2016, Vol.36
② 江苏省环境演变与生态建设重点实验室, 南京 210023;
③ 南京师范大学地理科学学院, 南京 210023;
④ 台湾大学地质科学系, 台北 106)
大量的地质证据表明末次冰期存在显著的千年尺度气候突发事件，即Dansgaard-Oeschger事件[1](DO事件)。高分辨率的格陵兰冰芯 δ 18 O记录显示DO事件持续时间长短不一(约500年至2000年)，增温过程均为突变，温度波动一般在5～16℃[1-3]。更重要的是这些事件不仅仅局限于北大西洋高纬地区，在低纬季风区、 赤道地区、 南极及其邻近海域都发现类似的千年尺度气候事件[4]。在亚洲季风区，中国石笋研究表明末次冰期东亚夏季风强弱变化与北大西洋地区温度波动存在密切联系，并进一步识别出连续的千年尺度气候突变事件[5-12]。然而，DO 25事件在低纬地区、 南半球地质记录中却并不显著，甚至缺失。正如Zhou等[13]所指出在深海氧同位素5(MIS 5)阶段早期，高、 低纬气候系统在千年尺度上的联系可能发生了解耦。与末次冰期MIS 3阶段气候边界条件不同，MIS 5早期(末次间冰期结束后)两极冰盖较小，全球海平面、 二氧化碳浓度较高，太阳辐射变率较大[14]。格陵兰NGRIP冰芯 δ 18 O记录的DO 25事件是一个显著的亚轨道尺度气候突发事件，其结构特征与相邻的DO 24、 DO 23等事件相类似[2, 3]。意大利西北部Antro del Corchia洞(44°2′N，10°17′E) CC28石笋同样清晰地记录了DO 25气候事件，但其振荡幅度明显低于相邻DO 24气候事件[15]。在东亚季风区，贵州董哥洞(25°17′N，108°05′E) 和四川梭子洞(32°26′N，107°10′E) 石笋 δ 18 O记录显示东亚夏季风在DO 25事件期间没有增强的印记[13, 16]； 相反湖北三宝洞(31°40′N，110°26′E) 石笋记录却呈现出较弱的季风增强事件[6]。最近，贵州三星洞(27°22′N，107°11′E) 精确定年的SX29石笋 δ 18 O在 113.1±0.4ka B .P. 突然负偏了0.7 ‰ ，可能指示了DO 25季风事件的开始[17]，而Capron等[18]通过对格陵兰NGRIP冰芯同一层位多指标(δ 18 O、 δD、 δ 15 N、 δ 18 O2和CH4)记录分析指出北高纬DO 25事件与低纬环境变化并不一致，并质疑了冰芯DO 25事件否是为一个全球性的气候突变事件。那么，在不同冰量边界条件下高低纬气候系统是否持续耦合？研究这一问题对于人们深入理解末次冰期全球气候变化动力学机制至关重要，尤其是发生在间冰期向冰期转型的关键时期。
黄土高原地处东亚夏季风影响的边缘区，对夏季风进退变化非常敏感。与过去已发表的其他洞穴记录相比[6-8, 10, 13, 16]，位于中高纬度的山西石笋记录可能更适合验证DO 25事件是否发生在亚洲季风区。本文通过对山西龙洞石笋精确 230 Th定年和高分辨率氧同位素研究，获得了DO 25季风增强事件的演化特征，并尝试与北半球高纬地区其他地质记录对比来探讨MIS 5阶段早期东亚夏季风变化的驱动机制。
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表 1 山西石笋 MC-ICP-MS 测年结果 * Table 1 Uranium and thorium isotopic compositions and 230 Th ages for L4 stalagmite from Dragon cave by MC-ICP-MS |
山西省地处大陆东岸中纬度内陆，是典型的被黄土广泛覆盖的山地高原，其地势东北高西南低，有利于亚洲夏季风的入侵；同时，该区域又处于亚洲夏季风影响的边缘区，对冬、 夏季季风环流的进退变化非常敏感。在冰期，强劲的冬季风环流导致内陆沙漠区不断扩张，大气粉尘浓度明显增加，高原黄土堆积显著增厚； 相反，在间冰期，来自低纬的夏季风深入西北内陆干旱区，给当地带来了丰富的降雨，致使内陆沙漠区不断退缩，大气粉尘浓度降低，高原黄土成壤作用明显增强[19]。
太行龙洞(38°46′N，113°16′E) 位于山西省武乡县石泉村村东南10km处，洞口海拔为1600m。洞长约1000m，过道狭窄，碳酸盐景观丰富。洞外植被覆盖较好，主要由灌木和乔木组成。近几年洞穴观察发现此洞冬、 春季无滴水，夏、 秋季滴水明显增加。洞内实测温度为11℃，湿度接近100 ％ 。受东亚夏季风的影响，区域年平均降雨量约为530mm，集中分布在6～9月，约占全年降雨量的76 ％ 。
L4样品生长于龙洞底层大厅走廊一侧(距洞口水平距离约500m)，采集时已停止生长，高约115mm，外表皮泛黄且有明显的风化薄层。该样品呈柱形平顶状，直径上下均匀，表明其生长沉积期内洞顶滴水稳定。沿生长轴切开，取其一半打磨抛光，肉眼可见清晰水平状生长层。样品自上而下均由纯净碳酸盐方解石组成，岩性致密无溶孔。在距离顶部85～90mm处有一条棕黄色条带。以此条带为界，其上下岩性均为白色( 图 1)。
