基于石笋记录的云贵高原古气候变化研究进展

重建古气候、古环境已成为当今全球变化研究的热点.石笋作为岩溶洞穴次生化学沉积物的典型代表,是古气候研究的重要载体.基于近年来已报道的贵州荔波、茂兰、都匀凯口及云南寻甸、宣威、宁蒗等地11个洞穴30余根石笋的氧同位素数据的综合分析,认识云贵高原163 kaBP以来的古气候变化情况.结果表明,163kaBP以来,青藏高原隆升对全球气候格局的改变及季风系统的形成起到重大影响,在此大背景下,云贵高原气候演变体现了全球一致性,也呈现出其自身规律：（1）倒数第2次冰期的冰盛期（163.3～ 129.28 kaBP）,气候严寒干冷,期间伴随温凉向冷干的转变;（2）末次间冰期（129.28～78.92 kaBP）,气候温暖湿润,但期间冷暖波动变化幅度很大;（3）末次冰期（78.92～11.2 kaBP）,气候极不稳定,冷暖波动很大,总体呈现降雨由多变少,气温由高变低的变化趋势;（4）全新世（11.2 kaBP至今）,气候温暖,雨量充沛,气候呈现变暖—高温—稍变冷—恢复的变化趋势.云贵高原作为一个特殊区域,即东亚季风与印度季风的过渡带,对研究中国甚至于全球季风系统的演变发展有着重要意义.通过多指标多手段,提高研究区研究精度,拟建古气候变化曲线,应对全球变暖的区域性实证研究及未来气候模拟预测将是今后努力的方向.     

最近500年来福建玉华洞石笋氧同位素记录及气候意义

基于福建将乐玉华洞一支石笋(YH1)4个230Th年龄和370个氧同位素数据,并利用具有年层时标的湖北清江和尚洞石笋氧同位素记录的校正,重建了AD 1530以来1~3 a分辨率的石笋氧同位素序列。与当地现代器测气象资料对比发现,最近60 a来玉华洞石笋δ18O与当地夏半年降水量相关性最为显著(R=-0.35,n=55),而受温度的影响较弱,玉华洞石笋氧同位素较好的指示了当地夏半年降水量变化的信息。最近100 a来,福建玉华洞石笋的氧同位素组成具有逐渐变重的趋势,与其他地区高分辨率石笋δ18O具有相同的变化趋势,而且也与季风指数指示的季风减弱趋势相一致,进一步证实季风区石笋δ18O反映了东亚季风大尺度环流特征;在小冰期中后期(AD 1530~1850),玉华洞石笋δ18O在平均值-5.9‰高频振荡,存在一系列的数十年际尺度的季风增强和减弱事件,与亚洲—太平洋涛动(Asian Pacific Oscillation,APO)指数密切相关,说明玉华洞石笋δ18O所指示的降水信息受APO变化的影响。     

江苏兴化DS浅孔沉积物地球化学元素与粒度所揭示的古环境意义

选择位于东亚季风典型区的苏北盆地沉降中心附近湖沼沉积为研究对象,进行了AMS¹⁴C、粒度、地球化学元素的综合分析。分析表明,末次冰消期以来苏北盆地古气候经历了冷干、暖湿、温湿、冷暖波动剧烈、暖湿的变化过程。苏北盆地DS钻孔沉积物所揭示的气候变化与贵州董歌洞石笋氧同位素数据和格陵兰冰芯数据所揭示的气候变化总体变化趋势大体一致,但在一些细部上还是存在着差异,较好的响应了区域环境和全球气候变化。     

