地球环境研究所在中亚黄土、沙漠物质来源与气候变化研究获系列新进展
地球环境研究所在中亚黄土、沙漠物质来源与气候变化研究获系列新进展
中亚干旱区作为全球重要的粉尘源区，对区域、全球气候和人类活动产生了深远影响。最近，中国科学院地球环境研究所黄土与古气候研究团队联合中亚和欧洲等国内外学者，在中亚地区的准噶尔盆地、伊犁盆地、乌兹别克斯坦两河流域及塔吉克-阿富汗盆地等地开展了系统研究，取得了重要进展。
图1 中亚黄土分布与研究区/剖面位置
塔吉克-阿富汗盆地黄土剖面研究
研究团队对塔吉克-阿富汗盆地的恰什马尼加尔（CMG）末次冰期黄土剖面进行了粒度和磁学特征分析，揭示了中亚南部粉尘动力学机制。研究表明，塔吉克斯坦的黄土主要由尘暴产生的浮尘和西风携带的细粒风尘构成，其粒度变化主要受沙尘暴活动的频率影响。研究发现，冰量变化不仅影响了粉尘活动的频率，还增加了快速气候波动的幅度，进一步证实了大气不稳定性对冰量边界条件的敏感性。研究认为冰量的增加对大气变化幅度影响更大，会造成粉尘活动更加频繁，对大气变化幅度影响更大，但对降水的影响相对较小。
图6 伊犁盆地NLK剖面白云石重建末次冰期降水指数与其他指标对比图（A: 轨道尺度、B：千年尺度）
乌兹别克斯坦全新世粉尘活动历史重建
研究团队基于乌兹别克斯坦东部锡尔河支流Karasu河河流阶地上的KA黄土剖面的沉积记录，运用光释光定年、粒度分析和微量元素地球化学等多种分析手段，重建了中亚核心区全新世的粉尘活动历史。研究发现，在早至中全新世期间，乌兹别克斯坦的粉尘活动较为强烈，但其暴发频率较低；而在晚全新世，粉尘活动的强度有所降低，但频率却有所升高。这种变化模式与北半球高纬度地区的气候变化记录相吻合，表明中亚的粉尘活动受控于北半球高纬度气候系统。通过对比发现，粉尘活动和北大西洋的冰筏事件在千年尺度上有很好的一致性。
图3 乌兹别克斯坦东部全新世沙尘活动和沙尘暴记录与全球记录对比图
克孜勒库姆沙漠物质来源分析
研究团队利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）方法，对乌兹别克斯坦沙漠、两河流域和西天山等区域的表土样品进行了碎屑锆石U-Pb年代学分析。分析结果显示，克孜勒库姆沙漠的主要物质来源是西南天山，而锡尔河及其支流系统（包括阿姆河和泽拉夫尚河）是这些物质的主要运输通道。由于风力搬运和循环作用较弱，导致克孜勒库姆沙漠的物质成分分布不均匀。此外，研究还发现克孜勒库姆沙漠的沙尘物质能够被风力搬运至天山山麓地区，其搬运和沉积过程主要受到地形因素的影响。
伊犁盆地末次冰期降水变化研究
研究团队通过对伊犁盆地尼勒克（NLK）末次冰期黄土剖面进行碳酸盐矿物的XRD分析，并利用随机森林回归模型定量获取了碳酸盐及白云石含量。分析结果表明，碳酸盐矿物含量的变化主要受到物源变化的影响，由此通过消除白云石记录中的物源信号建立了一个降水指标，进而揭示了末次冰期的降水变化特征。研究发现，相对于深海氧同位素阶段（MIS）2，MIS 3期间降水量较低，这可能与地轴倾斜度和岁差驱动的中纬度西风南北迁移和强度变化有关，其中岁差变化起主要作用。通过对比发现，伊犁盆地的千年尺度降水变率与北大西洋涛动（NAO）模式呈正相关，而在中亚南部的塔吉克斯坦地区呈负相关，这表明西风南北迁移对中亚地区降水变率产生了重要影响。
图7 伊犁盆地NLK剖面未来降水预测图
准噶尔盆地古尔班通古特沙漠物质来源研究
研究团队对准噶尔盆地古尔班通古特沙漠、周边表土以及潜在源区进行了采样，并进行地球化学元素的主成分分析。分析结果表明，古尔班通古特沙漠北部和西部的物质分别来源于阿尔泰山和准噶尔山脉，而北天山对该沙漠的贡献相对较小。此外，研究还发现古尔班通古特沙漠并非北天山北麓黄土沉积物（粉砂）的主要物源，这可能和沙漠本身磨蚀产生的粉砂粒级物质不足有关。这些粉砂粒级物质可能主要来源于黄土与沙漠之间的冲洪冲积扇与河湖相沉积物，但仍需要进一步研究来验证。
图8 区域地理位置及采样点图；古尔班通古特沙漠及其潜在物源的微量元素主成分分析；1979-2022年北疆地区地表潜在输沙路径和沙通量
图9 基于主成分分析的古尔班通古特沙漠与北天山北麓黄土元素组成对比
这些研究通过综合运用粒度分析、元素地球化学、碎屑锆石U-Pb定年技术、随机森林回归模型等多种方法，揭示了不同区域粉尘的物源、传输路径和沉积过程，为深入理解中亚地区风成沉积物的形成机制、粉尘活动模式以及它们与全球气候变化之间的联系提供了新证据，为预测未来的粉尘活动和气候变化趋势提供了基础。
上述研究是由中国科学院地球环境研究所牵头，乌兹别克斯坦地质科学大学地质与地球物理研究所、塔吉克斯坦科学院地质、地震工程与地震学研究所、中亚大学、希腊西马其顿大学以及浙江大学、福建师范大学等单位的科研人员共同完成的，李越、张明玉副研究员等为第一作者，宋友桂研究员为通讯作者。本系列研究得到了国家自然科学基金、青藏高原第二次综合考察研究、中国科学院先导专项 B、中科院青促会以及中国科学院国际合作局合作交流计划等多个项目的联合资助，以及黄土与第四纪地质国家重点实验室和中国科学院中亚生态与环境研究中心的支持。
相关论文清单与链接：
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