末次冰期发生的近20次千年尺度的D/O振荡^［1］以及数次大幅度降温的Heinrich事件^［2］在北半球冰芯、深海岩芯、湖泊钻孔等沉积载体中被广泛记录。对黄土高原马兰黄土（相当于MIS2—4，75—10 ka）的研究发现，该地保存了比较完整的可与北大西洋H1—6^［3］和GRIP曲线δ¹⁸O对比的高分辨率的粉尘堆积—东亚季风气候事件^［4］，并据此推测这种气候的不稳定现象可能通过西风带与高纬北大西洋地区遥相关。此外，中国南方石笋¹⁸O记录的千年尺度的亚洲夏季风强度波动似乎也证明了与高纬远程气候波动基本一致^［5-6］。Sun等^［7］根据黄土高原古浪剖面黄土粒度，重建了60—10 ka东亚冬季风强度的变化及其与GRIP¹⁸O曲线的对比关系，并通过使用耦合气候模型模拟，发现大西洋经向翻转环流是东亚冬、夏季风系统突变的驱动力，而西风在将这一信号从北大西洋传递到亚洲季风区中发挥了作用。虽已有若干包括古浪黄土在内的马兰黄土的气候代用指标说明高的气候变率^［8-9］的存在，但黄土的沉积相单一，尚无法全面概括气候不稳定性发生期间的大陆其他地表过程及其结果。

作者在中国腾格里沙漠调查时发现，其西南部边缘土门剖面在MIS3堆积的一套我们称之为“TMS3”层段的地层，层序清晰且堆积连续，具有多层沙丘砂与多种沉积相（黄土状亚砂土、砂黄土、湖沼相、水成黄土和古土壤）相互叠覆的沉积序列。我们对TMS3进行了微量元素分析，试图据此探讨其时元素的迁移聚集指示的腾格里沙漠千年尺度气候—东亚季风环境的变化。本研究可从区域上说明中国西北盆地对千年尺度变化的响应、为前述古浪剖面黄土研究提出的西风对东亚季风的传输纽带的看法提供气候地层学证据，也为MIS3全球变化的腾格里沙漠区域环境响应提出新的内容。

腾格里沙漠地处东亚冬夏季风交替影响的过渡带，按中国自然区划^［10］属西北干旱区，其东南过渡于东部季风区的西北边缘（图1）。土门剖面地处祁连山北麓高寒半干旱区、腾格里沙漠西南缘之古浪绿洲东北的土门镇大土沟（37°38′N、103°09′E），剖面顶部海拔1 730 m，系该地晚第四纪的盆地堆积。年平均气温4.90 ℃，最冷月1月平均气温 -9.8 ℃，最热月7月平均气温17.5 ℃，极端最低和最高气温分别为-26 ℃和33 ℃；多年平均降水量为307 mm，多年平均蒸发量约2 800 mm，4—10月降水占全年降水的90%；冬季大气层底部盛行偏北风即东亚冬季风，风沙天气频繁，高空盛行西风；夏季多偏南风即盛行东亚夏季风，多中、大雨或局部暴雨^［11］。

