日照阈值控制了受地轴倾角周期驱动的中新世至上新世东亚降水变化

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Insolation thresholds gate obliquity-paced shifts in Mio-Pliocene East Asian precipitation

　　

摘要

地球黄赤交角的长周期调制可能通过改变经向能量梯度来影响季风水文气候，但其在大洲记录中的表现通常呈现间歇性。本文报道了中国黄土高原中部的磁层序约束磁化率和Rb/Sr记录。天文调谐前的频谱分析揭示出约1.2 Myr黄赤交角振幅调制附近持续存在的变异性，而约173 kyr分量在约3.7 Ma之后变得显著增强。对黄赤交角和25°N–45°N夏季日照差的非线性变换优先增强了约173 kyr和约1.2 Myr频带，展示了长周期轨道调制如何在水文气候记录中被选择性地表达。我们将此模式解释为东亚夏季季风北缘在黄土高原地区处于动力学敏感状态的证据。经向海面温度梯度的变化、海陆之间水分输送的改变以及地形边界条件的演变可能在不同时期改变了这种敏感性。区域水文气候并非对日照强迫做出线性响应，而是似乎在约3.7 Ma之后更接近于一种动力学敏感的边界态，在此状态下，日照的微小变化就可能触发季风降雨分布的剧烈变动。我们提出，这种行为反映了阈值控制的东亚夏季季风北界的迁移，从而放大了黄赤交角节律在水文气候中的印记在陆相沉积记录中的表现。这种阈值门控机制为调和温和的轨道强迫与强烈的水文气候响应提供了框架，并揭示了季风边界对缓慢外部强迫的敏感性。

引言

东亚夏季季风（EASM）是一个季节性演变的环流系统，受海陆热力差异、青藏高原的热力和动力效应、亚洲大陆及毗邻洋面的大尺度气压系统、以及来自印度洋和太平洋的水汽输送调控（Wang等，2017；Geen等，2020；Hersbach等，2020；Jian等，2022；Xu等，2024；图1）。中国黄土高原（CLP）位于东亚夏季季风北缘附近，此处季风水汽输送与中纬度西风带相互作用（Wu等，2022）。因此，东亚夏季季风强度和向北推进的变化可使季风北缘雨带位移，并在黄土高原地区产生巨大的水文气候对比。

地球自转轴倾角，即黄赤交角，在约22.1°至24.5°之间变化，主周期约为39–53 kyr（?uk等，2016；Laskar等，2004）。天文解中还包含约173 kyr和约1.2 Myr附近的长周期振幅调制（Laskar等，2004；Laskar，2020）。通过改变太阳辐射的季节性和经向分布，黄赤交角修饰经向能量梯度，并通过大陆和青藏高原增温、海陆热力差异、大尺度气压梯度、水汽输送路径、以及夏季风雨带的位置和强度来影响东亚夏季季风。长周期调制应在气候敏感的季风边界附近最强烈地表达，在此处微弱的环流变化即可产生显著的降水和成土变动。

晚中新世–上新世经历了全球气候系统背景状态的重大变化。大气CO?总体呈下降趋势，全球变冷、大陆干旱化扩展、经向海面温度梯度变化以及北半球冰量的逐步增长改变了热量和水汽在低纬和高纬之间的分布（LaRiviere等，2012；Zhang等，2014a，Zhang等，2014b；Herbert等，2016；Yamamoto和Kobayashi，2016；Liu等，2019）。这些变化重组了哈德莱环流和沃克环流、海陆热力差异、海洋水汽供应以及输送入大陆亚洲的水汽（Holbourn等，2018；Yao等，2023）。因此，随洋–气–地形背景状态的演变，持续天文强迫的水文气候响应可能增强或减弱。

黄土高原提供了东亚大气环流和水文气候的长期陆相记录档案。黄土–古土壤序列和红黏土序列包含与偏心率、黄赤交角和岁差相关的轨道尺度水文气候变异性（Ding等，1999，Ding等，2001；An等，2001；Guo等，2002；Nie等，2008；Sun等，2010；Anwar等，2015；Zhang等，2021）。黄赤交角振幅的长周期调制则较少被分辨。Zhang等（2022）报道了黄土高原东部红黏土序列中存在约173 kyr分量，但产生该信号的物理途径及其间歇性表现的原因仍不确定。长周期调制的选择性出现可能本身记录了季风敏感性的变化，而不仅仅是连续轨道响应的不完全保存。

