石笋δ18O揭示的亚洲夏季风变化及机制综述

亚洲夏季风（ASM,Asian Summer Monsoon）是全球气候系统的重要组成部分,也是目前地球系统科学的热点问题。亚洲石笋δ18O揭示的亚洲古季风变化,加深了我们对其时空演化机制的理解。然而,目前东亚夏季风区和印度夏季风区石笋δ18O记录在不同时间尺度上的相互关系和主控因素仍存在一些争议。针对这一问题,本文综述了东亚夏季风（EASM,East Asian Summer Monsoon）区和印度夏季风（ISM,Indian Summer Monsoon）区的高分辨率石笋δ18O记录,发现两者在轨道尺度上都受控于岁差驱动的北半球夏季日照量的变化,其机制涉及海陆热力差异强度、辐合强度和上升气流强度以及夏季时长的变化。这些机制共同导致了在北半球夏季日照高值期EASM和ISM区夏季降雨量增加以及降雨和石笋的δ18O值负偏。在千年尺度上,EASM区和ISM区的石笋δ18O记录则响应于北大西洋区的气候变化,具体响应机制主要有热带辐合带南移导致的印度洋水汽分馏减弱（主要影响ISM区和EASM区）,以及西风带调节的水汽来源和降雨季节性变化（主要影响EASM区）。在百年及以下尺度,EASM区和ISM区石笋δ18O记录都受到与厄尔尼诺-南方涛动有关的大尺度大气环流影响。未来在关键区域构建更多高分辨率的石笋δ18O记录及相关的降雨指标,将有助于理解大气环流变化与东亚夏季风区降雨的关系。     

贵州白骨洞石笋记录的全新世季风气候演化与突变

通过对贵州白骨洞BG1石笋13个230Th年龄的测试和390个氧同位素数据的分析,建立了12.8~3.3kaBP数十年尺度的亚洲季风降水序列,其长期演化趋势与北纬33°夏季日辐射能量曲线基本一致。石笋δ18O记录指示10.5~5.8 kaBP为本区气候湿润期,此后进入季风降水衰退期。在12.8~10.1 kaBP时段,平均分辨率为37 a的石笋降水记录与格陵兰冰心气温记录具有良好对应关系:(1)两者在新仙女木事件(YD)的变化细节及突变特征上表现出良好的一致性;(2)由YD事件向全新世转换的过程中两者都表现为3个阶梯式上升阶段,这种一致性有可能说明热带海气耦合驱动了北半球气候突变事件。在7.0~3.3 kaBP时段,平均分辨率为15 a的石笋δ18O序列记录了5次较为显著的降水减少期,可分别对应于冰心记录中的5个冷事件,高低纬气候的相似性可部分归因于太阳活动的影响。     

青藏高原东部兴措湖壳体同位素记录的气候环境信息

通过对青藏高原东部兴措湖Gyraulus sibirica壳体同位素的分析，并将其与器测气象资料进行相关研究，建立了兴措湖同位素记录与对应的降水和气温间的函数关系。结果表明，青藏高原东部兴措湖地区腹足类生物在夏半年形成壳体，它所记录的是夏半年而不是全年的气候环境信息；Gyraulus sibirica壳体δ^16O指标与夏半年温度滑动平均为明显的正相关关系，相关系数为0．89，平均变率为1．64‰／℃，均值比为0．28‰／℃；δ^13C指标与夏半年的水量呈正相关关系，相关系数0．71，平均变率为0．027‰／mm。     

