南嶺東部水源洞過去700年石筍氧同位素變化與氣候意義

楊 亮 ,陳 琳 ,黃嘉儀 ,陳 瓊 ,林 可 ,劉淑華 ,米小建,沈川洲,周厚云*

(1.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510631;2.臺灣大學(xué) 地質(zhì)科學(xué)系,臺灣 臺北 10617)

0 引 言

巖溶洞穴沉積以其定年精確、分辨率高、連續(xù)生長時間長及分布范圍廣等特點(diǎn),成為最近20多年中古氣候環(huán)境研究領(lǐng)域發(fā)展最迅速的方向之一,并取得了豐碩成果[1–5]。但洞穴沉積氧同位素組成(δ18O)的古氣候環(huán)境意義解讀近些年來在國內(nèi)外引起了廣泛爭議。如將石筍δ18O變化解釋為溫度的變化、季風(fēng)降雨量的變化、降水季節(jié)變化、夏季風(fēng)強(qiáng)度、降水水汽來源的比例和δ18O變化或區(qū)域大氣環(huán)流形勢變化等[6–23]。也有觀點(diǎn)認(rèn)為亞洲季風(fēng)區(qū)石筍δ18O變化同時受到多個因素的影響,不僅僅與季風(fēng)降水或季風(fēng)強(qiáng)度有關(guān)[24–26]。

如果能夠?qū)⑹Sδ18O記錄與其他獨(dú)立獲得的氣候環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行比較,也許能為我們厘清石筍δ18O的古氣候環(huán)境意義提供重要參考信息。本文擬報道采自我國南嶺東部一支石筍(SYD-6)的δ18O記錄,探討該δ18O記錄與我國南方地區(qū)暖季(5月至 9月)十年尺度旱澇頻數(shù)變化的關(guān)系,進(jìn)而重建小冰期以來南嶺東部地區(qū)夏季風(fēng)氣候變化的歷史。

1 樣品采集與研究方法

石筍SYD-6于 2006年采自南嶺東部的湖南南部宜章縣水源洞(112.84°E,25.30°N)。該溶洞據(jù)當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)介紹長度超過1 km。SYD-6采集于該溶洞中部。本區(qū)域氣候?yàn)閬啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候,多年平均降水量1427 mm,其中6月至9月降水量最大,年平均氣溫為 18.3℃。區(qū)域植被群落以中亞熱帶常綠闊葉林為主。洞穴發(fā)育于上古生界二疊系石灰?guī)r中,海拔為270 m,處于喀斯特低山丘陵地帶。

SYD-6全長360 mm,直徑約為 90 mm(圖1a)。樣品采集時發(fā)現(xiàn)石筍頂部與上面鐘乳石之間已有鵝管連接。采集過程中石筍從高處墜落,造成石筍頂部有少部分缺失。將石筍沿縱向切開并拋光,可以觀察到石筍SYD-6由文石組成,整段石筍巖性未發(fā)生明顯變化。從SYD-6頂部到底部9個不同層位取得年代樣品,采用 MC-ICP-MS進(jìn)行230Th定年,年代測定在臺灣大學(xué) HISPEC實(shí)驗(yàn)室完成,測年方法參見Shenet al.[27]。同時,沿SYD-6生長軸中心采用直徑0.5 mm的微鉆取樣用于δ18O分析,采樣間隔為1 mm。此外,Hendy檢驗(yàn)被認(rèn)為是判定巖溶洞穴沉積碳酸鹽是否是在同位素平衡條件下沉積的重要方法之一[28–29],我們沿SYD-6的3個生長層位(分別距離頂部 78 mm、127 mm 和 279 mm)采樣用于Hendy檢驗(yàn)。δ18O測試在中國科學(xué)院南京地質(zhì)與古生物研究所進(jìn)行,使用儀器為 Kiel型碳酸鹽自動進(jìn)樣裝置和Thermo-Fisher MAT253質(zhì)譜儀。δ18O分析誤差優(yōu)于0.1‰,結(jié)果報告相對于VPDB標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果和討論

2.1 年齡與年代模式

年代測定結(jié)果見表1。測年結(jié)果顯示SYD-6生長于約最近700 a,即SYD-6主要發(fā)育于小冰期以來。個別年齡(SYD-6-4)在不考慮誤差的情況下存在輕微倒置。這種倒置可能與該樣品Th含量相對較高有關(guān)。因此我們根據(jù)其余8個230Th年代,采用線性插值建立SYD-6的年代模式(圖 1b)。根據(jù)該年代模式,SYD-6的平均沉積速率為0.59 mm/a,沉積速率變化較大。