九江市蓼花剖面末次冰期中晚期沉积的粒度端元特征与气候变化

鄱阳湖湖滨地区广泛分布着晚第四纪风沙沉积序列。在星子县沙岭沙山进行野外调查后选择蓼花剖面开展工作,测试了地质时代和粒度,对粒度结果使用端元分析模型进行研究,探讨该区域末次冰期中晚期的气候变化规律。结果显示：该剖面由湖相-古土壤-沙丘砂等沉积相叠覆堆积组成,形成于末次冰期中晚期（48.8—17.1 ka）。端元分析模型将粒度数据分解出3个不同的粒度端元,不同端元组分在垂向上呈峰谷交替的旋回变化,EM1代表粉砂端元组分,峰值对应湖相和古土壤发育时期;EM2和EM3代表中砂—粗砂端元组分,峰值对应沙丘砂发育期,这些峰谷交替变化的规律指示了末次冰期的季风演变以及气候波动变化,万年尺度上表现为LH10 (48.8—39.9 ka)和LH3～LH5 (28.1—17.1 ka)的冬季风强盛期,分别对应深海氧同位素的MIS3b和MIS2阶段。LH6～LH9 (39.9—28.1 ka)为温暖的夏季风时期,对应深海氧同位素的MIS3a阶段。这些变化与YZ洞石笋氧同位素以及格陵兰冰心有良好的对应,与全球气候变化基本一致。     

辽宁本溪庙洞石笋氧同位素记录的距今4—3千年东亚夏季风演化历史

距今4—3千年正值中华文明确立和发展的重要时期,这个时段的气候变化资料有利于深入理解环境与人类文明发展的相互关系。本研究利用辽宁本溪庙洞石笋MD11,通过~(230)Th定年和高分辨率氧同位素分析,重建了4.09—2.84 ka BP东北地区南部夏季风降水变化历史。4.09—3.85 ka BP时段,东亚夏季风较为稳定,期间在约3.95 ka BP前后出现短暂的夏季风小幅度减弱,与亚洲季风区石笋记录类似,推测4.2 ka事件应早于4.1 ka BP,支持早前南方石笋记录的结论;3.85—2.84 ka BP时段,庙洞石笋沉积速率显著降低,氧同位素整体偏正,说明这段时间内东亚季风总体偏弱,辽宁东部地区夏季风降水偏少,期间只在3.05 ka BP先后出现持续时间约为数十年的夏季风增强过程。     

广西北部山地沼泽20 ka以来的 碳同位素组成与气候变化

根据广西北部山地泥炭沼泽沉积的有机碳同位素组成、TOC和C/N等古气候指标对末次盛冰期以来该区植被与气候演变过程进行研究,结果发现：末次盛冰期（21―14 cal. ka B.P.）偏正的δ13Corg数据反映了山地植被面貌曾发生显著变化,指示冰期气候的冷干变化,但并未导致山地森林向地带性草地退化,C3植物仍占优势。沉积物岩性和TOC等数据表明：在14―10 cal. ka B.P.期间沼泽湿地逐渐形成,指示了东亚夏季风降雨的增强,与石笋指示的季风增强起始年代基本一致。冰消期碳同位素曲线负偏的变化要早于TOC指示的泥炭沼泽堆积,即10―9 cal. ka B.P.前后富有机质的泥炭堆积进入旺盛期。碳同位素组成在9―8 cal. ka B.P.存在一个正偏的变化波动,可能与8.2 ka降温事件或局地物源输入变化有关。7.0―2.8 cal. ka B.P.期间古田湿地的有机质输入较高,碳同位素偏负,指示气候暖湿。从1.7 cal. ka B.P.至今,δ13Corg值的再次正偏可能指示夏季风强度减弱,但考虑到该阶段为人类农业活动快速发展期,因此不排除人为因素的影响。此外,末次盛冰期广西山地与雷州半岛沿海低地的碳同位素值对比发现：沿海平原区与华南山地的沉积记录存在明显差别,其主要原因是山区因山地降雨效应使山区的湿度即便在盛冰期也能保持较高水平;而低地平原冰期阶段的降雨则显著减少,加上平原区较高的蒸发量使干旱程度增加,C4草本也相应增多。实际上,影响亚热带山地沼泽δ13Corg值变化的原因比较复杂,在利用δ13Corg值推论古气候时需要同时考虑气候因素和湿地沉积体的物源及其地貌环境等背景。     

