川东北石笋记录的GIS4～5夏季风气候变化及与高纬气候的联系

对采自川东北仙人洞的石笋XR025进行了高精度230Th定年和高分辨率氧-碳同位素分析,重建了该地区33～ 28ka B.P.高分辨率夏季风气候变化历史.结果发现,XR025清晰地记录GIS4,GIS4.1和GIS5等温暖事件以及H3这一寒冷事件,这些事件的发生时间与格陵兰冰芯和我国其他石笋记录基本一致.但XR025记录的GIS4.1事件的强度明显比GIS4事件弱,这与格陵兰冰芯和葫芦洞石笋记录一致,但与我国其他一些石笋记录存在差异.在从H3向GIS4的转化中,XR025记录了夏季风逐渐增强的过程,这与格陵兰冰芯和我国其他石笋记录均存在明显差异,但与南极温度变化相似,可能受到了南极温度变化的影响.因此,南北半球高纬度地区温度变化可能在33～28ka B.P.对我国中部地区的夏季风气候变化产生了重要影响.     

洞穴石笋初始234U/238U值变化的古气候记录意义

通过对我国西南地区3个洞穴9根大型石笋272个初始234U/238U数据的分析研究,发现石笋初始234U/238U值长尺度变化与海洋沉积SPECMAP曲线δ18O记录有一定的正相关关系,与北纬25°夏季太阳辐射能量变化曲线呈一定的负相关关系,石笋初始234U/238U值的变化在冰期时波动强烈,而在间冰期波动相对平缓,在间冰期和冰期(间冰阶和冰阶)转化阶段该值呈跳跃状态变化。末次冰期及全新世阶段石笋初始234U/238U变化记录了该时段内的BA暖期和YD突变冷事件;全新世8200 a BP、7200 a BP、5200 a BP、4200 a BP、2800 a BP、1400 a BP 发生的几次较强冷事件在石笋初始234U/238U值都有相应记录,并且和长尺度的变化规律一致,冷事件发生时石笋初始234U/238U值偏重,暖期偏轻。封闭系统形成的洞穴石笋初始234U/238U变化类似于同地区洞穴石笋的δ18O对气候变化的记录特征,在我国西南地区两者与夏季风变化的强弱呈现一种负相关的关系,洞穴石笋初始234U/238U值可以作为一个有用的古气候替代指标来研究古降水的变化。     

DO4事件的精确定年及亚旋回特征: 来自福建龙岩仙云洞石笋的证据*

DO4事件(Dansgaard-Oeschger event 4,简称DO4事件)是发生在MIS3阶段后期的1次明显升温事件。根据福建仙云洞石笋(编号XYⅢ-28)300~500 mm层段6个高精度²³⁰Th年龄和188个氧同位素数据,获得了29.13~27.94 kyrB.P.时期平均分辨率达7 yr的东亚夏季风强度的演变过程数据。该石笋 δ¹⁸O 记录的DO4事件起止时间为28.83±0.06~28.46±0.06 kyr B.P.,持续时间为0.37±0.06 kyr。相对基于GICC05年层计数时标NGRIP冰芯 δ¹⁸O 记录在DO4开始阶段的突变特征,仙云洞石笋记录的DO4事件开始阶段 δ¹⁸O 值在145±60 yr内偏负0.4‰,表现为相对缓慢的变化特征,这说明仙云洞所处的中国东南沿海地区有可能受到热带低纬海气耦合的影响。此外,仙云洞石笋 δ¹⁸O 记录揭示了在DO4事件内部及附近存在一系列的百年至十年际尺度夏季风增强事件,与格陵兰冰芯 δ¹⁸O 记录、阿拉伯海海盆反照率记录的DO4事件亚旋回结构在定年误差范围内相对应,表明东亚夏季风强度与北高纬温度变化和ITCZ(赤道辐合带)位置移动在百年至十年际尺度上存在紧密的联系。     

