陆地和海洋沉积物中的磁性矿物就像天然的录音机磁带，是记录古地磁场演化和古环境变迁的“天然史书”，揭示其记录地磁场和环境演化的历史和规律是当今地球系统科学研究的重要前沿课题之一。准确的年代和高分辨率的记录是地球科学研究至关重要的基础。我国拥有良好的新生代陆相沉积，为研究古地磁场和古气候变化提供了天然实验室，但其中有相当数量的古近纪和新近纪沉积序列仍然缺乏精确的年代控制。最近几十年来，我国新生代环境研究取得了重要进展，但高分辨率古气候研究主要集中在第四纪以来时段，有准确年代控制的高分辨率古近纪和新近纪记录仍然较为缺乏。以往用地质学、古生物学和地球化学等方法构建的古近纪和新近纪亚洲气候记录通常分辨率较低，难以深入探讨轨道-千年尺度气候动力学及其全球意义。近些年来，对陆相沉积剩磁复杂性和机理等基本问题的认识不断深入，磁性地层学在亚洲新生代地层定年方面取得了重要进展，为更好运用磁性地层学确定地层年代提供了新的实验技术和方法。而且沉积环境中磁性矿物的形成、搬运、沉积和改造等物理化学过程与气候环境变化过程密切相关，其磁学性质可以同时反映沉积中的物理和化学两种过程，所以能灵敏地指示气候环境的变化。磁性地层学和环境磁学在我国新生代陆相沉积定年和古环境重建中具有重要作用。
在上述科学思路的指导下，我们先从厘定不同沉积物记录剩磁的特征及机理入手，然后运用磁性地层学构建了兰州盆地晚始新世–渐新世河湖相沉积和黄土高原晚新生代风成沉积的准确年代，为区域和全球对比提供了年代学基础。在精细年代学基础上，运用详细的岩石磁学分析确定了不同沉积环境中磁性矿物变化的环境指示意义，并通过高分辨率环境磁学记录揭示出始新世-渐新世转型南极冰盖形成、中新世-上新世转型全球变暖、上新世-更新世转型北极冰盖形成等重大全球变化事件对亚洲气候演化有显著影响。最后，综合环境磁学和古人类记录及古人类栖息环境模拟，阐明轨道尺度季风变化对晚第四纪古人类种属分异演化以及智人（Homo sapiens）从非洲迁徙至亚洲具有重要调控作用。通过这一系列研究，发展了古地学在亚洲新生代陆相地层定年和气候环境变化及古人类演化研究中的应用。

围绕黄土高原地区新生代陆相沉积磁性地层学和环境磁学研究取得以下三个创新性成果：

1. 建立了兰州盆地晚始新世–渐新世河湖相地层的精细磁性地层年代，厘定了沉积物磁性与气候环境的内在联系，通过环境磁学记录揭示出南极冰盖形成前后全球变化对东亚气候的轨道尺度周期转变和干旱化具有显著影响

首先，通过对兰州盆地系统的古地磁学分析，揭示出高矫顽力赤铁矿和低矫顽力磁铁矿是兰州盆地晚始新世–渐新世河湖相沉积物中的主要磁性矿物，是特征剩磁的载体，它们记录了一致的古地磁场方向。在这基础上，结合生物地层学制约，建立了能与标准极性年表较好对比的高分辨率（采样间距高达20厘米）的精细磁性地层序列。其次，通过系统的岩石磁学测量，并结合元素分析和背散射电子成像等技术，揭示出沉积序列磁性强弱的旋回变化与气候密切相关。气候湿润期间，湖泊水位较高，形成还原的沉积环境，进而造成部分磁性矿物发生溶解，使得低频磁化率（χ_lf）、饱和等温剩磁（SIRM）和等温剩磁中硬磁组分（HIRM）的值较低。气候干旱期间，处于干旱区兰州盆地的古湖水位较低，形成氧化的沉积环境，磁性矿物较好地保存了下来，使得χ_lf、SIRM和HIRM的值较高。
最后，在上述研究基础上，通过高分辨率环境磁学记录揭示出始新世-渐新世转型时南极冰盖形成和大气CO₂浓度降低等气候边界条件的改变不仅导致兰州盆地气候显著变干，而且使其轨道尺度上气候周期也发生了转变。晚始新世以偏心率周期（40万年和10万年）主导，而早渐新世具有综合的偏心率（40万年和10万年）、斜率（4万年）和岁差（2万年）周期。χ_lf记录表明10万年和40万年轨道周期至少可以从晚始新世延续到晚渐新世。

