石筍初始234U/238U值的冰量周期特征及其環(huán)境意義——以湖北三寶洞為例

崔田豐，段福才，張偉宏，董進(jìn)國(guó)，朱麗東

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.南通大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇南通 226007

0 引言

米蘭科維奇理論指出地球軌道參數(shù)偏心率、斜率和歲差變化引起的北高緯夏季太陽(yáng)輻射能量的周期性變化是全球氣候變化的主要驅(qū)動(dòng)力[1]。10萬年周期的偏心率信號(hào)是晚第四紀(jì)氣候系統(tǒng)的主要組成部分，偏心率引起的太陽(yáng)輻射能量變化被認(rèn)為是10萬年冰量旋回的主要原因[2-6]。北高緯冰量變化對(duì)全球氣候有重要影響，中國(guó)黃土高原黃土—古土壤磁化率和粒度等環(huán)境替代指標(biāo)指示了全球冰量變化對(duì)東亞季風(fēng)的驅(qū)動(dòng)作用[7]。高北緯冰量變化可能影響蒙古—西伯利亞高壓來驅(qū)動(dòng)?xùn)|亞夏季風(fēng)和冬季風(fēng)的變化，形成了中國(guó)黃土磁化率和粒度的10萬年的主導(dǎo)周期成分。但是，洞穴石筍記錄呈現(xiàn)出不同的氣候變化信號(hào)。中國(guó)石筍氧同位素記錄主要繼承了大氣降水同位素的變化信息，指示了中低緯水汽循環(huán)的變化過程[8-12]。過去640 ka跨越了七個(gè)冰期旋回的中國(guó)中東部石筍氧同位素記錄顯示了明顯的歲差周期，10萬年的偏心率周期較弱，說明中低緯水汽變化主要受太陽(yáng)輻射能量變化控制，在很大程度上獨(dú)立于北高緯冰量變化[12]。此高精度鈾釷年代的640 ka的石筍氧同位素記錄還顯示出，約100 ka周期的冰期旋回對(duì)應(yīng)于整數(shù)個(gè)歲差旋回。該結(jié)果表明太陽(yáng)輻射量變化是全球氣候變化的直接因素。與中國(guó)中東部石筍記錄稍有不同的是，中國(guó)云南地區(qū)小白龍洞穴石筍氧同位素記錄除了記錄有與三寶洞等洞穴記錄一樣有顯著歲差周期外，還表現(xiàn)出明顯的冰期旋回[13]。此經(jīng)向上的信號(hào)差異可能歸因于中國(guó)西南和中東部在氣候邊界條件改變時(shí)空氣環(huán)流和水汽輸送路徑的改變引起同位素信號(hào)的改變。在緯向上，黃土高原與南方石筍氣候主導(dǎo)周期方面的差異可能與季風(fēng)系統(tǒng)的南北移動(dòng)有關(guān)。在冰期時(shí)，亞歐大陸冰蓋增大和海平面降低促使中國(guó)北部受夏季風(fēng)影響較小，而受高北緯冰量影響較大，但在間冰期時(shí)夏季風(fēng)北移導(dǎo)致影響力增大，因此北方的夏季風(fēng)記錄主要呈現(xiàn)出10萬年周期旋回，而南方石筍從冰期到間冰期一直都主要受夏季風(fēng)影響，因而呈現(xiàn)為受太陽(yáng)輻射控制的歲差旋回[14]。云南大理鶴慶盆地沉積物記錄顯示了季風(fēng)變化具有明顯的10萬年主導(dǎo)周期，證實(shí)了我國(guó)西南地區(qū)10萬年周期信號(hào)的存在，而歲差信號(hào)較弱[15]。較為復(fù)雜的是，鶴慶盆地記錄的印度季風(fēng)10萬年周期信號(hào)與全球冰量變化具有明顯的相位關(guān)系，印度季風(fēng)降水增強(qiáng)提前全球冰量消融期約14～35 ka。因此，地球軌道周期信號(hào)在中國(guó)大陸的時(shí)空分布還不夠清晰，明確亞洲季風(fēng)區(qū)地球軌道周期信號(hào)的分布有助于理解米蘭科維奇理論和季風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