小冰期东亚夏季风快速变化特征:湖北石笋记录

研究小冰期的结构特征及动力机理有助于理解全球增暖和极端气候事件的原因。基于湖北永兴洞总长为120 mm的YX275石笋7个高精度230Th年龄和120个氧同位素数据,重建了1361~1955 A.D.时段分辨率达5 a的东亚夏季风降水变化序列。该石笋δ^18O值在-7.8 ‰^-9.3 ‰范围内波动,长期趋势呈现出先缓慢增大后减小的变化特征,整体呈下凹形态。该记录与中国季风区北部和南部石笋记录变化大体一致,指示小冰期发生时东亚夏季风水循环发生减弱变化。在百年-数十年尺度上,YX275石笋记录的小冰期内5次显著季风降水减弱事件与南部贵州董哥洞、织金洞石笋记录变化一致,但不同于北方大鱼洞、九仙洞、黄爷洞和万象洞石笋记录的5次小幅度季风旋回特征,表明小冰期时中国南北部夏季风降水在短时间尺度上可能存在着区域差异。该记录与太阳总辐照度记录和北半球温度记录变化一致,表明太阳总辐照度和北半球温度变化对东亚夏季风水文变化有重要驱动作用。     

辽宁本溪高分辨率石笋氧同位素记录的东亚夏季风“2.8 ka”事件

本研究利用辽宁本溪庙洞石笋MD12,通过230Th定年和高分辨率氧同位素分析,并集成庙洞另一支石笋MD11序列,重建了3.04~2.60 ka B.P.时期辽东地区夏季风(降水)变化历史。该石笋氧同位素序列记录了2.8 ka事件的详细过程,事件的核心阶段起止时间约为2.76~2.66 ka B.P.,中心点位于2.68 ka B.P.,稍微晚于西南石笋氧同位素记录(约2.71 ka B.P.),但是在事件的开始时间上,庙洞石笋氧同位素记录比西南石笋氧同位素记录晚了约100年。因此,庙洞石笋氧同位素记录与西南石笋氧同位素记录中显示的缓慢减弱-快速增强模式不同,2.8 ka事件在辽东石笋氧同位素记录中表现为快速减弱-突然增强的变化模式,与太阳活动代用指标一致变化,支持太阳活动是2.8 ka弱季风事件驱动因子的观点。庙洞石笋氧同位素快速响应太阳活动的变化特征,说明其动力学机制可能是太阳活动减弱导致北半球高纬度地区温度降低,然后通过大气"遥相关"作用影响东亚夏季风。     

DO4事件的精确定年及亚旋回特征:来自福建龙岩仙云洞石笋的证据

DO4事件(Dansgaard-Oeschger event 4,简称DO4事件)是发生在MIS3阶段后期的1次明显升温事件。根据福建仙云洞石笋(编号XYⅢ-28) 300～500 mm层段6个高精度~(230)Th年龄和188个氧同位素数据,获得了29. 13～27. 94 kyr B. P.时期平均分辨率达7 yr的东亚夏季风强度的演变过程数据。该石笋δ~(18)O记录的DO4事件起止时间为28. 83±0. 06～28. 46±0. 06 kyr B. P.,持续时间为0. 37±0. 06 kyr。相对基于GICC05年层计数时标NGRIP冰芯δ~(18)O记录在DO4开始阶段的突变特征,仙云洞石笋记录的DO4事件开始阶段δ~(18)O值在145±60 yr内偏负0. 4‰,表现为相对缓慢的变化特征,这说明仙云洞所处的中国东南沿海地区有可能受到热带低纬海气耦合的影响。此外,仙云洞石笋δ~(18)O记录揭示了在DO4事件内部及附近存在一系列的百年至十年际尺度夏季风增强事件,与格陵兰冰芯δ~(18)O记录、阿拉伯海海盆反照率记录的DO4事件亚旋回结构在定年误差范围内相对应,表明东亚夏季风强度与北高纬温度变化和ITCZ (赤道辐合带)位置移动在百年至十年际尺度上存在紧密的联系。     