文石方解石化对文石石笋δ18O记录的影响

近年来,文石石笋成为古气候研究的新材料,但文石的方解石化对文石石笋氧同位素的影响问题仍未很好地解决。选取湖南湘西莲花洞方解石化文石石笋LH5为研究对象,基于18个TIMS-U系年龄和311个δ18O,探讨了方解石化对文石石笋古气候记录的影响。结果表明：1）文石的方解石化会引起文石矿物中所赋存的铀元素流失,造成铀系年龄的倒转,但LH5石笋中下部铀系衰变体系的开放程度较低（＜10%）,在剔除异常年龄后,仍可构建时间标尺。2）通过末次冰消期气候事件的对比发现：文石的方解石化会导致δ18O的异常波动,末次冰消期其他中国南方石笋记录的气候事件,如B?lling-Aller?d和新仙女木事件等在LH5石笋中都难以确认。而在LH5石笋的中上部文石层段,δ18O波动却能够很好地记录气候的变化。3）洞穴滴水的淋滤被认为是文石方解石化的主要原因之一。但对于LH5石笋而言,洞穴滴水的溅蚀作用可能在文石向方解石转变过程中起到了重要作用。由于在石笋的不同部位受到溅蚀淋滤的强度不同,以及石笋结构的非均一性等原因,导致文石的方解石化不均匀,这也最终造成LH5石笋文石-方解石层段δ18O的非线性变化,失去记录气候变化的能力。     

洞穴石笋δ^18O与δ^13C气候意义研究

利用洞穴次生化学沉积物进行古环境重建是第四纪全球变化研究的一个热点,而碳氧稳定同位素是最重要的气候替代性指标.不少研究者利用洞穴次生沉积物如石笋中碳氧稳定同位素的记录已恢复了部分地区不同时间尺度古气候.同时,研究人员也面临着合理解释一系列机理性问题的挑战,如氧稳定同位素气候意义的多解性、碳氧稳定同位素在定量重建古气候方面存在一定程度失真现象等诸多问题.文中全面论述碳氧稳定同位素在古气候重建中定性与定量研究上存在的局限性,并在此基础上指出:要分别探究石笋中δ18O与δ13C各种来源进入洞穴石笋的地球物理化学全过程及其控制机制;研究现代大气降水同位素组成的各种效应在不同时空的组合规律;尽快建立更为科学的大陆矿物-水地质温标.     

神农架石笋记录的近200年东亚季风变化及其ENSO响应

通过湖北省神农架永兴洞石笋(编号:YX92)230Th年龄和纹层计数年代学研究,建立了1788AD-1956AD时段年际分辨率石笋氧同位素序列。该序列δ18O值变化范围为-9.70‰~-7.87‰,最大振幅约达1.83‰,呈现显著的年代际尺度振荡旋回特征。功率谱分析结果揭示存在显著的60~70年准周期信号。该记录与同区域和尚洞石笋δ18O曲线具有很好的重现性,说明其可能受控于共同的气候因子,指示了东亚夏季风大尺度环流特征。将石笋重建的东亚夏季风指标与全印度夏季降水量指示的印度夏季风指数对比,结果显示两者在年代际旋回特征上具有很好的相似性,但是呈反相位关系。进一步与ENSO指数对比,发现东亚夏季风年代际尺度变化与ENSO存在密切联系,表现为东亚夏季风增强,对应于ENSO暖期,反之亦然。因此,东亚季风与印度季风在年代际尺度上的反相位关系可能源于两者对ENSO机制的不同响应。     

