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.     

中全新世十～百年降水波动的江苏宜兴石笋δ18O记录

据江苏宜兴茗岭洞穴M L石笋的Th230测年结果、年层计数以及与树轮14 C残差曲线的对比,建立了该石笋记录的中全新世持续561年的氧同位素时间序列( 5. 13～ 5. 69kaB. P. )。分辨率达3～ 4年的氧同位素曲线与相应时段树轮14 C残差呈显著的正相关( r= 0.54) ,揭示了中全新世东亚季风降水百年尺度上受太阳辐射驱动。从石笋δ18O功率谱中识别出类似树轮14 C的28～25a、10a 等周期成分,表明该地区十年尺度季风降水也受太阳活动的影响。      

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.     

末次间冰期东亚季风气候不稳定的神农架洞穴石笋记录

基于神农架永兴洞石笋(YX21)4个230 Th年龄和303个δ18O测试数据,建立了东亚季风末次间冰期持续时间约2 ka(127.32±1.23～124.95±1.16 ka BP)的洞穴石笋高分辨率δ18O的时间序列。该洞穴末次间冰期δ18O变化曲线表现出高频振荡特征,表明东亚季风末次间冰期降水的不稳定性,并识别出该时段4个季风冷事件,这种冷事件可能与北大西洋冰漂碎屑事件有关。谱分析结果显示百年和十年际尺度的季风降水变化响应于太阳活动周期。     

小冰期气候的湖北石笋碳同位素记录

研究季风区小冰期的结构特征和区域响应有助于深入了解季风系统与地球内外驱动力的耦合关系。利用湖北神农架永兴洞YX275石笋的7个230Th年龄和120个碳同位素数据,建立了1 360~1 955 AD期间5年分辨率的石笋碳同位素序列。石笋δ13C与δ18O记录在长期趋势上有很好的对应关系,对小冰期气候响应明显,δ13C记录在大尺度季风环流影响下主要反映了局域湿度变化特征。δ13C序列在1 453~1 890 AD显著正偏,表明小冰期时湿度明显降低。此外,石笋δ13C与亚洲夏季温度、南方涛动指数和热带辐合带记录有较好的一致性,表明亚洲大陆夏季温度和太平洋水汽可能通过影响夏季风的强弱来调控湖北地区的湿度变化。在小冰期内部,δ13C记录在1 450~1 550 AD和1 790~1 830 AD出现进一步正偏,这些振荡分别对应于太阳活动的Sp?rer和Dalton极小期,暗示太阳活动减弱期对中国中部小冰期水文振荡的进一步调控作用。     

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.     

石笋氧碳同位素古气候代用指标研究进展

洞穴石笋以其独立的绝对年龄和稳定的古气候代用指标而成为很好的陆地古气候研究材料。应用U 系定年,可以获得独立精确的日历年时间序列,结合年纹层统计,可以获得年际甚至是季节性变化古气候记录。作为古气候代用指标,石笋氧同位素具有全球可对比性,现已建立了氧同位素的全球气候变化曲线,显示了比深海氧同位素及极地冰芯氧同位素记录更多的优势。石笋δ18O 的影响因素很多,在东亚季风控制区和其它季风控制区,石笋的δ18O 反映了夏季风的强度或者是季风降雨的变化。这些全球可对比的具有高精度绝对定年的石笋δ18O 记录,突破了早期的单一温度控制机理,不仅为古气候学家提供了坚实的古气候变化时间序列,而且使古气候研究能从机理上探讨其变化规律。δ13C不如δ18O 具有全球可对比性,在同位素平衡的开放体系,石笋δ13C 主要反映了洞穴上覆土壤CO2 的同位素特征。因此,一般认为石笋δ13C可直接反映当地植被的特征,包括植被类型C3/C4 比率的变化及植被的茂盛与衰退,在一些地区也可作为大气降水和温度变化的指标。石笋δ13C 很易受到蒸发作用、滴水的快速去气、动力分馏、碳酸盐的先期沉积等影响而使得其数值偏正,应该予以重视。通过介绍石笋氧碳同位素的研究现状,使得读者对石笋的稳定同位素指标有一个初步认识。同时,对今后的研究方向给与一定的探讨。     

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。     

南岭东部水源洞过去700年石笋氧同位素变化与气候意义

亚洲季风区内石笋氧同位素组成(δ18O)的气候环境意义解读近年来在国内外引起了广泛争议。通过比较近期石笋δ18O记录与历史文献记载的气候变化信息,可以为解决这一问题提供一些参考信息。本文高分辨率重建了南岭东部石笋δ18O记录。该记录变化趋势与历史文献记载的我国南方地区小冰期以来旱涝灾害频率变化趋势基本一致,说明该石笋δ18O记录变化可能与夏季风强度和季风降水变化密切相关。根据该记录,对南岭东部地区最近700年以来的夏季风变化特征进行了分析。     

