第四纪作为地质历史时期中至关重要的阶段，其长期的全球气候变迁已经成为学者的研究热点.而周期、气候转型及极端气候事件的确定与研究需要以高精度、高分辨率的时间序列为基础.目前在全球变化研究中，已经建立了多种多样的环境变化时间序列，其中主要有深海沉积、冰芯和黄土.中国黄土高原黄土- 古土壤旋回清晰地记录了东亚冬季风与夏季风交替作用的历史，冬季风受来自高纬的西伯利亚冷高压影响，夏季风主要受来自于低纬海洋的影响，是高低纬相互作用的理想产物.此外，中国黄土分布范围广，沉积连续，保存的环境变迁信息完整而丰富，且多剖面具有可验证性.从中国黄土的环境替代性指标(磁化率、粒度、FeD/FeT 等)中提取的环境气候信息建立的环境演化时间序列，可以同深海沉积、极地冰芯所揭示的环境变化的时间序列进行对比.所以，中国黄土已经成为全球古环境变化研究的重要支柱之一.虽然利用不同手段定年和提取不同的环境信息有了显著的进展，获得了S1 以来的释光与14C 年龄，但仍无法解决长时间尺度黄土- 古土壤序列的年龄问题.

因此，建立黄土- 古土壤剖面的高分辨率，年代时间标尺是非常必要且重要的工作.高分辨率时间标尺的建立，使在统一、精确时间尺度下研究古气候的变化规律与驱动机制成为可能，进而进行全球古气候对比研究.1980年代后期到1990年代中期，先后提出了多种建立第四纪黄土时间序列的方法，以下就中国黄土古气候研究中建立时间标尺的线性内插方法、磁化率内插方法、粒度内插方法以及轨道调谐方法及这几种方法分别进行回顾分析.

1 第四纪黄土时间标尺的建立方法

1.1 线性内插方法

线性内插方法是在刘东生[1]提出的堆积量计算黄土- 古土壤组合顶底界年龄的基础上发展而来的.其以沉积速率在千年尺度上不发生变化为假设前提，沉积速率与沉积物总厚度存在线性关系，所以就有各采样层厚度占两个年龄控制点之间沉积物厚度的比例与沉积该厚度所消耗的时间占沉积总厚度的时间的比值相同.可进行如下计算

(1)

其中，Tm ：所求地层的年龄；T1 ：已知较年轻的古地磁极性倒转界限年龄；T2 ：已知较老的古地磁极性倒转界限年龄，且T2>Tm >T1；di：某一采样层的厚度；m ：T1到Tm一共包含的有磁化率值的采样层数，共有m层；n :T1到T2一共包含的有磁化率值的采样层数，共有n层.

1.2 磁化率内插方法

磁化率内插方法是Kukla等提出的磁化率和风成沉积速率呈反比的年龄内插模型[2].他认为磁化率是黄土- 古土壤层中磁性矿物的浓度，黄土和古土壤中的磁性颗粒主要由宇宙物质和火山喷发尘埃所贡献.而黄土作为风尘沉积物其本身所携带的磁性颗粒是可以忽略的，并且在间冰期的成壤过程中不会形成新的磁性矿物.黄土层磁化率较低是因为冰期时粉尘通量较大，将磁性颗粒的浓度“稀释”.所以有

SUS·LAR=C(C为常数)

(2)

沉积速率在千年尺度上不发生变化，就有

(3)

将(2)式代入(3)式可得

(C为常数)

(4)

因此，通过上述推导，Kukla等在两个古地磁年龄控制点内，进行如下的计算：每一采样层的磁化率值乘该层的厚度，然后将所有乘积求和，各采样层磁化率和厚度的乘积所占比例等于该采样层形成时间在总时间中所占比例，由此计算得出黄土- 古土壤各采样层年龄.计算公式如下

(5)

其中，Tm：所求地层的年龄； T1 ：已知较年轻的年龄；T2 ：已知较老的年龄，要求T2>Tm >T1； ai ：某一采样层的厚度； si：某一层的磁化率值；m ：T1到Tm一共包含的有磁化率值的采样层数，共有m层；n ：T1到T2一共包含的有磁化率值的采样层数，共有n层.