河蚬分布的气候环境及壳体稳定同位素

根据实地考察和对现有资料的统计与分析,揭示中国大陆河蚬现生种主要分布在中国东南部年降水量大于800 mm(800~1400 mm)、1月平均气温大于0℃(0.5~4.5℃)、温暖湿润的淡水—微咸水河湖环境之中。河蚬壳体在生长过程中记录了气候环境和水体性质的信息。利用碳酸盐自动装置与Finnigan MAT-253型质谱仪联机对河蚬壳体δ18O和δ13C的值进行了系统测试,通过对比分析发现,壳体生长过程中由于生理效应和生态习性差异造成全壳的δ18O值变化较小,江苏一帆河、古黄河、江西绵江和云南滇池4个采样区(点)之间变化仅为1.4‰;河蚬壳体不同部位δ18O值记录了生长过程中的季节性温度变化;随纬度增高壳体δ13C值富集轻同位素组成,有变负的趋势;雨热同期气候环境下的一帆河、古黄河地区现代河蚬壳体碳氧同位素值在个体生长过程中变化位相非常相似,反映了壳体碳氧同位素值对气候环境的响应。     

盛冰期数十年尺度东亚季风变化的洞穴石笋记录

据湖北青天洞和南京葫芦洞石笋9个230Th年龄和430个δ18O测试数据,建立了18.4～14.4 kaBP平均分辨率7～8 a的东亚季风时间序列.在共同生长时段(17.5～16和18.4～17.5 kaBP),两个洞穴石笋给出了数十年尺度几乎完全一致的δ18O信号,证明了石笋δ18O记录可靠地反映了大尺度区域性季风环流及其水气同位素分馏变化.17.7和16.1 kaBP左右,石笋δ18O值明显正偏,振幅达2‰,指示两次显著的弱夏季风事件,与北大西洋冰漂碎屑事件H1b和H1a同步发生,可视为东亚季风气候系统对北大西洋H1事件的一种响应,18.3～17.7 kaBP期间,东亚季风区存在强季风降水事件,平均强度相当于Bφlling暖期的1/2,最湿润时甚至接近于Bφlling暖期降水强度,可能与北大西洋经向翻转环流的强度变化有关,这一强降水事件内部干湿旋回变化周期与Gleissberg太阳活动周期极为吻合.     

氧同位素古高程计研究新进展

通过解读大气降水的氧同位素组成和现代温度与海拔之间的关系,可以揭示山脉水系及湖相碳酸盐沉积中的稳定氧同位素与海拔高度存在一定的经验关系。氧同位素古高程计对理解山脉演化提供了关键的高度信息。这种方法可用于定量估算山脉古海拔,为反演山脉隆升历史提供了新的研究思路。总结了前人对青藏高原隆升高度的估计,并对比其他方法与此方法的差异,发现此方法在具体应用方面还存在一定的局限性。由于受采样点选取、曲线拟合模式等多方面因素的制约,在应用过程中应给予充分考虑。     

辽宁暖和洞石笋δ13C对全新世气候变化的生态响应

基于辽宁暖和洞年层石笋NH5的7个230 Th年龄和962个碳同位素数据,建立了10.6～3.5kaBP时段全新世气候及生态演化的δ13 C序列,其长期演化趋势与北大西洋海表温度变化基本一致。该记录表明,10.6～8.8kaBP,δ13 C值逐渐负偏,由-9.4‰降至-10.3‰,气候逐渐转暖湿;8.8～6.7kaBP,δ13 C值负偏显著,平均值为-11.3‰,此时,气候温暖湿润,对应于全新世适宜期,纹层计数显示其持续时间约为1 945a;6.7～3.5kaBP,δ13 C值显著正偏,由-11.3‰升至-8.3‰,干旱化趋势明显。石笋δ18 O时间序列显示出相似的变化趋势。在6.7kaBP前后,δ13 C、δ18 O均快速正偏,纹层计数显示约在40a内完成气候由暖湿到冷干的突变转型,可能是由于北大西洋海表温度降低和植被-大气系统的反馈作用对太阳辐射减少具有放大效应。     

氧同位素在高分辨率古气候研究中的应用

高分辨率古气候研究成为近年来全球变化研究的热点,随着稳定同位素理论的不断完善和分析测试技术的迅速提高,沉积物中δ^18O日益成为一项重要的环境替代指标,引起了国内外学者的关注。论述了氧同位素在冰岩心、黄土-古土壤以及洞穴沉积物中的应用,并指出了其影响因素和在应用中存在的问题及发展方向。     

