2020, Vol.40
2 福建师范大学地理研究所, 福建 福州 350007)
末次冰盛期(Last Glacial Maximum，简称LGM，26.5~19.0kaB.P.)全球冰盖范围达到最近一次冰期极大值[1~2]。此时，北半球太阳辐射达到极小值，海平面位置、陆地植被类型以及全球大气和水文系统都发生显著的变化[3~4]。作为末次冰消期的前奏，了解LGM的气候特征对于理解全球冰期-间冰期的驱动机制具有重要的作用。在末次冰盛期约19kaB.P.时，海平面突然升高了10~15m[5]，深海沉积物231 Pa/230Th记录也表明大西洋径向翻转环流(Atlantic Meridional Overturning Circulation，简称AMOC)增强[6]，北大西洋海表温度(Sea Surface Temperature，简称SST)重建表明此时出现一个较高温时期[7]。在赤道太平洋海温重建结果中也发现约20~17kaB.P.出现了明显的升温期[8]。全球CO2和CH4浓度也在这一时段开始增加[9~10]。上述研究表明末次冰盛期约19ka变暖有可能是一次全球性的事件。中国洛川黄土10 Be记录也表明Heinrich1(H1)事件前出现一个降水增多时期[11]。青藏高原东南缘天才湖夏季温度重建表明在19.2~18.5kaB.P.之间温度迅速恢复到间冰期值，表明这一时期气候的快速变暖[12~13]。同期，印度季风区Bittoo洞和东亚季风区祥龙洞、青天洞与葫芦洞的石笋记录也表明夏季风强度显著增强[14~17]。
末次冰盛期回暖事件(19.0~17.6kaB.P.)，对理解末次冰期终止机制具有重要意义。亚洲季风不仅作为高低纬间水热传输的通道，而且还是南北半球气候联系的桥梁[18~19]。本文选取典型东亚夏季风区福建仙云洞一支石笋(XY7)为研究对象，建立了26.4~14.9kaB.P.时段内十年际分辨率的夏季风演变记录，重点探讨19.0~17.6kaB.P.出现的千年尺度季风增强事件。通过对比已有的其他高分辨率石笋记录和高低纬地区古气候记录，进一步探讨其区域差异和可能的驱动机制。
1 材料与方法本研究所用石笋样品(编号：XY7)采自福建省西南部连城县赖源乡的仙云洞(25°33′N，116°59′E；见图 1)。该洞穴位于典型东亚夏季风前沿，水汽主要来源于西太平洋。该地区全年气候温和，降水充沛，多年平均气温为19~21℃，降水量为1600~1800mm，全年70 %以上的降水集中在4~10月。仙云洞发育于二叠系栖霞组石灰岩地层，上覆岩层厚度约为30~50m。洞穴上方发育土壤为黄壤，植被繁茂，以毛竹林、林下灌木草本植物为主。洞口海拔高度约970m，自洞口向内呈阶梯状下延，主要通道分为左右两支，已探明洞道长度约2500m。洞穴封闭性较好，洞穴内的温度和相对湿度稳定，实测温度为约17.5℃，实测湿度常年接近100 % [20]。洞内有若干个大小不等的洞厅，滴水点众多，次生碳酸盐发育良好[20]。
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图 1 洞穴地理位置示意图 红色五角星代表仙云洞位置(本研究)，白色五角星分别表示Bittoo洞[14]、祥龙洞[15]、青天洞[16]、葫芦洞[17]的位置 Fig. 1 Map showing the cave locations. The red star indicates the position of Xianyun Cave, and the white stars indicate the positions of Bittoo Cave[14], Xianglong Cave[15], Qingtian Cave[16] and Hulu Cave[17], respectively |
样品XY7采集于仙云洞右侧支洞的中部大厅，呈圆柱状，全长330mm，外部直径约70~80mm(图 2)。石笋沿着中心生长轴切割、抛光，抛光面光滑且无溶孔，由致密的方解石晶体组成。剖面下部呈乳白色、半透明，上部颜色偏暗色。样品具有稳定的沉积中心，没有发现明显的沉积间断。在石笋抛光面上用直径为0.9mm的牙钻沿着生长轴钻取16个样品用于230Th定年，每个样品重量约为30~40mg，样品化学前处理及仪器测试方法参考前有研究[21]，分析仪器为MC-ICP-MS Neptune型电离质谱仪。样品的化学前处理及测试工作在台湾大学高精度质谱与环境变迁实验室(HISPEC)完成。使用直径为0.5mm的牙钻沿着石笋中心生长轴以1mm为间隔钻取粉末样，共获取327组碳氧同位素样品。使用碳酸盐自动进样装置Kiel-IV与Finnigan MAT-253型质谱仪联机完成测试，每9个样品插入1个标准样品(NBS-19)，分析误差(±2σ)优于0.06 ‰，结果以δ18O(VPDB)标准表示，测试工作在福建师范大学稳定同位素中心完成。