MIS3阶段千年尺度突变事件在中国石笋δ13C记录中的印迹

基于山西阳泉市莲花洞石笋8个230Th年代和109个δ13C数据,获取了末次冰期54.5~41.1 ka BP期间平均分辨率为120年的δ13C记录。综合对比亚洲季风区29°~41°N之间5条独立定年的、高分辨率石笋δ13C记录表明:不同洞穴石笋δ13C记录在相同生长时段具有较好的重现性,δ13C指标能够有效指示洞穴上覆地区土壤CO₂产率,从而反映洞穴外部环境与季风气候的变化。δ13C记录的5个千年尺度亚洲夏季风增强事件在定年误差范围内响应于格陵兰冰芯记录的Dansgaard-Oeschger（DO）10~14事件,而2个弱季风过程与北大西洋钻孔记录Heinrich 5和Heinrich 5a事件密切联系。这种石笋δ13C记录的空间一致性表明亚洲夏季风及其控制下的区域生态环境波动在千年尺度上通过海－气耦合响应于北高纬气候变化。      

川东北狮子洞石笋54～46ka高分辨率δ~(13)C变化与影响因素

对采自川东北狮子洞的编号SI3石笋(发育时间在54~46 ka)进行了高分辨率碳同位素(δ~(13)C)测试。石笋SI3的δ~(13)C与δ~(18)O变化趋势基本一致,表明夏季风气候控制的地表植被和其他因素如水-岩相互作用、滴水时间间隔和洞穴通风作用等是影响SI3的δ~(13)C变化的主要因素。在寒冷事件H5发生时SI3的δ~(13)C与δ~(18)O的变化存在显著差异。推测δ~(13)C更早变轻与先期碳酸盐沉积作用减弱有关,可能指示洞穴通风作用和洞外冬季风在H5发生早期就开始减弱,即冬、夏季风在这一时期可能发生了脱耦现象。     

重庆羊子洞MIS5a/MIS4转换时期石笋微量元素记录及其气候意义

利用重庆丰都羊子洞石笋Y02 ICP-MS测年数据、微量元素数据和石笋氧同位素数据重建了三峡库区76~69 ka B.P.时段的古气候环境信息。将石笋Y02测试数据与太阳辐射曲线、格陵兰NGRIP冰芯和南海海表温度进行对比分析,结果显示石笋Mg/Ca主要响应降水变化,而Sr/Ca、Ba/Ca和U/Ca更多地响应地表土壤状况和当地大气粉尘活动,间接响应降水变化;石笋Y02 δ18O记录出现偏重的趋势比微量元素比值增大时间晚1 ka多,表明石笋微量元素比值可能还受到温度影响。     

亚洲夏季风DO12气候事件的响应模式

亚洲季风气候响应的Dansgaard?Oeschger（DO）事件模式是目前古气候研究的热点之一,其是否表现为单一模式,还是存在多种模式仍有争议。基于山西龙洞13个铀钍年代和239个氧同位素（δ18O）数据重建了末次冰期48~41 ka B.P.时段东亚夏季风演化历史。石笋L2清晰记录了H5、DO12和DO11等千年尺度气候事件,其变化特征与亚洲其他石笋记录呈现出良好的一致性,并与格陵兰冰芯记录一一对应,表明高、低纬之间紧密的气候联系。在DO12事件过程中,L2 δ18O值先是持续偏轻后又逐渐变重,指示亚洲夏季风强度持续增强后略有减弱,与格陵兰冰芯记录的温度持续降低模式迥异;不同区域记录对比发现,亚洲夏季风和热带低纬水文过程响应的DO12事件过程表现为不对称倒“V”形,这可能与南大洋潜热释放及越赤道气流强/弱变化、低纬热带辐合带逐步北进/南退有关。     

