Climate change at orbital scale in Songnen Plain during the Middle and Late Pleistocene
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摘要:研究目的
松嫩平原位于东亚夏季风的边缘地区，研究该地区更新世湖相沉积记录的水文循环在轨道尺度上的变率，有助于认识轨道尺度上的水循环和古湖生产力在东北地区湖相记录中的演变特征。
研究方法通过钻孔BQZK05采集样品，使用电子自旋（ESR）测年分析得到约1025 ka以来的沉积记录。结合贝叶斯-年龄深度模型处理ESR年龄数据，利用频谱分析法对TOC（总有机碳）和GR（自然伽马）数据进行周期性分析。
研究结果ESR贝叶斯年龄-深度模型结果显示，TOC具有约173 ka和约100 ka的显著周期；自然伽马（GR）数据在870～40 ka之间显示主控约173 ka的周期。TOC约100 ka周期信号表明高纬冰量显著影响松嫩平原的植被和湖泊生物生产力变化。
结论高纬冰量和低纬太阳辐射的变化共同驱动了松嫩平原中晚更新世的气候变化，TOC和GR数据中显著的约173 ka周期信号表明该周期对有机碳埋藏起到重要作用。
Abstract:ObjectiveThe Songnen Plain, located at the edge of the East Asian Summer Monsoon (EASM), is an important region for studying the variability of the hydrological cycle recorded by Pleistocene lacustrine sediments on orbital timescales. Investigating these variations helps to understand the evolution of the water cycle and ancient lake productivity in the lacustrine records of Northeast China.
MethodsThis study applied Electron Spin Resonance (ESR) dating to samples from borehole BQZK05, obtained from the Ground Substrate Survey in the Songnen Plain, to acquire sedimentary records from approximately 1025 ka. The ESR age data were processed using the Bayesian age−depth model, and spectral analysis was performed on Total Organic Carbon (TOC) and Gamma Ray (GR) data to identify periodic signals.
ResultsThe results from the ESR Bayesian age−depth model show that TOC exhibits significant cycles of approximately 173 kyr and 100 kyr. The Gamma Ray (GR) data from 870～40 ka reveal a dominant ~173 kyr cycle. The ~100 kyr cycle observed in TOC suggests that high−latitude ice volume significantly influences vegetation content and lake biological productivity in the Songnen Plain.
ConclusionsChanges in high−latitude ice volume and low−latitude solar radiation have jointly driven climate change in the Songnen Plain during the Middle to Late Pleistocene. The prominent ~173 kyr cycle observed in both TOC and GR data sequences indicates that this cycle played an important role in organic carbon burial.