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图 2 仙云洞石笋XY7的抛光面图及年龄-深度模型 (a)仙云洞石笋XY7的抛光面图，其中黑点表示U-Th定年的位置，左侧所列为测年结果；(b)仙云洞石笋XY7年龄-深度模型，其中误差棒表示石笋230Th测年点及测年误差(±2σ) Fig. 2 Polished section and age-depth curve of sample XY7. (a)Photograph of stalagmites XY7. Black dots indicate the positions for U-Th dating and the ages(ka B.P.)are listed on the left side; (b)The age-depth model of stalagmite XY7. Error bars indicate stalagmite 230Th dating points with dating errors(± 2σ) |
表 1给出了石笋XY7的16个230Th实测年龄及其误差范围。定年结果显示，XY7样品的238 U含量高(13×10-6~24×10-6g/g)，而232 Th含量较低(0.07×10-9~6×10-9g/g)，石笋的测年精度都较高，测年误差在± 30~±60a之间。根据定年结果以线性内插和外延方法建立石笋沉积演化的年代标尺(图 2)，结果显示仙云洞石笋XY7发育时段为26.4~14.9kaB.P.。从石笋生长速率图可以看出，XY7的生长速率以150mm处的定年点为界，在距顶5~150mm层段生长速率为0.024mm/a，平均分辨率为42a；在距顶150~327mm层段生长速率为0.034mm/a，平均分辨率为29a；整个研究层段的平均分辨率为35a。
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表 1 仙云洞XY7的230Th测年结果 * Table 1 230Th dating results for stalagmites XY7 from Xianyun Cave |
判断石笋在沉积的过程中是否达到同位素平衡分馏是从气候学的角度解释石笋δ 18O意义以及用其重建古气候记录的先决条件[22]。“Hendy Test”是传统上评估同位素平衡分馏条件的常用方法[22~24]。Dorale和Liu[25]提出，“重复性检测”是比“Hendy Test”更严格的同位素平衡分馏检测方法，同一洞穴内不同石笋的δ 18O记录在相同时段内具有良好重现性是这一方法对满足同位素平衡分馏的评估要求。为了验证XY7记录的可靠性，将其与同一洞穴已发表的两支石笋记录(XY11和XY Ⅲ -28)进行比较[26~27]。如图 3所示，在16.2~15.0kaB.P.时段XY7与XY11的石笋δ 18O记录在变化趋势和同位素值上都基本吻合。在26.0~23.0kaB.P.时段XY7与XY Ⅲ -28的石笋δ 18O记录不仅在变化趋势、振幅程度和绝对值等方面基本一致，在事件的一些细节方面也有明显的相似性。如约24.2kaB.P.，两支记录都显示了δ 18O的突然偏正，在100a左右的时间里δ 18O偏正幅度达0.6 ‰，对应于H2事件的开始。3支石笋δ 18O记录在相同时段内良好的重现性充分说明XY7δ 18O记录变化主要受气候因素控制。
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图 3 仙云洞石笋的δ 18O记录 红色代表石笋XY7的δ 18O曲线；暗蓝和浅蓝分别代表石笋XY11和XY Ⅲ-28的δ 18O曲线[26~27]误差棒表示石笋XY7的230Th测年点及测年误差(±2σ)；灰色阴影区表示发生在19.0~17.6kaB.P.明显的同位素负偏时段 Fig. 3 Time sequences of oxygen isotope from Xianyun Cave. Red represents the δ 18O curve of stalagmite XY7; Dark blue and light blue represent XY11 and XY Ⅲ-28, respectively[26~27]. Error bars indicate stalagmite 230Th dating points and dating errors(±2σ). The gray rectangle indicates one interval of negative excursion of δ 18O during 19.0~17.6kaB.P. |
