馮唐慧 張 鑫，2 何堯啟 楊云月 邱萬銀 姜修洋，2

1福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院濕潤亞熱帶生態(tài)—地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350007

2福建師范大學(xué)地理研究所，福建福州 350007

3貴州民族大學(xué)旅游與航空服務(wù)學(xué)院，貴州貴陽 550025

1 概述

末次冰期頻現(xiàn)大規(guī)模、快速的千年尺度氣候突變事件。這些事件首次在格陵蘭冰心的氧同位素記錄中 被 發(fā) 現(xiàn) （Grootes et al.，1993；Johnsen et al.，2001），其特征是初始突然變暖，隨后逐漸變冷，被稱為Dansgaard-Oeschger（DO）旋回，包括格陵蘭冰階 （Greenland Stadials，簡稱GS）和間冰階（Greenland Interstadials，簡稱GIS）。此外，在北大西洋深海沉積物中也發(fā)現(xiàn)了6次典型的冰漂碎屑（Ice Rafted Debris，簡稱IRD）事件，稱為海因里希事件 （Heinrich Events，簡稱HEs）（Heinrich，1988；Hemming，2004）。研究發(fā)現(xiàn)海因里希事件發(fā)生時，北大西洋的變冷往往提前于冰漂碎屑事件的發(fā)生 （Marcott et al.，2011），因此用海因里希冰階 （Heinrich Stadial，簡稱HSs）來表示冰漂碎屑事件發(fā)生時對應(yīng)的冰階。當(dāng)HSs發(fā)生時，北美冰蓋融解 （MacAyeal，1993）、大量冰融水注入北大西洋 （Bond and Lotti，1995），導(dǎo)致大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流 （Atlantic Meridional Overturning Circulation，簡稱AMOC）減弱 （Henry et al.，2016），熱帶輻合帶和西風(fēng)帶南移 （Chiang and Friedman，2012；Deplazes et al.， 2013； Chiang et al.， 2014； Cheng et al.，2020），使 得 亞 洲 夏 季 風(fēng) （Asian Summer Monsoon，簡 稱 ASM）減 弱 （Dong et al.，2018；Chenget al.，2021）、南美季風(fēng)增強(qiáng) （Wendtet al.，2019；Chenget al.，2021）、南 極 變 暖 （Buizertet al.，2015）。

HSs對全球氣候變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，其中，HS4事件是6次HSs中最為顯著的一次 （Hemming，2004）。然而，對于HS4事件的發(fā)生與初始結(jié)束時間及其詳細(xì)的變化過程仍然不清楚 （Chenget al.， 2021； Zhanget al.， 2021）。 Guillevic 等（2014）通過對NEEM 冰心中代表低緯水文信號的17O-excess研究，首次發(fā)現(xiàn)HS4事件三相結(jié)構(gòu)變化特征。隨后，在巴西東北部石筍記錄中也發(fā)現(xiàn)了HS4事件三相結(jié)構(gòu)的前2個階段，反映了熱帶輻合帶 （Intertropical Convergence Zones，簡 稱 ITCZ）在此期間的2次南移過程 （Wendtet al.，2019）。此外，在中國東南靠近水汽源區(qū)的仙云洞研究結(jié)果也顯示出HS4事件呈現(xiàn)三相結(jié)構(gòu)的變化。最近，Cheng等 （2021）根據(jù)HS4事件開始階段格陵蘭氣候與東亞季風(fēng)氣候同步變化，將NGRIP（North Greenland Ice Core Project）冰心記錄向偏老的方向移動150 a，研究發(fā)現(xiàn)南美洲季風(fēng)減弱提前于格陵蘭氣候變暖和東亞夏季風(fēng)的增強(qiáng)，提出亞馬遜河流量的減少和阿古拉斯鹽／熱泄漏的增強(qiáng)促使了AMOC的突然恢復(fù)，最終觸發(fā)了全球HS4事件結(jié)束。因此，亞洲夏季風(fēng)地區(qū)HS4事件轉(zhuǎn)型時間和轉(zhuǎn)型特征，仍然需要更多高分辨率記錄予以分析，這對于認(rèn)識末次冰期千年尺度氣候突變事件機(jī)制至關(guān)重要。

