摘要
研究区位于内蒙古河套盆地的磴口县,在气候上处于中国现代季风边缘区,是受夏季风进退影响的气候敏感区.河套盆地是一个新生代的裂陷盆地,发育巨厚的第四纪河湖相沉积物,为古气候重建提供了良好的材料.本文对河套盆地末次冰期以来古气候变化的研究,可为未来气候环境变化预测提供参考.
本文通过对河套盆地钻孔的岩芯进行编录和样品采集,采用粒度、色度、磁化率及有机碳同位素和有机质含量等气候代用指标,结合 14C 及光释光(OSL)测年,研究了河套盆地末次冰期以来的古气候演化特征,并与格陵兰冰芯和石笋氧同位素曲线进行对比,初步探讨了气候变化的驱动机制.
1、通过对磴口钻孔岩芯详细的分层描述和高密度取样,结合室内粒度分析结果,对沉积物的成因进行了判断,认为钻孔 14-3.2m 沉积的黑褐色、灰黑色、青灰色粉砂及粉砂质粘土为湖相沉积,3.2m 以上棕黄色的细砂为风成砂.
2、利用 14C 及光释光(OSL)测年对磴口钻孔沉积物进行了年代测定,进而对河套盆地末次冰期以来湖泊的发育进行了反演.河套盆地在 51.3ka ~26.3 ka B.P.之间发育较厚的典型的湖相地层,指示当时湖泊发育,而在 26.3ka B.P.进入末次盛冰期,湖泊干涸.
3、以钻孔沉积物的粒度特征、磁化率、色度和有机碳同位素和有机质含量为气候代用指标,结合建立的年代格架,将河套盆地末次冰期以来的气候演化划分为四个主要阶段:MIS3c(51-49ka B.P.)气候暖湿;MIS3b(49-36 ka B.P.)较MIS3c 变得相对冷干,;MIS3a(36-26ka B.P.)气候暖湿;MIS2(26-16ka B.P.)气 候干冷.气候变化特征与湖泊演化阶段具有一致性.
4、将磴口钻孔进行区域对比,从沉积学特征和气候阶段划分上均具有较好的一致性,说明本研究的古气候演化阶段的划分具有区域可比性.
关键词:末次冰期,古环境,气候指标,14C测年,河套盆地
Abstract
The study area is located in Dengkou County, Hetao Basin, Inner Mongolia. It isa climate sensitive area affected by the advance and retreat of summer monsoon. HetaoBasin is a Cenozoic rift basin, in the center of which there are very thick Quaternaryfluvial and lacustrine sediments, which provide good materials for paleoclimatereconstruction. Based on the study of paleoclimate change since the last glaciation inHetao area, this paper can provide a reference for the prediction of climate andenvironment change in the future.
In this paper, through the cataloging and sample collection of cores drilled in theHetao Basin, using climatic alternative indicators such as particle size, color, magneticsusceptibility, organic carbon isotope and organic matter content, combined with 14Cand photoluminescence (OSL) dating, we have studied the paleoclimatic evolutioncharacteristics of the Hetao Basin since the last glacial period are compared with thoseof the Greenland ice core and stalagmite oxygen isotope curves, and the drivingmechanism of climate change is preliminarily discussed.
1. Through detailed stratified description and high-density sampling of the core ofthe drill hole in Dengkou, combined with the results of indoor particle size analysis, thecause of the sediment is judged, and the borehole 14-3.2m is considered to be darkbrown, gray black, and green The lacustrine sediments mainly consist of gray silt andsilty clay, and the brownish-yellow sand above 3.2m is aeolian sand.
2. Using 14C and OSL dating, the sediments in Dengkou borehole were dated, andthe development of Lakes since the last glacial period in Hetao Basin was inversed. InHetao Basin, a thick typical lacustrine stratum is developed between 51.3ka B.P. and26.3ka B.P., indicating the development of lakes at that time, while in 26.3ka B.P., thelake dried up in the last glacial period.
3. Using the grain size characteristics, magnetic susceptibility, chromaticity, andorganic carbon isotope and organic matter content of borehole sediments as climaticsubstitute indicators, combined with the established chronological framework, the climate evolution of the Hetao Basin since the last glacial period is divided into fourmain stages : MIS3c (51-49ka B.P.) has a warm and humid climate; MIS3b (49-36 kaB.P.) becomes relatively cold and dry compared to MIS3c; MIS3a (36-26ka B.P.) has awarm and humid climate; MIS2 (26-16ka B.P.) has a dry and cold climate. Thecharacteristics of climate change are consistent with the lake evolution stage.
