福建仙云洞石筍記錄的Termination I事件緩變特征

馬 樂(lè)，肖海燕，張 鑫，姜修洋,2,3*，蔡炳貴,2,3

(1. 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007； 2. 福建師范大學(xué) 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)地理過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007； 3. 福建師范大學(xué) 地理研究所,福建 福州 350007)

0 引 言

末次冰期終止事件(Termination I，簡(jiǎn)稱(chēng)TI)是末次冰期向全新世氣候轉(zhuǎn)變的時(shí)間節(jié)點(diǎn)[1]，其氣候變化的全球響應(yīng)及轉(zhuǎn)型特征是末次冰消期研究的重點(diǎn)。Termination I事件開(kāi)始于14.7 ka B.P.左右，是末次冰消期北半球最顯著的一次升溫事件。此時(shí)全球海-氣系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模重組，各地氣侯變化明顯，全球CO2含量突然快速增高，海平面在短時(shí)間內(nèi)顯著升高[2-3]。伴隨著北大西洋淡水注入的減弱，北大西洋經(jīng)向環(huán)流(AMOC)快速恢復(fù)[4]，北大西洋和格陵蘭地區(qū)溫度快速上升[5-6]。熱帶輻合帶(ITCZ)向北移動(dòng)[7-8]，亞洲夏季風(fēng)增強(qiáng)[9]，而南美夏季風(fēng)減弱[10]。南極出現(xiàn)冷逆轉(zhuǎn)[1]，南、北半球氣候呈現(xiàn)為“See-saw”模式。

Termination I事件是一個(gè)全球性的氣候變化事件，但在不同區(qū)域的氣候響應(yīng)存在較大差異。格陵蘭冰芯記錄的Termination I事件轉(zhuǎn)型過(guò)程非常迅速，轉(zhuǎn)型時(shí)間僅為3 a[11]；也門(mén)Moomi洞石筍記錄的轉(zhuǎn)型時(shí)間為十多年[12]；中國(guó)西南地區(qū)洞穴記錄顯示在幾十年內(nèi)完成轉(zhuǎn)變[13-14]，長(zhǎng)江中下游地區(qū)石筍記錄的轉(zhuǎn)型特征則相對(duì)緩慢，約為200 a[15-16]；而熱帶低緯地區(qū)的馬來(lái)西亞Borneo洞石筍記錄則揭示出更為緩慢的轉(zhuǎn)型過(guò)程，Termination I轉(zhuǎn)型長(zhǎng)達(dá)千年之久[17]。轉(zhuǎn)型持續(xù)時(shí)間的差異有可能說(shuō)明石筍δ18O信號(hào)在響應(yīng)氣候敏感性上存在區(qū)域差異，也可能是氣候突變信號(hào)的傳播機(jī)制導(dǎo)致的。目前關(guān)于Termination I事件已有的石筍記錄大都來(lái)自于中國(guó)西南和長(zhǎng)江中下游地區(qū)，東南沿海地區(qū)記錄的嚴(yán)重缺失限制了對(duì)這一氣候事件區(qū)域響應(yīng)的全面了解，進(jìn)而制約了對(duì)Termination I事件區(qū)域差異背后存在可能機(jī)制的理解。因此，有必要從這一區(qū)域獲取定年精確和分辨率高的古氣候記錄進(jìn)行進(jìn)一步研究。

本文選取位于中國(guó)東南地區(qū)典型東亞夏季風(fēng)影響前沿地帶的福建西部仙云洞的兩支石筍(樣品編號(hào)分別為XY11和XYⅢ-21)作為研究對(duì)象，建立了12.67～16.10 ka B.P.時(shí)段內(nèi)平均分辨率達(dá)十年際的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的演變序列，并通過(guò)與亞洲季風(fēng)區(qū)已有的高分辨率石筍記錄和高、低緯度古氣候記錄的對(duì)比，探討Termination I事件轉(zhuǎn)型特征的區(qū)域差異及可能的影響機(jī)制。

