润期，末次冰期中段出现温暖湿润间隔。研究证实吕梁山-太行山地形对东亚季风系统具有显著调制作用，表现为间冰期降水受限和冰期干冷增强。

　　

Fanfan Guan|Pengyu Li|Yanrong Li

太原理工大学地质工程系，中国太原 030024

摘要

黄土-古土壤序列是重建古气候演变的关键档案。基于来自中国黄土高原东部边缘Tuban（TB）剖面的一层50米厚的黄土-古土壤序列的高分辨率磁化率（MS）、粒度和有机碳同位素记录，本研究重建了该地区的古气候演变，并评估了过去24.5万年间季风动态的地形调节作用。研究地点的古气候演变可以概括为四个阶段：（1）MIS7时期（约24.5-19.0万年前）最温暖湿润的时期，受东亚夏季风（EASM）的强烈影响；（2）MIS6时期（约19.0-12.8万年前）逐渐转变为寒冷干燥的时期，期间包括一个较温暖的阶段（约17.0-16.2万年前）和一个干旱事件（约16.0-15.0万年前）；（3）MIS5时期（约12.8-7.3万年前）在东亚夏季风加强的情况下出现了温暖湿润的时期；（4）尽管在最后一个冰期（约7.3-1.1万年前）总体上呈现长期干燥和冷却的趋势，但在上一个冰期的中期（约3.8-2.7万年前）仍有一个明显的温暖湿润阶段。通过比较TB地区与CLP中部Luochuan（LC）地区的古气候特征，发现吕梁山和太行山对限制间冰期东亚夏季风的湿度渗透以及增强冰期东亚冬季风的强度具有显著的地形影响，从而导致TB地区的气候始终比LC地区更冷更干燥。

引言

黄土广泛分布于北半球的中纬度地区，覆盖了地球陆地表面的大约6%（Li等人，2020年）。作为高分辨率的风成档案，黄土沉积物为解码气候的历史演变、环境条件和尘埃系统行为提供了不可或缺的记录（Maher和Thompson，1995年；Guo等人，2002年；An等人，2011年；Fang等人，2020年）。在过去的几十年中，学者们利用从黄土-古土壤序列中提取的各种古气候指标（如磁化率（MS）、粒度和有机碳同位素）来重建第四纪的气候历史、环境波动和沉积模式（Heller和Liu，1982年；Cheng等人，2025年；Liu等人，2025年）。

中国黄土高原（CLP）位于东亚冬季风（EAWM）和东亚夏季风（EASM）的气候交汇处，其黄土-古土壤序列保存了约260万年的独特陆地气候档案（Ding等人，2002年；Zhang等人，2013年）。这些沉积物主要记录了EAWM和EASM系统的长期变化（Kukla和An，1989年；Liu等人，1999年；Ding等人，2002年）。东亚夏季风将热量和水分从赤道地区输送到中国北部的干旱和半干旱地区（Sun等人，2015a；An等人，2015年），而东亚冬季风则将高纬度的寒冷干燥空气输送到东亚（Liu和Ding，1998年；Sun等人，2010年；Sun等人，2015年）。总体而言，冰期特征是东亚冬季风增强，这促进了寒冷干燥的条件，有利于黄土沉积；这通常表现为较粗的粒度和较低的MS值。相比之下，间冰期则以东亚夏季风加强和温暖湿润的气候为特征，促进了土壤形成的增强，导致更细的粒度和较高的MS值（Liu和Ding，1998年；Cheng等人，2016年；Ao等人，2024年）。与这些气候代用指标（MS和粒度）不同，有机碳同位素已被证明是重建CLP陆地生态系统动态的有效工具（Heller和Liu，1982年；An等人，1991b；Ding等人，1994年）。

然而，CLP东部的黄土沉积物目前研究较少（Lu等人，2006年；Yang等人，2010年）。因此，吕梁山沿线的微尺度气候演变仍然不清楚。

在这项研究中，我们对CLP东部Tuban（TB）地区的一个代表性黄土-古土壤序列进行了高分辨率的MS、粒度和有机碳同位素分析。通过将MS和粒度参数分别作为东亚夏季风（EASM）和东亚冬季风（EAWM）强度的代用指标，我们评估了冰期-间冰期循环中东亚季风（EAM）的时间变化。结合有机碳同位素值，我们重建了该地区的过去环境波动。

研究地点和采样

TB剖面（北纬38°02′28″，东经110°41′41″）位于CLP东部吕梁山的西缘（图1a）。其西侧是陕北高原。吕梁山的平均海拔约为1700米，远高于陕北高原的平均海拔1100米（Luo等人，2012年；Li等人，2017年；Gao等人，2012年）。选择TB剖面作为代表是因为该地点的风成沉积物厚度达到

磁化率

磁化率（MS）受风化过程中形成的铁磁矿物的矿物组成、丰度和粒度的控制（Kukla等人，1988年；Kukla和An，1989年；Maher，2016年）。黄土-古土壤序列的MS值被广泛用作东亚夏季风强度的代用指标（An等人，1990年；An等人，1991a），并且也被证明是一个有效的地层标志（Kukla和An，1989年）。

根据MS的变化，TB地区黄土-古土壤单元的地层边界

TB剖面的年代学

TB剖面的MS记录与LC地区的MS地层以及冰期-间冰期循环中的全球δ¹⁸O变化趋势大体一致，如图6a、b和c所示。LR04叠置的底栖δ¹⁸O记录来自Lisiecki和Raymo（2005年）。利用CLP范围内MS地层的空间相关性，可以为每一层指定一个控制点，以建立基于MS测年的年龄模型（Kukla和An，1989年）。这种方法假设沉积速率是恒定的

结论

对CLP东部TB黄土-古土壤序列中的MS、粒度分布和有机碳同位素的分析得出了以下关键发现。

高分辨率的气候代用指标，包括MS、粒度分布和有机碳同位素，表明CLP东部的黄土-古土壤序列是在连续的冰期-间冰期循环中沉积的。

该地区在过去24.5万年间经历了四个古气候演变阶段：最温暖湿润的时期

作者贡献声明

Fanfan Guan：撰写——原始草稿、方法论、数据管理。Pengyu Li：撰写——原始草稿、方法论、数据管理。Yanrong Li：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、方法论、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：U25A20812和42207196）的支持。我们感谢Wang Yangyang博士在采样和实验方面的帮助。