黄土中的气候变化秘辛

"我家住在黄土高坡，大风从坡上刮过…"

在中国北方有一片古老的大地，它身着黄衣裳，被叫作黄土高原。千百年来，黄土高原一直守着一个古老的秘密，直到一个叫刘东生的科学家和他的团队开始破解它。

"黄土地是我们世世代代休养生息的地方，它是一个巨大的地质文献库，隐含着地球环境变化的各种信息，它像一把钥匙，能够解开无数的谜。"

--"黄土之父"刘东生

新近纪古气候环境的历史藏在大自然用密码写就的一本本"秘笈"当中，世界各地的科学家们正在解释和读懂这些"秘笈"，其中最广泛流传的三本包括：深海沉积、极地冰芯和中国的黄土。

黄土高原是迄今为止被发现的历时最长（约 2000 余万年）、最完整的陆地古气候记录保存者之一。黄土高原是由黄土构成的。

那什么是黄土呢？

形象地说，黄土就像人们常见的、发生在我们身边的"沙尘暴"的堆积物。

简单的说，黄土是一种风成沉积的产物，也就是风吹过来的沙尘落下之后，在气下（相对于水下）沉积形成，主要由粒径为 0.01～0.05 mm 的粉砂级颗粒组成，成分包括石英（约占 60%）、长石、云母等和少量重矿物，富含碳酸（7%～30%）。黄土多大孔隙、松软且具有湿陷性。

黄土又从哪儿来呢？

20 世纪初，中国乃至世界地学界对黄土高原的成因进行过热烈的讨论，并提出了风成说、水成说、残积说和多成因说等多种学说。经过多年的野外科学考察，刘东生和伙伴们发现：黄土高原的黄土，从西北到东南越来越薄、越来越细；这些黄土的矿物成分不同于当地基岩的矿物成分，却与中亚、蒙古等地的戈壁滩、沙荒地的矿物成分相同……。

由此他们肯定并发展了"新风成说"：

第四纪时期，青藏高原的存在和抬升，阻挡了从印度洋吹来的西南季风的侵入，大陆内部的气候变得越来越干，从而有利于风尘的生成和搬运。远古地质时期的西北冬季风将中亚和蒙古高原地区的黄色粉尘源源不断地吹向东部，颗粒较大的粗砂留在了新疆和内蒙古，并在那里形成大片沙漠和戈壁。其余的粉尘物质随风继续南下被青藏高原和秦岭挡住了去路，向东受制于太行山，最终在甘肃、陕西、山西一带沉降下来。同时随着风力的减弱，粗的粉尘颗粒被抛撒下来，然后是中等颗粒，最后是细小颗粒。这一地区降雨少，属于半干旱地区，有利于以粉砂为主体的沉积物的保留，逐渐叠覆形成黄土高原。

黄土展现气候变化的原理与机制

厚重的黄土主要是 260 万年来风力以沙尘暴的形式所形成的，而沙尘暴多发于干旱时期。在黄土形成的历史过程中，干旱的气候时期与暖湿的气候时期相互交替，从而在黄土地层上呈现出黄土与古土壤的更替变化。黄土高原的风尘沉积（黄土和古土壤）可以直接指示其物质来源区的干旱化过程、风力搬运的动力学机制；沉积速率、粒度变化等。而这些还可以与极地冰芯与深海沉积中的相应部分对应。它在告诉我们黄土沉积的时空特征和规律的同时，还可以帮助我们解读其他两本"秘笈"。

中国的沙尘暴事件受西伯利亚高压的影响，与西北方向吹来的风有关；而黄土高原的降水则主要是受来自东南方向的夏季风的影响，同海水的温度以及海洋与大陆之间的距离有关。黄土高原的主要气候控制因素 -- 冬季风和夏季风，如实地把全球冰期和间冰期的气候状况传送到亚洲大陆内部形成黄土高原；而黄土高原的黄土和古土壤层则忠实地把区域性的和全球性的气候信息记录于自身的密码之中。

黄土颜色指示的古气候

黄土与古土壤的颜色不同。铁是黄土地层中的稳定元素，既不会迁出也不会丢失，只发生价态的变化。土壤红度的差异主要与铁氧化物的含量变化有关。古土壤发育期气候相对温湿，土壤中铁被氧化，形成磁铁矿和部分赤铁矿，导致红度偏高，此外风化成壤作用的加强导致不稳定粗粒铁氧化物易分解、细粒级铁氧化物增多，使土壤颜色加深；反之，黄土堆积期气候相对冷干，铁氧化物含量低，红度偏低。因此，黄土 - 古土壤序列中的颜色变化可以反映受夏季风环流强度控制的风化成土作用的强弱，用于古夏季风强度的重建。

