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靳春胜等-EPSL:黄土与深海δ18O的新对应
2018-12-18 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  20世纪80年代中国黄土磁化率与深海沉积物δ18O之间古气候对应关系的建立(Heller and Liu, 1984, 1986)是黄土研究的重要突破。过去的30年里,人们对黄土古气候、古地磁进行了广泛而深入的研究,通过多种古气候代用指标建立了黄土与深海δ18O之间的古气候对比关系。这些对比,尤其是S9以来的黄土,几乎一直沿用了80年代的对比框架(下文称为“传统对比”)。 

  依据传统对比方案,L8S8分别对应于深海氧同位素2021阶(MIS)。黄土中松山-布容古地磁极性倒转界线(MBB)大多记录于L8中下部,属于冰期,而在海洋沉积物中MBB记录于MIS 19上部,属于间冰期。同一极性倒转界线在海洋和陆地中的记录存在暖期和冷期的差异,为什么时差大于40 ka(严重超过了MB倒转自身的持续时间及其全球区域时差)?是黄土剩磁记录的问题,还是传统的对比方案问题,亦或其它问题? 

  有人提出黄土的天然剩磁记录具有大尺度的剩磁锁定深度这一观点,用于解释MBB的海陆差异。传统对比将古土壤层S7对应于MIS 19,而海洋中MBB恰位于MIS 19,由此有研究者推断黄土中真实MBB也应该记录于与MIS 19相对应的S7之中。加之实测的MBB基本位于L8中下部或S8顶部,因此黄土中的极性界线被认为存在几十厘米至三米有余的向下错位效应,对应于剩磁记录滞后黄土沉积约几千年至三万余年。1999年这一“大尺度锁定深度”概念的提出对黄土天文轨道调谐时间标尺带来了较大的冲击。受此观点影响,后续调谐黄土时间标尺选取年龄控制点时均将极性界线相应的向上调整,例如将MBBL8调至S7中部,结果导致依据黄土调谐所得的极性界线年龄普遍大于国际上常用标准极性柱的极性事件年龄。然而,另有观点认为黄土可以较好的记录极性倒转期间的地磁场形态学特征以及短时间尺度的极性漂移事件,表明黄土对天然剩磁的平滑作用较为微弱,因此黄土对天然剩磁的记录不存在大尺度的锁定深度。 

  上述两种观点长久以来一直存有争议,问题关键在于:中国黄土的剩磁错位尺度(实际包含浅表混合层SML厚度及锁定深度)到底如何?目前缺乏量化结果。由于中更新世黄土绝对测年受限,量化其剩磁错位深度成为长久以来的研究难题之一。 

  基于以上问题,中科院地质地球所新生代地质与环境院重点实验室靳春胜副研究员及其合作者们,利用3356块黄土定向样品重建了洛川和西峰剖面末次间冰期(S1,130 ka)以来的古地磁场方向和相对古强度(RPI)变化。通过多套平行样品的测定,综合古地磁方向和RPI他们识别出了BlakeLaschampMono Lake极性漂移的精确地层位置、持续地层厚度(图1,图2)。将这两个剖面S1以来的10Be示踪地磁场RPI曲线(Zhou et al., 2010)与本研究磁学指标建立的RPI曲线进行地层深度上的对比,可得上述极性漂移在两条不同指标曲线上的记录位置差异(图1h-ir-s间的数值)。参考海洋沉积物与极地冰芯研究,将此位置差异定义为黄土剩磁错位深度。将每个剖面的错位深度与可量化的黄土粉尘堆积速率(目前可量化的影响剩磁记录的因素,经历了沉积压实、成壤改造等过程)进行对比,发现二者呈正相关关系(图3a、图3b)。据此线性关系,可估算中更新世黄土的剩磁错位深度。基于前人报道的不同年代学模式,他们估算的洛川剖面MBB错位深度为29-30 cm,这一数值与Jin et al.(2016)所得结果(30.9 cm, G-cubed)基本一致。这些结果表明黄土中的古地磁极性倒转界线,如MBBJaramillo等,经过适当向上调整可以作为黄土绝对年代控制点。 