本研究選取貴州水西洞SXG－3石筍為研究對象，建立了40.77～37.17 ka B.P.時段分辨率達(dá)13 a的亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度演變序列，揭示出中國西南地區(qū)石筍記錄的HS4事件也具有三相結(jié)構(gòu)變化特征。通過與已有的南北半球高低緯古氣候記錄的對比，進(jìn)一步探討其可能的驅(qū)動機(jī)制。

2 研究材料與方法

本研究所用石筍樣品 （編號：SXG－3）于2015年采自貴州省黔西縣素樸鎮(zhèn)水西洞 （106°23′54″E，27°3′41″N；圖1），地處上揚(yáng)子地塊南緣滇東—黔中隆起地帶。該區(qū)域受亞熱帶季風(fēng)氣候控制，四季分明，植被覆蓋率高。距離水西洞最近 （35 km）的黔西氣象站1980—2010年的氣象數(shù)據(jù) （數(shù)據(jù)來源于http：／／www.cma.gov.cn／）顯示，研究區(qū)年平均氣溫為14.2℃，年平均降水量為952 mm，6—9月份的降水量占全年降水量的67%。水西洞呈“三廳、五主洞”的結(jié)構(gòu)模式，洞穴封閉性好，次生碳酸鹽巖發(fā)育良好 （王德遠(yuǎn)等，2019）。

圖1 貴州水西洞和中國季風(fēng)區(qū)其他洞穴地理位置Fig.1 Geographic location of Shuixi cave in Guizhou Province and other caves in China monsoon region

SXG－3石筍外形呈圓錐體（圖2－A），總長441 mm，底部直徑約90 mm。沿石筍生長軸切開并拋光，拋光面整體呈乳白色至淡黃色，生長層清晰可見，質(zhì)地致密，無溶孔現(xiàn)象，0～202 mm層段呈淡黃色，202～440 mm層段呈乳白色，202 mm處存在沉積間斷，本研究的層段為204～342 mm。

圖2 貴州黔西縣水西洞SXG－3石筍的拋光面、年齡—深度模式和生長速率Fig.2 Polished section，age-depth model and growth rate of SXG－3 stalagmite in Shuixi cave，Qianxi County，Guizhou Province

在石筍拋光面上，使用直徑為0.5 mm 的牙鉆，沿生長軸鉆取11個樣品用于230Th定年，化學(xué)前處理和分析方法參照Shen等 （2012），分析儀器為MC-ICP-MS Neptune，在臺灣大學(xué)高精度質(zhì)譜與環(huán)境變遷實(shí)驗(yàn)室 （HISPEC）完成。使用直徑為0.3 mm的牙鉆，沿生長軸方向，每間隔0.5 mm采集1個碳氧同位素樣品，共采集277個樣品進(jìn)行穩(wěn)定同位素測試，每9個樣品插入1個標(biāo)準(zhǔn)樣品（NBS－19），通過碳酸鹽自動進(jìn)樣裝置Kiel－Ⅳ與Finnigan MAT－253型質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)測試完成，碳氧同位素樣品的采集與測試工作在福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果

3.1 U／Th年代

表1為SXG－3石筍U／Th測年結(jié)果，本研究關(guān) 注 的 204～342 mm 層 段238U 含 量 相 對 較 高（555×10－9～925×10－9g／g），而232Th含量較低 （60×10－12～527×10－12g／g），石筍的測年精度高，測年誤差均優(yōu)于90 a?；?1個年齡點(diǎn)，采用線性內(nèi)插的方法建立了40.77～37.17 ka B.P.時段的年代標(biāo)尺（圖 2－B），該段的生長速率為 13.7～41.5μm／a（圖2－C）。

表1 貴州黔西縣水西洞SXG－3石筍230 Th測年結(jié)果*Table 1 230 Th dating results of stalagmite SXG－3 in Shuixi cave，Qianxi County，Guizhou Province

