呂春艷 郝永娟 張月明

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值建立了三峽庫區(qū)小冰期內(nèi)部1510～1710AD這一時段的石筍氧同位素時間變化序列，研究結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年相對偏負，之后δ18O持續(xù)偏重，在1610年左右達到最大值，對應于前人研究的“明末弱季風”這一事件，而在1638AD之后又持續(xù)偏輕，顯示了東亞季風由偏強到弱，再持續(xù)強盛的變化趨勢。通過對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，表明這一時期重慶地區(qū)氣候變化主要受控于太陽活動變化，同時受到ENSO事件的影響。

關鍵詞：重慶水鳴洞 石筍 氧同位素 亞洲季風

中圖分類號：P512 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（c）-0197-03

近十多年來，石筍δ18O已被廣泛應用于古氣候研究，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系也備受關注，張平中等[1]通過研究甘肅萬象洞石筍δ18O記錄，重建了最近1810年以來亞洲季風環(huán)流的降水變化，認為了亞洲季風降水的變化與中國歷史文明演化有密切的關系，季風降水的變化是導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)動機制，以及分析明王朝的更替是否與“明末弱季風”這一季風氣候事件有關。

1 材料和方法

重慶豐都水鳴洞（29°47′N，107°47′E）位于長江中上游地區(qū)，亞熱帶濕潤氣候，多年平均降雨量為1400 mm，年均氣溫在14 ℃，對季風變化反映敏感，是研究季風變化關系的理想?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90 mm，柱狀，質(zhì)地致密，剖面為灰白色，無重結晶、溶蝕等現(xiàn)象，無明顯的沉積間斷，適合230Th法測年。為獲得穩(wěn)定同位素分析樣品，沿著石筍生長軸方向把石筍切開拋光，使用刻刀沿石筍生長軸方向且平行于生長紋層的剖面上刮取粉末，每毫米刮20個樣品，為避免樣品交叉污染，采用間隔取樣分析。石筍δ18O測試在西南大學地理科學學院同位素實驗室完成，分析儀器為碳酸鹽自動進樣裝置Kiel-Ⅳ聯(lián)動Delta-V-plus質(zhì)譜儀，PDF標準，分析誤差≤±0.06。年代樣品由5 mm取芯鉆頭取得，用MC-ICP-MS Nepture分析測試，按Shen等方法[2]，年齡誤差≤1%（2σ）。

2 結果與討論

2.1 年代標尺的建立

水鳴洞石筍NSM03的4個年代測試樣品（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。由于測年精度比較高，而且無沉積間斷或者根據(jù)年代序列采用多項式擬合方程建立年齡—深度的生長模型圖，從圖2中可以看出，石筍NSM03在這一時期沉積速率比較穩(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是其中應用最為廣泛的，雖然人們對亞洲季風區(qū)石筍氧同位素所指示的氣候意義還存在爭議[3]，但大多研究認為季風環(huán)流的強弱和夏季風帶來的降水量應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)共測試碳氧同位素146個，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年時段氣候波動特征。石筍NSM03的δ18O值在1510～1710AD時段內(nèi)的變化范圍為-8.51‰～-7.60‰，平均值為-8.02‰，變化幅度達到0.91‰。從圖3中可以識別出，這一時段石筍δ18O曲線變化大體可以分為3個階段：1510～1570AD期間，從1510～1550AD年，δ18O逐漸偏重，但在1550～1570AD，δ18O急劇偏負，在1556AD更是達到最低值，偏輕至-8.51‰，之后迅速變重，說明在這60年間，存在一個短時間內(nèi)的季風突變事件，但整體來說這一時期δ18O逐漸偏正，說明季風逐漸減弱，降水漸減；之后，δ18O迅速升高，在1570～1638AD時段，石筍δ18O整體偏重，在1608AD滑入整條曲線谷底，偏重至-7.6‰，季風較弱；1638～1710AD，δ18O持續(xù)偏輕且比較穩(wěn)定，季風強盛，降水量增多，氣溫升高。

張平中等[1]研究甘肅萬象洞，得出在1580～1640AD這段時間也經(jīng)歷了季風的明顯減弱，稱為“明末弱季風期”。中國歷史文獻資料也記載到在16世紀末的季風減弱期間國東部地區(qū)發(fā)生了兩次極端干旱事件[5]，這也得到中國樹輪記錄的支持[6]，從圖3和上述內(nèi)容提到，第二時段（1570～1638AD）石筍δ18O整體偏重，季風明顯減弱，降水量減少，這與張平中等所研究的1580～1640AD季風明顯減弱的“明末弱季風期”時間基本一致，而明末弱季風內(nèi)部存在的“W”型氣候波動，也與中國東部地區(qū)的兩次極端干旱事件相對應，這一時期明王朝的統(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，最終導致明王朝的終結。季風減弱，降水量減少，極端干旱事件的出現(xiàn)，導致糧食減產(chǎn)，因此，季風降水的變化確實可能成為王朝更替的關鍵因素。

2.3 1510～1710AD氣候變化機制探討

通過對石筍δ18O進行REDFIT37功率譜分析（圖4），在90%置信度水平下通過紅噪聲檢驗的周期有25 a、5 a和3 a，25 a周期與太陽黑子活動周期（22 a）相對應，表明這一時期重慶地區(qū)氣候變化主要受控于太陽活動；而3～5 a周期又和ENSO的2～7 a準世紀周期有很好的對應關系，表明這一時期氣候變化同時受到ENSO事件的影響。

3 結論

重慶水鳴洞氧同位素記錄了小冰期內(nèi)部1510～1710AD這一時段重慶地區(qū)的季風降水變化。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，顯示了東亞季風由偏強到弱，再持續(xù)強盛的變化趨勢；1580～1640AD的季風明顯偏重階段，對應于前人研究的“明末弱季風”這一事件，說明季風降水的變化確實可能成為王朝更替的關鍵因素。最后通過對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，表明這一時期重慶地區(qū)氣候變化主要受控于太陽活動作用，同時受到ENSO事件的影響。

參考文獻

[1] Zhang P Z，Cheng H，Edwards R L， et al.A test of climate，sun，and culture relationships from an 1810-year Chinese cave record[J].Science，2008（322）：940-942.

[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.從降水的時空特征檢證季風與中國朝代更替之關聯(lián)[J].科學通報，2010，55（1）：60-67.

[4] 譚明.環(huán)流效應：中國季風區(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話[J].第四紀研究，2009，29（5）：851-862.

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