湖北高分辨率石筍記錄的DO18事件特征

張偉宏，廖澤波，陳仕濤，邵慶豐，段福才，朱麗東，王天陽(yáng)

1.浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004 2.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京 210023

0 引言

末次冰期氣候變化的一個(gè)顯著特征是存在著一系列千年尺度氣候突變事件，即Dansgaard-Oeschger事件 (DO事件)[1]。其中，在深海氧同位素4階段 (Marine Isotope Stage 4，簡(jiǎn)稱MIS4)，北半球太陽(yáng)輻射減少，全球冰量較大 (海平面比現(xiàn)在低60～80 m) 僅次于末次冰盛期[2]，格陵蘭冰芯記錄顯示此階段僅存在DO19和DO18兩次增暖事件[3]。其中，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2000 a的DO19事件在北大西洋區(qū)域表現(xiàn)為先典型快速升溫再緩慢降溫和再快速降溫的鋸齒狀變化模式，相類似的氣候突變事件在北半球中、低緯記錄中多有體現(xiàn)[4-8]。然而，格陵蘭冰芯記錄中持續(xù)不到400 a的DO18事件在部分中、低緯區(qū)域記錄中并不顯著，導(dǎo)致學(xué)者對(duì)于持續(xù)時(shí)間較短的該類事件在中、低緯地區(qū)的響應(yīng)以及動(dòng)力學(xué)機(jī)制仍存疑惑[6]。如歐洲阿爾卑斯山北部高分辨率洞穴石筍清晰的記錄到DO19事件，但未記錄到隨后發(fā)生的持續(xù)較短的DO18事件[6]。而在較低緯度的中國(guó)西南季風(fēng)區(qū)域，重慶新崖洞石筍δ18O在64.7±0.5 ka快速負(fù)偏達(dá)1‰，指示了DO18季風(fēng)事件的快速開始[9]。但是，在東亞季風(fēng)區(qū)的南京葫蘆洞、貴州董哥洞和湖北三寶洞石筍記錄 (均滿足記錄DO18的分辨率) 均未顯示出DO18事件時(shí)季風(fēng)顯著增強(qiáng)的印記[4-5,10-11]。不同的是，距離三寶洞約130 km的湖北永興洞的兩支石筍δ18O記錄卻顯示出季風(fēng)在此時(shí)增強(qiáng)的特征[8]。因此，盡管在中國(guó)季風(fēng)區(qū)有若干記錄捕捉到DO18事件，但是目前還缺少高分辨率和精確定年的記錄來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證此事件在中低緯度的發(fā)生、以及進(jìn)一步刻畫其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)特征和持續(xù)時(shí)間。這些特征有助于理解短尺度季風(fēng)氣候事件與北高緯氣候之間的協(xié)同性和差異性以及這些事件的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

在冰量規(guī)模中等的MIS3階段，DO事件的周期性發(fā)生被廣泛認(rèn)為與北大西洋溫鹽環(huán)流 (AMOC) 強(qiáng)度的變化密切相關(guān)[12-15]。但是，不清楚的是在冰量較大的MIS4階段AMOC對(duì)于DO事件的發(fā)生是否有重要作用。對(duì)于冰量較大的末次冰期后期，Lynch-Stieglitzetal.[16]通過(guò)對(duì)弗羅里達(dá)海峽底棲有孔蟲δ18O的研究，發(fā)現(xiàn)在Heinrich 2 (H2) 和Heinrich 3 (H3) 事件發(fā)生時(shí)北大西洋深層水變化極為微弱，提出H2和H3事件發(fā)生以前AMOC已經(jīng)減弱到極致的觀點(diǎn)。該研究表明在冰量較大時(shí)期 (如MIS 2) 的AMOC不再如MIS 3時(shí)期活躍，也有研究指出MIS 2和MIS 4 時(shí)期，兩半球間Bipolar see-saw現(xiàn)象消失，AMOC停滯[17]。有學(xué)者對(duì)DO事件的發(fā)生機(jī)制也提出不同看法。Wunsch[18]認(rèn)為DO事件是風(fēng)場(chǎng)和陸地冰蓋相互作用的結(jié)果，風(fēng)場(chǎng)具有較大的波動(dòng)能力且產(chǎn)生迅速的全球尺度的遙相關(guān)，且是大洋環(huán)流變化的有效驅(qū)動(dòng)器；Petersenetal.[19]提出北大西洋冰架和海冰的協(xié)同變化能夠解釋DO旋回不同階段的形態(tài)及轉(zhuǎn)換過(guò)程。那么，檢驗(yàn)在冰量較大的MIS4階段DO事件的發(fā)生是否與AMOC相關(guān)還需提供更多的高分辨率地質(zhì)記錄。