土门剖面出露总厚度约32 m，TMS3层段（以下简称TMS3）位于剖面深度12.64—17.31 m，地层序列为64Al—94Ls（图2），共31个层序：13层沙丘砂、3层风成的黄土状亚砂土、4层风成的砂黄土、6层湖沼相、3层水成黄土和2层古土壤。沙丘砂呈灰黄色，松散，分选较均匀，具风成层理或无层理，可以进一步分为以细砂为主的古流动沙丘砂（D）和粉砂质细砂为主的古固定-半固定沙丘砂（Fd），厚6—38 cm。黄土状亚砂土（Ld，以下简称亚砂土），以棕黄色粉砂质极细砂为主，无层理，垂直节理发育，厚10—32 cm。砂质黄土（L），棕黄至灰黄色粉砂—黏土质粉砂，垂直节理发育，有时可见片状石膏和白色假菌丝体，厚10—14 cm。亚砂土与砂质黄土有时在剖面上呈现逐渐过渡，其间并没有明显的沉积界线，如89Ld及其上覆的88L。湖沼相（Ls），以浅黄灰色极细砂质粉砂为主，具水平层理，较紧实，厚4—18 cm。水成黄土（Al），以褐黄—黄灰色黏土质粉砂为主，紧实，可见流水波痕构造和龟裂现象，厚16—42 cm。水成黄土在岩性特征上与黄土相似，都发育垂直节理。但前者色调偏灰且颗粒偏细，有时还可见水流形成的微薄层理，如64Al。据此认为这类黄土主要是大气粉尘落入湖泊的沉积，故称之为水成黄土。古土壤（S），浅褐黄色黏土质粉砂或极细砂质粉砂，含植物根系和虫孔，具白色假菌丝，厚8—12 cm。

TMS3粗颗粒的沙丘砂与之上覆细颗粒的其他沉积相构成的旋回非常清楚，达13.5个（其中94Ls属于0.5个旋回）。这些旋回反映在粒度的平均粒径M_z（Φ）的变化上表现出与之一致的粗细韵律的变化。

测试了TMS3及其之下相关层位（95D）10个年代样品。其中，4个AMS ¹⁴C年代测试在美国Beta实验室完成，使用IntCal 13程序进行年代的校正，误差为±2σ（表1）^［13-14］。4个热释光（TL）年龄（表2）在中国科学院广州地球化学研究所释光实验室测定，实验方法参考Aitken^［15］的细颗粒单片剂量法，所用仪器为英国牛津Littlemore科学仪器公司生产的711型热释光断代仪。2个光释光（OSL）年龄（表2）在自然资源部环境检测中心完成测定。测试仪器为美国Daybreak 2200光释光仪。

对TMS3以2 cm间距采集样品233个，按Konert等^［16］提出的预处理方法：首先，所有样品置于温度<40 ℃的烘箱内烘干；然后取适量样品放入1 000 mL的烧杯中加入30%浓度的双氧水和足量盐酸，在加热板上煮沸20 min，去除有机质和碳酸盐，加入蒸馏水去除样品中阳离子，再加入10 mL浓度为0.05 mol·L^-1分散剂（NaPO₃）₆煮沸，静置24 h后将溶液倒出并稀释；用超声波清洗机振荡10 min，最后将预处理好的样品进行粒度分析。分析仪器是Malvern Mastersizer 2000M型激光粒度仪，测量范围0.02—2 000 μm，测量误差<2%，每个样品重复测量3次取其平均值。粒级分为101个：0.1—2 mm参照十进制，<0.1mm按中国黄土一般分类原则^［17］。所有粒度数据储存于数据库，相关参数经Matlab计算获得。颗粒粒径以其对数Φ值表示，转换公式为Φ=-log₂d（d为直径，单位为mm）^［18］。本文计算了粒度的平均粒径M_z，采用Folk等^［19］提出的“M_z =（Φ₁₆+Φ₅₀+Φ₈₄）/3”。

对TMS3以4—8 cm间隔取样，共采集样品67个，测定了微量元素Mn、P、Sr、Rb、V、Zn、Cr、Ni、Cu和Nb的含量（表3）。这些样品在中国科学院西北生态环境资源研究院沙漠与沙漠化重点实验室测定完成，测试仪器为日本理学3070E型X-荧光光谱仪，实验误差±5%。实验分析流程为：样品在低于40 ℃的烘箱中烘干后过1.18 mm筛除去杂物，用ZHM-1A型振动磨样机研磨90 s，取研磨样6.0 g并以硼酸镶边垫底，在30 T压力下保压30 s，最后压制为直径约3.2 cm圆饼并将其置于仪器中测试。

