百人计划研究工作

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1、 “百人计划”研究工作“百人计划”研究工作 总结报告总结报告 研究项目名称：黄土高原边缘古地磁界线记录的可靠 性与剩磁获得机理研究 受资助人 ：王喜生 所在单位：中国地质科学院地质力学研究所 起止年限：2006 年 11 月2009 年 11 月 国土资源部 2010 年 10 月 12 日 一、 研究领域及资助研究项目概况一、 研究领域及资助研究项目概况 研究领域：研究领域：古地磁 第四纪年代学 环境磁学 研究概况：研究概况： 本项目分别在沉积速率和成土作用差异显著的陇西黄土高原和黄土高原东南缘选取了典型黄土剖面，以磁性地层学、岩石磁学和环境磁学及第四纪测试分析为主要手段，从黄土高原上记录东

2、亚冬、夏季风灵敏区入手， 对黄土高原边缘区记录的地磁倒转事件和磁性气候学特征进行了详细的对比分析研究。 项目取得的主要成果如下：1）提出与传统的海陆对比不同的基于古地磁界线的海陆对比方案。认为黄土高原不同地区记录东亚冬、夏季风的差异性和变化性可能是全球具同时性的松山/布容极性转换在黄土高原不同地区产出层位不一致性的主要原因，而基于Lock-in模型的天文年代标尺则可能高估了黄土/古土壤的年龄；2）提出黄土高原“上粉砂层”L9的重磁化可能具有一定的区域性特征。该结果同时对西部黄土高原黄河阶地上发育的黄土古土壤序列的时限具有间接的指示作用；3）提出一个新的表征土壤中超顺磁磁性物质含量和成壤强度的新

3、参数（Jv） ；4）尝试用环境磁学手段对泥河湾盆地许家窑古文化遗址进行定年，由S比率时间标尺确定的许家窑古人类遗址处的地层年代约 0.5 Ma， 与先前报道的化石的U-Th绝对年龄 （0.1 1Ma）不一致；5）甘肃会宁白草原黄土剖面上粗粒黄土样品复杂的热退磁结果， 在某种程度上反映了陇西黄土记录原生剩磁的复杂性和不稳定性， 原生碎屑剩磁为后生的粘滞剩磁所替代可能是粗粒黄土不能准确记录原生剩磁的主要原因；6）九州台和白草原黄土的磁性气候记录、粒度和色度参数等在剖面上变化趋势的不协调性表明，目前流行的古土壤磁化率增强的成土模式并不完全适用于六盘山以西的陇西黄土高原，因而，在使用磁化率并作为东亚夏

4、季风的替代性指标时应慎重。 二、 研究领域国内外发展趋势和前沿二、 研究领域国内外发展趋势和前沿 中国黄土的年代框架是以古地磁测量为基础的（Heller Sun et al., 1993; Zhu et al., 1994; Sun et al., 1998; Zhu et al., 1998b; Pan et al., 2002; Guo et al., 2002)，应对应于冰期。而在黄土高原东南缘的三门峡剖面， M/B则记录于S8的顶部 （Wang et al., 2005） 。M/B在黄土高原上位置的差异以及与深海沉积所表现出的不一致不仅给海、陆古气候对比带来一定困难，同时对中国黄土古地

5、磁界限的可靠性带来很大的挑战。基于黄土中M/B位置的变化性较大、载磁矿物较为复杂而且次生剩磁分量较强的特点，Tauxe等（1996）认为M/B在海陆表现出的不一致性可归结为黄土剩磁获得的滞后时间要比海相沉积要长，而M/B在黄土和深海沉积记录的这种差异性可被理解为Lock-in效应，即中国黄土剩磁大约存在1-2 m的Lock-in深度， 对应的时间尺度大约20-30 ka （Zhou Heslop et al., 2000） 。Heslop等（2000）推断上覆的古土壤层S7而不是L8更应与MIS19阶段对应。最近，Spassov 等(2003) 认为黄土的Lock-in带由一较厚的CRM带（在

6、沉积后由于土壤化作用缓慢获得）和一叠加于其上的较薄的pDRM带（在沉积后不久就获得）组成，并对M/B附近记录的极性频繁转换用双Lock-in带模型来模拟剩磁获得的“滞后”过程。 3然而， 近年来的一些古地磁结果似乎难以用Lock-in模型来解释： 1) 尽管古土壤层可能携带一定的CRM成分，而黄土层的特征剩磁则主要应以沉积剩磁为主。在黄土高原北缘的靖边剖面（Guo et al., 2002）和西北缘的沙沟剖面（Wu et al., 2005） ，M/B分别位于S7下界面以下约 5m和 10m深度处，很难想象在以上成土作用相对较弱的地区竟有如此大的CRM Lock-in深度，除非pDRM也导致了