本文根據(jù)湖北神農(nóng)架永興洞石筍的高精度230Th定年和高分辨率氧同位素?cái)?shù)據(jù)，重建DO18事件發(fā)生時(shí)東亞季風(fēng)水文循環(huán)變化過(guò)程。通過(guò)與南北極冰芯和海洋記錄的對(duì)比，探討亞洲季風(fēng)DO18事件與AMOC的耦合過(guò)程，為理解末次冰期不同氣候背景下氣候突變事件發(fā)生機(jī)制提供基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)域、樣品與方法

石筍樣品 (No. YX274) 采自湖北省神農(nóng)架?？悼h歇馬鎮(zhèn)的永興洞 (31°35′N, 111°14′E)。神農(nóng)架地區(qū)主要是由大巴山脈東段近東西方向延伸的中高山地貌組成，區(qū)內(nèi)總地勢(shì)為西南高而東北低的階梯狀，地表土壤發(fā)育較好，植被以灌木和草本植物為主。該區(qū)隸屬于長(zhǎng)江中下游區(qū)域，主要受亞熱帶季風(fēng)氣候環(huán)流系統(tǒng)控制。本區(qū)年均降水量為1 500～2 000 mm，夏季6月—8月降水集中，占全年雨量的50%以上；冬季12月—2月降水量較少，僅占全年降水量的5%。永興洞洞口海拔約800 m，洞長(zhǎng)約500 m。 2013年6月—2016年12月的洞內(nèi)外監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，洞外溫度呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化特征，夏季高溫可達(dá)30 ℃，冬季溫度最低5 ℃，洞內(nèi)溫度每月維持在約14 ℃左右，濕度約100%。YX274石筍外形呈圓柱狀，總長(zhǎng)324 mm，外部直徑80～130 mm。沿生長(zhǎng)軸切開、拋光后，發(fā)現(xiàn)近軸部呈黃褐色而近邊緣區(qū)多呈黃白色，巖性整體上無(wú)顯著變化 (無(wú)明顯沉積間斷)，結(jié)晶致密但局部發(fā)育孔洞 (圖1)。肉眼觀測(cè)，大部分層段發(fā)育有明/暗色層偶相間特征的紋層。據(jù)永興洞4個(gè)滴水點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，這4個(gè)點(diǎn)常年滴水，但季節(jié)差異顯著。夏季的滴水速率明顯高于冬季，并且夏季碳酸鹽沉積量也顯著多于冬季。這種季節(jié)性氣候條件的變化很可能是永興洞YX274石筍微層出現(xiàn)明/暗交替沉積韻律變化的原因。

在拋光面上，用直徑為0.9 mm牙鉆分別從距頂47、131、165、212和270 mm處獲取5個(gè)鈾系年代樣 (重約100 mg)，由南京師范大學(xué)同位素質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)室MC-ICP-MS Neptune儀器測(cè)試，化學(xué)實(shí)驗(yàn)方法參照Shenetal.[20]和Shaoetal.[21]研究，年齡誤差為±2σ (表1)。用直徑0.5 mm鉆頭沿生長(zhǎng)中心軸方向每1 mm鉆取一個(gè)樣品，共獲得323組氧碳同位素?cái)?shù)據(jù)。利用碳酸鹽自動(dòng)進(jìn)樣裝置與Finnigan MAT-253型質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)完成測(cè)試，分析誤差小于0.1‰，VPDB標(biāo)準(zhǔn)，由南京師范大學(xué)同位素實(shí)驗(yàn)室完成。

圖1 永興洞石筍YX274拋光面照片黑點(diǎn)及數(shù)字分別指示鈾系定年點(diǎn)的位置及對(duì)應(yīng)年齡Fig.1 Polishing face photo of Stalagmite YX274 from Yongxing Cave

