許可可，楊振京，寧 凱，韓強(qiáng)強(qiáng)，畢志偉，趙楠楠

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 正定 050800；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；3.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750011；4.河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心，河北 石家莊 050000)

0 引 言

粒度特征記錄著沉積物的搬運(yùn)、埋藏等諸多信息[1-4]，獲取這些信息對(duì)于揭示沉積過(guò)程和環(huán)境演變至關(guān)重要，但多成因組分混合沉積的沉積物只能作為反映沉積環(huán)境的近似代用指標(biāo)[5]，因此從沉積物中分離出環(huán)境敏感組分進(jìn)而探討各組分沉積意義成為重建區(qū)域古環(huán)境古氣候的關(guān)鍵[6]。目前環(huán)境敏感因子提取方法主要有Weibull函數(shù)法[7]、主成分分析法[8-9]、粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)偏差法[10-11]和端元模型法[12]等，其中端元模型法在反演沉積物搬運(yùn)動(dòng)力、揭示沉積規(guī)律研究方面取得了大量成果[13-16]。

銀川盆地位于東亞季風(fēng)邊緣區(qū)，對(duì)氣候變化響應(yīng)十分敏感，發(fā)育的連續(xù)厚層沉積物是第四紀(jì)氣候變化的重要地質(zhì)記錄。前人在建立地層序列和恢復(fù)古環(huán)境的研究中做了大量的工作，童國(guó)榜等[17]依據(jù)寧夏8個(gè)鉆孔的孢粉分析和石英顆粒表面結(jié)構(gòu)分析等探討了銀川盆地近12萬(wàn)年的氣候變化特征(暖濕-涼濕-冷干-暖干)；楊振京等[18]通過(guò)對(duì)銀川盆地北部CK1孔的沉積物進(jìn)行系統(tǒng)的孢粉分析，探討銀川平原中更新世以來(lái)的植被演替和氣候變化，通過(guò)區(qū)域孢粉組合特征反映寧夏平原 900 ka B.P.以來(lái)古植被經(jīng)歷的11個(gè)發(fā)展演替階段；劉平貴等[19]通過(guò)銀川盆地Y1孔元素地球化學(xué)的研究，結(jié)合地層巖性、測(cè)年資料和孢粉資料劃分了該地層的地球化學(xué)元素帶，并重建第四紀(jì)以來(lái)的氣候環(huán)境變化；孫愛(ài)芝等[20]探討了地球化學(xué)元素和粒度組成對(duì)于海原剖面古環(huán)境的指示意義。但以往研究多注重于運(yùn)用孢粉、地球化學(xué)元素等指標(biāo)探討長(zhǎng)尺度廣區(qū)域的氣候環(huán)境變化，對(duì)沉積物氣候敏感組分反映的較短時(shí)間尺度的氣候變化鮮有涉及。因此本文運(yùn)用端元法分析銀川盆地LS01鉆孔沉積物沉積特征，結(jié)合年代學(xué)方法重建MIS6—MIS5(150～75 ka)時(shí)期的氣候演化序列，并討論銀川盆地MIS6—MIS5時(shí)期發(fā)生的快速氣候變動(dòng)事件及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

1 研究區(qū)概況

銀川盆地位于賀蘭山、鄂爾多斯高原與黃土高原之間，南北長(zhǎng)約150 km，東西長(zhǎng)約40 km，地勢(shì)南高北低，平均海拔1 000 m以上，是一個(gè)NNE走向的斷陷沖積平原。銀川盆地在地質(zhì)構(gòu)造上被稱為“銀川地塹”[21]。地質(zhì)歷史時(shí)期銀川盆地經(jīng)歷了多次拉張與閉合過(guò)程，并伴隨著一系列巖漿活動(dòng)，特別是新生代時(shí)期受青藏高原抬升的影響，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了與中生代末截然相反的變化，由中生代末的NW—SE向擠壓應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾律腘W—SE向拉張應(yīng)力場(chǎng)。在“古賀蘭山”基礎(chǔ)上沿先形成的NNE向斷裂破裂分化，盆地深部地幔物質(zhì)上涌和地殼減薄過(guò)程，加劇了盆地的拉張斷陷作用，堆積了厚達(dá)7 000余米的新生界沉積物[22]。銀川盆地位于季風(fēng)氣候區(qū)西北邊緣區(qū)，年平均氣溫8～10 ℃，年平均降水量150～600 mm。域內(nèi)有黃河及多條河流流經(jīng)，中更新世以來(lái)黃河攜帶泥沙在該區(qū)域沉積；又由于西鄰賀蘭山，銀川盆地沉積物以沖、洪積為主，厚度幾米到幾千米不等，其中第四系最大沉積厚度達(dá)1 600 m以上[23]。