4. Comparing the Dengkou borehole with the surrounding area, it has goodconsistency in terms of sedimentology and climatic stage division, indicating that thedivision of the paleoclimatic evolution stage in this study is regionally comparable.
Key words : the Last Glacial, Paleoclimate, Climatic roxies, 14C dating, Hetao Basin
目录
第 1 章 引言...................................................................................................................................................1
1.1 选题依据和研究意义........................................................................................................................1
1.2 湖泊沉积在古气候研究中的现状.................................................................................................1
1.3 研究内容、研究方法及技术路线.................................................................................................2
1.3.1 研究内容...................................................................................................................................2
1.3.2 研究方法...................................................................................................................................3
1.3.3 技术路线...................................................................................................................................3
1.4 完成的工作量......................................................................................................................................4
第 2 章 自然地理及区域地质概况.........................................................................................................5
2.1 自然地理概况......................................................................................................................................5
2.2 区域地质概况.......................................................................................................................................6
2.2.1 区域构造特征 .........................................................................................................................6
2.2.2 第四纪地层特征.....................................................................................................................7
第 3 章 钻孔岩芯剖面及测年...................................................................................................................9
3.1 样品采集与岩性特征........................................................................................................................9
3.2 岩芯测年 ............................................................................................................................................10
第 4 章 气候指标及古气候意义...........................................................................................................13
4.1 粒度及其环境意义..........................................................................................................................13
4.1.1 粒度分析原理 ......................................................................................................................13
4.1.2 粒度分析方法 ......................................................................................................................13
4.1.3 粒度特征及其古气候意义 ...............................................................................................14
4.1.4 粒度端元分析 ......................................................................................................................19
4.2 磁化率及其环境意义.....................................................................................................................23
4.2.1 磁化率指标的环境意义....................................................................................................23
4.2.2 磁化率的测定方法.............................................................................................................23
4.2.3 磁化率特征分析..................................................................................................................24
4.3 色度及其环境意义..........................................................................................................................26
4.3.1 色度的环境意义..................................................................................................................26
4.3.2 色度提取................................................................................................................................27
4.3.3 色度结果分析 ......................................................................................................................27
4.4 有机质及其碳同位素的古环境意义..........................................................................................29
4.4.1 总有机碳(TOC)含量、C/N 比环境意义................................................................29
4.4.2 沉积物有机碳同位素环境意义......................................................................................30
4.4.2 结果分析................................................................................................................................31
第 5 章 河套地区末次冰期以来古气候演化....................................................................................38
5.1 河套盆地末次冰期以来的气候特征..........................................................................................38
5.2 区域对比 ............................................................................................................................................40
5.2.1 与周边区域对比..................................................................................................................40
5.2.2 与全球气候变化的对比....................................................................................................41
第 6 章 结论与讨论..................................................................................................................................42
6.1 结论......................................................................................................................................................42
6.2 存在问题 ............................................................................................................................................42
致谢.......................................................................................................................................................................43
参考文献..............................................................................................................................................................44
附录.......................................................................................................................................................................53
第1章 引言
1.1 选题依据和研究意义
美国康奈尔大学在 2008 年评出的当今世界十大最紧迫的问题之首为气候变化及其对生态系统的影响(Derek Cabrera,2008),全球气候影响降雨及大气的环流,使气候出现反常,从而使生态系统发生变化甚至破坏,全球气候变化将严重干扰人类的生活.在这一背景下,人类迫切地需要预测未来的气候变化.研究地质历史时期的环境变迁,尤其是第四纪以来的气候变迁,可为预测未来全球变化提供方法和参照(张小瑾,2011).充分了解末次冰期以来尤其是全新世的气候环境变化规律,是理解新生代以来特别是第四纪以来气候环境变化规律的先决条件(雷国良,2009).因此,第四纪地质学家把古气候变化纳入研究的重点.
河套盆地处于中国现代季风边缘区,对环境变化极其敏感.内蒙古河套地区存在的四大环境问题:土地沙化、草场退化、土地盐碱化和湖泊萎缩,他们之间内在联系的主导因素就是气候变化(贾铁飞等,2004).所以,研究区的晚更新世以来古气候环境演化无论对未来环境预测,还是对当地的农牧业合理开发与布局均具有重要意义.