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Keywords:
- Songnen Plain /
- Ground Substrate Survey /
- Orbital period /
- Pleistocene /
- East Asian Summer Monsoon
创新点通过ESR测年和贝叶斯模型揭示了松嫩平原更新世湖相沉积中的轨道尺度气候变化周期，提供了高纬冰量和低纬太阳辐射变化共同驱动气候变化的新证据。
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东亚夏季风（East Asian Summer Monsoon，EASM）是全球气候系统的重要组成部分，其变化直接影响东亚地区十几亿人的生产和生活。重建东亚夏季风强度在地质历史时期的演变过程，对于了解季风如何塑造亚洲古环境及约束驱动亚洲大气环流和相关降雨量的基本机制非常重要。
第四纪EASM在轨道和亚轨道尺度的变化得到了广泛的研究，这些研究集中在黄土高原的黄土-古土壤序列（Ding et al.，2002; Sun et al.,2006，2012，2015，2016; Li et al.，2017）、石笋记录（Wang et al.，2005，2008; Cheng et al.，2009， 2016;Cai et al.，2015）、湖泊沉积物（Herzschuh et al.，2005）、海洋记录（Nakagawa et al.，2008; Gallagher et al.，2018; Zhang et al.，2018）和气候模型（Shi et al.，2011; Wen et al.，2016）。然而，由于采用的古气候替代指标存在多解性，导致揭示的EASM轨道尺度变率不一致。先前的研究认为，石笋氧同位素（δ18O）记录可以用来指示夏季风降雨强度的变化，其主要受到岁差驱动的北纬65°夏季太阳辐射变化控制（Cheng et al.，2009，2016）。但东亚地区石笋δ18O的气候意义相对复杂，存在较大争议（Liu et al.，2020）。有些学者认为，受东亚夏季风控制区域的石笋δ18O值更可能反映水汽来源变化（Maher et al.，2012），或代表年平均水循环（Clemens et al.，2010; Caley et al.，2014）。综合回顾中国北方全新世气候变化（Liu et al.，2015; Liu et al.，2020），发现中国北方气候最暖湿期发生在中全新世，这与石笋δ18O记录揭示的全新世早期气候最适宜时期明显不一致（Goldsmith et al.，2017）。
除上述来自中国石笋记录的EASM轨道尺度变率的解释外，另一种解释是，晚第四纪轨道尺度EASM变率主要由约100 ka偏心率控制，通过影响全球冰量的扩张和收缩来实现（Ding et al.，2002）。中国黄土沉积记录（Hao et al.，2012; Sun et al.，2012，2015）和海洋记录（Nakagawa et al.，2008）支持这种解释。全球冰量调控的亚洲大陆与太平洋之间的热力差异导致了EASM强度的变化（An，2000; Yi et al.，2017）。然而，Beck et al.（2018）基于黄土中的550 ka以来10Be重建的东亚季风降雨变化，认为EASM强度受到南北半球之间的太阳辐射梯度控制。他们认为，南北半球之间的太阳辐射梯度调节了印度—太平洋地区的哈德利和沃克环流的相对强度，反过来又影响了EASM的相对强度变化。此外，气候模拟揭示，太阳辐射、冰量和大气CO2浓度对中国东部夏季降雨变化有不同的影响，中国北方主要受到冰量和大气CO2浓度的影响，而南方主要受到太阳辐射的影响（Sun et al.，2015）。
松嫩平原坐落于东亚夏季风的边缘地区，对夏季风变化相对灵敏。笔者在松嫩平原齐齐哈尔地区开展黑土地地表基质调查，主要任务是利用汽车钻等手段调查50 m以浅不同深度层次的地表基质类型、厚度和垂向空间结构特征，不同类型地表基质层相互接触关系及韵律特征，以及质地及空间变化情况，分析沉积环境和沉积相特征，并根据不同地质成因单元、地形地貌类型及不同深度地表基质层的服务功能，采取相应的物理、化学、年龄、环境、水质、生物等分析测试样品，研究地表基质属性特征（邵兴坤等，2024；詹泽东等，2024）。这为研究该地区更新世湖相沉积记录的夏季风轨道尺度上的变化提供了材料和数据支撑，结果将有助于认识轨道尺度上的东亚夏季风在中国东北地区湖相记录中的演变特征，并进一步为理解东亚季风及其区域响应提供参考。