2 樣品信息與測(cè)試方法

2.1 剖面特征

本文研究樣品取自鉆孔LS01。該鉆孔位于寧夏回族自治區(qū)靈武市東北地區(qū)(圖 1)，地理坐標(biāo)N38°06′18.51″、E106°21′33.36″，鉆孔海拔1 136 m，孔深300 m。根據(jù)沉積物顏色、巖性、構(gòu)造等特征將剖面劃分為14層。

圖1 研究區(qū)地理位置及鉆孔位置Fig.1 Location of the study area and borehole LS01

(1)0～4.30 m，松散黃土層，上部為回填土，有碎磚塊等建筑垃圾，原生黃土厚度約為2 m。

(2)4.30～14.03 m，砂礫石層，厚層，分選差，砂石呈次圓次棱角狀；上部含少量粗砂，下部礫石含量高；砂石直徑在2～7 cm 不等，最大者約11 cm。

(3)14.03～19.58 m，灰黃色細(xì)砂到粉細(xì)砂，厚層狀，分選磨圓好。

(4)19.58～44.50 m，灰黃色細(xì)砂與灰色和棕色亞砂土互層，上部含少量次棱角狀礫石。

(5)44.50～50.74 m，礫石層，分選差，磨圓差，礫石呈次磨圓至次棱角狀。

(6)50.74～55.60 m，灰黃色亞砂土，厚層狀，整體分選磨圓好。

(7)55.60～62.95 m，細(xì)砂層和灰黃色亞砂土互層，其中亞砂土較質(zhì)密，細(xì)砂層較松散。

(8)62.95～70.30 m，灰黃色細(xì)砂到中細(xì)砂，松散，分選及磨圓較好。

(9)70.30～80.00 m，灰白色細(xì)砂與灰黃色細(xì)砂互層，灰黃色細(xì)砂層中偶見(jiàn)少量鈣質(zhì)結(jié)核。

(10)80.00～84.40 m，灰黃色細(xì)砂層，厚層狀，較松散，分選及磨圓較好，由上到下粒度逐漸變粗。

(11)84.40～87.77 m，灰色亞砂土與灰黃色細(xì)砂互層。

(12)87.77～92.70 m，灰黃色、灰白色細(xì)砂層，分選磨圓好，由上到下粒度逐漸變細(xì)。

(13)92.70～96.00 m，紅色黏土層，厚層狀，結(jié)構(gòu)致密。

(14)96.00～103.49 m，赤黃色亞黏土層與黃色亞砂土層互層。

2.2 樣品采集

在LS01鉆孔地層回填土和砂礫石層以下14.08～103.00 m段內(nèi)間隔1 m取得粒度樣品118件，光釋光年代樣品6件(圖 2)。

圖2 LS01鉆孔剖面巖性及年齡深度關(guān)系(圖中線條為線性內(nèi)插結(jié)果，虛影為置信區(qū)間)Fig.2 Lithology and age-depth relationship of borehole LS01(the line showing the result of linear interpolation,and the virtual shadow showing the confidence interval)

2.3 測(cè)年與粒度分析

光釋光樣品由長(zhǎng)安大學(xué)測(cè)年實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試儀器為Daybreak-2200光釋光儀。采用細(xì)顆粒簡(jiǎn)單多片再生法獲得等效劑量值，用飽和指數(shù)方法進(jìn)行擬合，生長(zhǎng)曲線顯示再生劑量點(diǎn)不太分散，生長(zhǎng)曲線沒(méi)有明顯飽和，認(rèn)為本批樣品測(cè)試數(shù)據(jù)可信。

粒度測(cè)試采用激光粒度分析法，樣品由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室粒度實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試儀器為英國(guó)Malvern公司出產(chǎn)的Mastersizer—2000型激光粒度。儀器測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm，分辨率為0.01φ，重復(fù)測(cè)量的相對(duì)誤差小于1%。粒度測(cè)試實(shí)驗(yàn)處理過(guò)程如下：取3～5 g樣品于100 ml燒杯中，加入10～20 ml濃度比為2:1的H2O2溶液，水浴加熱70 ℃處理0.5 h，去除有機(jī)質(zhì)；加入10 ml濃度比為2:1的HCL溶液，去除碳酸鹽；反應(yīng)至無(wú)氣泡產(chǎn)生后冷卻取出，換水至中性；抽去上層清液剩余20 ml時(shí)加入10 ml(36 g/l)的六偏磷酸鈉溶液超聲震蕩10 min后上機(jī)測(cè)試。

根據(jù)吳正[24]的粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將沉積物粒徑分為6個(gè)等級(jí)：黏土(0～4 μm)，粉砂(4～63 μm)，極細(xì)砂(63～125 μm)，細(xì)砂(125～250 μm)，中砂(250～500 μm)，粗砂(>500 μm)。