本文报道了黄土高原中部支田红黏土剖面的磁层序、磁化率和地球化学记录。我们首先从磁层序建立初始年代框架，并识别天文校准时之前的频谱分量。然后比较基于405 kyr和约173 kyr的调谐方案，并评估两种对降水和成土敏感的代用指标中长周期能量的时空分布。最后，我们使用黄赤交角和经向夏季日照梯度的非线性变换来检验阈值门控机制。我们表明，约1.2 Myr调制贯穿整个记录始终，而约173 kyr分量在约3.7 Ma之后最为明显地增强，并提出演变的海洋、大气和地形边界条件使东亚夏季季风北缘更接近于一种动力学敏感状态。

章节摘要

地层位置和地质剖面

支田红黏土剖面（35°14′16.30″N，108°25′3.53″E；海拔1243米）出露于中国黄土高原中部的旬邑县（图1）。研究剖面距Xue等（2001，2003）所描述的旬邑红黏土–黄土剖面约1公里，两个出露部位代表同一地方晚新生代地层序列的对应部分（Xue等，2001，2003）。邻近旬邑剖面提供的古生物学和地层学信息

野外描述与采样

对约68米厚的支田剖面进行了岩性、颜色、碳酸盐出现情况和相对成土发育程度的描述记录。共采集了480件定向样品，间距10–20厘米，用于古地磁分析。此外，采集了839件块样，间距5–10厘米，用于磁化率和地球化学测量。两组样品均对应同一实测深度标尺，以便直接对比极性、岩性、磁化率和Rb/Sr（图2）。

岩石磁学测量

岩石磁学特征

在30个代表性样品中，温度依赖性磁化率曲线在约450至580°C之间显示主要下降，随后在磁铁矿居里温度以上呈现低磁化率（图S2）。加热和冷却路径大体相似，表明加热过程中矿物变化有限。这些观察表明磁铁矿是主要磁性载体，而赤铁矿的贡献则由高温磁化率的渐变趋势所指示。

年代学与代用指标框架

轨道尺度变异性的解释依赖于独立约束的年代框架。邻近的旬邑化石组合提供了区域晚新生代的生物地层学控制，而研究中的支田剖面年代则由其自身的极性序列确定。来自480件样品中455件的稳定特征剩余磁化方向定义了N1–N7和R1–R6区带，这些区带与GPTS 2020从约C3An至C2An进行了对比。长周期分量在初始

结论

支田红黏土序列记录了长周期黄赤交角调制与中新世–上新世东亚水文气候之间的非线性关联。磁化率和Rb/Sr包含约1.2 Myr黄赤交角振幅调制附近持续存在的变异性，而约173 kyr分量在约3.7 Ma之后显著增强。这些分量在天文调谐前即已存在，并在基于405 kyr和约173 kyr的不同替代校准方案下持续保留，表明它们并非单一调谐目标的产物。

作者贡献

V.A.K.、S.M.Z.和Y.L.提出了研究构想。M.M.、V.A.K.和S.M.Z.参与了野外工作。S.M.Z.和M.M.执行了实验。所有作者均参与了数据分析、解释和讨论。S.M.Z.、V.A.K.和Y.L.主导了稿件撰写，所有合著者均提供了智力贡献。

CRediT作者贡献声明

Sophia Moxuan Zhang： 原稿撰写、软件、方法论、调查研究、形式分析、概念设计。Minghao Ma： 验证、软件、方法论、调查研究、形式分析。Vadim A. Kravchinsky： 审阅与编辑、验证、方法论、调查研究、形式分析、概念设计。Joseph V. Ferraro： 审阅与编辑。Yongbing Li： 审阅与编辑、验证、监督、项目管理、调查研究、资金获取，

未被引用的参考文献

Burls等，2017

Dunlop和?zdemir，1997

Ge等，2013

Lamy等，2024

Oppo等，2009

Qin等，2022

Qu等，2005

Sun等，2009

Wang等，2019

Wang等，2020

Zheng等，2000

Zheng等，2022

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢N. J. Burls和C. M. Brierley就上新世气候模拟进行的有益讨论。

Sophia Moxuan Zhang | Minghao Ma | Vadim A. Kravchinsky | Joseph V. Ferraro | Yongbing Li

中国科学院大学，北京 100049，中国