1. 通过创新发展黄土高原风尘沉积磁性地层学和环境磁学，从全球视角揭示出中新世-上新世转型和上新世-更新世转型时的全球变化对亚洲气候有重要影响、

与兰州盆地年代较老的河湖相沉积相比，黄土高原风成黄土和红粘土的年代相对年轻（处于第四纪和新近纪）。过去四十多年来，环境磁学在第四纪黄土研究中成果丰硕，然而在同属风成沉积的新近纪红粘土研究中却仍然较为薄弱。我们选择黄土高原东部的石楼和中部的崇信剖面，通过创新发展红粘土磁性地层学和环境磁学方法，成果提取了红粘土中磁性矿物变化指示的环境意义，并揭示了中新世-上新世转型和上新世-更新世转型时亚洲气候演化与全球变化的耦合过程。首先建立比以往研究更高分辨率（采样间距5–10厘米）的磁性地层学序列，并结合区域地层对比和哺乳动物化石的年代制约，揭示出石楼红粘土序列记录了C4r负极性时晚期至C2A正极性时的所有正负极性时和极性亚时，与标准极性年表可以精细对比，时间跨度为距今820–260万年前。这一结果为利用石楼红粘土来开展区域和海陆对比研究奠定了坚实的年代学基础，为距今800–700万年前风成红粘土从黄土高原西部扩展到东部的传统认识提供了新证据。在准确磁性地层年代学基础上，通过详细的环境磁学研究，揭示出在晚新近纪温暖湿润条件下，较强的成土作用不仅导致新生成的磁铁矿和赤铁矿含量升高，还会导致超顺磁颗粒（superparamagnetic）向单畴（single domain）和较小的准单畴（pseudo-single domain）颗粒转变。由于非磁滞剩磁磁化率（χ_ARM）与χ_lf比值（χ_ARM/χ_lf）可以反映这一转变过程强度的变化，所以它能有效揭示成土作用和季风降雨的变化。综合石楼红粘土χ_ARM/χ_lf与亚洲其它区域古气候记录，发现中新世-上新世转型时黄土高原为变湿模式，塔里木盆地则为变干模式。结合数值模拟和海陆对比，阐明了中新世-上新世转型时黄土高原和塔里木盆地气候表现出的“跷跷板”演化特征与全球变暖密切，这为认知当前全球变暖背景下亚洲气候变化的区域差异提供了历史相似型。
与中新世-上新世转型全球变暖时红粘土颜色由浅红转变成深红相反，上新世-更新世转型全球变冷时深红色的上新世红粘土则转变成第四纪黄土-古土壤序列，这是对北半球大冰盖形成的显著响应，但是目前对这一转变过程中轨道-千年尺度亚洲气候变化研究较为薄弱。申请人利用黄土高原崇信红粘土/黄土剖面针对这一前沿问题开展了深入研究。首先，通过磁性地层学揭示出崇信剖面记录了Gilbert–Gauss界线至Matuyama负极性时早期连续的地磁极性特征，其不仅包括Mammoth和Kaena负极性亚时及Olduvai正极性亚时，而且还记录了地磁场的精细结构，例如，Réunion地磁极性漂移事件。然后，在磁性地层年代学基础上，运用沉积物粒度这一物理参数，重建了晚上新世至早更新世冬季风演化历史，发现上新世-更新世气候转型时北半球冰盖大幅扩张虽然导致了冬季风强度增加，但没有改变冬季风轨道尺度的周期演化，其始终保持与全球海平面相似的4万年和10万年两个周期协同演化。另外，还发现在北极冰盖形成前后冬季风一直都有显著的千年尺度波动叠加在轨道尺度变化之上。

1. 以中国黄土的高分辨率环境磁学记录为切入点，揭示出轨道尺度季风变化对晚第四纪古人类的种属分异演化以及智人从非洲迁徙至亚洲有重要调控作用

早在上世纪90年代，我国学者刘东生先生和丁仲礼院士就根据东亚季风、印度季风和非洲季风在第四纪存在相似的阶段性演化推测季风区古环境对人类演化过程有深刻的调节作用，这一推测已被在非洲开展的大量多学科交叉研究所证实。然而，在东亚开展的古气候与古人类演化交叉研究却极度缺乏。黄土高原的风成黄土-古土壤序列是蕴含古气候信息最丰富的陆相沉积物，但其记录的更新世亚洲气候变化对古人类演化的影响是以往较为薄弱的研究方向。基于黄土高原χ_lf、非磁滞剩磁（ARM）、赤铁矿与针铁矿比值（Hm/Gt）等多参数环境磁学记录，申请人揭示出中更新世以来东亚季风与全球气候密切相关，并且结合人类演化记录，探讨了晚第四纪亚洲古人类演化与气候变化的联系。
通过χ_lf和Hm/Gt记录揭示出间冰期东亚季风降雨在50万年前转变为更加湿润的“现代模式”，这是对中布容气候转型全球变化的显著响应。通过综合古气候和古人类演化证据，发现中布容气候转型伴随着古人类演化的转变，例如，亚洲中更新世非直立人（“non-erectus” Asian Mid-Pleistocene hominins）出现，尼安德特人和丹尼索瓦人在欧亚大陆出现，早期智人在非洲出现，石器打制从Acheulian技术向更加先进的Levallois技术转变。据此，申请人团队提出了中布容气候转型对四五十万年前人类演化具有重要影响的新认识。中布容气候转型时全球气候的冰期-间冰期变化幅度增加，这使得陆地生态系统发生显著变化，进而促使基因漂移和进化形成人类种属的分异演化，以及促使他们制造更加先进的石器来适应新的气候环境。
环县黄土是黄土高原中部沉积速率最高的剖面之一，是研究轨道尺度气候变化的良好记录。首先，申请人通过详细岩石磁学分析揭示环县黄土与中部和东部其它剖面的黄土具有相似的磁学性质，黄土-古土壤序列中磁性矿物仍然由成土作用新生成的超顺磁、单畴和较小准单畴的磁铁矿/磁赤铁矿颗粒主导，反映超顺磁颗粒含量的χ_lf和反映单畴和较小准单畴颗粒含量的ARM可以反映成土作用强度变化，进而指示夏季风降雨变化。其次，通过具有百年分辨率的χ_lf和ARM记录，揭示出亚洲夏季风降雨在过去28万年来具有10万年、4万年、2万年的多周期变化特征，响应太阳辐射、全球冰量、温室气体浓度的共同驱动。在这基础上，进一步综合智人在亚洲出现的一系列智人化石和石器证据，发现智人从非洲迁徙到东亚发生在距今~12–7万年前季风降雨丰沛（黄土高原的χ_lf较高）的末次间冰期。最后，结合古人类栖息环境模拟，阐明末次间冰期季风降雨增加对智人从非洲迁徙到东亚具有重要的调控作用。

 

中国黄土,红粘土,环境磁学,气候变化