TMS3近顶部64Al的AMS¹⁴C年龄为22 940±310 cala，相当于MIS3终结的时间；82Ld的OSL年龄为45 700±1 900 a，其以下的层位95D近顶部OSL年龄为61 500±2 600 a，依据这两个年代按沉积速率内插得到94Ls底部的年龄为59 800 a，相当于MIS3起始的时间（表1—2，图2）。据此认为，属于TMS3的94Ls—64Al沉积序列在时间上与MIS3^［20］基本一致。随着剖面深度的增加，年龄逐渐变老的趋势显著。这与按地层层序律原则划分的沉积序列一致，表明所测年代可信。但84Ls的AMS¹⁴C年代23 370±290 cal a是一个例外，明显与其上的年龄随深度增加逐渐变老的趋势相悖，故认为其可能受到了新碳污染，并视为废弃年龄。TMS3的年代学框架及其中各个层位的年龄颇为清晰，可以视为该层段按沉积速率内插方法所得的年龄标尺。

表3列出了TMS3中10种微量元素含量的分布范围和平均值。从平均含量上来看，首先>100 mg·kg^-1的元素是Mn、P和Sr，其次30—100 mg·kg^-1的是Ni、Rb、V、Zn和Cr，再次是<30 mg·kg^-1的元素Cu和Nb。

由表3可以看出，TMS3不同沉积相元素含量不尽相同甚至差别较大。按平均值来看，沙丘砂诸元素含量都低于TMS3相应元素含量的平均值；其他5类沉积相诸元素含量，少数略低于而大部分明显高于TMS3相应元素含量。随着沙丘砂与其他5类沉积相的交替，元素含量表现出明显的谷（低值）峰（高值）波动，构成TMS3剖面上一系列犬牙交错的曲线（图3）。这些峰谷波动的旋回，基本上与沉积相的旋回数量一致。但如果将64AL中的峰谷波动也计入在内，则可以达14.5个所谓的“元素旋回”，以ECY1—ECY14.5表示。其中94Ls层位的ECY14.5属于0.5个旋回。

表3还列出了作为气候代用指标的Rb/Sr比值在TMS3中的分布。这一比值在沙丘砂中分布范围明显较其他沉积相要高，且是平均值最高者。有趣的是，剖面上Rb/Sr值与诸元素含量的分布基本上呈现出一种反同步的变化（图3）：除少数层位外，在沙丘砂中呈现高值，而在其他5类沉积相呈现低值。随着沙丘砂与其他沉积相的交替，Rb/Sr比值表现出有规律的峰（高值）谷（低值）波动。

诸元素之间的相关系数为0.66—0.96（表4），显著正相关。诸元素与Rb/Sr比值的相关系数为-0.25—-0.81。

另外，经对比发现，TMS3中的沙丘砂与腾格里沙漠现代沙丘（温小浩，未发表数据）、亚砂土、砂质黄土和冲积黄土及土门剖面西南邻近区域的祁连山北麓（37°34′N，102°49′E）中上更新统黄土在微量元素含量^［21］上非常接近。现以Rb-Sr和Cr-Zn散点图（图4）为例作一阐述。TMS3中的Rb-Sr散点，只有沙丘砂中才有相当部分的数据点分布在现代沙丘的范围；该层段Cr-Zn散点，只有沙丘砂与现代沙丘最为接近，前者中的Cr和Zn分别略高于和略低于后者。TMS3中亚砂土和砂质黄土无论在Rb-Sr还是在Cr-Zn散点图上都显示出与祁连山黄土较高程度的混合，这可能暗示几者主要是来自同一个风成的源区。湖沼相和水成黄土在Rb-Sr和Cr-Zn散点分布上表现为与祁连山黄土部分混合，但前两者含量较多的是高于此类黄土。