16 ka以来黄土高原东亚夏季风变化的环境磁学记录

末次冰消期以来的气候变化是第四纪古气候研究的重要内容。本文对黄土高原西部和平镇剖面16 ka以来的黄土沉积序列（厚度为3.5 m）进行了高分辨率环境磁学研究。结果表明：该黄土序列的磁性颗粒主要由细颗粒磁铁矿主导。其磁化率和频率磁化率具有相同的变化特征,与黄土高原中部和东部的黄土磁化率变化机制一致,即黄土高原西部和平镇黄土的磁化率和频率磁化率仍然受成土作用形成的细颗粒磁铁矿控制,因此其磁化率和频率磁化率仍然可以反映季风降雨的变化特征,并且其反映的16 ka以来季风降雨变化与南方石笋氧同位素记录的季风变化特征一致。通过详细的海陆综合对比,本文认为16 ka至11 ka间东亚季风降雨的变化受到北半球太阳辐射和北半球区域温度的共同影响,而11 ka之后的夏季风降雨减少主要受太阳辐射降低的影响。     

南京年纹层石笋δ18O记录的冰期气候事件特征

根据南京葫芦洞一支石笋高精度²³⁰Th年龄及纹层计数建立24~21 ka B.P.时段平均分辨率3年的δ¹⁸O季风降水序列,精确标定了IS2事件的发生时间。通过与极地冰芯记录对比,发现G ISP2与石笋时标一致,而GR IP和NGR IP时标在相当事件上偏年轻800~2000年。结合洞内另一支不同时段的石笋年纹层记录,证实东亚季风降水与极地气候在反映气候事件特征上有所不同,季风气候在由干向湿的转型期(包括H2、H1)呈现阶梯式增长特征,其持续时间均超过600年,有可能说明除北大西洋温盐环流外,低纬太平洋海-气耦合也是东亚季风气候的重要触发源。     

距今30万年来西藏中部地区环境变化与西南季风变迁

通过对西藏中部黄土/古土壤/风成砂地层沉积相、年代以及夏季风强度替代指标磁化率等的综合研究,并与印度洋RC27-61孔的沉积速率、粒径和W¹⁸O记录以及黄土高原洛川剖面磁化率的对比,提出西藏中部在距今30万a以来经历了数次夏季风盛衰时期,与此相应,区域环境出现了数次暖湿与冷干变化,它们与全球冰期/间冰期气候变化相对应。     

中全新世7～6ka东亚季风气候的高分辨率石笋记录

基于神农架青天洞石笋两个²³⁰Th年龄、582条纹层计数和183个氧同位素数据,重建了7～6ka B.P.期间平均3年分辨率的δ¹⁸O变化序列。持续约580年振幅达1.8‰的δ¹⁸O在平均值-9.66‰上下波动,指示了东亚季风降水强度的长期演化趋势和高频振荡信息,大致划分为4个百年尺度旋回。青天洞与阿曼石笋δ¹⁸O记录的对比表明,东亚季风和印度季风在百年或更短时间尺度上同相位变化,可能反映了两地季风气候受统一的印度洋/太平洋大尺度水汽循环控制。功率谱分析揭示出163、81、16和11年的周期,大致与树轮Δ¹⁴C百年至数十年尺度太阳活动变化周期相同。     

南京葫芦洞石笋生长速率及其气候意义讨论

一支连续发育4?000年纹层的末次盛冰期葫芦洞石笋的年际生长速率与高分辨率δ¹⁸O曲线对比分析表明,年际生长速率在不同时间尺度上对年均温和地表有效湿度的变化有着复杂的响应关系。对该洞内持续发育3~4万年的两支单体石笋实测了33个²³⁰Th年龄,其生长曲线显示MIS 2比MIS 3阶段平均生长速率增大了40%以上。以5000年为步长的同一洞穴17支石笋生长频率支持平均生长速率的研究结果,说明在轨道尺度上较大的石笋生长速率并不完全指示较暖湿的气候条件。作者认为,年际尺度的连续生长速率是决定石笋平均生长速率的关键因素。盛冰期条件下本区洞穴内外的温差效应导致了24~14ka B.P.年际尺度的石笋连续生长。     

