轨道尺度的亚洲夏季风演变:“困惑”与探索

亚洲夏季风影响着亚洲大陆数十亿人口.半个世纪以来,亚洲夏季风研究取得了许多重要成就,但一些科学问题依然有待深入探索.这其中包括轨道时间尺度的两个难题:(1)中国黄土的磁化率序列显示亚洲夏季风变化以冰期-间冰期~100kyr周期为主,而中国石笋氧同位素(δ18O)序列则以~20kyr岁差周期为主,两者主导周期的差异成为了悬而未决的"中国的100kyr周期问题";(2)亚洲大陆石笋δ18O序列与许多海洋沉积记录在岁差波段上的显著相位差异,是争议已久的"海-陆岁差相位的困惑".应当如何解答这些难题呢?首先,伴随着轨道尺度数值模拟的不断发展,岁差波段上降水量和风场变化在亚洲夏季风广大区域中的不均匀性及其区域模态差异逐渐明朗,不同气候记录的分歧在很大程度上可能只是这种降水和风场空间不均一性的体现.其次,不同记录载体有其固有的优势和局限,而此间差异则部分反映了这些局限性.总体而言,亚洲夏季风的黄土、海洋和石笋记录之间并不存在相互否定的关系,而是具有互补性;它们各自刻画了亚洲夏季风动力学系统的不同方面.因此,从整体季风系统的视角审视这些记录,能够基本解释亚洲季风的"中国的100kyr周期问题"和"海-陆岁差相位的困惑"这两个科学难题.     

云南鹤庆钻孔揭示的古生产力轨道尺度演化

本文在分析鹤庆古湖泊不同演化阶段烧失量指标变化特点的基础上,采用频谱分析、滤波分析方法,探讨了该湖泊古生产力轨道尺度的演化特征．综合分析结果显示:在整个演化过程中,由于北半球夏季太阳辐射与南半球潜热输出相位关系的不同,导致斜率周期一直强于岁差周期;在987-1552 ka阶段,15 ka、10．7 ka和10 ka为较强周期,其中10 ka、10．7 ka周期是与100 ka周期强化有关的半岁差周期;在湖泊古生产力演化中存在与气候变化相一致的中更新世转型．     

华南二叠系卡匹敦阶高分辨率浮点年代标尺

基于详细的生物地层学研究,以磁化率为古气候替代指标,对广西来宾铁桥剖面卡匹敦阶地层开展时间序列分析,建立高分辨率浮点年代标尺(FPTS).结果表明,磁化率记录了铁桥剖面中二叠世晚期沉积序列中的米兰科维奇旋回,卡匹敦阶上部磁化率突然增加与峨眉山玄武岩喷发和卡匹敦晚期全球性海退有关,这些事件导致同期沉积物中碎屑物质增加.铁桥剖面瓜德鲁普—乐平统界线附近磁化率和蓬莱滩剖面(乐平统底界GSSP)表现出一致的变化趋势,具可对比性.利用多窗谱法(MTM)和傅里叶变换(FT)从磁化率序列中识别出五个米兰科维奇周期:长偏心率周期(E2,405ka)、短偏心率周期(E1,100ka)、长地轴斜率周期(O2,44.1ka)、长岁差周期(P2,20.95ka)和短岁差周期(P1,17.7ka).对比基于E2周期建立的磁性地层磁化率(MSS)带和标准参考带(SRZ),建立整个沉积序列的高分辨率(200ka)FPTS,提出卡匹敦阶的时限为3.85 Ma(存在+0~0.28 Ma误差),整段沉积序列的平均沉积速率为2.91cm·ka-1.同时计算出卡匹敦阶内部七个牙形石带的时限,从最短26.6ka到最长2.3 Ma.另外,估算出峨眉山大火成岩省喷发启动时间为262.67 Ma,位于瓜德鲁普—乐平统界线之下1.42 Ma.     

安徽巢湖早三叠世印度期旋回地层研究

安徽巢湖平顶山西剖面印度期地层由一系列多级泥岩/灰岩岩性旋回组成. 以野外剖面岩性变化观察为基础, 辅以岩石磁化率的功率谱分析和小波分析方法, 识别出与米兰柯维奇天文周期对应的短偏心率和岁差旋回, 但倾角周期在本区表现不明显. 在印度期地层中共识别出12个短偏心率周期, 56个岁差周期. 据此旋回分析, 推算出印度期地质时限约为1.1 Ma, 对应的地层平均沉积速率(成岩压实后)约为3.7 cm/ka. 沉积速率曲线表明当时的沉积环境较为稳定. 如果将二叠系-三叠系界线年龄值确定为252.6 Ma, 可推算出印度阶-奥伦尼克阶界线的年龄值为251.5 Ma.     