粒度參數(shù)采用矩值法計(jì)算[4]，平均粒徑Mz、標(biāo)準(zhǔn)偏差σ、偏度SK和峰度Ku的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：fi為各粒級(jí)組的頻率百分?jǐn)?shù)；xi為各粒級(jí)組的中值。

2.4 端元分析模型

沉積物的粒度分布特征主要由搬運(yùn)介質(zhì)、搬運(yùn)方式及沉積環(huán)境所決定，與一個(gè)特定的沉積動(dòng)力過(guò)程有關(guān)的沉積物通常也具有特定的粒度分布特征，被稱為一個(gè)端元。端元分析的目的是獲得較為單純的沉積動(dòng)力組分。

沉積物一般由多個(gè)不同時(shí)期的沉積動(dòng)力組分混合而成，可將其抽象化為粒度數(shù)據(jù)集合X和端元成分?jǐn)?shù)據(jù)集合B的線型數(shù)學(xué)公式[13]。

X=YB

(5)

其中：X為(y×n)沉積物粒度矩陣；Y為端元含量的混合矩陣(y×p)；B為端元粒度的矩陣(p×n)；y為樣品總數(shù)；p為端元總數(shù)；n為粒級(jí)總數(shù)。

在實(shí)際過(guò)程中，沉積動(dòng)力會(huì)受到外界干擾，取樣和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也會(huì)發(fā)生誤差，因此公式(5)實(shí)際上由理想混合矩陣X′和誤差矩陣E組成[13]：

(6)

Paterson等[25]提出一種參數(shù)化端元分析方法，這種克服了傳統(tǒng)端元分析非參數(shù)性方法要么產(chǎn)生次優(yōu)解要么耗時(shí)的缺點(diǎn)。新方法使用單樣本分解法(SUS)，將單個(gè)的粒度分布分解成單峰參數(shù)(如對(duì)數(shù)正態(tài)分布)。為了避免單樣本分解法固有的不適用于估計(jì)潛在過(guò)程的缺陷，Paterson等[25]開(kāi)發(fā)了一種新的算法計(jì)算端元參數(shù)，可以將整個(gè)粒度數(shù)據(jù)集分解成單峰參數(shù)，這使得在高度混合的數(shù)據(jù)集中識(shí)別單個(gè)顆粒大小的亞群變得更容易，新方法集成在Analysis軟件包中，可用MATLAB打開(kāi)。本文將采用此方法分析。

3 結(jié) 果

3.1 年代序列

為了更好地獲取年齡-深度的關(guān)系，選用基于R語(yǔ)言的Clam年齡-深度模型[26]，根據(jù)6個(gè)光釋光測(cè)年數(shù)據(jù)(表 1)獲得完整準(zhǔn)確的年代框架，如圖2所示。鉆孔剖面的年齡隨深度增加而增加，說(shuō)明沉積物保存狀況良好且未發(fā)生明顯擾動(dòng)，在95%置信區(qū)間內(nèi)線性內(nèi)插的曲線斜率大小變化可反映沉積速率的快慢。

表1 LS01孔光釋光測(cè)年結(jié)果及參數(shù)Table 1 OSL ages and dating parameters of borehole LS01

3.2 粒度特征

粒度組分特征是反演古環(huán)境古氣候的重要指標(biāo)[27]。從樣品的粒度組分圖(圖 3)可以看出，剖面中粉砂和細(xì)砂含量接近，占比最多，平均值分別為28.85%和25.46%；極細(xì)砂和粗砂含量次之，平均值分別為18.15%和13.15%；中砂含量最少，平均值為8.70%。粒度組分曲線波動(dòng)明顯，變化劇烈，多次出現(xiàn)峰值和峰谷。

圖3 LS01鉆孔剖面粒度組分與參數(shù)Fig.3 Particle size composition and parameters of borehole LS01

粒度參數(shù)是反映沉積物沉積特征和沉積環(huán)境的量化指標(biāo)[4]。該孔平均粒徑為-1.31φ～5.56φ變化幅度較大，平均值為2.70φ。標(biāo)準(zhǔn)差反映沉積物分選的好壞程度，樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25～2.96，平均值為1.70，分選很差。偏度為-0.10～3.53，平均值為1.46，表明高度偏態(tài)分布，也側(cè)面印證沉積物分選很差。峰度最大值為5.59，最小值1.69，峰型很寬，沉積物顆粒分布范圍較為分散。