  由于实测的MBB位于S8顶部,因此可将S8对应于MIS 19。以此为关键控制点,将高分辨率黄土粒度曲线(1861个样品)与北纬65°夏季太阳辐射量进行对应,可获得一条新的黄土时间标尺(1300 ka以来)。该研究调整了部分黄土层位与深海δ18O的对应关系,例如传统方案中将S5对应于MIS 13-15,他们的新方案将S5对应于MIS 13,将S6对应于 MIS 15(图4)。 

 

  1 洛川(上)、西峰(下)S1以来单套样品的磁记录。b+l.磁化率;cd+mn.磁组构;efg+opq.古地磁方向;h+r.地磁场相对古强度曲线;j+s.10Be指代的地磁场相对古强度;j+t.前人磁化率(紫)与本文磁化率(灰)的地层对比  

 2 洛川、西峰剖面关键层段5套平行样品的古地磁方向和RPI结果 

  

 

  3 末次间冰期以来的黄土剩磁错位深度与估算的堆积速率之间的关系。a/b分别为无/Mono Lake事件的情况;c/d分别为洛川和西峰剖面的沉积速率估算  

 

  4 新的黄土与深海δ18O的对应关系。a中桔线为粒度时间序列,灰色虚线为北纬65°夏季太阳辐射量;b绿线为深海氧同位素曲线;c/d桔色和亮蓝色线分别为粒度和磁化率的深度序列;图中偏右处的8条竖灰线为相应的极性界线    

  本研究量化了中国黄土天然剩磁锁定深度,提出它与黄土堆积速率之间的线性关系。基于此,给出了新的黄土时间标尺,从而调整了黄土与深海δ18O的对应关系,或有助于解释黄土古气候遗留难题。 

  研究成果发表于Earth and Planetary Science Letters。(Jin C S, Liu Q S, Xu D K, et al. A new correlation between Chinese loess and deep-sea δ18O records since the middle Pleistocene[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 506: 441-454.DOI: 10.1016/j.epsl.2018.11.022 

 

【注释】    

 关于MBB位置在L8中下部或是S8顶部问题,大致有以下原因:  

  1. 剩磁锁定深度所致:不同剖面可能具有不同的锁定深度,导致实测的MBB难以在剖面间统一所在层位。 
  2. 黄土气候地层的划分标准:S8转向L8时,虽然常用地层划分标志如磁化率和颜色下来了,但是黄土粒度仍未变粗,间冰期仍未结束,这涉及南北半球的气候不对称性(请参考Liu et al., 2008Jin and Liu, 2011Hao et al.,2012)。这意味着S8气候地层的顶界应该更向上一些,导致实测MBB实际上位于S8顶部。而事实上,洛川、西峰、邙山三个剖面的个例研究圴表明它们的MBB所在岩性地层已是古土壤层S8顶部。 

  3. 黄土磁性地层采样密度与MB界线的精确定位:MB倒转是一个过渡带,不同黄土剖面记录的厚度不同,薄的30 cm,厚的一两米。即便连续采样(2.5 cm分辨率),依靠单套样品也难以界定MB界线的精确位置(Jin and Liu, 2010),因为平行样品间的磁记录不同,需要多套平行样品综合限定。所以,以往“过稀”的黄土磁性地层采样(20 cm以上间隔)更有可能带来不精确的MB界线定位。可将MBB定义于倒转起始位置或是结束位置,加之潜在的倒转过渡带样品,这些因素皆易导致对MBB的定位存在几十厘米的误差。这些误差足以导致MBB是位于L8或是S8这些不同的结果,这或许是目前MBB地层位置空间上不统一的原因之一。 

 
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