南海南部晚第四纪东亚季风演化的粘土矿物记录

南海南部湄公河口MD01-2393孔晚第四纪190 ka以来粘土矿物和氧同位素的高分辨率分析表明, 主要粘土矿物含量表现出明显的冰期-间冰期旋回变化, 伊利石、绿泥石和高岭石含量在冰期时增高, 而蒙脱石含量在间冰期时增高. 物源分析表明, 这些粘土矿物主要来源于湄公河流域的直接输入, 其中, 伊利石和绿泥石主要来自湄公河上游变质沉积岩的机械侵蚀作用, 高岭石主要来自中游地区沉积物的再侵蚀作用, 而蒙脱石主要由中下游的偏硅酸盐土壤提供. 蒙脱石/(伊利石+绿泥石)和蒙脱石/高岭石比值可以作为东亚季风演化的矿物学标志, 相对高的比值发生在间冰期, 指示强盛的夏季风降雨和减弱的冬季风环流; 相对低的比值对应于冰期, 指示强盛的冬季风和减弱的夏季风. 东亚季风演化的强弱与北半球夏季日射量基本呈线性关系, 表明东亚季风演化的天文驱动机制.     

南海北坡ODP1146站第四纪粘土矿物记录:洋流搬运与东亚季风演化

南海北部ODP1146站第四纪粘土矿物学分析表明, 伊利石、绿泥石和高岭石含量在冰期时增高, 而蒙脱石含量在间冰期时增高. 蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比率和蒙脱石丰度变化可以作为东亚季风演化的矿物学标志. 在万年时间尺度上, 间冰期盛行的西南表层洋流将更多的蒙脱石由南部和东部向北搬运, 表现为加强的夏季风; 冰期盛行的逆时针表层洋流将大量伊利石和绿泥石由台湾以及流经吕宋海峡的长江物源搬运至南海北坡, 表现为强盛的冬季风. 就10万年时间尺度而言, 蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比率与沉积速率的对应关系, 指示2000~1200和400~0 ka期间南海北部盛行冬季风, 而1200~400 ka期间表现为加强的夏季风. 夏季风演化的强弱与北半球夏季日射量基本呈线性关系, 表明东亚季风演化的天文驱动机制.     

南海第四纪的生源蛋白石记录: 与东亚季风、全球冰量和轨道驱动的联系

据南海中部1993~1996年颗粒通量的研究表明, 蛋白石通量可以用来指示初级生产力的变化, 这一结果为追溯南海第四纪冰期旋回中表层生产力的变化与东亚季风的演化关系提供了依据. 通过南海ODP184航次等6个站位生源蛋白石含量及其堆积速率的研究发现, 北部站位蛋白石含量及其堆积速率自470~900 ka以来明显增加, 并且冰期升高, 间冰期降低; 而南部站位自420~450 ka以来明显增加, 并且间冰期升高, 冰期降低. 这种晚第四纪冰期旋回中蛋白石含量及其堆积速率的变化反映了南、北部表层生产力呈现“跷跷板”式的变化, 即冰期冬季风加强, 北部表层生产力增加, 南部表层生产力降低; 间冰期夏季风加强, 南部表层生产力增加, 北部表层生产力降低. 北部ODP1144站和南部ODP1143站第四纪以来蛋白石含量与全球冰量(δ ¹⁸O)和轨道参数(ETP)的时间序列交叉频谱分析和以前的研究结果显示, 东亚冬季风和夏季风的变化可能有不同的驱动机制. 在轨道时间尺度上, 全球冰量的变化可能是东亚冬季风强度和时间变化的主要控制因素, 而岁差和斜率相关的北半球夏季太阳辐射量的变化可能是东亚夏季风强度和时间变化的主要控制因素.     

