第一作者简介 车印平,男,1992年生,硕士研究生,主要从事全球气候变化与第四纪研究。E-mail: 1204492631@qq.com。
DO4事件(Dansgaard-Oeschger event 4,简称DO4事件)是发生在MIS3阶段后期的1次明显升温事件。根据福建仙云洞石笋(编号XYⅢ-28)300~500 mm层段6个高精度230Th年龄和188个氧同位素数据,获得了29.13~27.94 kyrB.P.时期平均分辨率达7 yr的东亚夏季风强度的演变过程数据。该石笋 δ18O 记录的DO4事件起止时间为28.83±0.06~28.46±0.06 kyr B.P.,持续时间为0.37±0.06 kyr。相对基于GICC05年层计数时标NGRIP冰芯 δ18O 记录在DO4开始阶段的突变特征,仙云洞石笋记录的DO4事件开始阶段 δ18O 值在145±60 yr内偏负0.4‰,表现为相对缓慢的变化特征,这说明仙云洞所处的中国东南沿海地区有可能受到热带低纬海气耦合的影响。此外,仙云洞石笋 δ18O 记录揭示了在DO4事件内部及附近存在一系列的百年至十年际尺度夏季风增强事件,与格陵兰冰芯 δ18O 记录、阿拉伯海海盆反照率记录的DO4事件亚旋回结构在定年误差范围内相对应,表明东亚夏季风强度与北高纬温度变化和ITCZ(赤道辐合带)位置移动在百年至十年际尺度上存在紧密的联系。
About the first author Che Yin-Ping,male,born in 1992,a master degree candidate,is mainly engaged in research on global change and Quaternary. E-mail: 1204492631@qq.com.
The Dansgaard-Oeschger event 4(DO4 event) is a significant warming event that occurred in the late Marine Isotope Stage 3. At present,there are different understandings about the detailed characteristics and internal structures of the DO4 event. Based on 6 precisely-dated 230Th ages and 188 oxygen isotope data of a stalagmite(No.XYⅢ-28)from the Xianyun Cave,Fujian Province,we present δ18O time series with an average resolution of 7 yr from 29.13 to 27.94 kyr B.P. Our new stalagmites δ18O records uncover the detailed processes of the DO4 event. The onset and end time of the DO4 event recorded by the stalagmite δ18O is 28.83±0.06 and 28.46±0.06 kyr B.P.,respectively, and the duration is 0.37±0.06 kyr. Differential with abrupt change of NGRIP ice core δ18O record at the onset of DO4 based on the GICC05 layer count time scale,the Xianyun Cave δ18O shows a relatively slow change. The Xianyun stalagmite δ18O values negatively shift by 0.4‰ within 145±60 yr,which indicates that the Xianyun Cave was likely affected by the ocean-atmosphere coupling of the tropical. In addition,the Xianyun stalagmite δ18O reveals a series of sub-million-scale summer monsoon enhancement events in and around the DO4 event,corresponding to the NGRIP ice core δ18O record and the Arabian Sea basin record. Our results suggest that the East Asian summer monsoon is related to the north-high latitude temperature and the ITCZ position changes on the sub-millennium-scale event.