1.3 粒度内插方法

安芷生提出黄土粒度的变化主要是由冬季风强度的变化所控制的，其记录了大尺度空间范围内风场的变化，可从其中提取北半球中纬度地区古风场甚至古大气环流变化的重要信息，由此可将其作为冬季风变化的替代性指标以其为理论基础[3]，Stephen C Porter和安芷生认为粉尘通量和粒径指标呈比例，冬季风粒径指标的最大值可以标记携带粉尘的风加强的时间[4].所以据粉尘沉积的时间与冬季风粒度指标的相关性建立了粒度时间标尺.具体计算公式如下

(6)

式中，Ai是第i层样品粉尘堆积速率，与黄土中粒指标成正比，所以就有

(7)

将(6)式代入(7)式可得

(8)

其中，Tm：所求地层的年龄；T1：已知的较年轻的年龄；T2 ：已知的较老的年龄，要求T2>Tm >T1； ai：某一采样层的厚度；GSi：某一层的某一粒度指标值；m ：T1到Tm一共包含的有粒度指标值的采样层数，共有m层；n：T1到T2一共包含的有粒度指标值的采样层数，共有n层.

1.4 轨道调谐方法

深海氧同位素记录表明，地球轨道三要素的周期变化是造成第四纪气候变化的外部因素，因此一些学者认为，可利用地球轨道三要素在时间序列上的理论值变化来“预测”古气候的变化[5].换言之，就是利用地球轨道三要素周期理论计算值来测定沉积物记录的古气候事件.基于上述原理丁仲礼等利用轨道调谐方法建立了宝鸡黄土剖面的时间标尺[6].

轨道调谐法主要有如下步骤：(1)建立气候曲线，即选择粒度、磁化率或其他气候指标变化曲线作为古气候的环境替代性指标，建立黄土地层的气候变化曲线；(2)选择目标曲线, 地球轨道三要素的变化，如同“节拍”一样被沉积记录下来，但是，沉积记录在记录理论“节拍”时，由于沉积速率不同，在一定程度上这种理论“节拍”出现了歪曲.而轨道调谐就是要恢复沉积记录的地球轨道三要素周期的“本来面目”.因此，轨道调谐过程中能否选择适当的天文方案作为目标曲线起着决定性的作用，目标曲线是将初始时间标尺调整到最终时间标尺的标准；(3)确定相位差, 不同气候周期所具有的滞后时间不一致, 丁仲礼和余志伟[6]采用Hays等的估计值[5]；(4)建立初始时间标尺，此处可以利用其他方法(线性内插方法、磁化率内插方法或者粒度内插方法)先建立初始的时间标尺；(5)轨道调谐，利用数学方法将气候曲线的谷峰与目标曲线上的谷峰相匹配， 从而获得时间标尺，分析此时气候曲线的频谱，然后再加入新的控制点，如此反复，得出最终时间标尺.因轨道调谐方法也是在内插方法建立初始时间标尺后进行调节的，因此，本文对三种内插方法进行了分析.

2 建立第四纪黄土时间标尺各内插方法的应用

线性内插方法作为常用的建立黄土- 古土壤时间序列的方法，是在刘东生[1]提出的堆积量计算黄土- 古土壤组合顶底界年龄的基础上发展而来的.在早期广泛应用于第四纪古环境研究中.

Kukla等利用磁化率内插方法建立西峰剖面时间标尺，并进行了时间序列的分析[2].Guo 等、郝青振和郭正堂以利用磁化率内插方法建立黄土时间标尺为基础，提出游离氧化铁FeD/全氧化铁FeT指标更能客观的反映古土壤的发育强度，能反映东亚夏季风的演化信息[7，8].Guo 等同样以该方法建立的时间标尺为基础，发现在黄土- 古土壤序列的各项气候指标(SiO2/Al2O3，磁化率，FeD/FeT)变化曲线中有清晰的100 ka，40 ka以及23 ka的地球轨道三要素的周期，证明了地球轨道三要素对古气候的影响[9].

Porter and An利用粒度方法建立末次冰期黄土时间序列[4]，研究发现度曲线记录的粗颗粒峰值与北大西洋钻孔冰筏沉积记录的Heinrich事件与D- O振荡有较好的一致性.Hao 等用粒度内插方法建立800 ka以来驿马关、坡头剖面黄土时间标尺[10]，利用其分析得出在800 ka B.P.与400 ka B.P.粒度出现的规律性变化.

因此，建立黄土时间标尺的三种内插方法在第四纪古气候研究中均得到广泛的应用，而三种方法哪种理论基础更为准确，得出的时间标尺更为精确需进行进一步的分析.