石筍的高精度U/Th絕對(duì)年齡和相對(duì)廣闊的空間覆蓋范圍，有助于對(duì)準(zhǔn)確地識(shí)別和驗(yàn)證地球軌道參數(shù)變化對(duì)亞洲季風(fēng)氣候的影響做出參考。早在2008年，楊琰等[16]發(fā)現(xiàn)我國(guó)西南地區(qū)石筍初始234U/238U值[(234U/238U)0]的變化除了與25°N夏季太陽(yáng)輻射能量變化曲線相似外，還與深海氧同位素的長(zhǎng)期變化有一定的對(duì)應(yīng)性。本文選用湖北神農(nóng)架三寶洞的20支石筍，著重分析了在冰期—間冰期尺度上石筍生長(zhǎng)速率和鈾元素含量及其同位素的變化，發(fā)現(xiàn) (234U/238U)0具有明顯的10萬年旋回，并與全球冰量[17]、黃土磁化率[18]、黃土平均粒度[18]、大氣CO2濃度[19]的變化步調(diào)基本一致，此記錄提供了東亞季風(fēng)區(qū)10萬年周期的巖溶地球化學(xué)元素證據(jù)。

1 研究區(qū)域、材料與方法

湖北神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)的三寶洞(110°26′E，31°40′N；海拔1 902 m)位于長(zhǎng)江中下游紅坪鎮(zhèn)境內(nèi)，地處亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)，其獨(dú)特的地形和地勢(shì)特點(diǎn)導(dǎo)致來自西南的暖濕氣流難以到達(dá)該區(qū)域，常年盛行東南風(fēng)，屬于東亞冬夏季風(fēng)環(huán)流交匯的控制區(qū)[9]。該地區(qū)降雨多集中于夏季(6—8月)，年降水量在1 500～2 000 mm之間，年均溫7 ℃～8 ℃，洞內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)95%以上。洞穴上覆石灰?guī)r層和土壤層較厚，并有喬木、灌木等天然植被的發(fā)育，石筍生長(zhǎng)受外界干擾程度較小。

本文選用了來自湖北神農(nóng)架三寶洞的20支石筍，編號(hào)分別是SB3、SB10、SB11、SB14、SB22、SB23、SB24、SB25-1(SB25-2)、SB26、SB27、SB32、SB34、SB41、SB42、SB43、SB44、SB46、SB49、SB60、SB61，通過拼接獲得了覆蓋連續(xù)時(shí)段為640～317 ka B.P.和283～0 ka B.P.的年齡數(shù)據(jù)。其中跨越時(shí)段較長(zhǎng)的石筍有4支：SB14發(fā)育時(shí)段最長(zhǎng)，為622.8～299.6 ka B.P.，SB32生長(zhǎng)在640.3～513.3 ka B.P.；SB61石筍生長(zhǎng)在384～223 ka B.P.，但在317～260 ka B.P.時(shí)段生長(zhǎng)中斷；SB11生長(zhǎng)于224.4～129.3 ka B.P.，恰好與SB61生長(zhǎng)時(shí)段相連接。其余的石筍均發(fā)育在290～0 ka B.P.。這些樣品通過230Th測(cè)年技術(shù)進(jìn)行測(cè)定[12,20]，年齡誤差為±2σ測(cè)量統(tǒng)計(jì)誤差。石筍同位素、238U含量數(shù)據(jù)和計(jì)算(234U/238U)0的原始數(shù)據(jù)均來自網(wǎng)絡(luò)(http://www.noaa.gov/,注：δ234U=[(234U/238U)-1] ×1000)。石筍的生長(zhǎng)速率通過石筍兩個(gè)測(cè)年點(diǎn)的深度差值除以其年齡差值計(jì)算得出。

2 結(jié)果和分析

2.1 石筍鈾元素含量及其同位素的變化

三寶洞石筍238U含量和(234U/238U)0變化明顯。生長(zhǎng)于200～0 ka時(shí)段的石筍有17支，其238U含量和(234U/238U)0變化已在文獻(xiàn)[21]中進(jìn)行了整理分析。生長(zhǎng)于640～200 ka時(shí)段的石筍有4支，分別是SB32、SB14、SB61和SB60。SB32石筍238U含量在568～2 129 ng/g間波動(dòng)，平均值為1 208 ng/g；(234U/238U)0在1.489 3～1.544 6間波動(dòng)，平均值為1.515 8。SB14石筍238U含量在170～1 379 ng/g間波動(dòng)，平均值為718 ng/g；(234U/238U)0在1.522～1.611間波動(dòng)，平均值為1.566 5。SB61石筍238U含量在611～1 350 ng/g之間，平均值為906 ng/g；(234U/238U)0在1.646～1.79間波動(dòng)，平均值為1.714 8，波動(dòng)范圍比較大。SB60石筍238U含量1 031～1 383 ng/g間波動(dòng)，平均值為1 182 ng/g。同一洞穴不同石筍中鈾含量及其同位素的差異存在多方面的因素，例如巖溶滴水通道母巖性質(zhì)的不同、巖溶水的滲透路徑和滯留時(shí)間的長(zhǎng)短等[21]。其中石筍SB60和SB61生長(zhǎng)年限跨度范圍較小，不足以在10萬年尺度討論其(234U/238U)0的變化。所以本研究選用生長(zhǎng)于625～300 ka的石筍SB14和生長(zhǎng)于640～510 ka的石筍SB32，討論其238U濃度和(234U/238U)0的周期變化。

