过去64万年以来湖北三宝洞石笋生长速率变化及其古气候意义

利用石笋平均生长速率变化来重建古气候环境变迁已成为洞穴古气候研究的重要领域。文章以湖北三宝洞横跨22~64万年的5支石笋167个230Th年龄数据为材料,结合过去的工作,重建了晚更新世64万年以来长江中下游地区东亚夏季风降水变化过程。结果表明:深海氧同位素(MIS)1,5.3,5.5,7.3,7.5,9,15.1,15.5阶段石笋生长速率显著增大,指示东亚夏季风强度增强,降水增多;相反,冰期阶段生长速率缓慢或者不发育,指示夏季风强度减弱,降水明显减少,但平均生长速率指标并不能定量指示夏季风强度变化。当石笋生长速率低于10μm·a^(−1)时,不能有效地指示冰期—间冰期旋回变化。在轨道尺度上,平均生长速率所揭示的冰期—间冰期波动可能归因于全球冰量和太阳辐射共同作用的结果。

神农架三宝洞倒数第二次冰期高分辨率石笋δ^(13)C记录

基于神农架三宝洞两支石笋24个^(230)Th年龄以及637个δ^(13)C测试数据,建立了倒数第二次冰期191±1.8～133±0.6ka B.P.时段洞穴石笋高分辨率δ^(13)C的时间序列。在冰期/间冰期尺度上,δ^(13)C值振幅达4.5‰,整体变化趋势与全球冰量曲线类似。在倒数第二次冰期,石笋δ^(13)C记录揭示出一系列较大振荡幅度的千年尺度气候事件,并且与北大西洋SST记录的倒数第二次冰期9个千年尺度冷暖事件一一对应,甚至在某些DO亚旋回事件上也具有一定的对应关系。倒数第二次冰期北大西洋6个冰漂碎屑事件也在三宝洞石笋δ^(13)C记录中留有印迹。三宝洞石笋δ^(13)C记录将末次冰期东亚季风气候与北大西洋气候的联系拓展至倒数第二次冰期,进一步说明倒数第二次冰期北大西洋温盐环流对季风气候仍然起着中重要的作用。

湖北三宝洞石笋^(238)U值变化的古气候意义

通过对湖北三宝洞17支石笋160个测年样品的铀同位素数据分析,发现过去18万年以来石笋238 U值长尺度变化与其δ18 O记录有一定的负相关关系,与西太平洋海表温度变化具有良好的正相关。石笋238 U值在间冰期波动剧烈,而在冰期波动相对平缓,在冰期—间冰期转型时238 U值"爆发式"增大。在轨道尺度上,高浓度238 U对应于石笋平均生长速率的高值期,而低浓度值对应于生长速率的低值期。上述结果表明与外界气候变化相关的洞穴上覆土壤的成壤过程和岩溶水文变化可能是控制石笋238 U含量变化的主要因素,石笋238 U可以作为一个新的洞穴气候环境代用指标,但仍须谨慎对待。

石笋初始^(234)U/^(238)U值的冰量周期特征及其环境意义——以湖北三宝洞为例

石笋氧同位素记录具有明显的2万年周期,其他记录中广泛存在的10万年周期是否在石笋中有所表现目前还鲜有报道。通过对湖北三宝洞20支石笋的铀同位素数据的分析研究发现,石笋初始^(234)U/^(238)U值在序列连续性较好的640.3～299.6 ka B.P.时间段有强烈的10万年周期特征。在间冰期和冰期时,初始^(234)U/^(238)U值分别呈增大和减小状态。初始^(234)U/^(238)U值的10万年周期与全球冰量、黄土磁化率、黄土平均粒度和大气CO_2变化有良好的对应关系。这些对应关系表明全球冰量、大气CO_2对喀斯特区地球化学元素富集和迁移作用有重要影响。石笋氧同位素的显著岁差周期独立于石笋微量元素、高纬冰量和全球温室气体变化,暗示了太阳辐射变化对中低纬水汽环流的直接影响。石笋初始^(234)U/^(238)U与氧同位素、太阳辐射在冰消期时的对应变化支持北半球太阳辐射能量变化对冰期—间冰期旋回的调控作用。

湖北三宝洞石笋生长速率及其古气候意义

石笋生长速率通常被作为反映古气候或古环境变化的有效代用指标。本文以湖北三宝洞22万年以来17支石笋为材料,实测了190个^(230)Th年龄,其生长曲线显示MIS 1和MIS 5阶段平均生长速率较大,超过70μm/a;MIS 2,MIS 3,MIS 4和MIS 6阶段生长速率较慢,均低于25μm/a,甚至停止生长。间冰期平均生长速率比冰期增加了1～2倍以上,且具有"爆发式"快速生长的特点。以5000年为步长的同一洞穴17支石笋生长频率支持平均生长速率的研究结果,说明在轨道尺度上较大的石笋生长速率能够有效地指示暖湿的气候条件。研究结果表明,间冰期高海平面和强太阳辐射增强了研究区季风环流,提高了地表植被覆盖率,有利于洞穴岩溶水过饱和,从而导致间冰期多支石笋连续高速生长。

深海氧同位素8期东亚夏季风旋回与事件的湖北神农架洞穴记录

根据神农架三宝洞一支长610mm石笋的7个230Th年龄和355个δ18O数据,将该洞石笋季风记录延伸至深海氧同位素8阶段(MIS8).虽然230Th年龄在该时段的误差达3～4ka,但根据石笋剖面δ18O的波动幅度(3.4‰)以及沉积速率的相对稳定性,获得了284～240kaBP连续的东亚季风气候记录.石笋δ18O记录的岁差旋回与北半球65°N太阳辐射能量曲线类似,这进一步支持了轨道尺度太阳辐射直接控制亚洲夏季风变化的假说.MIS8至少存在6个千年尺度的夏季风增强事件(振幅>0.5‰,持续时间>1ka),叠加于轨道尺度的季风气候旋回之上.邻近冰消期的3个显著的夏季风减弱事件大致可与北大西洋冰漂碎屑事件对比,说明此类全球性特征的千年尺度事件持续发生在更老的冰期气候边界条件下.与最近两次冰消期相似,倒数第三次冰消期也表现为两个阶段的变化过程,即阶段1为夏季风减弱时期(约250～244kaBP),此时期南极温度和CO2浓度缓慢上升;阶段2(244kaBP附近)为夏季风快速增强时期,与CH4浓度突变同步,南极温度和CO2浓度则达到最大值.北半球高纬度太阳辐射能量的变化有可能触发了冰消期的开始,而南半球温度变化则是终结东亚季风倒数第三次冰消期的要素之一.

中国东部季风区与西北干旱区降水变化的石笋记录对比

中国东部季风区和西北干旱区分别受控于季风和西风环流,是全球变化响应的敏感区域.过去50年全球升温,西北干旱区降水显著增加,而东部季风区的降水变化不明显.在未来全球继续变暖的情况下,两个地区降水将如何变化尚不清楚.利用湖北神农架三宝洞和新疆特克斯科桑洞的石笋生长速率记录,考察它们对降水变化的响应,研究冰期-间冰期旋回中两地的降水变化及其差异,为未来气候变暖下的中国降水模型预测提供一个验证实例.研究表明,500ka以来中国东部季风区和西部干旱区降水呈现冰期-间冰期波动变化,气温偏高的间冰期降水量大.但是,中国西北干旱区降水的响应滞后于东部季风区,指示两地降水对温度变化的响应可能并非完全同步.