1. 材料与方法
松辽平原（亦称东北平原）由松嫩平原和辽河平原组成，西与大兴安岭接壤，东北部与小兴安岭相接，东南为长白山山脉（图1），其古近纪—新近纪地层厚420～530 m，第四纪沉积厚75～200 m（裘善文等，2012）。松嫩平原第四系从老到新依次为乾安组（即白土山组）、令字组（即林甸组下段）、林甸组（林甸组上段）、黄土状亚砂（裘善文等，1988）。在早—中更新世，松辽平原存在一个面积约为50000 km2的古湖，古湖干涸可能发生在约450 ka（詹涛等，2019）。
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图 1 研究区地理位置及现代夏季风的北界（a,底图据https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/）和钻孔BQZK05位置（b,底图据http://www.gditu.net，白色虚线示东北平原范围）EAWM—东亚冬季风；EASM—东亚夏季风Figure 1. The map shows the geographical location of the study area and the northern boundary of the modern summer monsoon (a) and location of Borehole BQZK05 (b) in Northeast China Plain钻孔BQZK05（北纬47.71°、东经125.98°）位于齐齐哈尔拜泉县兴华乡高海峰村西南210 m处。2022年5月，采用三层管单动内衬塑料套管钻探取心技术，获得岩心50 m，取心率约98%。钻孔揭露地层连续，没有沉积间断，从上至下岩性主要组成如下。
0～1.0 m：黑色黏质壤土，团粒结构，含锰结核和植物根系；1.0～5.0 m：黄色壤质粘土，团粒结构，含少量孔隙和植物根系，偶见少量锰结核和钙质结核；5.0～9.8 m：绿灰色粘土与青灰色粘土互层，含少量有机质、锰结核及炭屑；9.8～23.7 m：青灰色粘土与粉砂质粘土互层，块状，紧实，少量孔隙，富含有机质；23.7～35.9 m：黑色粘土和粉砂质粘土，块状，紧实，少量孔隙，富含有机质；35.9～42.0 m：深青灰色砂质粘土，块状，紧实，少量孔隙；42.0～44.7 m：砖红色粘土，块状结构，含泥岩碎块，可见白色的碳酸盐结晶；44.7～50.0 m：青灰色粉砂质泥岩，泥质结构，薄片状构造，少量孔隙，富含有机质。
对BQZK05孔共采集了6个ESR（电子自旋共振）样品。先对样品进行研磨，并筛选粒径为100～200 μm的部分，随后放入1000 mL烧杯中，用30%的H2O2浸泡去除有机质；然后用40%的HCl浸泡24 h，去除样品中的碳酸盐类；接着，用磁选去除磁性矿物；再用密度为2.57 g/cm3的多钨酸锂进行重液分离，去除重矿物，并低温烘干；之后用40%的HF处理（蚀刻）去除长石矿物和石英颗粒外部α辐射贡献的表层部分；再用10%的HCl浸泡，去除长石与HF反应的氟化物，之后在镜下鉴定石英纯度。每一步处理完成后都要用清水反复清洗至中性，放入烘箱内低温（40°C左右）烘干，再进行下一步。最终把样品分成10等份（每份0.2 g），在中国原子能科学研究院钴源实验室进行样品人工辐照，用德国布鲁克公司EMX BRUKER X-Band ESR信号测量谱仪对样品进行信号测量，根据样品ESR信号测量结果计算等效剂量。样品U、Th、K元素含量分析在核工业北京地质研究院分析测试中心完成，使用仪器型号为NexION300D等离子体质谱仪（U、Th）和Z-2000石墨炉原子吸收分析仪（K）。
使用JHQ-2D型综合数字测井系统（上海地学仪器研究所）和JDX-2Dr电阻率伽马组合探管按照约10 cm间隔测量自然伽马（GR）测井数据（7.5～47.9 m）。对钻孔样品按照约20 cm等间距采集250个样品，然后研磨成粉末并通过100目的筛。把处理好的粉末样品装入直径24 mm，外高22 mm，内部直径21 mm，内高19 mm，壁厚1.64 mm的无磁圆柱体中，用捷克生产的SM-30磁化率仪测得样品的低频和高频磁化率。采用重铬酸钾容量法测定有机碳含量，先取粒径小于80 μm的风干样品，在60～80℃烘箱中烘2 h后准确称取0.5 g(准至0.1 mg)放入干燥的硬质玻璃试管中，加入约0.1 g硫酸银粉末，用微量滴+定管慢慢加入10.0 ml重铬酸钾标准溶液(C1/6K2Cr2O7=0.8 mol/L)，再经甘油浴法处理后滴入2～3滴邻菲罗啉指示剂，用硫酸亚铁标准溶液(c=0.2 mol/L)进行滴定至棕红色，通过硫酸亚铁的消耗量计算得到有机碳含量。
