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.     

H1事件时长江下游地区季风降水变化特征的石笋铀元素记录

Heinrich 1（H1）事件是末次冰期向全新世转变过程中,北高纬大冰盖快速崩塌的冰盖不稳定事件,其气候环境影响深远。东亚地区石笋δ18O记录在H1事件时,普遍正偏至冰期的较大值,此正偏值通常指示东亚季风整体减弱。然而,在长江中游地区反映局地水文变化的石笋微量元素和碳同位素记录,显示在H1事件时梅雨量增加。梅雨与东亚季风强度的反相关关系是否存在,这有待更多记录的验证与支持。基于长江下游梅雨区南京葫芦洞石笋铀元素的水文变化特征,发现在H1事件时,梅雨整体增多。在H1事件内部结构特征上,高分辨率石笋δ18O记录显示,以~16.1 ka B.P.为界,东亚季风强度存在两个不同状态,类似的转变过程在铀元素记录中有所体现,表现为梅雨量由低到高的转变特征。石笋δ18O记录的这一季风强度变化过程在20年内完成,铀元素记录尽管分辨率不高,但也表现为快速转变的特征。这种对应的快速转变过程,表明石笋铀元素对东亚季风大气环流变化的积极响应;另一方面,也证实了铀元素对气候环境变化的有效记录。南京葫芦洞石笋铀元素记录了梅雨在长江下游地区H1事件期间增强的特征,进一步支持了梅雨与季风强度变化的反相关关系,提供了中国季风区降水空间差异的东部记录。     

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。      

末次冰消期以来赛里木湖沉积记录的气候突变

末次冰消期以来的气候突变事件的时空变化特征及其区域响应是古气候环境变化研究的重要内容,然而亚洲中部干旱区末次冰消期以来的气候突变记录较少,尤其缺少末次冰消期期间快速转暖过程的区域响应.本研究通过对位于亚洲中部干旱区的新疆西天山中部亚高山湖泊赛里木湖湖心采得的长300 cm的SLM2009钻孔沉积物的碳酸盐含量和粒度变化特征的分析,在 14 个 AMS 14C测年数据的基础上,探讨了末次冰消期约23. 4 cal. ka B. P.以来亚洲中部干旱区的气候突变事件记录及其区域响应过程.结果表明:赛里木湖湖心钻孔沉积物完整记录了 H1 ( 17. 5 ~ 15. 2 cal. ka B. P.)、 YD ( 12. 6 ~ 11. 7 cal. ka B. P.)冷事件以及 B-A ( 15. 2 ~12. 9 cal. ka B. P.)暖事件等末次冰消期气候突变事件以及全新世以来的10. 5 ka、 8. 2 ka、 5. 5 ka、 4. 2 ka、 2. 8 ka和小冰期冷事件,这与亚洲中部干旱区已有的气候突变事件记录相吻合,表明末次冰消期以来亚洲中部干旱区具有相似的气候突变演化模式.同时这些气候突变事件与高纬冰芯以及低纬石笋氧同位素记录的一致性则表明气候突变具有全球性影响,受相同的成因机制因素控制.     

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.     

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.      

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.     

东亚季风MIS 3早期DO事件的亚旋回及全球意义

根据湖北永兴洞石笋(YX51)10个U/Th年龄,470组氧、碳同位素数据建立了深海氧同位素3阶段(MIS3)早期57.7~35.6kaB.P.期间东亚夏季风演化时间序列。在发育时段,千年尺度δ18O峰谷变化与高纬冰芯记录的Dansgaard-Oeschger(DO)事件一致;δ13C呈现出与δ18O正相关同步演化特征,但受区域环境影响,在事件内部细节上存在差异。区域对比表明,同一季风区的永兴洞和葫芦洞石笋δ18O指示的季风降水同位素组成具有本质上一致性;高低纬记录对比显示,千年尺度的峰谷变化一一对应,反映热带辐合带(ITCZ)水汽传输能力、平均位置变化对东亚季风和高北纬气候具有重要影响。在DO13至DO15事件内部,永兴洞石笋δ18O记录了显著的双峰特征,说明低纬季风强度变化和格陵兰冰芯δ18O揭示的次级暖峰具有一致对应关系,指示大气快速传输机制在高低纬环境突变中起着重要作用。     

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...     

