西昆仑山黄土1 Ma以来的粒度变化特征及其古气候意义

昝金波，杨胜利，方小敏

（1.中国科学院青藏高原研究所 大陆碰撞与高原隆升重点实验室，北京 100085；2.兰州大学 西部环境与气候变化研究院，兰州 730000）

西昆仑山黄土1 Ma以来的粒度变化特征及其古气候意义

昝金波1，杨胜利2，方小敏1

（1.中国科学院青藏高原研究所 大陆碰撞与高原隆升重点实验室，北京 100085；2.兰州大学 西部环境与气候变化研究院，兰州 730000）

塔里木盆地南缘保存有中国西北地区厚度最大的黄土，是详细研究亚洲内陆极端干旱区以及塔克拉玛干沙漠形成演化的理想材料。但是，目前对该地区黄土堆积粒度特征系统的研究还相对较少，对粒度指标的古环境意义仍存有不同的认识。通过对207 m黄土岩芯的粒度分析发现，西昆仑山黄土的粒度组成比较均一，分选较好，主要以粗颗粒物质为主，细颗粒含量极少，并具有典型的风成成因特征。此外，西昆仑山黄土粒度1 Ma以来呈现出持续变粗的趋势。通过与其他气候指标的对比，这种变粗的趋势可能主要反映了中更新世以来亚洲内陆逐步增强的干旱化过程。

中亚内陆；西昆仑山；黄土；粒度；干旱化

第四纪以来，中国黄土高原发育了数百米厚的黄土–古土壤序列，记录了丰富的古气候和地磁场信息（Liu et al，1985；An et al，1991，2001；Ding et al，1992；王飞等，2012；强小科等，2012），已成为可以与深海沉积物以及极地冰芯相媲美的全球变化研究的三大载体之一。前人研究表明，黄土–古土壤序列的粒度变化一方面受控于冬季风强度的变化，可以用来揭示北半球中纬度地带古风场乃至古大气环流变化的重要信息（Liu et al，1985；An et al，1991，2001；Ding et al，1992；Xiao et al，1992；Porter and An，1995；Lu et al，1999）；另一方面，对于靠近沙漠边缘地区的黄土沉积，其粒度组成同时还受控于沙漠的进退，黄土沉积中的砂粒含量可以用来间接反映干旱化过程引起的沙漠范围的变化（Ding et al，1999，2005）。目前，通过对该区风尘堆积的粒度分析，已成功获取了大量关于东亚冬季风强度以及沙漠范围变化的信息。

在全球范围内，中亚内陆是另一个重要的黄土分布区（宋友桂等，2010）。在塔里木盆地南缘，由于从吐鲁番风口进入塔里木的北东向低空西风和翻越帕米尔山谷的西风的联合作用，塔克拉玛干沙漠产生大量沙尘并沉降在盆地南部的西昆仑山山前地带，在和田—于田一带形成大面积的黄土堆积（周廷儒，1963；Fang et al，2002a）。这些黄土是详细研究塔克拉玛干沙漠发生发展过程及亚洲内陆干旱化演化过程及机制的重要材料。但是，目前对该地区黄土堆积粒度特征系统的研究还相对较少，同时对于粒度指标的古环境意义，是受控于大气环流强度的变化，还是受控于干旱区范围的变化，仍然存有不同的认识。为此，本文对2006年在该地区钻探获得的207 m黄土岩芯进行了系统的粒度分析，以期对上述问题做出解答。

1 黄土地层与实验方法

黄土钻探点位于新疆维吾尔族自治区策勒县博斯坦乡，西昆仑山北坡的一个草场上（图 1），海拔约3300 m，年均降雨量150～200 mm。由于降水极少，古土壤发育微弱，详细的地层划分困难。但根据岩性，207 m黄土岩芯大致上仍可以划分成10个黄土–古土壤地层单元（Zan et al，2010）。详细的古地磁分析揭示出布容/松山磁极性界线位于170 m处，年代约为0.78 Ma，据此推测207 m黄土岩芯底部年龄约在1 Ma（Zan et al，2010）。