过去640ka亚洲季风变化的多尺度分析

高分辨率、高精度定年的石笋δ~(18)O记录现已扩展到640ka,这为研究亚洲季风多尺度特征与驱动机制提供了新的契机.基于经验模态分解法(EMD),文章分析了该序列的轨道和千年尺度的特征、贡献及其控制因素.在轨道尺度上,四个主要周期(11.6、23.3、42.4和95.5ka)对石笋δ~(18)O记录的贡献率为76.3%,其中岁差和半岁差周期的贡献率分别为31.1%和30.7%.交叉谱分析显示,显著的半岁差周期信号与南北半球30°太阳辐射极大值变化(BHI)的半岁差周期基本吻合,由此认为低纬降雨和温度变率对半球间低纬太阳辐射放大响应,进而影响亚洲季风的强度变化.在千年尺度上,分别有5ka和1～2ka的显著周期,大致对应于经典的Bond和Dansgaard-Oeschger旋回.海洋沉积和石笋记录交叉谱分析显示,二者在千年尺度上的变化呈现出强烈的相关性,特别是5ka周期稳定贯穿两个记录始终且信号明显,说明5ka周期是中晚更新世以来冰期-间冰期旋回的特征周期,可能是全球冰盖和太阳辐射共同作用的结果.     

末次间冰期以来我国东部沙区的古季风变迁

根据130ka BP以来东部沙区的地质记录,将本区古季风划分为末次间冰期(130～70kaBP)夏季风为主时期、末次冰期(70～10kaBP)冬季风为主时期和冰后期(10kaBP至今)夏季风为主的不稳定时期3个演化时期,以及末次间冰期(120ka BP和100～95kaBP)冬季风增强期、末次冰期(59～21kaBP)夏季风增强期、冰后期早全新世(10～7.5kaBP)夏季风增强期、中全新世(7.5～4kaBP)夏季风鼎盛期和晚全新世(4kaBP至今)夏季风衰弱期等若干阶段。冬、夏季风的转换以突变为主。夏季风北界位置从末次间冰期的马鬃山-乌兰巴托退至末次冰期的黄土高原砂黄土带北界附近,复又进到全新世最佳期的山丹-雅布赖山一带,最后退到现代阴山北麓-呼伦贝尔一线,反映东亚季风环流的夏季风呈现波动减弱的趋势。影响季风变迁的因素复杂,特别是全新世期间的短周期波动应加强研究。     

第四纪冰期旋回转型在南沙深海的记录

对南沙海区水深2772 m的ODP1143井上部105.08 m岩芯进行高分辨率氧同位素分析, 取得MIS 1～86期即2.25 Ma以来的历史, 时间分辨率约2 ka, 为迄今所知的最好记录之一. 氧同位素曲线详细展示了更新世的冰期旋回, 由早期的40 ka周期为主, 向晚期100 ka周期为主的"转型", 证明两者之间有一个长达近300 ka的过渡期, "中更新世革命"并非一次简单的突变. 而且在100 ka的冰期旋回中, 低纬区热带表层水的变化在先, 高纬区冰盖的反应在后. 对比表明, 北半球冰盖增大、冰期延长的原因不在冰盖本身, 而在北半球高纬区之外.     

南沙ODP1143站有孔虫同位素变化对地球轨道驱动的响应

1143站5 Ma有孔虫稳定氧、碳同位素记录揭示了南海南部上新世至更新世气候变化在斜率和岁差周期上对地球轨道驱动的线性响应. 赤道太平洋地区频繁爆发的厄尔尼诺现象可能与氧、碳同位素相对于地球轨道驱动呈相反相位相关. 北极冰盖在3.3 Ma的扩张可能影响了气候变化100 ka周期的发展, 它的进一步扩张可能导致该周期成为晚更新世冰期旋回的主要周期. “中更新世转型”事件对南沙海区同位素变化的影响具有局限性. 1143站有孔虫的碳同位素在长偏心率周期上与地球轨道驱动高度相关, 且在短偏心率周期上领先于氧同位素的变化, 这进一步突显了碳循环在全球气候变化中的重要地位.     