本论文是依托中国地质科学院地质力学研究所承担的--中国地质调查局"特殊地质地貌区填图试点计划项目"下属的"内蒙古 1:5 万渡口乡幅(K48E022021)、磴口县幅(K48E023021)填图试点子项目"而完成的.
1.2 湖泊沉积在古气候研究中的现状
湖泊沉积学的研究开始于 19 世纪 80 年代,Forel 对日内瓦湖、康斯坦斯湖的研究和 Gilbert 对贝利维尔湖的研究,到了 20 世纪中期,开始对湖泊沉积物进行钻探获得岩芯,根据分析结果反演湖泊的演化历史.随着利维斯《古湖泊学导论》的出版,强调了古今结合研究的重要性,标志着多学科研究湖泊新阶段的开始.由于人类对石油、煤炭、盐类资源等的需求,作为这些矿产资源的重要蕴藏体的湖泊沉积物研究收到了极大的关注,20 世纪七、八十年代是湖泊沉积学蓬勃发展的时期,相继在湖泊重力流沉积、蒸发岩沉积、湖泊三角洲、淡水碳酸盐沉积等的沉积类型、形成动力机制、沉积模式方面取得重大进展,建立了湖泊沉积学的理论体系.
20 世纪 90 年代以来,过去全球变化的研究得到的进一步重视和扩展,继深海钻探和极低冰芯研究取得突破之后.越来越多的科学家开始关注陆地环境的变化,由此国际大陆钻探计划(ICDP)兴起.由于湖相沉积的特点是分辨率较高、沉积较为连续、对气候变化响应敏感、地理覆盖面广等,因此已经成为不同时间尺度过去全球变化研究的重要领域之一(王苏民,1993).近年来,围绕以气候变化与可预测性以及分辨人类活动影响的目的,国际研究项目不断涌现,以精确定年和环境要素定量化为前提的短时间尺度气候环境研究迅速成为热点.从湖泊-流域现代沉积过程着手,揭示湖泊-流域生态环境变化的过程,定量评估人类活动的影响成为湖泊沉积研究的新的方向.
在我国对湖泊的研究已成上升趋势,近二十年来我国在湖泊研究方面的进展主要集中以下几个方面:(1)研究范围不断扩大;继我国东部东亚季风区之后,研究区域已涉及青藏高原湖泊(吴艳宏等,2007;类延斌等,2008)、干旱区湖泊和盐湖(沈吉等,2004;张虎才,2008)、内蒙古高原湖泊和盐湖(曹建廷等, 2000)、云贵高原湖泊(沈吉等,2007)和台湾高山湖泊(罗建育等,1997).(2)生物指标的研究方法多样化:由传统简单的微体古生物(孢粉、硅藻等)组合发展到通过 APC、花粉系数等这些具有生态指示意义的指标来半定量地研究区域古气候特征.此外在环境定量重建的研究中,微体古生物地球化学也得到发展,例如,介形类壳体的碳氧同位素以及 Sr/Ca、Mg/Ca 比值(胡广等,2008);硅藻-湖水电导率之间转换函数研究(羊向东等,2003).(3)测年方法更加的多样化、准确度也更高:现有的湖泊研究中测年方法主要包括光释光、AMS-14C、古地磁、137Cs、210Pb 等;此外对于历史时期的研究也可以通过参考历史文献、考古记录等方式来进行辅助定年.多种测年方法互为补充,大大提高了时间序列的精确度.(4)近些年来我国湖泊沉积与气候演化研究的一大特征是对于不同时间的尺度多环境指标、高分辨率的综合研究.研究的时间尺度包括了百万年、几万年、千年、百年甚至年际尺度的气候环境变化,为我国的古环境研究做出了巨大贡献.
1.3 研究内容、研究方法及技术路线
1.3.1 研究内容
本论文以内蒙古河套平原的钻孔岩芯为研究材料,根据 14C 和光释光测年数据来建立年代框架,然后利用沉积物粒度、色度、磁化率、有机碳同位素、C/N比值和 TOC 含量这些古环境的代用指标,对河套平原末次冰期以来的古气候演化阶段进行划分,重建河套盆地末次冰期以来的古环境演化序列,揭示各阶段的演化规律,并与格陵兰冰芯、石笋氧同位素曲线进行对比,初步探讨了气候变化的驱动机制.