石笋记录的百年尺度水文、土壤过程及其与太阳活动的关系

基于黔西南雾露洞高分辨率石笋同位素记录,重建了62.0～58.2 ka BP和20.9～15.5 ka BP期间亚洲夏季风水文历史和洞穴岩溶环境变化过程。两支石笋(Wu58和Wu60)实测16个~(230)Th年龄和966组氧、碳同位素数据。结果显示,深海氧同位素3阶段(MIS 3)早期和2阶段(MIS 2)期间,千年尺度δ~(18)O变化非常显著,而δ~(13)C则在稳定的背景值下,呈百年尺度波动。去趋势发现,δ~(18)O指示的百年尺度弱季风事件与δ~(13)C指示的土壤CO_2产率衰减过程变化一致。两组同位素变化呈相似的百年尺度波动,共同周期约300 a,说明本区域土壤CO_2产率变化与百年尺度亚洲夏季风变化密切相关。在变化幅度上,δ~(13)C的振幅远大于δ~(18)O(约1.5～3.5倍),表明碳同位素变化对于气候响应具有放大效应,或者δ~(13)C与δ~(18)O变化具有不同的地球化学行为。通过与大气~(14)C、冰芯~(10)Be记录对比,发现百年尺度季风强弱及岩溶过程变化与太阳活动指标具有相似性,说明太阳活动对百年尺度季风强弱和土壤CO_2产率起到主控作用。可能的途径是,太阳活动通过海-陆热力差,影响夏季风强度和当地土壤湿度水平,并经生态效应进一步放大。然而,在百年尺度上,δ~(18)O振幅仅为0.4‰,远小于千年尺度变化(1.5‰)。因此,千年尺度亚洲夏季风突变的诱发因子可能不直接受控于太阳活动,需要其他驱动因素或者气候系统内部放大机制来解释。     

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.     

桂林地区大气降水（大雨、暴雨）的δ18O特征与水汽来源的关系

现代大气降水中的稳定同位素组成是全球或地区性水循环研究的重要载体,同时也是冰芯、湖泊沉积物、石笋等研究领域中,运用稳定同位素来重建古气候的重要依据。本文研究了桂林地区2012年大气降水氢氧同位素组成的逐日变化,根据得到的132组氢氧稳定同位素组成建立了桂林局地大气降水线方程为δD = 8.8δ18O +17.96,大气降水的δ18O波动范围在-13.56‰～+1.07‰,平均为-5.78‰;δD在-101.52‰～+16.02‰,δD平均为-41.03‰。利用降水稳定同位素资料,结合后向轨迹法( Backwards Trajectory) 对桂林水汽来源进行追踪,发现夏季(5-10月)大气降水的水汽来源主要受来自孟加拉湾、南海海洋气团的水汽源的控制,降水的δ18O值偏负,平均为-8.02‰(共64组);冬季(11月至次年4月)大气降水的水汽来源主要受来自西太平洋暖湿气团、冬季风冷气团或西风环流所携带的大陆性气团的影响,不同程度地叠加了局地环流气团、蒸发水汽的补给的影响,降水的δ18O值偏正,平均为-2.86‰(共68组)。研究结果表明,桂林大气降水的稳定同位素组成与降水的水汽来源、季风类型、降水云团来源和性质有关,来自远距离输送夏季风海洋性水汽团形成的降水δ18O值较低(或偏负), 而大陆性气团或局地蒸发水汽循环形成的降水δ18O值较高（或偏正）。不同的水汽来源是决定降水中δ18O值变化的主要因素,因此,通过降水中的δ18O值,特别是其季节变化的特征分析,可以反过来揭示当地降水的水汽来源。      

青藏高原东北部黄土次生碳酸盐氧同位素的古气候意义

黄土中含有较为丰富的碳酸盐,其中次生碳酸盐记录了成壤时期的气候和环境,可以用来重建古气候.测试了末次盛冰期和全新世早期青藏高原东北部乐都、中国东北和新疆巴音布鲁克黄土中次生碳酸盐的δ18O值,结果显示高原东北部这两个时期的δ18O值分别为-1.38‰和-5.58‰,比该地区现代季风气候条件下次生碳酸盐δ18O理论值分别高5.74‰和1.54‰.温度的差异不足以导致次生碳酸盐δ18O值如此幅度的变化.同时,末次盛冰期和全新世早期乐都地区黄土中次生碳酸盐的δ18O值比同时期黄土高原和东北地区等东亚季风区明显偏正约2.0‰~6.2‰,但其与新疆等西风区次生碳酸盐的δ18O相近.这些不同时期黄土中次生碳酸盐的δ18O值的分布特征及空间差异,可能反映东亚夏季风夹带的水汽可能不是青藏高原东北部末次盛冰期和全新世早期降水最重要的来源,而西风降水和（或）局部水汽蒸发循环对该地区的降水可能有重要贡献.青藏高原东北部黄土次生碳酸盐的δ18O值从末次盛冰期到全新世早期逐渐降低,这可能是由于气候由干冷向暖湿转变、有效湿度增加而导致的.有限的数据表明不同气候带（青藏高原东北部、东亚季风区和西风带）的黄土中次生碳酸盐氧同位素存在明显差异,它所代表的气候意义值得进一步的深入研究.      