1 樣品采集與分析方法

本文研究的石筍樣品采自福建連城地區(qū)東南15 km處的仙云洞(25°33′N(xiāo)，116°59′E)，洞口海拔約為968 m(圖1)。溶洞發(fā)育于二疊系棲霞組石灰?guī)r中，自洞口向內(nèi)呈階梯狀下延，全長(zhǎng)約2 500 m。洞穴封閉性較好，實(shí)測(cè)濕度常年接近100%。洞內(nèi)有若干大小不等的洞廳，且滴水點(diǎn)眾多，次生碳酸鹽發(fā)育良好。洞穴上覆土壤為黃壤，植被繁茂，主要以毛竹林、林下草本植物為主。仙云洞所在的連城地區(qū)地理上處于浙閩丘陵，受典型東亞夏季風(fēng)的影響，因地形因素兼具山地氣候特征，全年氣候溫和，降水充沛，多年平均氣溫為19 ℃～21 ℃，平均降水量為1 600～1 800 mm，降水集中在4月至10月，占全年70%以上。仙云洞洞內(nèi)實(shí)測(cè)氣溫為17 ℃，與洞外年平均氣溫相近。

圖1 福建連城地區(qū)仙云洞地理位置Fig.1 Location of Xianyun Cave in Liancheng Area of Fujian

黑色短線(xiàn)為定年點(diǎn)及定年結(jié)果，黑色虛曲線(xiàn)表示沉積間斷；a B.P.為相對(duì)于公元1950年圖2 仙云洞石筍拋光面Fig.2 Photographs of Stalagmites in Xianyun Cave

樣品XY11和XYⅢ-21采自仙云洞底部，整體外形均呈圓柱狀，分別長(zhǎng)538 mm和270 mm，底部直徑分別約為80 mm和60 mm(圖2)。將石筍沿著中心生長(zhǎng)軸切開(kāi)、拋光。樣品的拋光面均光滑且無(wú)溶孔，不同生長(zhǎng)階段顏色呈現(xiàn)明暗更替。樣品XY11在本文研究層段80～538 mm內(nèi)存在一暗色間斷面，有可能為沉積間斷(圖2)。

在石筍拋光面上用直徑為0.9 mm的牙鉆沿著生長(zhǎng)軸鉆取17個(gè)樣品用于230Th定年，每個(gè)樣品質(zhì)量為30～40 mg，測(cè)試工作在臺(tái)灣大學(xué)高精度質(zhì)譜與環(huán)境變遷實(shí)驗(yàn)室(HISPEC)完成。分析儀器為MC-ICP-MS Neptune，樣品處理及測(cè)試方法參考文獻(xiàn)[18]，年齡誤差類(lèi)型為±2σ，年齡分析結(jié)果見(jiàn)表1。用直徑為0.5 mm的牙鉆沿著石筍中心生長(zhǎng)軸以1 mm為間隔取樣，共獲取567個(gè)氧同位素樣品。測(cè)試工作在福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素中心完成，使用碳酸鹽自動(dòng)進(jìn)樣裝置Kiel IV與Finnigan MAT-253型質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)完成測(cè)試，每9個(gè)樣品插入1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品(NBS-19)，分析誤差(±2σ)優(yōu)于0.06‰，結(jié)果以δ18O(VPDB)標(biāo)準(zhǔn)表示。

