古环境变迁的研究方法.docx

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古环境变迁的研究方法

古环境变迁的研究方法

摘要：

新世纪古环境变迁的历史就像藏在大自然中的一本本“秘籍”，不仅可以使我们认清楚以往气候的变迁，同时还能帮助我们了解当代气候的变化。

因此，对古环境变迁的研究变得日益重要。

本文主要介绍了四种研究古环境变迁的方法，分别介绍了其在古环境中得研究意义以及当前的研究现状。

引言

地球环境由大气圈、水圈、岩石圈〔土壤-岩石圈〕和生物圈所组成，在地球史上它们是逐步地，相继地发生、发展、形成和演化的。

自然作用是地球环境变化的主控因素，主导着环境演化的方向和趋势，人类在绝大部分时间内处于适应环境求生存的被动状态，对气候与环境不构成重大影响。

但自工业革命以来，随着人口的剧增、科学技术的高速发展和生产规模的不断扩大，人类活动对环境与气候的影响逐步加大，而且这种影响仍在与日俱增，已经成为影响全球环境变迁的不容无视的重要因素。

如果人类活动不加以控制和改善，它对环境和气候的影响将是危害性的。

要了解人类活动对地球系统所产生的影响，必要且最关键的前提条件是要了解地球系统本身存在的自然变化规律和引起这些自然规律的机制，只有明确了全球环境变化的自然规律，才能深入的研究人类活动对环境的影响过程和影响机制，才能更准确的预测未来的走向，为全球可持续发展提供更科学的依据。

因此，对古环境变迁的历史的研究变得十分重要。

本文主要从反应古环境变化的四种指标：

磁化率、全氧化铁含量、有机质含量和有机质的

值出发，总结前人的研究经验，分别介绍了四种古环境变迁的研究方法。

1.环境磁学

环境磁学是一门介于地球科学、环境科学和磁学之间的应用岩石磁学和矿物磁学技术去恢复环境过程、重塑环境演化历史的一门边缘科学。

其原理是测量土壤、沉积物和岩石等自然物质和人类活动产生的物质在人工磁场中的磁性响应，提取地质一地理环境的信息。

任何环境物质都有一定的磁性特征。

天然物质的磁性特征主要由磁参数来反映。

天然样品磁性矿物特征和晶粒度的主要磁参数有：

磁化率（

）、饱和等温剩磁〔SIRM〕、剩磁矫顽力{〔Bo〕cr}、磁化率频率系数（kfd％）、“软”剩磁（IRMS）、“硬”剩磁（IRMh）、天然剩磁（NRM）、饱和磁化强度（Mr）及饱和剩磁与磁化率比值（SIRM／k）比值等等。

对环境研究来说，最有用的矿物磁性特征已证明是磁化率和等温剩磁。

目前环境磁测中常用的磁测仪器有磁化率仪和磁通门磁力仪。

环境磁学研究涉及大气圈、水圈和岩石圈中的磁性颗粒，能为全球环境变化、气候过程和人类活动对环境的影响等研究提供有价值的资料，其研究范围迅速扩大，已成为当前国际全球变化研究的热点。

环境磁学应用于古气候与古环境变化方面的研究应该是最广泛和最多的，主要集中在在湖泊沉积物、海洋沉积物和黄土等的研究上。

以下介绍环境磁学在湖泊沉积物、海洋沉积物以及黄土方面的研究现状

1.1湖泊沉积物

研究证明，湖泊沉积物的磁化率是研究环境变迁的一个重要指标。

湖泊沉积物的矿物磁性特征一般与特定的源区及其作用过程有关。

可以通过湖泊磁化率的变化比照同一湖泊汇水区的地层。

湖泊沉积物磁化率变化的直接原因是湖泊流域带入湖内的磁性颗粒数量和成分发生变化。

湖泊中大部分沉积物来自其周边流域，周边环境的变化如河流袭夺、滑坡引起的基岩裸露、燃烧引起的地表剥蚀、气候变化引起的风化作用等，都可以引起湖泊沉积物磁化率值的升高。