桂林茅茅头大岩近50年来石笋δ18O记录与局地气候/大尺度环流关系探讨

石笋记录是第四纪研究的重要力量,但是近年来中国季风区石笋δ~(18)O指示意义受到一定的质疑,关键问题是尚未通过石笋记录很好的衔接古气候与现代气候。基于此认识,选择桂林茅茅头大岩一个1968年以来连续生长的石笋记录。通过解译其δ~(18)O的气候指示意义,并进行局地和区域对比,发现桂林茅茅头大岩石笋δ~(18)O能很好的指示当地的夏季降水变化,同时响应了区域一致性的信号。在年代际尺度上表现为夏季风减弱,石笋δ~(18)O变重,夏季风增强,石笋δ~(18)O变轻。而通过比较东南水汽通道和西南水汽通道水汽来源比例变化,并未发现水汽来源变化与中国季风区石笋δ~(18)O的明显相关关系。而除桂林地区外,其他记录如湖北和尚洞、福建玉华洞石笋δ~(18)O虽然一致变化,但是与当地降水并无明显相关。因此夏季风强弱变化可能导致了中国季风区石笋δ~(18)O的一致变化,但是由于局地降水影响因素更加复杂,中国季风区并不是所有石笋δ~(18)O记录均指示当地降水量的变化。     

石笋初始234 U/238 U值的冰量周期特征及其环境意义 ——以湖北三宝洞为例

石笋氧同位素记录具有明显的2万年周期,其他记录中广泛存在的10万年周期是否在石笋中有所表现目前还鲜有报道。通过对湖北三宝洞20支石笋的铀同位素数据的分析研究发现,石笋初始234U/238U值在序列连续性较好的640.3~299.6 ka B.P.时间段有强烈的10万年周期特征。在间冰期和冰期时,初始234U/238U值分别呈增大和减小状态。初始234U/238U值的10万年周期与全球冰量、黄土磁化率、黄土平均粒度和大气CO₂变化有良好的对应关系。这些对应关系表明全球冰量、大气CO₂对喀斯特区地球化学元素富集和迁移作用有重要影响。石笋氧同位素的显著岁差周期独立于石笋微量元素、高纬冰量和全球温室气体变化,暗示了太阳辐射变化对中低纬水汽环流的直接影响。石笋初始234U/238U与氧同位素、太阳辐射在冰消期时的对应变化支持北半球太阳辐射能量变化对冰期-间冰期旋回的调控作用。     

闽西仙云洞石笋记录的Heinrich2事件年龄及亚旋回特征

选取福建西部仙云洞石笋（XY Ⅲ-28）,通过利用U系定年和氧碳同位素测试方法分别对9个U/Th年龄和301个氧同位素样品进行分析,从而建立了26.33~22.98 kyr B.P.期间平均分辨率为11 yr的东亚夏季风演化序列。该石笋记录最显著的特征是在24.09~23.39 kyr B.P.时段内δ18O偏正,振幅为0.7‰,对应于北大西洋显著的Heinrich2（H2）突变事件。根据主要变化过程中间点的位置可以标定H2事件的起止时间分别为24.09±0.06 kyr B.P.、23.39±0.07 kyr B.P.。XY Ⅲ-28石笋记录的H2事件内部呈现出明显的百年至十年际尺度的"两谷一峰"结构的亚旋回特征。这种百年至十年际尺度的亚旋回事件在H1事件、新仙女木事件以及小冰期等内部同样存在,表明这些千年尺度极端变冷事件内部气候也是不稳定的,可能受控于相同的驱动因素。仙云洞石笋记录与高低纬古气候记录对比发现,南北半球呈现反相位关系,即"see-saw"模式。     

54～46 ka川东北石笋的氧同位素记录及其气候环境意义探讨

对采集于川东北诺水河溶洞群狮子洞的石笋SI3进行了TIMS U-Th定年和高精度氧稳定同位素(δ18O)分析,对其气候环境意义及与东亚夏季风演化之间的关系进行了研究.在54～46 ka之间,SI3的δ18O记录相对变化趋势与同样位于东亚季风区的葫芦洞和董哥洞石笋δ18O记录、与极地冰芯GISP2和中东以色列Soreq洞次生碳酸盐沉积的δ18O记录具有很好的可比性,显示了其与东亚夏季风气候演化和全球气候变化的密切关系.但与其他石笋数据的对比显示SI3的δ18O记录明显偏重,可能与SI3生长地点接近洞口的环境有关,SI3发生了18O富集.对SI3的δ18O记录与气候环境密切相关的机制进行了探讨.     

