理解全球气候突变的关键之一就是充分地掌握过去全球极端气候事件变化的规律^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]}。YD事件后的早全新世阶段，是冷事件频发的阶段，其中距今8.2 ka B.P. 发生的极端气候事件是过去全球变化研究中的热点问题^{[12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26]}。近几十年来，学者们利用各种地质记录^{[1, 2, 3, 4]}表明YD事件后存在多次气候突变事件，特别是近年来在利用洞穴石笋记录研究全新世古季风突变事件方面有了实质的进展^{[1, 6, 7]}。但现有高分辨率气候记录并不多，对于这些冷气候事件开始的驱动机制也不确定。此外，这些气候事件在亚洲季风区发生的时间是否存在空间上的相位不同^{[23, 24]}？其数十年际的气候事件是否有区域意义？进一步东亚季风与印度季风有无相位上的差异？在十年际高分辨率尺度上如何响应北半球高纬气候变化^{[23, 24]}？也有待深入探讨。本文基于石笋古气候重建研究薄弱的我国北方地区。对亚洲季风响应敏感的河南西部老母洞石笋δ¹⁸O记录的对比分析，重建10.9~8.2 ka B.P.连续的平均分辨率达十年际的亚洲夏季风气候演化特征，着重讨论古亚洲季风气候的变化特征以及对北大西洋气候变化的响应。由于老母洞石笋记录具有高精度年代标尺和高分辨率的特点，其对于在这一时段全球气候变化的对比，以及由此探讨高纬度或低纬度驱动机制和南北半球对比等重要科学问题都将有潜在意义。理解亚洲季风在全新世期间的演变过程和驱动机制对于认识季风如何响应全球气候环境变化以及预测未来气候变化具有重要意义。 1 样品采集与分析 1.1 样品采集

老母洞位于河南省西部栾川县石庙镇弓把沟，地理坐标为33°46' N ，111°34' E(图 1)，洞穴上覆岩层厚度大约25 m左右，地处秦岭—淮河一线北侧，中国地理南北分界线湿润区与半干旱区过渡地带的边界处，长江和黄河流域分水岭北麓；每年7月~9月降水量占全年的50%，年均温12.2℃，年降水量861 mm，其特殊的地理位置决定了该区对亚洲夏季风变化响应的敏感性。2012年在栾川地区的洞穴中发现6颗直立人牙齿化石，老母洞也有人类活动遗迹，因此本研究对于探讨气候对人类文明演化等有着潜在的科学意义。LM2石笋全长75 mm，底部直径35 mm，上部稍窄，下部较宽，大体呈圆柱状。该样品为方解石组成，结晶致密，无溶蚀和重结晶现象，纹层沿生长轴呈水平叠加发育，从肉眼观察来看没有明显的沉积间断。石笋的纹层组成，由下而上叠复成三个旋回，其组成：雪白、灰白、雪白加灰黄方解石纹层，呈韵律式叠加(图 2)。

图 1 老母洞地理位置图 Fig. 1 The location of Laomu Cave

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图 2 LM2年龄采样点及纹层组合、旋回组合 Fig. 2 The age sampling points and lamina portfolio,cycles of combination of LM2

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老母洞LM2石笋碳、氧稳定同位素及微量元素样品：沿石笋伸长轴采用刮样的方法得到测试样品。用刻刀沿中心轴两侧各5 mm刮取深5 mm的样品粉末。本研究每毫米刮取约20个样品，LM2共取得1 504个样品，选取测试449个δ¹⁸O及δ¹³C数据；全部分析在西南大学地球化学与同位素实验室完成，采用Delta-V-Plus型质谱与碳酸盐自动进样装置(Kiel IV)联机测试，每9个样品加测一个标准样品；实验室的标准控制样的多次分析的δ¹⁸O值偏差<0.1‰，石笋平行样品的分析<0.2‰，结果均相对于VPDB (Vienna Pee Dee Belemnite) 标准。

测年方法：石笋年龄采用²³⁰Th铀系不平衡法测定，本研究的年龄测试在美国明尼苏达大学地球科学系同位素实验室完成，采用Finnigan Neptune 型多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)，年龄误差＜0.1‰(2σ，以下同)，化学实验方法参照Shen等(2003)^[8]。 2 结果 2.1 年代数据

