H1事件時(shí)長(zhǎng)江下游地區(qū)季風(fēng)降水變化特征的石筍鈾元素記錄

周汪洋，段福才，陳劍舜，朱麗東，李鳳全，王天陽

浙江師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江金華 321004

0 引言

1988年Heinrich發(fā)現(xiàn)北大西洋深海沉積物中有數(shù)層陸源碎屑層[1]。四年后，Bondet al.[2]進(jìn)一步證實(shí)了這些碎屑層的存在，并命名Heinrich事件（簡(jiǎn)稱H事件）。整個(gè)末次冰期和末次冰消期共發(fā)生了6次H事件，按照發(fā)生的順序編號(hào)為H6～H1，他們發(fā)生的時(shí)間 依 次 為63.2 ka B.P.、50 ka B.P.、40.2 ka B.P.、32.7 ka B.P.、26.5 ka B.P.、18 ka B.P.[3?4]。

東亞季風(fēng)與北大西洋的氣候遙相關(guān)早已在石筍和黃土等地質(zhì)記錄中得到證實(shí)[5?7]。東亞石筍δ18O記錄顯示H事件時(shí)亞洲季風(fēng)強(qiáng)度顯著減弱。然而，Zhanget al.[8]指出H1事件期間長(zhǎng)江中游地區(qū)呈現(xiàn)異常濕潤(rùn)的水文氣候，認(rèn)為大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（Atlantic Meridional Overturning Circulation，簡(jiǎn)稱AMOC）減弱導(dǎo)致北高緯溫度下降，極地—赤道溫度梯度增加，西風(fēng)帶北移時(shí)間推遲，梅雨期延長(zhǎng)，降水量增加。此石筍微量元素與δ18O記錄的顯著不同，反映了梅雨與東亞季風(fēng)強(qiáng)度的差異。在年—年代際尺度上，東亞季風(fēng)區(qū)降水量在空間分布上具有經(jīng)向三極子模式[9?11]，即季風(fēng)增強(qiáng)時(shí)，中國南北部多雨，長(zhǎng)江中下游降水減少，反之亦然。此外，Geet al.[12]借助清朝史料和器測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)，重建了清朝后期長(zhǎng)江流域梅雨量變化序列，指出與季風(fēng)強(qiáng)度存在反相關(guān)關(guān)系，即季風(fēng)強(qiáng)度減弱或增強(qiáng)時(shí)，梅雨期延長(zhǎng)或縮短，降水量增加或減少。

梅雨量與季風(fēng)強(qiáng)度的反相關(guān)關(guān)系在千年尺度上是否仍然存在有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文選取梅雨帶的南京葫蘆洞H82石筍，通過鈾同位素?cái)?shù)據(jù)來研究長(zhǎng)江下游地區(qū)的水文變化特征，揭示梅雨帶與東亞季風(fēng)強(qiáng)度在H1事件期間的協(xié)同性和差異性，對(duì)梅雨與東亞季風(fēng)強(qiáng)度的反相關(guān)關(guān)系是否成立來做進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 研究區(qū)域與材料

南京市位于長(zhǎng)江下游，地貌特征屬寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵地區(qū)，以低山緩崗為主，具有典型的北亞熱帶濕潤(rùn)氣候特征，四季分明，年溫差較大。年均溫為15.4°C，年均降水量1 275 mm，其中6—7月份降水量將近30%。葫蘆洞（119°2'E，32°3'N；海拔90 m），位于南京東部湯山鎮(zhèn)西，發(fā)育在下奧陶統(tǒng)紅花園組白云質(zhì)灰?guī)r和灰?guī)r中，洞穴上覆植被以C3植物為主，洞頂土壤厚度30～40 cm[13]。本文進(jìn)一步分析了葫蘆洞H82的δ18O和鈾元素?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)（https://www.ncdc.noaa.gov/）。樣品細(xì)節(jié)及測(cè)試結(jié)果見相關(guān)文獻(xiàn)描述[14]。