圖1 石筍SYD-6及其年齡模型Fig.1 Stalagmite SYD-6 and its age model

表1 SYD-6 230Th定年結(jié)果Table 1 230Th dating of stalagmite SYD-6

2.2 石筍SYD-6的δ18O記錄

石筍SYD-6的δ18O值隨時間變化曲線見圖2a,從圖中可以看到,SYD-6的δ18O值呈現(xiàn)了高頻、快速的變化,并且存在著百年際的波動,變化范圍為–6.5‰～–4‰,平均值為–5.213‰。根據(jù)圖 1b 中建立的年代模式,在1300 a到1550 a期間,SYD-6δ18O平均值為–5.18‰,較偏正,但存在著明顯十年際甚至年際劇烈變化,波動幅度可達(dá)到 0.96‰;1550年以后,其 δ18O 值整體上較偏負(fù),平均值為–5.28‰,且δ18O值變化較為平穩(wěn)。

一般認(rèn)為,石筍發(fā)育時,沉積的碳酸鹽礦物和巖溶水之間同位素達(dá)到平衡是石筍δ18O值作為古氣候指標(biāo)的重要前提[28]。Hendy檢驗(yàn)被認(rèn)為可以用于檢驗(yàn)洞穴沉積的碳酸鹽礦物是否是在同位素平衡條件下沉積的,并大量應(yīng)用于過去研究中(盡管現(xiàn)在有研究對 Hendy檢驗(yàn)的可靠性提出了質(zhì)疑[30–31])。Hendy檢驗(yàn)包含兩條標(biāo)準(zhǔn):(1) 沿著同一生長層的δ18O值保持不變;(2) 沿著石筍的同一生長層的δ18O值和δ13C值之間沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系。

沿SYD-6的3個層位(深度分別為78 mm、127 mm和279 mm)進(jìn)行Hendy檢驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示。279 mm層位中心點(diǎn)的δ18O值比其余點(diǎn)的高近1‰。這顯然不是動態(tài)分餾的結(jié)果,因?yàn)閯討B(tài)分餾只能造成中心點(diǎn)的δ18O值比其余點(diǎn)的低。原因可能是中心點(diǎn)的層位與其他點(diǎn)有差異。正如 Fairchildet al.[30]所說的,在 Hendy檢驗(yàn)中很難保證采集的樣品來自同一層位。除此以外,整體上每一層的δ18O值變化幅度均較小,此外,各層的δ18O值和δ13C值之間均沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系。這些表明石筍SYD-6是在同位素平衡分餾狀態(tài)下發(fā)育的。SYD-6像其他文石石筍一樣[18,32–34],可以用于過去氣候環(huán)境變化研究。

2.3 SYD-6的δ18O記錄的氣候環(huán)境意義

因?yàn)槭SSYD-6是在同位素平衡分餾狀態(tài)下發(fā)育的,其δ18O值變化主要受洞穴溫度和滴水δ18O值的影響[28]。一般洞穴內(nèi)溫度與洞外年均溫度相近。我們將SYD-6的δ18O記錄與重建的中國近1000年來溫度異常變化[35]進(jìn)行了對比(圖4)。可以看到,兩者的變化趨勢在公元 1500年以后具有一定的相似性,在此之前的趨勢存在明顯差異。不過兩者總體的相關(guān)性并不高(圖5)。此外,研究表明小冰期時期中國季風(fēng)區(qū)溫度變化幅度約為 1～2℃[36],這會導(dǎo)致石筍δ18O值產(chǎn)生 0.25%～0.5‰的變化[37],明顯小于石筍SYD-6的δ18O值的變化幅度。因此,雖然溫度變化可能具有一定的影響,但應(yīng)該不是控制石筍SYD-6的δ18O值變化的主要原因。

根據(jù)歷史文獻(xiàn)記錄重建的1300～1900年我國南方地區(qū)十年際尺度的暖季(5月至9月)旱澇災(zāi)害頻數(shù)距平序列(圖 6)[38–39]顯示: 在 1400～1600 年期間南方的洪澇頻數(shù)偏多,平均為2.45次/10 a,指示著該時期降水偏多;在1650年以后,南方洪澇頻數(shù)明顯減少。這一長期變化趨勢與SYD-6的δ18O記錄相似:1349到 1600年期間δ18O值也呈現(xiàn)高頻快速波動,1600年以后δ18O值波動減小,趨于平穩(wěn);此外,δ18O的高值大致對應(yīng)旱澇距平的低值(對應(yīng)較干旱的年份),反之亦然。兩者之間具有較顯著的相關(guān)關(guān)系(圖7)。歷史時期旱澇災(zāi)害的發(fā)生主要與區(qū)域有效降水有關(guān),在亞洲季風(fēng)區(qū)主要與夏季風(fēng)強(qiáng)度和季風(fēng)降水有關(guān)。圖6和圖7表明,SYD-6的δ18O值變化可能主要受夏季風(fēng)強(qiáng)度和季風(fēng)降水變化的控制。