图 2标注了老母洞石笋LM2年龄采样点及沉积旋回，TIMS-U系测年结果列于表 1，给出了LM2石笋的U、Th同位素含量和²³⁰Th年龄。LM2样品²³⁸U含量在647.5~1 802 ng/g之间，测年误差约200 a。老母洞LM2石笋8个样品覆盖年龄时段为8 439~10 947 a B.P.。老母洞石笋年龄分别是在2009年末和2013年初于美国明尼苏达大学测得(表 1)。

石笋生长过程中同位素平衡分馏是其作为气候指标的前提条件。Hendy^[9]提出了检验石笋生长过程中碳酸盐同位素是否分馏平衡的两个准则：①δ¹⁸O值在石笋同一生长层上保持恒定，且向外侧无富集现象；②不同生长层的δ¹⁸O与δ¹³C之间不存在相关性。由于第一种方法在实际操作中误差较大。近年来对于石笋氧同位素能否作为具有气候信号的一个重要标准常常采用氧同位素曲线的重现性检验^[10]。该时段LM2石笋δ¹⁸O曲线与相邻东石崖洞的DSY09石笋δ¹⁸O记录对比可见(图 3)，LM2石笋δ¹⁸O曲线DSY09石笋δ¹⁸O记录曲线在误差范围内能够很好的对应，这说明LM2石笋氧同位素是气候信号而非环境噪音。δ¹³C呈现出与δ¹⁸O正相关同步演化特征，进一步验证了LM2 δ¹⁸O记录曲线的可靠性。

图 3 LM2稳定同位素与DSY09 δ18O曲线图 绿色曲线为LM2 δ13C曲线，红色为LM2 δ18O曲线及定年点，蓝色为DSY δ18O三点平滑曲线及定年点，灰色为DSY09原始δ18O曲线；黑色数字表示弱季风事件。 Fig. 3 LM2 stable isotopes and DSY09 δ18O graph Green curve is LM2 δ13C curve,red for LM2 δ18O curve and dating,blue is DSY δ18O three points smooth curves and dating,Gray was DSY09 original δ18O curve,Black numbers indicate weak monsoon event.

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据已有研究结果表明，亚洲季风区石笋δ¹⁸O波动主要反映了季风强度变化，石笋δ¹⁸O越偏负，指示季风越强^{[7, 11, 15, 16, 17]}；石笋中δ¹³C值的波动主要与土壤中CO₂的δ¹³C值的变化有关，即与C3植被与C4植被的对比有关，δ¹³C值偏正，说明C4植被发育，C3植被减少，进而指示气候的干冷；反之亦然^[26]。δ¹³C呈现出与δ¹⁸O正相关同步演化特征，进一步验证了LM2 δ¹⁸O记录曲线的可靠性；但受区域环境影响，在事件内部细节上LM2石笋δ¹³C与δ¹⁸O存在差异。

根据LM2石笋氧碳同位素曲线变化趋势(图 3)，将研究时段分为以下3个阶段：

(1) 自新仙女木(YD)事件后，亚洲季风在全新世开始时就迅速增强，但不同地区、不同地质记录中YD事件之后的气候变化过程存在差异：石笋Q5、D4、Y1和SB10石笋δ¹⁸O曲线和格陵兰GRIP冰芯记录δ¹⁸O曲线在早全新世都表现为持续上升(δ¹⁸O降低或偏负)的变化趋势，这种变化趋势持续到9.6 ka B.P.左右。从10.13 ka B.P.到10.9 ka B.P.，LM2中δ¹⁸O值、δ¹³C值都逐渐偏轻，其变化趋势与南方石笋的变化趋势相比，该石笋的变轻并不明显，与DSY09、C996-2相似，即C996-2石笋δ¹⁸O曲线、DSY09石笋δ¹⁸O曲线和LM2石笋δ¹⁸O曲线在该时段却表现为相对稳定(图 5)。LM2石笋记录δ¹⁸O值在10.2ka事件后迅速变轻达到了最小值，此时季风达到最强，而在中国东北辽宁暖和洞NH5石笋δ¹⁸O值^[27]和本溪王家崴洞W4石笋^[28]在10.5 ka达到了最小值，贵州衙门洞Y1石笋^[7]和海湾地区的阿曼Qunf洞Q5石笋^[13]在9.6 ka左右达到最小值，进一步说明了早全新世亚洲夏季风演化在不同的区域并不完全相同。由于季风区石笋氧同位素偏负主要指示的是夏季风增强，而格陵兰冰芯记录偏正反映的是温度的升高，因此从图 5可知早全新世11~10.13 ka B.P.中国南北方地区夏季风增强与高纬地区温度升高具有相关性，南北方石笋氧同位素记录表现出的差异可能是因为在该时段季风演化的过程中受到了区域性因素的影响，导致中国南北方气候响应机制不同。但由于中国北方早全新世季风变化研究不多，因此要深入研究南北方季风变化还需要更多的地质记录佐证。

