早全新世季风演化的高分辨率石笋δ18O记录研究--以河南老母洞石笋为例

基于豫西老母洞LM2石笋8个高精度230Th年龄,449个氧碳同位素,建立了达十年际分辨率的8.2~10.9 ka B.P.亚洲季风变化的δ18O记录序列.老母洞石笋δ18O值最为偏负达-12.0‰,最偏正为-8.2‰,振幅达3.8‰.早全新世10.13~10.9 ka B.P.时段内,河南西部老母洞石笋和东石崖石笋,陕西九仙洞C996-2石笋δ18O曲线揭示该时段内季风稳定,而中国南方的衙门洞石笋、三宝洞石笋和极地冰芯GRIP记录揭示该时段季风逐渐增强;同时季风达到顶峰的时期也不相同,进一步说明中国南北方早全新世10.13~10.9 ka B.P.时段季风演变过程的差异,可能与中国南北方气候的响应机制有关.从早全新世平均分辨率10年的LM2石笋记录中识别出8.2 ka,9.5 ka,10.2 ka和10.9 ka显著弱季风事件,尤其是8.2 ka和9.5 ka事件.对比分析老母洞与已发表的高分辨率石笋δ18O记录发现:石笋所揭示的某些冷事件发生时间在亚洲季风区存在差异,主要表现在事件内部变化特征及趋势上.LM2石笋δ18O曲线并没有明显记录9.3 ka弱季风事件,而是在9.3~9.6 ka B.P.左右记录了一个弱季风事件,与DSY09(2009)、Y1、HS-4记录相似,表明在该时段内存在季风的减弱事件,但是氧同位素传输的复杂性,使其在南北方表现不同.此外,在LM2石笋δ18O的8.2 ka B.P.开始时段,氧同位素曲线阶段性下降,且变幅达3‰,与Zhang等研究万象洞石笋提出的“中国8 200阶段”吻合,表明中国北方地区的8.2 ka事件是阶段性的事件,而南方的石笋氧同位素记录揭示的8.2 ka事件并未表现出阶段性特征,其原因有待于更多北方高精度石笋记录来进一步研究.LM2石笋氧同位素记录进行功率谱分析发现:在短尺度上季风变化与太阳活动密切相关,这与近年来对早全新世极端气候变化研究的驱动机制是一致的,早全新世亚洲季风的演化与太阳活动变化引起的太阳辐射能量的变化和北半球高纬气候的变化状况有关.     

MIS 3晚期东亚季风强度和DO事件年龄

基于神农架山宝洞石笋(SB46)的9个230Th年龄和326个氧同位素数据,建立了末次冰期32.2～26.7kaB.P.和17.0～15.4kaB.P.的东亚季风降水序列。该序列和同一洞穴全新世石笋记录的对比发现,在MIS3晚期东亚季风区可能存在极强夏季风降水事件,相当于全新世季风强度,可能与岁差旋回太阳辐射及海陆水汽潜热释放增强有关。与葫芦洞石笋δ18O记录和格陵兰冰芯δ18O记录对比表明,东亚夏季风千年尺度气候振荡与高北纬地区海-气快速重组存在遥相关效应。山宝洞石笋年龄与葫芦洞石笋和格陵兰冰芯时标(SS09sea)在定年误差范围内基本一致,但山宝洞石笋与冰芯记录在DO事件的年龄、波形和持续时间上更为一致,不仅进一步说明了低纬季风气候与极地气温同步变化,而且有效地弥补了葫芦洞记录在这一时段的不足。     

