中国北方霍布沙漠干化的第四纪历史及其驱动机制

时间:2026年1月25日
来源:Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology

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霍布格沙漠古磁学年代学研究揭示干旱化历史,发现轨道周期变化与青藏高原抬升共同驱动1.1万年前干旱加剧,0.38万年前湿润期与东亚季风增强相关。

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蔡茂堂|杨兴晨|张志高|李新玲|周秋雨|周远健
中国地质科学院地质力学研究所,北京100081

摘要

中国北部的霍布沙漠是中国黄土高原的主要近源沉积物来源,该地区的沉积序列对于理解内陆亚洲的干旱化历史至关重要。本文提供了在霍布沙漠钻取的402米厚DK岩芯的古地磁年表。利用这一年表,我们结合粒度和环境磁学指标重建了第四纪的干旱化过程。研究结果表明,该地区至少在250万年前就已存在沙漠环境。约110万年前,干旱程度显著加剧,这与整个亚洲中更新世的广泛干燥现象相吻合。对风成砂成分的谱分析显示,轨道周期从110万年前之前的主要40千年周期转变为之后的主要100千年周期。这一变化与中更新世转型期相吻合,表明全球冰量变化和青藏高原的阶段性抬升是导致这种气候变化的驱动因素。约38万年后,由于亚洲夏季季风的增强和向北迁移以及区域构造活动,该地区转为湿润环境。我们得出结论,霍布沙漠的长期演变受到全球轨道尺度气候强迫和区域构造因素的共同影响。

引言

中国北部的沙漠是中国黄土高原的主要尘埃和沉积物来源(Liu, 1985),它们的演变直接记录了亚洲内陆的干旱化过程。这些沙漠的形成和演变不仅反映了区域气候变化,还与青藏高原的抬升、东亚季风系统的演变以及全球冰量波动等过程密切相关(An et al., 2001; Guo et al., 2002; Clark et al., 2006; Zan et al., 2018; Sun et al., 2019; Fang et al., 2020; Han et al., 2020)。因此,准确确定沙漠形成的时间及其后续演变历史对于深入理解亚洲尘埃循环、季风动态和内陆干旱机制具有重要的科学意义。
近年来,关于中国主要沙漠(如腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠和塔克拉玛干沙漠)的形成时间和演变过程的研究取得了进展(Zheng et al., 2003; Ding et al., 2005; Sun et al., 2009; Chang et al., 2012; Li et al., 2014a; Wang et al., 2015; Fan et al., 2019; Liu et al., 2021)。然而,霍布沙漠是一个例外,它位于东亚季风的边缘地带,是中国黄土高原的重要近源沉积物来源。关于其形成时间、演变阶段和驱动机制的研究仍较为有限。尽管已经取得了一些进展,但关于霍布沙漠的形成时间仍存在争议,有观点认为其形成时间介于晚更新世-全新世(Sun et al., 2006; Fan et al., 2013; Yang et al., 2016a)、中更新世(Yan, 2004)甚至早更新世(Li et al., 2017)之间。关于沙漠形成的机制,目前主要观点认为晚更新世至全新世期间霍布沙漠沙丘的形成要么归因于人类活动,要么归因于黄河带来的沉积物增加(Fan et al., 2013; Yang et al., 2016b);另一种观点则强调这一过程主要是由气候因素驱动的,特别是通过亚洲冬季季风对当地河流和湖泊沉积物的风搬运作用(Li et al., 2017)。这种争议源于缺乏连续的高分辨率沉积记录。总体而言,中国北部沙漠的演变主要受青藏高原阶段性抬升和高纬度冰期-间冰期循环的控制(Li and Fang, 1999; Fang et al., 1999; Lu et al., 2019)。然而,最近对腾格里沙漠的研究表明,低纬度的轨道尺度变化(尤其是400千年的偏心率周期)也影响了东亚季风降水,从而影响了沙漠的演变(Liu et al., 2021)。这一新观点是否适用于霍布沙漠仍有待验证。
本研究结合了霍布沙漠岩芯的高精度古地磁测年、粒度分析和环境磁学数据,建立了自第四纪以来的时间框架。具体而言,这些数据用于构建高分辨率的干旱记录,揭示了周期性的湿润-干燥变化。因此,该研究为了解中国沙漠系统的演变以及轨道强迫、区域构造和内陆干旱过程之间的耦合关系提供了关键的新证据。

地质背景

霍布沙漠是一条狭长的带状区域,位于中国北部抬升的鄂尔多斯高原与下沉的河套盆地之间的过渡坡地上。其北部边界由黄河界定(图1)。它是靠近中国黄土高原的主要沙漠之一(Zhu et al., 1980),平均海拔约为1200米。西部和北部的景观以活跃的沙丘为主,而半固定和固定沙丘主要分布在其他区域

岩芯描述

所研究的岩芯DK(北纬40°26.65′,东经107°12.82′,图1)于2017年通过旋转钻探在霍布沙漠西部边缘获得。岩芯段采用塑料套管固定,并在两端密封。在实验室中,岩芯被纵向切割成厚度为2厘米的切片。总钻探深度为402米,平均沉积物回收率为96%。DK岩芯中的沉积物以细砂和粉砂为主

χ-T曲线、磁滞回线和IRM采集曲线

通过磁滞回线和热磁曲线分析来评估剩磁的磁载体。根据磁滞回线的形状和温度依赖性磁化率曲线(χ-T曲线)(图3),将DK岩芯的典型样品分为三类。对于第一类样品,χ-T加热曲线在约580℃时磁化强度突然减弱,表明磁铁矿是主要的磁载体。

讨论

具有单一电磁成分的碎屑沉积物的粒度分布应代表单一的沉积过程和沉积环境(Ashley, 1978; Fan et al., 2019)。通过与已知来源的沉积物样本进行比较,可以确定这些电磁成分的来源。EM1(模态粒径约5微米)的GSD曲线与现代深湖沉积物的GSD曲线一致(Yin et al., 2008; Li et al., 2014b)。颗粒组成

结论

霍布沙漠DK岩芯的高分辨率记录显示,该地区至少在250万年前就已存在沙漠环境。约110万年前,干旱程度显著加剧,表现为磁化率和风成砂成分的明显变化。这种干旱化与轨道周期从40千年转变为100千年的变化相关,表明中更新世转型期的全球降温和冰盖扩张是关键驱动因素

作者贡献声明

蔡茂堂:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 初稿,监督,资源获取,调查,数据分析,概念化。杨兴晨:撰写 – 审稿与编辑,软件使用,方法学研究,资金获取。张志高:撰写 – 初稿,方法学研究,调查。李新玲:撰写 – 审稿与编辑,软件使用,方法学研究,数据管理。周秋雨:方法学研究,调查。周远健:方法学研究,

未引用参考文献

Nie et al., 2015
Yang et al., 2018

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能构成利益冲突:
蔡茂堂表示获得了国家自然科学基金的资助。张志高表示获得了河南省科技部门的资助。如果还有其他作者,他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响研究结果

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(项目编号:42102236)的支持。

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