3.2 石筍δ18O平衡分餾檢驗(yàn)

判斷碳酸鹽與母液之間是否達(dá)到同位素平衡分餾是石筍δ18O 記錄用于重建過去氣候和環(huán)境的前提，“Hendy Test”是最常見的檢驗(yàn)石筍是否達(dá)到同位素平衡分餾沉積的方法 （Hendy，1971）。根據(jù)“Hendy Test” 準(zhǔn) 則，選 取 了 231 mm、248 mm、352 mm、359 mm、366 mm共5個層段，從生長中心軸向兩側(cè)，每隔5 mm采集1個子樣品，每層采6個子樣品，共30個樣品進(jìn)行同位素測試。結(jié)果表明，同一層段δ18O沒有明顯的變化趨勢（圖3－A），同一層段的δ18O和δ13C相關(guān)性不顯著（圖3－B）。上述檢驗(yàn)結(jié)果表明，石筍SXG－3受動力分餾作用影響較小，達(dá)到同位素分餾平衡狀態(tài)，其δ18O記錄變化主要受氣候因素控制，可進(jìn)行古氣候重建。

圖3 貴州黔西縣水西洞SXG－3石筍的Hendy Test結(jié)果Fig.3 Hendy Test results for stalagmite SXG－3 in Shuixi cave，Qianxi County，Guizhou Province

3.3 石筍δ18O序列

基于U／Th年齡的線性內(nèi)插時標(biāo)，建立了SXG－3石筍40.77～37.17 ka B.P.時段的δ18O 記錄（圖4），根據(jù)石筍SXG－3氧同位素曲線變化趨勢，整個記錄的δ18O值振幅為1.79‰，在－9.88‰～－8.09‰之間波動，平均值為－8.90‰，整體上與亞洲季風(fēng)區(qū)其他石筍記錄變化趨勢一致 （Caiet al.，2006；Donget al.，2018；Chenget al.，2021；Zhanget al.，2021）。40.7～40.0 ka B.P.時段，石筍δ18O 值整體偏負(fù)，δ18O值在－9.45‰附近振蕩。隨后，在40.0～39.1 ka B.P.時段δ18O值從最小值逐漸增大到－8.12‰后趨于穩(wěn)定，內(nèi)部存在1個百年尺度振蕩。自約38.3 ka B.P.開始，石筍δ18O值呈現(xiàn)緩慢偏負(fù)的趨勢，直到37.55 ka B.P.達(dá)到極小值之后趨于穩(wěn)定。

圖4 貴州黔西縣水西洞SXG－3石筍的δ18O記錄Fig.4 Time sequences ofδ18O record of stalagmite SXG－3 inShuixi cave，Qianxi County，Guizhou Province

4 討論

4.1 水西洞石筍δ18O記錄的指示意義

研究表明，在同位素平衡沉積的條件下，石筍δ18O主要受洞穴滴水和洞穴溫度的影響 （Henryet al.，2016），溫度變化對δ18O 影響較小 （趙侃，2011），而洞穴滴水主要來源于大氣降水，主要繼承了大氣降水信號 （Chenget al.，2009）。目前關(guān)于石筍δ18O的指示意義還存在很大的爭議，主要觀點(diǎn)包括雨量效應(yīng) （譚明等，2016；汪永進(jìn)和劉殿兵，2016）、夏冬降水比率 （Wanget al.，2001）、夏 季 風(fēng) 強(qiáng) 度 的 變 化 （Yuanet al.，2004；Wanget al.，2005；Chenget al.，2009）、環(huán) 流 效 應(yīng) （譚明，2009；譚明等，2016）、從水汽源到洞穴的綜合降水量變化 （Yuanet al.，2004；王健等，2019）等。盡管存在上述爭議，Cheng等 （2009，2016）指出石筍δ18O 值變化指示平均氣候狀態(tài)下的夏季風(fēng)強(qiáng)度。中國季風(fēng)區(qū)石筍δ18O 記錄在軌道—千年尺度上大范圍的區(qū)域一致性，也說明該區(qū)的石筍δ18O記錄主要反映了夏季風(fēng)強(qiáng)度 （Donget al.，2018；Chenget al.，2021；Zhanget al.，2021）。貴州已有的研究 （Jianget al.，2016）也表明，該區(qū)石筍δ18O在軌道—千年尺度指示了亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化。綜上，作者沿用前人的研究結(jié)果，認(rèn)為水西洞石筍δ18O反映了夏季風(fēng)強(qiáng)度，即季風(fēng)越強(qiáng)，石筍氧同位素越偏負(fù)，反之則偏正。

