同步变化的东亚季风和印度季风:来自年层石笋氧同位素的证据

印度季风和东亚季风是亚洲季风的两个子系统.现代器测数据和地质历史重建记录均证明两个季风在季节和轨道尺度上具有相同的特征.然而,在年一年代际尺度上,两者的相互关系尚不清楚.笔者通过比较两个分别来自印度季风区(阿曼Defore洞)和东亚季风区(中国和尚洞)的超高分辨石笋氧同位素序列,研究780 a以来印度和东亚季风变化及其相互作用.阿曼石笋氧同位素记录印度季风的变化,而和尚洞石笋δ18 O则是东亚季风变化的指示器.笔者发现,在年代际尺度上阿曼石笋和中国石笋具有相同的氧同位素组成变化特征,同时反映了亚洲季风的强弱变化,表明了印度季风和东亚季风变化是同步的.     

贵州荔波董歌洞D3石笋碳氧稳定同位素及微量元素记录的环境变化

通过对贵州荔波董歌洞D3石笋一系列的TIMS U系法测年以及碳氧稳定同位素分析,取得了连续90.0~160,0 ka气候变化高分辨率的同位素记录.表明石笋氧同位素记录和海洋同位素记录一样,也可以明显地按峰、谷划分为MIS5c,MIS5d,MIS5e及MIS6多个气候阶段,界线年龄分别为:5c/5d为110.0 ka B P,5d/5e为120.0 ka B P,5e/6为129.2 ka B P.在由冰盛期的6阶段到间冰期的5e,δ18O值由偏重的谷底至偏轻的峰顶的跃变,代表冰期旋回之间由冷到暖的快速转变.此外,δ13C值也同样自谷底至峰顶的快速变化,说明生态环境也随气候环境的迅速变化而变化.系统的微量元素分析表明,S,Al,Sr,P,F等均表现出由冰盛期6阶段至间冰期5e阶段最大幅度的迅速变化,在间冰期,微量元素记录变化幅度较小,变化波形与δ13C记录更为相似,研究表明,这些微量元素与δ13C记录一样也可以作为岩溶区生态环境重建的代用指标.     

小冰期十年际尺度亚洲季风变化的四川黑竹沟洞石笋记录

基于四川省黑竹沟洞一支石笋（编号：EB1）高精度²³⁰Th年龄和氧同位素数据,建立小冰期时期（1375~1810A.D.）气候变化时间序列。该序列δ¹⁸O值变化范围为-10.37‰~-8.58‰,敏感响应于区域气候变化过程。高分辨率δ¹⁸O变化序列能清晰地捕捉到10年际尺度振荡旋回。该石笋记录根据δ¹⁸O值变化可分为4个阶段：1375~1540A.D.和1680~1780A.D.时段,δ¹⁸O值整体偏负,指示季风增强时期;1540~1680A.D.和1780~1810A.D.时段,δ¹⁸O值整体偏正,处于弱季风阶段。与贵州董哥洞、甘肃万象洞和印度Jhumar洞石笋记录对比发现在小冰期时期δ¹⁸O变化特征具有一定的相似性,表明上述区域降水可能共同受控于印度季风水汽输送影响,反映了区域性夏季风经向环流及其降水变化特征。通过EB1石笋记录与北半球温度曲线的对比发现,两者在百年尺度上同相位变化,可能指示北高纬气候的控制作用。而该石笋与秘鲁东北部Cascayunga洞石笋记录的进一步对比结果显示亚洲季风与南半球季风记录呈反相位关系,证实了ITCZ位置的南北移动在半球间能量传递和交换过程中的重要作用。功率谱分析结果显示小冰期季风波动具有显著的25a和9a周期旋回,接近太阳黑子22a和11a周期频率,表明太阳活动变化可能是小冰期十年际尺度亚洲季风波动的重要驱动因素。

     

石笋氧同位素指示东亚季风大尺度环流特征

利用湖北清江和尚洞的两支具有精确年代的年层石笋,建立了20世纪逐年的石笋氧同位素序列,讨论东亚季风石笋氧同位素的气候指示意义。与现代气象观测资料对比,发现近100年来和尚洞石笋 δ18O 与当地年总降水量和年均温度的相关性并不显著,但与指示东亚季风环流特征的西太平洋副热带高压指数(WPSH)以及相对应的太平洋年代际振荡指数(PDO)相关性好。在年际和年代际尺度上,当太平洋年代际振荡处于正(负)相位时,副热带高压加强(减弱),石笋的 δ18O 相对偏正(负)。因而,石笋 δ18O 反映了东亚季风大尺度环流特征。     