神农架全新世东亚季风演化及其热带辐合带控制*

文章基于湖北神农架山宝洞3支石笋的13个²³⁰Th年龄和505个氧同位素数据,建立了全新世8.45~0.46kaB.P.东亚季风降水序列,其长期演化趋势与33°N夏季太阳辐射能量变化曲线基本一致。神农架山宝洞与阿曼Qunf洞和贵州董哥洞的石笋高分辨率δ¹⁸ O记录整体相关(r 分别为0.75和0.94), 说明全新世东亚季风、印度季风系统的演化主要受控于同一驱动机制,即北半球夏季太阳辐射控制下赤道热带辐合带逐渐南移,导致亚洲季风降水持续减弱。功率谱分析表明:5ka以来山宝洞石笋记录具有显著的550a周期旋回,与树轮Δ¹⁴ C和北大西洋温盐环流周期基本一致。     

东亚季风“2.8ka”事件高分辨率的石笋记录

据湖北省神农架永兴洞一支石笋的8个230Th年龄、648个δ18O数据,建立了晚全新世4.40～ 1.75ka B.P.时段平均分辨率为4a的东亚夏季风演化序列,其中在2.92～ 2.74ka B.P.期间,δ18O发生显著正偏,幅度达2.5‰,指示一个显著的弱季风事件(这里称之“2.8ka”事件).该事件以夏季风缓慢减弱开始,迅速增强结束,事件内部有两个次一级的振荡旋回(两峰三谷结构),在内部细节与转型特征上类似湖北和尚洞石笋δ18O记录的“8.2ka”事件,暗示发生在全新世这两个冷事件的驱动机制基本一致.这两个弱季风事件都发生在太阳活动明显减弱时期,并分别与北大西洋Bond 2和Bond 5冰漂碎屑事件同步,表明百年尺度的东亚季风环流的演化由太阳活动和北高纬气候共同驱动.     

东亚季风MIS 3早期DO事件的亚旋回及全球意义

根据湖北永兴洞石笋(YX51)10个U/Th年龄,470组氧、碳同位素数据建立了深海氧同位素3阶段(MIS3)早期57.7~35.6kaB.P.期间东亚夏季风演化时间序列。在发育时段,千年尺度δ18O峰谷变化与高纬冰芯记录的Dansgaard-Oeschger(DO)事件一致;δ13C呈现出与δ18O正相关同步演化特征,但受区域环境影响,在事件内部细节上存在差异。区域对比表明,同一季风区的永兴洞和葫芦洞石笋δ18O指示的季风降水同位素组成具有本质上一致性;高低纬记录对比显示,千年尺度的峰谷变化一一对应,反映热带辐合带(ITCZ)水汽传输能力、平均位置变化对东亚季风和高北纬气候具有重要影响。在DO13至DO15事件内部,永兴洞石笋δ18O记录了显著的双峰特征,说明低纬季风强度变化和格陵兰冰芯δ18O揭示的次级暖峰具有一致对应关系,指示大气快速传输机制在高低纬环境突变中起着重要作用。     

全新世早期弱夏季风事件的精确定位及机制探讨--以湖南莲花洞LHD5石笋为例

全新世早期是太阳辐射加强、全球温度上升,并伴随着冰盖消融的重要时期,而其间发生的冷事件以及亚洲季风区的弱夏季风事件的成因一直是全新世早期研究的重点。对亚洲季风-海洋-极地联系研究有着重要的意义。通过分析湖南莲花洞LHD5石笋28个U/Th年龄和535个氧同位素数据重建了全新世亚洲季风演化特征,其中全新世早期分辨率达8年。LHD5石笋记录到YD结束时间为11748±30 a B.P.,全新世开始于11684±39 a B.P.,转换时间约为64年,与格陵兰gicc05记录在误差范围内一致。LHD5石笋记录到全新世早期6次弱夏季风事件,事件年龄中心点分别为11461±34 a B.P.、10354±36 a B.P.、9957±25 a B.P.、9062±36 a B.P.、8744±23 a B.P.、8144±24 a B.P.,其δ18O值的波动幅度分别为1.08‰、0.94‰、0.66‰、0.90‰、0.55‰、1.02‰,这些弱季风事件在亚洲季风区具有普遍的区域意义。除8.2 ka事件之外,10 ka B.P.之前的弱季风事件除了受到太阳活动的影响,还受到北大西洋IRD事件的影响,而之后更多地受到太阳活动和ITCZ南移的影响。     