为了获得钻孔的连续时间标尺，在Bacon软件（Blaauw et al., 2011）中将ESR年龄纳入贝叶斯-年龄深度模型（图2）。基于马尔科夫链蒙特卡洛方法迭代−累积速率记忆的先验和后验分布，证实了BQZK05孔贝叶斯-深度模型的可靠性。然后，每个深度都使用加权平均年龄，年龄误差显示在图2中的黑色阴影部分。本次研究对自然伽马测井曲线（GR）和TOC进行频谱分析。GR数据序列中主导的周期通过在AnalySeries 2.0.8软件中使用高斯带通滤波提取（Paillard et al., 1996）。使用evofft.m程序包（Kodama et al., 2014）通过快速傅里叶变换进行滑动窗口光谱分析。
2. 结 果
2.1 ESR测年结果
本次研究采集样品的石英ESR年龄测试结果见表1。从表1可以看出，ESR年代为中—晚更新世，1172±159～343±44 ka。根据钻孔揭露情况，44.7 m为砖红色粘土和泥岩分界，将其视为沉积物底界。将ESR年龄纳入贝叶斯-年龄深度模型（图2），获得了钻孔连续、高分辨率的年代序列，结合沉积速率换算得到其横跨1025～0 ka。
表 1 样品信息及石英ESR测年结果Table 1. Sample information and results of quartz ESR dating野外
编号样品
质地深度/m U/10−6 Th/10−6 K/% 含水量/% 等效剂量/Gy 剂量率 (Gy·ka−1) 年龄/ka BQZK05-G7 粘土 23.7 2.24±0.09 13.1±0.26 1.40±0.06 16±5 795±102 2.32±0.12 343±44 BQZK05-G8 粉砂质粘土 28.3 2.09±0.08 14.2±0.28 1.29±0.05 13±5 1179±162 2.37±0.12 498±68 BQZK05-G9 砂质粘土 36.47 1.31±0.05 16.1±0.32 0.79±0.03 17±5 1185±189 1.81±0.09 653±104 BQZK05-G10 砂质粘土 38.72 1.97±0.08 17.6±0.35 1.88±0.08 11±5 2198±277 3.12±0.16 705±89 BQZK05-G11 粘土 43.15 1.50±0.06 16.4±0.33 2.28±0.09 18±5 2163±302 2.98±0.15 727±101 BQZK05-G12 粉砂质泥岩 46.40 1.99±0.08 15.4±0.31 2.34±0.09 15±5 3739±508 3.19±0.16 1172±159 注：样品符合ESR测年要求，测量信号较好，年龄结果误差小于13% 2.2 自然伽马（GR）和TOC含量变化
自然伽马（GR）是测量井内放射性元素衰变过程的伽马射线强度，主要与钾（K）、钍（Th）和铀（U）含量有关。K在许多矿物中很常见，如在长石、云母、粘土矿物或氯化物等；U和Th在沉积岩中有许多寄主矿物，包括粘土、长石、磷酸盐和有机物（Schnyder et al.，2006；Vaucher et al.，2023）。因此，较高的GR通常指示富含粘土的沉积物，如泥岩、页岩；而较低的GR通常为富含碳酸盐的岩石和粗粒沉积物（Schnyder et al.，2006；Vaucher et al.，2023）。GR显示从47 m以来逐渐减少，从240（API）减少到约80（API），但在25～28.5 m和37～40 m显示较高的值（图3）。
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图 3 BQZK05孔的岩性、自然伽马测井曲线（GR）和TOC含量随深度变化的数据序列（a～f展示钻孔的岩性图片）Figure 3. Data sequence of lithology, natural gamma ray logging curve (GR) and TOC content with depth of BQZK05 hole湖泊沉积物中的总有机碳（TOC）浓度反映湖泊生物生产力和湖泊周围流域植被的含量，依赖于湖泊中有机质的保存（Song et al., 2014）。TOC含量越高，说明湖泊中藻类和细菌的初始生产力越高，来自于植被的有机物输入越高。钻孔BQZK05中TOC总体保持在0.4%，但是在35～24 m和1.5～0 m深度间隔显示出较高的TOC浓度（图3；>0.8%），这与黑色/灰黑色粘土层相对应（图3）。