中始新世晚期以来东亚气候变化的渭河盆地黏土矿物记录

获得新生代连续的东亚气候变化记录,是认识东亚气候变化和季风起源、演化及其驱动机制的关键.文章基于渭河盆地连续的新生代河湖相沉积序列,开展黏土矿物含量及晶体参数研究,重建了中始新世晚期以来东亚气候变化过程.结果表明,蒙皂石、伊利石是渭河盆地河湖相沉积物中的主要黏土矿物;伊利石结晶度、伊利石化学指数、蒙皂石与伊利石和绿泥石比例的阶段性降低,指示了在半干旱半湿润的气候背景下,中始新世晚期以来渭河流域化学风化阶段性减弱的特征.坡缕石的形成可能受到成岩作用影响,相应时期流域风化导致的蒙皂石含量和伊利石结晶度实际可能更高.以上结果表明,中始新世晚期到上新世渭河盆地可能处于一个相对暖湿的气候条件.随着新生代全球温度降低和渭河盆地沉积物的不断加积,渭河盆地的化学风化强度阶段性减弱,东亚季风气候阶段性演化并在第四纪变干.黏土矿物的证据还表明,渭河盆地晚始新世到渐新世气候变干,可能是对全球变冷事件(EOT转型)的响应.     

基于黄土粒度估算粉尘源区-沉积区距离的新方法

黄土的粒度分析是重建古气候的常用手段之一.基于Tsoar和Pye(1987)提出的粉尘搬运模型,通过沿风力搬运方向的两个黄土剖面的粒度变化,构建了定量估算粉尘源区-沉积区距离的模型.采集环县和白马铺古土壤S_2以上(250ka以来)的粒度数据,运用该模型得出了粉尘源区-沉积区的距离.结果表明,间冰期古土壤发育时期,源区-沉积区距离较远,沙漠南缘至环县剖面距离约为340km;冰期黄土堆积时期,源区-沉积区距离较近,沙漠南缘至环县剖面距离约为100km.该定量重建结果表明,250ka以来的冰期-间冰期旋回中,沙漠南缘的进退变化距离约为240km,验证了东亚夏季风降水控制沙漠进退从而影响黄土-古土壤粒度变化的机制.     

新疆孔雀河北岸72-51 ka BP湖相沉积物中粘土矿物特征

对新疆孔雀河北岸LX02剖面湖相沉积物开展光释光和粘土矿物样品X射线衍射分析,根据样品中的粘土矿物成分及质量分数对本区古气候演化进行了探讨.结果显示,该剖面湖相沉积自72 ka BP延续到51 ka BP.这期间,研究区粘土矿物以伊利石占绝对优势(56%~64%,平均为61%),其它粘土矿物有绿泥石(18%~26%,平均为22%)、高岭石(7%~12%,平均为8%)和伊/蒙混层(5%~15%,平均为9%),这与塔里木盆地粘土矿物组成颇为一致.具体来说,72.4—66.8 ka BP,伊利石和绿泥石含量之和较高,同时绿泥石含量较高,对于高岭石而言,除了一个样品外,其它样品的平均值较低,伊/蒙混层含量较低,指示该时段为冷干气候环境;66.8—56.1 ka BP,伊利石和绿泥石含量之和最低,同时绿泥石含量亦最低,高岭石、伊/蒙混层含量较高,指示该时段为暖湿气候环境;56.1—51.0 ka BP,伊利石和绿泥石含量之和增大,同时绿泥石含量亦增大,高岭石、伊/蒙混层含量较低,指示该时段为较冷干气候环境.这与孢粉植物群、地球化学元素含量及其主成分F1和粒度、色度及碳酸盐主成分F1'所反映的古气候特征及其变化一致,亦与柴达木盆地东部介形类丰度特征研究、柴达木盆地东部古湖泊高湖面光释光年代学研究、北京平原区有机碳同位素研究等结果吻合较好.研究表明塔里木盆地东部晚更新世气候仍以暖湿-冷干气候变化模式为主.     

葫芦洞石笋记录的19．9-17．1ka BP东亚夏季风增强事件

南京葫芦洞石笋（No．H82）高分辨率δ^18 O序列已表明16．5～10．3ka BP时段东亚季风与极地气候在千年尺度事件上存在耦合关系．现根据7个高精度^230Th年龄和573个δ^18 O数据,将这一石笋的高分辨率δ^18 O时间序列延伸至22．1ka BP,从而提供了末次盛冰期10a分辨率的连续东亚季风气候记录．石笋δ^18 O记录表明H1事件内部的次级季风减弱事件与格陵兰寒冷事件在世纪尺度上具有同步性．该记录显示在19．9～17．1ka BP存在显著的东亚夏季风增强事件,其平均夏季风强度相当于BФlling暖期的1／2,夏季风最强时甚至接近于BФlling暖期．这一季风增强事件在北半球海洋和陆地记录中均有不同程度的体现,可能是热带太平洋Super-ENSO响应于岁差周期太阳辐射的结果．     