仙云洞石笋XY7的δ 18O记录(图 3和图 4e)时段为26.4~14.9kaB.P.，整个记录中δ 18O值振幅为1.7 ‰，在-7.1 ‰ ~-5.4 ‰之间波动，平均值为-6.5 ‰。从26.4~24.2kaB.P.时段，δ 18O值在-6.7 ‰左右振荡。随后，在24.2~23.8kaB.P.时段δ 18O值显著偏正，对应于Heinrich 2事件(H2事件)。22.6~19.0kaB.P.时期，δ 18O值呈现缓慢偏正的趋势，并叠加有几个百年尺度振荡。自约19.0kaB.P.开始，δ 18O值开始偏轻，直至约18.0kaB.P.达到极小值后开始缓慢偏正。在约16.0kaB.P.时，δ 18O偏正至-5.4 ‰，这是整个石笋记录中的最大值，对应于H1事件。整体上看，XY7石笋记录最为显著的特征是在19.0~17.6kaB.P.出现一个δ 18O值明显偏负时期。
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图 4 仙云洞氧同位素与其他洞穴石笋记录对比 (a)祥龙洞石笋δ 18O记录[15]；(b)葫芦洞石笋δ 18O记录，蓝色表示H82，淡蓝色表示MSD[17, 28]；(c)青天洞石笋δ 18O记录，深紫色表示QT20，蓝紫色表示QT29[16]；(d)Bittoo洞石笋δ 18O记录[14]；(e)仙云洞石笋δ 18O记录(本研究)；(f)Flores洞石笋δ 18O记录[41]不同颜色误差棒为各自石笋的测年点及误差(±2σ)；黄色阴影区表示19.0~17.6kaB.P.的夏季风增强事件，灰色阴影区表示H1和H2 Fig. 4 The comparison of isotope records from (a) Xianglong Cave[15]; (b)Hulu Cave, blue denote H82, light blue denote MSD[17, 28]; (c)Qingtian Cave, modena denote QT20, bluish violet denote QT29[16]; (d)Bittoo Cave, North India[14]; (e)Xianyun Cave(this study); (f)Flores Cave[41]. The 230Th ages and uncertainties(±2σ)are color-coded by stalagmites records. The yellow rectangle indicates a strengthened Asian summer monsoon events during 19.0~17.6kaB.P. and gray bars corresponded to H1 and H2 |
由于石笋δ 18O受多重因素的控制，导致季风区石笋δ 18O的气候学意义存在不同的认识。研究表明，石笋δ 18O主要继承降水δ 18O信号[28~30]。基于瑞利分馏理论，石笋δ 18O反映了水汽源和洞穴位置之间季风综合降水的变化[19, 31]，可将其评估为沿着水汽输送路径的季风强度指标，这一解释也得到模型研究和其他代用指标的支持[32~33]。尽管还有水汽来源、夏季风降雨量变化、环流效应等不同的解释[34~39]，但是亚洲季风区石笋δ 18O记录在轨道-千年尺度上具有大范围的区域一致性，也很好佐证了石笋记录反映了平均状态下的夏季风强度。本文基于先前石笋记录的解释，将石笋δ 18O作为东亚夏季风强度的代用指标，即石笋同位素值偏负反映强夏季风；反之，则表示弱夏季风。
3.2 仙云洞氧同位素与其他洞穴记录对比此前的研究已经表明亚洲季风与北高纬气候变化在千年尺度上具有遥相关[28, 40]。仙云洞XY7石笋也明确记录到了H2和H1事件。在XY7的记录中H2开始时间为24.2±0.1kaB.P.，与此前仙云洞XY Ⅲ -28石笋标定的H2开始时间24.1±0.1kaB.P.误差范围内一致[26]。如图 4所示，在记录范围内除了分辨率相对较低的印度Bittoo洞对H2的记录[14]比较模糊外，祥龙洞[15]和葫芦洞[28]关于H2事件都有明确的记录。另外，在亚洲季风区仙云洞、祥龙洞[15]、葫芦洞[17, 28]和Bittoo洞[14]石笋记录中，H1期间石笋δ 18O都达到了末次冰盛期以来氧同位素的最偏正值，指示了亚洲夏季风此时达到了最弱时期(图 4)。仙云洞记录最为显著的特征是在LGM晚期19.0~17.6kaB.P.时期δ 18O显著偏负，指示了一次千年尺度的东亚夏季风增强事件(图 3和图 4e)。XY7记录显示在约19.0kaB.P.氧同位素开始逐渐负偏，夏季风开始增强，约18.0kaB.P.夏季风达到最强状态后开始逐渐减弱，在约17.6kaB.P.强夏季风事件结束。如图 4所示，这一夏季风增强事件在季风区各地洞穴石笋记录中都有不同程度的体现，东亚季风区的祥龙洞[15]、葫芦洞[17, 28]和青天洞[16]、以及印度季风区的Bittoo洞[14]都有明确记录(图 4a~4d)。与此同时，位于南半球印度尼西亚Flores的石笋记录表明约在19.0~17.5kaB.P.期间氧同位素显著偏正，降水急剧减少，与北半球石笋记录的夏季风增强具有明确的反相位[41](图 4f)。这不仅进一步支持这一千年尺度事件具有全球响应，也表明其与末次冰期发生的千年尺度Dansgaard-Oeschger(DO)事件相类似，南北半球的气候存在显著的反相位关系，呈现出“see-saw”模式[42~44]。