TMS3沙丘砂与腾格里沙漠现代沙丘在Rb、Sr、Cr和Zn含量分布上的相似，表明两者都受控于相同的气候环境，即老的沙丘砂与现今的沙丘一样，亦主要是在东亚冬季风作用下形成的沙质荒漠堆积。由此可知，当这一风力减弱、与之对峙的东亚夏季风增强时，黄土状亚砂土等其他相对细粒的物质便相应发生堆积。关于这一点，杨庆江等^［12］基于TMS3粒度分布特征提出，该层段沙丘砂是“冬季风经过腾格里沙漠的风沙流在该区域堆积而成；湖相沉积物和冲积黄土（即本文的‘水成黄土’）主要是由夏季风的降水作用而成；黄土状亚砂土、砂黄土与古土壤则受到冬、夏季风的共同影响，带有明显的过渡特征。”再从元素的分布特征来看，稳定型元素P、Mn、Cr、Rb和Nb在沙丘砂与湖沼相和水成黄土之含量上的高低差别是显著的，前者和后两者这5类元素含量在剖面上分别呈现出明显的谷态和突出的峰态（图3），而黄土状亚砂土、砂黄土和古土壤相应元素则是位于它们之间的峰态。可以认为，这些稳定型元素得以聚集与东亚地区夏季风强度的增长并赋予腾格里沙漠良好的水热条件有关。从这个意义上来说，将TMS3这5类元素显示的峰态都可以一并视为主要是夏季风的信号。

TMS3中相对活泼的不稳定型元素Sr、V、Cu、Zn和Ni含量在沙丘砂与湖沼相和水成黄土同样分别呈现明显的谷态和突出的峰态，而黄土状亚砂土、砂黄土和古土壤相应元素则是位于它们之间的峰态（图3）。这种现象可以解释为内陆盆地的背景下，夏季风越强、其四周正地形上对这5类不稳定元素的贡献量也就越大。因此，湖沼相、水成黄土、黄土状亚砂土、砂黄土和古土壤的元素峰态，可以视作前两者和后三者分别响应的夏季风作用的强度所致。尽管通常认为古土壤发生时能够消耗一定的甚至是大量的不稳定元素含量，但TMS3古土壤不稳定元素含量呈现的峰态，似乎暗示其发育时受到了盆地水面升降的影响。

对于元素的迁移聚集指示的季风环境变化，Rb/Sr比值是一个可信赖的气候代用指标。Sr为碱土金属元素，地球化学性与Ca、Ba等元素相近，其在矿物晶格中可替代Ca元素。Rb系碱金属元素，通常在矿物晶格中替代K。Sr元素伴生的富Ca矿物通常易于被风化并迁移，但Rb伴生的富K矿物则相对稳定不易被风化。这使得风化产物与母岩之间的Rb/Sr发生明显差异^［22］。在黄土-古土壤序列研究中，Rb/Sr通常认为反映成壤作用和风化程度，同夏季风强度呈正相关^［23］。然而，低洼盆地的沉积物中Rb/Sr则主要受控于周围正地形风化过程Sr元素的活性。暖湿气候下盆地四周风化作用越强，对盆地Sr元素的贡献就越大，导致沉积物Rb/Sr降低。金章东等^［24］对内蒙古岱海盆地小冰期的研究表明，最近400年来的3个寒冷干旱时期（1685—1730年、1790—1810年和1850—1905年）岱海的湖泊沉积具有较高的Rb/Sr比值，而其间的两个温湿期Rb/Sr比值减小。据此他们认为，内陆封闭湖泊干冷环境下化学风化弱、Rb/Sr比值高；反之在暖湿气候条件下，化学风化强、Rb/Sr比值低。由此再转观TMS3的Rb/Sr比值变化，其总体上似乎也是有如类似于岱海——显示寒冷干旱（冬季风）的沙丘砂层位Rb/Sr比值高、而显示温暖湿润（夏季风）的其他沉积相层位Rb/Sr比值低（图3）。这种现象可能与土门的内陆封闭的湖盆环境有关。在这种地质环境背景下，由于Rb含量变化幅度很小（79—116 mg·kg^-1），Rb/Sr值的变化主要取决于Sr的活动性。TMS3的Rb/Sr比值与Sr含量之间有较好的负相关关系（图5）。另一方面，降水淋滤过程中Rb和Sr易发生分离、Rb（同K）与黏土具有强亲和性，而Sr（同Ca）则易进入溶液。图6显示该层段Rb与<5 µm黏土的关系，虽然两者相关系数看起来不高，但Rb与黏土的正相关的趋势是明显的。统计显示，TMS3沙丘砂层位Rb和Sr平均单层含量分别为82 mg·kg^-1和182 mg·kg^-1；其他沉积相Rb和Sr平均单层含量分别为91 mg·kg^-1和214 mg·kg^-1。由此不难看出MIS3冬季风和夏季风对TMS3中Rb和Sr的差异性贡献：每一个由冬季风至嗣后的夏季风构成的旋回，尽管Rb和Sr含量都得到了相对增长，但后者的增长量却更加显著。因此，Rb/Sr比值在TMS3表现出的峰谷波动，可以近似视为腾格里沙漠冬夏季风环境相互对峙、互为消长的记录。