如森林、草场火灾会导致表土层磁性明显增强，这些物质由径流带入湖泊，在沉积序列中保留了火灾事件的“痕迹”。

Oldfield等（1980）等推广磁性测量鉴别出巴布亚新几内亚高原4次火山喷发事件。

Ngobi等（1998）研究了东非Victoria湖泊晚更新世和全新世沉积物的矿物磁性特征，进行了地层比照和划分。

Crockford等（1998）提出矿物磁性特征的变化可以判别河流和湖泊沉积物的来源。

Lanci等（1999）利用矿物磁性记录讨论了晚第四纪气候的变化。

湖泊沉积物沉积后，其中细菌成因的磁铁矿及其磁性特征研究也倍受关注（Snowball等，1994），此外，成岩过程中自生成因的亚铁磁性铁硫化物，如胶黄铁矿很常见，其磁学特征同样可以用来指示环境变化。

胡守云等（1998）对呼伦湖沉积物的环境磁学研究揭示，磁化率的高（低）相应地指示湿润（干旱）的气候及较高（低）的湖面，在高湖面、高有机碳含量的情况下，沉积环境相对复原，自生的亚铁磁性铁硫化物成为导致呼伦湖沉积物磁化率增强的主要磁性矿物。

1.2海洋沉积物

海洋沉积物也是环境磁学的理想场所之一，深海钻探计划〔DSDP〕和海洋钻探计划（ODP）已做了很多工作，如运用磁化率曲线进行沉积物比照和测年；识别气候循环周期和变迁特征；

陆源物质注入量及沉积后的复原作用等。

Robinson（1986）通过研究北大西洋晚更新世深海沉积物岩心，首次令人信服地证明了海洋沉积的某些磁学性质和古气候之间确实相互关联。

他发现冰期沉积物磁性矿物含量高、

含量低、冰筏沉积增多，间冰期沉积则与之相反。

这种富含冰筏碎屑的周期性深海沉积（Heinrich层），是晚更新世北大西洋沉积的典型特征，可以通过磁化率测量识别出来（Kissel等，1999）。

浅海陆架和陆坡海洋沉积物中磁性矿物主要来自陆源，而深海盆地沉积物中的磁性矿物则往往来自火山喷发（Nowaczyk，2003）。

海洋沉积物中细菌成因的磁铁矿一般是在缺氧条件下形成，磁铁矿多为单畴，是剩磁的良好载体（Thompson等，1986）。

与湖泊沉积物沉积后一样，海洋沉积物沉积后，磁性矿物可发生复原溶解（Robinson等，2000），成岩过程中自生成因的亚铁磁性铁硫化物，如胶黄铁矿及磁黄铁矿也常见，此外，海洋沉积物中自生作用形成的磁赤铁矿和细菌成因的胶黄铁矿也有报道（Roberts等，1993）。

1.3黄土

黄土及其中的古土壤研究在中国开展较早，取得的成果也最多。

中国黄土高原黄土地层由多层黄土和古土壤叠覆而成，是一种记录第四纪气候波动历史的十分理想的信息载体。

由于黄土的沉积环境变化不大，磁化率的高低主要决定于成土作用及其细小磁性物质产生的多少，所以，开展黄土磁性矿物研究可揭示古气候的变化规律（朱日祥等，1994）。

李华梅等（1974）最早进行了中国黄土磁化率测量，并注意到了古土壤与黄土磁化率的明显差异。

Mullins（1977）认为黄土堆积时期气候干冷，古土壤形成时期气候暖湿，黄土的磁化率低，古土壤的磁化率高。

Heler等（1982）在研究陕西洛川黄土后，指出天然剩磁（NI）和磁化率的强度变化对黄土沉积期间的气候变化具指示性，中国黄土一古土壤磁化率曲线与深海沉积物氧同位素曲线能很好地进行比照（Liu，1996），意味着中国风尘堆积、大陆冰量与全球气候之间存在密切的内在联系，说明中国黄土是全球气候变化最好的陆相记录之一。

研究说明，磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿和针铁矿是黄土-古土壤中主要的磁性矿物，但是磁铁矿是导致古土壤磁化率增强的主要矿物，磁赤铁矿对古土壤磁化率增强有一定的奉献，而赤铁矿和针铁矿却对磁化率的奉献可忽略，它们不是黄土-古土壤层序中古气候磁性记录的良好载体。