深海氧同位素3阶段(Marine Isotope Stage 3, 简称为MIS3)的气候突变事件一直以来都是古气候研究的热点, 这些气候突变事件对全球气候变化产生了深远影响(Voelker, 2002), 并在东亚季风区石笋记录中存在明显的印迹(刘殿兵等, 2008; 赵侃等, 2008; Zhao et al., 2010; 崔英方等, 2011; 何尧启和姜修洋, 2012; Duan et al., 2014; 陈琼等, 2014; 王权等, 2017)。然而, 已有的记录由于定年方法和样品分辨率不同, 使得对DO事件(Dansgaard ̄Oeschger event)年龄的认识还存在一定差异。前人研究发现, 在年龄误差范围内相对于格陵兰NGRIP冰芯记录, 神农架青天洞石笋记录的DO3事件偏早约300 yr(王权等, 2017), 川东北仙人洞石笋记录的DO4事件和DO5事件峰值时间分别偏年轻约300 yr和500 yr(陈琼等, 2014); 葫芦洞石笋记录在DO4事件顶点年龄上比格陵兰冰芯时标(SS09sea)偏早约800 yr(赵侃等, 2008)。类似的差异同样存在于DO1事件(Shen et al., 2003)、DO12事件(Cai et al., 2006)、DO16事件(Li et al., 2017)、DO18事件(张伟宏等, 2018)、DO19与DO20事件(夏志峰等, 2006)。尤其是DO4事件年龄在中国季风区石笋记录中相差甚大, 一定程度上影响了对DO4事件在细节上的进一步认识。
在先前的研究中, 中国季风区记录关于DO事件的变化特征和亚旋回结构研究也取得了较大进展。研究表明, 在DO3事件(王权等, 2017)、DO4事件(陈琼等, 2014)、DO5与DO6事件(Zhou et al., 2014)、DO12事件(Cai et al., 2006)、DO14事件以及DO16事件(Li et al., 2017)的开始阶段具有不同于北高纬的快速突变特征。湖北永兴洞石笋记录了DO9事件和DO12事件内部具有一系列亚旋回结构, DO13、DO14、DO15事件内部表现为显著的“ 双峰结构” (刘殿兵等, 2008)。永兴洞石笋记录表明在DO18事件结束阶段存在5次百年尺度季风增强振荡事件(张伟宏等, 2018)。另外, 黔北三星洞石笋记录的DO8事件(何尧启和姜修洋, 2012)和DO24事件(王晓艳等, 2015)内部具有4次亚千年尺度旋回事件。然而, DO4事件变化特征和内部结构如何?这尚需要更多高精度定年和高分辨率的地质记录做进一步研究。
文中选取位于中国东南地区福建西部仙云洞一支石笋(编号: XYⅢ -28), 通过230Th测年和氧同位素测试, 获得6个高精度230Th年龄和188个 δ 18O 数据结果, 重建了中国东南地区29.13~27.94 kyr B.P.期间平均分辨率达7 yr的东亚夏季风时间演化序列。该序列完整的记录了DO4事件, 并捕捉到数次百年至十年际尺度的气候振荡事件。通过与已发表的高低纬古气候记录对比, 探讨DO4事件的结构特征及可能存在的驱动机制。
仙云洞(116° 59'E, 26° 33'N)位于福建省龙岩市偏北约50 km处, 海拔约为970 m, 属于湿润亚热带季风气候区(图 1)。该地7月份和1月份平均气温分别为27.2 ℃、11.3 ℃, 年平均气温为19.9 ℃; 年平均降水量为1690 mm, 主要集中于4— 10月份。溶洞发育于二叠系栖霞组石灰岩中, 洞穴为3层阶状廊道式溶洞, 洞穴封闭性较好, 洞道探明总长度约为2470 m(张富强等, 2018)。洞内实测温度为17.5 ℃, 相对湿度接近100%(2016年3月— 2018年6月测定)。上覆土壤以黄壤为主。植被发育良好, 以亚热带常绿阔叶林为主。
XYⅢ -28石笋采自该洞穴底部, 总长为765 mm, 顶部直径约为70 mm, 底部直径约为90 mm。沿着石笋生长轴切开并抛光, 抛光面呈白色和透明状相间分布(图 2)。距顶部305 mm和496 mm处分别存在1个风化层面, 有可能为沉积间断。石笋抛光面生长致密、无溶孔, 石笋由纯净的方解石晶体组成。
本研究选取XYⅢ -28石笋300~500 mm层段, 在抛光面上, 用直径0.9 mm的牙钻共取得6个石笋粉末样品用于230Th定年, 分析仪器为MC-ICP-MS Neptune, 在台湾大学地质系高精度质谱与环境变迁实验室(HISPEC)测试完成, 年龄分析误差为± 2σ , 方法参照Shen等(2003)。沿石笋生长中轴线用0.5 mm钻头以1 mm为平均间隔共采集188个石笋粉末样品用于氧同位素分析, 利用连续流Gasbench装置与Finnigan MAT-253型质谱仪联机测试, 每9个样品加测1个标准样品(NBS-19), 结果以δ 18O(‰ , VPDB)表示, 计算公式为δ 18O=[(18O/16O样品)/(18O/16O标准)-1]× 1000, 分析误差(± 2σ )优于0.06‰ , 在福建师范大学同位素中心测试完成。
