小冰期內(nèi)部1510～1710AD時(shí)段石筍δ18O變化趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制探討

呂春艷 郝永娟 張?jiān)旅?/p>

摘 要：該文利用重慶豐都水鳴洞石筍NSM03高精度230Th年代數(shù)據(jù)和δ18O值建立了三峽庫(kù)區(qū)小冰期內(nèi)部1510～1710AD這一時(shí)段的石筍氧同位素時(shí)間變化序列，研究結(jié)果顯示在這兩百年間，NSM03石筍δ18O曲線呈高頻變化，δ18O值在1510～1670AD年相對(duì)偏負(fù)，之后δ18O持續(xù)偏重，在1610年左右達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)于前人研究的“明末弱季風(fēng)”這一事件，而在1638AD之后又持續(xù)偏輕，顯示了東亞季風(fēng)由偏強(qiáng)到弱，再持續(xù)強(qiáng)盛的變化趨勢(shì)。通過對(duì)NSM03石筍δ18O的功率譜分析，發(fā)現(xiàn)石筍δ18O記錄在此期間存在25 a、5 a和3 a周期，表明這一時(shí)期重慶地區(qū)氣候變化主要受控于太陽(yáng)活動(dòng)變化，同時(shí)受到ENSO事件的影響。

關(guān)鍵詞：重慶水鳴洞 石筍 氧同位素 亞洲季風(fēng)

中圖分類號(hào)：P512 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（c）-0197-03

近十多年來，石筍δ18O已被廣泛應(yīng)用于古氣候研究，并取得了很大成果。隨著研究的不斷深入，利用石筍δ18O重建古氣候并探討其與古文明衰退之間的關(guān)系也備受關(guān)注，張平中等[1]通過研究甘肅萬(wàn)象洞石筍δ18O記錄，重建了最近1810年以來亞洲季風(fēng)環(huán)流的降水變化，認(rèn)為了亞洲季風(fēng)降水的變化與中國(guó)歷史文明演化有密切的關(guān)系，季風(fēng)降水的變化是導(dǎo)致朝代更替最重要的因素。該文基于重慶豐都水鳴洞石筍230Th定年數(shù)據(jù)和δ18O測(cè)試數(shù)據(jù)，建立定年精確、高分辨率的石筍δ18O序列，探討小冰期內(nèi)部1510～1710AD期間氣候變化及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以及分析明王朝的更替是否與“明末弱季風(fēng)”這一季風(fēng)氣候事件有關(guān)。

1 材料和方法

重慶豐都水鳴洞（29°47′N，107°47′E）位于長(zhǎng)江中上游地區(qū)，亞熱帶濕潤(rùn)氣候，多年平均降雨量為1400 mm，年均氣溫在14 ℃，對(duì)季風(fēng)變化反映敏感，是研究季風(fēng)變化關(guān)系的理想?yún)^(qū)域。洞穴發(fā)育于三疊系下統(tǒng)嘉陵江組薄至中厚層狀石灰?guī)r中，是雪玉洞溶洞群的下層洞穴，地層穩(wěn)定。（見圖1）

該文石筍樣品NSM03長(zhǎng)90 mm，柱狀，質(zhì)地致密，剖面為灰白色，無(wú)重結(jié)晶、溶蝕等現(xiàn)象，無(wú)明顯的沉積間斷，適合230Th法測(cè)年。為獲得穩(wěn)定同位素分析樣品，沿著石筍生長(zhǎng)軸方向把石筍切開拋光，使用刻刀沿石筍生長(zhǎng)軸方向且平行于生長(zhǎng)紋層的剖面上刮取粉末，每毫米刮20個(gè)樣品，為避免樣品交叉污染，采用間隔取樣分析。石筍δ18O測(cè)試在西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院同位素實(shí)驗(yàn)室完成，分析儀器為碳酸鹽自動(dòng)進(jìn)樣裝置Kiel-Ⅳ聯(lián)動(dòng)Delta-V-plus質(zhì)譜儀，PDF標(biāo)準(zhǔn)，分析誤差≤±0.06。年代樣品由5 mm取芯鉆頭取得，用MC-ICP-MS Nepture分析測(cè)試，按Shen等方法[2]，年齡誤差≤1%（2σ）。

2 結(jié)果與討論

2.1 年代標(biāo)尺的建立

水鳴洞石筍NSM03的4個(gè)年代測(cè)試樣品（表1）覆蓋了200年，所得年代數(shù)據(jù)的精度非常高，誤差在±2年和±4年之間，平均誤差僅±3.5。由于測(cè)年精度比較高，而且無(wú)沉積間斷或者根據(jù)年代序列采用多項(xiàng)式擬合方程建立年齡—深度的生長(zhǎng)模型圖，從圖2中可以看出，石筍NSM03在這一時(shí)期沉積速率比較穩(wěn)定。

2.2 石筍δ18O指示意義

石筍用于古氣候研究的代用指標(biāo)豐富（穩(wěn)定同位素，微量元素，微層灰度，紋層等），但δ18O是其中應(yīng)用最為廣泛的，雖然人們對(duì)亞洲季風(fēng)區(qū)石筍氧同位素所指示的氣候意義還存在爭(zhēng)議[3]，但大多研究認(rèn)為季風(fēng)環(huán)流的強(qiáng)弱和夏季風(fēng)帶來的降水量應(yīng)該是影響石筍氧同位素組成的主要因素[4]。