40 ka以来青藏高原的4次湖涨期及其形成机制初探

40 ka来青藏高原现在封闭湖区至少经历了4次显著的湖泊扩涨期. 40~28和9.0~ 5.0 kaBP湖涨期是高原暖湿气候时段的产物, 分布范围最广, 湖涨最为显著; 其产生于岁差周期高太阳辐射阶段, 强劲的夏季风形成的丰沛降水是造成湖涨的主要原因. 40~28 kaBP湖涨期, 高原湖域浩瀚, 河湖串联, 湖泊呈现40 ka以来的最高最大湖面. 19~15和13~11 kaBP期间, 高原湖泊扩涨存在区域性, 前者同高原冷湿气候与季节性冰融水增加有关, 后者则与末次冰消期冰融水与夏季风降水增加有关. 造成湖涨期表现形式与环境机制复杂多样的原因, 是北方冷气候事件, 特别是Heinrich事件叠加在由岁差周期太阳辐射变化驱动的夏季风强弱变化背景之上, 高原阶段性冷湿与暖湿环境及其由此形成的高原冰融水阶段性增加的结果.     

过去640ka亚洲季风变化的多尺度分析

高分辨率、高精度定年的石笋δ~(18)O记录现已扩展到640ka,这为研究亚洲季风多尺度特征与驱动机制提供了新的契机.基于经验模态分解法(EMD),文章分析了该序列的轨道和千年尺度的特征、贡献及其控制因素.在轨道尺度上,四个主要周期(11.6、23.3、42.4和95.5ka)对石笋δ~(18)O记录的贡献率为76.3%,其中岁差和半岁差周期的贡献率分别为31.1%和30.7%.交叉谱分析显示,显著的半岁差周期信号与南北半球30°太阳辐射极大值变化(BHI)的半岁差周期基本吻合,由此认为低纬降雨和温度变率对半球间低纬太阳辐射放大响应,进而影响亚洲季风的强度变化.在千年尺度上,分别有5ka和1～2ka的显著周期,大致对应于经典的Bond和Dansgaard-Oeschger旋回.海洋沉积和石笋记录交叉谱分析显示,二者在千年尺度上的变化呈现出强烈的相关性,特别是5ka周期稳定贯穿两个记录始终且信号明显,说明5ka周期是中晚更新世以来冰期-间冰期旋回的特征周期,可能是全球冰盖和太阳辐射共同作用的结果.     

马兰黄土剩磁不存在显著Lock-in效应: 来自Laschamp地磁漂移的证据

中国黄土-古土壤序列的年代框架主要是基于磁性地层所建立的. 然而, 黄土剩磁是否存在显著的lock-in效应, 目前仍存在很大争议. 通过比较黄土高原洛川剖面记录的地磁异常和大西洋Heinrich冰筏事件在马兰黄土地层中的位置, 揭示了Laschamp地磁漂移被记录在两次寒冷事件(距今~39 ka的H4及~48 ka的H5)之间, 估算的Laschamp地磁漂移相应的年代大约为41.7~43.7 ka, 与该地磁事件的年龄(大约40~41 ka)相近. 这说明, 马兰黄土的剩磁不存在显著的Lock-in效应.     

南沙ODP1143站有孔虫同位素变化对地球轨道驱动的响应

1143站5 Ma有孔虫稳定氧、碳同位素记录揭示了南海南部上新世至更新世气候变化在斜率和岁差周期上对地球轨道驱动的线性响应. 赤道太平洋地区频繁爆发的厄尔尼诺现象可能与氧、碳同位素相对于地球轨道驱动呈相反相位相关. 北极冰盖在3.3 Ma的扩张可能影响了气候变化100 ka周期的发展, 它的进一步扩张可能导致该周期成为晚更新世冰期旋回的主要周期. “中更新世转型”事件对南沙海区同位素变化的影响具有局限性. 1143站有孔虫的碳同位素在长偏心率周期上与地球轨道驱动高度相关, 且在短偏心率周期上领先于氧同位素的变化, 这进一步突显了碳循环在全球气候变化中的重要地位.     