尽管亚洲季风区各地洞穴石笋都明确记录了这一强夏季风事件，但石笋δ 18O的振幅存在一定的差异。仙云洞石笋XY7记录中这一强夏季风事件振幅约为0.5 ‰，而在祥龙洞、葫芦洞和印度Bittoo洞中这一值分别约1.7 ‰、1.5 ‰和1.8 ‰ (图 4)。南半球印度尼西亚Flores石笋记录中这一事件的振幅变化为约0.7 ‰，与仙云洞较相似(图 4)。最近，基于我国东南地区峨眉洞200年以来的石笋记录与器测资料对比发现，石笋δ 18O受降水季节性比重所控制[45]。仙云洞地处我国东南沿海，该地降水同位素的季节性差异相对内陆地区偏小[46]，因而在整个记录中仙云洞δ 18O值约1.5 ‰的振幅要比祥龙洞(4 ‰)、葫芦洞(3 ‰)和Bittoo洞(4 ‰)小的多(图 4)，这可能是仙云洞记录中这一强季风事件振幅较小的原因。另外，已有研究表明热带西太平洋水文影响的低纬地区与海冰影响的高纬度地区对气候突变的响应具有较大差异[47]，考虑到仙云洞纬度较低，更靠近水汽源，有可能更多地受到来自低纬水文循环过程的影响。其次，末次冰盛期海陆边界变化引起大气环流和不同来源水汽通量的变化，洞穴位置与水汽源距离的改变也可能是导致石笋δ 18O振幅差异的原因[48]。
3.3 东亚夏季风增强的机制探讨亚洲季风变化受到了太阳辐射和北大西洋气候的共同调制，在轨道尺度上受控于北半球夏季太阳辐射强度的变化，千年尺度上主要响应于北高纬气候变化[19, 30, 40]。19.0~17.6kaB.P.夏季风增强事件的独特性在于其发生在末次冰期终止期(Termination I，简称TI)阶段，出现在H1冷事件前，有可能属于冰期终止的重要组成部分，因此该事件的驱动因素比冰期DO暖事件更为复杂，争议也更多。研究发现历次冰期终止阶段都伴随有千年尺度的弱季风事件，在TII和TⅢ阶段的弱季风事件前都出现了类似于19.0~17.6kaB.P.的强季风事件，对应于北半球夏季太阳辐射开始增加[19, 30]。Cheng等[19, 30]将这些千年尺度弱季风归结于是对冰盖融解导致的北大西洋冷异常的响应，而冰盖的融解和夏季风初始增强可能都是对北半球夏季太阳辐射增加的响应。这一观点强调了冰期终止阶段特殊的气候背景条件下，太阳辐射在推动全球气候变化上发挥重大作用。另外，Zhang等[16]基于北大西洋沉积物231 Pa/230Th、Cariaco盆地反照率、季风区石笋记录的一致性，认为约19ka强季风事件主要响应于北大西洋气候变化，AMOC增强使半球间温度梯度变大，导致越赤道气流增强和热带辐合带(Intertropical Convergence Zone，简称ITCZ)北向迁移，使亚洲夏季风增强。Wu等[17]则指出格陵兰的温度与AMOC有更为直接的关系，然而此时格陵兰温度升高并不显著，所以很难用AMOC来解释约19kaB.P.夏季风的显著增强，并将ENSO活动引起的热带太平洋的海-气耦合作用看作是更为可能的主导机制。
亚洲季风演变既受太阳辐射等外部驱动因子的影响，又受地球气候系统内部海气耦合作用的复杂调制[18~19]。19.0~17.6kaB.P.夏季风增强发生在太阳辐射强度由弱开始缓慢上升的开始阶段[3](图 5a)，这表明太阳辐射能量的变化可能直接或间接的对这一时期亚洲季风增强发挥了重要作用。亚洲季风作为高低纬间热量和水汽传输的重要气候系统之一，其变化更直接的响应于全球海气环流的重组[49~50]，因此太阳辐射可能是通过影响全球海气环流模式进而对亚洲季风起到间接性的作用。AMOC的重启或闭合通过海气环流机制快速影响全球气候，亚洲季风对此响应敏感[51~53]。研究表明AMOC和北大西洋海温具有双向性影响，北高纬太阳辐射能的增强也可能影响北大西洋海温分布，对AMOC恢复发挥作用[54]。从图 5可以看出19.0~17.6kaB.P.夏季风增强相对应于AMOC增强和北大西洋SST升高(图 5b~5c)。AMOC增强，北大西洋SST经向梯度减小，使西风急流减弱，导致北半球冬季风减弱夏季风增强[55~57]。同时，伴随着ITCZ向北移动，北半球Hadley环流扩大加强，使夏季风进一步加强[58~59]。
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图 5 仙云洞石笋δ 18O记录与其他古气候记录对比 (a)65°N太阳辐射(7月)[3]；(b)北大西洋SU-8118孔SST记录[7]；(c)231Pa/230Th记录，北大西洋GGC5岩芯[6](AMOC指标)；(d)仙云洞石笋δ 18O记录(本研究)；(e)热带西太平洋SST记录[8]，其中蓝色表示TGS-931岩芯，青色表示SO217-18526岩芯，棕色表示SO217-18522岩芯，粉色表示SO217-18519岩芯；(f)大气CH4浓度[9]；(g)大气CO2浓度[10]黑色箭头指示温度缓慢上升趋势；黄色阴影区表示19.0~17.6kaB.P.