2 結(jié)果與討論

在千年尺度上，H事件在南北半球記錄中均有體現(xiàn)：格陵蘭冰芯記錄[15]（圖1a）和歐洲大陸及附近海域沉積物記錄[16?19]反映溫度和降水量下降；而在南半球，陸地冰川快速退縮[20?21]、南大洋生物生產(chǎn)量增加[22]、南極冰芯記錄的溫度[23]（圖1f）和大氣CO2濃度升高[24?28]。南北半球H事件時(shí)的溫度變化顯示了晚更新世以來兩極氣候間存在的蹺蹺板模式[23]。H事件期間，北大西洋巖心231Pa/230Th記錄[29?30]（圖1b）顯示AMOC強(qiáng)度減弱，卡里亞科巖心[31]（圖1d）和環(huán)赤道大西洋孢粉[32]記錄顯示ITCZ顯著南移。印尼石筍[33?34]（圖1c）與巴西石筍δ18O記錄[35]（圖1e）表明，H事件期間ITCZ以南和以北的低緯地區(qū)氣候狀況相反。以北地區(qū)的非洲[36?38]、北印度洋[39?40]、中美洲[41]區(qū)域降水量大幅下降，亞非季風(fēng)減弱[42?44]；而以南地區(qū)濕度增加[45]，南美季風(fēng)[46?49]、澳洲季風(fēng)[50?52]強(qiáng)盛，導(dǎo)致熱帶濕地甲烷釋放量增加[53]。

圖1 Heinrich事件全球記錄Fig.1 Global records of the Heinrich events from various archives

南北半球高低緯地區(qū)對(duì)H事件的快速響應(yīng)，表明了全球氣候系統(tǒng)之間密切聯(lián)系。在H事件機(jī)制上，主流觀點(diǎn)認(rèn)為與AMOC的強(qiáng)度有關(guān)[29,54?55]。當(dāng)北半球升溫時(shí)，冰蓋崩塌并進(jìn)入北大西洋，抑制了深層水的形成，導(dǎo)致AMOC輸送到北高緯的熱量減少，造成北半球氣候冷干，西風(fēng)帶和ITCZ南移，南半球氣候變得暖濕。

高分辨率石筍δ18O記錄的東亞弱季風(fēng)事件，與南北極冰芯差值所反映的溫度梯度下降相對(duì)應(yīng)（圖2g，h）。H事件發(fā)生時(shí)，葫蘆洞[5,14]、豪豬子洞[57]、永興洞[58]、小白龍洞[59]石筍δ18O值偏正反映東亞季風(fēng)強(qiáng)度減弱（圖2b～d），對(duì)應(yīng)于格陵蘭島NGRIP冰芯δ18O值偏負(fù)[15]指示的北高緯降溫（圖2a）和南極TALDICE[27]與EDML[23]冰芯δ18O值偏正（圖2e，f）指示的南高緯升溫階段。H事件時(shí)南北兩極溫度梯度減小表明AMOC減弱導(dǎo)致南北兩極能量傳輸減弱，兩極能量趨于平衡。

圖2 中國石筍和南北兩極記錄中的Heinrich事件Fig.2 Heinrich events recorded in polar ice cores and Chinese stalagmites