图1 西昆仑山黄土钻探位置（白色五角星）及近地表风场（黄色箭头）（Sun and Liu，2006）Fig.1 Digital elevation map of the Tarim Basin showing the drilling location (white star), and yellow arrows indicate the main wind directions in the Tarim Basin (Sun and Liu, 2006)

西昆仑山黄土207 m岩芯粒度测试样品以10 cm为间隔进行取样，共获得样品约2000余块。此外，为了对不同地区风成沉积物的粒度特征进行对比，我们还对收集到的西昆仑山沙尘暴样品、洛川黄土样品（L1）以及天山北麓黄土表土样品（塔勒德黄土及东湾镇黄土）进行了粒度分析。样品前处理及测试按照目前通用的方法进行（Lu et al，1997）。所有样品都在中国科学院青藏高原研究所用Microtrac S3500激光粒度仪测试，该仪器测量范围为0.02～2000 μm，多次重复测量误差不超过1%。

2 西昆仑山黄土粒度组成和分布特征

西昆仑山钻孔黄土样品和现代沙尘暴样品的粒度频率分布曲线最为相似（图2），都呈标准的单峰分布，且众数均在40～50 μm，＜2 μm的颗粒含量极少。天山北麓塔勒德以及东湾地表黄土样品同西昆仑山黄土样品的粒度频率分布曲线相比，尽管也呈标准的单峰分布，但在主峰显著降低的同时，对应的粒径明显变细，说明这三类沉积物尽管同属风成堆积，但搬运方式有明显的不同。而洛川黄土与西昆仑山黄土相比，细颗粒组分的含量则有了大幅度的增加，粒度频率曲线在细颗粒组分处呈明显的细尾分布，主峰也显著降低，这些特征均表明西昆仑山黄土与洛川黄土可能有着不同的沉积条件和搬运方式。

图 2 不同地区典型风成沉积粒度频率分布曲线以及频率累积曲线特征Fig.2 Grain size distribution of representative samples from the West Kunlun Mountains loess and their comparisons with those of in-situ eolian dusts carried on by dust storms in the Taklimakan Desert and those of loess from the Chinese Loess Plateau and Tian Shan

与频率分布曲线一样，西昆仑山黄土和沙尘暴样品的粒度频率累积曲线也显示出极高的相似性（图2）。两者的频率累积曲线均表现为单段型，线形较陡且比较平滑，极细和极粗部分含量很少，反映出原始粉尘经过了良好的分选且搬运形式相对简单，以悬浮为主。西昆仑山黄土样品和沙尘暴样品粒度频率分布曲线和频率累积曲线所显示出的这种极高的相似性，表明西昆仑山黄土和沙尘暴样品的搬运形式一致，均以悬浮为主，具有典型的风成成因特征。

偏度SK、峰度KG和标准偏差(σ1）等粒度参数对沉积物的分选程度有着较好的指示意义（Folk，1974）。图3a表明，西昆仑山黄土的偏度值较小，分布在−0.1～ 0.3，属于近对称以及正偏的范围，且随着粒径的变粗有逐渐接近正态分布的趋势。峰度主要反映了沉积物粒度频率分布曲线中峰的高矮、宽窄的特征，可以揭示沉积物各组分的集中程度。西昆仑山黄土的峰度值较高，为1.1～1.5，属于窄峰的范围（图3b）。标准偏差主要反映沉积物颗粒的均一程度，与沉积物搬运动力条件密切相关。标准偏差越小，表明样品的分选程度越好。西昆仑山黄土的标准偏差集中在0.5～1.25（图3c），按照Folk（1974）的划分标准，大部分样品属于分选较好或中等的范围，分选程度要明显好于黄土高原地区的黄土堆积（Liu et al，1985）。上述各粒度参数显示西昆仑山黄土与典型的黄土高原地区风尘堆积的粒度分布特征有着明显的不同。西昆仑山黄土的粒度组成比较均一，分选较好，细颗粒含量极少，主要以粗颗粒物质为主。这些特征一方面说明其为塔克拉玛干沙漠的近源风成堆积，另一方面也表明其与典型的黄土高原地区粉尘堆积有着不同的搬运方式。

