由于地球磁场对入射进入地球大气圈的宇宙射线通量具有显著的屏蔽作用,使得大气中宇宙成因核素10Be的产率与地磁场强度的变化存在明确的反相关关系。因此利用不同沉积物中的10Be记录,通过数理方法提取出指示大气成因10Be产率的信号,就可以有效地示踪同时期地磁场相对强度的变化以及与地磁场强度减弱密切相关的地磁场极性倒转事件的特征以及极性倒转过程。布容-松山倒转(Brunhes-Matuyama
reversal,B-M)事件是第四纪发生的最近一次地磁极性倒转事件,是晚第四纪地层划分以及全球气候记录对比的重要时间标记。多年来,中外学者曾利用冰芯、深海记录、中国黄土以及火山岩记录对B-M倒转事件发生的时间、倒转过程尤其是海陆记录这一事件“不同步”的现象进行了深入研究。然而,截至目前尚未见到利用陆相湖泊沉积物中的宇宙成因核素10Be来示踪B-M地磁极性倒转事件的研究成果报道。

在地质历史上地球磁场极性曾发生多次倒转。因地磁极性倒转具有全球一致性,被研究者视为地层划分和全球古气候记录对比的重要时间标记。然而,古地磁学研究却发现约80万年前发生的最近一次地磁极性倒转——布容/松山极性倒转事件,在海洋沉积物和中国黄土中的记录并不同步:海洋中B/M界线记录在一个温暖时期(相当于深海氧同位素19阶段,即MIS19),而中国黄土中B/M界线则主要记录在第八层黄土层,对应一个寒冷时期。这种错位现象给基于地磁极性倒转年代框架的黄土序列与全球古气候记录的对比研究带来较大不确定性,甚至引发对中国黄土古气候记录全球意义的质疑。多年来,尽管国内外研究者发展了多种理论来解释B/M界线这种海陆记录差异的现象,但中国黄土B/M界线究竟在什么层位?是否与深海记录同步,一直是个悬而未决的科学难题。

中国科学院地球环境研究所周卫健院士及其团队在前期利用黄土10Be成功解决海陆B-M倒转事件气候记录不同步的工作基础上,以鹤庆古湖泊沉积物为研究对象,首次探讨了利用湖泊沉积物10Be来示踪B-M极性倒转事件的可行性。通过高分辨率的10Be、9Be等气候代用指标的测试分析,提出利用10Be/9Be比值来指示与地磁场强度变化密切相关的10Be相对产率变化的思路。研究结果显示B-M倒转事件发生年代为~768.6-778.5
ka,位于MIS
19阶段。该记录与全球其他沉积物记录具有良好的一致性,但和同剖面古地磁测定结果相比,可能存在0-60
cm的深度“错位”。通过综合对比分析,研究者认为沉积物剩磁的锁固效应是造成这种“错位”的主要原因。该项研究进一步表明,将传统的古地磁参数测量和10Be示踪方法相结合来示踪深海沉积物及稳定的湖泊沉积物中记录的地磁场倒转事件转换过程,可以校正由于lock-in效应产生的剩磁信号记录层位的深度位移,从而获得更加精确的地磁极性倒转事件的记录信息。该项研究成果目前已发表在Quaternary
Science Reviews期刊上(Du Y J, Zhou W J*, Xian F, Qiang X K, Kong X H,
Zhao G Q, Xie X J, Fu Y C. 10Be signature of the Matuyama-Brunhes
transition from the Heqing paleolake basin. Quaternary Science Reviews,
2018, 199, 41-48.)。

10Be是一种宇宙成因核素,其产率变化主要受地磁场变化调制。当地磁场较弱时10Be产率较高,反之亦然。根据这一原理,可用黄土10Be来示踪地磁场强度明显减弱的极性倒转事件。但由于中国黄土来源相对复杂,黄土10Be记录地磁场变化的弱信号被掩盖,无法直接显示地磁场变化的信息,以致国际上许多学者认为中国黄土10Be根本无法用于地磁场变化示踪研究。

由于湖泊沉积物中10Be的来源和行为较为复杂,该项研究仅是针对鹤庆古湖泊沉积物的一个初步探索。后续还需要开展多个具有不同湖泊/流域特征的沉积物研究工作,才能在湖泊10Be环境示踪研究以及沉积物剩磁获得过程与机理的认知方面取得更为系统、全面的理解。

中科院地球环境研究所周卫健院士长期以来带领研究团队,通过建立地磁场信号与气候噪音分离的创新方法,最终实现了10Be示踪古地磁场变化的目标。近日,从中科院地球环境所传来喜讯,周卫健研究团队分别在洛川和西峰两个黄土剖面中均找到了布容/松山地磁极性倒转事件的地质记录证据,发现中国黄土中的B/M地磁极性界线记录在第七层古土壤中(图1灰色阴影所示的位置),这与海洋B/M界线记录在温暖的MIS
19阶段是一致的,但与传统古地磁学方法确定的B/M界线层位不同。通过综合对比研究,指出极性倒转时期获得的“原生”剩磁被后期叠加的磁信号所覆盖,是造成古地磁测试黄土B/M界线与海洋记录不一致的主要原因。

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这一重要标志性成果从独立于磁性地层学方法的新视角,解决了B/M界线在黄土和深海中记录不同步的科学问题,提供了可靠的时间标记并进一步印证了中国黄土记录的全球意义。成果已发表于国际地质学领域的著名刊物《地质学》上。

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