關(guān)于石筍δ18O指標(biāo)，在平衡分餾情況下，其變化主要受洞穴溫度和滴水δ18O值影響[60]。經(jīng)過研究，東亞季風(fēng)區(qū)石筍δ18O值主要繼承了降水的δ18O信號(hào)，在千年尺度上反映東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度[61]。西南地區(qū)石筍δ18O記錄[59,62?65]和湖泊記錄[66?67]、西北地區(qū)石筍灰度記錄和黃土剖面記錄[68?69]，都支持H1期間季風(fēng)強(qiáng)度減弱帶來降水量減少的理論。然而，有些研究認(rèn)為東亞大陸石筍δ18O值與降水量之間可能不存在線性關(guān)系[70?72]。Pausataet al.[73]通過模擬認(rèn)為在H1事件發(fā)生時(shí)，東亞季風(fēng)區(qū)的石筍δ18O指示了印度季風(fēng)強(qiáng)度的變化。此時(shí)印度地區(qū)降水減少，水汽δ18O值偏正，使得風(fēng)向下游區(qū)中國石筍δ18O值偏正。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，印度夏季風(fēng)并不是控制中國石筍δ18O值的唯一因素，H1事件期間中印石筍氧同位素的變化幅度間存在差異，認(rèn)為中國石筍δ18O值還受到熱帶太平洋的影響[74]。Chenget al.[75]認(rèn)為不論水汽是來自印度洋還是太平洋，二者并不矛盾，中國石筍δ18O記錄了從水汽源到洞穴地點(diǎn)全程降水的累計(jì)結(jié)果，從總體上反映了亞洲季風(fēng)的強(qiáng)弱。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)石筍δ18O在東亞季風(fēng)區(qū)的氣候意義，分析同支石筍的微量元素能成為有效補(bǔ)充。

2.1 H1事件期間長(zhǎng)江中下游微量元素變化

石筍微量元素是當(dāng)?shù)厮臈l件變化的重要指標(biāo)[76?79]，其變化對(duì)理解石筍δ18O指標(biāo)的氣候意義具有重要參考價(jià)值。微量元素鈾（U），具有放射性，其天然同位素有238U、235U和234U。學(xué)術(shù)界對(duì)石筍U元素的研究主要集中于238U濃度、δ234UInitial值兩方面。在自然界中，U主要以＋4和＋6兩種價(jià)態(tài)為主，其價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換主要受氧化還原環(huán)境的影響[80?82]。大氣降水、洞穴上覆土壤帶和石灰質(zhì)母巖是U主要的來源途徑。石筍中U含量受土壤和母巖、巖溶水的滲透路徑和滯留時(shí)間的長(zhǎng)短等因素影響，其變化可能指示土壤濕度和有效降水變化[83?84]。δ234UInitial值可通過公式計(jì)算得到：δ234UInitial=δ234Umeasured×eλ234×t。δ234UInitial代表了石筍碳酸鹽物質(zhì)沉淀時(shí)巖溶水中過剩234U（234Uexc）與238U之間的放射比。Kuanget al.[83]分析葫蘆洞U來源的比重，認(rèn)為該指標(biāo)受土壤有機(jī)質(zhì)作用強(qiáng)烈，受控于地表土壤發(fā)育過程，具有反映洞穴上覆土壤成壤作用的環(huán)境意義。當(dāng)水熱條件好時(shí)，土壤發(fā)育，234U/238U>1，表土234U富集，富含U+6的234U比富含U+4的238U更容易形成溶于水的化合物。此外，α衰變形成234Th時(shí)的反沖作用導(dǎo)致234U更易遷移到地下水中，使洞穴沉積中δ234UInitial值增大。因此，石筍δ234UInitial值可反映土壤發(fā)育程度，間接指示當(dāng)?shù)亟邓孔兓?/p>

葫蘆洞石筍δ234UInitial值和238U濃度記錄在H事件存在對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖3）。δ234UInitial值和238U濃度的高低對(duì)應(yīng)氣候的濕干狀況，反映降水量的變化。

圖3 葫蘆洞石筍鈾元素記錄Fig.3 Uranium element records of stalagmites H82 and MSD in Hulu Cave