西藏昌都崩勒溶洞石笋7 ka BP以来高分辨δ18O、δ13C记录的气候变化

通过对青藏高原崩勒溶洞石笋进行高精度的230 Th测年和C、O同位素分析,建立了中全新世7ka BP以来西藏昌都地区高分辨率的古气候变化记录。石笋C、O同位素记录揭示出,西藏昌都地区中全新世(约7ka BP)以来的气候演化大致可分为3个气候阶段:7000~4500aBP为暖期阶段,气候总体处于高温暖湿,伴随缓慢降温;4500~2300aBP为降温期阶段,出现持续降温,气候变得干旱;2300aBP至今为升温期阶段,气温及降水均出现波动上升。石笋C、O同位素记录的研究结果表明,中全新世以来研究区存在高温暖湿、快速降温干旱以及后期气候强烈震荡升温的气候过程。通过与董歌洞石笋同位素记录对比表明,崩勒溶洞石笋δ18 O同位素曲线变化的斜率、震荡幅度都要明显高于董歌洞石笋记录,揭示出青藏高原东部季风区的气候波动与全球性冷暖变化具有一致性,但高原石笋同位素记录对气候变化更加敏感。昌都石笋同位素反映的气候变化趋势与低纬地区夏季太阳辐射强度变化正相关,表明太阳辐射强度变化是高原季风影响区气候变化的重要驱动因素。     

全新世早期石笋灰度序列记录的气候环境信息分析——以重庆羊口洞石笋为例

以采自重庆南川地区金佛山羊口洞中一支石笋YK719为研究对象,利用精确的230Th测年数据、δ18O数据和灰度数据重建了重庆地区早全新世古气候变化序列。将石笋YK719灰度序列和δ18O记录进行对比后发现,在弱季风时段,石笋δ18O值偏重,石笋灰度值较高,灰度序列表现出“谷”构造;反之亦然。分析显示羊口洞石笋灰度序列与树轮Δ14C数据、太阳黑子数据具有较高的相关性,说明太阳活动是驱动石笋灰度序列变化的一个重要因素。太阳活动可能通过温度和季风降水两方面来影响石笋灰度的变化:温度升高促使土壤微生物活动量增加,土壤中可溶性有机碳和CO2含量增加,从而形成较为纯净的方解石沉积物,石笋颜色暗而透明,反之,石笋表现为不透明乳白色;北大西洋浮冰变化在早全新世可能通过季风－欧亚大陆雪盖耦合来间接地影响亚洲季风降水变化,从而影响石笋灰度的变化。      

山东半岛石笋记录的倒数第二次冰消期δ18O变化特征及其气候环境意义

文章基于山东半岛岩溶洞穴(上小峰洞)一根长约41 cm的石笋SD1的铀系测年和稳定同位素组成分析,获得138. 0~125. 8 ka B. P.平均分辨率为30年的石笋δ18O 和δ13C时间序列,并据此讨论了倒数第二次冰消期区域气候和环境变化的特征及与全球变化的联系.在倒数第二次冰消期,上小峰洞石笋( SD1)δ18O的变化与中国南方石笋δ18O的变化具有类似的阶段变化特征,进一步确认了冰消期北大西洋气候对亚洲季风的重要影响.通过对山东石笋高分辨δ18O记录进行时间序列分析,发现该记录存在显著的约60年、 75年和1620年周期,表明太阳活动和北大西洋涛动与该地区气候变化有紧密的联系.同时,通过对比东亚季风区高分辨率石笋记录,认为在倒数第二次冰消期为"两步冰消"的变化特征.除此之外,上小峰洞石笋碳酸盐δ18O冰期和间冰期平均值的差异仅为0. 7‰,远小于内陆洞穴石笋碳酸盐δ18O冰期和间冰期平均值的差异(羊口洞约为1. 4‰,董哥洞约为2. 2‰,三宝洞约为2. 4‰).这一显著差异可能主要源于海岸线迁移造成的海陆格局的变化对区域季风降水及降水氧同位素组成的重要影响;并且冰期-间冰期海平面变化对近海环境记录、大陆架下垫面、海洋沉积物气候指标等都可能产生影响.     