基于黄土粒度估算粉尘源区-沉积区距离的新方法

黄土的粒度分析是重建古气候的常用手段之一.基于Tsoar和Pye(1987)提出的粉尘搬运模型,通过沿风力搬运方向的两个黄土剖面的粒度变化,构建了定量估算粉尘源区-沉积区距离的模型.采集环县和白马铺古土壤S_2以上(250ka以来)的粒度数据,运用该模型得出了粉尘源区-沉积区的距离.结果表明,间冰期古土壤发育时期,源区-沉积区距离较远,沙漠南缘至环县剖面距离约为340km;冰期黄土堆积时期,源区-沉积区距离较近,沙漠南缘至环县剖面距离约为100km.该定量重建结果表明,250ka以来的冰期-间冰期旋回中,沙漠南缘的进退变化距离约为240km,验证了东亚夏季风降水控制沙漠进退从而影响黄土-古土壤粒度变化的机制.     

地磁半年周期变化的源场模式初探

用Sompi谱分析法分析了16个台站的北向分量半年周期变化的振幅与相位,时段为1984～1988年,资料是通日月均值.这些台站中大部分是中国的台站.分析结果表明,北向分量的纬度效应很小.这一现象本身已说明半年周期变化的源场不能单用P_1~0模式描述.如用P_1~0模式的假设研究半年周期变化的感应尺度C会造成极大的偏差.目的是研究计算半年周期变化的C值应该用何种源场模式最合适.初步结果显示用P_n~0(n=1,…,5)模式估算的C值较合理.     

黄土地区粒度与磁化率分层对古地震研究的意义——以山西洞峪沟黄土剖面为例

探槽技术虽然已经发展成为古地震研究的重要手段,结合定年技术可以识别出古地震事件与地震重复间隔,但是仍然存在较大的不确定性和局限性。例如,目视解译难以区分黄土沉积内部的细层理,严重影响了古地震事件发生位置或时间的判定。如何提高古地震研究的精度和准确性,降低古地震事件判定的不确定性,是目前面临的一个迫切问题。山西洞峪沟剖面位于山西临汾盆地东北角,横跨霍山山前断裂带,不仅揭示了较好的黄土沉积序列,还揭露了明显的地层错断事件。因此,该剖面是一个开展高精度探槽古地震研究,降低判定古地震事件不确定性的理想场所。根据高精度的粒度与磁化率变化曲线,结合目视分层解译结果,对洞峪沟黄土剖面进行了精细分层,界定了各层的厚度和边界。依据细分层和断层两盘地层的对应关系,将u6层沉积以来的3次断错事件的发生位置和时间作了再限定,它们分别发生在u5-7、u4以及u2的顶部,对应断层上盘埋深7.1m、4.7m与2.9m。根据释光测年结果以及断层上盘地层的平均沉积速率,推测3次断错事件发生的时间分别在(48.1±1.5)~(43.2±2.5)ka BP接近45.8ka BP、(35.0±2.4)~(30.6±1.3)ka BP接近32.8ka BP、(26.4±0.8)~(20.9±0.7)ka BP接近23.3ka BP。根据3次黄土-古土壤沉积旋回的厚度差,判定3次地震的同震垂直位移分别为0.5m、0.4m和1.3m,累计位移2.2m。依据高精度粒度与磁化率变化曲线的地层分层方法,为有效降低黄土地区古地震研究的不确定性提供了一种很好的参考。     

地质时期古气候研究中的天文周期的稳定性

在过去500Ma的地质时期内影响地球气候的基本天文频率的预期变化也许能在地质记录中识别出来,并且这种影响已在几种情况下推理得出.计算结果表明,由于过去5亿年内,地-月距离以及日长随地质年龄增大而缩短,导致基本周期如黄赤交角周期及气候差周期由54至35,41至29,23至19和19至16千年的缩短,而在这一时间内,岁差常数由50弧秒/年增至61弧秒/年.由于行星系统不规则运动所造成的基频的改变极小,它们对气候岁差周期、黄赤交角周期及地球绕日轨道的偏心率周期的影响可以忽略不计,医此,用于研究第四纪气候的偏心事周期对前第四纪而言也许可以认为是大致恒定的.     