3.3 粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差分析

標(biāo)準(zhǔn)偏差是反映數(shù)據(jù)離散程度常見(jiàn)的指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)偏差越大說(shuō)明沉積環(huán)境或搬運(yùn)動(dòng)力變化越大[28]。應(yīng)用粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差法可以了解各粒級(jí)所對(duì)應(yīng)的體積百分含量變異程度的大小。某一粒級(jí)所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差越大，說(shuō)明產(chǎn)生該粒級(jí)的沉積動(dòng)力越強(qiáng)、沉積環(huán)境變化越大，從而可以獲得不同粒級(jí)的環(huán)境敏感粒度組分。從樣品的粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差(圖 4)可以看出，LS01鉆孔存在兩個(gè)環(huán)境敏感粒級(jí)組分，其粒級(jí)分別是145～273 μm和1 240～1 596 μm。

圖4 LS01鉆孔剖面粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.4 Standard deviation of grain size for borehole LS01

3.4 端元組分的提取

本文采用MATLAB R2014b運(yùn)行Paterson改進(jìn)的AnalySize程序，導(dǎo)入118個(gè)樣品的粒度數(shù)據(jù)后選擇端元范圍1～10，在擬合度越好(R2>0.8)、角度偏差越小，同時(shí)端元數(shù)目盡量少的原則下認(rèn)為4個(gè)端元可以滿足要求(圖5)；因此選取4個(gè)端元對(duì)粒度數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，共提取出4個(gè)端元組分，分別命名為Em1、Em2、Em3和Em4。從4個(gè)端元的頻率分布曲線(圖 6)可以看出，各端元的分布曲線均大致呈單峰，偏度均為負(fù)偏態(tài)，分選較差。Em1、Em2、Em3和Em4的眾數(shù)粒徑分別是60.14 μm、212.28 μm、849.98 μm和1 407.64 μm。

圖5 LS01鉆孔剖面粒度端元線性相關(guān)(a)和角度離差(b)Fig.5 Linear correlation of end-members(a)and angular dispersion(b)for borehole LS01

圖6 LS01鉆孔剖面端元頻率分布曲線Fig.6 End-member frequency distribution for borehole LS01

4 討 論

4.1 粒級(jí)敏感組分探究

不同粒級(jí)代表不同沉積環(huán)境。敏感粒度組分(粒級(jí)1 240～1 596 μm)在地層中分布極不均勻，平均含量為5.49%，占比較小，可能記錄了某些短暫性區(qū)域環(huán)境變化事件。敏感粒度組分(粒級(jí)145～273 μm)在地層中平均含量為23.92%，占比較大，且各地層中均有分布。粒度組分之間會(huì)存在相互影響，粒度大小與搬運(yùn)動(dòng)力沉積環(huán)境相關(guān)性較強(qiáng)。粒級(jí)1 240～1 596 μm的組分在空間上分布的不均勻性以及時(shí)間上的短暫性與端元Em4相似，其環(huán)境指代意義也可能相同(具體分析見(jiàn)4.2小節(jié))。粒級(jí)145～273 μm的組合在地層中的分布變化比較均勻，和各端元及平均粒徑的變化不具有明顯的一致性，但對(duì)深海δ18O曲線等氣候代用指標(biāo)變化有較好的響應(yīng)，因此粒級(jí)145～273 μm組分的變化可能為多種沉積動(dòng)力綜合作用的結(jié)果，可大致反映氣候的變化趨勢(shì)。通過(guò)分析組分含量和其平均粒徑關(guān)系來(lái)探究敏感粒級(jí)組分[29]，從圖7可以看出粒級(jí)145～273 μm組分(組分1)的相關(guān)性非常好(R2=0.95)，粒級(jí)1 240～1 596 μm組分(組分2)相關(guān)性較差(R2=0.65)。因此，粒級(jí)145～273 μm的組分可能對(duì)環(huán)境變遷的反應(yīng)更為敏感。

圖7 粒級(jí)145～273 μm(組分1)和1 240～1 596 μm(組分2)含量與各自平均粒徑相關(guān)性分析Fig.7 Correlation analysis of 145-273 μm and 1 240-1 596 μm fractions with the mean of each grain size

4.2 端元指示的環(huán)境意義

4.2.1 端元Em1

端元Em1是細(xì)顆粒組分，眾數(shù)粒徑為60.14 μm，屬于粉砂，峰態(tài)最為平緩。粒徑較細(xì)說(shuō)明沉積動(dòng)力相對(duì)較弱，沉積環(huán)境較為穩(wěn)定。地層88～100 m巖性主要為紅色黏土、赤黃色亞黏土和黃色亞砂土偶見(jiàn)泥質(zhì)；50～65 m巖性主要為亞砂土和細(xì)砂，兩處Em1組分平均含量都較高，分別為47.82%和51.15%，且兩處都含鈣質(zhì)膠結(jié)物，偶見(jiàn)姜石和棕黃色鐵銹，可知在這兩個(gè)階段銀川平原沉積環(huán)境較為干旱、蒸發(fā)作用較強(qiáng)。50 m以上Em1在地層中的含量表現(xiàn)為總體減少，但各地層含量差異大，且此階段為晚更新世，黃河基本貫通，黃河的貫通導(dǎo)致水動(dòng)力增強(qiáng)并對(duì)原位沉積環(huán)境產(chǎn)生很大影響。因此，Em1含量在地層中的分布可能對(duì)淺湖沼相的弱水流或靜水沉積的環(huán)境有較好的指示意義。