2.3 频谱分析结果
根据钻孔沉积速率（5000 cm/1026 ka=4.78 cm/ka）得到约8 m和约7.7 m的旋回是约173 ka，5 m左右峰值对应旋回为约100 ka（图4）。基于ESR贝叶斯年龄-深度模型结果，TOC频谱显示（分辨率为约11 ka），过去1 Ma以来有着显著的约173 ka和约100 ka的周期（图5−b）。GR的原始数据序列显示，在870～40 ka之间显示主控的是约173 ka（图5−d）。由于GR数据序列的时间分辨率较高（约2 ka），为了识别高频周期信号，进行了去除小于0.02 频率处理，频谱结果显示有显著的约46 ka、约37 ka和约20 ka的周期（图5−e）。从演化频谱可以看出（图4-e、图5−d），GR的原始数据序列中一直主控的是约173 ka周期，斜率和岁差周期几乎不可视，但当去除大于50 ka周期时，岁差信号在过去80万年一直存在。这说明，GR原始数据中弱表达的岁差信号可能是受到低频信号的压制，这种现象也发现在青藏高原尼玛盆地晚渐新世河湖相地层（Jin et al.，2023）、塔里木盆地晚中新世含风成砂地层（Nie et al.，2022）和腾格里沙漠晚上新世以来的河湖相地层（Liu et al.，2021）。
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图 4 BQZK05孔的TOC和GR数据序列和频谱分析结果a—钻孔TOC加权平均15%的数据序列；b—TOC深度上的演化图谱伴随着频谱结果（窗口为10 m）；c—钻孔GR加权平均15%之后的数据序列；d—GR深度上的演化图谱伴有频谱结果（窗口为10 m）Figure 4. TOC and GR data sequences and spectral analysis results from borehole BQZK05![]()
图 5 BQZK05孔的TOC和GR滤波输出和频谱分析结果a—TOC（%）含量及其约173 ka滤波输出（红色线，0.0057±0.001旋回/ka）；b—TOC（%）加权平均15%之后的演化图谱及频谱分析图；c—TOC（%）去除大于50 ka之后的演化图谱及频谱分析图；d—GR数据序列及其约173 ka滤波输出（红色线，0.0057±0.001旋回/ka）和约20 ka滤波输出（蓝色线，0.05±0.01旋回/ka）；e—GR原始数据序列的演化图谱及频谱分析图；f—GR去除大于50 ka之后的演化图谱及频谱分析图Figure 5. Filtered output and spectral analysis results of TOC and GR from borehole BQZK053. 讨 论
3.1 高—低纬共同驱动松嫩平原中晚更新世气候变化
第四纪，全球气候主要受控于北半球高纬驱动，南极冰盖由于增长太大，无法随岁差变化而韵律波动，失去了对全球气候的主控作用（De Vleeschouwer et al.，2017）。深海底栖有孔虫的氧同位素记录显示，在约1.2 Ma之前主控的气候周期是41 ka斜率，在约0.8 Ma之后转变成100 ka短偏心率周期（Lisiecki et al., 2005），这种周期的转变被认为是4～5个岁差或3～4个斜率的叠置（Huybers，2011），或是冰盖和基岩的相互作用（Abe-Ouchi et al.，2013），或是低纬热带作用和大气CO2浓度下降（Saltzman et al., 1988; Nie，2018）。这种周期转变在海相和中高纬度陆相地层中有明显记录，如黄土高原的粒度和磁化率指标（Sun et al.，2006），但在中国南部石笋氧同位素记录和中国南海ODP1143孔的赤铁矿／针铁矿比值中未发现明显的气候周期转变（Zhang et al.，2009;Cheng et al.，2016）。因此，地球气候系统在响应天文轨道参数中有着复杂的机制，涉及到地球系统内部因子的反馈，包括冰盖、大气CO2浓度等变化。