表1 永興洞石筍YX274鈾系測(cè)年結(jié)果

注：234U、238U和230Th的衰變常數(shù)λ234=2.82206×10-6a-1、λ238=1.55125×10-10a-1和λ230=9.1705×10-16a-1；δ234U=([234U/238U]activity-1)×1000；校正的230Th年齡是假定初始的230Th/232Th原子比為4.4±2.2×10-6。年齡均相對(duì)于1 950 a。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈾釷測(cè)年及時(shí)標(biāo)序列的建立

表1為YX274石筍的5個(gè)230Th測(cè)年結(jié)果。樣品238U含量在(618～782)×10-9之間變化，232Th含量較低，在(108～1 242)×10-9之間變化，測(cè)年絕對(duì)誤差為137～158 a (相對(duì)誤差為2.2‰～2.5‰)。實(shí)測(cè)年代數(shù)據(jù)表明YX274石筍生長(zhǎng)時(shí)段覆蓋了62.42～63.72 ka，生長(zhǎng)速率較快，在88～291 μm/a之間變化。本文采用StalAge年齡模式建立時(shí)標(biāo)[22](圖2)。該年齡模式采用Monte-Carlo統(tǒng)計(jì)算法，通過(guò)調(diào)整線性合集以適合年齡數(shù)據(jù)子集來(lái)計(jì)算出年齡模式及對(duì)應(yīng)的 95%置信度，顯著降低了年齡模式的不確定性。結(jié)果顯示，石筍YX274生長(zhǎng)于62.2～63.6 ka，對(duì)應(yīng)于DO18事件結(jié)束時(shí)期。

圖2 石筍YX274年齡模式圖黑點(diǎn)及垂直誤差棒分別為實(shí)測(cè)年齡及對(duì)應(yīng)2σ誤差；中間線為年齡模式，兩側(cè)線為95%置信度范圍Fig.2 Age model of stalagmite YX274

2.2 石筍δ18O記錄

圖3c顯示YX274石筍δ18O在-7.5‰～-9.7‰之間波動(dòng)。從63.6 ka開始，δ18O逐漸正偏，在～63.0 ka時(shí)正偏趨勢(shì)結(jié)束，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的水平波動(dòng)。整個(gè)時(shí)段疊加了眾多百年—數(shù)十年尺度的波動(dòng)。如以63.4 ka和63.1 ka為中心的持續(xù)～150 a和300 a的負(fù)偏波動(dòng) (圖4a-4，5)，這些振蕩與同一洞穴石筍YX55 δ18O記錄[8]的兩次百年尺度負(fù)偏波動(dòng)相對(duì)應(yīng) (63.5 ka和63.2 ka，圖4b中4，5)。此外，YX274 δ18O在63.6～63.0 ka時(shí)段的正偏變化也得到同一洞穴YX55、YX46石筍記錄[8]的支持。整體上，YX274與YX55 δ18O記錄在長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和百年尺度波動(dòng)上均具有較好的重現(xiàn)性。