4.2.2 端元Em2

端元Em2眾數(shù)粒徑為212.28 μm，屬于細(xì)砂，和敏感粒度組分(粒級(jí)145～273 μm)具有相似的變化趨勢(shì)，是對(duì)氣候變化最為敏感的組分。Dietze等[30]的研究認(rèn)為，90～250 μm的細(xì)砂端元是由強(qiáng)勁的地表風(fēng)以滾動(dòng)或躍移方式搬運(yùn)的風(fēng)成沙，主要為近岸沉積，僅在如Donggi Cona湖這種會(huì)大面積冰凍湖泊的深水區(qū)域才可能出現(xiàn)。Li等[31]對(duì)騰格里沙漠現(xiàn)代沙丘和鉆孔的粒度分布特征的研究也認(rèn)為，120～298 μm的組分為典型的風(fēng)成沙。銀川盆地周圍分布著騰格里沙漠、毛烏素沙漠以及烏蘭布和沙漠，同時(shí)受西風(fēng)帶影響，春季有大風(fēng)揚(yáng)塵天氣，所以端元Em2組分可能是風(fēng)成沙。然而LS01距黃河較近，兩岸沉積了厚層的河流搬運(yùn)泥沙，薩胡公式是計(jì)算判別沉積環(huán)境的一種行之有效的手段[32]，通過(guò)計(jì)算不同沉積環(huán)境下沉積物的平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度和峰度這4個(gè)粒度參數(shù)的變化，以及一個(gè)沉積物內(nèi)4個(gè)參數(shù)間的關(guān)系，得出4個(gè)綜合公式和關(guān)系圖，以區(qū)別沙丘、海灘、淺海和濁流等常見(jiàn)的沉積物。歷史上黃河頻繁改道，河流沉積范圍很廣，因此Em2也有可能是河流沉積。在已知Em2為陸相沉積環(huán)境的前提下，運(yùn)用區(qū)分風(fēng)和海灘堆積物的綜合公式判別沉積環(huán)境。

Y=-3.568Mz+3.701 6σ

(7)

若Y>-2.741 1則為海灘沙丘；若Y<-2.741 1則為風(fēng)成沙丘。

計(jì)算得Em2為海灘沉積而非風(fēng)成堆積，這顯然與前提不符。且Em2組分相比Em1粒徑較粗，分選較差，峰度較大，其在各地層中的含量變化和Em1大致呈反相位。當(dāng)黃河水量增多時(shí)水動(dòng)力增強(qiáng)，搬運(yùn)更多細(xì)砂、粉砂物質(zhì)；反之，氣候干旱時(shí)水動(dòng)力條件減弱，地層中細(xì)顆粒黏土物質(zhì)占比大。從圖 8中可看出，Em2曲線和Em1曲線呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，因此Em2指示與Em1相反的氣候變化。Em2可能代表水動(dòng)力較強(qiáng)的河流沉積環(huán)境。

4.2.3 端元Em3和Em4

Em3和Em4眾數(shù)粒徑分別為849.98 μm和1 407.64 μm，均屬粗砂，僅在部分地層中出現(xiàn)，且二者占比較小，不是主要的物質(zhì)來(lái)源，不能代表時(shí)間段內(nèi)的穩(wěn)定的氣候環(huán)境變化。Em3和Em4與粒級(jí)1 240～1 596 μm組分有很強(qiáng)的一致性，出現(xiàn)了三個(gè)峰值，時(shí)間分別為100 ka、135～140 ka和145～147 ka。銀川盆地位于黃河中上游，現(xiàn)代意義上的黃河是在一系列古湖泊貫通的基礎(chǔ)上形成的，共和運(yùn)動(dòng)加劇了青藏高原的不規(guī)則隆升，促進(jìn)黃河的貫通。邢成起等[33]研究了位于甘肅黑山峽的黃河階地礫石Ca膜厚度，確定了T2—T11共10級(jí)階地代表的構(gòu)造抬升時(shí)間，其中T2和T3分別形成于94 ka、139 ka，與Em3和Em4的兩個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)間有較好的對(duì)應(yīng)。黃河中游的三門峽古湖也存在反映構(gòu)造抬升河流下切的多級(jí)階地[34]，其中河拔高程為340～350 m的T3階地形成時(shí)間為(148.3±10.5)ka，可對(duì)應(yīng)于Em3和Em4最早出現(xiàn)的145～147 ka峰值。構(gòu)造事件可加劇河流下切，使其比降增大、水流動(dòng)能增加從而搬運(yùn)并沉積較粗顆粒，因此Em3和Em4可能指示區(qū)域的構(gòu)造抬升事件。