桂林44kaB.P.石笋同位素记录及其环境解译

通过大气降水多种因素的相关性 ,以及平均温差较大的 2个时段生长的石笋C、O同位素的明显差异性 ,论证了本区石笋碳酸盐的C、O同位素与全球气温变化呈明显的负相关。Pl 1和X 1石笋高分辨率的同位素记录取得了完全一致的结果 ,C、O同位素确定了冰期旋回冰消期的终止点“I” ,其时限为 10 .7kaB .P .。自 4 4kaB .P .以来桂林地区的气候变化可划分为 3个阶段 :4 4～ 2 5.6kaB .P .的冰期 ,寒冷 ,但比盛冰期暖和 ;2 5.6～ 10 .7kaB .P .的盛冰期 ,气     

中全新世河南南阳石笋记录的百年季风干旱事件

基于河南南阳洞1支石笋的5个230 Th 年龄和186个氧碳同位素数据,建立了中全新世持续1 570a( 6 115～ 4 544a B. P. )较高分辨率东亚季风降水序列。在整个研究时段,石笋氧碳同位素曲线记录了3次弱季风事件,分别发生在5 830～5 720a B. P. 、5 350～ 5 080a B. P.、4 770～ 4 640a B. P. ,其中5 350～ 5 080a B. P.时段持续干旱,历时270a。在测年误差范围内,平均分辨率达4～ 5 a 的氧同位素曲线与相应时段树轮14 C残差曲线基本对应。功率谱分析表明: 南阳洞石笋具有显著的130a 周期旋回,与树轮Δ14 C( 132a )以及低纬地区其它石笋记录的周期变化基本一致,说明中全新世东亚季风降水在百年尺度上可能主要受太阳辐射驱动。      

辽宁本溪高分辨率石笋氧同位素记录的东亚夏季风“2.8 ka”事件

本研究利用辽宁本溪庙洞石笋MD12,通过230Th定年和高分辨率氧同位素分析,并集成庙洞另一支石笋MD11序列,重建了3.04~2.60 ka B.P.时期辽东地区夏季风（降水）变化历史。该石笋氧同位素序列记录了2.8 ka事件的详细过程,事件的核心阶段起止时间约为2.76~2.66 ka B.P.,中心点位于2.68 ka B.P.,稍微晚于西南石笋氧同位素记录（约2.71 ka B.P.）,但是在事件的开始时间上,庙洞石笋氧同位素记录比西南石笋氧同位素记录晚了约100年。因此,庙洞石笋氧同位素记录与西南石笋氧同位素记录中显示的缓慢减弱-快速增强模式不同,2.8 ka事件在辽东石笋氧同位素记录中表现为快速减弱-突然增强的变化模式,与太阳活动代用指标一致变化,支持太阳活动是2.8 ka弱季风事件驱动因子的观点。庙洞石笋氧同位素快速响应太阳活动的变化特征,说明其动力学机制可能是太阳活动减弱导致北半球高纬度地区温度降低,然后通过大气"遥相关"作用影响东亚夏季风。     

中国南方石笋氧同位素记录的重要意义

中国南部石笋氧同位素记录记载了重要的气候变化信息。应用石笋氧同位素记录时首先需要考虑检验石笋的平衡结晶生长,特别是重复性检验,以排除可能的偶然性或地方因素。中国南部重复性很好的南京葫芦洞和贵州董歌洞石笋氧同位素记录主要代表了当时的降水氧同位素信息。两洞的记录都显示,在冰期或冰段时期降水的氧同位素比间冰期或间冰段时期明显偏重。受夏季风强弱变化的控制,与目前亚洲季风降水氧同位素的季节变化相对应,在间冰期或间冰段时,ITCZ偏北,降水以夏季风的大规模大气环流下的对流降水为主,其氧同位素较轻;相反地,在冰期或冰段时,ITCZ偏南,降水以夏季风爆发前的锋面降水为主,其氧同位素较重。虽然尚有其他许多影响因素,亚洲季风的变化应是影响中国南部石笋氧同位素在冰期/间冰期或冰段/间冰段的尺度上变化的主导因素。但在更小的尺度上(例如小冰期),石笋氧同位素记录的解释则需要谨慎。虽然下最终结论为时尚早,但作为亚洲季风的两个组成部分的东亚季风和印度季风很可能是同步的,至少在冰期/间冰期或冰段/间冰段的尺度上是如此。     

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.     