石筍δ18O作為古氣候代用指標(biāo)的重要前提是方解石沉積時(shí)與巖溶水之間同位素分餾達(dá)到平衡[23]。依據(jù)Hendy準(zhǔn)則[23]，YX274石筍生長(zhǎng)軸方向上δ18O與δ13C的變化沒(méi)有顯著相關(guān)性(r=0.3,n=322)，表明石筍生長(zhǎng)過(guò)程中受動(dòng)力分餾較小，基本達(dá)到同位素平衡分餾。此外，YX274與YX55 δ18O記錄的重現(xiàn)性強(qiáng)有力地證實(shí)了動(dòng)力分餾對(duì)同位素變化影響不顯著，暗示這兩種同位素受相同的外部氣候因子控制。一般來(lái)說(shuō)，中國(guó)石筍δ18O主要繼承大氣降水氧同位素的信息，反映東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化特征。近來(lái)，部分研究認(rèn)為東亞石筍δ18O并不能有效指示與東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度相關(guān)的降水量變化，其主要受諸如水汽源區(qū)[24-25]及傳輸路徑[26]、ENSO[27-28]、北大西洋氣候信號(hào)[29]等因素的影響。盡管存在以上不同的認(rèn)識(shí)，但是東亞石筍δ18O在千年甚至百年尺度上有著很好的重現(xiàn)性特征，表明東亞石筍δ18O應(yīng)能代表區(qū)域大尺度環(huán)流信號(hào)。最近，反映北方降水量變化的內(nèi)蒙古湖泊沉積記錄顯示出與中國(guó) (南方和北方) 石筍δ18O記錄高度一致的變化特征，支持中國(guó)石筍δ18O能夠反映季風(fēng)強(qiáng)度帶來(lái)的降水量變化解釋[30]。此外，北京Kulishu洞石筍年紋層內(nèi)季節(jié)分辨率的δ18O結(jié)果顯示出冰消期時(shí)較輕的δ18O值與夏季風(fēng)帶來(lái)較多的降水量密切相關(guān)，在百年尺度上δ18O偏正的Younger Dryas (YD) 時(shí)期綜合降水量要低于δ18O偏負(fù)的B?lling-Aller?d暖期和早全新世時(shí)期[31]。似乎是中國(guó)石筍δ18O在千年—數(shù)百年尺度上能代表區(qū)域尺度降水整體演化過(guò)程。Chengetal.[32]基于對(duì)全球季風(fēng)的對(duì)比研究，提出東亞石筍δ18O能反映平均態(tài)的夏季風(fēng)強(qiáng)度或綜合水汽輸送。目前，東亞石筍δ18O大尺度的一致性與器測(cè)及歷史記錄研究顯示的短尺度上中國(guó)南、北方降水存在反相位關(guān)系 (區(qū)域降水存在差異) 的結(jié)論存在矛盾，因此對(duì)于δ18O短時(shí)間尺度氣候意義的完整理解還有待于今后深入研究。從全球季風(fēng)視角考慮，在千年—數(shù)百年尺度上中國(guó)石筍δ18O具有廣泛區(qū)域意義和全球可對(duì)比性，似乎能夠反映夏季風(fēng)強(qiáng)度變化的綜合特征[33]，這一解釋也得到模擬結(jié)果的支持[34]。據(jù)此，本文YX274石筍δ18O偏負(fù)，可表示東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)，反之，東亞夏季風(fēng)減弱。

圖3 中國(guó)石筍與格陵蘭冰芯δ18O記錄對(duì)比a.格陵蘭冰芯NGRIP δ18O記錄[35]；b.葫蘆洞石筍δ18O記錄[4]；c.永興洞YX274石筍δ18O記錄；d.永興洞YX55 (黑色) 和YX46 (灰色) 石筍δ18O記錄[8]；e.新崖洞XY2石筍δ18O記錄[9]；f.羊口洞JFKY7石筍δ18O記錄[36]Fig.3 Comparison of δ18O records between Chinese stalagmites and Greenland ice core