4.3 端元組分在古環(huán)境重建中的應(yīng)用

利用光釋光數(shù)據(jù)建立年代尺度，結(jié)合粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差、端元分析、粒度參數(shù)、黃土磁化率[35]以及深海δ18O數(shù)據(jù)[36]分析探討銀川盆地15萬(wàn)年來(lái)的環(huán)境演變過(guò)程，大致可分為6個(gè)階段(Ⅰ—Ⅵ，圖 8)。

圖8 LS01鉆孔剖面敏感粒級(jí)、端元組分和平均粒徑與黃土磁化率、δ18O的對(duì)比Fig.8 Comparison of sensitive grain size,end-members and average grain size of borehole LS01 with loess magnetic susceptibility and δ18O valuess1—s3.構(gòu)造抬升事件；a1—a3.暖事件；b1—b3.冷事件；Ⅰ—Ⅵ.劃分的氣候階段。下文同

階段Ⅰ(150～137 ka)。該階段鉆孔沉積物平均粒徑為2.41φ，粒度相對(duì)較細(xì)。Em1和Em2在該階段平均含量分別是38%和30%，Em1含量相對(duì)較高。敏感粒級(jí)145～273 μm和1 240～1 596 μm在該階段平均含量分別是18%和10%，含量相對(duì)較低。Em3和Em4指示的構(gòu)造抬升事件s1和s2對(duì)各端元和敏感粒級(jí)都造成影響，在平均粒徑曲線中也有體現(xiàn)。黃土磁化率和深海δ18O處于低值。綜合以上數(shù)據(jù)表明，銀川盆地在這段時(shí)期水動(dòng)力較弱，氣候較為冷干。

階段Ⅱ(137～110 ka)。該階段鉆孔沉積物平均粒徑為2.64φ。Em1和Em2在該階段平均含量分別是39%和57%，Em2含量明顯較高，但Em2在此期間有兩次明顯降低的過(guò)程，指示水動(dòng)力有兩次突然減小。敏感粒級(jí)145～273 μm和1 240～1 596 μm在該階段的平均含量分別是33%和1%。黃土磁化率和深海δ18O在該階段較高，但深海δ18O曲線表現(xiàn)出和Em2相似的增減變化，可能指示該階段存在多次快速氣候變化事件。綜合以上表明，銀川盆地在這段時(shí)期水動(dòng)力較強(qiáng)，氣候較為暖濕。

階段Ⅲ(110～107 ka)。該階段鉆孔沉積物明顯變細(xì)，平均粒徑為4.06φ。Em1平均含量大幅升高到75%，Em2平均含量為18%。敏感粒級(jí)145～273 μm在該階段平均含量為11%，相比上階段減少，1 240～1 596 μm平均含量為1%。黃土磁化率在該階段較高，深海δ18O則處于低值，可能因?yàn)辄S土磁化率數(shù)據(jù)分辨率較低，不能較好地反映短時(shí)間氣候變化事件。綜合以上表明，銀川盆地此階段水動(dòng)力較弱，氣候整體較為干冷。

階段Ⅳ(107～102 ka)。該階段鉆孔沉積物顆粒較粗，平均粒徑為2.9φ。Em1和Em2在該階段平均含量分別為28%和67%，Em2含量明顯高于Em1。敏感粒級(jí)145～273 μm和1 240～1 596 μm在該階段平均含量分別為39%和1%。黃土磁化率較高，深海δ18O整體處于高值。綜合以上表明，銀川盆地這段時(shí)期水動(dòng)力較強(qiáng)，氣候較為暖濕。

階段Ⅴ(102～87 ka)。該階段鉆孔沉積物平均粒徑為2.7φ，顆粒變粗。Em1和Em2在該階段平均含量分別為78%和8%。敏感粒級(jí)145～273 μm和1 240～1 596 μm在該階段平均含量分別為8%和9%。Em3和Em4指示的構(gòu)造抬升事件s3使得短期黃河河流水動(dòng)力增強(qiáng)，搬運(yùn)較多的粗顆粒物質(zhì)，造成平均粒徑值偏大。黃土磁化率和深海δ18O較低。綜合以上表明，銀川盆地該階段水動(dòng)力總體較弱，氣候較為冷干。

階段Ⅵ(87～75 ka)。該階段鉆孔沉積物平均粒徑為3.5φ。Em1和Em2在該階段平均含量分別為32%和60%。敏感粒級(jí)145～273 μm和1 240～1 596 μm在該階段平均含量分別為20%和1%。黃土磁化率較高，深海δ18O由低升高。綜合以上表明，銀川盆地該階段水動(dòng)力總體較強(qiáng)，氣候較為暖濕。