中更新世气候转型期西太平洋暖池的表层海水温度和氧同位素变化

通过对大洋钻探(ODP)第130航次807站A孔井深12.54～16.38m沉积物中浮游和底栖有孔虫的稳定同位素δ18 O以及浮游有孔虫壳体的Mg/Ca测试,揭示了中更新世气候转型期(800～1 000kaBP)西太平洋暖池表层海水温度和氧同位素的变化。研究发现,中更新世时期ODP 807站的表层海水温度在25.1～30.9℃之间浮动,平均为28.4℃,接近现代暖池区实测温度值,冰期/间冰期之间的温度差值在1.5～5℃左右,与晚第四纪时的温差相近;同时,表层海水温度和底栖有孔虫氧同位素呈现同步变化的趋势,没有明显的超前或滞后的相位关系,区别于前人在暖池区的研究结果。间冰期时,表层海水温度上升伴随着温跃层变深、盐度降低,与现代西太平洋暖池La Ni珘na状态类似;冰期时则类似于El Ni珘no状态。中更新世气候转型期,西太平洋暖池的表层海水温度、温跃层深度变化受低纬热带驱动影响,都显示出强烈的岁差周期(16.8ka),而底层水氧同位素更多受到高纬的影响。     

长江中下游湖泊水体氧同位素组成

通过长江中下游45个湖泊不同季节水体δ18O分析,对湖泊水体演化过程进行了研究。结果表明,湖泊水体δ18O主要反映了湖泊水源变化及湖泊水体与长江洪水期/枯水期交替演变的特征关系。受江湖关系随季节变化影响,处于长江中下游中段安徽省境内的巢湖、石塘湖等湖泊各季节水体δ18O都相对较高,处于上段和下段的鄱阳湖群和太湖湖群湖泊水体δ18O相对较低。因此,长江中下游上段和下段湖泊水体交换受长江影响较大,中段较小。对不同季节湖泊水体δ18O比较分析表明,长江对湖泊水体的影响主要在夏季,秋、冬季节湖泊水体稳定。黄盖湖、大冶湖等湖泊夏、秋两季水体δ18O大幅度变化与长江的水位波动直接有关,在长江洪水期,湖泊与长江相连;在长江枯水期,湖泊与长江分离。玄武湖水体δ18O的大变幅是人为换水造成的。     

西太平洋暖池核心区上新世以来浮游有孔虫氧同位素特征及古海洋变化

西太平洋暖池区作为驱动全球气候变化引擎,是近年来古海洋学尤其是古气候研究的热点。以南海大洋钻探ODP130航次807站浮游有孔虫的氧同位素值为材料,建立了西太平洋暖池核心区跨越4.5 Ma、分辨率达2~3 ka的天文年代标尺,通过浮游有孔虫表层种和次表层种的氧同位素的变化来分析温跃层、上部水体垂直结构的变化,结合频谱分析以及与地球轨道参数(ETP)的交叉频谱分析,研究始新世以来尤其是北极冰盖形成时期西太平洋暖池的演变及其对地球轨道驱动的响应,为全球气候环境演化提供科学依据。     

西太平洋帕劳砗磲高分辨率氧同位素记录及其指示的气候环境变化

砗磲是海洋中最大的双壳类贝壳,其碳酸盐壳体通常具有年纹层和天纹层,是一种理想的高分辨率古气候研究载体.氧同位素是砗磲古气候研究中最常用的指标之一,但在将其应用于古气候重建之前,通常需要对其现代地球化学过程进行准确的校准.帕劳群岛位于西太平洋暖池西北边缘,其珊瑚礁盘具有丰富的砗磲壳体资源,为开展古气候研究提供了丰富的材料...     