7、剩磁获得的严重滞后；2) 第四纪以来大量的短期地磁极性事件在黄土高原的不同地区被记录。由于大尺度的Lock-in效应不仅可以完全“平滑”掉任何短期地磁极性记录，同时会对岁差尺度上的（磁性）气候记录产生深远影响。可见，目前对于黄土的沉积后改造和成壤作用对古地磁信息可靠性的影响程度究竟有多大仍未定论。 在中国黄土古气候替代性指标与深海氧同位素曲线对比中， 大多采用以“轨道调谐”方法对经典的赤道附近东太平洋钻孔 ODP 677的氧同位素曲线建立的时间标尺作为标准进行古地磁界线和古气候变化的对比（Heller Heslop et al., 2000） 。然而实际情况是，ODP 677 并没有古地磁数据

8、（Shackleton et al., 1990） 。因而，以 ODP 677 假定的古地磁极性界线与中国黄土剖面中已获得的古地磁极性界限进行对比和基于这些界限的海陆古气候替代性指标的对比显然缺乏说服力。可喜的是，近年来深海沉积的磁性地层学研究取得了积极进展。由 Channell 等（2000, 2002, 2004）在大西洋钻孔中获得的高分辨率古地磁和相对古强度数据和 Roymo 等（2004）获得的氧同位素数据使得更精细的海陆古地磁界线和古气候对比成为可能。4而这些大西洋钻孔不仅在纬度上更接近于黄土高原， 同时多数钻孔的沉积速率比 ODP 677 要高得多。 鉴于此， 本项目分别在沉积速率

9、和成土作用差异显著的黄土高原边缘区选取典型黄土剖面，以磁性地层学和磁性气候学为主要手段，精确厘定M/B的位置。结合黄土高原腹地大量的古地磁结果，从研究区黄土发育的区域性特点及其黄土磁气候学特征来深刻探讨黄土高原的不同地区M/B记录差异的确切原因。并参考近年来ODP获得的高分辨率古地磁结果，深入分析黄土高原边缘冬、夏季风敏感区黄土的剩磁获得过程、剩磁稳定性及其对古地磁极性界线可靠性的影响，并尝试提出MB在黄土高原记录不一致的可能模式。此外，针对目前黄土高原上多个剖面“上粉砂层”L9中报道的正极性段落，通过黄土高原西缘和东南缘土壤化作用和沉积速率差异较大的典型剖面L9的古地磁结果，对L9记录短期正

10、极性事件（Kamikatsura或Santa Rosa）的存在性和粗粒黄土记录原生剩磁的可靠性进行客观评估。 三、 研究工作总结研究工作总结 1. 合同计划实施情况合同计划实施情况 该项目按项目设计正常进行。按照项目设计，完成了陇西黄土高原兰州九州台剖面和白草原黄土剖面全部样品（约 900 余个）的古地磁、环境磁学、全岩粒度等分析工作，相关样品的地球化学常、微量元素的测试分析正在进行中；完成了郑州邙山黄土剖面 1160 块古地磁样品的热退磁和 300 余个样品的环境磁学、 粒度分析和相关岩石磁5学工作； 完成了黄土高原东北缘的许家窑古遗址剖面 390 个样品的岩石磁学和环境磁学测试分析。 2.

11、 研究工作取得的主要成果和创新点研究工作取得的主要成果和创新点 2.1 受资助期间取得的主要研究成果受资助期间取得的主要研究成果 2.1.1 黄土高原东南缘邙山黄土的古地磁结果黄土高原东南缘邙山黄土的古地磁结果 中原邙山位于河南郑州市西北方向的黄河南岸， 是黄土高原与华北平原过渡带上最东南缘的黄土塬。邙山塬北侧出露良好的黄土剖面，其中以巨厚的中晚更新世黄土最引人关注。对颇具特色的位于黄土高原最东南端的中原邙山黄土古土壤序列开展精细的古地磁研究，一方面通过厘定邙山黄土的年代，为认识它所反映的构造与气候的耦合效应和黄河干流切穿三门峡的时代提供重要年代学信息 （蒋复初等, 1998；蒋复初等, 19