云南鹤庆钻孔揭示的古生产力轨道尺度演化

本文在分析鹤庆古湖泊不同演化阶段烧失量指标变化特点的基础上,采用频谱分析、滤波分析方法,探讨了该湖泊古生产力轨道尺度的演化特征．综合分析结果显示:在整个演化过程中,由于北半球夏季太阳辐射与南半球潜热输出相位关系的不同,导致斜率周期一直强于岁差周期;在987-1552 ka阶段,15 ka、10．7 ka和10 ka为较强周期,其中10 ka、10．7 ka周期是与100 ka周期强化有关的半岁差周期;在湖泊古生产力演化中存在与气候变化相一致的中更新世转型．     

中全新世以来东亚夏季气温对轨道强迫时空响应不一致的模拟研究

基于一个海-气耦合模式FOAM（the Fast Ocean Atmosphere Model）在轨道强迫下对过去6 ka气候变化的瞬变模拟结果,本文分析了中全新世以来东亚地区夏季气温对日射变化的响应特征.研究发现,东亚地区夏季气温对日射响应具有时空不一致性：相对于现代,6 kaB.P.时北半球夏季日射偏强,东亚地区地面气温却未普遍偏高,而是约以35°N为界,北方显著偏暖,南方气温变化不明显甚至有微弱冷却.自6 ka B.P.至今,东亚40°N以北的中、高纬陆地夏季气温大致呈线性降低趋势,以南的低纬陆地夏季气温则呈量级较小的“U”型变化,即气温在约3 kaB.P.附近达最低值,前3 ka为降温趋势,后3 ka为升温趋势.这与一些地质记录反映的气温变化相一致.中全新世以来东亚夏季气温演变的时空不一致性,可能源自因海陆热力惯性不同所引起的气温对日射响应的差异.热容量较小的东亚高纬大陆夏季气温主要响应7月份日射;而热容量较大的海洋对日射的响应通常会滞后约2个月,其夏季气温主要响应5月份日射.受海洋影响,南方陆地夏季气温对日射响应呈现出与海洋相似的特点.在岁差周期上,5、6、7月份日射间的相位差相对于较长轨道时间尺度较不明显,但在相对较短的近6千年时期内,它们相继出现波谷而呈显著趋势差异,从而导致了中全新世以来东亚夏季气温变化的时空差异.正如有学者所指出的,夏季气温变化对应的可能并非同季节日射强迫,考察轨道强迫的气候响应时,如何选择日射标尺至关重要,否则可能混淆“因果”.     

从相位差探讨更新世东亚季风的驱动机制

南海南部ODP1143站和北部ODP1144站的深海有孔虫氧碳同位素、蛋白石和孢粉记录第一次揭示了更新世轨道尺度上东亚季风演变与轨道驱动及全球冰量变化的关系. 1143站和1144站的Globigerinoides. ruber δ¹³C、蛋白石百分含量、松类花粉(Pinus)和草本花粉的百分含量均表现出很强的偏心率、斜率和岁差周期. 1143站的G. ruber δ¹³C与地球轨道参数(ETP = 正交化的偏心率+正交化的斜率-正交化的岁差)在偏心率、斜率和岁差周期上都相关, 然而大部分的相关关系都集中在岁差周期上; 其他的季风替代性指标与ETP只在岁差周期上相关. 这说明更新世热带地区的气候变化主要受地球轨道的岁差控制. 东亚季风替代性指标与有孔虫δ¹⁸O曲线的对比以及它们之间的交叉频谱分析表明, 更新世全球冰量变化对东亚季风至少是东亚冬季风产生了重大的影响, 这与印度季风的驱动机制显然不同. 东亚季风, 至少是东亚冬季风在岁差周期上的演化, 部分地受控于地表的感热对太阳辐射的响应, 也受控于南海表层海水的潜热对太阳辐射的响应.     