桂林现代洞穴碳酸盐——石笋的沉积速率及其环境意义

洞穴沉积物过去环境记录在短尺度、高分辨率全球变化研究中已成为不可或缺的研究内容.而洞穴滴水作为洞穴石笋形成的介质或媒体,对气候环境变化响应迅速,其物质成分、滴速以及水量的变化直接影响石笋的生长及其蕴含的环境信息,是研究地表环境变化与洞穴石笋沉积的桥梁.洞穴滴水从而成为石笋形成机理和古气候重建研究的热点.通过对桂林盘龙洞...     

最近千年来山东半岛西部气候环境变化的石笋微层厚度记录

ky1石笋采自位于暖温带东亚季风影响下的山东半岛西部开元洞,自顶部到距顶42.769 mm处发育有连续沉积的678个微层,均为典型的透光年纹层。在高精度U-230Th测年结果的基础上,结合年纹层的连续计数,确定第1、678纹层的沉积年代分别为1217AD、1894AD,即ky1石笋上部微层的沉积时间为1217-1894AD,恰好涵盖中世纪暖期后期和小冰期。根据微层厚度及δ18O比值测试结果,在1217-1894AD的678年中,ky1石笋微层的厚度变化和厚度的波动程度变化均具有显著的阶段性,而且与同期夏季风强度、降水量及其波动程度变化同步。其中,微层厚度与夏季风强度、降水量本身呈负相关,微层厚度高值期对应夏季风微弱-偏干期,而低值期对应夏季风强烈-偏湿期。另一方面,微层厚度与夏季风强度、降水量的波动程度呈正相关,微层厚度高值期对应夏季风强度、降水量的高波动期,而低值期对应夏季风强度、降水量的低波动期。因此,除与气候因子本身变化有关外,开元洞石笋微层厚度变化还与气候的稳定程度有关。在暖温带东亚季风区沿海,小冰期与中世纪暖期的气候差异,除了表现为降水减少、温度降低以外,还表现为气候稳定程度的显著降低。     

球形棕囊藻同化吸收硝酸盐的氮氧稳定同位素分馏研究

球形棕囊藻(Phaeocystis globosa)赤潮是一种全球范围的生态灾害,而硝酸盐稳定同位素技术是研究海洋富营养化与赤潮暴发机制的前沿技术。为将该技术应用于球形棕囊藻赤潮暴发机制方面的研究,首先需了解其同化吸收硝酸盐的稳定同位素分馏特征。为此开展了球形棕囊藻室内培养实验,获取培养过程中氮、磷、硅等营养盐的浓度及硝酸盐氮、氧稳定同位素(δ¹⁵N-NO₃^-、δ¹⁸O-NO₃^-)等参数的变化特征,计算球形棕囊藻同化吸收硝酸盐的稳定同位素分馏系数。结果显示,NO₃^-和PO₄^3-浓度随培养时间均呈现先明显下降后稳定的特征,同时伴随直径2~3mm的囊体出现并生长至2~3cm。NH₄⁺浓度先后两次出现升高,推测可能是受到有机氮矿化过程的补充所致。随NO₃^-浓度降低,δ¹⁵N和δ¹⁸O的值分别在第13天和第7天达到相对峰值。经计算,球形棕囊藻同化吸收硝酸盐过程δ¹⁵N和δ¹⁸O分馏系数分别为3.32‰±0.38‰和3.12‰±0.59‰,而前者的分馏系数呈逐渐降低的特点,原因可能是随球形棕囊藻生长,发生酶还原的NO₃^-较参与跨膜运输的NO₃^-比例逐渐升高。研究首次给出了球形棕囊藻同化吸收硝酸盐过程的氮、氧稳定同位素分馏系数及其变化特征,补充了海洋微藻同位素分馏数据库,为稳定同位素技术研究球形棕囊藻赤潮暴发的营养机制提供了重要的基础数据。     

热带西太平洋雨水的氢、氧同位素组成

测定了西太平洋(7.5°～31°N,123°～132°E)1989年9～10月间雨水的δD和δ18O值,结果表明该区雨水的氢、氧同位素组成呈观与中、高纬度地区明显不同的分布特征.雨水的δ值与降水点的纬度没有直接的因果关系,而与季风流场明显相关.沿季风流动方向雨水的δ值逐渐减低,这可用降水云团的瑞利分馏过程解释.雨水δD和δ18O的分布大致反映了研究区季风流场的特征.     

