古气候变化的周期性与驱动机制研究的回顾

冰芯、深海沉积物、黄土、石笋、湖相沉积物等这些古气候载体所记录的古气候(温度)变化广泛具有100 ka、41 ka、20 ka以及更短的千年周期性。2.45 Ma BP到1.6 Ma BP,低频率的166ka到333 ka周期存在;1.8 Ma BP到0.8 Ma BP,41 ka周期占主导。而从0.8 Ma BP至今,100 ka周期逐渐增强并占主导地位。全球性的100 ka周期的驱动机制可用地球轨道面倾斜理论或用宇宙尘在地球上的积累速率模式加以解释,而区域性的千年周期在北大西洋可用深海盐水的循环模式解释。新的资料和各种气候周期模式表明,长尺度的气候周期应是地外天体相互作用引发,短尺度高频率气候振荡应是地球内部各系统间相互制约影响的结果。     

中晚全新世科尔沁沙地沉积物化学特征及其气候变化

科尔沁沙地位于我国沙漠-黄土边界带和北方农牧交错带,深受东亚季风的影响,对全球气候变化反应非常敏感,是研究全球气候变化的理想区域。TL剖面磁化率、粒度和地球化学元素氧化物及其比值变化分析表明:中晚全新世研究区气候极不稳定,可以大致划分为:① 6.0～4.2 ka BP,气候暖湿,夏季风逐渐增强,并占据主导,冬季风较弱,与全新世大暖期对应,但存在百年尺度的气候波动,其中:6.0～5.6 ka BP,5.5～5.4 ka BP,4.9～4.7 ka BP,4.5～4.2 ka BP气候暖湿;5.6～5.5 ka BP,5.4～4.9 ka BP,4.7～4.5 ka BP气候相对冷干。② 4.2～1.3 ka BP,气候相对暖湿,与上一阶段相比夏季风有所减弱,其间也存在次一级波动,4.2～3.63 ka BP,3.57～3.4 ka BP气候相对干冷;3.63～3.57 ka BP,3.4～1.3 ka BP,气候相对暖湿。③ 1.3～0.65 ka BP以来,气候波动频繁,后期有向暖湿发展的趋势。这些气候变化与区域和全球变化具有良好的对应关系,反映该区气候变化与全球气候变化具有高度一致性。     

青藏高原东北部泥炭沉积粒度与元素记录的全新世千年尺度的气候变化

通过对青藏高原东北部共和盆地泥炭沉积的粒度与地球化学元素分析, 重建了区域全新世千年尺度的气候变化过程. 结果显示: 10.0~8.6 cal ka BP区域暖湿程度逐渐增加, 但在8.6~7.1 cal ka BP气候相对寒冷干燥, 7.1~3.8 cal ka BP 暖湿程度总体上为全新世最佳, 但也出现明显的气候波动, 3.8~0.5 cal ka BP气候向冷干方向发展, 0.5 cal ka BP以来气候又逐渐转向暖湿. 这一特征与中国东部季风区的气候变化有很好的一致性. 此外, 区域全新世气候变化过程中存在10次千年尺度的寒冷事件, 并与高原冰芯、 湖泊、 泥炭和风成沉积记录的古气候变化, 甚至与北半球高低纬度的气候变化都具有良好的可比性. 因此, 认为区域全新世气候变化具有"季风模式"与"千年尺度震荡"的双重特点.     

洞穴石笋沉积特征研究--以贵州荔波董歌洞4号石笋为例

在综合研究南方20多个大型石笋纵剖面的基础上,以董歌洞4号石笋为代表,论述石笋沉积特征与气候演化的对应性.4号石笋从距今147.838±2.6 ka开始沉积以来,形成了53个沉积纹(壳)层组,组成24个亚旋回,构成9个旋回,呈现韵律式旋回性沉积特征.石笋纹(壳)层组分、结构、叠复构造呈多级次旋回性很突出,其中沉积间断具普遍性、沉积速率具多变性,间断和速率变化级次亦明显.以系统测试和测年引证沉积特征的同时揭示:①～⑨旋回间沉积间断时间累积达75.804 ka,占石笋形成时间的51.21%,①～⑨旋回实际沉积时间仅72.222 ka,占形成时间的48.79%;④旋回之前,沉积速率很小,最小仅0.36 mm/100a,比最大速率小22～24倍,自⑤旋回起,沉积速率很大,最大达39.03 mm/100a,是最小速率的3.8倍.石笋沉积特征与气候环境演化的成生关系表明,石笋沉积多旋回性的纹(壳)层组、亚旋回、旋回与气候演化的气候期、阶段和旋回彼此对应,石笋沉积的多级次旋回及其变化就是气候演化的级次及旋回性转(跃)变时间,彼此同时显示.论证了石笋沉积的多旋回性与气候演化的不稳定性,及其彼此协调的宏观、微观综合表现特征.     