2 結(jié)果分析

2.1 年齡模式

表1給出了石筍樣品XY11和XYⅢ-21的17個(gè)230Th實(shí)測(cè)年齡及其誤差范圍。年齡分析結(jié)果顯示，樣品XY11的238U含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)高，為(16～22)×10-6，而232Th含量較低，為(0.1～23.0)×10-9；樣品XYⅢ-21的238U含量更高，為(20～60)×10-6，而232Th含量也較低，為(0.1～1.0)×10-9；兩支石筍的測(cè)年精度都較高，年齡誤差為(±22～±59)a。年齡分析結(jié)果表明樣品XY11在365 mm確實(shí)存在沉積間斷，石筍停止生長(zhǎng)了約170 a。根據(jù)定年點(diǎn)以線(xiàn)性?xún)?nèi)插法和外推法建立兩支石筍的年代標(biāo)尺。從石筍的年齡-深度曲線(xiàn)(圖3)可以看出，樣品XY11以沉積間斷為界在距頂106～360 mm層段的生長(zhǎng)速率約為0.2 mm·a-1，平均分辨率為4.7 a，與該層段石筍拋光面呈現(xiàn)出色澤透明、紋層稀疏相一致；在距頂366～538 mm層段的生長(zhǎng)速率約為0.08 mm·a-1，平均分辨率為11.3 a，與該層段石筍拋光面呈現(xiàn)出顏色偏暗、紋層致密相一致。樣品XYⅢ-21的沉積速率相對(duì)較慢，研究層段平均分辨率約為30 a。

2.2 石筍δ18O記錄變化特征

福建仙云洞石筍樣品XY11和XYⅢ-21的氧同位素記錄隨時(shí)間的變化序列如圖4所示，其記錄整體上分為3個(gè)階段。樣品XY11記錄在14.68～16.10kaB.P.時(shí)段，δ18O值整體上更偏正，其值為-5.88‰～-5.23‰，平均值為-5.58‰，對(duì)應(yīng)于Heinrich 1(H1)階段；在13.85～14.68 ka B.P.時(shí)段，δ18O值從整體偏正狀態(tài)緩慢地轉(zhuǎn)換為整體偏負(fù)狀態(tài)，由-5.34‰偏負(fù)至-7.06‰，偏負(fù)約1.72‰，對(duì)應(yīng)于Termination I轉(zhuǎn)型階段，根據(jù)內(nèi)插年齡和定年數(shù)據(jù)判斷此轉(zhuǎn)型過(guò)程持續(xù)時(shí)間為(830±27)a；在12.67～13.85 ka B.P.時(shí)段，δ18O值整體偏負(fù)，為-7.51‰～-6.70‰，平均值為-7.22‰，對(duì)應(yīng)于Bolling-Allerod(BA)階段。樣品XYⅢ-21記錄在整體趨勢(shì)上一致于樣品XY11，顯示了長(zhǎng)達(dá)(850±50)a緩慢的Termination I轉(zhuǎn)型過(guò)程，但在細(xì)節(jié)變化上存在一定差異。已有研究表明洞穴對(duì)氣候外部的響應(yīng)和洞穴內(nèi)部環(huán)境都可能對(duì)具體的氣候信號(hào)產(chǎn)生一定影響[7,14]，這可能是仙云洞兩支石筍δ18O記錄出現(xiàn)偏差的原因。

表1 230Th年齡分析結(jié)果

注：w(·)為元素含量；230Th/238U值為活度比；δ234U初始值是根據(jù)U-Th年齡獲得，U-Th年齡校正假設(shè)初始的230Th/232Th原子比為(4±2)×10-6。

誤差棒表示石筍230Th年齡分析點(diǎn)及年齡分析誤差(±2σ)圖3 年齡-深度曲線(xiàn)Fig.3 Curves of Age-depth

3 討 論

盡管亞洲季風(fēng)區(qū)石筍δ18O值指示意義存在諸多的爭(zhēng)議，但是在軌道到千年尺度上的變化通常被解釋為反映夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化[7,19-22]。正如Cheng等提出的亞洲季風(fēng)區(qū)石筍記錄反映了平均狀態(tài)下的夏季風(fēng)強(qiáng)度，而石筍δ18O值在軌道到千年尺度上大范圍的區(qū)域一致性也可很好地佐證[23-24]。本文跟隨先前仙云洞石筍記錄的解釋[25-27]，將石筍δ18O值作為季風(fēng)強(qiáng)度的代用指標(biāo)，即石筍氧同位素值偏負(fù)指示季風(fēng)增強(qiáng)，反之則季風(fēng)減弱。