3 西昆山黄土岩芯各粒度参数记录的古气候变化

图4为西昆仑山黄土岩芯各粒级组分随深度的变化图，统计结果表明西昆仑山黄土以粗粉砂（30～63 μm）为主，其含量变化范围是30% ～65%，且90%以上样品粗粉砂含量大于40%；粘粒（＜5 μm）含量极少，多在8%以下，个别亚砂土层位的粘粒含量甚至接近于0；砂粒（＞63 μm）含量相对较多，大多数样品含量为10%～30%，在亚砂土层中甚至可以达到60%；而中粉砂（16 ～30 μm）与细粉砂（5～16 μm）两者含量之和大体上与砂粒的含量相当。可见，西昆仑山黄土粒度组成主要以粗粉砂和砂粒为主，两者相加可以达到50%～80%，而一些层位最高可以达到90%以上，这与黄土高原黄土的粒度组成有着显著的不同。如洛川黄土粒度组成主要以10～50 μm的粉砂组分（含量一般在45%～60%）为主，同时小于5 μm的粘粒组份（含量可以达到15%～25%）也有重要贡献（Liu et al，1985），而作为西昆仑山黄土重要组成部分的砂粒含量则极少，多数在10%以下。此外，从长期变化趋势来看，西昆仑山黄土粘粒、细粉砂和中粉砂三者变化趋势十分类似，其含量都有逐渐减少的趋势。而粗粉砂和砂粒的变化趋势则与这三者相反，其含量呈逐渐增多的趋势，说明1 Ma以来西昆仑山黄土的粒度组成有逐步变粗的趋势。

图 3 西昆仑山黄土各粒度参数与平均粒径的关系Fig.3 The relationships between Skewness versus mean grain size (a), Kurtosis versus mean grain size (b), and Standard Deviation versus mean grain size (c) for the Kunlun Mountains loess

图4 西昆仑山黄土岩芯各粒级组分随深度的变化Fig.4 Lithology and grain size records for the West Kunlun Mountains loess

西昆仑山黄土1 Ma以来呈现出逐渐变粗的趋势，是由该地区大气环流强度的变化导致，还是反映了中更新世以来亚洲内陆干旱化过程引起的沙漠范围的变化？前人的研究似乎为这一问题提供了有价值的线索。杨小平（1999）对塔克拉玛干沙漠南缘大河沿至克里雅河上游地区（接近我们的钻探点）风尘堆积的粒度组成研究，发现风尘沉积的粒度组成从北到南有明显的减小趋势，反映了沙漠进退对风成堆积粒度组成的重要影响。Ding et al（1999，2005）对毛乌素沙漠南侧末次冰期以来的几个黄土剖面进行的粒度研究，同样发现剖面离沙漠的位置越远，＞63 μm的砂粒百分含量越低，从而认为位于沙漠边缘地区的黄土沉积的粒度组成尽管受冬季风强度的变化所影响，但同时主要受控于沙漠的进退，黄土沉积中的砂粒含量可以用来间接的反映干旱化过程引起的沙漠范围的变化。此外，Tsoar and Pye（1987）的计算也表明，在中性大气（对流层和平流层）里中等风暴时，＞30 μm的颗粒不可能迁移到离源区30 km以外的地区，即使在极端强烈的风暴条件下，也只能运移几百公里。因此＞30 μm的颗粒多来自附近的源区，可以较好地记录粉尘来源地的信息。而西昆仑山黄土中的粒度组成更是以粗粉砂和砂粒为主，＞30 μm的颗粒含量占据了粉尘物质的60%～80%，一些层位最高甚至可以达到90%以上（图5a），说明塔克拉玛干沙漠的进退对西昆仑山黄土的粒度组成有着不可忽视的影响。因此，上述各粒度参数所显示的黄土颗粒组成的阶段性变化，很可能主要指示了塔克拉玛干沙漠的范围和干旱程度，而西昆仑山黄土各粒度参数1 Ma以来逐渐增加的趋势（图4），也很可能主要反映了中国西北内陆地区中更新世以来逐步的干旱化过程。

