提要 毛乌素沙漠与黄土高原接壤的沙漠——黄土边界带以其特有的古风成砂—黄土—古土壤沉积系列记录了这一地区约50万a 以来的环境演变。地层中的埋藏古风成砂是在冬季风极为强大时堆积的，古土壤是在冬季风萎缩、夏季风强盛时发育的，而黄土则是在上述两种极端气候的过渡状态下堆积的。研究结果表明毛乌素沙漠至少在50万a 前就已经形成，但也并不是从一出现就持续至今，而是在第四纪气候振荡的作用下，历经“沙漠—非沙漠”的多次转变，其中沙漠明显扩大的时期至少有13次。
关键词 沙漠—黄土边界带 古气候 环境演变
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毛乌素沙漠与黄土高原接壤的沙漠—黄土边界带，兼有生态脆弱性和气候敏感性的双重特点，是开展古全球变化研究（pages ）的理想地区之一。在这一地区，受第四纪地质时期气候振荡的影响，沙漠边界曾发生多次往复摆动，相应的在地层中留下了黄土、古土壤与古风成砂的迭覆沉积。这些沉积是恢复毛乌素沙漠的演变历史、探讨东亚季风环流演变特点的地质基础。此外，虽然国外已对非洲、北美、澳大利亚等地干旱、半干旱地区的环境变迁作了大量的研究工作[1—7]，但上述地区沙漠外围的风成沉积，无论是地层连续性、还是时间跨度，均不能与中国东部沙漠外围的风沙沉积相提并论，由此更突出了中国的沙漠—黄土边界带在古全球变化研究中的重要性。
近几十年来，国内学者从不同角度对毛乌素沙漠的形成与发展作了大量研究，如候仁之[8]、朱震达[9—10]等对历史时期的沙漠化作了精辟的论述，董光荣[11—13]、史培军[14]、孙继敏等[15—16]从第四纪地质角度对鄂尔多斯高原的古风成砂及沙漠演化进行了探讨。本文将重点讨论毛乌素沙漠的形成时间、演化次数以及地层的空间对比问题。
1 区域地理概况
本文的沙漠—黄土边界带位于毛乌素沙漠与黄土高原的交接带上（图1）。就地貌类型而言， 其北部为地形相对比较平坦的波状沙丘地，在景观上呈现流动沙丘与固定、半固定沙丘共存的特点；南部为地表切割破碎，沟壑众多，且地表局部覆沙的黄土梁峁地形。就气候而言，沙漠—黄土边界带地处半干旱向半湿润的过渡带上，年降水量在400～450左右，但降水变率大，主要集中分布于7、8、9三个月， 占全年降水量的60％以上[17]。此外，该带大风频繁，年平均风速多在2.5m/s以上，冬春季节盛行西北风，夏秋季节盛行东南风，因而处在干冷、暖湿的季风气候控制之下。
图1 沙漠—黄土边界带的地理位置
fig.1 location of the desert-loess transitional zone
近年我们对沙漠—黄土边界带的红石峡、石峁、蔡家沟等剖面进行了考察，这几个剖面均为榆溪或无定河两岸高阶地上的风成沉积剖面，其中尤以石峁剖面露头最为清晰、地层连续性最好，成为该区约50 万a以来颇具代表性的剖面。因此石峁剖面也就成了本文的研究重点。石峁剖面位于榆林城南约50km的横山县党岔乡，地貌类型属地表局部覆沙的黄土残梁，剖面厚76.7m，底部出露砂砾石层， 其下与中生代紫红色砂岩为不整合接触（图2）。
图2 石峁剖面古风成砂、黄土、古土壤沉积序列
fig.2 the eolian sand-loess-palaeosol sequence of shimao profile
1.风成砂 2.古土壤 3.黄土 4.弱发育土壤
5.砂砾石 6.中生代基岩
2 地层特征
与黄土高原内部的典型剖面不同，石峁剖面是以出现古风成砂—黄土—古土壤沉积系列为特点的，三种不同的沉积对应着三种不同的气候条件：地层中的埋藏古风成砂是在冬季风极为强大时堆积的；古土壤是在冬季风萎缩、夏季风强盛时发育的；而黄土则是在上述两种极端气候的过渡状态下沉积的。因而，认识这一地区的地层特征将有助于探讨沙漠—黄土边界带的环境演变特点及东亚古季风环流的演变历史。
2.1 剖面的底界年龄
根据我们的研究结果，石峁剖面的底界年龄应大致为0.5mab.p.。证据如下：
2.1.1 土壤地层证据 中国黄土地层中夹有十数层古土壤，这些古土壤的发育程度是不一致的。其中尤以第五层古土壤（s[,5]）发育最好、颜色最红、层位也最稳定，并通常由三层古土壤迭覆而成，俗称“红三条”。刘东生等于60年代初就将这层古土壤作为划分和对比地层的标志层[18]，至今s[,5]仍是黄土地层空间对比的显著标志层之一。野外观察表明石峁剖面的底部出露第五层古土壤（s[,5]）。其特点是：土壤发育程度是全剖面最好的，并由三层古土壤和夹于其间的两层黄土组成，将其划归s[,5]应不存在疑问。根据丁仲礼等所建的时间标尺[19]，其底界年龄应大致为0.5mab.p.。