石筍NSM03在近200 a內(nèi)共測(cè)試碳氧同位素146個(gè)，平均分辨率約1.4 a年，石筍SM03的δ18O曲線記錄了重慶地區(qū)1510～1710AD年時(shí)段氣候波動(dòng)特征。石筍NSM03的δ18O值在1510～1710AD時(shí)段內(nèi)的變化范圍為-8.51‰～-7.60‰，平均值為-8.02‰，變化幅度達(dá)到0.91‰。從圖3中可以識(shí)別出，這一時(shí)段石筍δ18O曲線變化大體可以分為3個(gè)階段：1510～1570AD期間，從1510～1550AD年，δ18O逐漸偏重，但在1550～1570AD，δ18O急劇偏負(fù)，在1556AD更是達(dá)到最低值，偏輕至-8.51‰，之后迅速變重，說明在這60年間，存在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)的季風(fēng)突變事件，但整體來說這一時(shí)期δ18O逐漸偏正，說明季風(fēng)逐漸減弱，降水漸減；之后，δ18O迅速升高，在1570～1638AD時(shí)段，石筍δ18O整體偏重，在1608AD滑入整條曲線谷底，偏重至-7.6‰，季風(fēng)較弱；1638～1710AD，δ18O持續(xù)偏輕且比較穩(wěn)定，季風(fēng)強(qiáng)盛，降水量增多，氣溫升高。

張平中等[1]研究甘肅萬(wàn)象洞，得出在1580～1640AD這段時(shí)間也經(jīng)歷了季風(fēng)的明顯減弱，稱為“明末弱季風(fēng)期”。中國(guó)歷史文獻(xiàn)資料也記載到在16世紀(jì)末的季風(fēng)減弱期間國(guó)東部地區(qū)發(fā)生了兩次極端干旱事件[5]，這也得到中國(guó)樹輪記錄的支持[6]，從圖3和上述內(nèi)容提到，第二時(shí)段（1570～1638AD）石筍δ18O整體偏重，季風(fēng)明顯減弱，降水量減少，這與張平中等所研究的1580～1640AD季風(fēng)明顯減弱的“明末弱季風(fēng)期”時(shí)間基本一致，而明末弱季風(fēng)內(nèi)部存在的“W”型氣候波動(dòng)，也與中國(guó)東部地區(qū)的兩次極端干旱事件相對(duì)應(yīng)，這一時(shí)期明王朝的統(tǒng)治區(qū)域內(nèi)因糧食減產(chǎn)等原因，引發(fā)了大規(guī)模的農(nóng)民起義，最終導(dǎo)致明王朝的終結(jié)。季風(fēng)減弱，降水量減少，極端干旱事件的出現(xiàn)，導(dǎo)致糧食減產(chǎn)，因此，季風(fēng)降水的變化確實(shí)可能成為王朝更替的關(guān)鍵因素。

2.3 1510～1710AD氣候變化機(jī)制探討

通過對(duì)石筍δ18O進(jìn)行REDFIT37功率譜分析（圖4），在90%置信度水平下通過紅噪聲檢驗(yàn)的周期有25 a、5 a和3 a，25 a周期與太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期（22 a）相對(duì)應(yīng)，表明這一時(shí)期重慶地區(qū)氣候變化主要受控于太陽(yáng)活動(dòng)；而3～5 a周期又和ENSO的2～7 a準(zhǔn)世紀(jì)周期有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明這一時(shí)期氣候變化同時(shí)受到ENSO事件的影響。

3 結(jié)論

重慶水鳴洞氧同位素記錄了小冰期內(nèi)部1510～1710AD這一時(shí)段重慶地區(qū)的季風(fēng)降水變化。δ18O值在1510～1670AD年開始，之后δ18O持續(xù)偏重，在1608AD左右達(dá)到最大值，偏重至-7.6‰，而在1638AD之后又持續(xù)偏輕且變化穩(wěn)定，顯示了東亞季風(fēng)由偏強(qiáng)到弱，再持續(xù)強(qiáng)盛的變化趨勢(shì)；1580～1640AD的季風(fēng)明顯偏重階段，對(duì)應(yīng)于前人研究的“明末弱季風(fēng)”這一事件，說明季風(fēng)降水的變化確實(shí)可能成為王朝更替的關(guān)鍵因素。最后通過對(duì)NSM03石筍δ18O的功率譜分析發(fā)現(xiàn)石筍δ18O記錄在此期間存在25 a、5 a和3 a周期，表明這一時(shí)期重慶地區(qū)氣候變化主要受控于太陽(yáng)活動(dòng)作用，同時(shí)受到ENSO事件的影響。

參考文獻(xiàn)

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[2] Shen C C，Cheng H，Edwards R L，et al.Measurement of attogram quantities of 231Pa in dissolved and particulate fractions of seawater by isotope dilution thermal ionization mass spectroscopy[J].Analytical Chemistry， 2003（75）：1075-1079.

[3] 張德二，李紅春，顧德隆，等.從降水的時(shí)空特征檢證季風(fēng)與中國(guó)朝代更替之關(guān)聯(lián)[J].科學(xué)通報(bào)，2010，55（1）：60-67.

[4] 譚明.環(huán)流效應(yīng)：中國(guó)季風(fēng)區(qū)石筍氧同位素短尺度變化的氣候意義——古氣候記錄與現(xiàn)代氣候研究的一次對(duì)話[J].第四紀(jì)研究，2009，29（5）：851-862.

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