2.3 石筍記錄的DO18事件

盡管YX274石筍δ18O記錄缺失DO18事件的開始變化，但是變化一致的YX55和YX46石筍δ18O記錄[8]顯示了DO18事件的快速開始過(guò)程 (圖3d)。YX55記錄顯示從64.7±0.3 ka開始，δ18O在約160 a內(nèi)迅速負(fù)偏2‰，在測(cè)年誤差范圍內(nèi)與YX46 δ18O記錄的在64.8±0.2 ka開始在約250 a內(nèi)負(fù)偏1.6‰的變化相一致，表明在64.7±0.3 ka左右東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度開始快速增強(qiáng) (圖3d)。重慶新崖洞石筍δ18O值在64.7±0.2 ka快速負(fù)偏1.3‰(圖3e)，清晰地記錄到夏季風(fēng)快速增強(qiáng)的變化，指示DO18事件的迅速開始[9]。不同于以上記錄，葫蘆洞MSL石筍δ18O在64.7±0.2 ka時(shí)僅呈現(xiàn)出微弱的負(fù)偏波動(dòng) (0.4‰，圖3b)，不能判定其為一次明顯的季風(fēng)增強(qiáng)變化。盡管如此，以上相隔數(shù)百公里的永興洞和新崖洞石筍δ18O值在64.7±0.3 ka時(shí)一致負(fù)偏的變化表明DO18事件應(yīng)是一次區(qū)域性的亞洲季風(fēng)增強(qiáng)事件?；诟窳晏mNGRIP AICC2012時(shí)標(biāo)，冰芯DO18暖事件開始于64.1±0.6 ka，在160 a內(nèi)完成升溫過(guò)程[35]，與石筍記錄的持續(xù)時(shí)間約為200 a的季風(fēng)快速增強(qiáng)過(guò)程較為一致。在年齡誤差范圍內(nèi)，永興洞石筍δ18O記錄的DO18快速開始過(guò)程與NGRIP冰芯快速升溫過(guò)程相一致 (圖3)，在一定程度上支持了NGRIP AICC2012時(shí)標(biāo)。然而，二者在DO18事件結(jié)束過(guò)程上卻存在顯著差異。NGRIP冰芯記錄顯示DO18事件在100 a內(nèi)完成快速降溫過(guò)程，永興洞石筍記錄顯示δ18O從64.5 ka左右開始逐步正偏，到～63.0 ka時(shí)正偏結(jié)束，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 500 a，期間疊加了5次顯著的百年尺度負(fù)偏波動(dòng)，表明亞洲季風(fēng)在持續(xù)減弱的過(guò)程中存在百年尺度的季風(fēng)增強(qiáng)波動(dòng) (圖3，4)。類似地，DO18結(jié)束時(shí)呈持續(xù)時(shí)間達(dá)千年的緩慢變化特征，此特征在羊口洞和新崖洞石筍記錄中也尤為顯著[9,36]。所不同的是，新崖洞和羊口洞δ18O記錄在DO18冰階仍呈現(xiàn)出逐漸正偏的趨勢(shì)[9,36]，與反映印度季風(fēng)強(qiáng)度變化的阿拉伯海和Cariaco盆地沉積記錄變化趨勢(shì)相一致[7]，而永興洞3支石筍和葫蘆洞石筍的δ18O記錄變化一致，在DO18冰階表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的水平波動(dòng)(圖3)。這一差異可能表明西南區(qū)域的羊口洞和新崖洞受印度季風(fēng)影響更為敏感，而中部區(qū)域的永興洞和東部葫蘆洞受東亞季風(fēng)影響較顯著。東亞和印度季風(fēng)區(qū)不同的陸地/大洋分布格局可能引起水熱組合模式差異而造成短時(shí)間尺度上石筍氧同位素的區(qū)域差異[37]。

為了精確標(biāo)定亞洲季風(fēng)DO18向GS18事件轉(zhuǎn)型的時(shí)間，本文采用回歸統(tǒng)計(jì)方法(RAMPFIT) 來(lái)進(jìn)行評(píng)估。RAMPFIT方法通過(guò)對(duì)分析數(shù)據(jù)采用加權(quán)最小二乘法進(jìn)行“傾斜”擬合過(guò)程，進(jìn)而定量計(jì)算出氣候轉(zhuǎn)型的確切時(shí)間，計(jì)算原理和方法詳見(jiàn)Mudelsee[38]。通過(guò)RAMPFIT對(duì)YX274石筍δ18O數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，確定DO18向GS18的轉(zhuǎn)型在63.0 ka完成 (圖4)。該轉(zhuǎn)型時(shí)間與YX55和YX46石筍分別記錄的62.6和63.0 ka在定年誤差范圍內(nèi)相一致[8]。該結(jié)束時(shí)間的標(biāo)定有助于研究DO18事件的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

圖4 永興洞石筍YX274和YX55、YX46 δ18O記錄對(duì)比a.YX274 δ18O記錄；b.YX55 (黑色) 和YX46 (灰色) δ18O記錄[8]。數(shù)字1～5為5次百年尺度波動(dòng)；灰色折線為RAMPFIT統(tǒng)計(jì)分析獲得的“傾斜”結(jié)果，63.0 ka為δ18O由緩慢增大狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定波動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)Fig.4 Comparison of stalagmite YX274, YX55 and YX46 δ18O records