中晚全新世湘西莲花洞石笋旋回沉积速率变化及其古气候意义

石笋旋回沉积速率是按照石笋沉积旋回测年得到的沉积速率,是石笋沉积过程的重要参数和反演古气候变化的有效代用指标。旋回沉积速率的波动可能反应了地表温度和降雨量的变化,与夏季风强度存在关联。文章以湖南湘西莲花洞LH2石笋为材料,利用42个230Th年龄获得的石笋旋回沉积速率序列重建了8.6 ka BP以来湖南湘西地区温度和降雨雨量的变化历史: 8.6-4.2 ka BP期间,气候以高温多雨为特征,夏季风强,石笋生长率高,但气候并不稳定,存在一系列千年-百年尺度的波动;4.2-0.05 ka BP期间,气候整体偏冷干,旋回沉积速率偏低。总体上,在轨道尺度上,LH2石笋的旋回沉积速率与该石笋的δ18O值之间存在负相关关系。旋回沉积速率的重复性检验证明了旋回沉积速率古气候记录的有效性。石笋旋回沉积速率变化主要受北半球夏季太阳辐射量的控制和ITCZ的直接影响,在百年尺度上,旋回沉积速率的波动可能与中晚全新世的弱季风事件存在关联。      

H1事件时长江下游地区季风降水变化特征的石笋铀元素记录

Heinrich 1（H1）事件是末次冰期向全新世转变过程中,北高纬大冰盖快速崩塌的冰盖不稳定事件,其气候环境影响深远。东亚地区石笋δ18O记录在H1事件时,普遍正偏至冰期的较大值,此正偏值通常指示东亚季风整体减弱。然而,在长江中游地区反映局地水文变化的石笋微量元素和碳同位素记录,显示在H1事件时梅雨量增加。梅雨与东亚季风强度的反相关关系是否存在,这有待更多记录的验证与支持。基于长江下游梅雨区南京葫芦洞石笋铀元素的水文变化特征,发现在H1事件时,梅雨整体增多。在H1事件内部结构特征上,高分辨率石笋δ18O记录显示,以~16.1 ka B.P.为界,东亚季风强度存在两个不同状态,类似的转变过程在铀元素记录中有所体现,表现为梅雨量由低到高的转变特征。石笋δ18O记录的这一季风强度变化过程在20年内完成,铀元素记录尽管分辨率不高,但也表现为快速转变的特征。这种对应的快速转变过程,表明石笋铀元素对东亚季风大气环流变化的积极响应;另一方面,也证实了铀元素对气候环境变化的有效记录。南京葫芦洞石笋铀元素记录了梅雨在长江下游地区H1事件期间增强的特征,进一步支持了梅雨与季风强度变化的反相关关系,提供了中国季风区降水空间差异的东部记录。     

黄土高原西部石笋记录的H2事件特征

青藏高原与黄土高原过渡带的甘肃武都万象洞位于现代夏季风的边缘区, 对气候变化极为敏感.通过洞内一支石笋WX40D的6个高精度TIMS-U系定年数据和616个样品的氧同位素测定, 建立了28.3~23.0 ka B.P., 分辨率约为10年的亚洲季风气候变化序列. 石笋δ18O记录揭示Marine Isotope Stage 2 (MIS2)早期东亚季风气候具有10~100 a尺度高频震荡特征, 从中识别出北大西洋Heinrich 2 (H2)特强冷事件, 且记录显示该事件开始于24.6 ka B.P., 呈突发式降温之后持续跌宕式降温变化. 对比研究发现, 万象洞石笋δ18O记录H2事件与葫芦洞、天鹅洞的石笋记录有差别, 但是与湖南金滩湾洞穴石笋δ18O记录、33°N太阳辐射强度以及极地GRIP冰心记录变化趋势一致, 表明季风边缘区气候变化主要受北半球中纬度太阳辐射能背景、北大西洋冰漂碎屑带的扩张以及低纬太平洋海表温度变化等因素的控制, 同时万象洞特殊的地理位置使得区域气候更易受到与极地气候有密切联系的亚洲冬季风和西风环流变化的影响.      

