过去19.5万年来中国东北哈尔滨黄土的来源变化：来自重矿物成分的启示

《CATENA》：The provenance dynamics of the Harbin loess, northeast China over the past 195 ka: Insights from heavy mineral composition

中国东北松嫩平原哈尔滨黄土的物源动态与风场耦合机制研究。通过TIMA技术结合多指标统计模型分析重矿物组成，建立高精度光释光年代框架，揭示黄土在末次冰期旋回中存在显著物源变化，由西风带、东亚季风和地貌协同驱动：MIS 6阶段西风带北移增强细颗粒物源来自呼伦贝尔沙地，而MIS 5阶段西南季风主导粗颗粒来自松嫩沙地。研究提出“西风-季风-地貌”耦合机制，建立动态监测与治理模型，为东亚沙地生态保护提供理论依据。

　　在东北中国地区，黄土沉积物的来源一直是研究的重点。黄土作为典型的风成沉积物，其形成过程受到气候、地质构造和大气环流等多因素的共同影响。这一研究的背景源于对黄土来源变化问题的长期关注，尤其是在第四纪冰川-间冰期循环过程中，源区是否发生变化的问题仍存在争议。通过对哈尔滨地区黄土剖面进行详细的矿物分析，结合潜在的风尘源区数据，本研究旨在揭示黄土来源的动态变化及其与大气环流之间的关系。

### 黄土来源的复杂性与研究意义

黄土沉积物的来源不仅决定了其化学和矿物组成，还影响了沉积物的运输路径与沉积环境。在中国黄土高原，尽管黄土的来源问题已从单一源区发展为多源区理论，但关于东北地区黄土来源的讨论仍较为有限。这主要是因为黄土高原的风尘来源通常被认为主要来自西北部的沙漠和高原，而东北地区的黄土沉积物则更多受到东亚季风和西风带的影响。此外，东北地区由于其特殊的地理位置，处于季风与干旱气候的过渡带，因此其风尘来源的变化更为复杂，且对全球气候系统有重要反馈作用。

哈尔滨地区的黄土剖面位于松嫩平原的东部边缘，处于一个远离沙漠源区的风尘输送走廊中。该剖面不仅记录了松嫩平原的沉积演化过程，还提供了重要的古气候证据。由于该地区的风尘沉积物可能受到多种来源的共同影响，因此对其来源的系统研究对于理解区域环境演变以及揭示大尺度的风尘-气候耦合机制具有重要意义。近年来，一些研究通过石英电子自旋共振（ESR）信号和碎屑锆石U-Pb年龄谱等方法，发现不同气候阶段的风尘来源存在显著差异。然而，Sr-Nd同位素系统和大规模碎屑锆石U-Pb年龄分析则支持了来源稳定性的假设。这些研究进展和持续的争议不仅深化了区域古环境的理解，也为全球风尘-气候耦合研究提供了方法论框架。

### 黄土来源的动态变化与气候驱动机制

本研究的重点在于揭示哈尔滨黄土在冰川-间冰期循环中的来源变化。通过使用TESCAN Integrated Mineral Analyzer（TIMA）对黄土剖面和潜在风尘源区进行重矿物分析，并结合FingerPro定量来源分析模型，研究发现哈尔滨黄土的来源在MIS 6、MIS 6/5和MIS 5/4过渡期发生了显著变化。这种变化主要由大气环流的动态变化所驱动，包括夏季季风（西南风）、冬季季风（西北风）、低层和高层西风等。

在MIS 6期间，HL（呼伦贝尔沙地）的风尘贡献主要受到高层西风和东亚冬季季风的影响。而在MIS 6/5和MIS 5/4过渡期，HQ（科尔沁沙地）和OD（乌兰布和沙地）与SN（松嫩沙地）之间的风尘贡献竞争则由低层西风和东亚夏季季风主导。此外，地表过程在亚轨道尺度上进一步调节风尘排放量，通过控制沙地边界和风尘可利用性。因此，哈尔滨黄土的来源变化与东亚季风和西风带的动态变化密切相关。

### 研究方法与技术手段

为了更准确地分析哈尔滨黄土的来源变化，本研究采用了多种先进的技术和方法。首先，通过光致发光（OSL）和电子自旋共振（ESR）测年技术，建立了哈尔滨黄土剖面的精确年代框架。其次，利用TIMA（TESCAN Integrated Mineral Analyzer）对黄土剖面和潜在风尘源区进行重矿物分析，提取了不同粒径分数的矿物组成数据。TIMA方法结合了扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS），能够高效地进行矿物学数据的定量分析，并具有粒径特异性输出能力。此外，本研究还采用FingerPro定量来源分析模型，通过多指标混合分析，实现了对风尘来源的定量估算。