2.4 高低緯對(duì)比及驅(qū)動(dòng)機(jī)制

石筍YX274結(jié)合同一洞穴兩支石筍YX55和YX46的記錄[8]能夠還原DO18事件附近詳細(xì)的東亞季風(fēng)變化歷史。如圖5所示，將永興洞石筍δ18O與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O記錄[35]進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)MIS4冰量較大時(shí)期東亞季風(fēng)與北高緯溫度在千年—百年尺度事件上仍存在遙相關(guān)關(guān)系，季風(fēng)增強(qiáng)對(duì)應(yīng)于北高緯升溫，反之則相反。如格陵蘭NGRIP冰芯記錄[35]的DO18、DO17暖事件以及H6冰階在永興洞石筍記錄中均有體現(xiàn)，分別對(duì)應(yīng)于DO18、DO17強(qiáng)季風(fēng)事件及H6弱季風(fēng)事件。這種對(duì)應(yīng)表明高、低緯氣候系統(tǒng)緊密耦合關(guān)系在冰量較大的時(shí)期仍然存在，這種耦合關(guān)系可能由于AMOC的變化引起。如圖5c所示，反映AMOC強(qiáng)度變化的231Pa/230Th記錄[39]與石筍記錄、NGRIP冰芯記錄顯示出相似的波動(dòng)特征，在石筍和冰芯中記錄到的氣候突變事件均可在231Pa/230Th記錄中得到體現(xiàn)。231Pa/230Th值在DO18、DO17事件時(shí)呈現(xiàn)出低值，指示AMOC增強(qiáng)；在H6冰階時(shí)，231Pa/230Th值增加，指示AMOC減弱，支持AMOC在間冰階時(shí)加強(qiáng)而在冰階時(shí)減弱的假說(shuō)[40]。可能的變化過(guò)程是AMOC強(qiáng)度變化引起北高緯冷/暖和南高緯暖/冷氣候態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，促使高低緯之間的溫度梯度變化，并改變了熱帶輻合帶ITCZ的平均位置，進(jìn)而調(diào)節(jié)東亞季風(fēng)強(qiáng)度變化。此外，南極溫度在DO18、DO17事件的降溫以及在H6冰階的升溫變化，呈現(xiàn)出與北高緯、東亞季風(fēng)反相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，支持了兩半球之間在千年—百年尺度上受AMOC調(diào)控并呈see-saw的變化模式的結(jié)論[14]。此外，MIS2—MIS5時(shí)期永興洞石筍δ18O記錄的多個(gè)DO事件[8]與231Pa/230Th值對(duì)比進(jìn)一步提供了AMOC調(diào)節(jié)千年—百年尺度氣候變化的證據(jù) (圖6)。盡管在事件持續(xù)時(shí)間和相對(duì)振幅方面石筍δ18O與231Pa/230Th二者存在差異，但是永興洞石筍記錄的H8-H2弱季風(fēng)事件均與減弱的AMOC相對(duì)應(yīng)，而AMOC的增強(qiáng)則對(duì)應(yīng)于季風(fēng)的增強(qiáng)。綜上所述，AMOC變化在調(diào)節(jié)冰期千年—百年尺度高低緯氣候突變事件中起主導(dǎo)作用。

圖5 永興洞石筍記錄與其他記錄對(duì)比a.格陵蘭冰芯NGRIP δ18O記錄[35]；b.南極EDML冰芯CH4記錄[35]；c.黑色和灰色曲線為永興洞石筍YX55、YX46[8]和YX274 δ18O記錄；黑色折線為副熱帶北大西洋沉積物231Pa/230Th記錄[39]；灰色平滑曲線為33°N太陽(yáng)輻射曲線[42]；d.南極EDC冰芯δD (黑色) 和EDML冰芯δ18O記錄 (灰色) [35]Fig.5 Comparison of the Yongxing cave records with other paleoclimatic records

圖6 永興洞石筍δ18O記錄 (灰色) 與北大西洋231Pa/230Th (黑色) 記錄對(duì)比灰色陰影帶表示H2-H8事件Fig.6 Comparison of Yongxing δ18O record[8] (grey) with231Pa/230Th record[39] (black) in the northwest Atlantic