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图 1 山西石笋L4剖面图 Fig. 1 Image of the stalagmite L4,collected from Dragon cave |
在抛光面上，用直径为0.9mm牙钻沿石笋地层学顺序钻取4个粉末样品，用于铀系年代测定，中间两个样品(L4-80和L4-93)恰好分布在棕黄色条带上下。所有样品均在台湾大学高精度质谱与环境变迁实验室进行化学处理[20]，利用多接收头电感耦合质谱仪(MC-ICP-MS，Neptune)完成铀钍同位素及元素分析[21]( 表 1)。同时，沿石笋生长中心轴采用0.3mm的钻头，以1mm为间距获取110个氧同位素样品，在南京师范大学地理科学学院同位素实验室进行分析，测量值以相对于VPDB标准表示，长期仪器分析误差(±2σ)小于0.06 ‰ 。
2 结果与讨论 2.1 时标序列的建立由 表 1可知，石笋L4的 238 U含量高(约1000～2000 ppb)，而 232 Th含量较低( ＜100 ppt)，因此测年精度整体较高(优于5 ‰ )。4个样品年龄均按沉积序列先后排列，测年误差均在0.5ka 左右。黄色条带上下两个年龄分别是 113.2±0.7ka B .P. 和 113.9±0.5ka B .P. ，且无明显风化层或沉积碎屑层( 图 1)，表明该层段石笋连续沉积。本文通过对实测年龄点等间距线性内插与外延建立MIS 5d 阶段沉积演化时间序列。结果显示： 石笋L4沉积于约114.4～111.3ka B .P. ，生长速率在26～43μm/a之间变化。实测氧同位素值深度-年龄误差为相邻实测年龄点误差之平方和除以2,再开平方后所得。
2.2 石笋δ18 O记录图 2b显示L4石笋 δ 18 O在-7.5 ‰ ～-10.0 ‰ 之间波动。从 114.4±0.6ka B .P. 开始，δ 18 O值逐渐持续偏负，在 111.3±0.6ka B .P. 达到最负值后突然停止生长，整个过程持续了3100年左右。在114.4～113.9ka B .P. ，石笋 δ 18 O平均值为-7.8 ‰ ； 在113.9～111.3ka B .P. ，石笋 δ 18 O平均值为-8.5 ‰ 。 类似于湖北三宝洞[6]、 贵州三星洞[17]石笋 δ 18 O记录，L4的 δ 18 O值在 113.9±0.6ka B .P. 时突然从-7.7 ‰ 减少至-8.8 ‰ ，振荡幅度超过1 ‰ ，可能指示了DO 25事件的开始。
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图 2 山西、 湖北[6]和贵州[17]石笋 δ 18 O时间序列对比黑色圆点为实测年龄和误差，虚线是湖北三宝洞石笋SB23记录的DO 25 事件的起止时间 Fig. 2 Comparison of the stalagmite δ 18 O time series during MIS 5d. From top to bottom，(a)SB23 record from Sanbao cave in Hubei Province，Central China[6]； (b)L4 record from Dragon cave in Shanxi Province，Northern China； (c)SX29 record from Sanxing cave in Guizhou Province，Southern China[17]. All ages(black dot)with a 2σ error are reported as thousand years before present(kaB .P. before 1950A .D .). Dot-line denotes the onset and the end of the timing of DO 25 monsoonal event，as recorded by the sample SB23 |
图 2显示山西龙洞与湖北三宝洞 δ 18 O记录[6]具有较好的重现性，表明石笋L4是在接近同位素平衡分馏状态下沉积的，故其 δ 18 O值的波动主要反映洞穴外部气候条件的变化。一般来说，北方夏季风降水能够反映东亚夏季风强度的变化，即强的东亚夏季风环流能够携带更多的水汽达到北方，反之亦然。过去的工作已表明北方石笋 δ 18 O主要受控于当地大气降水氧同位素组分的变化[23-26]，这一推论也得到器测记录和其他地质记录的支持[27-29]，例如，山西宁武树轮纤维素 δ 18 O记录显示在1954～2003年，其年内变化与生长季降水量呈负相关[29]； 陇中盆地近2000年旱涝指数序列与陕西黄爷洞石笋 δ 18 O序列具有较高的相关性[26]； 北京苦栗树洞(Kulishu)石笋年内季节性氧同位素比率分析结果也表明全新世较轻的 δ 18 O值密切联系强的夏季风带来的充沛降水量[30]。为此，我们理解山西石笋 δ 18 O越偏负，表示东亚夏季风越强，当地季风降水愈多，反之亦然。这一理解也得到气候-同位素模型模拟结果的支持[31]。