2.2 石筍鈾元素與生長(zhǎng)速率同步變化

在400～0 ka B.P.時(shí)段，石筍的238U濃度和平均速率變化在間冰期呈現(xiàn)出高值，而在冰期明顯降低。湖北三寶洞石筍238U濃度和生長(zhǎng)速率在間冰期比冰期大，從冰期向間冰期過度的冰消期，二者也出現(xiàn)及時(shí)響應(yīng)(圖1)。在MIS10向MIS9轉(zhuǎn)型時(shí)，石筍SB61的平均238U濃度從705 ng/g增長(zhǎng)到984 ng/g，增幅為40%，平均生長(zhǎng)速率從8.74 μm/a增長(zhǎng)到19.36 μm/a，增幅為122%。MIS8向MIS7轉(zhuǎn)型的時(shí)，石筍SB61的平均238U濃度從978 ng/g增長(zhǎng)到1 020 ng/g，增幅為4.3%，平均生長(zhǎng)速率從15.22 μm/a增長(zhǎng)到19.11 μm/a，增幅為26%；石筍SB60的平均238U濃度平均值在1 181 ng/g上下波動(dòng)，增長(zhǎng)不明顯，平均生長(zhǎng)速率從16.73 μm/a增長(zhǎng)到25.94 μm/a，增幅為55%。在大約130 ka，即MIS6向末次間冰期轉(zhuǎn)型期間，石筍238U濃度平均值從412 ng/g增長(zhǎng)到616 ng/g，增幅為49.73%。從末次冰期(70～11.5 ka B.P.)向全新世(11.5～0 ka B.P.)轉(zhuǎn)型時(shí)，238U濃度平均值從444 ng/g增長(zhǎng)到898 ng/g。此外，從冰期向間冰期石筍的平均生長(zhǎng)速率明顯增大(圖1)。以上結(jié)果表明在軌道尺度上溫暖潮濕的間冰期氣候條件下有利于石筍的生長(zhǎng)和238U的富集[21-22]。

在640～400 ka B.P.時(shí)段，石筍的238U濃度和生長(zhǎng)速率也呈現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的冷暖旋回特征(圖2，3)。SB14石筍在MIS15其238U濃度平均值為991 ng/g，平均生長(zhǎng)速率為8.41 μm/a，明顯高于其他階段。SB14石筍的238U濃度和生長(zhǎng)速率變化大致為暖期呈現(xiàn)高值、冷期呈現(xiàn)低值的特點(diǎn)。在每次冰期向間冰期轉(zhuǎn)型期間，238U濃度和生長(zhǎng)速率均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。SB32石筍在MIS15其238U濃度平均值為1 350 ng/g，平均生長(zhǎng)速率為20.87 μm/a。而進(jìn)入MIS14，石筍的238U濃度平均值下降到803 ng/g，平均生長(zhǎng)速率也下降到了3.89 μm/a。綜上所述，整體上三寶洞石筍238U濃度和生長(zhǎng)速率變化與全球冷暖波動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系明顯，可作為有效的古氣候變化指標(biāo)。

3 討論

3.1 石筍初始234U/238U值的環(huán)境意義

過去研究表明石筍(234U/238U)0值變化可指示氣候和環(huán)境變化[23-27]。石筍(234U/238U)0值的波動(dòng)主要直接受鈾來源(主要是土壤和圍巖)和水巖相互作用過程影響。在U元素來源方面，一般認(rèn)為圍巖的U元素組成不變，土壤的貢獻(xiàn)主要由土壤的風(fēng)化程度和氧化還原條件決定[26]。在土壤風(fēng)化過程中，除了溶解作用外，α反沖作用和相關(guān)的晶格損傷容易導(dǎo)致234U原子進(jìn)入到溶液當(dāng)中[28]。另一方面，U元素的活性與地表氧化還原條件密切相關(guān)。U元素的天然礦物一般以正四和正六價(jià)存在，但是U4+一般與其他元素呈類質(zhì)同象置換存在，溶于水后易形成沉淀，而U6+容易形成易溶的鈾酰離子(UO2)2+，活性較大，U元素易被黏土礦物、膠體物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)吸附。在氧化條件下，一方面，土壤易于風(fēng)化析出U元素；另一方面，U4+容易被氧化成活性的(UO2)2+，伴隨著土壤水和吸附物質(zhì)進(jìn)入到石筍沉積當(dāng)中。巖溶水對(duì)圍巖的溶解程度會(huì)改變圍巖(234U/238U)0在洞穴滴水中的相對(duì)貢獻(xiàn)量。在冰期時(shí)，減少的大氣降水因溶質(zhì)飽和作用會(huì)減弱對(duì)圍巖的溶解而使土壤U元素的相對(duì)貢獻(xiàn)增大。因此，石筍(234U/238U)0的變化可能主要由地表土壤的風(fēng)化程度和氧化還原條件決定，間接指示了地表的氣候環(huán)境變化狀況[29]。石筍(234U/238U)0可能主要反映了古降水量的變化[16]。