图5 西昆仑山黄土粒度指标（a）；朝那黄土粒度指标 (Lü et al，2001)（b）；柴达木盆地SG-3钻孔蒿藜比值（A/C）(Cai et al，2012)（c）；天山北麓东湾黄土剖面粒度（Fang et al，2002b）（d）；以及与北太平洋粉尘通量（Rea et al，1998）（e）等气候记录的对比本文根据粒度−年龄模式（Porter and An，1995），以标准极性柱的古地磁界限年龄作为控制点，对西昆仑山黄土剖面极性界限段内年龄采用＞30 μm的粗颗粒含量指标进行了线性内插，获得了西昆仑山黄土的年龄。Fig.5 Comparison of grain size (percentage content of ＞30 μm) records of the West Kunlun Mountains loess(a); grain size records of loess deposits in the Chaona sections on the Chinese Loess Plateau (Lü et al, 2001) (b); pollen proxy record (A/C: Artemisia/Chenopodiaceae) of core SG-3 in the western Qaidam Basin (Cai et al, 2012) (c); grain size records of loess deposits in Dongwan (Fang et al, 2002b) (d); and mass accumulation rate (MAR) of eolian deposits from the North Pacif c Ocean (ODP 885/886) (Rea et al, 1998) (e)

西昆仑山黄土岩芯所揭示的中更新世以来亚洲内陆逐步的干旱化过程也同样为其他一些地质资料所证实。黄土高原朝那黄土古土壤序列的粒度研究（Lü et al，2001），发现该地区粉尘堆积的颗粒组成中更新世以来有明显变粗的趋势，平均粒径由1～0.5 Ma的40 μm左右增加到之后的50 μm（图5b）。柴达木盆地SG-3钻孔孢粉记录显示（图5c），1 Ma以来蒿藜比值（A/C）呈现出持续降低的趋势，并在～0.9 Ma和～0.6—0.5 Ma发生有急剧的减少，揭示出亚洲内陆中更新世以来有持续的干旱化增强趋势（Cai et al，2012）。位于中国西北内陆地区的天山北坡东湾黄土粒度记录也同样表明亚洲内陆地区0.9 Ma以来呈现出强烈的干旱化趋势，并在0.5 Ma前后有过显著的干旱化增强和沙漠扩大（图5d）（Fang et al，2002b）。此外，已有的研究表明，北太平洋深海沉积中的粉尘堆积主要源自中亚内陆戈壁沙漠地区（Pettke et al，2000），其沉积通量主要受源区范围所控制，并被认为是反映亚洲内陆干旱源区范围变化的理想材料 (Rea et al，1998)。北太平洋ODP885/886孔的粉尘通量曲线表明(Rea et al，1998)，亚洲内陆粉尘源区范围在中更新世以来呈持续扩大的趋势，并在0.6～0.5 Ma达到最大值（图5e）。

但是，另一方面，由于两支西风绕流在钻探点附近的克里雅河流域发生了汇合（图1），可以为粉尘堆积提供强大的搬运动力（Fang et al，2002a），因此西风环流对西昆仑山黄土粒度记录的影响同样需要考虑。值得强调的是，目前对于西风环流变化的认识还比较匮乏，不同学者通过不同的材料得到的结果也不尽相同（Sun，2004），因此其对西昆仑山黄土颗粒组成的影响还需要今后进一步的研究。