179～129 ka B.P.时段千年尺度气候事件的湖北神农架石笋记录

根据湖北神农架1支石笋(SB11)13个230Th年龄和638个δ18O数据,重建了179～129 ka B.P.时段连续的高分辨率东亚夏季风历史.轨道尺度上石笋δ18O曲线呈现2个岁差旋回,指示东亚夏季风强弱变化受北半球夏季日辐射能量变化驱动.一系列千年尺度季风事件叠加于轨道尺度季风气候旋回上,与已有的东亚季风事件、北大西洋冰漂碎屑事件及地中海降温事件具有比较相似的变化规律,进一步证明了倒数第二次冰期千年尺度气候事件在北半球具有普遍性.山宝洞石笋记录与葫芦洞石笋记录的对比结果表明,最后两个冰期旋回千年尺度事件发生频率及变化幅度非常相似,有力地支持了千年尺度气候事件的冰量驱动模式.     

云南宣威4.6万年以来洞穴石笋古气候变化记录

石笋是高分辨地记录古气候环境变化的主要信息载体之一。本文通过对宣威下水龙洞 1号石笋进行α能谱铀系测年及碳、氧同位素分析,获得了距今 46.1ka至 2.75ka高分辨率的古气候演变信息。其年龄与δ18O值的记录在纵向上的变化具有明显的韵律性特征,可与深海岩芯V2 8～ 2 3 8同位素记录所揭示的第 3阶段、2阶段和 1阶段进行对比。反映 46.1ka以来宣威地区的气候波动与全球的气候变化具有明显的一致性。但是,区内是气候变化的敏感区,是东亚季风与印度洋季风交互作用的特殊区域,存在有明显的地区性气候变化特征,在整个末次冰期时段 (4 6.1～8.1ka)气候总体偏温暖,10.2 5ka为新仙女木冷事件的最冷终止点。在全新世大暖期时段的 7.1～ 3.7ka间显示气候温暖湿润,而在 3.7～ 2.75ka间伴随太阳辐射和印度洋西南季风强度的减弱,气候有明显的降温趋势。此外,石笋的碳、氧同位素显示的气候冷暖变化是,主沉积旋回以万年级、千年级和百年级为周期性变化;亚旋回以千年级和百年级为周期性变化。     

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。     

汉江上游I级河流阶的形成及对东亚季风 变化的响应

对郧县—白河段汉江Ⅰ级河流阶地上风成黄土的沉积学、理化性质、地球化学和年代学进行了系统研究。结果表明,汉江Ⅰ河流阶的形成不晚于25 ka BP;黄土具有马兰黄土(L1)→过渡黄土(Lt)→古土壤(S0)→全新世黄土(L0)→表土(TS)的地层序列,与渭河谷地的黄土地层序列完全可比;25~11.5 ka BP,冬季风强盛,气候冷干,从11.5 ka BP开始,冬季风逐渐减弱,气候开始向暖湿方向逐步转化,从8.5 ka BP开始,夏季风达到了末次冰期结束后的鼎盛时期,3.1 ka BP前后,东亚季风格局发生变化,夏季风减弱,重新进入一个相对干冷的时期,而人类活动对地表的影响形成了表土;汉江上游谷地黄土记录的末次冰期后季风逐渐加强、中全新世季风强盛、随后季风衰退和气候变干的夏季风演变模式与渭河谷地黄土的记录高度一致,与邻区石笋和泥炭记录的季风变化趋势也有良好的可比性,但与石笋/泥炭记录的夏季风强盛期的起始时间(9.3~4.2 ka BP)并不完全一致。     