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。     

桂林盘龙洞石笋中新仙女木事件及全新世气候变化记录

中国古气候研究的重要内容之一,就是要研究中国季风形成的机制和演化过程。中国南方岩溶区地处夏季风最敏感的地区,但由于缺乏象湖泊、冰芯和黄土那样的记录载体,还缺乏高分辨率古气候研究成果。因此,通过对桂林盘龙洞一1.22m长,直径约45 cm石笋的加速质谱~(14)C测年和详细的氧碳同位素记录以及洞穴环境的研究,初步得出以下结果:①由末次冰期向全新世的突然变暖过程中,有一短暂冷事件记录,发生时间大约在距今11.3～10.8 ka,这可能是新仙女木事件在该地区的反映;②在距今9.0～7.0ka,该地区逐渐变得温暖和湿润,即夏季风逐渐增强,但在其期间同位素记录也显示存在一些小波动,即在距今9.0～8.0ka,夏季风较强,而在距今8.0ka左右,δ~(18)O值增加,可能记录了一次短暂的冷事件;③从距今7.0～4.5 ka,尤其距今6.0～4.5 ka,δ~(18)O总体上比现代碳酸盐的δ~(18)O值低,同时石笋的生长速度最大,δ~(13)O值也低,因此这一时期可能夏季风要比现代强,但在距今5700年至距今5500年,δ~(18)O值与现代相似,表明夏季风有所减弱;④在距今4.5 ka后,δ~(18)O值与现代δ~(18)O值相似,这表明夏季风减弱,该地区进入现代气候模式,石笋的生长速度减小,在距今几百年前停止生长。但在近几千年中,也有数次波动,即在距今4.0～2.5 ka,距     

中国南方石笋氧同位素记录的重要意义

中国南部石笋氧同位素记录记载了重要的气候变化信息。应用石笋氧同位素记录时首先需要考虑检验石笋的平衡结晶生长,特别是重复性检验,以排除可能的偶然性或地方因素。中国南部重复性很好的南京葫芦洞和贵州董歌洞石笋氧同位素记录主要代表了当时的降水氧同位素信息。两洞的记录都显示,在冰期或冰段时期降水的氧同位素比间冰期或间冰段时期明显偏重。受夏季风强弱变化的控制,与目前亚洲季风降水氧同位素的季节变化相对应,在间冰期或间冰段时,ITCZ偏北,降水以夏季风的大规模大气环流下的对流降水为主,其氧同位素较轻;相反地,在冰期或冰段时,ITCZ偏南,降水以夏季风爆发前的锋面降水为主,其氧同位素较重。虽然尚有其他许多影响因素,亚洲季风的变化应是影响中国南部石笋氧同位素在冰期/间冰期或冰段/间冰段的尺度上变化的主导因素。但在更小的尺度上(例如小冰期),石笋氧同位素记录的解释则需要谨慎。虽然下最终结论为时尚早,但作为亚洲季风的两个组成部分的东亚季风和印度季风很可能是同步的,至少在冰期/间冰期或冰段/间冰段的尺度上是如此。基于上述研究,进一步提出亚洲夏季风强段/弱段的概念(AsianSummerMonsoonInterstadial/stadial,或ASMI/ASMS),其在上个冰期中与格陵兰冰芯间冰段/冰段一一对应     