3.1 仙云洞記錄Termination I轉(zhuǎn)型的緩變特征

此前研究已經(jīng)表明，石筍記錄的末次冰消期亞洲季風(fēng)在千年、百年尺度事件上與格陵蘭冰芯記錄具有較好的一致性，表明亞洲季風(fēng)變化與北高緯氣候異常緊密耦合[7,28]。但是，涉及到千年尺度事件的轉(zhuǎn)型過(guò)程以及事件內(nèi)部百年尺度振蕩等方面尚存在較大的差異[29]。針對(duì)Termination I事件，各地記錄的事件開(kāi)始時(shí)間在誤差范圍內(nèi)具有同步性，但其轉(zhuǎn)型過(guò)程的持續(xù)時(shí)間卻有明顯差異?；贕ICC05年層時(shí)標(biāo)的格陵蘭冰芯(NGRIP)δ18O記錄的Termination I轉(zhuǎn)型過(guò)程非常迅速，在1～3 a內(nèi)即可完成[11](圖4)。亞洲季風(fēng)區(qū)也門(mén)Moomi洞石筍記錄在13 a內(nèi)完成Termination I轉(zhuǎn)型[12](圖4),印度Mawmluh洞[30]和Bittoo洞[31]記錄與之類(lèi)似。中國(guó)西南地區(qū)的貴州衙門(mén)洞記錄顯示在約35 a內(nèi)完成事件轉(zhuǎn)型[13]，鄰近的董哥洞與之相似[14]；而長(zhǎng)江中下游地區(qū)的石筍記錄表明Termination I轉(zhuǎn)型所需的時(shí)間超過(guò)百年，重慶芙蓉洞[15]、湖北豪豬洞[16]和江蘇葫蘆洞[7]完成Termination I轉(zhuǎn)型分別需要約160、170和180 a(圖4)。相比上述記錄，中國(guó)福建仙云洞石筍記錄的Termination I轉(zhuǎn)型過(guò)程表現(xiàn)出更為緩慢的特點(diǎn)，約800 a左右(圖4)。樣品XY11在Termination I轉(zhuǎn)型階段共有5個(gè)230Th定年點(diǎn)，盡管在這一過(guò)程中樣品XY11的記錄存在約170 a的沉積間斷，但樣品XYⅢ-21記錄同樣呈現(xiàn)出約800 a的緩變特征，這說(shuō)明仙云洞石筍記錄的Termination I事件緩變特征是可靠的。中國(guó)福建仙云洞Termination I事件緩變特征與低緯馬來(lái)西亞Borneo洞石筍的記錄[17]較相似(圖4)。亞洲季風(fēng)區(qū)Termination I事件響應(yīng)模式的差異有可能說(shuō)明石筍δ18O記錄在響應(yīng)氣候的敏感性上存在區(qū)域差異，也可能與氣候突變信號(hào)傳播路徑及強(qiáng)度的影響有關(guān)。氣候突變事件的緩變特征在仙云洞此前研究的Younger Dryas和Heinrich 1事件的結(jié)束階段也同樣出現(xiàn)[21]，具有顯著的區(qū)域特性。