年轻石笋平均沉积速率的确定——多方法探讨

石笋凭借其准确的年代学和对洞穴外界环境的敏感响应,已经成为第四纪研究的重要力量。亚洲季风区轨道-千年尺度石笋δ18O指示亚洲季风强弱的变化,但是在更短的时间尺度上,石笋δ18O则可能受到其他因素的影响,因此近现代、能与器测记录进行对比的石笋记录研究是衔接现代气候与古气候的关键环节。而这关键环节中的关键问题就是确定石笋的沉积年代。寻找一种适合于无生长纹层、低U含量石笋样品的年代方法对于解决石笋沉积年代有着重要的推动作用。本研究选择广西桂林茅茅头大岩一正在生长的年轻石笋。由于低U含量、高232 Th含量,U系-230 Th定年不成功。利用210Pb定年计算出平均沉积速率为1.96±0.23mm/a,但由于多层晶间孔隙的存在,计算结果偏小。由于石笋中14 C基本为核爆产生,AMS 14 C测试结果计算石笋平均沉积速率为2.10mm/a,但由于未测量到核爆前14 C数据,其值可能仍偏小。由于前人研究指出桂林地区石笋记录能记录夏季风降水,结合桂林多年降水数据,综合计算出该石笋平均沉积速率为2.44mm/a,生长时限为2009—1968年。平均沉积速率和沉积时代的确定,为后续的石笋现代气候研究,进而与古气候衔接提供了重要的研究基础。     

台湾头社盆地湖沼相沉积孢粉记录的6.2~1.3 cal ka BP以来气候研究

头社盆地位于中国台湾省中部,东亚季风区的最前沿,对东亚季风的响应十分敏感,研究其中晚全新世以来古植被、重建古气候序列,探讨其气候与东亚夏季风的关系具有重要的科学意义。文章对头社盆地泥炭—湖泊沉积的AMS14C测年、体积磁化率测试的基础上,基于孢粉记录,重建晚全新世来植被变化,恢复古气候。结果表明全新世中晚期以来分六个阶段：6.2~6.0 cal ka BP,气候凉干,植被类型是亚热带常绿阔叶林;6.0~4.0 cal ka BP,气候转暖湿,植被类型为含较多热带成分的亚热带常绿阔叶林;4.0~2.2 cal ka BP,气候相对凉干,植被类型转为亚热带常绿阔叶林;2.2~1.9 cal ka BP,气候又变暖湿;1.9~1.7 cal ka BP,气候快速冷干事件,森林退化;1.7~1.3 cal ka BP,气候重转温暖湿润,植被类型为接近现代的沼泽草原。整体上6.2~2.2 cal ka BP的气候变化是由温暖湿润向温凉干燥转变的趋势,这是全新世中晚期以来的太阳辐射量减少所导致的,太阳辐射量的减少导致热带辐合南移,进而导致东亚夏季风减弱,而2.2 cal ka BP之后气候波动较大,可能是在东亚夏季风减弱的背景下,ENSO活动加强与人类活动的干扰下耦合的结果。     

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。      

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。      

贵州荔波1200年来石笋高分辨率的古气候环境记录

通过笔者对荔波龙泉洞L2石笋进行高精度的ICP-MS-230Th测年和碳、氧同位素分析, 建立了荔波地区1200 a BP 来高分辨率的古气候变化的时间序列。研究结果表明, 荔波地区1200 a BP以来石笋记录的季风气候经历了1200~1100 a BP(暖)、1100~940 a BP (冷)、940~840 a BP(暖)、840~700 a BP(冷)、700~450 a BP(暖)、450~300 a BP(冷)、300~200 a BP(暖)以及200~70 a BP(冷)等8个阶段百年尺度的干湿、冷暖波动, 并在这些百年尺度的波动上又叠加了一系列数十年尺度的气候变化。石笋记录揭示了1200 a以来东亚季风气候的不稳定性, 呈百年尺度(Gleissberg)的周期性变化。这些气候变化事件, 与冰芯记录极为相似, 反映低纬度地区百年尺度石笋记录的季风气候变化与高纬度及北极地区的气候变化具有极好的相关性, 反映百年尺度石笋记录的季风降水主要受太阳辐射驱动、控制, 而东亚季风的降水事件(或干旱事件)与太阳的辐射强度密切相关。石笋记录的百年尺度季风降水事件对于认识现代气候系统变化以及对未来十年—百年尺度的气候预测和演化的驱动机制, 具有重要的科学意义。     