盡管永興洞石筍δ18O和NGRIP冰芯δ18O[35]均記錄到DO18事件，但是二者呈現(xiàn)出不同的事件變化模式。如圖5所示，NGRIP冰芯δ18O記錄顯示DO18在～370 a (64.077～63.70 ka) 內(nèi)完成快速增溫和快速降溫變化過(guò)程，呈顯著的對(duì)稱變化形態(tài)[35]。但是，永興洞石筍記錄的DO18事件呈現(xiàn)出季風(fēng)快速增強(qiáng)、緩慢減弱的“倒三角形”變化模式，形態(tài)上與格陵蘭冰芯記錄的MIS 3階段典型的千年尺度DO事件結(jié)構(gòu)相類似[1, 41]。這種DO18事件結(jié)束時(shí)低緯季風(fēng)減弱比高緯降溫較為緩慢的變化特征表明低緯水文環(huán)流與北高緯溫度的不同響應(yīng)。DO18事件結(jié)束時(shí)AMOC緩慢減弱的變化 (231Pa/230Th值緩慢增加) 可能是控制低緯季風(fēng)強(qiáng)度緩慢減弱的重要因素。231Pa/230Th值在約64.1～62.6 ka持續(xù)增加[39]，與永興洞石筍記錄的～64.5-63.0 ka時(shí)間段內(nèi)DO18事件結(jié)束過(guò)程較為一致，二者均體現(xiàn)出DO18結(jié)束時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 500 a的緩慢變化特征。此外，Cariaco盆地沉積巖芯反照率顯示出相似的緩慢增加變化過(guò)程，說(shuō)明此時(shí)期ITCZ緩慢南移[7]。這些證據(jù)表明DO18事件結(jié)束時(shí)AMOC逐步減弱可能引起ITCZ緩慢南移，造成東亞季風(fēng)緩慢減弱。另外，太陽(yáng)輻射和南半球溫度變化一定程度上也調(diào)控著季風(fēng)變化。DO18事件結(jié)束時(shí)太陽(yáng)輻射處于快速增大時(shí)期[42]，對(duì)于季風(fēng)的快速減弱起到阻礙作用，延緩了季風(fēng)減弱的發(fā)生過(guò)程。南極區(qū)域相對(duì)應(yīng)的降溫變化表明來(lái)自南半球的越赤道氣流增強(qiáng)[43-44]，較多的水汽輸送到亞洲季風(fēng)區(qū)，同樣減緩了季風(fēng)減弱的變化。北高緯DO18事件快速結(jié)束可歸結(jié)為AMOC減慢在北大西洋區(qū)域會(huì)引起冬季海冰的快速擴(kuò)張，促使格陵蘭溫度快速下降[45]。類似地，這種高、低緯不同氣候變化模式在末次冰消期DO1事件向YD事件轉(zhuǎn)型中也尤為顯著。東亞季風(fēng)區(qū)與西太平洋暖池邊緣的石筍記錄均顯示此轉(zhuǎn)型過(guò)程異常緩慢[46-50]，顯著不同于格陵蘭冰芯記錄的快速轉(zhuǎn)型過(guò)程。盡管淡水注入北大西洋導(dǎo)致AMOC減弱，但是高低緯對(duì)AMOC減弱的響應(yīng)模式存在顯著差異[49]。

全球CH4濃度的變化與格陵蘭溫度及亞洲季風(fēng)強(qiáng)度在MIS4階段顯示出相似的千年尺度變化 (圖5)。CH4濃度在65.05～64.36 ka增加了約70×10-10，對(duì)應(yīng)于DO18事件發(fā)生[35](圖5b)。大氣CH4變化的主要源區(qū)為赤道和北方地區(qū)的濕地[51]，其變化主要受源區(qū)變化控制[52-53]?，F(xiàn)代衛(wèi)星監(jiān)測(cè)顯示北高緯溫度變化和低緯區(qū)域水體平面變化是控制濕地CH4釋放的主要因素[54]。對(duì)于北高緯，溫度變化通過(guò)改變泥炭的沉積速率，凍土層的融化和凍結(jié)以及季節(jié)性的冰雪覆蓋影響著甲烷的釋放。模擬研究表明格陵蘭間冰階時(shí)因溫度升高可造成北方濕地釋放的CH4加倍[55]，因此DO18事件時(shí)北高緯升溫是CH4釋放量增加的重要因素。但是，CH4記錄的DO18事件的持續(xù)時(shí)間 (～690 a) 要顯著長(zhǎng)于格陵蘭冰芯記錄(～360 a)(圖5)，暗示其他源區(qū)對(duì)于大氣CH4信號(hào)的改變。DO18事件時(shí)亞洲夏季風(fēng)顯示出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 500 a的增強(qiáng)變化，季風(fēng)水文循環(huán)的增強(qiáng)可能通過(guò)擴(kuò)大濕地面積 (增加土壤微生物范圍) 而加大CH4釋放量。CH4記錄的DO18事件的持續(xù)時(shí)間界于格棱蘭和亞洲季風(fēng)記錄之間，表明亞洲季風(fēng)對(duì)DO18事件時(shí)全球CH4的重要貢獻(xiàn)以及間接證實(shí)了季風(fēng)區(qū)DO18事件較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。