(2) 8.75 ka B.P.到10.13 ka B.P.，LM2石笋δ¹⁸O变化范围为-11.9‰~-9.5‰之间，同时碳同位素在该时段内也发生了剧烈的波动，其波动达2.2‰。10.13 ka B.P.到8.75 ka B.P.，亚洲季风区不同的石笋δ¹⁸O曲线存在多次明显的峰谷变化(图 5)，表明在早全新世10.13 ka B.P.到8.75 ka B.P.时段季风活动频繁，存在多次季风减弱，且不同地区不同地质载体记录的季风演化趋势存在差异。

(3) 8.75 ka B.P.后，LM 2石笋氧碳同位素开始下降。8.42 ka B.P.之后夏季风开始迅速减弱，到8.245 ka B.P.氧碳同位素偏重的趋势显著增加，δ¹⁸O变幅达3‰，δ¹³C达2.5‰(图 4) ，表明该时段内季风演化呈现出一种阶段性变化的趋势。与Zhang等(2010)^[25]研究该时段万象洞WXB074石笋提出“中国8 200阶段(Chinese 8.2 kyr stadial)”：从8.47 ka B.P.开始δ¹⁸O开始偏重，并分为三个阶段达到最重相似。

图 4 LM2石笋的阶段性变化趋势 Fig. 4 Periodic trends of stalagmite LM2

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图 5 格陵兰冰芯δ18O曲线及亚洲不同石笋δ18O曲线对比图 a.格陵兰GRIP冰芯δ18O记录[16]；b.陕西九仙洞石笋δ18O记录[24]；c.河南老母洞LM2石笋δ18O记录；d.河南东石崖DSY09石笋记录[16]；e.湖北三宝洞SB10石笋δ18O记录[20]；f.贵州衙门洞Y1石笋δ18O记录[7]；g. 湖北和尚洞HS-4石笋δ18O记录[15, 18]；h.贵州董哥洞D4石笋δ18O记录[11, 12]；i.阿曼Qunf洞Q5石笋δ18O记录[13, 14]。 Fig. 5 The comparison of Greenland ice core and stalagmite δ18O curve in different parts of Asia a. Greenland GRIP ice core δ18O record[16]; b. Jiuxian Cave stalagmite δ18O record in Shaanxi [24]; c. LM2 Henan Laomu Cave stalagmite δ18O records; d. Dongshiya DSY09 stalagmite records in Henan [16]; e. Sanbao cave SB10 stalagmite δ18O record in Hubei [20]; f. Yamen Cave Y1 stalagmite δ18O record in Guizhou [7]; g. Heshang HS-4 stalagmite δ18O record in Hubei[15, 18]; h . Dongge Cave D4 stalagmite δ18O records in Guizhou[11, 12]; i. Qunf Cave Q5 stalagmite δ18O record in Oman[13, 14].

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在全新世温暖湿润的气候背景上，发生了多次弱季风事件，这些事件持续100~200 a，开始和结束一般均在几十年内完成^[2]。LM2石笋δ¹⁸O曲线记录到了10.9 ka事件、10.2 ka事件、9.5 ka事件和8.2 ka事件等显著的气候突变事件。在10.9~8.18 ka B.P.时段，LM2石笋δ¹⁸O记录与亚洲季风区不同地区石笋记录的δ¹⁸O曲线具有相似性(图 5)，这四次冷事件与北大西洋早全新世出现8.1 ka，10.3 ka及11.1 ka冷事件(分别编号为5,7,8)(Bond1997)；贵州茂兰D4石笋发现的10.91 ka发生干旱^[1]；河南东石崖洞DSY09石笋得出在11.5~9 ka年里出现了八个弱季风时期中10.9 ka B.P.，10.3 ka B.P.，9.4 ka B.P.^[16]；贵州衙门洞Y1石笋发现的11.0 ka，10.2 ka弱季风事件在误差范围内一致^[7]。