黔南洞穴石笋古气候变化记录及终止点Ⅱ的确定

通过对黔南地区三个大型石笋进行TIMS-U系测年和碳、氧稳定同位素分析, 获得了163~113.8 ka高分辨率的古气候记录. 石笋氧同位素的记录曲线揭示, 在万、千年尺度上, 研究区冰期的降温和间冰期回暖的波动特征, 可与冰芯、湖泊、黄土、深海岩芯记录相比较, 其记录的气候波动与全球具有一致性, 显示与北极地区存在着古气候的遥相关. 研究表明, 石笋记录所反映出的古季风环流变化的直接动力可能来自全球冰量变化, 即主要受北半球日照辐射强度、北大西洋冰漂碎屑带的扩张以及低纬度太平洋海表面温度变化等因素的影响. 根据d18O值进行了温度计算, 获得了研究区冰期(相当于深海同位素6阶段的中后期, 平均为8.1℃, 最低为－1.43~0.65℃)与间冰期(相当于深海同位素5E段, 平均为18.24℃)之间的年均温差达10℃左右(与冰芯记录的温度变化幅度大约为10℃, 大体相一致), 显示东亚夏季风与冬季风环流强度具有显著的差异. 通过对3个石笋的精确测年, 确定倒数第2次冰期的终止点Ⅱ的年龄为129.28±1.1 ka, 这一界线的年龄代表了末次间冰期开始的年代, 即是中更新世与晚更新世的分界年龄, 与冰芯和深海SPECMAP氧同位素曲线上末次间冰期的起始年龄相一致.     

铝硅酸盐粘土矿物对形成过渡带气的催化作用研究

通过成岩作用研究查明了生物-热催化过渡带烃源岩中的粘土矿物主要为蒙脱石、伊/蒙间层矿物、伊利石、高岭石、绿泥石.在过渡带深度范围内,蒙脱石经伊/蒙无序间层向伊/蒙有序间层演化,转化的实质是在蒙脱石晶层间发生大量的铝替代硅,从而导致其表面电荷不平衡而形成酸性.用吡啶解析法测定了铝硅酸盐粘土矿物的表面酸性,它们均具有路易斯和布朗酸位,而且蒙脱石的酸性最强.并在差热-色谱连机仪上模拟了铝硅酸盐蒙脱石、伊利石、高岭石粘土矿物对过渡带有机质热解生气的催化作用,通过粘土催化醇脱水反应讨论了铝硅酸盐粘土矿物对过渡带有机质成烃的催化机理.实验分析发现蒙脱石是形成过渡带气的主要催化剂,且能使有机质热降解温度降低50℃.     

白令海IODP U1340井位粘土矿物组合特征及其古气候意义

主要对白令海南部IODP U1340井位上新世以来(~4.3 Ma)的粘土矿物组合和结晶学特征进行了分析,探讨了研究井位中粘土矿物的物质来源及其记录的古气候变化历史.结果表明,U1340井位中的粘土矿物组合以伊利石占绝对优势(平均含量为70%),蒙脱石和绿泥石次之(平均含量分别为17%和10%),高岭石含量很低(平均含量3%).研究井位中粘土矿物组合及其物源区主要受气候特征的影响,在温暖气候时期(如9.21 ka以来)主要来自邻近的阿留申岛弧,蒙脱石含量较高;而冷气候时期(如2.74~1.07 Ma)主要源自阿拉斯加大陆,伊利石和绿泥石含量升高.利用蒙脱石/(伊利石+绿泥石)比值及伊利石和蒙脱石的结晶学特征较好地揭示了白令海南部的古气候变化历史:白令海南部在4.3~3.94 Ma以暖湿气候为主,3.94~3.6 Ma则主要受到干冷气候的控制,同时阿留申岛弧火山作用在这一时期加强;此后逐渐向冷湿气候转变,至2.74 Ma受北半球冰川作用的影响气候再次呈现干冷的特征;1.95 Ma开始逐渐向冷湿气候过渡,经历1.07~0.8 Ma中更新世气候转型之后,白令海南部主要受控于冷湿气候,但在~0.42 Ma(MIS 11),~0.33 Ma(MIS 9)及~0.12 Ma(MIS 5),气候相对温暖,化学风化作用加强;~9.21 ka全新世以来白令海南部以相对的暖湿气候为主.     