南海西部越南岸外晚第四纪黏土矿物记录: 物源分析与东亚季风演化

南海西部越南岸外MD05-2901孔晚第四纪450 ka以来黏土矿物和氧同位素的高分辨率分析表明, 伊利石、绿泥石和高岭石含量表现出明显的冰期-间冰期旋回变化, 而蒙脱石含量呈现频率更高的周期性变化. 物源分析表明, MD05-2901孔黏土矿物中的蒙脱石主要由巽他陆架及其主要源区印度尼西亚岛弧提供, 伊利石和绿泥石主要由湄公河和红河提供, 而高岭石则主要由珠江提供. 高岭石/(伊利石+绿泥石)比值的变化显示强烈的100 ka偏心率周期, 指示了冰盖驱动的冬季风演化; 而蒙脱石含量的高频变化除了具有冰盖驱动的41 ka斜率周期以外, 还具有23和19 ka岁差周期、以及13 ka半岁差周期, 指示了热带驱动的夏季风演化. 东亚冬季风的演化基本上与冰期-间冰期旋回一致, 冰期时强盛, 间冰期时明显减弱; 而夏季风的演化则与北半球低纬夏季日射量吻合较好, 日射量高时强盛, 低时减弱. 研究认为, 高纬冰盖和低纬热带分别驱动了晚第四纪东亚冬季风和夏季风的演化, 反映了东亚季风演化的双重和独立的驱动机制.     

云南元谋盆地含古猿化石层古地磁年龄及古生物学意义

云南元谋盆地含古猿化石剖面磁性地层学研究表明, 小河剖面记录了Cande-Kent95古地磁年表中的C3Br.1n, C3Br.1r, C3Br.2n, C3Br.2r, C4n.1n, C4n.1r, C4n.2n和C4n.2r 8个极性段, 地层应当归属中新世晚期. 该剖面有两个主要含古猿化石层, 下层(剖面第1层)记录了C4n.2r下部, 古地磁年龄约8.2~8.1 Ma; 上层(剖面第16层)记录了C3Br.1n, 古地磁年龄约7.2~7.15 Ma. 该剖面古猿化石古地磁年龄约为8.2~7.15 Ma. 雷老剖面记录了Cande-Kent95古地磁年表中的C3Br, C3Br.1n, C3Br.1r, C3Br.2n, C3Br.2r, C4n.1n, C4n.1r, C4n.2n, C4n.2r, C4n.3n和C4n.3r 11个极性段, 地层应当归属中新世晚期. 该剖面也有两个主要含古猿化石层, 下层(剖面第3层)记录了C4n.2r, 古地磁年龄约8.2~8.1 Ma; 上层(剖面第19层)记录了C3Br中部, 古地磁年龄约7.15~7.1 Ma, 雷老剖面古猿化石古地磁年龄约为8.2~7.1 Ma. 小河剖面与雷老剖面记录的沉积环境极为相似, 两个剖面的古猿化石年龄相当, 下古猿化石层古地磁年龄约8.1~8.2 Ma, 上化石层古地磁年龄约7.2~7.1 Ma. 这可能反映了在雷老盆地与小河盆地生活的古猿有统一的活动范围. 该区域大约在8.00~7.00 MaBP间始终有古猿活动.     

第四纪冰期旋回转型在南沙深海的记录

对南沙海区水深2772 m的ODP1143井上部105.08 m岩芯进行高分辨率氧同位素分析, 取得MIS 1～86期即2.25 Ma以来的历史, 时间分辨率约2 ka, 为迄今所知的最好记录之一. 氧同位素曲线详细展示了更新世的冰期旋回, 由早期的40 ka周期为主, 向晚期100 ka周期为主的"转型", 证明两者之间有一个长达近300 ka的过渡期, "中更新世革命"并非一次简单的突变. 而且在100 ka的冰期旋回中, 低纬区热带表层水的变化在先, 高纬区冰盖的反应在后. 对比表明, 北半球冰盖增大、冰期延长的原因不在冰盖本身, 而在北半球高纬区之外.     