南海南部浮游有孔虫氧碳同位素记录的末次冰期以来古环境变迁

以南海南部86GC沉积物柱状样为研究对象,通过对浮游有孔虫氧、碳同位素组成和AMS14C测年的研究,初步确定该柱状样包含了氧同位素3期晚期以来约31 400 a的沉积。结合浮游有孔虫组合和沉积物地球化学记录,分析认为,研究区域末次盛冰期发生于大约29~19 kaBP,其中又以28~26 kaBP为顶峰时段;在大约21~20 kaBP之间,可能有过一次短暂的海平面快速上升事件。单从δ18O记录来看,全新世南海南部的气候和古海洋环境似乎保持着较为稳定的状态,但期间δ13C及其他一些古气候指标却记录了多次回返性事件,反映出由于冬季风的短暂加强,导致全新世该区域气候环境在总体适宜的背景下仍然具有不稳定性。     

太平洋三海区热液烟囱物的氧同位素

使用氧同位素方法,测试了西太平洋马里亚纳岛弧、马里亚纳海槽、冲绳海槽和东太平洋加拉帕戈斯裂谷的海底热液烟囱和硫化物全岩样品.结果表明马里亚纳岛弧上的埃斯梅拉尔达破火山口的热液硫化物的形成温度最高(达275℃),而成为高温产物的代表;冲绳海槽和加拉帕戈斯裂谷烟囱,表现为中高温类型,其氧同位素温度在150℃     

1994年夏季南海东北部海水氧同位素分布特征

南海东北部海区1994年夏季海水氧同位素示踪物分析结果表明：氧同位素δ18O值的分布在一定程度上反映了本区环流的某些特征。δ18O值在垂向上表现出表层低正值，次表层达到最大值，然后随深度的增加逐渐降低的特点。δ18O值的断面分布与平面分布为东沙群岛附近流环的存在提供了同位素示踪物证据。此外，对δ18O值与盐度、温度的相互关系进行了初步讨论。     

南海南部水体和沉积物中的浮游有孔虫氧碳同位素分析

通过对2002年南海南部春季水体和表层沉积物中浮游有孔虫的δ^18O和δ^13C分析,初步探讨该区有孔虫氧碳同位素的海洋环境指示意义及其与沉降过程的关系。结果表明,南海南部春季表层水体中Gltbigerinoides ruber （G．ruber）与Globigerinoides sacculifer（G．sacculifer）的δ^18O均值基本相似,相对它们在表层沉积物中的δ^18O明显要小;但在表层沉积物中G．ruber的δ^18O则比G．sacculifer相对要小0．34‰。这种差异可能与G．sacculifer的配子生殖二次钙化以及2个种属的季节性差异有关。Pulleniatinaobliquiloculata（P．obliquiloculata）的δ^18O在沉积物和水体中均较G．ruber和G．sacculifer明显偏大,表现出较大的种间差异。P．obliquiloculata的δ^18O在春季水体中比其在沉积物中平均约小0．7‰,差值较大,可能是因为P．obliquiloculata为冬季种,主要出现在冬季低温水体中。3种浮游有孔虫的δ^13C以G．sacculifer最大,G．ruber次之,P．obliquiloculata最低,这种差异可能主要由属种间的生命效应所引起。表层沉积物中G．ruber和G．sacculifer的δ^18O从区域的西北往东南有逐渐变小的趋势,可能受区域年均表层水温西北低东南高的影响。在上升流发育区,P．obliquiloculata的δ^18O和δ^13C均明显偏高,其δ^13C与水体营养的关系与南海北部的明显相反,有待进一步深入研究。