12、99；Jiang et al., 2007） ，同时对深入探讨古地磁界限在黄土高原甚至海陆的不一致性、 以及受近源物质影响的粗粒黄土层记录原生剩磁的可靠性等目前黄土古地磁研究中的热点问题具有重要的指示意义。 根据实测的岩石地层和详细的磁性地层分析结果，并结合粒度、磁化率及其它岩石磁学曲线特征，得出以下几点主要认识： 1) M/B极性转换界限记录于官峪剖面L8与S8的过渡层位， 与洛川剖面和三门峡曹村剖面记录的层位位置较为接近，而与黄土高原腹地多数剖面相比位置偏低； 与黄土高原腹地典型剖面类似， M/B极性转换表现为由负极性到正极性的多次反复倒转，极性转换带的厚6度约 70cm； 2) “上粉砂

13、层”L9厚度达 12m，与黄土高原内部的洛川剖面（约9m） 、南部的渭南剖面（约 9m）和东南的三门峡曹村剖面（8.9m）相比厚度明显增大，表明邙山黄土不仅中晚更新世地层厚度远远大于高原腹地同时代地层，同时其下部发育的L9的厚度也较黄土高原腹地典型剖面明显偏大； 3) 粒度分析结果表明：与三门峡曹村剖面相比，官峪剖面L9的中值粒径MD和反映粗粒组分含量的（63m）%数值都明显偏大，而主要反映远源粉尘源区成分的（2m /10m）%数值则二者相当，在某种程度上反映了该时期邙山黄土接受近源物质的显著增加；L9下部L9LL2亚层的（63m）%和MD值与L9LL1相比明显增大，可能指示了该区粗粒L9LL

14、2堆积时期的一次近源物质快速堆积过程，这一特点与黄土高原腹地典型剖面的L9LL1比L9LL2粒度稍粗的特点不一致； 4) 热退磁结果显示：该剖面L9记录了多个较厚的正、反极性段落。L9LL1总体上表现为正极性，部分样品经 200oC的热处理后剩磁强度衰减到NRM的 5以内，同时剩磁方向变得相当分散，难以获得可靠的特征剩磁分量；L9中部的弱发育古土壤亚层L9SS1记录了一个完整的反极性带；而下部的L9LL2记录了两个正极性带和一夹在其中的反极性带。 S9下部地层记录了一个厚约 0.9m的正极性带，之下为反极性带（未见底） ，表明地表出露部分未达Jaramillo的顶界； 75) 在目前对黄土高原

15、上同时段地层（S7L10）的年代已知的情况下，对该剖面获得的磁极性序列无法与国际标准地磁极性年表进行对比。而对于该剖面L9记录的多个较厚的正极性段落，很难被理解为短期正极性事件或极性漂移，而极有可能是重磁化的结果。与先前报道的三门峡曹村剖面L9LL1和L9LL2记录的两个完整的正极性带相比，邙山黄土L9更为复杂的热退磁结果和表现出的不完全重磁化特征，在某种程度上反映了黄土高原上粗粒黄土层记录原生剩磁的复杂性和不稳定性。因而高分辨率的古地磁测试分析并不往往意味着高分辨率的古地磁原生记录，甚至有时是“高度混染”的古地磁记录。 6) “上粉砂层”L9的重磁化可能具有一定的区域性特征。该结果同时对西部

16、黄土高原黄河阶地上发育的黄土古土壤序列的时限具有间接的指示作用。 2.1.2 提出提出 M/B 界限在黄土高原记录的穿时模型界限在黄土高原记录的穿时模型 以黄土高原东南缘典型剖面获得的高分辨率古地磁极性界限作为年代控制点，通过黄土-古土壤序列 1.1Ma以来的磁气候记录与近年来中、高纬度大西洋ODP/DSDP钻孔中获得的具有高分辨率古地磁年代约束的深海氧同位素记录进行了详细对比分析， 提出与传统的海陆对比不同的基于古地磁界线的海陆对比方案：M/B极性转换记录在曹村剖面S 的顶部，可对应深海沉积的MIS 19，而不是前人认为的MIS 21。 88初步认为，黄土/古土壤上下界面的穿时特征可能会导致在全球具同时性的M/B极性转换在黄土高原不同地区出现在不同的层位，即在对夏季风反映灵敏的黄土高原东南缘，M/B记录于S8的上部，而在黄土高原腹地和西北边缘区，M/B则可能出现在L8的底部和下部。从中国黄土发育的规模和特点来看， 不仅有从西北往东南厚度逐渐减小的趋势， 同时具有某一黄土层与其相邻的古土壤层的厚度比逐渐减小的特点， 反映了冰期时冬季风由