从图 5可以看出，10.9 ka B.P.事件的起始时间在LM2、DSY09和D4石笋中基本一致，而在GRIP冰芯记录和Y1石笋δ¹⁸O记录中有11 ka B.P.事件，SB10石笋δ¹⁸O曲线在11 ka B.P.左右并未记录到显著的弱季风事件，可见10.9 ka B.P.在不同地区、不同地质记录中还存在差异。DSY、D4和Y1石笋记录显示，10.9 ka B.P.事件的结构为一次强烈的弱季风事件且持续时间较长，LM2石笋与它们不同的是该事件达到最冷后迅速的转暖。10.2 ka事件在LM2石笋中突变的事件为10.3 ka，持续时间短，与DSY09、NH5相似，在误差范围内中国南北方石笋对该事件记录基本一致。

多数学者证明，9.3 ka事件是百年尺度上的显著的弱季风事件^{[7, 11, 12, 13, 14]}。在Q5和D4石笋(图 5)氧同位素曲线中可以发现明显的9.3 ka事件存在，其强度比8.2 ka事件还强烈；Y1石笋在9.3 ka事件之前在9.5 ka也记录了一个较强的弱季风事件；但从河南地区的东石崖石笋DSY09可以发现，9.3 ka事件并不剧烈，然而在9.3 ka事件之前存在的弱季风事件强度更强，Cai发现了9.4 ka、9.6 ka事件；从图 2可知老母洞LM2石笋在9.3 ka B.P.并没有记录记录到该事件，而是存在变幅较大的9.5 ka事件；说明在9.3~9.6 ka B.P.左右确实存在一个季风快速变化时期，使δ¹⁸O值频繁波动。

但是与DSY09石笋记录不同的是，LM2石笋(图 3)氧同位素曲线中9.5 ka事件呈现了大的U型构成了早全新世10.9~8.2 ka B.P.中仅次于8.2 ka事件的强烈的季风减弱事件，与中国南方的董哥洞石笋D4和低纬的阿曼Q5石笋记录内部趋势相似，说明该时段频繁发生的9.3 ka事件、9.4 ka事件、9.5 ka事件、9.6 ka弱季风事件构成了早全新世9.3~9.6 ka快速震荡的弱季风时期。可以看出D4，Q5石笋(图 5)记录的9.3 ka事件强度要大于8.2 ka事件的强度，但是图中其他石笋记录该时段内的9.3 ka弱季风事件强度要远远小于8.2 ka事件的强度，这些都是氧同位素传输的复杂性造成的。

河南老母洞LM2石笋及湖北和尚洞HS-4石笋δ¹⁸O记录的8.2 ka事件变化非常显著(图 4)。8.2 ka事件是全新世以来最为显著的急速降温事件^{[2, 6, 17]}，此事件的时间和持续范围及结构已经有一定认识，老母洞LM2石笋记录中8.2 ka事件突变于8.245±0.050 ka B.P.，在误差范围内与亚洲季风区不同石笋氧同位素记录^{[17, 18]}及格陵兰冰芯最新GICC05时标中^[6]的8.2 ka气候突变的开始时间是一致，不同地区的^{[2, 6, 17]}不同地质记录的8.2 ka事件突变时间大致在8.2 ka左右，表明8.2 ka事件在高纬气候系统与中低纬热带季风之间存在着遥相关关系，包括海气之间的传输^[19]。但在8.2 ka事件上，只有河南老母洞LM2石笋及湖北和尚洞HS-4石笋δ¹⁸O记录变化非常显著，其余记录在8.2 ka事件上变幅为1‰~1.5‰的变化(图 5)。和尚洞HS-4(Hu CY,2008; Liu YH，2013)石笋δ¹⁸O记录的8.2 ka事件的强度变幅约为2.5‰，LM2石笋δ¹⁸O记录的8.2 ka事件的强度变幅为2.95‰相似，说明石笋δ¹⁸O记录的8.2 ka事件存在一定区域差异。