轨道尺度的亚洲夏季风演变:“困惑”与探索

亚洲夏季风影响着亚洲大陆数十亿人口.半个世纪以来,亚洲夏季风研究取得了许多重要成就,但一些科学问题依然有待深入探索.这其中包括轨道时间尺度的两个难题:(1)中国黄土的磁化率序列显示亚洲夏季风变化以冰期-间冰期~100kyr周期为主,而中国石笋氧同位素(δ18O)序列则以~20kyr岁差周期为主,两者主导周期的差异成为了悬而未决的"中国的100kyr周期问题";(2)亚洲大陆石笋δ18O序列与许多海洋沉积记录在岁差波段上的显著相位差异,是争议已久的"海-陆岁差相位的困惑".应当如何解答这些难题呢?首先,伴随着轨道尺度数值模拟的不断发展,岁差波段上降水量和风场变化在亚洲夏季风广大区域中的不均匀性及其区域模态差异逐渐明朗,不同气候记录的分歧在很大程度上可能只是这种降水和风场空间不均一性的体现.其次,不同记录载体有其固有的优势和局限,而此间差异则部分反映了这些局限性.总体而言,亚洲夏季风的黄土、海洋和石笋记录之间并不存在相互否定的关系,而是具有互补性;它们各自刻画了亚洲夏季风动力学系统的不同方面.因此,从整体季风系统的视角审视这些记录,能够基本解释亚洲季风的"中国的100kyr周期问题"和"海-陆岁差相位的困惑"这两个科学难题.     

40 ka以来青藏高原的4次湖涨期及其形成机制初探

40 ka来青藏高原现在封闭湖区至少经历了4次显著的湖泊扩涨期. 40~28和9.0~ 5.0 kaBP湖涨期是高原暖湿气候时段的产物, 分布范围最广, 湖涨最为显著; 其产生于岁差周期高太阳辐射阶段, 强劲的夏季风形成的丰沛降水是造成湖涨的主要原因. 40~28 kaBP湖涨期, 高原湖域浩瀚, 河湖串联, 湖泊呈现40 ka以来的最高最大湖面. 19~15和13~11 kaBP期间, 高原湖泊扩涨存在区域性, 前者同高原冷湿气候与季节性冰融水增加有关, 后者则与末次冰消期冰融水与夏季风降水增加有关. 造成湖涨期表现形式与环境机制复杂多样的原因, 是北方冷气候事件, 特别是Heinrich事件叠加在由岁差周期太阳辐射变化驱动的夏季风强弱变化背景之上, 高原阶段性冷湿与暖湿环境及其由此形成的高原冰融水阶段性增加的结果.     

末次冰盛期以来东亚季风变化历史——中国北方的地质记录

全球变暖对中国北方气候的影响已经引发了学术界的广泛关注,地质增温期东亚季风变迁历史可为理解未来气候变化提供重要参考.文章主要基于中国北方夏季风边缘带的湖泊、黄土等记录的古植被信息,探讨了末次冰盛期至全新世全球增温过程中东亚季风的变化历史.地质记录显示,末次冰盛期东亚冬季风增强,夏季风减弱,中国北方气候干冷,大部分地区呈现荒漠草原或干草原景观,贺兰山以东沙地的东南边界和现代沙地边界接近或略向东南方向小幅扩张.在由冷转暖的末次冰消期,东亚冬季风逐渐减弱,夏季风逐渐增强,但在快速变冷的Heinrich 1(H1)和Younger Dryas(YD)事件期间,中国北方气候变干.全新世冬季风减弱,夏季风显著增强,季风雨带向西北推进至少300km,中国中东部干旱区范围大幅度缩小,北方喜暖喜湿植物显著增加.从夏季风边缘带的记录看,中全新世夏季风最为强盛.显然,古增温有利于东亚夏季风的增强,从而极大改善中国北方的生态环境.如果全球变暖持续下去,中国北方将变得湿润.与轨道尺度记录相比,高分辨率的古植被记录较为缺乏,全新世气候突变事件以及百年-十年尺度气候旋回尚需深入研究,应作为今后研究的重点.