为了验证TIMA和传统光学显微镜（OM）方法在矿物识别上的差异，本研究对四个样品进行了手动重矿物识别。结果表明，TIMA方法能够更准确地识别同质矿物，例如石榴石、绿帘石和云母等。然而，由于TIMA方法在钛矿物多形体（如金红石、锐钛矿和赤铁矿）和云母的识别上存在一定的局限性，因此在进行来源分析时，需谨慎对待TIMA与OM数据之间的对比。

此外，本研究还采用了多种多变量统计方法，包括聚类分析（Cluster Analysis）、主坐标分析（PCoA）和非度量多维缩放（NMDS），以进一步揭示哈尔滨黄土的来源变化。这些方法能够有效区分不同来源的矿物组合，并揭示其在不同粒径范围内的分布规律。例如，TIMA方法提取的<20 μm粒径范围的矿物数据与20–63 μm粒径范围的矿物数据在来源识别上表现出不同的特征，这可能与不同粒径范围的风尘运输机制有关。

### 研究结果与发现

研究结果表明，哈尔滨黄土的来源在MIS 6、MIS 6/5和MIS 5/4过渡期发生了显著变化。在<20 μm粒径范围内，SN（松嫩沙地）的贡献率最高，达到了23.9%，而HL（呼伦贝尔沙地）的贡献率为42.5%，HQ + OD（科尔沁和乌兰布和沙地）的贡献率为33.5%。而在20–63 μm粒径范围内，SN的贡献率略低，为69.4%，HL的贡献率为9.3%，HQ + OD的贡献率为21.2%。这表明，在不同的粒径范围内，风尘来源的贡献存在差异，可能与不同粒径范围的风尘运输路径有关。

进一步的分析表明，哈尔滨黄土的来源变化主要由东亚季风和西风带的动态变化所驱动。在冰川期，冬季季风主导了粗粒尘埃的运输，而在间冰期，夏季季风和低层西风则促进了细粒尘埃的输送。此外，地表过程（如沙地边界和风尘可利用性的变化）在亚轨道尺度上也对风尘来源产生了重要影响。例如，当沙地边界扩大时，细粒尘埃的来源可能发生变化，而当沙地边界缩小时，粗粒尘埃的来源则可能更为集中。

### 研究的科学意义与实际应用

本研究的科学意义在于揭示了哈尔滨黄土来源的动态变化，并建立了其与东亚季风和西风带之间的耦合机制。通过综合使用TIMA和FingerPro方法，研究不仅提供了定量的来源数据，还揭示了不同粒径范围内的来源变化规律。这些发现有助于理解东北地区风尘运输的机制，并为区域环境演变和全球风尘-气候耦合研究提供了新的视角。

此外，本研究还提出了针对东北地区风尘问题的生态治理策略。由于哈尔滨黄土的来源主要受到东亚季风和西风带的影响，因此需要建立动态的风尘防治系统和监测平台。例如，在松嫩沙地的西部和西北部地区，应加强生态屏障建设，以减少风尘的输入。同时，在间冰期和温暖冰期，由于沙地边界的变化和植被的扩展，风尘的来源可能发生变化，因此需要加强水土保持措施，并优化水资源管理，以减少沙尘的再激活。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。首先，TIMA方法在某些矿物的识别上存在一定的误差，例如钛矿物多形体和铁氧化物的识别。因此，在进行来源分析时，需要结合多种方法以提高准确性。其次，由于研究区域的地理位置特殊，风尘来源的变化可能受到复杂的地表过程和气候波动的影响，因此需要进一步探讨这些因素对风尘运输路径和来源的调控作用。

未来的研究可以进一步探讨不同粒径范围内的风尘来源变化机制，并结合其他地球化学和地质学方法，如Sr-Nd同位素分析和碎屑锆石U-Pb年龄分析，以更全面地理解风尘来源的动态变化。此外，还可以结合气候模型，模拟不同气候条件下风尘来源的变化，从而为全球风尘-气候耦合研究提供理论支持。

综上所述，本研究通过对哈尔滨黄土剖面和潜在风尘源区的重矿物分析，揭示了其来源的动态变化，并建立了其与大气环流之间的耦合机制。这些发现不仅深化了对东北地区风尘运输过程的理解，也为区域生态治理和全球风尘-气候耦合研究提供了新的视角和方法论支持。