圖2 水源洞石筍δ18O記錄與其他石筍δ18O記錄對比Fig 2 Comparison of the δ18O records of speleothems from the Shuiyuan Cave(a),Dayu Cave(b)[18],Dongge Cave(c)[12] and Wangxiang Cave(d)[5]

如在本文開頭所述,目前對亞洲季風(fēng)區(qū)內(nèi)石筍δ18O值的氣候環(huán)境意義解讀存在較大爭議。一種觀點(diǎn)認(rèn)為石筍δ18O值變化主要反映(季風(fēng))降水和季風(fēng)強(qiáng)度變化。如Wanget al.[11]認(rèn)為華東葫蘆洞石筍δ18O值變化反映了冬/夏季風(fēng)降水比值的變化。在對西南董哥洞石筍δ18O值變化的解釋中,Yuanet al.[14]認(rèn)為石筍δ18O值的變化反映了雨水δ18O值的變化,而雨水δ18O值的變化與水汽團(tuán)自源區(qū)以來凝結(jié)降水消耗的水汽比例相關(guān)。Yuanet al.[14]的解釋與之后Huet al.[15]對華中和尚洞的解釋相似。Huet al.[15]認(rèn)為和尚洞與董哥洞之間石筍δ18O的差值反映的是水汽輸送時兩地之間的降水量。同樣在董哥洞,Wanget al.[12]認(rèn)為石筍δ18O值變化反映了夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化,較低的石筍δ18O值指示較強(qiáng)的夏季風(fēng),反之亦然。這一解釋也在后來被Zhanget al.[16]、Chenget al.[17]和 Liuet al.[20]所采用。Zhanget al.[16]和 Chenget al.[17]基本沿用了 Wanget al.[11–12]的解釋,認(rèn)為在亞洲夏季風(fēng)影響的區(qū)域石筍δ18O值變化反映了夏季風(fēng)降水量或者夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化。Liuet al.[20]指出了在亞洲夏季風(fēng)影響的區(qū)域,對于石筍δ18O值的氣候環(huán)境意義解讀存在爭議,但認(rèn)為至少在和尚洞這一地點(diǎn),將石筍δ18O值作為降水量的指標(biāo)得到了Mg/Ca變化的支持。以上這些解釋,都認(rèn)為石筍δ18O值變化主要受到夏季風(fēng)降水量(有些直接用降水量)或夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的影響。

圖3 SYD-6 Hendy檢驗(yàn)結(jié)果Fig 3 The Hendy test for SYD-6

圖4 中國近1000年古溫度重建記錄[35](灰色)與SYD-6的δ18O記錄(黑色)對比Fig 4 Comparison of the δ18O records of speleothems from the Shuiyuan Cave(black) with temperature reconstruction over China[35](grey)

圖5 中國近1000年古溫度重建記錄[35]與SYD-6 δ18O記錄相關(guān)性分析結(jié)果Fig 5 Correlation between the SYD-6 δ18O record and temperature changes in China in the last millenniun[35]

圖6 1300～2000年我國南方地區(qū)暖季(5月至9月)十年尺度旱澇頻數(shù)[38–39](灰)與SYD-6 δ18O記錄(黑)對比Fig 6 Comparison between the SYD-6 δ18O record(black) and decadal variations of drought and flood disasters in South China[38–39](grey)旱澇距平偏正代表每10年內(nèi)發(fā)生洪澇災(zāi)害的次數(shù),偏負(fù)代表每10年內(nèi)發(fā)生旱災(zāi)的次數(shù)。

圖7 1300～2000年我國南方地區(qū)暖季(5月至9月)十年尺度旱澇頻數(shù)[38–39]與SYD-6 δ18O記錄相關(guān)性分析Fig.7 Correlation of the SYD-6 δ18O record with decadal variations of drought and flood disasters in South China[38–39]