以上表明8.2 ka事件发生的时间在北半球是一致的，但事件内部变化特征及趋势有一定区域差异，这可能与季风区水汽耦合过程中各个圈层氧同位素对气候事件响应及传输的复杂性有关，值得以后深入研究。 3.3 气候变化的驱动机制

引起气候变化的因素有很多，如天文因素的米兰科维奇假说，轨道因素(地轴倾角的变化、轨道偏心率的变化和黄赤交角的变化等)都会引起太阳辐射在高低纬度之间能量分配的不均衡；此外，随着太阳年龄的增大，其自身向外辐射的能量也逐渐减弱，这些因素都会引起气候的变化；除此以外温盐环流、火山活动等其他因素也会引起气候变化。但是，据已有资料显示，在整个全新世时期，早全新世波动更为强烈^{[2, 7, 8]}，因此，我们要探讨其变化的驱动机制，有利于我们在未来更好地应对全球变化。

采用REDFIT37功率谱分析软件，对老母洞LM2石笋δ¹⁸O在10.9~7.9 ka B.P.的数据进行分析(图 6)。在95%置信度水平下通过红噪声检验的主要周期为：108 a，66 a，55 a，18 a等。108 a周期接近树轮记录的¹⁴C活动周期，主要反映了太阳活动的周期；66 a接近太阳活动世纪周期(70~100 a的变化周期，Gleissberg周期)；18 a周期反映了太阳黑子活动周期。因此，豫西老母洞石笋记录的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。

图 6 老母洞石笋LM2功率谱分析 Fig. 6 Power spectral analysis LM2 Laomu Cave

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因此，太阳活动周期引起的太阳辐射能量的变化和北半球高纬气候状况共同影响着亚洲季风的变化。北半球夏季太阳辐射减弱引起了北半球高纬冰量的变化，冰盖大量反射太阳光而造成地球对太阳能的吸收能力下降，随着冰盖的进一步加大，引起进一步降温，进而导致热带辐合带(ITCZ)南移，造成季风环流的减弱^[18]。 4 结论

豫西老母洞LM2 δ¹⁸O曲线指示了季风强弱的变化；早全新世中国南北方石笋氧同位素记录与格陵兰冰芯记录具有一致性，表明亚洲季风区季风的变化与高纬极地地区的温度变化相关性。在10.13 ka B.P.到10.9 ka B.P.时段，中国北方石笋氧同位素记录与南方石笋及海湾地区阿曼石笋变化趋势表现出的差异可能是受到区域因素的影响。LM2石笋高分辨率记录了8.2 ka、9.5 ka、10.2 ka和10.9 ka弱季风事件，特别是8.2 ka、9.5 ka。老母洞与已发表的高分辨率石笋δ¹⁸O记录对比分析发现：石笋所揭示的早全新世某些冷事件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有一定区域差异。LM2石笋δ¹⁸O曲线在9.3~9.6 ka B.P.左右记录了一个大的弱季风事件9.5 ka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。LM2石笋所揭示的8.2 ka事件开始时间为8.245±0.050 ka B.P.，在误差范围内与亚洲季风区不同石笋记录以及格陵兰冰芯最新GICC05时标中的8.2 ka气候突变的开始时间是一致，但LM2的变幅较以往发表文章变幅较大且呈阶段性变化，原因有待于进一步研究。在测年误差范围内LM2石笋δ¹⁸O与格陵兰GRIP冰芯δ¹⁸O记录有着较好的一致变化趋势，根据功率谱分析结果显示豫西老母洞石笋短尺度上季风变化与太阳活动密切相关，说明太阳活动周期引起的太阳辐射能量的变化和北半球高纬气候状况共同影响着亚洲季风的变化。

致谢 感谢西南大学地理科学学院地球化学与同位素实验室李廷勇副研究员、杨平恒副教授在论文完成过程中给予的指导和帮助；感谢西南大学地理科学学院薛倩倩、代然然等硕士研究生在论文样品采集过程中给予的帮助，同时感谢河南省栾川县鸡冠洞景区管理处的大力支持。感谢审稿专家及本文编辑提出的宝贵意见，这些意见对本文的完善有很大的帮助。