黄土粒度指示的古气候

在黄土沉积中，粒度粗细代表风力的强度，可作为冬季风强弱的指标。一般来说，在气候较为干冷的时期，风力较强，沉积物中颗粒物较粗，粒径较大；而在气候较为温暖的时期，沉积的颗粒物细，粒径较小。因此，研究黄土剖面粒度组成及其特征，有利于了解黄土沉积时期形成环境。

黄土磁化率指示的古气候

黄土磁化率的高低与其经历的风化或土壤化强度密切相关，风化程度决定了磁铁矿的生成量及其颗粒的细小程度，从而决定了磁化率的高低。古土壤层的磁化率值比黄土层的高，黄土地层中的磁化率记录了第四纪古气候变化，可以作为东亚夏季风的替代性指标。

案例：

中国黄土记录千年尺度气候波动

古浪（红色）和靖远（黑色）黄土剖面平均粒度与 NGRIP 冰芯 δ18O（蓝色）和 Ca2+（橙色）记录以及葫芦洞（紫色）和 Wulu 洞（绿色）石笋 δ18O 的比较。天蓝色条表示三个记录中确定的类 Heinrich 事件。黑色数字（7-17, 34-60 kyr）表示在三个记录中确定的对应良好的 D-O 事件。在 20-34 kyr 区间内，古浪黄土剖面粒度记录显示了 13 个不同的事件（标记为"a"到"m"）。

*D-O 旋回：指在对格陵兰冰芯的研究中发现，末次冰期内该地区的气候发生了一系列千年级的快速的、大幅度的冷暖变化事件，即 D-O 旋回。每一个暖期之后紧接着是一个冷期，气温可在短短几十年内变动。

*Heinrich 事件：指以北大西洋发生大规模冰川漂移事件为标志的，代表大规模冰山涌进的气候效应而产生的快速变冷事件。在整个末次冰期气候背景下，北大西洋共发生了 6 次强烈的冰川漂移事件，即代表发生 6 次大的 Heinrich 事件。

黄土沉积物在轨道尺度上与全球气候关系密切，可以记录千年 - 百年尺度的快速气候事件。D-O 旋回及 Heinrich 事件在中国的黄土中都有记录。

黄土研究的学术史

第四纪时期的气候变化一直是第四纪研究的核心问题。第四纪冰期理论萌发于 18 世纪后 20 年和 19 世纪的早期，在学术界很长时间受 Penck 和 Broneck 研究阿尔卑斯山岳冰川的进退而提出的经典的四次冰期理论的束缚，一直沿用这个模式来认识第四纪气候变化的规律。

直到 20 世纪 50 年代，Emiliani 对加勒比海沉物中有孔虫介壳的氧同位素的研究以及刘东生对中国黄土 - 古土壤叠覆的研究分别从较短的时间尺度和整个第四纪长的时间尺度对经典的四次冰期理论提出了挑战。

之后国际上大洋钻探计划的实施获得的深海沉积记录以及极地冰芯记录的第四纪气候变化的多旋回特征被国际学术界所承认，中国黄土 - 古土壤系列也被国际学术界广泛接受，成为反映第四纪气候多旋回特征的最为完整的陆相沉积记录。中国黄土与深海沉积和冰芯一起，成为古全球变化研究的三大支柱。中国黄土 - 古土壤序列研究所获得的各种替代性指标所得到的古气候变化的曲线成为国际对比的标准。

黄土这部厚厚的书，记录着环境的变迁，她期待着我们更深入的解读...

参考文献：

• [1] 刘东生.黄土与环境 [J].西安交通大学学报 (社会科学版),2002 (04):7-12.

• [2] 韩家懋.刘东生与中国黄土研究 [J].化石，2004 (02):10-13+1.

• [3] 焦译漫.中国黄土及其古气候意义 [J].科技风，2019 (11):226.

• [4] 刘秀铭，刘东生，Friedrich Heller, 许同春.中国黄土磁化率与第四纪古气候研究 [J].地质科学，1992 (S1):279-285.

• [5] Sun, Y., Clemens, S., Morrill, C. et al. Influence of Atlantic meridional overturning circulation on the East Asian winter monsoon. Nature Geosci 5, 46-49 (2012). https://doi.org/10.1038/ngeo1326

• [6] 揭开黄土的秘密，刘东生的故事 https://www.meipian.cn/ 31bscecj

• [7] 黄土高原（中国地形区）_百度百科 https://baike.baidu.com/ item/% E9% BB%84% E5%9C%9F% E9% AB%98% E5%8E%9F / 198310?fr=aladdin

• [8] 黄土磁化率_百度百科 https://baike.baidu.com/ item/% E9% BB%84% E5%9C%9F% E7% A3%81% E5%8C%96% E7%8E%87/362123?fr=aladdin

本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：李永丽，部分专业文字内容修改：周鑫老师，编辑：行思，美编：李莹，后期：江陵