2.3 石笋记录的DO 25事件过去的研究表明： 在千年尺度上，中国石笋 δ 18 O记录具有较好的区域重现性特征[5, 6, 17]。在 图 2和 图 3b中，山西石笋 δ 18 O值在 113.9±0.6ka B .P. 突然偏负1.1 ‰ ，随后持续阶梯式减少，直至石笋L4于 111.3±0.6ka B .P. 停止生长。
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图 3 高低纬石笋、 冰芯氧同位素记录对比 (a)格陵兰冰芯 δ 18 O记录[1]； 低纬亚洲季风区石笋 δ 18 O记录，分别来自山西龙洞 (b)、 甘肃万象洞[9] (c)、 湖北三宝洞[6] (d)、 四川梭子洞[13] (f)、 贵州董哥洞[16] (g)和南半球巴西Botaver洞[32] (h)； (e)北半球65°N夏季太阳辐射曲线[33] 黑色圆点为石笋实测年龄及其年龄误差； 值得注意的是在 图 3h南半球石笋纵坐标值呈反向； 浅灰色与灰色阴影带分别表示DO 25与 GS 25气候突变事件 Fig. 3 Comparison of the stalagmite，Ice Core δ 18 O time series during MIS 5d in both hemispheres. From top to bottom，Greenland ice core record[1](a)； Chinese stalagmite records from Dragon (b)，Wangxiang[9] (c)，Sanbao[6] (d)，Suozi[13] (f) and Dongge[16] (g)caves； (h)Stalagmite δ 18 O record from Botaver cave，Southern Brazil[32]； (e)The changes of summer insolation at 65°N in the Northern Hemisphere[33]. All ages(black dot)with a 2σ error are reported as thousand years before present. The light gray and gray bars suggest DO 25 and GS 25 climate events，respectively |
这表明该时段东亚夏季风强度显著增强。类似的夏季风增强过程同样清晰地记录在高精度定年的湖北三宝洞石笋 δ 18 O记录中( 图 3d)，如一个明显的DO 25季风事件开始于 113.9±1.6ka B .P. ，结束于 111.2±1.6ka B .P.[6]； 同样，地处夏季风边缘区的甘肃万象洞在 114.5±3.4ka B .P. 时石笋 δ 18 O值快速偏负1 ‰ ( 图 3c)，但其较大的年龄误差阻碍了DO 25季风增强事件结束时间的精确标定[9]。尽管以上3个地点相隔千里，但所有石笋 δ 18 O值系统偏负的结果一致表明DO 25事件应该是一个区域性亚洲夏季风增强事件。这一推论也得到来自南半球巴西Botaver洞石笋 δ 18 O记录的支持(尽管其年龄时标误差较大)( 图 3h)[32]。在DO 25期间，南美夏季风降水明显减少，镜像对应于北半球亚洲夏季风降水增加( 图 3b和3d)； 相反的情形也对应于Greenland Stadial(GS)25事件。但这一季风增强事件在四川梭子洞石笋 δ 18 O记录中却没有体现( 图 3f)[13]。尽管贵州董哥洞高分辨率石笋 δ 18 O值在MIS 5d 期间呈现出微弱减小趋势( 图 3g)[16]，但我们仍不能判定其否是为一次季风增强过程。我们已注意到在MIS 5d阶段，三宝洞石笋记录的DO 25事件确实是一次最弱的季风增强事件，其 δ 18 O振荡幅度约为1 ‰ ( 图 3d)，相当于相邻DO 24事件振荡幅度的1/3。一个不能忽略的事实是DO 25季风增强事件恰好发生在岁差尺度最低太阳辐照初始上升阶段，而DO 24季风事件却发生在日照辐射的峰值阶段( 图 4)。图 3显示在山西石笋生长时段内，其 δ 18 O长期趋势变化平行于北半球夏季太阳辐射能量的变化(图 3e)。这些证据表明北半球太阳辐射的变化仍是调控千年尺度亚洲夏季风强弱变化的主要因素之一[6]。