对于东亚大陆更新世陆地轨道尺度的气候变化，目前主要揭示出3种模态。①传统的中国黄土粒度和磁化率及中国南海的底栖有孔虫氧同位素揭示，在约1.2 Ma之前主控的是41 ka周期，之后逐渐转变成100 ka偏心率主控（Ding et al., 2002；Sun et al., 2006; Clemens et al., 2018），符合全球的深海底栖有孔虫氧同位素记录（Lisiecki et al., 2005）。②北纬65°夏季太阳辐射／低纬驱动控制了东亚大陆季风区的气候变化，这从中国南方石笋氧同位素（Cheng et al.，2016）、腾格里沙漠的古水文指标（Liu et al.，2021）及中国南海ODP孔的赤铁矿／针铁矿比值（Zhang et al.，2009）揭示持续主控的岁差周期得以佐证。③靖远黄土过去1.7 Ma以来的黄土碳酸盐δ13C揭示，在1.2 Ma之前主控的是23 ka周期，之后转变成100 ka、41 ka和23 ka周期主控（Sun et al.，2019）；若尔盖的孢粉记录和中国南方鹤庆盆地的Rb/Sr值显示，在中更新世之前由41 ka和23 ka的周期主控，转变成100 ka、41 ka和23 ka混合主控（An et al.，2011；Zhao et al.，2020）。这些记录揭示，高—低纬共同驱动了东亚大陆更新世轨道尺度的气候变化。
钻孔BQZK05中的TOC含量揭示，过去约1 Ma以来有显著的约100 ka周期（图5−b）。TOC浓度变化可以反映湖泊生物生产力和湖泊周围流域植被的含量，并受控于松嫩平原的降雨和温度变化。为了进一步判别这100 ka周期的来源，对TOC含量去除大于50 ka周期信号，发现剩余的数据序列仅显示出显著的约37 ka周期信号（图5−c），并没有显著的岁差周期信号。这说明，TOC中的约100 ka周期信号并不是偏心率通过调制岁差振幅变化导致地表接收太阳辐射量变化引起的。因此，笔者认为TOC中的强100 ka周期来自于高纬冰量的信号。北半球高纬冰量变化通过调制，经向上的温度/压力梯度变化，从而调制大气环流的强度变化（An et al.，2001；Shi et al.，2021）。另外，增加的北半球冰量会显著增强西伯利亚高压，从而加大海陆热力差异，增强冬季风强度（Kang et al.，2022）。因此，北半球冰量变化会显著影响东北亚松嫩平原的温度和植被量的变化，导致钻孔记录中的TOC有显著的高纬周期信号特征。这种信号特征不仅影响东北亚植被面貌，同时也会影响黄土高原的黄土-古土壤序列，这是因为形成黄土需要物源区处于一种干旱环境和冬季风搬运，而亚洲内陆干旱化程度和冬季风强度的变化显著受控于高纬度冰量变化（Kang et al.，2020，2022；Cao et al.，2021；Bao et al.，2023）。另外，北半球冰量的周期性变化会通过影响AMOC（北大西洋翻转流）环流，影响低纬向高纬地区的热量传输，进而影响热带辐合带的南北移动并进一步影响东亚地区的降雨量变化（Zhao et al., 2018）。总之，TOC显著的约100 ka周期信号说明，高纬冰量显著影响松嫩平原的植被含量和湖泊生物生产力变化。
GR可以反映沉积物中放射性元素含量的变化，通常富含粘土的沉积物中GR值相对较高（Schnyder et al.，2006；Vaucher et al.，2023）。在一个物源和构造稳定的湖泊沉积体系中，当降雨量增多带来更粗的碎屑物质时，GR值减少。因此，GR值的变化能够一定程度上反映区域气候变化。原始的GR数据序列显示过去0.87 Ma以来主控的是约173 ka周期（图5−e）。然而，当去除大于50 ka周期之后，出现显著的约46 ka、约37 ka和约20 ka的周期信号（图5−f），说明GR中高频的信号被低频信号显著压制。GR记录中显著的岁差信号说明区域的降雨量显著受到低纬驱动。岁差调制北纬65°夏季太阳辐射量变化，从而影响亚洲内陆和西太平洋与中国南海的热力梯度，影响东亚夏季风强度变化。GR记录中还有显著的约37 ka的信号周期（图5−f），这可能是斜率周期。上新世渭河盆地河湖相地层中的粒度数据也出现显著的约37 ka，被认为是斜率周期（Wang et al.，2020）。
综上所述表明，中晚更新世松嫩平原的水文变化受到高低纬驱动。中国南海ODP1143孔的Ti/Al值显示，过去1.6 Ma持续主控的是100 ka、41 ka和23 ka，没有显示主控的周期转变（Tian et al.，2011），这与本文的记录吻合。TOC和GR在响应轨道参数上明显不一致，可能说明不同指标在响应轨道驱动的降雨和温度变化敏感性方面存在差别。模型模拟云南鹤庆盆地铁杉属、TOC和反映ISM（印度夏季风）指标，发现铁杉属变化显示出与模拟的每年平均温度变化相似；TOC含量与模拟的夏季降雨量变化相似；ISM指标能够反映季风强度的冰期与间冰期变化，与模拟的年降雨量相对应（Sun et al.，2022）。因此，模拟结果和钻孔数据都表明，不同指标在响应年降雨量、夏季降雨量、年均温度和夏季温度变化方面存在差别，这可能最终引起不同指标在记录天文周期信号方面存在明显不一致。