的夏季风增强事件 Fig. 5 Comparison of Xianyun Cave δ 18O records with other paleoclimate records. (a)July insolation at 65°N[3]; (b)SST reconstructed from North Atlantic marine sediment core SU-8118[7]; (c)231 Pa/230Th record from North Atlantic marine sediment core GGC5[6]; (d)Xianyun Cave δ 18O record; (e)SST reconstructed from western tropical Pacific Ocean marine sediment, storm blue denote core TGS-931, cyan denote core SO217-18526, brown denote core SO217-18522, pink denote core SO217-18519[8]; (f)Atmosphere CH4 concentrations[9]; (g)Atmosphere CO2 concentrations[10]. Black arrow indicates a slow rising trend. The yellow rectangle indicates a strengthened East Asian summer monsoon event during 19.0~17.6kaB.P. |
变暖的重要驱动因子温室气体和季风区主要水汽来源的热带太平洋海气变化可能也是重要的影响因素[30, 60]。然而，CO2和CH4浓度在约18kaB.P.仍然较低[9~10](图 5f~5g)，因此温室气体浓度变化无法用来解释夏季风显著。热带太平洋水文过程轨道尺度上响应于太阳辐射的岁差周期，千年尺度上也有类似现代ENSO的冷暖相位波动，夏季风增强可能受到热带太平洋变暖的影响[60~62]。热带西太平洋暖池SST重建记录表明在20~17kaB.P.温度升高约1.5℃，几乎达到了冰消期变暖的一半[8](图 5e)。热带太平洋模型实验表明，季节性的增加会削弱信风，有利于厄尔尼诺事件的增长，并导致平均温度升高[62]。模拟表明响应于轨道尺度上太阳辐射升高热带太平洋Super-ENSO暖事件频率在20~17kaB.P.急剧增加[62]。因此，我们推断热带太平洋Super-ENSO对19.0~17.6kaB.P.夏季风增强也可能起着重要的作用，但其具体的机制尚需要进一步的研究。
综上，我们认为19.0~17.6kaB.P.夏季风增强主要是受太阳辐射升高、北大西洋径向翻转环流加强和热带太平洋Super-ENSO的综合影响。未来应加强模型模拟工作的研究，深入探究其背后的机理。
4 结论(1) 本文基于中国东南地区福建仙云洞石笋的16个230Th年龄和327个δ 18O数据建立了26.4~14.9kaB.P.时段内东亚夏季风高分辨率的δ 18O记录。仙云洞记录中最显著的特征是19.0~17.6kaB.P.期间发生的东亚夏季风增强事件，这一夏季风增强事件在季风区各地洞穴石笋记录中都有不同程度的体现。
(2) 尽管亚洲季风区各地洞穴石笋都明确记录了这一强夏季风事件，但各地石笋δ 18O的振幅存在一定差异。与祥龙洞(1.7 ‰)、葫芦洞(1.5 ‰)、印度Bittoo洞(1.8 ‰)相比，仙云洞记录的振幅要小很多，仅为0.5 ‰。这可能与该地降水同位素的季节性差异较小以及受低纬水文循环影响较大有关。此外，末次冰盛期海陆边界变化导致的洞穴位置与水汽源距离的改变也可能是造成这种振幅差异的原因之一。
(3) 结合古气候记录分析认为，19.0~17.6kaB.P.夏季风增强受到北半球太阳辐射升高、北大西洋径向翻转环流加强和热带太平洋Super-ENSO的综合影响，而温室气体并未对这一强季风事件产生影响。
致谢: 感谢台湾大学HISPEC实验室沈川洲教 授在230Th定年中给予的帮助;感谢审稿专家和编辑 部杨美芳老师宝贵的修改意见。
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2 Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, Fujian)
Abstract