在较强夏季风影响下的TMS3湖沼相和水成黄土堆积，其物质来源可能与祁连山更老的黄土的贡献有关。这在Rb-Sr和Cr-Zn散点分布（图4）上前两者较多散点含量高于祁连山黄土（对其物质重新进行了分配）并部分与之混合即可说明。

基于上述认识特别是考虑到Rb/Sr比值的指示意义，我们将上述14.5个元素旋回近似视为反映干湿冷暖变化——东亚冬夏季风演变的“季风旋回”，以MCY1—14.5表示（图3）。按TMS3持续时间59—23 ka计算，平均每一个季风旋回的时间约2.48 ka。因此，TMS3元素旋回揭示了MIS3腾格里沙漠高分辨率的千年尺度的东亚季风环境的演化。

Sun等^［7］采用古浪剖面黄土粒度重建60—10 ka东亚冬季风强度变化的同时，还以黄土中细粒物质显示的峰态重建了与GRIP冰芯和葫芦洞石笋δ¹⁸O曲线中的间冰阶的对比关系。将TMS3以Sr为代表的季风旋回曲线中的夏季风事件SM3—17与上述几者置在同一时代坐标上进行对比时，获得了颇有意义的结果（图7）。

TMS3的夏季风事件SM3—17与GRIP冰芯和葫芦洞石笋MIS3-δ¹⁸O曲线的间冰阶IS3—17具有相同的发生次数。将MIS3平均分为3个时间段——I（59 000—47 000 a）、II（47 000—35 000 a）和III（35 000—23 000 a）再加以对比可见，TMS3之SM事件与葫芦洞石笋IS事件这两者在每一个时间段发生的次数一致，都为5次；古浪剖面粒度在III段具有更多的峰态——“c-m”和IS7，但在I和II段分别发生的IS次数也都是5次。至于GRIP冰芯，其IS在III段发生4次，在I段和II段分别发生5次和6次。

SM7—17分别与GRIP冰芯IS7—17和古浪黄土IS7—17的相同间冰阶对比上一般年代差<2 ka，且大多<1.5 ka；TMS3之SM3与GRIP冰芯IS3相差约2.3 ka；TMS3之SM7—17与葫芦洞石笋IS7—17的相同间冰阶对比上，一般<2 ka，只是TMS3中的SM3—6与葫芦洞石笋IS3—6相差范围较大，达3.8—4.9 ka。

TMS3之SM3—17和SM7—17分别相对葫芦洞石笋IS3—17和古浪黄土IS7—17的相同间冰阶对比总体上时间滞后。而GRIP冰芯IS7—17相对TMS3之SM7—17在相同间冰阶对比上时间滞后，但GRIP冰芯IS3—6相对TMS3之SM3—6则相反。这个问题提示TMS3年代序列仍然需要更多的年代学指标加以验证，另一方面，上述研究载体是否确实存在差异性响应是值得今后深入研究的问题。