4 结论

（1）西昆仑山黄土样品各粒度参数与该地区沙尘暴样品显示出极高的相似性，表明西昆仑山黄土和沙尘暴样品的搬运形式一致，以悬浮为主，并具有典型的风成成因特征。与天山黄土以及黄土高原洛川黄土相比，西昆仑山黄土的粒度组成比较均一，分选较好，细颗粒含量极少，主要以粗颗粒物质为主。这些特征一方面说明其为塔克拉玛干沙漠的近源风成堆积，另一方面也表明其与另外两个地区的粉尘堆积可能有着不同的沉积环境和搬运方式。

（2）西昆仑山黄土粒度1 Ma以来呈现出持续变粗的趋势。通过与其他气候指标的对比，这种变粗的趋势可能主要反映了中更新世以来亚洲内陆逐步增强的干旱化过程，而西风环流强度对其长期变化趋势的影响还需要今后进一步的研究。

强小科, 孙玉芳, 陈 艇, 等. 2012. 末次冰期以来黄土高原粉尘沉积的岩石磁学空间特征[J]. 地球环境学报, 3(2): 810 – 818. [Qiang X K, Sun Y F, Chen T, et al. 2012. Mineral magnetism and the spatial comparison of the loess sediments in Loess Plateau since the last glacial period [J]. Journal of Earth Environment, 3(2): 810 – 818.]

宋友桂, NIE Jun-sheng, 史正涛, 等. 2010. 天山黄土磁化率增强机制初步研究[J].地球环境学报, 1(1): 66 –72. [Song Y G, Nie J S, Shi Z T, et al. 2010. A preliminary study of magnetic enhancement mechanisms of the Tianshan Loess [J]. Journal of Earth Environment, 1(2): 66 –72.]

王 飞, 孙东怀, 郭 峰, 等. 2012. 黄土高原灵台剖面过去7 Ma古温度、古降水的半定量重建[J]. 地球环境学报, 3(2): 781–791. [Wang F, Sun D H, Guo F, et al. 2012. Quantitative reconstruction of paleo-temperature and paleo-precipitation of Lingtai prof le in Loess Plateau during the past 7 Ma [J]. Journal of Earth Environment, 3(2): 781–791.]

杨小平. 1999. 克里雅河流域风成物质的粒度分析与讨论[J]. 第四纪研究, 19(4): 373–379. [Yang X P. 1999. The grain size of the windborne sediments in the areas of keriya river (northwestern china) and its paleoenvironmental interpretation [J]. Quaternary Sciences, 19(4): 373–379.]

周廷儒. 1963. 新疆第四纪陆相沉积的主要类型及其和地貌气候发展的关系[J]. 地理学报, 29: 109 –129. [Zhou T R. 1963. Main types of Quaternary continental sediments in Xinjiang and their relationships with geomorphologic and climatic changes [J]. Acta Geographica Sinica, 29: 109–129.]

An Z S, Kukla G., Porter S C, et al. 1991. Late Quaternary dust flow on the Chinese Loess Plateau [J]. Catena, 18: 125–132.

An Z S, Kutzbach J E, Prell W L, et al. 2001. Evolution of Asian monsoons and phased uplift of the Himalaya–Tibetan Plateau since Late Miocene times [J]. Nature, 411: 62–66.

Cai M T, Fang X M, Wu F L, et al. 2012. Pliocene— Pleistocene stepwise drying of Central Asia: Evidence from paleomagnetism and sporopollen record of the deep borehole SG-3 in the western Qaidam Basin, NE Tibetan Plateau [J]. Global and Planetary Change, 94–95: 72–81.

Ding Z L, Derbyshire E, Yang S L, et al. 2005. Stepwise expansion of desert environment across northern China in the past 3.5 Ma and implications for monsoon evolution [J]. Earth and Planet Sciences Letter, 237: 45–55.

Ding Z L, Rutter N W, Han J T, et al. 1992. A coupled environmental system formed at about 2.5 Ma over eastern Asia [J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 94: 223–242.

Ding Z L, Sun J M, Rutter N W, et al. 1999. Changes in sand content of loess deposits along a north— south transect of the Chinese loess plateau and the implication for desert variations [J]. Quaternary Research, 52: 56– 62.