4.2 HS4事件的開始、初始結(jié)束時間與緩變特征

千年尺度氣候突變事件的起止時間的判定對于理解事件的驅(qū)動機(jī)制至關(guān)重要。在之前的研究中，一般采用快速變化的中間點(diǎn)作為千年尺度氣候突變事件的開始或結(jié)束 （Wanget al.，2001）；或者采用“BREAKFIT”統(tǒng)計(jì)方法 （Mudelsee，2009），該方法是由2個在斷裂點(diǎn)處連接的線性部分組成連續(xù)函數(shù)，通過加權(quán)最小二乘法確定斷點(diǎn)。近年來“RAMPFIT”統(tǒng)計(jì)方法得到了廣泛應(yīng)用 （姜修洋等，2012；Zhanget al.，2021），該方法是通過加權(quán)最小二乘法將 “斜坡”擬合到數(shù)據(jù)中，通過獲取轉(zhuǎn)型開始和結(jié)束的平均水平確定氣候狀態(tài)發(fā)生改變的拐點(diǎn)，本研究利用該統(tǒng)計(jì)方法錨定了SXG－3石筍記錄的HS4事件開始和初始結(jié)束時間分別為39.97±0.09 ka B.P.、38.35±0.07 ka B.P.（圖4）。

在HS4事件期間，NGRIP的格陵蘭冰心年代學(xué) （Greenland Ice Core Chronology 2005，簡 稱GICC05）不確定性約為150 a（Svenssonet al.，2008）。在誤差范圍內(nèi)，SXG－3石筍記錄的HS4事件的開始時間 （39.97±0.09 ka B.P.）與NGRIP（Svenssonet al.，2008）（40.03 ka B.P.）、葫 蘆 洞（Chenget al.，2021）（40.02±0.12 ka B.P.）、霧露洞 （Chenget al.，2021）（39.83±0.07 ka B.P.）、仙云洞 （Zhanget al.，2021）（40.06±0.07 ka B.P.）、以及南美的TBV40（Wendtet al.，2019）（40.02±0.16 ka B.P.）的開始時間基本一致（表2）。水西洞記錄的 HS4事件初始結(jié)束時間為 38.35±0.07 ka B.P.， NGRIP 冰 心 （Svenssonet al.，2008）、龍洞 （Donget al.，2018）、葫蘆洞 （Chenget al.，2021）、霧露洞 （Chenget al.，2021）和仙云洞 （Zhanget al.，2021） 初 始 結(jié) 束 時 間 分 別 為38.21 ka B.P.、 38.33 ± 0.14 ka B.P.、 38.28 ±0.12 ka B.P.、 38.21 ± 0.07 ka B.P.、 38.49 ±0.05 ka B.P.，初始結(jié)束時間在誤差范圍內(nèi)也基本一致（表2）。

表2 “RAMPFIT”法分析的末次冰期Heinrich Stadial 4氣候突變事件的開始和結(jié)束時間Table 2 Start and end time by“RAMPFIT”analysis of the last glacial Heinrich Stadial 4 abrupt climatic event