格陵蘭冰芯數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[11]；也門(mén)Moomi洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[12]；中國(guó)貴州衙門(mén)洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[13]，重慶芙蓉洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[15]，湖北豪豬洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[16]，江蘇葫蘆洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[7]，福建仙云洞數(shù)據(jù)來(lái)自本文；馬來(lái)西亞Borneo洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[17]。其中，格陵蘭冰芯δ18O值采用SMOW標(biāo)準(zhǔn)；其余洞穴δ18O值采用VPDB標(biāo)準(zhǔn)。不同顏色的誤差棒為各自石筍記錄的年齡分析點(diǎn)及誤差(±2σ)；灰色陰影部分涉及Termination I轉(zhuǎn)型過(guò)程圖4 格陵蘭冰芯和不同洞穴石筍的δ18O記錄對(duì)比Fig.4 Comparison Among δ18O Records of Greenland Ice Core and Stalagmites in Different Caves

3.2 仙云洞Termination I事件緩變特征的機(jī)制

前人研究表明末次冰消期亞洲季風(fēng)千年尺度的變化受控于北大西洋氣候變化，北大西洋經(jīng)向環(huán)流變化引起全球大氣環(huán)流的重組是季風(fēng)突變事件的主要驅(qū)動(dòng)力[32]。北大西洋深海沉積物231Pa/230Th記錄表明Termination I事件開(kāi)始時(shí)北大西洋經(jīng)向環(huán)流恢復(fù)并快速增強(qiáng)[2]，北向熱量傳輸?shù)募訌?qiáng)使得北大西洋和格陵蘭地區(qū)溫度迅速升高[3-4](圖5)。大西洋海表溫度(SST)變化引起的經(jīng)向梯度差致使熱帶輻合帶的平均位置向北偏移，進(jìn)而調(diào)節(jié)亞洲季風(fēng)強(qiáng)度[5-6]。石筍氧同位素記錄的負(fù)偏開(kāi)始時(shí)間在定年誤差范圍內(nèi)與卡里亞科(Cariaco)盆地反照率記錄指示的熱帶輻合帶北向偏轉(zhuǎn)時(shí)間一致(圖5)，這進(jìn)一步支持北大西洋經(jīng)向環(huán)流通過(guò)控制熱帶輻合帶位置間接影響亞洲季風(fēng)。因此，包括仙云洞在內(nèi)的亞洲季風(fēng)區(qū)石筍記錄的Termination I轉(zhuǎn)型時(shí)段季風(fēng)開(kāi)始增強(qiáng)主要響應(yīng)于北高緯氣候變化。

不同區(qū)域?qū)Ω鞣N氣候脅迫的響應(yīng)具有復(fù)雜性，特別是在遠(yuǎn)離北大西洋的地區(qū)。仙云洞石筍記錄所揭示出的Termination I事件緩變特征說(shuō)明存在北高緯驅(qū)動(dòng)外的其他因子影響中國(guó)東南地區(qū)石筍氧同位素的變化。位于西太平洋暖池中央的Borneo洞Termination I轉(zhuǎn)型過(guò)程[17]同樣表現(xiàn)出與仙云洞一致的緩變特征。另外，在西太平洋暖池邊緣的Tangga洞[33]和Palawan洞[34]石筍記錄的Younger Dryas事件的結(jié)束也呈現(xiàn)出有別于北大西洋氣候突變的緩變特征。這說(shuō)明仙云洞與低緯地區(qū)洞穴石筍記錄對(duì)源于北大西洋突變事件的響應(yīng)均呈現(xiàn)出緩變特征。此前，Partin等的模型模擬也表明受熱帶西太平洋水文氣候影響的低緯地區(qū)對(duì)氣候突變信號(hào)的響應(yīng)更緩慢，低緯水文氣候受半球尺度溫度變化影響，比受海冰變化影響大的高緯地區(qū)需要更長(zhǎng)的調(diào)整時(shí)間[34]。婆羅洲石筍記錄研究發(fā)現(xiàn)熱帶西太平洋水文氣候?qū)Ρ备呔旸O信號(hào)響應(yīng)微弱[35]，這可能也說(shuō)明了熱帶西太平洋對(duì)于高緯氣候突變信號(hào)具有一定的反制和抵消作用。仙云洞石筍記錄的Termination I事件緩變特征與熱帶西太平洋深海沉積物Mg/Ca值海表溫度記錄(圖5)的緩慢增溫[36-37]一致。Griffiths等研究表明，熱帶太平洋海-氣系統(tǒng)對(duì)冰蓋變化不敏感，主要響應(yīng)于太陽(yáng)輻射的歲差周期，而此時(shí)北半球太陽(yáng)輻射強(qiáng)度正處于緩慢增強(qiáng)的趨勢(shì)[38]。熱帶西太平洋處于眾多水文氣候的交匯點(diǎn)，是東亞季風(fēng)區(qū)重要的熱量和水汽來(lái)源，其海表溫度和海平面氣壓的變化對(duì)大尺度大氣環(huán)流和全球水文影響很大[39]?，F(xiàn)代氣象數(shù)據(jù)和模型模擬表明西太平洋暖池中高的海表溫度會(huì)加強(qiáng)上層對(duì)流，改變副熱帶高氣壓帶的位置和強(qiáng)度，進(jìn)而對(duì)東亞季風(fēng)產(chǎn)生影響[40]。因而，推斷仙云洞Termination I事件緩變特征有可能受到了熱帶低緯海-氣耦合的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)中國(guó)東南地區(qū)福建仙云洞石筍樣品XY11和XYⅢ-21記錄了12.67～16.10 ka B.P.時(shí)段定年精度優(yōu)于50 a、平均分辨率達(dá)7 a的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化，清晰地捕捉到了該區(qū)Termination I轉(zhuǎn)型的詳細(xì)變化過(guò)程。TerminationI轉(zhuǎn)型階段，仙云洞石筍δ18O值在約800 a的時(shí)間內(nèi)從-5.0‰緩慢偏負(fù)至-7.0‰，振幅約為2‰。