Fang X M, Lü L Q, Yang S L, et al. 2002a. Loess in Kunlun Mountains and its implications on desert development and Tibetan Plateau uplift in west China [J]. Science in China (Series D), 45: 289–299.

Fang X M, Shi Z T, Yang S L, et al. 2002b. Loess in the Tian Shan and its implications for the development of the Gurbantunggut Desert and drying of northern Xinjiang [J]. Chinese Science Bulletin, 47: 1381–1387.

Folk R L. 1974. Petrology of sedimentary rocks [M]. Austin: Hemphill Publishing Company, 182.

Liu T S. 1985. Loess and the environment [M]. Beijing: China Ocean Press.

Lu H Y, An Z S. 1997. The inf uence of pre-treatment on grainsize analysis results of loess [J]. Chinese Science Bulletin, 42: 2535–2538.

Lu H Y, Liu X D, Zhang F Q, et al. 1999. Astronomical calibration of loess-paleosol deposits at Luochuan, central Chinese Loess Plateau [J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 154: 237–246.

Lü L Q, Fang X M, Mason J A , et al. 2001. The evolution of coupling of Asian winter monsoon and high latitude climate of Northern Hemisphere [J]. Science in China (Series D), 31: 185–191.

Pettke T, Halliday A N, Hall CM, et al. 2000. Dust production and deposition in Asia and the north Pacific Ocean over the past 12 Myr [J]. Earth and Planet Sciences Letter, 178: 397– 413.

Porter S C, An Z S. 1995. Correlation between climate events in the North Atlantic and China during the last glaciation [J]. Nature, 375: 305–308.

Rea D K, Snoeckx H, Joseph L H. 1998. Late Cenozoic eolian deposition in the North Pacific: Asian drying, Tibetan uplift, and cooling of the northern hemisphere [J]. Paleoceanography, 13: 215–224.

Tsoar H, Pye K. 1987. Dust transport and the question of desert loess formation [J]. Sedimentology, 34: 139–153.

Sun D H. 2004. Monsoon and westerly circulation changes recorded in the late Cenozoic aeolian sequences of Northern China [J]. Global and Planetary Change, 41: 63–80.

Sun J M, Liu T S. 2006. The age of the Taklamakan Desert [J]. Science, 312: 1621.

Zan J B, Fang X M, Yang S L, et al. 2010. A rock magnetic study of loess from the West Kunlun Mountains [J]. Journal of Geophysical Research, 115, B10101, doi:10.1029/2009JB007184.

Grain size composition of West Kunlun Mountains loess in the past 1 Ma and its paleoclimatic implications

ZAN Jin-bo1, YANG Sheng-li2, FANG Xiao-min1
(1. Key Laboratory of Continental Collision and Plateau Uplift, Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；2. Research School of Arid Environment and Climate Change, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Hundreds of meters of loess were deposited on the northern slope of the Kunlun Mountains area, which provide a great potential to reconstruct the aridification history of the interior Asia. However, data regarding the grain size distribution of these loess deposits are relatively scarce, and paleoenvironmental interpretations of grain size records remain controversial. For this study, detailed bulk grain size studies were conducted for a 207-m-long loess core on the northern slope of the West Kunlun Mountains. We f nd that the grain size of the loess core shows a much coarser fraction than that on the central Loess Plateau as the deposition here is much closer to the desert source area. In addition, the grain sizes of dusts collected at the drilling site show the same grain size composition as those of the loess from the core, indicating an aeolian origin for the West Kunlun Mountains loess. The granulometry demonstrates a long-term upward increasing trend over the past 1 Ma, which might be caused by a persistent drying of Central Asia in the Mid-Pleistocene.

Central Asia; West Kunlun Mountains; loess; grain size; aridif cation

P532

：A

：1674-9901(2014)02-0120-07

10.7515/JEE201402009

2013-12-31

国家自然科学基金项目（41321061，41102101）；中国科学院战略性先导科技专项（XDB03020401）

昝金波，E-mail: zanjb@itpcas.ac.cn