另外，水西洞石筍記錄的HS4事件結(jié)束階段，δ18O值在760±89 a的時間內(nèi)逐漸偏負(fù)0.90‰（圖5－D），呈現(xiàn)出緩慢變化過程。而格陵蘭冰心HS4事件結(jié)束的轉(zhuǎn)型過程十分迅速，僅為60 a（圖5－A）。中國北方的龍洞石筍記錄顯示在HS4事件結(jié)束附近δ18O偏負(fù)過程只用了90 a（圖5－B），位于長江中下游的葫蘆洞HS4事件結(jié)束的轉(zhuǎn)換時間僅為60 a（圖5－C），而位于中國東南地區(qū)的仙云洞和西南地區(qū)的霧露洞記錄呈現(xiàn)出緩慢偏負(fù)過程，轉(zhuǎn)換持續(xù)時間為690 a和220 a（圖5－E，5－F）。上述結(jié)果顯示，中國西南地區(qū)水西洞和霧露洞、中國東南地區(qū)仙云洞在HS4事件結(jié)束呈現(xiàn)出與中國北方及長江中下游地區(qū)快速突變明顯不同的緩慢響應(yīng)模式，同時與西太平洋暖池MD98－2181巖心有孔蟲Mg／Ca所指示的海溫逐漸升高 相似 （Stottet al.，2002）（圖6－F）。研究表明，熱帶海洋特別是印度洋—太平洋暖池，作為巨大的水汽和熱量交換源，對亞洲夏季風(fēng)產(chǎn)生重要影響 （Wanget al.，2017）。Partin等 （2015）的模型模擬也表明受到熱帶太平洋影響的低緯地區(qū)對氣候突變響應(yīng)更加緩慢。因而，水西洞HS4事件的緩變特征可能是受到熱帶?！?dú)怦詈嫌绊憽?/p>

圖5 貴州黔西縣水西洞SXG－3石筍δ18O記錄與其他記錄的對比Fig.5 Comparison ofδ18O record of stalagmite SXG－3 in Shuixicave，Qianxi County，Guizhou Province with other records

圖6 貴州黔西縣水西洞SXG－3石筍 δ18O 記錄與其他 古氣候記錄對比Fig.6 Comparison ofδ18Orecord of stalagmite SXG－3 in Shuixi cave， Qianxi County，Guizhou Province with other paleoclimate records

4.3 HS4事件的三相結(jié)構(gòu)特征和機(jī)制探討

研究發(fā)現(xiàn)，SXG－3石筍δ18O在HS4時期也表現(xiàn)出與仙云洞類似的三相結(jié)構(gòu)特征（圖5－D，5－F）：第1階段 （39.97～39.13 ka B.P.），SXG－3石筍的δ18O值在840年內(nèi)偏正1.32‰，標(biāo)志著亞洲夏季風(fēng)減弱，對應(yīng)于AMOC減弱 （Henryet al.，2016）（圖6－D），格陵蘭溫度快速下降 （Svenssonet al.，2008）（圖6－A），ITCZ南移 （Deplazeset al.，2013）（圖6－G）；第2階段（39.13～38.35 ka B.P.），SXG－3石 筍 的 δ18O 值 整 體 偏 正，平 均 值 為－8.34‰，此時ITCZ移動至最南端，亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到最弱，而南美洲季風(fēng)達(dá)到最強(qiáng)（Wendtet al.，2019）；第3階段，亞洲夏季風(fēng)從38.35 ka B.P.開始逐漸增強(qiáng)，持續(xù)了760年，對應(yīng)于格陵蘭氣候快速變暖階段。