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图 4 湖北三宝洞过去36万年石笋氧同位素记录[6]带箭头的垂线表示弱的季风增强事件恰好对应于岁差尺度最低辐照初始上升阶段[33] Fig. 4 The Sanbaoδ 18 O record with Northern Hemisphere summer insolation over the past 360ka B .P.[6, 33] Vertical-lines with arrowheads suggest a series of slightly strengthened monsoon events in the past glacial periods，responding to slightly rising period of the orbital-scale minimum of the insolation |
同样，类似的千年尺度较弱季风增强过程也曾发生在三宝洞过去其他几个冰期( 图 4)。例如，在倒二、 倒三间冰期结束后，在太阳辐照岁差周期低值初始上升阶段均呈现出较弱季风增强事件，其结构特征类似于末次冰期DO 25季风增强事件。同样，部分高分辨率的黄土-古土壤记录也捕捉到这一气候突变事件[34, 35]，例如河南三门峡王官剖面显示在MIS 5e亚阶段之后存在一次间冰阶，其发生时间大体对应于格陵兰DO 25暖事件。在此期间，黄土磁化率值明显增加而其粒度值却减小[34]； 毛乌素沙漠南缘米浪沟湾剖面多指标记录也捕捉到这一气候事件，指示夏季风强弱变化的土壤有机物含量和Al2O3值明显增加，表明夏季风降水明显增加[35]。考虑到该季风事件强度较弱以及岩溶洞穴结构的复杂性(如滴水通道的长短、 上层滞水滞留时间不同等因素)，不同洞穴石笋 δ 18 O记录存在差异也就不足为奇了( 图 3)。即使同一洞穴同一生长时段不同石笋 δ 18 O记录结果也可能存在差异，例如贵州董哥洞D4和DA两支石笋记录的晚全新世过程就存在明显差异[36, 3]。这里仍需更多高分辨率、 高精度定年的地质记录去精确标定DO 25事件的起、 止时间。
高分辨率格陵兰NGRIP冰芯 δ 18 O记录显示MIS 5d由两个冰阶(GS 25和GS 26)和一个间冰阶(Greenland Interstadials 25,简称 GI 25)构成[3]。其中两个冰阶分别对应于北大西洋深海沉积NEAP18K孔记录的C 24和C 25两次冰漂碎屑事件[38]。C 24冰漂碎屑事件是MIS 5阶段最为显著的冰漂碎屑事件之一，可能导致海平面上升了20多米。基于格陵兰NGRIP GICC 05modelext时标，冰芯GI 25暖事件突然开始于 115.3±2.5ka B .P. ，结束于 110.6±2.5ka B .P. ，持续了约4700年[2, 3]。与典型的MIS 3阶段千年尺度DO事件结构特征一样，GI 25事件期间当地气温快速增温，随后缓慢变冷( 图 3a)。意大利西北部Antro del Corchia 洞CC28石笋清晰完整地记录了DO 25暖事件，高精度的 230 Th年代标定下的该事件开始于约115.0ka B .P. ，结束于 112.0±0.8ka B .P.[15]； 同样，来自奥地利阿尔卑斯山Schnevkenloch洞石笋记录的DO 25 事件开始于 115.3±0.5ka B .P. ，结束于 111.6±0.5ka B .P.[39]； 地处西班牙北部坎塔布连山Cobre洞石笋沉积对外界环境变化非常敏感[40]。在温暖湿润的气候条件下，石笋连续沉积；反之，在寒冷干燥气候条件下，石笋沉积发生中断。Cobre洞石笋PA-8记录的DO 25暖事件起、 止时间分别为 116.0±1.6ka B .P. 和 111.8±1.6ka B .P.[40]。该暖事件先后被两个千年尺度冷事件(C25和C24)所打断，导致PA-8石笋间歇性沉积生长。正如上文所述，在亚洲季风区，山西石笋记录的DO 25季风增强事件开始于 113.9±0.6ka B .P. ，可能结束于 111.3±0.6ka B .P. ； 而湖北三宝洞SB23完整的记录了该季风增强事件，其起、 止时间分别为113.9±1.6ka B .P. 和 111.2±1.6ka B .P.[6] 。最近，高分辨率、 精确定年的贵州三星洞SX29石笋记录的DO 25事件也开始于 113.1±0.4ka B .P.[17]。在实测年龄误差范围内，高低纬石笋所记录的DO 25事件发生时间的一致性至少说明该事件具有半球性的影响； 而低纬季风区石笋记录的小振幅DO 25季风增强事件可能暗示了该气候突发事件源于北高纬地区。在 111.3±0.6ka B .P. ，山西石笋突然停止生长结合湖北三宝洞石笋 δ 18 O值明显偏正( 图 2)，可能指示了GS 25弱夏季风事件的开始。