The warming episode (19.0~17.6 ka B.P.) during the Last Glacial Maximum (LGM) is a key to understand the mechanism of the termination of the last glacial period. This warming event has been reported in numerous records across the world, which often caused enhancement of a millennial-scale strengthed monsoon event.Here, we present a high-resolution stalagmite isotope (δ18O) record from Xianyun Cave (25°33'N, 116°59'E; 970 m a. s. l.) in Fujian Province. The monthly mean temperature inside the cave is ca.17.5℃, relative humidity inside the cave maintains 100% throughout the year. The stalagmite (number:XY7) sample collected in the right branch gallery of Xianyun Cave is 330 mm long and 70~75 mm wide. Based on 16 230Th ages and 327 stalagmite δ18O data, we reconstructed the changes of East Asian Summer Monsoon (EASM) from 26.4 ka B.P. to 14.9 ka B.P. (before 1950 A.D.), yielding an average resolution of 35 a. The three stalagmite δ18O records of Xianyun cave show remarkable similarities during their overlapping growth interval. The replication of these records confirms that the stalagmites were very likely deposited under isotopic equilibrium conditions and the δ18O signal recorded in these stalagmites is primarily dominated by climate change.The Xianyun Cave δ18O record captures this millennial-scale strong monsoon events that occurred in 19.0~17.6 ka B.P., which was also seen in other stalagmite records from Asian monsoon region. Compared with other monsoon sensitive records, the amplitude of Xianyun Cave δ18O record is much smaller, i.e., only 0.5 ‰. During this reconstruction period, the changes of δ18O are 1.7 ‰, 1.5 ‰ and 1.8 ‰ in Xianglong Cave, Hulu Cave and Bittoo Cave, respectively. Low amplitude of δ18O at our site may be attributed to the fact that our study site has a small amplitude of the seasonal precipitation δ18O, as it is located in the front area of the EASM and influenced by the low-latitude ocean hydrological cycle process. Co-varying patterns between our records and other high-and low-latitudes Paleoclimatic records suggest that the changes of boundary conditions in the late Last Glacial Maximum, such as the rising solar radiation, the enhancement of meridional circulation in the North Atlantic, and the tropical pacific super-ENSO conditions have contributed significantly to the strengthening of the EASM.