末次冰消期东亚和挪威海气候事件的对比

通过对黄土-古土壤和泥炭剖面的高分辨率~14C年代学以及有机质的δ~(13)C值和有机碳百分含量的研究,揭示了末次冰消期百年尺度温暖-寒冷的东亚季风气候颤动事件及其反映的有意义的降水变率.它们由波令(Bolling13～12.5ka BP),老仙女木(Older Dryas 12.5～11.75ka BP),阿勒鲁德(Allerod 11.75～11.2 ka BP)和新仙女木(Younger Dryas 11.2～10 ka BP)事件构成.其地层结构表现出多种沉积相的变化,反映了气候的不稳定性.这些高频、快速的气候事件可与挪威海海面温度记录的气候事件—一对比.反映了东亚季风气候通过西风带及与其相关的气压系统与极地.高纬地区古气候的遥相关.     

青藏高原更新世黄土磁化率和磁性地层与高原重大气候变化事件

对甘孜详细的黄土磁性地层学研究表明, 甘孜黄土底部的年龄大约在1.13 Ma, 在0.95~0.92和0.65~0.5 Ma期间有两次显著的气候事件. 它们共同说明青藏高原大气环流在约1.13 Ma产生了显著的变化, 青藏高原进入冰冻圈; 在0.65~0.5 Ma左右青藏高原冰川作用可能达到最盛.     

蓟县元古界碳酸盐岩的碳同位素变化

天津蓟县元古界剖面长城系碳酸盐岩的δ~(13)C值基本为负值,蓟县系大体在(0±1)‰的范围内,进入青白口系井儿峪组一般在(2±2)‰的正值.从串岭沟组到大红峪组(约1700～1600 Ma)碳酸盐岩的δ~(13)C值大约由-3‰变化到0‰,但大红峪组δ~(13)C值大幅度振荡.蓟县系地层碳同位素组成发生两次较大的变化,分别在杨庄组和雾迷山第三亚组之后.相当完整和连续的碳同位素记录反映了约 1700～800 Ma全球海水的δ~(13)C值长期变化趋势.发生在约1700～1600 Ma和<约 1300 Ma海水的δ~(13)C值升高及大幅度振荡可能是两次全球性构造事件的响应.     

东亚季风95～56 ka BP期间D/O事件年代的精确测定:以中国神农架山宝洞石笋为例

据中国湖北神农架山宝洞内两根石笋的 23个U/Th年龄和532δ18O测试数据,建立了末次冰期95～56 ka BP时段平均分辨率为80 a的石δ18O时间序列.该记录可与南京葫芦洞δ18O记录作良好拼接,从而完整地揭示95 ka BP以来东亚夏季风环流千年尺度气候变化特征,其变化趋势与65°N太阳辐射曲线类似.与格陵兰冰芯δ18O记录的Dansgaard/Oeschger (D/O)1-22事件对比表明,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.石笋记录对D/O 事件的精确标定有可能进一步校正格陵兰冰芯时标.研究时段石笋记录的D/O事件与格陵兰North GRIP和GISP2冰芯时标存在不同程度的差别,其中D/O19-20两个事件的年龄偏差远超出铀系定年误差(±0.6ka).D/O19-20晚于North GRIP时标1～2 ka,而早于GISP2时标3～4 ka.与南半球巴西石笋δ18O记录对比表明,南北半球降水的D/O事件存在反相位关系,支持千年尺度海-气耦合的跷跷板("See-saw")模式.     

东亚季风95~56 ka BP期间D/O事件年代的精确

据中国湖北神农架山宝洞内两根石笋的 23个U/Th年龄和532个δ ¹⁸O测试数据, 建立了末次冰期95~56 ka BP时段平均分辨率为80 a的石笋δ ¹⁸时间序列. 该记录可与南京葫芦洞δ ¹⁸O记录作良好拼接, 从而完整地揭示95 ka BP以来东亚夏季风环流千年尺度气候变化特征, 其变化趋势与65°N太阳辐射曲线类似. 与格陵兰冰芯δ ¹⁸O记录的Dansgaard/Oeschger (D/O)1-22事件对比表明, 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. 石笋记录对D/O 事件的精确标定有可能进一步校正格陵兰冰芯时标. 研究时段石笋记录的D/O事件与格陵兰North GRIP和GISP2冰芯时标存在不同程度的差别, 其中D/O19-20两个事件的年龄偏差远超出铀系定年误差(±0.6ka). D/O19-20晚于North GRIP时标1~2 ka, 而早于GISP2时标3~4 ka. 与南半球巴西石笋δ ¹⁸O记录对比表明, 南北半球降水的D/O事件存在反相位关系, 支持千年尺度海-气耦合的跷跷板(“See-saw”)模式.