总之，山西石笋记录支持了末次冰期早期高低纬气候系统在千年尺度上仍存在遥相关的假说[19, 41]。在C 24冰漂碎屑事件发生期间，北高纬地区大陆冰盖的扩张明显加强了西伯利亚高压，导致亚洲内陆冬季风环流增强，黄土高原气候异常寒冷干燥，粉尘浓度明显增加[41]，这可能导致山西龙洞上覆岩溶渗漏层滴水通道堵塞，进而致使石笋L4停止生长； 而持续减弱的东亚夏季风环流也使得季风区区域降水明显减少，进而导致洞穴石笋 δ 18 O值明显偏正。而在DO 25暖事件期间，北大西洋热盐环流的逐渐恢复[3, 35]也可能导致北高纬地区升温和低纬地区夏季风环流的增强。然而，山西石笋与格陵兰冰芯 δ 18 O记录的DO 25事件在波形特征方面存在一定的差异。冰芯记录的DO 25事件是一个快速增温、 随后缓慢降温的过程[3]，而山西石笋记录的DO 25季风事件一个缓慢增强、 随后快速减弱的过程。正如南京葫芦洞和北京苦栗树洞所记录的，这种差异同样也发生在DO 1和DO 12亚洲夏季风事件转型过程中，反映了极地温度和亚洲夏季风强度对千年尺度气候事件的不同响应模式[5, 24, 30]。我们认为低纬季风区不显著的DO 25季风增强事件可能是MIS 5d期间低的太阳辐射与相对弱的北大西洋热盐环流共同作用的结果。
3 结论在亚洲季风区，中国石笋的研究有效地记录了区域气候变化以及夏季风的强弱波动特征[5-8, 16, 17, 42-46]。 山西石笋 δ 18 O记录了MIS 5d期间东亚夏季风千年尺度演化特征，其长期趋势变化大体平行于北半球太阳辐射曲线波动。低纬季风区不同纬度同时段石笋 δ 18 O记录对比显示： 在113.9～111.3ka B .P. 期间，石笋 δ 18 O明显负偏，表明在MIS 5d期间，亚洲季风区确实经历了一次千年尺度的季风增强过程，与减弱的南美夏季风强度呈“镜像”关系。111.3±0.6ka B .P. 后，L4石笋停止生长，同时结合湖北三宝洞 δ 18 O值明显偏重，指示了东亚季风区可能经历了一次显著的弱季风过程。基于高精度、 高分辨率龙洞数据，我们初步判定DO 25季风事件开始于 113.9±0.6ka B .P. ，可能结束于 111.3±0.6ka B .P. 。在测年误差范围内，其与北半球高纬地区其他洞穴石笋记录的DO 25事件发生时间的一致性表明末次冰期早期东亚夏季风与北大西洋气候之间仍存在遥相关。太阳辐射和北大西洋热盐环流的变化可能共同调控着低纬千年尺度水文循环的变化。
致谢: 感谢南京师范大学地理科学学院张振球、 李吉龙博士在野外采样给予的帮助； 感谢匿名审稿专家和编辑部杨美芳老师给予的建设性修改意见。
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② Jiangsu Key Laboratory of Enviromental Change and Ecological Construction, Nanjing 210023;
③ College of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210023;
④ Department of Geophysics, National Taiwan University, Taipei 106)
Abstract
The Dragon Cave (38°46'N,113°16'E,1600m above sea level) is located at transition between semi-humid and semi-arid areas on the Chinese Loess Plateau,where is very sensitive to the changes of the monsoon precipitation.In summer,the inflow of warm/humid air delivered by summer monsoon extends northwesterly into the interior as far as the China-Mongolia border.In winter,the southward-migrating Siberian High cold and dry air mass dominates the regional climate.More than 76% of the yearly precipitation (ca.530mm) falls in summer,from June to September.Stalagmite L4 was collected from the Dragon cave,ca.10km southeast of Shiquan Village in Wuxiang County,Shanxi Province,North China.Its length is 115mm,with a diameter ca.60mm.A total of 4 sub-samples were measured by an inductively Multi-collection coupled plasma mass spectrometry on a Finnigan-NEPTUNE in the High-precision Mass Spectrometry and Environment Change