The East Asian monsoon during MIS 2 expressed in a speleothem δO record from Jintanwan Cave, Hunan, China

Stalagmite J1 from Jintanwan Cave, Hunan, China, provides a precisely dated, decadally resolved δ¹⁸O proxy record of paleoclimatic changes associated with the East Asian monsoon from ∼29.5 to 14.7 ka and from ∼12.9 to 11.0 ka. At the time of the last glacial maximum (LGM), the East Asian summer monsoon weakened and then strengthened in response to changes in Northern Hemisphere insolation. As the ice sheets retreated the East Asian summer monsoon weakened, especially during Heinrich event H1, when atmospheric and oceanic teleconnections transferred the climatic changes around the North Atlantic to the monsoonal regions of Eastern Asia. A depositional hiatus between ∼14.7 and 12.9 ka leaves the deglacial record incomplete, but an abrupt shift in δ¹⁸O values at ∼11.5 ka marks the end of the Younger Dryas and the transition into the Holocene. Comparisons of the J1 record to other Chinese speleothem records indicate synchronous climatic changes throughout monsoonal China. Further comparisons to a speleothem record from western Asia (Socotra Island) and to Greenland ice cores support hemispherical-scale paleoclimatic change. Spectral and wavelet analyses reveal centennial- and decadal-scale periodicities that correspond to solar frequencies and to oscillations in atmospheric and oceanic circulation.     

贵州石笋记录的中晚全新世东亚夏季风变化

研究全新世典型气候突变事件的内部结构及区域特征,有助于明晰季风气候突变事件的成因机制。通过对贵州七星洞石笋14个高精度²³⁰Th定年和779个氧同位素数据的分析,重建了过去6 380～2 700 yr B.P.时段平均分辨率达4.7年的东亚夏季风演化序列。该石笋δ¹⁸O值整体上呈逐渐偏正的特征,指示中晚全新世以来东亚夏季风持续变弱的趋势。叠加在此长期季风减弱变化趋势上,最为显著的百年尺度振荡主要发生在4 548～3 715 yr B.P.时段,对应于4.2 kyr B.P.事件。该记录与同区域董哥洞石笋δ¹⁸O记录一致,均显示在此事件内部并非持续干旱,而是具有两次显著的季风强降雨期。相似的季风强降雨期在我国北方气候记录中也有体现。在更大的空间尺度上,这种4.2 kyr B.P.事件的内部结构特征与澳洲—印度尼西亚(澳—印)季风区的石笋记录结构相对应,但呈显著的反相位耦合关系,证实了亚洲与澳—印季风间的动力学联系。此外,该事件结构与ENSO记录的耦合暗示了4.2 kyr B.P.事件的发生可能与热带太平洋密切相关。     

Holocene ITCZ and Indian monsoon dynamics recorded in stalagmites from Oman and Yemen (Socotra)