(1)研究区古气候环境演化序列的研究.通过对岩芯古气候演化代用指标的测试及综合分析,利用测年数据建立河套平原末次冰期以来的古气候演化序列.
(2)通过与区域气候的对比,进一步探讨河套地区古气候演化与区域气候演化的联系.
1.3.2 研究方法
沉积学方法:通过沉积物的颜色、类型、结构和构造等进行沉积环境分析.
环境代用指标:主要选取 TOC、粒度、磁化率和色度指标进行古气候分析.
年代学方法:利用 14C 和光释光(OSL)测年数据,建立钻孔的年代框架.
1.3.3 技术路线
为研究上述内容,采用以下技术路线开展研究:
(1)文献搜集:在野外工作开始前,充分查阅相关文献,大致了解河套平原第四纪地质的研究现状.
(2)野外工作与样品采集:通过野外踏勘了解研究区地质概况,选取钻探孔位,获取钻孔岩芯并进行编录.室内按照 5-10cm 的间隔共采集磁化率样品 160个,粒度样品 160 个,色度样品 160 个,按照平均 10-15cm 的间隔共采集有机碳同位素样品 90 个、C/N 比值样品 90 个和 TOC 样品 90 个,14C 年代样品 9 个,光释光年代样品 1 个.
(3)各类样品的测试: 样品的粒度、色度和磁化率的测试在中国地质科学院地质力学研究所自然资源部新构造运动与地质灾害重点实验室测试完成,有机碳同位素、C/N 比值和 TOC 含量的测定在国家地质测试中心完成.
(4)综合研究:通过对各种气候代用指标的测试,重建河套末次冰期的古气候,并且进行区域对比,最后进行论文撰写.
具体技术路线如图 1-1 所示:
1.4 完成的工作量
首先在河套盆地开展野外地质调查、钻孔岩芯编录,在室内进行样品的采集加工后,进行粒度、磁化率、色度、机碳同位素、C/N 比值和 TOC 的分析测试,同时进行 14C(美国 beta 实验室)和光释光(OSL)(首都师范大学光断代实验室)测年.完成的工作量见表 1-1.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
第6章 结论与讨论
6.1 结论
本文通过对河套盆地的钻孔 14m 以上岩芯的高精度取样、14C 测年、光释光测年、室内测试与综合分析,结合前人的研究成果,对钻孔沉积物开展了粒度、色度、磁化率、有机碳同位素及有机质含量多环境指标的综合研究,建立了河套平原磴口地区末次冰期以来的古气候演化序列,初步探讨了可能的驱动机制,得出以下主要结论:
1、通过对磴口钻孔 14m 以上岩芯详细的分层描述和高密度取样,结合粒度分析和 14C 及光释光(OSL)测年结果,对河套盆地末次冰期以来的湖泊演化进行了研究.在 51.3ka B.P.~26.3 ka B.P.之间为黑褐色、灰黑色、青灰色粉砂及粉砂质粘土的湖相地层,指示当时湖泊发育,而在 26.3ka B.P.之后进入末次盛冰期,沉积物主要为棕黄色的细砂,指示了湖泊萎缩甚至干涸.
2、通过对气候代用指标的综合分析,恢复了河套盆地末次冰期以来的气候环境变化特征.可以分为以下 7 个阶段,51.3ka B.P.~49.1 ka B.P.暖湿的气候,湖泊大面积发育;49.1 ka B.P.~48.1 ka B.P.气候变得干冷湖泊退缩;48.1 ka B.P.~42.1ka B.P.温凉偏湿;42.1 ka B.P.~36.5 ka B.P.温凉偏干;36.5 ka B.P.~26.3 ka B.P.暖湿阶段,湖泊再次大面积发育;年代为 26.3 ka B.P.~18.9 ka B.P.末次冰盛期气候极度恶化,古湖泊干涸;18.9 ka B.P.~16.5 ka B.P.冰消期气候有所改善为温湿和冷干的气候结合.
3、将磴口钻孔与周边区域进行对比,无论从沉积学特征还是在气候阶段划分上均具有较好的一致性,说明了本研究的古气候演化阶段的划分具有区域可比性.
6.2 存在问题
1、对古气候演化阶段的划分应进一步细化,更确切地研究该时段气候演化的历史,还应加强对河套盆地气候变化的规律和气候发生变化的内在机制的研究;
2、由于研究经费有限,有机质样品只分析了 90 个,分辨率比较低,不足以探讨更为详细的气候变迁过程.
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