Laboratory,Department of Geosciences,National Taiwan University.The uncertainty of reported age is ±2σ.110 sub-samples for δ18O measurement were analyzed with on-line automated carbonate preparation system linked to Finnigan MAT-253 mass spectrometer at the Isotope Laboratory of College of Geography Science,Nanjing Normal University.Results are reported relative to Vienna Pee Belemnite (VPDB) and standardization was accomplished using NBS-19.Two-sigma reproducibility was ±0.06‰.High-resolution oxygen isotope profile established with 110 oxygen isotope and 4 230Th dates,provides a continuous history of East Asian summer monsoon (EASM) intensity for the period of Marine Isotope Stages (MIS) 5d.The δ18O abruptly decreased from -7.7‰ to -8.8‰ at 113.9±0.6ka B.P.,indicating of the onset of Dansgaard-Oeschger (DO)25 event in monsoonal China.After 111.3±0.6ka B.P.,the L4 abruptly creased growing,and the stalagmite δ18O from Sanbao cave in Hubei Province rapidly increased by 1‰ at the same time,which suggests the EASM again weakened at the end of the DO 25 event in East Asian monsoon region.Comparison of our record with previous published contemporaneous stalagmite records across monsoonal China shows that the Asian summer monsoon intensity indeed increased from 113.9ka B.P.to 111.3ka B.P.,which also was supported by the opposite changes of the South American summer monsoon during this interval.In addition,comparison between typical DO 24 and DO 25 monsoon events as recorded by Chinese stalagmites suggests that the insolation is the primary factor controlling the millennial-scale variability of the Asian summer monsoon precipitation in monsoonal China.However,the millennial-scale variabilities of the EASM are well related in time with cold and warm shifts of the North Atlantic climate conditions as constructed by European stalagmite records during the MIS 5d period.This consistence suggests that there is relatively strong teleconnection between the North Atlantic and East Asian region under low ice volume conditions of the early MIS 5,likely due to the periodic changes of the Atlantic thermohaline circulation.