以往的研究表明，北大西洋在千年尺度氣候突變事件中扮演著重要角色 （Henryet al.，2016）。在HS4事件之前的GIS9時期，亞洲季風(fēng)強(qiáng)盛（Wanget al.，2001），此 時 AMOC 活 躍 （B?hmet al.，2015；Henryet al.，2016），熱帶和南半球的熱量通過海氣循環(huán)不斷地向北傳輸，北半球冰蓋開始消融 （McManuset al.，2004），淡水注入北大西洋，AMOC開始減弱 （Henryet al.，2016）（圖6－D），引發(fā)了ITCZ初始南移 （Deplazeset al.，2013）（圖6－G），亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度減弱，其中北半球中高緯地區(qū)受到西風(fēng)帶的影響，能夠快速響應(yīng)北大西洋氣候突變信號 （Nagashimaet al.，2011），季風(fēng)強(qiáng)度快速減弱，而中國南方低緯地區(qū)受到熱帶印度洋和西太暖池的影響，呈現(xiàn)出緩慢變化的特征（Stocker and Johnsen，2003），對應(yīng)水西洞記錄第1階段a（39.97～39.44 ka B.P.）（圖6－E），同時，南美季風(fēng)增強(qiáng) （Wendtet al.，2019）（圖5－G），南極變暖 （Buizertet al.，2015）（圖6－H）。隨后，勞倫泰德冰蓋大規(guī)模崩塌，寒冷的冰川融水在幾十年內(nèi)向南快速延伸 （Waryet al.，2016；Wendtet al.，2019），AMOC進(jìn)一步減弱或者停滯，此時的北大西洋海溫下降 （Rasmussen and Thomsen，2004），南半球變暖 （Buizertet al.，2015），使得南北半球間的溫度梯度 （Schneideret al.，2014）達(dá)到最大，促進(jìn)了ITCZ的進(jìn)一步南移 （Deplazeset al.，2013）（圖6－G），水西洞石筍記錄的亞洲季風(fēng)快速減弱（第1階段b，39.34～39.13 ka B.P.）。接著，亞洲季風(fēng)進(jìn)入一個長期的弱季風(fēng)階段 （39.13～38.35 ka B.P.），相應(yīng)南美地區(qū)則達(dá)到降雨強(qiáng)盛時期（圖5－G）。最后，由于AMOC的減弱甚至停滯，熱量不斷地聚集在南半球和熱帶海洋地區(qū) （Stocker and Johnsen，2003），有可能觸發(fā)了ITCZ的初始北移 （Steffensenet al.，2008）（圖6－G），低緯亞洲季風(fēng)逐漸增強(qiáng)，與熱帶西太平洋海溫上升一致 （Stottet al.，2002）（圖6－F），當(dāng)熱帶海溫達(dá)到一定閾值時，AMOC迅速恢復(fù) （Carolinet al.，2013），低密度的暖水通過深層水進(jìn)入北大西洋冰架之下，當(dāng)暖水突然到達(dá)表層，表層海冰消融，格陵蘭冰心指示的溫度則快速升高 （Svenssonet al.，2008；Jonkerset al.，2010），HS4事件結(jié)束。上述分析表明，在北半球高緯氣候觸發(fā)HS4事件后，熱帶海洋和南半球熱量的不斷積聚及其隨后的釋放所引起的ITCZ的南北移動是造成水西洞HS4事件三階段變化的主要原因。

5 結(jié)論

本研究基于貴州水西洞SXG－3石筍δ18O 分析，獲得了40.77～37.11 ka B.P.時段平均分辨率達(dá)13 a的亞洲夏季風(fēng)強(qiáng)度演變序列。石筍δ18O值在39.97～37.59 ka B.P.時段內(nèi)偏正，振幅為1.66‰，對應(yīng)于HS4弱季風(fēng)事件。通過與高低緯氣候記錄對比，得出主要結(jié)論如下：

1）水西洞HS4事件的δ18O記錄具有與福建仙云洞類似的三相結(jié)構(gòu)特征，并且與巴西東北部石筍記錄呈鏡像變化特征。利用 “RAMPFIT”統(tǒng)計(jì)方法，錨定其 3 個階段時間分別為 39.97～39.13 ka B.P.、39.13 ～38.35 ka B.P.、38.35 ～37.59 ka B.P.。

2）水西洞石筍δ18O記錄在HS4事件結(jié)束時期呈現(xiàn)出緩變特征，不同于格陵蘭冰心記錄和中國北方及長江中下游地區(qū)石筍記錄的突變模式。

3）與高低緯記錄對比表明，在北半球高緯氣候觸發(fā)HS4事件后，熱帶海洋和南半球熱量的不斷積聚及其隨后的釋放所引起的ITCZ的南北移動是造成這種三階段變化的主要原因。