中国黄土是一种典型的风成沉积，Thistlewood（1991）的研究说明，黄土中磁性矿物颗粒的长轴方向与黄土沉积时的主导风向呈一致的趋势，肖华国等（1998）也发现黄土-古土壤序列中粗颗粒含量和磁化率曲线与冬、夏季风变迁存在相互关联，从而可用来恢复古风场。

1.4存在的不足

环境磁学是一门新兴的学科，其中有许多问题仍处于探索阶段，尚存在不足，如磁细菌引起磁性矿物含量变化；沉积后复原性成岩作用改造先存的磁性矿物，削弱甚至破坏环境磁信号，引起磁参数解释的多义性；对于不同粒径和类型磁性矿物的磁参数奉献等（Kelso等，2002），还有待于进一步研究；此外，有关磁性息的定量化及新型磁参数和磁测仪器的开发等亦尚待深入做工作。

但是，实践证明环境磁学是一门富有生命力和广阔应用前景的学科（Uchida等，2003；刘育燕等，2003）

2.全氧化铁含量

2.1古环境意义及研究现状

地质历史时期的气候、自然环境或生态系统都会以不同方式和不同程度在相应的地质体中留下记录。

从这些地质中提取反应相关气候、环境的定性或定量信息是重建不同时期和不同地区古气候、环境的基础。

铁是土壤的重要组成部分,在地表风化过程中,铁从原生矿物中别离出来,形成铁氧化物。

土壤中游离铁氧化物被认为是土壤发生和发育的函数,在相同或相近的pH、降雨量、气温、排水状况等成土环境下,常用于评价土壤发育程度和推断相对成土年龄（黄成敏,2002;陈家坊,1983）。

因此探讨黄土-古土壤风尘序列中铁氧化物化学和矿物学形态特征对土壤演化与环境演变具有重要意义。

土壤剖面中的铁,基本上由母质提供。

第四纪红土母质中的原生含铁矿物在成壤化过程中,由于强烈的生物作用而大量分解,易溶组分大量淋失,残存铁、铝。

在强烈的红土〔壤〕化过程中,铁、铝进一步别离,形成的游离状铁在富里酸、胡敏酸等有机酸的作用下,可作短距离的迁移并被粘土矿物吸附,在其外表形成铁质粘粒胶膜。

这种土壤呈片状或条状结构,是由于吸附了铁的粘土矿物,在土壤内部径流的影响下随流动方向排列的结果,因而在偏光镜下常具定向消光现象,故被称为“光性定向粘土”。

土壤中铁的运移淀积与土壤中有机酸的含量有关,有机酸形成的酸性环境使其迁移,在弱碱性环境中淀积。

所以土壤中的铁膜的含量也是判别植被发育的有效标志,是标志土壤化程度,气候温湿条件的指标土壤演化与环境演变具有重要意义。

据孙建中的研究,不同状态的铁对气候变化的反映的灵敏程度不尽相同。

亚铁〔

〕一般在古土壤中低,母质层中高,反映了在湿热气候下亚铁生成少,而在干凉强烈条件下亚铁生成多。

但成壤作用过程中由于大量有机质、腐植酸的存在而形成了局部复原条件也可使高价铁复原为亚铁,所以亚铁对气候的反映也不够理想,从而也使其与高价铁的比值不能成为一个反映气候变迁的客观指标。

而全氧化铁的含量却能成为气候的灵敏反映指标,这是由铁的地球化学性质决定的。

铁的迁移系数比较低,强烈的土壤化导致了易溶组分的迁移,全铁含量的高低反映了沉积物的风化程度,进一步指示了土壤化作用的强弱。

2.2测试方法

氧化铁的的定性或定量测定是提取环境信息的基础,所以土壤氧化铁的分析测定方法历来都受到学者们的重视。

土壤中氧化铁的分析测定方法可分为化学浸提、物理分选、基于物理化学性质的光谱测定、磁学分析以及结合化学浸提（浓缩）或物理分选的联合测定。

化学浸提方法主要是以不同浸提剂（柠檬酸钠-连二亚硫酸钠-碳酸氢钠（DCB）、草酸-草酸按、焦磷酸钠等）对氧化铁进行选择性溶提,而后测定不同形态氧化铁的含量。

物理分选主要是指通过磁分选技术对氧化铁进行富集,该方法不会破坏矿物的结构（谭文峰等,1998）,但需要较多的土壤样品,且只能提取部分带磁性的氧化铁。

光谱测定主要包括:

M6ssbauer谱、漫反射光谱和X-射线衍射（XRD）。

3.有机质含量

前人研究说明，沉积物的有机质变化可以解释古气候和古环境变化。

目前对沉积物有机质变化的研究主要集中于对沉积序列中总有机碳TOC含量变化特征的讨论。

泥炭有机质主要由两部分组成，一部分是未完全分解的有机残体；另一部分是有机残体分解合成的腐殖质。

Zhou等通过研究认为泥炭有机碳变化可以间接指示当时的植被盖度和生物量具有一定的古气候和古环境意义。

烧失量〔LOI550〕是550℃高温下燃烧失去的有机质等物质的含量.前人研究说明，烧失量和有机碳TOC含量存在良好的正相关性，烧失量可以反映沉积物中有机质含量变化。

泥炭中的有机残体在微生物的生物化学作用下通过矿质化和腐殖化两个过程进行分解。

腐殖化度是腐殖化过程形成的腐殖质占样品干重的百分比〔％〕。

研究中通常用碱提取物的吸光度来表征腐殖化度。

近几十年来泥炭腐殖化度被广泛地应用于古气候特别是古水文研究中并被证明能够指示一定的环境状况。

目前对泥炭有机质的变化研究主要集中于对有机碳TOC含量、腐殖酸〔HA〕含量等变化特征的讨论。

对泥炭腐殖化度和有机质的关系讨论很少。

前人通过对中国东部泥炭研究认为，泥炭腐殖化度和有机质之间存在良好的正相关性，具有相同的环境指示意义。

腐殖化度和有机质含量具有良好正相关性的原因主要是泥炭腐殖酸是有机质的重要组成部分，腐殖酸含量直接影响了有机质含量。

泥炭腐殖化度高指示有机质含量高，腐殖化度低，指示有机质含量低。

湖泊沉积物中的有机质主要有两大来源：

a）来自湖泊内源水生生物及藻类；b）来自入湖水流带入的流域植被。

通常在暖湿气候时期，湖泊内水生生物及藻类发育,并且流域内植被茂盛，因此沉积物中含有较高的有机质。

对于地处寒冷气候区的湖泊而言，气温是影响生物生长的主导因素，有机碳含量在一定程度上可以反映气温的变化，这一点在众多湖泊沉积研究中已得到证实，即沉积物中TOC的高值对应暖期，低值对应冷期。

在植物生长季时期，暖湿季风给此区域带来丰富降水，有利于植物生长，同时冬半季，气温低造成土壤冻结，微生物活动弱，从而不利于植物残体分解，因此泥炭得以发育和积累。

当暖湿季风活动强时，气候相对暖湿一方面丰富降水有利于植物生长，植物初级生产力高，有机质来源多，供分解的植物残体多；另一方面微生物活动强分解作用强烈腐殖化度高。

当季风活动弱时气候相对干冷，植物初级生产力较低，有机质来源少，供分解的植物残体少，微生物活动弱，分解作用弱，腐殖化度低。

4.碳的稳定同位素

元素碳包括：

包括碳屑、丝炭、烟炱、微晶石墨和黑碳等，其化学性质稳定，长期广泛分布于大气土壤沉积物岩石水体和冰体中〔Goldberg，1985;Kuhlbusch，1995;SchmidtandNoack，2000;Czimeziketal．，2002;Masiello，2004）它记录了地球的火灾历史（ZhouBinetal．，2007;Walshetal．，2008），是土壤和海洋埋藏碳的重要组成部分（Schmidtetal．，1999），是有机污染物的重要载体（GustafssonandGschwend，1997），能够影响地球的辐射热平衡（CrutzenandAndreae，1990），还可能是全球重要碳汇源（Kuhlbusch，1998;唐杨等，2010）。