葫蘆洞石筍δ234UInitial在H4和H5事件期間處于高值，指示濕潤(rùn)氣候狀況。不遠(yuǎn)的鄱陽湖土壤剖面未產(chǎn)生H5事件的風(fēng)沙沉積層，暗示此時(shí)并不是極端干旱期[85]。因此，δ234UInitial值在H4、H5事件的表現(xiàn)可能與此時(shí)濕潤(rùn)水文氣候有關(guān)；H2和H3時(shí)δ234UInitial值變化不明顯或處于低值，卻沒有像H1、H4和H5事件那樣升高，這表明所有H事件在長(zhǎng)江下游地區(qū)的水文影響并不相同。δ234UInitial值在H2和H3事件的表現(xiàn)可能反映東亞季風(fēng)強(qiáng)度減弱并未造成該地區(qū)降水增加，使得土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，土壤發(fā)育程度變?nèi)酰?34UInitial值不高。

238U濃度變化對(duì)H事件也有明顯響應(yīng)。濕潤(rùn)的H事件發(fā)生時(shí)238U濃度升高或者處于升高時(shí)期（圖3）。這表明濕潤(rùn)的水文氣候有利于238U的富集。在三寶洞石筍238U記錄分析中，董進(jìn)國等[86]認(rèn)為在降水高的情況下石筍238U含量會(huì)有所增加。H事件期間南京地區(qū)降水量增加，土壤pH值下降，溶解基巖能力增強(qiáng)，易溶的UO2OH+增加[87]，導(dǎo)致石筍238U濃度增加?？傊?，在濕潤(rùn)的H事件中，土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致表層土壤進(jìn)一步風(fēng)化和溶解基巖能力增強(qiáng)，促使石筍238U濃度和δ234UInitial值增加。

此外，不同于H2事件期間δ234UInitial值的變化，238U濃度的明顯增加可能與U的另一個(gè)環(huán)境意義有關(guān)：在氣候干旱期，土壤水分含量降低構(gòu)成氧化環(huán)境，U氧化形成易溶于水的[UO2]2+，并加入石筍沉積過程，使U含量增加[88]；另一方面，巖溶水的滯留時(shí)間延長(zhǎng)，也有利于從母巖含鈾礦物中淋濾出更多的U。

H1事件期間H82石筍δ234UInitial值和238U濃度記錄也存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。δ234UInitial值在204.93～226.57區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，平均值約為214.88（圖4a）。δ234UInitial值的整體趨勢(shì)表現(xiàn)為自末次盛冰期后大幅增加，隨后其值在210上下波動(dòng)，在～16.1 ka B.P.快速達(dá)到峰值，對(duì)應(yīng)于H82石筍δ18O記錄的最大值，此后以波動(dòng)減小的形式進(jìn)入博林間冰階。在整個(gè)H1事件期間，δ234UInitial值變化總體呈倒“V”型；238U濃度在114.28～234.49 ng/g區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，平均值約為190.1 ng/g（圖4b）。值得注意的是，石筍δ18O記錄在～16.1 ka B.P.時(shí)于20年內(nèi)突增2‰，指示東亞夏季風(fēng)快速從強(qiáng)變?nèi)鮗5,89]。這一突變事件得到δ234UInitial值和238U濃度記錄的支持（圖4）。此外，～16.1 ka B.P.的氣候轉(zhuǎn)型在石筍鈾元素記錄中的對(duì)應(yīng)關(guān)系也證實(shí)了δ234UInitial值和238U濃度對(duì)大尺度氣候環(huán)境變化的敏感性。不同的是，H82石筍δ18O均值從階段I的?6.26‰偏正到階段II的?5.8‰（偏正幅度0.46‰），指示季風(fēng)強(qiáng)度的逐漸減弱；而δ234UInitial均值則由階段I的209.210 8增至階段II的218.835（增幅約9.62個(gè)單位）；而238U濃度均值由階段I的212.7降至階段II的169.3 ng/g（減幅約43.4 ng/g）。δ234UInitial值和238U濃度雖然在變化幅度上不同，但總體上仍都反應(yīng)降水量的增加，這表明二者與δ18O記錄反映的水文氣候變化存在指向差異，影響機(jī)制也不盡相同。