3.2 约173 ka周期驱动的松嫩平原中晚更新世气候变化
钻孔BQZK05记录的无论是TOC含量，还是GR的原始数据序列，都显示出显著的约173 ka的周期信号（图4-e、图5−b），但二者滤波稍有偏差，可能是因为不同指标对气候响应不一样，TOC主要反映沉积物有机质含量，而GR主要是反映沉积物中U、Th和K含量。约173 ka的周期信号在地质记录中普遍存在，如更新世北极地区El’gygytgyn湖泊中的TOC数据序列（Melles et al.，2012）、黄土高原晚中新世—上新世三趾马红粘土磁化率序列（Zhang et al.，2022）、晚中新世塔里木盆地的TOC序列（Liu et al.，2014）、非洲西南部的ODP1085孔中—晚中新世底栖有孔虫的氧同位素序列（Westerhold et al.，2005）、北大西洋IODP U1408孔中—晚始新世Ca／Fe值（Boulila et al.，2018）、晚白垩世松辽盆地TOC数据序列（Huang et al.，2021）等。
这种非常规的约173 ka周期被认为是斜率的调制周期，与地球-火星之间轨道倾斜的长期频率干扰有关（Westerhold et al.，2005；Huang et al.，2021；Zhang et al.，2022）。钻孔BQZK05中TOC含量（去掉<0.02频率的数据序列）与GR数据序列（去掉<0.02频率的数据序列）都显示出明显的斜率周期信号（图4-f、图5−c），说明约173 ka周期信号的出现与斜率的振幅调制相关。去掉小于50 ka周期的数据序列后，TOC的演化频谱中的岁差信号几乎不可视（图5−c），说明钻孔中约173 ka周期信号并不是岁差的振幅调制周期。Huang et al.（2021）认为，全球碳循环和水循环是紧密结合的，当高斜率时，陆地降雨和风化速率增多，导致输入到沉积盆地中的营养物质和陆地有机碳增多，引起盆地中生物生产力增强及水体柱分层和底层水体缺氧，形成高的TOC含量。当斜率（41 ka）强迫跨越沉积盆地内一个临界地球化学阀值时，斜率调制的振幅周期约173 ka得到增强（Huang et al.，2021）。黄土高原上新世三趾马红粘土的磁化率（Zhang et al.，2022）和钻孔的GR都显示出显著的约173 ka的周期信号，说明约173 ka周期不仅可以驱动有机碳埋藏，同时也可以驱动亚洲季风区水循环演变。
然而，这种非常规的周期在有精确定年的第四纪沉积记录中很少出现，如黄土高原黄土-古土壤序列（Sun et al.，2006）、南方石笋记录（Cheng et al.，2016）、若尔盖盆地的孢粉数据（Zhao et al.，2020）等。而且，约173 ka周期似乎并不稳定，在170～200 ka之间波动（Hilgen et al.，2020；Laskar，2020）。这种不稳定的周期变化可能与地层的完整性及地层是否有高精度测年年龄有关。目前报道的陆相地层大多数是依靠古地磁年龄卡点进行调谐的，且陆相地层往往存在地层缺失，这2种情况叠加在一起，可能导致识别出来的斜率调制周期变化较大。就松嫩平原BQZK05钻孔而言，目前仅采用ESR年龄，其误差范围为±13%（表1），这可能导致在判断斜率调制周期时存在误差，如识别出来的约37 ka是41 ka的斜率周期，那么按照等比率置换，约173 ka周期应是近200 ka周期。因此，未来研究，可以对松嫩平原中晚更新世地层进行更精确的年代测定，以揭示该区第四纪长期的有机碳埋藏是否显著受控于约173 ka的斜率周期。
4. 结 论
本文通过对中国东北部松嫩平原BQZK05孔进行ESR测年分析，获得了松嫩平原约1025 ka以来的沉积记录。基于ESR贝叶斯年龄-深度模型结果，显示TOC有显著的约173 ka和约100 ka的周期。当去除GR指标记录中大于50 ka周期后，GR记录有显著的约20 ka岁差周期。因此，认为高纬冰量和低纬太阳辐射量的变化共同驱动了松嫩平原中晚更新世的气候变化。同时， TOC和GR数据序列都显示出显著的约173 ka的周期信号，说明非常规的约173 ka周期驱动了松嫩平原的中晚更新世有机碳埋藏。