表 1给出了XYⅢ -28石笋在300~500 mm层段的6个U-Th含量数据和实测年代以及误差范围(± 2σ )。定年结果显示, XYⅢ -28石笋238U含量高(9.7~19 μ g/g), 232Th含量低((0.05~0.1)× 10-3 μ g/g), 230Th定年精度高, 均优于0.5%。根据表 1测年结果分析, 在距顶部302~305 mm和496~499 mm确实存在沉积间断, 这与石笋抛光面所反映的岩性相符合(图 2)。文中主要分析2个沉积间断面之间(308~495 mm)的石笋层段。根据线性内插和外推法建立XYⅢ -28石笋该层段的时间标尺(图 3), 从而获得了29.13~27.94 kyr B.P.时段平均分辨率达7 yr的氧同位素序列。仙云洞石笋XYⅢ -28定年精度高, 误差在± 53~76 yr。从年龄— 深度图(图 3)可知, 在308~495 mm层段, 石笋生长速率为157.6 mm/kyr。
图 4-c给出了仙云洞石笋XYⅢ -28 δ 18O 的时间演化序列。在29.13~28.83 kyr B.P.时段, 石笋 δ 18O 整体偏正, 在-6.6‰ ~-7.3‰ 之间波动, 平均值为-6.9‰ ; 在28.83~28.46 kyr B.P.时段, 石笋 δ 18O 整体偏负, 变化范围为-6.8‰ ~-7.5‰ , 平均值为-7.2‰ ; 在28.46~27.94 kyr B.P.时段, 石笋 δ 18O 整体偏正, 在-6.1‰ ~-7.3‰ 之间波动, 平均值为-6.9‰ , 在28.04 kyr B.P.左右, 石笋 δ 18O 值约为-7.1‰ , 较平均值偏负0.4‰ , 与具有年层时标的神农架青天洞记录(QT15)的DO3事件开始阶段(28.04 kyr B.P.)一致, 这可能是仙云洞石笋XYⅢ -28记录到DO3事件的开始阶段。已有的研究结果表明, 亚洲季风区石笋氧同位素在轨道尺度、千年尺度和百年至十年际尺度上主要反映了夏季风强度变化信息(Wang et al., 2001, 2008; Zhang et al., 2008; Cheng et al., 2012, 2016)。当石笋 δ 18O 值偏负时, 指示夏季风增强, 反之则指示夏季风减弱。
先前的研究表明, 中国季风区石笋 δ 18O 记录的CIS事件(Chinese Interstadails, 简称CIS事件)与格陵兰冰芯记录的千年尺度气候事件(Greenland Interstadails, 简称GIS事件)一一对应(刘殿兵等, 2008; 崔英方等, 2011; Liu et al., 2010)。已发表的高分辨率湖北神农架三宝洞、贵州大石包洞及雾露洞石笋 δ 18O 记录的DO4事件起止时间分别为29.04~28.65 kyr B.P.、29.06~28.63 kyr B.P.、29.03~28.52 kyr B.P., 与格陵兰NGRIP冰芯 δ 18O 记录(28.87~28.47 kyr B.P.)还存在一定差别, 这可能与样品分辨率和定年方法具有一定关系。此外, 具有年层时标的青天洞QT15石笋记录(图 4-b), 由于在DO4事件前后可能存在短暂的沉积间断, 从而未能完整地刻画DO4事件的变化过程(王权等, 2017)。因此, 关于DO4事件的起止年龄尚需要更高精度定年和高分辨率的记录进一步完善。文中重建的高分辨率仙云洞XYⅢ -28石笋 δ 18O 记录在28.83~28.46 kyr B.P.时段整体负偏, 清晰地记录了DO4事件(图 4-c)。根据气候突变过程中间点的位置标定DO4事件的开始时间为28.83± 0.06 kyr B.P., 结束时间为28.46± 0.06 kyr B.P., 持续时间为0.37± 0.06 kyr, 与格陵兰NGRIP冰芯 δ 18O 记录(图 4-a)基本一致。
仙云洞石笋 δ 18O 记录与年纹层时标的神农架青天洞石笋记录(王权等, 2017)对比发现, 两者在DO4事件的振幅和变化特征上存在一定的差异。仙云洞石笋 δ 18O 振幅(~1.0‰ )明显低于青天洞(~2.0‰ )。现代降雨同位素观测数据表明, 青天洞和仙云洞附近的武汉和福州冬夏季降水 δ 18O 值分别在-5.1‰ ~-8.0‰ 、-4.1‰ ~-6.3‰ 之间波动, 振幅分别为2.9‰ 、2.2‰ , 武汉多年冬夏季降水 δ 18O 的差异比福州更大(数据来源于https: //websso.iaea.org)。先前研究也表明, 东亚季风冬夏季节降水 δ 18O 的比率是影响石笋氧同位素的主要因素(Wang et al., 2001)。最近, 中国东南地区江西峨眉洞石笋记录(Zhang et al., 2018)与当地器测资料对比说明季节性降水比重是影响石笋 δ 18O 的重要因素。基于此, 作者认为, 仙云洞石笋记录与青天洞石笋记录振幅差异特征可能与区域气候降水 δ 18O 的季节性差异有关。类似于DO4事件石笋 δ 18O 振幅差异也存在于8.2 ka事件(董进国等, 2013)。