3 第四纪黄土时间标尺建立方法的分析

线性内插方法是以沉积速率在千年尺度上不发生变化为假设前提的，利用沉积速率与沉积物厚度存在线性关系来计算堆积一定厚度的沉积物所需要的时间，由此而得出黄土- 古土壤时间序列.但是，在中国黄土- 古土壤序列中，黄土的堆积厚度远比古土壤厚很多(图1)[11]，且就目前研究所得，形成堆积厚度远小于黄土的古土壤层所消耗的时间和形成堆积厚度较大的黄土层相差无几(表1)[12].由此可见，在较暖的间冰期与较冷的冰期，沉积速率存在很大的差异，若仅以此为假设前提，拟建立时间标尺，其精确度必然较低.

磁化率内插方法是基于假设间冰期的成壤作用中没有形成新的磁性矿物.黄土堆积中的磁性颗粒主要来源于宇宙物质和火山喷发的尘埃.黄土磁化率比古土壤低归因于冰期时粉尘通量大，稀释了磁性物质；而较暖的间冰期，降尘较少，这种稀释作用较弱，使得磁性物质相对富集，从而使磁化率在黄土中偏低，在古土壤中磁化率值相对较高.但目前的研究发现，古土壤磁化率较高与成壤作用形成的新的磁性物质有较大关系，而成壤作用的强弱直接受控于当地夏季的温度和降水，而温度和降水与东亚夏季风强度紧密相关，因此，磁化率可作为反映夏季风变化的环境替代性指标.就黄土与古土壤从西北到东南的空间变化格局来看，磁化率值由低变高说明黄土中的磁性物质有很大一部分来自于源区，磁化率值的高低差异可能归因于磁性物质在搬运过程中的空间分异成土强度的不同.这些都表明磁性物质的形成和变化机制是比较复杂的，所以磁化率内插方法的假设前提就失去了理论基础.但较线性内插方法而言，磁化率内插方法很好的考虑了古土壤堆积厚度较小但持续时间仍然较长这一因素.

粒度内插方法是建立在粉尘通量和粒径指标成比例的基础上的，该方法较好考虑了黄土和古土壤粉尘沉积速率的差异，在理论基础上准确于磁化率内插方法.且不同的粒度参数指标可以反映不同的黄土- 古土壤粒度情况，反映不同的气候环境.如：中值粒径是反映黄土- 古土壤粗细平均状态的指标，其代表了黄土- 古土壤粗细颗粒混杂在一起的平均状况；黄土- 古土壤中<2 μm 的颗粒含量与成壤作用紧密相关，其形成在很大程度上受风化成壤作用的影响；>32 μm 颗粒的沉降量会随冬季风变化发生敏感变化，>32 μm组分中包含>63 μm 的粗颗粒组分，能够同时反映东亚冬季风的一般状况和极强东亚冬季风和/或极强尘暴事件.因此，冬季风粒径指标的最大值可以标记携带粉尘的风加强的时间，是过去东亚冬季风变化的最敏感的替代性指标之一，能很好的反映环境变化.

4 结论与讨论

综上所述，黄土与古土壤的沉积速率存在很大的差异，若仅沉积速率在千年尺度上不发生变化为假设前提，通过线性内插方法拟建的时间标尺，其精确度必然较低.

磁化率内插方法虽然很好的考虑了古土壤堆积厚度较小但持续时间仍然较长这一因素，且磁化率可以作为反映夏季风强弱的环境替代性指标，但磁化率的高低与成壤作用形成的新的磁性物质有较大关系.因此，以间冰期的成壤作用中没有形成新的磁性矿物为假设前提的磁化率内插方法就失去了理论基础.

粒度内插方法建立在粉尘通量和粒径指标成比例的基础上，该方法较好地考虑了黄土和古土壤粉尘沉积速率的差异，在理论基础上准确于磁化率内插方法.且粒度指标可很好的指示东亚冬季风变迁的历史，不同的粒度指标可以分别指示搬运粉尘的风动力变化，沉积环境变化及成壤作用的变化等，是古气候环境变化非常好的替代性指标之一.

因此，通过各项分析就三种广泛应用于第四纪黄土- 古土壤研究中的三种年龄模型而言，粒度内插方法的理论基础较强，建立的时间标尺也较为精确.但是，在粒度内插方法的应用中，有各项指示不同古环境变化的粒度参数和粒径指标，究竟哪个指标更能很好的指示冬季风变化情况，用其建立的时间标尺更为准确，仍需要探讨.因此，寻找响应沉积速率变化的敏感的粒度参数指标并且建立两者间精确的函数关系将是进一步研究的关键.

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