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图 1 研究区地理位置及现代夏季风的北界（a,底图据https://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/）和钻孔BQZK05位置（b,底图据http://www.gditu.net，白色虚线示东北平原范围）
EAWM—东亚冬季风；EASM—东亚夏季风
Figure 1. The map shows the geographical location of the study area and the northern boundary of the modern summer monsoon (a) and location of Borehole BQZK05 (b) in Northeast China Plain
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图 3 BQZK05孔的岩性、自然伽马测井曲线（GR）和TOC含量随深度变化的数据序列（a～f展示钻孔的岩性图片）
Figure 3. Data sequence of lithology, natural gamma ray logging curve (GR) and TOC content with depth of BQZK05 hole
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图 4 BQZK05孔的TOC和GR数据序列和频谱分析结果
a—钻孔TOC加权平均15%的数据序列；b—TOC深度上的演化图谱伴随着频谱结果（窗口为10 m）；c—钻孔GR加权平均15%之后的数据序列；d—GR深度上的演化图谱伴有频谱结果（窗口为10 m）
Figure 4. TOC and GR data sequences and spectral analysis results from borehole BQZK05
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图 5 BQZK05孔的TOC和GR滤波输出和频谱分析结果
a—TOC（%）含量及其约173 ka滤波输出（红色线，0.0057±0.001旋回/ka）；b—TOC（%）加权平均15%之后的演化图谱及频谱分析图；c—TOC（%）去除大于50 ka之后的演化图谱及频谱分析图；d—GR数据序列及其约173 ka滤波输出（红色线，0.0057±0.001旋回/ka）和约20 ka滤波输出（蓝色线，0.05±0.01旋回/ka）；e—GR原始数据序列的演化图谱及频谱分析图；f—GR去除大于50 ka之后的演化图谱及频谱分析图
Figure 5. Filtered output and spectral analysis results of TOC and GR from borehole BQZK05
表 1 样品信息及石英ESR测年结果
Table 1 Sample information and results of quartz ESR dating
野外
编号样品
质地深度/m U/10−6 Th/10−6 K/% 含水量/% 等效剂量/Gy 剂量率 (Gy·ka−1) 年龄/ka BQZK05-G7 粘土 23.7 2.24±0.09 13.1±0.26 1.40±0.06 16±5 795±102 2.32±0.12 343±44 BQZK05-G8 粉砂质粘土 28.3 2.09±0.08 14.2±0.28 1.29±0.05 13±5 1179±162 2.37±0.12 498±68 BQZK05-G9 砂质粘土 36.47 1.31±0.05 16.1±0.32 0.79±0.03 17±5 1185±189 1.81±0.09 653±104 BQZK05-G10 砂质粘土 38.72 1.97±0.08 17.6±0.35 1.88±0.08 11±5 2198±277 3.12±0.16 705±89 BQZK05-G11 粘土 43.15 1.50±0.06 16.4±0.33 2.28±0.09 18±5 2163±302 2.98±0.15 727±101 BQZK05-G12 粉砂质泥岩 46.40 1.99±0.08 15.4±0.31 2.34±0.09 15±5 3739±508 3.19±0.16 1172±159 注：样品符合ESR测年要求，测量信号较好，年龄结果误差小于13% 
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