2.1.2 古地磁证据 古地磁方法日益被应用于第四纪地层的划分、对比及相对定年研究[20]。笔者在石峁剖面从顶至底共采集了40块古地磁定向标本，并用中国科学院地球物理研究所的超导磁力仪对样品进行了剩磁测定。结果表明所有样品显示正极性，应为布容期的沉积，底界年龄不可能超过0.73mab.p.。
2.1.3 阶地年龄证据 石峁剖面地处无定河右岸，剖面底部有一层厚1.6m的砂砾石层，砾石最大直径为10cm左右，并不整合于中生代紫红色砂岩之上，为无定河流域的高阶地剖面。根据前人的研究结果，黄河及其主要支流在第四纪时期普遍发育有ⅰ～ⅵ级河流阶地（t[,1]～t[,6]），其中t[,3]的阶地面上发育s[,1]以来的风成沉积，t[,4]的阶地面上发育s[,5]以来的沉积，t[,5]的阶地面上发育s[,15]以来的沉积，t[,6]的阶地面上发育s[,22]以来的沉积[21]。由于t[,1]、t[,2]、t[,3]的阶地年龄均小于0.15ma，t[,5]及t[,6]的阶地年龄均大于0.73ma，因此石峁剖面只可能与t[,4]相当，发育s[,5]以来的沉积。
2.2. 石峁剖面与黄土高原地区典型剖面的对比
为了了解不同地域的地层配置特点，我们将沙漠—黄土边界带的石峁剖面与黄土高原的洛川剖面[20]、会宁白草塬剖面〔3 〕作了对比（图3）。
图3 石峁剖面与黄土高原典型剖面的对比 fig.3 the correlation between shimao profile and the other profiles of loess plateau
1.风成砂 2.古土壤 3.黄土 4.弱发育土壤 5.砂砾石 6.钙结核
从对比结果看，代表暖期的古土壤沉积在不同的地域有不同的特点：在洛川剖面，从s[,0]到s[,5]，各层古土壤中均不见黄土夹层，尽管s[,2]、s[,5]为复合土壤，但这些复合土壤是由钙结核而非黄土层所隔；向西到西峰剖面，也只在s[,2]中出现黄土夹层，但其余各土壤层情况与洛川相近；再向西到白草塬剖面，s[,2]、s[,5]中均已出现黄土夹层，其中s[,2]中夹有一层厚2.9m的黄土，s[,5]中夹有两层厚度分别为1.8m和1m的黄土层；而在沙漠—黄土边界带的石峁剖面，古土壤更显著地表现为组合土壤，除s[,0]以外，s[,1]～s[,5]的各层古土壤中均夹有黄土或古风成砂层。一个值得注意的现象是，s[,2]、s[,5]中已经有古风成砂夹层。上述古土壤的空间配置特点，至少能给我们两点启示。
其一，古土壤发育时的暖期并非以持续温暖为特点，而是有明显波动的，石峁剖面反映最好。在黄土高原主体部位的洛川、西峰剖面，受沉积速率小及成土作用强的影响，暖期时的气候波动往往得不到很好地反映，古土壤中的黄土夹层极易被接下来的成壤作用所改造。所以，尽管古土壤的成壤强度较高，但却不能很直观地记录暖期中的寒冷气候信息。在沙漠—黄土边界带，不仅沉积速率较大、成土作用弱，而且又处于气候敏感带上，暖期时的气候格局可得到很好反映。其特点是：几乎每期古土壤中都夹有代表寒冷气候的沉积，而且根据古土壤中的古风成砂或黄土夹层，还可进一步将这些次一级的冷期划分为干冷及极端干冷气候。
其二，石峁剖面与黄土高原典型剖面之间具有很好的空间可对比性。首先，[s,0]在上述剖面中是可以相互对比的。其特点是尚处于成壤初期的有机质积累阶段，均具暗腐殖质诊断表层，碳酸盐的淋溶程度不高；剖面有碳酸盐反应，一般无成形的ca层，是一种处在发育初期的古土壤。其次，从洛川、西峰、白草塬等地s[,5]以来的沉积来看，暖期中气候波动幅度最大的是s[,2]、s[,5]两个成壤期，表现为只有s[,2]、s[,5]为复合土壤。在沙漠—黄土边界带的石峁剖面，尽管从s[,1]～s[,5]均为组合土壤，但只有s[,2]、s[,5]中夹有古风成砂层，显示了s[,2]、s[,5]是气候振荡幅度最大的两个成壤期，这与典型黄土剖面所得出的结果是一致的。此外，代表冷期的沉积总体上是可以对比的，但在不同空间的地层配置上又各具特点。在黄土高原的洛川、西峰、白草塬等地，冷期沉积几乎无一例外地表现为黄土层；但在沙漠—黄土边界带，冷期的沉积可进一步划分为黄土和古风成砂层。
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