為了研究MIS4大冰蓋時(shí)期石筍記錄的亞洲季風(fēng)在短時(shí)間尺度上的波動(dòng)特征，對(duì)YX274石筍δ18O序列進(jìn)行功率譜分析 (圖7)。結(jié)果顯示，在90%置信度水平上分別有208 a、150 a、52 a和14～12 a的變化周期，分別接近于太陽(yáng)活動(dòng)的207 a (deVries周期)、149 a、57 a和11 a的太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期[56]，可能說(shuō)明太陽(yáng)活動(dòng)控制著東亞夏季風(fēng)短尺度氣候波動(dòng)。重要的是，年際尺度的高分辨率YX274記錄證實(shí)在大冰蓋時(shí)期太陽(yáng)黑子活動(dòng)的11 a周期仍然控制著季風(fēng)的震蕩。此外，全新世亞洲季風(fēng)典型的3個(gè)百年尺度主周期 (～80 a、～200 a和～340 a)，在冰蓋較大的MIS4階段僅有～200 a的波動(dòng)周期存在。如果全新世的百年尺度周期是由太陽(yáng)活動(dòng)和大洋環(huán)流共同引起[57]，那么冰蓋較大時(shí)期缺少百年尺度太陽(yáng)活動(dòng)周期可能與AMOC的微弱變化有關(guān)[16]。

圖7 石筍YX274 δ18O功率譜分析圖Fig.7 Spectral analysis of stalagmite YX274 δ18O record The 90% confidence level is labeled by dotted line

3 結(jié)論

(1) 湖北永興洞石筍高精度230Th年齡和高分辨率δ18O數(shù)據(jù)，重建了DO18事件附近東亞夏季風(fēng)千年—數(shù)百年尺度的演化歷史。永興洞YX55和YX46石筍δ18O記錄[8]顯示在64.7±0.3 ka時(shí)系統(tǒng)偏負(fù)達(dá)1.5‰，表明在MIS4階段亞洲區(qū)域確實(shí)經(jīng)歷了DO18季風(fēng)增強(qiáng)事件。同時(shí)，YX274石筍δ18O在63.6～63.0 ka時(shí)段整體負(fù)偏的特征也進(jìn)一步證實(shí)DO18期間季風(fēng)增強(qiáng)變化。

(2) 石筍δ18O記錄的DO18事件與格陵蘭冰芯快速升溫事件在測(cè)年誤差范圍內(nèi)發(fā)生時(shí)間一致。所不同的是，DO18季風(fēng)增強(qiáng)事件結(jié)束時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1 500 a，顯著長(zhǎng)于格陵蘭冰芯記錄的降溫變化期(～60 a)。

(3) 東亞季風(fēng)DO18事件快速開始、緩慢結(jié)束的變化模式與AMOC變化高度耦合，證實(shí)AMOC對(duì)于千年尺度DO事件的重要控制作用。YX274石筍δ18O記錄精確標(biāo)定DO18事件的結(jié)束時(shí)間和轉(zhuǎn)型特征。功率譜分析結(jié)果顯示在MIS4大冰蓋時(shí)期東亞夏季風(fēng)在百年至十年尺度的氣候波動(dòng)仍受太陽(yáng)活動(dòng)控制。