4.4 區(qū)域?qū)Ρ?/h3>

銀川盆地MIS6—MIS5時(shí)期的氣候變化與其他地區(qū)具有相似性，其氣候事件并非孤立存在。內(nèi)蒙古河套古大湖沉積物的研究[37]表明，150～130 ka期間河套古大湖處于淺湖環(huán)境，沉積物粒度由粗變細(xì)，湖泊處于水位上升期，氣候總體較冷但向暖濕轉(zhuǎn)變，和銀川盆地階段Ⅰ具有較好的對(duì)應(yīng)。對(duì)北京周口店石筍δ18O的研究[38]同樣表明，該時(shí)期是一個(gè)低溫階段，后期溫度抬升。新疆天山北麓黃土記錄也反映了倒數(shù)第二次冰期末期148.6～130 ka時(shí)期風(fēng)動(dòng)力較強(qiáng)，氣候較為干旱[39]。利用毛烏素沙漠薩拉烏蘇河流域米浪溝灣剖面的CaCO3含量重建的末次間冰期氣候環(huán)境變化過(guò)程表明134.9～114 ka時(shí)期CaCO3平均含量較高[40]，毛烏素沙漠地區(qū)在該時(shí)期和銀川盆地氣候同樣溫暖濕潤(rùn)。在毛烏素沙漠薩拉烏蘇河流域米浪溝灣剖面114～105 ka時(shí)期Rb、Sr比較低，指示氣候寒冷[41]，和銀川盆地階段Ⅲ氣候也具有較強(qiáng)的相似性。米浪溝灣剖面的CaCO3重建的111.03～100.53 ka、100.53～86.5 ka和86.5～75 ka階段的氣候[40]和銀川盆地Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ階段氣候變化具有一致性，都是暖-冷-暖的交替變化。西藏納木錯(cuò)末次間冰期96～86 ka和86～78 ka兩個(gè)階段孢粉植被組合分別是以松屬(Pinus)為主含樺屬(Betula)、冷杉屬(Abies)、鐵杉屬(Tsuga)、胡桃屬(Juglans)等樹(shù)種的針葉林和以松屬、樺屬、蒿屬(Artemisia)和水龍骨科(Polypodiaceae)等為主的森林草原，氣候也是由冷干轉(zhuǎn)向溫濕[42]。LS01鉆孔記錄的氣候與前人的研究整體上具有較強(qiáng)的一致性。

4.5 氣候事件

LS01鉆孔的沉積記錄顯示，在MIS6—MIS5期間共發(fā)生5次明顯的氣候事件(圖 8)，分別為3次暖事件a1(137～129 ka)、a2(124～120 ka)和a3(118～111 ka)，以及兩次冷事件b1(106～104 ka)和b2(87～84 ka)。三次升溫事件均發(fā)生在階段Ⅱ中，且均可以在NGRIP冰心[36]和神農(nóng)架三寶洞石筍δ18O[43]的變化中找到對(duì)應(yīng)，說(shuō)明這三次升溫事件具有全球性，很可能是MIS5e階段中的三次暖事件[44]。兩次冷事件b1和b2在中亞烏茲別克斯坦Ton洞石筍δ18O[45]、神農(nóng)架三寶洞石筍δ18O[43]和深海δ18O曲線[36]中也有反映(圖9)。兩次冷事件發(fā)生的階段Ⅳ和Ⅵ也可以對(duì)應(yīng)于MIS5c和MIS5a時(shí)期，在這兩個(gè)時(shí)期位于寧夏平原西南部六盤山的王官剖面和沙溝剖面CaCO3、紅度和磁化率均表現(xiàn)為兩暖事件夾一冷事件的模式[44]，指示同期東亞季風(fēng)具有很大的不穩(wěn)定性，也為這兩次冷事件提供佐證。

圖9 Em2曲線和其他氣候記錄對(duì)比Fig.9 Comparison of Em2 curve and other climatic recordsa.Em2曲線；b.NHSI，北半球夏季太陽(yáng)輻射[46]；c.歲差[49]；d.地軸傾角[49]；e.中亞烏茲別克斯坦Ton洞2石筍記錄[45]；f.中亞烏茲別克斯坦Ton洞1石筍記錄[45]；g.中國(guó)源堡黃土剖面[35]；h.神農(nóng)架三寶洞石筍記錄[43]；i.NGRIP δ18O，格陵蘭冰心氧同位素記錄，南極大氣氧同位素記錄[47]；j.格陵蘭冰心氧同位素記錄[36]