High-resolution oxygen isotope (δ¹⁸O) profiles of Holocene stalagmites from four caves in Northern and Southern Oman and Yemen (Socotra) provide detailed information on fluctuations in precipitation along a latitudinal transect from 12°N to 23°N. δ¹⁸O values reflect the amount of precipitation which is primarily controlled by the mean latitudinal position of the ITCZ and dynamics of the Indian summer monsoon (ISM). During the early Holocene rapidly decreasing δ¹⁸O values indicate a rapid northward displacement in the mean latitudinal position of the summer ITCZ and the associated ISM rainfall belt, with decadal- to centennial-scale changes in monsoon precipitation correlating well with high-latitude temperature variations recorded in Greenland ice cores. During the middle to late Holocene the summer ITCZ continuously migrated southward and monsoon precipitation decreased gradually in response to decreasing solar insolation, a trend, which is also recorded in other monsoon records from the Indian and East Asian monsoon domains. Importantly, there is no evidence for an abrupt middle Holocene weakening in monsoon precipitation. Although abrupt monsoon events are apparent in all monsoon records, they are short-lived and clearly superimposed on the long-term trend of decreasing monsoon precipitation. For the late Holocene there is an anti-correlation between ISM precipitation in Oman and inter-monsoon (spring/autumn) precipitation on Socotra, revealing a possible long-term change in the duration of the summer monsoon season since at least 4.5 ka BP. Together with the progressive shortening of the ISM season, gradual southward retreat of the mean summer ITCZ and weakening of the ISM, the total amount of precipitation decreased in those areas located at the northern fringe of the Indian and Asian monsoon domains, but increased in areas closer to the equator.     

Holocene and Eemian climatic optima in the Korean Peninsula based on textural and carbon isotopic records from the stalagmite of the Daeya Cave,South Korea

Textural and stable isotopic records from the absolute-dated stalagmite of the Daeya Cave (DY-1) provide new insights into the climatic evolution of the Korean Peninsula during the Holocene and Eemian climatic optima. The stalagmite yielded ages of 8572 ± 227 to 5907 ± 158 and 1,23,456 ± 535 to 1,19,837 ± 1089 years, which coincide with the Holocene and Eemian climatic optima, respectively. The stalagmite’s δ¹³C record closely resembles previously reported Chinese speleothem δ¹⁸O data. Thus it can be suggested that textural and geochemical results of the DY-1 reflect East Asian monsoon intensity, which is forced by summer insolation patterns in the northern hemisphere. Lighter carbon isotopic compositions, well-developed fibrous calcite crystals, and their relatively faster growth rate in the stalagmite sample are interpreted to reflect the warmest and wettest climate conditions of the Holocene and Eemian interglacials. Both climatic optima took place when insolation was decreasing from its maximum level, temperature in Greenland was highest, and sea level approached its maximum level. These climatic optima also coincide with decreasing Antarctic temperatures. Compared the DY-1 data to other proxies, it is suggested that the Holocene and Eemian climatic optima developed through a balance among boreal insolation, monsoon intensity, and sea level (also continental ice volume), which are the main climatic forcing factors in the northern hemisphere. These trends also follow the bi-polar seesaw mechanism as previously described.     

湖北神农架石笋年纹层与氧碳同位素关系

基于湖北神农架青天洞石笋U 系测年和年纹层统计结果,分别建立了末次盛冰期( 17 474± 174～ 16 105± 151 aB. P. )和全新世大暖期( 6 935. 4± 33. 8～6 137± 48 aB. P. )长达1 000余年的两个石笋年纹层生长序列。全新世大暖期年纹层平均厚度( 265μm) 约为末次盛冰期( 102μm)的2. 5倍,说明在间冰期东亚季风增强时石笋沉积速率较大,冰期时则相反。两支分辨率为4～ 8年的石笋年纹层厚度与δ13 C变化曲线对比显示: 在百年尺度上,石笋年纹层厚度与δ13 C变化曲线均呈良好的相关性(相关系数分别为- 0. 53和- 0.60) ,说明两指标可能受洞穴上覆土壤带CO2 产率这一主控因素的影响。当上覆土壤层生物活动增强, CO2 分压较高时,导致石笋δ13 C值偏负、生长速率增大。然而,在相同尺度上,两支石笋δ18O变化与对应的δ13 C及年纹层厚度之间的相关性较弱,反映研究地点上覆土壤层CO2产率对东亚夏季风强弱变化响应关系比较复杂。