石筍(234U/238U)0值與238U含量和生長(zhǎng)速率的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系證實(shí)了(234U/238U)0變化對(duì)氣候環(huán)境變化的響應(yīng)。在間冰期，高的(234U/238U)0值對(duì)應(yīng)于較高的238U含量和較快生長(zhǎng)速率(圖2，3)，暗示了暖濕的氣候環(huán)境促使地表植被增多，土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)，促使表生土壤進(jìn)一步風(fēng)化和較高土壤CO2濃度溶解更多的石筍組成元素[21-22]。在冰期，低的(234U/238U)0值對(duì)應(yīng)于較低的238U含量和較慢的生長(zhǎng)速率(圖2，3)，指示了冷干的氣候環(huán)境促使地表生產(chǎn)力降低，土壤微生物活動(dòng)減弱，引起表生土壤風(fēng)化能力減弱和溶解圍巖的能力降低。此外，石筍(234U/238U)0值與黃土磁化率等其他全球性氣候指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖4)，表明了石筍(234U/238U)0值的區(qū)域氣候意義。盡管影響石筍(234U/238U)0值的因素較為復(fù)雜，一般認(rèn)為石筍(234U/238U)0值反映了古降水量的變化[16]。這里三寶洞石筍(234U/238U)0與生長(zhǎng)速率和238U含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，加強(qiáng)了石筍(234U/238U)0可能主要反映了與古降水量相關(guān)的洞穴水文循環(huán)變化的認(rèn)識(shí)。東亞季風(fēng)區(qū)三寶洞石筍(234U/238U)0與西太平洋海表溫度變化的對(duì)應(yīng)性[21]，暗示了三寶洞石筍(234U/238U)0對(duì)季風(fēng)降水變化的印記。盡管石筍(234U/238U)0和石筍δ18O的變化都與季風(fēng)降水變化相關(guān)，但是石筍(234U/238U)0主要反映的是降水量多少，而與季風(fēng)水汽源區(qū)[31]的變化無關(guān)。

圖2 湖北三寶洞石筍SB14的(234U/238U)0、238U含量(實(shí)心圓) 及平均生長(zhǎng)速率變化(299～542 ka左上，542～621 ka右上， 灰色陰影代表間冰期)Fig.2 Correlation between (SB14), (234U/238U)0, 238U concentration and average growth rate of stalagmite (grey bars represents interglacial periods)

圖3 湖北三寶洞石筍SB32的 (234U/238U)0、238U含量 (實(shí)心圓)以及平均生長(zhǎng)速率變化(灰色陰影代表間冰期)Fig.3 Correlation of (SB32), (234U/238U)0, 238U concentration and the average growth rate of stalagmite (grey bar represents interglacial periods)

3.2 石筍初始234U/238U值的10萬年周期旋回

洞穴石筍因巖溶通道的差異會(huì)導(dǎo)致同時(shí)段不同石筍含有絕對(duì)值不相同的U元素組成[26]。三寶洞石筍SB14和SB32分別覆蓋約3和1.5個(gè)冰期旋回 (圖4，曲線d和c)，對(duì)討論石筍(234U/238U)0值記錄的氣候環(huán)境變化過程具有積極意義。石筍SB14和SB32的(234U/238U)0值分別在1.52～1.62和1.48～1.56之間波動(dòng)，呈現(xiàn)出明顯的～10萬年偏心率周期變化(圖5)，不同于石筍氧同位素的～2萬年歲差旋回[12](圖4，曲線b)。石筍SB14和SB32的(234U/238U)0值的重現(xiàn)性(圖4，曲線c和d)，一方面證實(shí)了(234U/238U)0響應(yīng)氣候環(huán)境變化的可靠性，另一方面證實(shí)了石筍(234U/238U)0值的10萬年周期變化。此外，石筍(234U/238U)0值的整體變化與黃土磁化率、黃土平均粒度、大氣CO2濃度和全球冰量變化相吻合(圖4)。高的石筍(234U/238U)0值指示的間冰期對(duì)應(yīng)于黃土磁化率指示的強(qiáng)夏季風(fēng)降水時(shí)期、黃土平均粒度指示的弱冬季風(fēng)時(shí)期、全球冰量較少時(shí)期和全球CO2濃度升高時(shí)期，反之亦然。在冰消期(Termination, 簡(jiǎn)稱T) 時(shí)段，盡管石筍SB14的(234U/238U)0值的分辨率較低，但較高分辨率的石筍SB32似乎呈現(xiàn)出與各記錄類似的冰消期的快速變化過程。