可以认为，TMS3元素揭示的SM事件与GRIP冰芯和葫芦洞石笋δ¹⁸O以及古浪黄土粒度揭示的MIS3间冰阶具有相似的变化，或许暗示彼此之间共同拥有的触发机制。尽管TMS3之SM3—6与葫芦洞石笋IS3—6在年代对比上差别较大，但总体良好的对比趋势明显。这一对比结果显示，TMS3元素记录的腾格里沙漠东亚冬夏季风旋回与MIS3北半球冷暖波动的节奏是一致的，而前者与葫芦洞石笋δ¹⁸O和古浪黄土在MIS3之冰阶间冰阶的对比关系则在一定程度上暗示亚洲季风气候系统与全球海-陆-冰-大气及其相互作用的耦合。作为一个由多种沉积相构成的层段TMS3，其元素揭示的千年尺度的季风气候变率基本上都有响应其发生的岩石学特征特别是沉积相的记录。此外，TMS3的粒度变化或许还可为这一看法提供沉积方面的证据。由于古浪剖面黄土（37.49°N，102.88°E，海拔2 400 m）是仅距土门剖面数十千米的腾格里沙漠下风方向的高海拔粉尘堆积，在一定的时空范围内，沙漠与黄土是同期异相（砂相和黄土相）的孪生沉积，故两者之间的联系密切。

将图2中TMS3之M_z（Φ）及其对应的M_z（μm）绘制于图7，由此更加直观地显示其与古浪黄土在MIS3特别是IS7—17期间东亚冬夏季风演化中的相互关系。基本上，两者在粗细颗粒变化的节奏上是一致的：TMS3粗粒的沙丘砂与古浪黄土粗粒一一对应、两者呈现的“冷谷”指示了冰阶时期的冬季风之作用；TMS3细粒的其他沉积相与古浪黄土细粒一一匹配，两者呈现的“暖峰”指示了间冰阶时期的夏季风作用。

近年，Ellen等^［26］汇编了63个已发表的具有年代标定的洞穴石¹⁸O记录，经研究他们提出晚更新世亚洲季风在千百年尺度的气候变率上与高纬度和热带等区域记录的气候同步耦合。尽管如此，大陆特别是中国沙漠的相关载体是如何实践和记录高分辨率气候波动的仍然需要更多的地质记录加以证明。显然，上述的TMS3地球化学和沉积过程与对比结果也可以视为MIS3全球变化的腾格里沙漠区域环境响应的一个缩影，一个极易识别的气候地层学标示。

时代为MIS3的腾格里沙漠土门剖面TMS3是一个由多种沉积相构成的层段，沙丘砂与其他5类沉积相——黄土状亚砂土、砂黄土、湖沼相、水成黄土和古土壤，构成相互叠覆的沉积序列。

TMS3元素Mn、P、Sr、Rb、V、Zn、Cr、Ni、Cu和Nb在沙丘砂中呈现含量低值，而在其他5类沉积相中呈现含量高值。Rb/Sr比值在沙丘砂为高值，在其他沉积相中为低值。在剖面上，随着这5类沉积相与沙丘砂的交替，元素含量、Rb/Sr比值表现出明显的峰（高值）谷（低值）波动，并形成基本上与沉积旋回数量一致的14.5个“元素旋回”，ECY1—ECY14.5。

该层段14.5个元素旋回揭示了相同数量的腾格里沙漠东亚冬夏季风演变的“季风旋回”——MCY1—14.5，包括14次冬季风事件和15次夏季风事件，平均每一个季风旋回的时间约2.48 ka。

TMS3元素记录的15次夏季风事件与GRIP冰芯和葫芦洞石笋MIS3-δ¹⁸O曲线的间冰阶具有相同的发生次数，也与邻近的古浪黄土MIS3中的间冰阶可以进行很好的对比。由此表明，MIS3腾格里沙漠发生的东亚冬夏季风演化与北半球冷暖波动的节奏一致。这一结果在一定程度上暗示亚洲季风气候系统存在与全球海-陆-冰-大气的相互作用耦合。