长江中游和尚洞石笋的高分辨率同位素、微量元素记录及古气候研究

通过对长江中游和尚洞HS-2号石笋的沉积特征及C、O同位素Mg、Sr微量元素相结合分析,利用U系法定年,获取了长江中游19.0ka～6.9ka的古气候、古环境信息(平均分辨率为17a,局部分辨率达到7a).得出如下结论(1)19.0～16.6ka, C、O同位素偏轻,气候冷湿;(2)16.6～11.1ka, C、O同位素偏重, 气温上升,降水偏少;(3)11.1～10.3ka 干热时期中的突然回冷事件对应于新仙女木事件(Younger Dryas Event);(4)10.3～6.9 ka B.P δ18O及δ13C值逐渐变轻,而Mg/Sr比继续增大,表现为气温上升,降雨量较大.反映了历史时期湿冷、干热、湿暖交替变化的气候趋势,得出了长江中游千年级和百年级的一些气候变化趋势,特别是发现了新仙女木事件在长江中游洞穴石笋中完整的记录,说明新仙女木事件是全球性气候突变与环境灾变事件     

陕西地洞河高分辨率石笋记录的DO18季风增强事件

千年尺度事件的结构特征和区域响应是理解和认识冰期气候变化及动力机制的关键。本文基于陕西汉中宁强县地洞河一支长417 mm石笋DDH1的11个U-Th年代和417个氧同位素（δ¹⁸O）数据,重建了末次冰期（64.8~33.2 ka B.P.）亚洲季风演化历史。石笋δ¹⁸O记录在64.7±0.2 ka B.P.和59.3±0.1 ka B.P.快速负偏,分别指示了DO18事件的开始和H6事件的结束。在DO18事件结束过程,石笋δ¹⁸O记录在64.0~60.4 ka B.P.持续正偏,振幅达2.9 ‰,反应季风逐渐减弱,但未出现明显转型阶段。其总体形态与大西洋Cariaco盆地岩芯反射率、南极冰芯的记录较为一致,但是不同于格陵兰冰芯的记录。因地洞河所处青藏高原、秦岭叠加影响的区域,纬度和地形的双重影响使得其石笋δ¹⁸O记录较其他地区偏负,振荡幅度更大。因地形阻挡了高纬信号,使得低纬甚至南半球的信号突现出来,ITCZ的移动、南半球温度和水汽潜热的释放作用在这一区域尤为显著。

     

湖北清江石笋的碳氧同位素组成及其古气候意义

测定经铀系法和1 4 C法精确定年的石笋 (Z 2 )的碳氧同位素组成 ,探讨它们对古气候的指示意义。研究结果表明 ,研究区石笋碳酸盐氧同位素主要组成反映了地表水的氧同位素组成 ,受气候的两要素———气温和湿度控制 ;碳同位素组成则反映当地的植被面貌 ,即C3和C4植物的比例 ,间接指示古湿度。洞穴石笋稳定同位素的定量解译尚需进一步研究。     

神农架天鹅洞石笋76～58 kaB.P.时段DO事件

据神农架高海拔天鹅洞一支石笋9个230Th年龄和332组氧、碳同位素数据,建立了76～58 kaB.P. Dansgaard Oeschger (DO)事件时间序列,揭示了深海氧同位素4阶段(MIS4)东亚季风降水百年尺度变化过程。天鹅洞和葫芦洞石笋、格陵兰NGRIP冰芯δ18O对比显示,天鹅洞记录DO18事件暖湿程度相当于深海氧同位素3阶段(MIS3)水平,其振幅类似于格陵兰冰芯δ18O记录。起始时间上,天鹅洞记录DO18事件在710年230Th测年误差范围内和葫芦洞记录保持一致,并支持了NGRIP冰芯记录对应时标。在全球降温背景下,如此典型DO事件指示了强季风降水过程。70 kaB.P.左右,冰芯DO19事件至少老于石笋记录约950年,远大于700年左右的230Th测年误差,对老于该时段的冰芯时标需高分辨率地质记录进一步验证。69.09～64.64 kaB.P.（ DO19ˊ~18）期间,冰芯记录的百年尺度峰谷变化和天鹅洞石笋记录一一对应,反映了低纬热带海洋和北大西洋温盐环流之间耦合作用。     