13ka以来东亚夏季风演变过程和全新世适宜期问题

基于湖北神农架三宝洞石笋SB43的21个230Th年龄和486个氧同位素数据,建立了13．0-0．2ka时段东亚夏季风强度演化序列,其长期演化趋势与33°N太阳辐射变化基本一致。通过对比三宝洞、董歌洞、阿曼Qunf洞及和尚洞石笋δ18O记录,发现东亚和印度季风强度在轨道尺度上呈同相位变化。石笋SB43、D4 δ18O值与Cariaco盆地Ti含量曲线整体变化一致,相关系数高达0．8,表明热带辐合带（ITCZ）的南北移动可能对亚洲中低纬季风强度起放大作用;全新世适宜期在亚洲季风区不存在显著穿时性,起止时间大体一致,约为10．2～5．7ka。早、中全新世季风强度与极地温度变化趋势一致,相关系数高达0．9,表明当时高纬冰量边界条件可能对亚洲季风强度变化（包括ITCZ的平均位置）具有贡献作用。     

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.      

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.     

贵州黔西县水西洞石笋记录的末次冰期Heinrich Stadial 4气候突变事件

末次冰期Heinrich Stadial 4气候突变事件(HS4事件)是发生于约40 ka B.P.(B.P.表示Before Present, Present为公元1950年)最为显著的一次海因里希冰阶事件,对其转型特征和精细结构的刻画有助于深入理解千年尺度气候突变事件的机制。本研究基于贵州黔西县水西洞SXG-3石笋的11个高精度²³⁰Th年龄和277个δ¹⁸O数据,重建了40.77～37.17 ka B.P.时段平均分辨率为13 a的亚洲夏季风强度演变序列。该石笋氧同位素记录清晰地捕捉到了HS4弱季风事件,呈现出三阶段变化的特征,即：第1阶段(39.97～39.13 ka B.P.),石笋δ¹⁸O在840±90 a内偏正1.32‰,夏季风缓慢减弱,对应于热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,简称ITCZ)的南移和格陵兰气候快速变冷;第2阶段(39.13～38.35 ka B.P.),石笋δ¹⁸O整体偏正,平均为-8.34‰,夏季风强度达到最弱,而南美季风达到最...     

桂林地区水南洞14～25万年石笋的碳氧同位素记录和古气候重建

通过对桂林水南洞石笋进行高精度的热电离质谱(TIMS－U)测年和碳氧同位素分析,建立了桂林地区245.20 ka BP至147.90 ka BP间的古气候变化时间序列,确定了石笋记录的时段B与时段C分界的年龄为242.5±6.4 ka BP(相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段7与时段8分界的年龄)、时段A与时段B分界的年龄为 192.6±3.9 ka BP(相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段6与时段7分界的年龄)。桂林地区245.20～147.90 ka BP石笋记录的冷暖事件所反映出的古气候变化,大致可分为3个气候变化阶段:(1) 245.2～242.6 ka BP, 相当于深海岩芯氧同位素标准曲线阶段8的末期;(2) 242.5～192.6 ka BP,相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段7;(3)192.6～147.9 ka BP间的倒数第2次冰期, 相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段6的早中期。石笋的TIMS－U测年和碳氧同位素记录揭示,桂林地区245.2～147.9 ka BP的古气候演变历史与深海岩芯时段8末期、时段7和时段6的氧同位素,深海岩芯中记录的孢子花粉组合、CaCO3含量、海平面的升降变化以及与中国北方黄土、古土壤中记录的孢子花粉组合、成壤程度、全铁富集程度、磁化率变化、原生碎屑CaCO3含量和淋溶强度等所揭示的古气候和古季风变化具有极好的对应关系,表明桂林地区中更新世晚期以来的古气候演变既有全球性特征,又有着强烈的区域性特征。