河北坝上地区湖泊沉积物记录的中全新世干旱气候

根据位于典型草原带的河北坝上地区白诺尔及毗邻的内蒙古乌兰诺尔湖泊沉积物的K、Na、Ca、Mg等化学元素组成、总有机碳(TOC)与氧同位素(δ¹⁸O)的分析,以(K+Na+Ca+Mg)/(Fe+Mn)值指示干旱度,1δ8O值指示夏季风的强弱,TOC值指示湖区植被状况,探讨了该地区¹⁴C测年9.8~5.3 ka B.P.以来的气候变化与环境变迁。结果表明:两个剖面所记录的气候变化趋势相近,¹⁴C测年7.0~5.7 ka B.P.为偏干期。反映夏季风强弱的氧同位素指标与干旱程度的变化没有明显的对应关系,说明夏季风引起的降水量变化不是气候干湿变化的主要影响因子,温度升高导致的蒸发加强可能对气候干旱化的影响更加明显。     

中晚全新世湘西莲花洞石笋灰度变化特征 及其古气候意义

以湖南湘西莲花洞LH2石笋为研究对象,在高精度铀系定年的基础上,构建了湘西地区中晚全新世文石石笋灰度序列。中晚全新世,LH2石笋灰度值与δ18O值呈负相关同步变化,与旋回沉积速率呈正相关关系。LH2石笋的剖面灰度与文石的结晶形态有关,受降雨量和温度的控制。LH2石笋灰度显示,中晚全新世（8.6—0.03 ka B.P.）湘西地区气候变化可以划分为3个阶段：8.6—5.7 ka B.P.期间,夏季风强盛,气候暖湿,灰度值整体偏高;5.7—2.8 ka B.P.期间,灰度值逐渐降低,指示夏季风持续减弱,气候从暖湿向冷干过渡;2.8—0.03 ka B.P.期间,灰度值整体偏低,且存在较大幅度的波动,表明该时段气候整体偏冷干,但其间存在明显的温湿波动。在轨道尺度上,LH2石笋灰度值主要受北半球夏季太阳辐射量和热带辐合带（ITCZ）位置的控制。在百年尺度上LH2石笋灰度值的突变可能与北大西洋冰筏事件存在关联;年代际尺度上,LH2石笋灰度的变化受太阳活动和太平洋年代际涛动（PDO）的调控。在年际尺度上LH2石笋灰度的波动可能受厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）活动驱动。     

黄土高原东缘晚全新世高精度高分辨率石笋古环境记录

基于山西武乡太行龙洞一支石笋5个230Th年龄和190个氧同位素数据重建4 400~150 a B.P.高分辨率δ18O序列。石笋δ18O值逐渐增加,除最近约600 a外,在千年尺度长期趋势变化上与中国南部其它洞穴记录相一致,表明晚全新世亚洲夏季风强度持续减弱响应于同一驱动机制。一次显著的气候突变事件发生在2 550~2 000 aB.P.,与史料记载的干旱期大致相对应。功率谱分析揭示出106 a周期,与树轮Δ14C太阳活动周期大体一致,说明百年尺度上太阳活动与东亚季风变化有一定关联性。     

2592~1225aB.P.湖北神农架石笋氧同位素记录及区域气候意义

选择处于典型季风区中国内部湖北神农架地区青天洞一支具有连续清晰年纹层发育的石笋样品(QT6),通过精确的年纹层计数,结合高精度²³⁰Th年龄,建立2 592~1 225 a B.P.期间长达1 367 a的石笋δ¹⁸O时间序列。石笋δ¹⁸O记录的17个持续时间在80 a左右的峰谷旋回,与格陵兰冰芯δ¹⁸O记录具有非常好的一一对应关系,说明在年代际尺度上石笋δ¹⁸O同样能反映区域性气候变化,可能的机制是北高纬温度的变化通过大气传输影响热带辐合带(ITCZ)的迁移,从而影响东亚季风的强弱变化。