神农架石笋氧同位素的海拔效应

作为古气候代用指标,石笋氧同位素为亚洲季风演化研究提供了一系列可靠的证据。然而,关于石笋氧同位素指示的气候意义一直存在争论。本文选取了位于神农架地区海拔1250～2250m的黑龙洞、青天洞和三宝洞3个洞穴进行对比分析,发现不同海拔洞穴石笋δ18O在波动形式上相同,但绝对值存在约-0.1‰/100m的系统差,而大气降水的在该地的海拔效应约为-0.2‰/100m。为此,我们认为,石笋δ18O除了受季风降雨的影响外,不同海拔的温度梯度也对石笋δ18O具有较大的贡献。结合洞穴年均温度,初步估算石笋δ18O的温度效应约为-0.25‰/℃,与O’Neil的同位素平衡分馏计算结果相同。      

桂林地区4万年来石笋高分辨率古生态变化记录

在洞穴次生化学沉积物的形成过程中,碳同位素的演化较氧同位素更复杂,一是来源的复杂,二是分馏机制复杂。     

中全新世云南寻甸地区气候演化与冷干事件的石笋记录

通过对云南寻甸XR1石笋进行TIMS-U系测年、氧碳同位素和沉积速率变化分析,重建了寻甸地区中全新世季风气候演化模式:(1)8.0～6.0 ka BP为温暖湿润期;(2)6.0～5.1 ka BP为气候突变期,温湿向冷干转变;(3)5.1～2.1 ka BP为气候恢复期,气候从冷干逐渐恢复到中全新世正常的气候水平.XR...     

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.     

川东北石笋记录的38～39 ka B.P.活动事件

通过川东北诺水河溶洞群石笋的年代学分析,发现多支时代跨越35～ 40kaB. P.的石笋记录了发生时间在38～ 39 kaB. P.的事件: 有的石笋发育中断,有的石笋生长轴心发生了变化,有的石笋则刚刚开始发育。初步的证据显示该事件不是气候成因所为,也不像由于洞穴局部塌陷引起。考虑到秦岭山地是新构造活动十分发育的地区,为此我们推测该事件很可能与某一次构造活动有关,也可能是由一次大规模重力地貌过程(如滑坡)造成。因此,洞穴沉积物(包括石笋、石钟乳和流石等)可望为川东北地区的新构造活动尤其是地震事件研究提供一种新的依据。      

中国黄土高原西缘甘肃万象洞MIS 5石笋δ18 O记录与南方地区石笋记录的对比研究

位于青藏高原与黄土高原过渡带的甘肃武都万象洞石笋WXSM51和WXSM52提供了MIS 5(118~79kaB.P.)高分辨率的δ18 O记录。研究表明, 万象洞石笋δ18 O值与夏季风强度呈负相关关系, 与我国西南部的贵州董歌洞石笋δ18 O记录有良好的对应关系, 并与高纬度的格陵兰NGRIP冰芯δ18 O记录和65°N太阳辐射强度有很好的一致性, 说明万象洞石笋δ18 O记录了118~79kaB.P.期间亚洲季风强度的变化, 同时也说明东亚季风强度的变化和全球气候变化同步, 而且主要受控于北半球太阳辐射强度的变化。同时它与地中海碳酸盐记录有很好的相似性, 和巴西石笋δ18 O记录在千年尺度上表现出相反的变化趋势, 说明东亚季风区、地中海地区以及巴西季风区之间存在密切的联系, 指示了南北半球气候在千年尺度上存在"跷跷板"(seesaw)现象。万象洞石笋δ18 O记录的MIS 5b与MIS 5a突发性转换, 与NGRIP冰芯δ18 O记录相似, 而与神农架记录存在差异, 说明万象洞地区对亚洲季风强度的响应更为敏感。     

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。