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。     

基于石笋记录的小冰期与“8.2 ka BP”事件的对比研究

全新世气候突变事件是全球变化研究的热点,但对其行为特征与动力学机制的认识仍存在不足。本文选取贵州董哥洞2支高分辨率、高精度定年的石笋（DX1和DA）δ18O记录,分析小冰期和“8.2 ka BP”事件期间亚洲夏季风强度变化的结构特征与其驱动机制。通过两个突变事件的精细对比,发现两者在持续时间、振荡幅度和转型特征等方面均有很好的相似性,尤其是均显示出“两谷一峰”的结构性特征。北高纬地区淡水注入导致大西洋经向翻转流（AMOC）的减弱可能是触发“8.2 ka BP”事件的重要驱动力,这暗示具有相似结构特征的小冰期弱季风事件可能也响应于AMOC机制。将小冰期时期石笋δ18O记录与指示AMOC变化的北大西洋放射性碳数据进行对比,发现两者具有相似的变化过程,这表明在早晚全新世不同气候背景条件下,AMOC仍能够通过影响南北半球温度梯度的变化而影响低纬热带辐合带位置的移动,进而调控千-百年尺度低纬季风区水文循环的时空变化。      

季风与西风对青藏高原全新世气候变化的影响:同位素证据

青藏高原气候变化在冰期-间冰期、千年、十年际和季节尺度上受亚洲季风和西风环流的交互影响,表现出显著的区域性特征。然而全新世以来青藏高原气候变化的机制还不甚清楚,主要原因之一是缺少指示意义明确的古气候代用指标。课题组近年来利用叶蜡氢同位素(δDwax)重建了高原东北部的青海湖、中北部的令戈错、中部的达则错、西部的班公错和阿翁错不同时间尺度的大气降水同位素记录,本文对上述工作进行总结,并结合青藏高原全新世以来已发表的其他地点的同位素和古水文记录,揭示全新世以来季风与西风对青藏高原不同区域气候变化的影响。结果表明:1)早全新世青海湖、令戈错、班公错和阿翁错4个湖泊均主要受夏季风影响,夏季风可以影响到青藏高原的大部分地区,此时夏季风在青藏高原的最北界限可能位于青海湖以北、克鲁克湖以南。2)中全新世青海湖、班公错和阿翁错受夏季风影响逐渐减弱;然而令戈错在7.0~4.5 ka水汽主要来源于西风环流。3)晚全新世青海湖和班公错受季风的影响进一步减弱;西风在3.5~1.7 ka和2.0~1.0 ka分别影响到高原中部的令戈错和达则错;晚全新世阿翁错受冰川融水补给影响降水同位素异常偏负。4)本研究表明在中晚全新世季风较弱的时期,西风能够深入到青藏高原内部地区,给高原内部地区带来冷湿的水汽。     

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。      

羊卓雍错流域降水中稳定氧同位素变化特征

根据青藏高原南部羊卓雍错流域白地、翁果和堆乡3个水文站2004年1~10月降水中δ¹⁸O的测定结果,分析了该流域降水中δ¹⁸O的变化特征及其与温度和降水量之间的关系.结果表明:3个站点降水中δ¹⁸O的值在雨季前变化不大,且都保持相对高值;进入雨季后都开始下降,雨季结束后又均开始增大.该流域夏季降水中δ¹⁸O表现出低值的特征与夏季西南季风的强烈活动密切相关.受西南季风影响,3个站点夏季降水均表现出季风降水的特征,降水中δ¹⁸O与降水时温度关系不明显,而与降水量之间存在着一定的反向变化趋势,从而表现出一定的“降水量效应”.羊卓雍错流域降水中δ¹⁸O的这种变化特征与拉萨的基本一致.     

Stable Isotope in Precipitation in the Southern Tibetan Plateau Revealing Strong Signal of Monsoon Precipitation

STABLE ISOTOPE IN PRECIPITATION IN THE SOUTHERN TIBETAN PLATEAU REVEALING STRONG SIGNAL OF MONSOON PRECIPITATION     

青藏高原中部降水稳定同位素变化与季风活动

根据1998年夏季中日GAME／Tibet项目在青藏高原中部进行的降水中稳定同位素研究结果以及相关的气象观测资料，分析了青藏高原中部夏季降水中δ^18O的变化规律。研究结果发现，青藏高原中部夏季降水中δ^18O的波动与大规模天气活动有关，而不是地方性的气象条件。该地区降水中δ^18O对水汽来源的变化以及水汽的输送过程十分敏感。夏季伴随西南季风进入高原南部的水汽形成的降水中δ^18O较低，而且季风活动越强，降水中δ^18O也越来低。从青藏高原北部而来的水汽或地方蒸发水汽形成的降水，其δ^18O值较高。