圖4 長(zhǎng)江中下游地區(qū)石筍δ18O和微量元素記錄Fig.4 Stalagmiteδ18O and trace element records in the middle and lower reaches of the Yangtze River

2.2 H1期間長(zhǎng)江中下游降水量變化

豪豬子洞石筍微量元素記錄[8]與δ18O記錄出現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系（圖4c）。石筍微量元素變化指示了H1期間該地區(qū)變得濕潤(rùn)，歸因?yàn)楸卑肭蜃兝湟鸢肭蜷g溫度梯度減小、西風(fēng)帶北移時(shí)間偏晚，東亞夏季風(fēng)減弱，導(dǎo)致梅雨帶在長(zhǎng)江中游地區(qū)停留時(shí)間長(zhǎng)，促使降水增多。

H82石筍δ234UInitial值和238U濃度在H1期間增高，表明該時(shí)期降水量增加?？赡艿脑?yàn)槊酚陰г陂L(zhǎng)江下游地區(qū)停留時(shí)間長(zhǎng)、降水增多，提高了南京地區(qū)土壤發(fā)育程度，導(dǎo)致δ234UInitial值升高；同時(shí)，土壤腐殖質(zhì)中富里酸所結(jié)合的鈾以UO2OH+-腐殖酸絡(luò)合物的形式存在并遷移，導(dǎo)致238U濃度增大。H82石筍δ234UInitial值和238U濃度的變化特征進(jìn)一步支持了梅雨與季風(fēng)強(qiáng)度變化間的反相關(guān)關(guān)系。

總體而言，H82石筍U元素變化在H1期間以～16.1 ka B.P.為界分為兩個(gè)階段：在H1事件早期，對(duì)應(yīng)于δ18O記錄總體偏正趨勢(shì)，δ234UInitial值小幅增加，而238U濃度則因土壤酸堿度下降改變了巖溶水中鈾的沉淀富集條件而增大。整體反應(yīng)該時(shí)期季風(fēng)強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)、降水量呈增加趨勢(shì)。在～16.1 ka B.P.，δ18O記錄指示季風(fēng)強(qiáng)度快速減弱，而δ234UInitial值和238U濃度快速到達(dá)峰值；在H1事件結(jié)束期，δ18O記錄快速偏負(fù)指示季風(fēng)增強(qiáng)，而δ234UInitial值和238U濃度則相應(yīng)減少，指示降水量的減少。δ234UInitial值和238U濃度大致經(jīng)歷了先增后減的過程，與δ18O記錄呈正相關(guān)。

縱上所述，H1事件期間東亞季風(fēng)區(qū)并不表現(xiàn)為一致的氣候冷干，經(jīng)向三極子模式的提出，為解釋季風(fēng)降水的時(shí)空差異提供了一種新思路。石筍δ18O指標(biāo)應(yīng)用最多，但其水文氣候意義備受爭(zhēng)議[90]，而石筍微量元素受當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響較大，能夠反映當(dāng)?shù)亟邓孔兓S微量元素的研究有益于石筍δ18O指標(biāo)的解譯。

3 結(jié)論

本文對(duì)葫蘆洞H82石筍δ234UInitial值和238U濃度記錄在H1期間的變化進(jìn)行分析，認(rèn)為U元素及δ234UInitial值的變化能夠指示區(qū)域水文變化，并發(fā)現(xiàn)H1事件期間研究洞穴所在的長(zhǎng)江下游地區(qū)降水增多，可能與季風(fēng)減弱，梅雨帶在該區(qū)域停留時(shí)間較長(zhǎng)有關(guān)，這支持了H1期間梅雨與季風(fēng)強(qiáng)度變化間的反相關(guān)關(guān)系，且有助于完善石筍δ18O指標(biāo)的水文氣候?qū)W意義。

致謝 衷心感謝編輯部老師和審稿專家給予的建設(shè)性的修改意見。