4.6 端元的驅(qū)動(dòng)因素

將主要端元Em2和中亞烏茲別克斯坦Ton洞兩個(gè)石筍δ18O記錄[45]、亞洲季風(fēng)區(qū)洞穴石筍代表神農(nóng)架三寶洞石筍δ18O記錄[43]、中國(guó)源堡黃土剖面磁化率記錄[35]以及北緯65°N太陽(yáng)輻射[46]做對(duì)比(圖9)，可以看出4組曲線顯示出相似的軌道尺度變化模式，均響應(yīng)于北半球太陽(yáng)輻射變化。Em2端元和中亞地區(qū)以及亞洲季風(fēng)區(qū)氣候記錄顯示了軌道尺度變化的一致性框架。為進(jìn)一步探討端元演化的過(guò)程和機(jī)制，將NGRIP冰心δ18O記錄[36]和南極冰心δ18O記錄[47]進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)軌道尺度上Em2組分變化與上述結(jié)果相似，即間冰期時(shí)Em2組分含量偏高，NGRIP冰心δ18O值較高(-36‰～-32‰)，南極冰心δ18O值也較低(-0.4‰～1.2‰)；相反地，冰期時(shí)Em2組分含量偏低，NGRIP冰心δ18O值較低(-40‰～-32‰)，南極冰心δ18O值也較高(-0.2‰～1.4‰)。以上對(duì)比結(jié)果說(shuō)明，由夏季太陽(yáng)輻射控制的溫度變化直接影響了寧夏地區(qū)和北半球其他地區(qū)的氣候變化。米蘭科維奇認(rèn)為地球軌道三參數(shù)(偏心率、斜率及歲差)轉(zhuǎn)變引起地球上不同緯度太陽(yáng)輻射差異是千(萬(wàn))年尺度氣候變化的根本驅(qū)動(dòng)力，高緯地區(qū)主要受斜率(約41 ka)周期控制，低緯地區(qū)主要受歲差(約23 ka)周期控制，偏心率主要調(diào)控歲差周期的變化幅度來(lái)影響氣候[48-49]。從圖 9可見(jiàn)Em2呈現(xiàn)出和負(fù)歲差(即歲差參數(shù)值為負(fù)，下同)同步的20 ka周期，同時(shí)可以看到中低緯度的神農(nóng)架三寶洞石筍[43]、中亞Ton洞石筍[45]及源堡黃土磁化率曲線[35]均對(duì)負(fù)歲差有較好的響應(yīng)，而高緯度的南極冰心大氣氧同位素變化則與斜率有著較好的一致性。

綜上所述，銀川盆地MIS6—MIS5的氣候變化主要受控于夏季太陽(yáng)輻射控制的溫度變化，而不同緯度的太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)力中歲差和銀川盆地氣候變化有著較好的相關(guān)性，所以夏季太陽(yáng)輻射和歲差是銀川盆地氣候的主要驅(qū)動(dòng)因素。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)銀川盆地LS01鉆孔剖面進(jìn)行巖性特征、粒度參數(shù)、端元分析等的綜合分析，結(jié)合光釋光測(cè)年數(shù)據(jù)，討論了銀川盆地在MIS6—MIS5時(shí)期的氣候環(huán)境演變過(guò)程，取得如下主要認(rèn)識(shí)：

(1)端元法提取了具有環(huán)境指示意義的4個(gè)端元(Em1—Em4)，Em1代表了水動(dòng)力較弱的弱流水或湖沼相沉積；Em2是最敏感的氣候指標(biāo)，代表了水動(dòng)力較強(qiáng)的河流沉積；Em3和Em4可指代區(qū)域構(gòu)造抬升事件。

(2)銀川盆地MIS6—MIS5時(shí)期氣候演變過(guò)程可分為6個(gè)階段為：150～137 ka(MIS6)，銀川盆地氣候冷干，出現(xiàn)兩次構(gòu)造抬升事件；137～110 ka(MIS5)，氣候整體較為暖濕，期間有3次暖事件a1(137～129 ka)、a2(124～120 ka)和a3(118～111 ka)；110～107 ka(MIS5)，氣候轉(zhuǎn)向冷干；107～102 ka(MIS5)，氣候由冷轉(zhuǎn)暖，出現(xiàn)冷事件b1(106～104 ka)，整體偏暖濕；102～87 ka(MIS5)，氣候較冷干；87～75 ka(MIS5)，出現(xiàn)冷事件b2(87～84 ka)，但整體偏暖濕。

(3)銀川盆地MIS6—MIS5階段的氣候變化具有廣泛性，其變化因素可能主要受夏季太陽(yáng)輻射和歲差控制。

致謝：感謝劉瑋和王詩(shī)琪在野外和實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作中的幫助，感謝審稿人提出的寶貴修改意見(jiàn)。