格陵蘭冰芯數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[11]，δ18O值采用SMOW標(biāo)準(zhǔn)；福建仙云洞數(shù)據(jù)來(lái)自本文，δ18O值采用VPDB標(biāo)準(zhǔn)；北大西洋深海沉積物231Pa/230Th值引自文獻(xiàn)[2]；卡里亞科盆地反照率記錄引自文獻(xiàn)[6]；海表溫度記錄來(lái)自西太平洋暖池MD98-2181[31]和蘇祿海MD97-2141[32]。不同顏色的誤差棒為各自石筍記錄的年齡分析點(diǎn)及誤差(±2σ)；黑色箭頭指示緩慢上升趨勢(shì)圖5 仙云洞石筍δ18O記錄與其他古氣候記錄對(duì)比 Fig.5 Comparison Among δ18O Records of Stalagmites in Xianyun Cave and Other Climate Records

(2)中國(guó)福建仙云洞石筍記錄的Termination I事件緩變過(guò)程(約800 a)比也門(mén)Moomi洞(約13 a)以及中國(guó)貴州衙門(mén)洞(約35 a)、重慶芙蓉洞(約160 a)、湖北豪豬洞(約170 a)和江蘇葫蘆洞(約180 a)的記錄長(zhǎng)很多。在定年誤差范圍內(nèi)，仙云洞石筍記錄的Termination I事件開(kāi)始時(shí)間與格陵蘭冰芯記錄一致，表明Termination I轉(zhuǎn)型時(shí)段東亞夏季風(fēng)的開(kāi)始增強(qiáng)響應(yīng)于北高緯氣候變化。仙云洞石筍揭示出的Termination I事件緩變特征明顯有別于北高緯的突變特征，但這一緩變特征與熱帶西太平洋海表溫度記錄相似。因此，仙云洞Termination I事件緩變特征可能受到了熱帶低緯海-氣耦合的影響。

臺(tái)灣大學(xué)高精度質(zhì)譜與環(huán)境變遷實(shí)驗(yàn)室沈川洲教授和周於蓁研究助理測(cè)試了本文230Th年齡，在此表示感謝！