在DO4事件开始阶段(28.83~28.68 kyr B.P.)的145 yr期间, 仙云洞XYⅢ -28石笋 δ 18O 记录从-7.0‰ 缓慢偏负至-7.4‰ , 相对振幅为0.4‰ , 表现为DO4事件缓慢开始的特征, 指示了东亚夏季风逐渐增强。然而, 北高纬格陵兰GICC05年层计数时标的NGRIP冰芯 δ 18O 记录快速升温(60 yr), 已发表的湖北神农架青天洞(王权等, 2017)和三宝洞、贵州大石包洞、雾露洞(Zhao et al., 2010)石笋 δ 18O 记录分别在59 yr、69 yr、56 yr、51 yr内快速进入DO4事件。位于中国东南地区仙云洞石笋 δ 18O 记录的DO4事件与较高纬度的地质记录呈现出不一致的变化特征, 这可能说明中国东南地区仙云洞石笋 δ 18O 记录还受到来自北高纬之外因素的影响。最近, 崔梦月等(2018)基于仙云洞与其他亚洲季风区石笋记录和北高纬记录对比发现, 仙云洞记录的新仙女木事件与靠近热带西太平洋的菲律宾Palawan洞穴石笋(Partin et al., 2015)具有明显的缓变特征。Partin等(2015)根据模型模拟认为, 受热带西太平洋水文过程影响的低纬地区相较于受海冰影响的高纬地区在应对气候突变的时间上历时更长。中国南海钻孔记录(Oppo and Sun, 2005)表明, 位于低纬热带西太平洋的中国南海在DO4事件时期表现为缓慢增温的过程。因此, 推断受热带低纬海气耦合影响, 位于中国东南地区的仙云洞石笋记录在DO4事件开始阶段表现为缓变特征。
高精度定年和高分辨率的仙云洞石笋 δ 18O 记录清晰捕捉到DO4事件内部及附近具有一系列百年至十年际尺度旋回事件, 振幅为0.2‰ ~0.5‰ (图 5-b)。仙云洞石笋记录和反映极地温度变化的格陵兰NGRIP冰芯 δ 18O 记录(Rasmussen et al., 2008; Svensson et al., 2006)以及指示赤道辐合带(ITCZ)平均位置的阿拉伯海海盆反照率记录(Deplazes et al., 2013)对比发现, 仙云洞石笋记录与格陵兰温度变化和ITCZ位置在百年至十年际尺度事件上存在紧密的关系。仙云洞石笋 δ 18O 记录在典型的DO4事件内部存在2个百年至十年际尺度事件(图 5-b), 与格陵兰NGRIP冰芯 δ 18O 记录(图 5-a)、阿拉伯海海盆反照率记录(图 5-c)一一对应。另外, 在DO4事件向DO3事件过渡阶段存在数次百年至十年际尺度事件, 与格陵兰NGRIP冰芯 δ 18O 记录、阿拉伯海海盆反照率记录同样对应。前人研究认为亚洲季风区石笋记录和极地温度变化与ITCZ位置移动在DO事件的亚旋回阶段上存在紧密耦合(Liu et al., 2010; 何尧启和姜修洋, 2012; 王晓艳等, 2015)。其可能的机制是北高纬冰量的变化引起了北大西洋地区淡水注入的变化, 进而使北大西洋经向环流(AMOC)减弱(增强)(Rahmstorf, 2002), 亚洲冬季风增强(减弱), ITCZ位置南移(北移)(Deplazes et al., 2013), 东亚夏季风(EASM)减弱(增强), 石笋 δ 18O 偏正(偏负)。
基于高分辨率福建仙云洞石笋记录的DO4事件分析, 初步得出以下结论:
1)仙云洞XYⅢ -28石笋记录的DO4事件起止年龄分别为28.83± 0.06 kyr B.P.、28.46± 0.06 kyr B.P., 持续时间为0.37± 0.06 kyr。仙云洞石笋记录的DO4事件最为显著的特征是在开始阶段(28.83~28.68 kyr B.P.)的145± 60 yr内缓慢偏负0.4‰ 。相比基于GICC05年层计数时标的格陵兰NGRIP冰芯 δ 18O 记录的DO4事件开始时间(60 yr)要长的多。
2)仙云洞XYⅢ -28石笋 δ 18O 记录揭示出在DO4事件内部及附近存在一系列百年至十年际尺度的季风增强事件, 与格陵兰NGRIP冰芯 δ 18O 记录、阿拉伯海海盆反照率记录的DO4事件内部及附近的百年至十年际尺度事件在定年误差范围内相对应, 表明东亚夏季风强度与极地温度变化和ITCZ位置移动存在紧密的联系。
致谢 感谢台湾大学沈川洲教授在定年上提供的帮助。
(责任编辑 李新坡; 英文审校 陈吉涛)
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
|
[26] |
|
[27] |
|
[28] |
|
[29] |
|
[30] |
|
[31] |
|
[32] |
|
[33] |
|