與這一觀點(diǎn)顯著不同的是,有些學(xué)者認(rèn)為亞洲季風(fēng)區(qū)內(nèi)石筍δ18O值的變化除了受到夏季風(fēng)降水或夏季風(fēng)強(qiáng)度的影響之外,還受到其他因素的顯著影響,或者甚至認(rèn)為夏季風(fēng)降水或夏季風(fēng)強(qiáng)度變化不是主要的影響因素。例如,Paulsenet al.[13]就認(rèn)為秦嶺佛爺洞石筍δ18O值變化主要與溫度有關(guān),δ18O越輕指示氣候越濕冷,越重指示氣候越干熱。Johnsonet al.[24]在解釋萬象洞MIS-5時期石筍δ18O值變化時,認(rèn)為石筍δ18O值與夏季風(fēng)強(qiáng)度負(fù)相關(guān),這與Wanget al.[11–12]、Zhanget al.[16]、Chenget al.[17]和 Liuet al.[20]一致,但 Johnsonet al.[24]同時也認(rèn)為所研究石筍δ18O 值大幅度變化(近 7‰)的影響因素包括源區(qū)海水δ18O值的變化、降水量效應(yīng)、蒸發(fā)的變化、夏季風(fēng)/冬季風(fēng)降水比例的變化和大氣環(huán)流的變化等。Clemenset al.[25]認(rèn)為亞洲季風(fēng)區(qū)石筍的δ18O記錄與阿拉伯海夏季風(fēng)記錄在歲差周期上5 ka的相位差反映了亞洲季風(fēng)區(qū)石筍的δ18O值受到冬季溫度影響,因而不僅僅是夏季風(fēng)強(qiáng)度的指標(biāo)。Dayemet al.[26]認(rèn)為亞洲季風(fēng)區(qū)廣大范圍內(nèi)石筍δ18O值變化在軌道尺度上的高度一致性并不能得到現(xiàn)代氣象資料分析結(jié)果的支持,在冰期-間冰期尺度上石筍δ18O值的變化只有不到一半可以用降水量或者雨水δ18O值的季節(jié)變化來解釋。亞洲季風(fēng)區(qū)石筍δ18O值的變化是多種因素綜合作用的結(jié)果,包括具有不同δ18O值的水汽來源、不同的傳輸路徑、在大氣層中混合過程的差異,以及降水形式的差異等?，F(xiàn)階段一種比較流行的觀點(diǎn)認(rèn)為亞洲季風(fēng)區(qū)石筍δ18O值變化的主要原因在于水汽來源。如 Maher[21]認(rèn)為亞洲季風(fēng)區(qū)石筍δ18O值指示的不是降水量的變化,而是降水源區(qū)的變化。Maheret al.[22]重申了這一觀點(diǎn),并進(jìn)一步指出,在北半球夏季輻射較強(qiáng)時來自印度洋的水汽對降水貢獻(xiàn)更大,導(dǎo)致石筍δ18O 值更低;北半球夏季輻射較弱時來自太平洋的水汽對降水貢獻(xiàn)更大,導(dǎo)致石筍δ18O值更高。同樣是根據(jù)不同水汽來源的相對貢獻(xiàn)變化來解釋,譚明[9]認(rèn)為亞洲季風(fēng)區(qū)雨水和石筍δ18O值變化的主要影響因素是信風(fēng)和西太平洋副熱帶高壓等大氣環(huán)流系統(tǒng)變化引起的西南季風(fēng)(遠(yuǎn)源,帶來的雨水δ18O值相對較輕)和東南季風(fēng)(近源,帶來的雨水δ18O值相對較重)強(qiáng)度相對變化,而不是降水量或單一季風(fēng)系統(tǒng)(如印度季風(fēng)或東南季風(fēng))強(qiáng)度的變化。根據(jù)來源解釋的另外一種觀點(diǎn)來自Pausataet al.[19]和 Liuet al.[23]。Pausataet al.[19]根據(jù)模擬結(jié)果,認(rèn)為是北大西洋海冰范圍的擴(kuò)大導(dǎo)致北半球降溫和印度季風(fēng)的減弱,印度降水的δ18O值更重,輸入到中國的水汽δ18O值也更重。因而中國石筍的δ18O值反映的是印度季風(fēng)而不是東亞季風(fēng)的強(qiáng)度變化。這一解釋也被Liuet al.[23]所采用。

在本研究地點(diǎn),至少圖6和圖7顯示SYD-6的δ18O值變化可能與區(qū)域降水變化有關(guān)。這就像在萬象洞所觀察到的一樣[5]。因此,盡管存在著如上所述的廣泛爭議,我們認(rèn)為將 SYD-6與萬象洞石筍WX42B的δ18O值變化解釋為區(qū)域降水和夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化有其合理性。不過,從圖 6和圖 7也應(yīng)該注意到,區(qū)域降水只解釋了SYD-6的部分δ18O值變化。因此,SYD-6的δ18O值變化還受到了其他因素的影響,比如小冰期以來的溫度變化[36],以及可能某些我們目前尚不知道的因素。更應(yīng)該注意的是,雖然水源洞石筍SYD-6的δ18O值變化可能與區(qū)域降水和夏季風(fēng)強(qiáng)度有關(guān),但這遠(yuǎn)不是對前述廣泛爭議的問題所做的結(jié)論。