东亚季风气候对Heinrich2事件的响应:来自石笋的高分辨率记录

据湖北省神农架天鹅洞一支石笋11个230Th年龄和254个δ18O数据,建立了28.5～22.0kaB.P.同位素分辨率平均约30a的东亚季风气候变化序列。该石笋δ18O曲线与南京葫芦洞石笋记录在重叠时段基本一致,说明本区石笋δ18O反映了区域性东亚季风经向环流特征。在24.3kaB.P.左右,石笋δ18O明显正偏,持续时间近1ka,指示一次显著的弱夏季风事件,与北大西洋倒数第二次冰漂碎屑事件(Heinrich2)同步发生,可视为东亚季风气候对H2事件的响应。高分辨率的δ18O序列揭示了H2事件的内部结构特征:(1)事件发生的突变性,石笋δ18O记录指示事件发生时在100a内δ18O从-8.59‰迅速正偏为-6.75‰,振幅达1.84‰;(2)事件结束的渐变性,δ18O正偏到-6.75‰后便以阶梯状缓慢负偏到-8.86‰至事件结束,持续时间近900a。这一过程与末次盛冰期东亚季风气候H1事件表现的季风强弱转换方式基本一致,说明末次盛冰期东亚季风气候H型事件具有共同的内部结构特征。研究表明,末次盛冰期东亚季风气候H事件的突变可能受北大西洋驱动并经青藏高原冰川变化放大。     

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。     

南海北部晚第四纪高分辨率浮游氧同位素地层学及其古气候信息

对南海北部MD05-2904孔45 m的连续沉积物中提取的浮游有孔虫Globigerinoides ruber(白色)进行稳定同位素分析, 得到晚MIS 8以来(时间跨度257 ka, 平均时间分辨率228 a)的高分辨率沉积记录, δ18O和δ13C的频谱分析显示了强烈的岁差(23.4 ka、19.8 ka)、半岁差(11.7 ka、9.9 ka)周期.MD05-2904孔MIS 24时间段的氧同位素记录了格陵兰冰心中发现的Dansgaard/Oeschger和Heinrich事件.与葫芦洞石笋记录及南海邻区浮游有孔虫氧同位素记录的对比显示了受季风控制的区域因素, 如降雨、河流输入导致的盐度变化等对表层海水组成的影响.氧同位素在MIS 3、MIS 6的早期以及MIS 7.4偏轻; 而在MIS 5.5偏重, 这种现象解释为降雨量和蒸发量共同作用的结果.而末次冰盛期高达6570 cm/ka的沉积速率反映了低海平面时孔位离岸距离缩短带来丰富的沉积物源.      

The East Asian monsoon during MIS 2 expressed in a speleothem δO record from Jintanwan Cave, Hunan, China

Stalagmite J1 from Jintanwan Cave, Hunan, China, provides a precisely dated, decadally resolved δ¹⁸O proxy record of paleoclimatic changes associated with the East Asian monsoon from ∼29.5 to 14.7 ka and from ∼12.9 to 11.0 ka. At the time of the last glacial maximum (LGM), the East Asian summer monsoon weakened and then strengthened in response to changes in Northern Hemisphere insolation. As the ice sheets retreated the East Asian summer monsoon weakened, especially during Heinrich event H1, when atmospheric and oceanic teleconnections transferred the climatic changes around the North Atlantic to the monsoonal regions of Eastern Asia. A depositional hiatus between ∼14.7 and 12.9 ka leaves the deglacial record incomplete, but an abrupt shift in δ¹⁸O values at ∼11.5 ka marks the end of the Younger Dryas and the transition into the Holocene. Comparisons of the J1 record to other Chinese speleothem records indicate synchronous climatic changes throughout monsoonal China. Further comparisons to a speleothem record from western Asia (Socotra Island) and to Greenland ice cores support hemispherical-scale paleoclimatic change. Spectral and wavelet analyses reveal centennial- and decadal-scale periodicities that correspond to solar frequencies and to oscillations in atmospheric and oceanic circulation.     