地质历史时期的元素碳几乎完全来源于植被燃烧，是古环境信息的良好载体利用元素碳碳同位素〔

〕指标来反映古气候古植被变化是将元素碳应用于古环境研究的重要方面，研究载体主要有深海沉积物湖泊沉积物土壤黄土等。

以下将介绍，

在古环境的研究中的一些应用。

4.1深海和湖泊沉积物

深海和湖泊沉积物的元素碳来源广泛，可以指示区域陆相植被的同位素变化情况。

Bird和Cali（1998）在研究塞拉利昂海隆深海沉积物中的元素碳时发现

与元素碳含量（EC%）呈正相关，，认为

和EC%类似，均可指示火灾发生与气候植被面貌的关系。

偏负反映气候湿润火灾频率较低植被面貌以

植物为主的森林；

偏正反映气候干旱火灾频率增高植被面貌以

植物为主的稀树草原。

Clark等（2001）在研究北美大平原末次冰期以来植被气候梯度变化时，将湖泊沉积物的

指标与EC%指标和孢粉特征相结合，认为湖泊沉积的

与该区域植被气候变化对应较好，能够直接用来指示环境的变化JiaGuodong等（2003）在研究中国南海沉积物中30Ma以来的元素碳记录时认为

曲线揭示出早中新世时

植被已逐渐占据东亚陆地植被的一部分，要比晚中新世至上新世时

植物的突然扩张早很多，为全球古植被演化研究提供了重要依据。

4.2土壤和黄土

Turney等（2001）分析了澳大利亚Allen’s洞穴考古遗址剖面＞125μm和＜125μm两种土壤样品的

序列分析结果显示两组样品的

序列变化趋势相同，尤其是剖面下部样品的

几乎一致，没有粒级效应;剖面上部两组样品的

具有一定别离，最高可达1.6，推测剖面上部更多的元素碳来源于洞内部，而非剖面下部被风刮来的混合均一的区域元素碳。

Hall等（2008）借助

讨论了南非中石器时代考古遗址剖面的古气候，研究对象为土壤样品中含量较高的两种树种的元素碳颗粒

数据显示区域气候由暖湿冷干暖干，与已有研究结果较一致，指示出利用单种植物的

进行古环境研究的可行性。

杨英等（2001）研究我国渭南黄土剖面21ka以来的元素碳记录时认为

与植被碳同位素（

）有较好的对应关系，并认为

在-11.71~-21.34之间的变化反映了

植物同位素组成特征。

此外，前人在研究中也发现了

与其他指标恢复的古环境结果不完全一致的情况。

Pessenda等（1996）在借助有机碳碳同位素（

）和

研究巴西中部不同高度的3个全新世土壤剖面时，给出的

介于-28~-25之间，

介于-26~-21之间，两者存在一定差异。

周斌等（2009）在研究我国甘肃省灵台黄土剖面古植被演替时也发现了

与

变化趋势不完全一致的现象，其研究显示在冰期间冰期旋。

4.3存在的问题

目前对于

能否直接用于古植被的恢复这一关键问题仍存在分歧。

大多数研究者（BirdandCali，1998;Clarketal．，2001;Turneyetal．，2001;杨英等，2001;JiaGuodongetal．，2003）认为各种沉积物中的

与源植物的

非常接近，植物体从燃烧到埋藏过程中形成的元素碳没有发生明显的碳同位素变化，可直接用于古植被的恢复。

一些学者的研究显示沉积物中元素碳的

与其他反映当时植被变化指标（

存在不完全一致的情况（Pessendaetal．，1996;周斌等，2009），

数据存在一定的不确定性，其古环境意义还有待进一步研究考证这些研究在推进元素碳

指标应用的同时，也显示出该指标有着一些亟待解决的问题。

例如，

与当时植被的相关性如何，能够多大程度上反映植被变化信息?

特定区域的

受外源输入元素碳影响程度如何?

结论

国内外学者专家均开展了大量工作，取得的一些有价值的阶段性认识，并累积了一些较为实用的研究方法和手段，但仍存在以下几个薄弱环节：

1〕单一指标的研究较多。

2〕研究单个地点较多，区域性较强。

鉴于以上情况，作者提出了一些建议：

1〕注重多种环境替代指标的相互验证，提高分辨率。

影响环境变迁的因素很多，无论哪种沉积环境的判别标志，提供的都只是某些方面的个别信息。

因此，必须从多种因素的相互联系．相互制约和动态的观点进行研究才能取得较为符合实际的结果。

2〕研究中要注重区域性综合研究。

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