2.4 SYD-6記錄的區(qū)域氣候變化

根據(jù)石筍SYD-6的δ18O記錄,南嶺東部小冰期以來的夏季風(fēng)變化趨勢大致是: 在 1300年到 1533年期間,夏季風(fēng)降水總體上較少。δ18O值的劇烈波動顯示極端降雨事件較多,降水呈波動增加趨勢;其中在 1507年到 1533年期間,夏季風(fēng)降水達(dá)到峰值,并且年際降水波動振幅最大;1533年以后,夏季風(fēng)降水總體較多但呈現(xiàn)波動減少的趨勢,并且年際降水波動幅度減小。此外,整個記錄中還存在更小尺度的峰谷變換,顯示夏季風(fēng)強(qiáng)度存在十年際尺度的波動。

圖2對比了石筍SYD-6的δ18O記錄與我國季風(fēng)區(qū)其他石筍的δ18O記錄。萬象洞[5](33°19′N,105°00′E)和董哥洞[12](108°05′E,25°20′N)的δ18O 記錄顯示過去近700年中季風(fēng)降水由14世紀(jì)中期到16世紀(jì)中后期逐漸減少,16世紀(jì)末到20世紀(jì)初持續(xù)增加的趨勢,夏季風(fēng)變化趨勢為強(qiáng)—弱—強(qiáng),小冰期較干旱。而處于中部地區(qū)的大魚洞(33°08′N,106°18′E)石筍記錄的小冰期內(nèi)夏季風(fēng)降水δ18O記錄與之相反: 在1300年到1530年降水逐漸增加,1685年以后夏季風(fēng)降水逐漸減少。石筍 SYD-6與大魚洞所記錄的夏季風(fēng)降水變化類似: 在小冰期早期降水增加;小冰期后期降水減少;但 SYD-6記錄的小冰期早期降水波動更大。這表明,在最近700年中,我國不同地區(qū)夏季風(fēng)氣候變化整體趨勢存在明顯的區(qū)域差異。這種差異殷建軍等[4]也注意到了。顯然,這種差異不是夏季風(fēng)強(qiáng)度變化引起的我國季風(fēng)區(qū)“南澇北旱”或“南旱北澇”[40]的表現(xiàn)。相對于水源洞和大魚洞,萬象洞和董哥洞位于更西部的地區(qū),推測圖2所示的這種夏季風(fēng)氣候變化整體趨勢的區(qū)域差異可能與我國夏季風(fēng)的兩個分支,即東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的反相位關(guān)系[26]有關(guān)。但有關(guān)中國季風(fēng)區(qū)水汽的來源和影響的區(qū)域本身還存在不同的觀點(diǎn)[9,15,19,22,23,25,41],因此這種推測是否合理還有待于今后進(jìn)一步工作來驗(yàn)證。

3 結(jié) 論

本文對采自南嶺東部水源洞的石筍SYD-6進(jìn)行了高精度鈾系定年和高分辨率δ18O組成分析,發(fā)現(xiàn)該石筍主要發(fā)育在小冰期以來,其δ18O值存在顯著變化,而且δ18O值的變化趨勢與歷史文獻(xiàn)記載的我國南方地區(qū)小冰期以來旱澇災(zāi)害頻率變化趨勢基本一致。這反映了SYD-6的δ18O值變化很可能主要與區(qū)域夏季風(fēng)強(qiáng)度和季風(fēng)降水有關(guān)。根據(jù) SYD-6的δ18O記錄,南嶺東部地區(qū)的夏季風(fēng)氣候在1300年到1530年降水逐漸增加,1685年以后夏季風(fēng)降水逐漸減少。這一變化趨勢與大魚洞石筍指示的秦嶺南坡夏季風(fēng)氣候變化趨勢一致,但與董哥洞石筍記錄的我國西南地區(qū)和萬象洞石筍指示的秦嶺西部地區(qū)全新世晚期夏季風(fēng)氣候變化歷史存在明顯差異。這表明,在較短的時間尺度上,石筍記錄的夏季風(fēng)氣候變化在不同地區(qū)之間可能存在差異。

在石筍SYD-6樣品的采集過程中得到了劉繼鵬先生的幫助，在δ18O的測試過程中得到了中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所陳小明老師的幫助，在此對表示衷心的感謝！

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