赣北石笋记录的新仙女木事件

新仙女木事件(Younger Dryas,简称YD)是末次冰消期升温过程中发生的一次北半球急剧降温事件,目前全球范围多个地区的地质记录中均有发现该事件的印记.然而,受限于定年误差或采样分辨率等因素,关于YD事件的精确起止时间、精细内部结构和触发机制仍存在争议.本研究利用江西北部神农宫溶洞内一支文石石笋SN29(总长度426 mm,其中距离顶部220~388 mm用于本研究),通过高精度 230Th定年和氧、碳稳定同位素测试分析,建立了13614~10811 a B. P.期间平均分辨率12年的石笋氧同位素(δ18O)变化序列.该记录最为显著的特征是δ18O值在12851~11575 a B. P.时段偏正1. 7‰,指示了一次显著的弱季风突变事件,响应于北大西洋YD事件. SN29为高铀含量文石石笋且生长速率较快,精确界定了响应于YD事件的东亚弱季风事件的起止时间和精细内部结构.结果表明: YD期间, SN29记录的东亚弱夏季风事件的开始时间为 12851±16 a B. P.,经历了约249年;结束过程开始于11575±19 a B. P.,经历了约146年;整个YD弱季风事件共持续了 1276±35年.东亚季风区各石笋δ18O记录的YD弱季风事件在误差范围内基本一致,且与格陵兰冰芯δ18O记录和低纬度其他记录的发生时间一致,支持YD时期东亚夏季风减弱事件可能是对大量淡水进入北大西洋导致径向翻转流减弱、北半球变冷、ITCZ南移的快速响应的假说.     

从腾冲和香格里拉沉积记录看60ka BP以来的印度季风活动特征

通过腾冲北海与香格里拉纳帕海有机碳含量、δ13C、粒度等沉积指标和若干孢粉指标的对比,参照60ka BP以来孟加拉湾的沉积韵律互层与δ18O记录,发现它们同与印度季风系统存在密切关联。然而由于经纬与海陆分布的差异,夏季风和冬季风对各处的影响亦有很大差别。大约发生于37~32ka BP的强大的暖湿型气候事件在北海与纳帕海盆地的沉积序列之中反映突出,成为过去60ka间最引人瞩目的现象,但是却缺乏海域记录的有力呼应。海陆记录对比结果表明,MIS3后期区域气候事件的控制因素来自陆地而非海洋,青藏高原在此期间的特别升温导致印度冬季风的衰退及其他大气环流型式的改变有可能是重大气候事件形成的主因。此外,陆地地貌对于季风的降水效应也有不可忽视的影响。     

Deglacial paleoclimate in the southwestern United States: an abrupt 18.6 ka cold event and evidence for a North Atlantic forcing of Termination I

We present a new U-series dated speleothem record (PC-1) from the Great Basin that documents deglacial climate variability between ca 20.1 and 15.6 ka. Our data show an abrupt 18.6 ka cold event preceding Heinrich event 1 that is consistent with expansion of the Laurentide Ice sheet during the ‘binge’ phase of ice growth. This event coincided with dessication of pluvial Lake Mojave suggesting cold and dry conditions in the southern Great Basin at this time. PC-1 δ¹⁸O values before and during Heinrich event 1 are similar, but an increase in stalagmite growth rates suggests wetter conditions that coincided with deposition of spring deposits in southern Nevada. The time interval of our record is consistent with the timing of pluvial conditions in the Great Basin as evident from a comparison to regional wetness proxies. Our new speleothem record, recovered from the recharge area for Devils Hole, does not show a δ¹⁸O increase coincident with the abrupt increase in Devils Hole δ¹⁸O at c. 18 ka, challenging the view that the Great Basin experienced an early Termination I. This hypothesis is supported by two other southwest speleothem records that demonstrate deglaciation was synchronous with forcing from the North Atlantic Ocean. We suggest that Devils Hole speleothem δ¹⁸O values may partly reflect source water changes in the regional aquifer. Further, Devils Hole δ¹³C minima coincide with peak global glacial conditions and weak Asian monsoon periods, suggesting that they constrain better the timing of pluvial conditions in the Great Basin.