MIS 5a/5b时期亚洲夏季风变化的高分辨率石笋记录

由于深海氧同位素阶段5时期 (Marine Isotope Stage 5, MIS 5)高分辨率的亚洲夏季风记录较少,限制了对该时期亚洲夏季风变化的认识。本文利用重庆金佛山羊口洞石笋的δ18O记录,重建了MIS 5a/5b时期平均分辨率为38年的亚洲夏季风演变历史。发现该时段亚洲夏季风在千年—百年尺度上与北大西洋地区气候变化存在紧密联系。得益于误差小于0.4%的230Th测年结果,本文标定了中国间冰阶(Chinese Interstadial, CIS)21的开始时间为84.6±0.3 ka BP,CIS 22的起止时间分别为91.2±0.3 ka BP和88.9±0.3 ka BP。此外,羊口洞石笋记录的CIS 21和CIS 22的变化模式与格陵兰记录不同,而与南极冰芯记录呈反相对应,可能表示在此阶段亚洲夏季风受到了南半球气候变化的影响。      

南京葫芦洞石笋微量元素记录的末次冰消期气候变化

采用Avaatech型岩芯X射线荧光光谱扫描仪技术,对发育有连续3900年纹层(18.3～14.4ka B.P.时段)的南京葫芦洞YT石笋进行了Sr,Ba和Pb微量元素分析.选择Sr/Ca,Ba/Ca和Pb/Ca作为代用指标,研究了末次冰消期洞穴地点岩溶水文条件和气候变化特征.Ba/Ca和Pb/Ca值从大约17.5ka B.P.开始呈现出减小的趋势变化,而Sr/Ca呈现出在大约16.1ka B.P.发生转折的“V”型演化趋势.Sr/Ca反映了岩溶水在上覆围岩中的滞留时间(与夏季降水相关),而Ba/Ca和Pb/Ca指示了土壤及其基岩的本底值和淋滤作用强度.Sr/Ca比值与纹层厚度、δ13C记录在数百年-千年尺度上呈现一致的变化,共同指示了南京葫芦洞地点有效湿度的变化过程,与δ18O的对应性表明葫芦洞石笋δ18O可以指示当地季风降雨量的变化过程.此外,石笋Ba/Ca和Pb/Ca与格陵兰粉尘和Ca2+记录在长期趋势上呈现一致变化,表明该类元素比值主要反映与冬季风强度密切相关的粉尘活动强度变化.研究结果表明,东亚冬、夏季风对神秘期内发生的冰漂碎屑事件(H1a,16.1ka B.P.和H1b,17.5ka B.P.)具有不同的响应方式.Ba/Ca和Pb/Ca序列的功率谱分别呈现出66a、35a、23a、14a和61a、46a、22a、19a、17a、15a周期,说明北大西洋涛动和太阳活动影响着冬季风强度的高频变化.     

中全新世东亚季风年至10年际气候变率:湖北青天洞5.56～4.84ka B.P.石笋年层厚度与地球化学证据

中全新世年至10年际东亚季风气候变率及其动力学机制有助于深入了解当今全球气候变暖的自然变率贡献.本文基于湖北青天洞一支石笋的铀系年龄、年纹层计数、氧同位素和微量元素测量结果,建立了中全新世5.57～4.84ka B.P.时段平均分辨率为3～4年的东亚季风气候和洞穴地点环境演变序列.石笋年纹层由冬季亮色薄层和夏季暗色厚层组成,对应冬、夏季节层的δ18O和δ13C正负漂移与现今冬夏降水和岩溶环境同位素值变化基本吻合.然而,元素比值(Mg/Ca和Sr/Ca)揭示了冬夏季风降水与岩溶作用的复杂响应过程.在10年际尺度上,石笋氧同位素记录了3次间隔200年左右的弱季风事件,分别发生于5.56～5.50ka B.P.,5.26～5.20ka B.P.和5.01～4.94ka B.P.,每个事件大约持续60年,反映了太阳活动周期控制季风强度变化的频率.Mg/Ca和Sr/Ca比值与季风强弱变化不存在明显的对应关系,但其功率谱具有200年和40年左右周期,说明东亚季风气候和岩溶环境过程之间既有共同的控制因素又有不同的演化机理.