圖4 a.北半球高緯夏季太陽(yáng)輻射量[30]；b.湖北三寶洞石筍δ18O(VPDB, ‰)值[12]；c.石筍SB32(234U/238U)0值； d.石筍SB14(234U/238U)0值；e.全球冰量[17]；f.黃土平均粒度[18]；g.黃土磁化率[18]； h.大氣CO2含量[19] ； (灰色陰影區(qū)代表冰消期(Termination, 簡(jiǎn)稱T))Fig.4 a. 21 July insolation at 65°N[30]; b. composite AM δ18O[12] record; c. (234U/238U)0 [SB32]; d. (234U/238U)0 [SB14]; e. composite sea level[17]; f. stacked mean grain size[18]; g. stacked magnetic susceptibility [18]; h. CO2 concentration[19]. (grey bars represents terminations(T))

石筍(234U/238U)0值和氧同位素的不同周期旋回暗示了東亞季風(fēng)區(qū)氣候的不同驅(qū)動(dòng)力。中國(guó)石筍氧同位素與北半球夏季太陽(yáng)輻射和大氣中氧氣的同位素組成具有很好的對(duì)應(yīng)性，并且具有相同的2萬年周期旋回[9]。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系表明了太陽(yáng)輻射對(duì)低緯水汽循環(huán)的主導(dǎo)作用和這些水循環(huán)對(duì)植物生產(chǎn)力的影響。石筍(234U/238U)0值的10萬年周期旋回可能主要反映了來自高北緯冰量變化的影響。高北緯冰量變化通過影響大陸溫度和季風(fēng)水汽從熱帶大洋的輸送能力來調(diào)節(jié)地表土壤的風(fēng)化能力。此外，較高的大氣CO2濃度也會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)土壤的風(fēng)化力，而促使(234U/238U)0呈現(xiàn)10萬年周期變化。明顯的10萬年的偏心率周期和2萬年的歲差周期記錄于同一洞穴石筍的兩種不同指標(biāo)中，表明東亞整體氣候變化受高北緯冰量和低緯太陽(yáng)輻射共同控制。由于分辨率原因，目前還不能準(zhǔn)確確定冰消期時(shí)(234U/238U)0和氧同位素變化的相位關(guān)系，確定二者的關(guān)系有助于進(jìn)一步理解季風(fēng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和米蘭科維奇理論。

圖5 三寶洞石筍SB14樣品(234U/238U)0譜分析結(jié)果(虛線代表80%置信度水平)Fig.5 Power spectral analysis of the SB14 stalagmite (234U/238U)0 curve (broken line represents 80% confidence level)

4 結(jié)論

(1) 三寶洞石筍同位素變化受氣候環(huán)境變化的影響，238U濃度、平均生長(zhǎng)速率和(234U/238U)0值與全球氣候冷暖波動(dòng)呈同步變化。石筍(234U/238U)0值變化在間冰期處于高值，在冰期處于低值，說明其與石筍δ18O值指示一樣可以作為古氣候變化的指標(biāo)。

(2) 在640.3～299.6 ka B.P.時(shí)間段石筍(234U/238U)0值有強(qiáng)烈的10萬年周期旋回特征，這與全球冰量、黃土磁化率、黃土平均粒度和大氣CO2變化有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這些對(duì)應(yīng)關(guān)系表明，全球冰量和大氣CO2的變化對(duì)中低緯地區(qū)的化學(xué)元素富集和遷移有重要作用。

(3) 三寶洞石筍氧同位素表現(xiàn)出的2萬年周期響應(yīng)于歲差控制的太陽(yáng)輻射量變化，而(234U/238U)0值的10萬年周期則響應(yīng)于高北緯冰量變化，說明東亞季風(fēng)區(qū)氣候變化可能受這兩種驅(qū)動(dòng)力的共同影響。