DO4事件的精確定年及亞旋回特征： 來自福建龍巖仙云洞石筍的證據(jù)*

車印平 肖海燕 姜修洋，2 蔡炳貴，3

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建福州 350007 2 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 3 福建師范大學(xué)地理研究所，福建福州 350007

1 概述

深海氧同位素3階段(Marine Isotope Stage 3，簡稱為MIS3)的氣候突變事件一直以來都是古氣候研究的熱點(diǎn)，這些氣候突變事件對全球氣候變化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響(Voelker，2002)，并在東亞季風(fēng)區(qū)石筍記錄中存在明顯的印跡(劉殿兵等，2008；趙侃等，2008；Zhaoetal.， 2010；崔英方等，2011；何堯啟和姜修洋，2012；Duanetal.， 2014；陳瓊等，2014；王權(quán)等，2017)。然而，已有的記錄由于定年方法和樣品分辨率不同，使得對DO事件(Dansgaard-Oeschger event)年齡的認(rèn)識還存在一定差異。前人研究發(fā)現(xiàn)，在年齡誤差范圍內(nèi)相對于格陵蘭NGRIP冰芯記錄，神農(nóng)架青天洞石筍記錄的DO3事件偏早約300 yr(王權(quán)等，2017)，川東北仙人洞石筍記錄的DO4事件和DO5事件峰值時(shí)間分別偏年輕約300 yr和500 yr(陳瓊等，2014)；葫蘆洞石筍記錄在DO4事件頂點(diǎn)年齡上比格陵蘭冰芯時(shí)標(biāo)(SS09sea)偏早約800 yr(趙侃等，2008)。類似的差異同樣存在于DO1事件(Shenetal.， 2003)、DO12事件(Caietal.， 2006)、DO16事件(Lietal.， 2017)、DO18事件(張偉宏等，2018)、DO19與DO20事件(夏志峰等，2006)。尤其是DO4事件年齡在中國季風(fēng)區(qū)石筍記錄中相差甚大，一定程度上影響了對DO4事件在細(xì)節(jié)上的進(jìn)一步認(rèn)識。

在先前的研究中，中國季風(fēng)區(qū)記錄關(guān)于DO事件的變化特征和亞旋回結(jié)構(gòu)研究也取得了較大進(jìn)展。研究表明，在DO3事件(王權(quán)等，2017)、DO4事件(陳瓊等，2014)、DO5與DO6事件(Zhouetal.， 2014)、DO12事件(Caietal.， 2006)、DO14事件以及DO16事件(Lietal.， 2017)的開始階段具有不同于北高緯的快速突變特征。湖北永興洞石筍記錄了DO9事件和DO12事件內(nèi)部具有一系列亞旋回結(jié)構(gòu)，DO13、DO14、DO15事件內(nèi)部表現(xiàn)為顯著的“雙峰結(jié)構(gòu)”(劉殿兵等，2008)。永興洞石筍記錄表明在DO18事件結(jié)束階段存在5次百年尺度季風(fēng)增強(qiáng)振蕩事件(張偉宏等，2018)。另外，黔北三星洞石筍記錄的DO8事件(何堯啟和姜修洋，2012)和DO24事件(王曉艷等，2015)內(nèi)部具有4次亞千年尺度旋回事件。然而，DO4事件變化特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何？這尚需要更多高精度定年和高分辨率的地質(zhì)記錄做進(jìn)一步研究。

文中選取位于中國東南地區(qū)福建西部仙云洞一支石筍(編號： XYⅢ-28)，通過230Th測年和氧同位素測試，獲得6個(gè)高精度230Th年齡和188個(gè)δ18O 數(shù)據(jù)結(jié)果，重建了中國東南地區(qū)29.13～27.94ikyriB.P.期間平均分辨率達(dá)7iyr的東亞夏季風(fēng)時(shí)間演化序列。該序列完整的記錄了DO4事件，并捕捉到數(shù)次百年至十年際尺度的氣候振蕩事件。通過與已發(fā)表的高低緯古氣候記錄對比，探討DO4事件的結(jié)構(gòu)特征及可能存在的驅(qū)動機(jī)制。

2 研究區(qū)概況

仙云洞(116°59′E，26°33′N)位于福建省龍巖市偏北約50ikm處，海拔約為970im，屬于濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(圖 1)。該地7月份和1月份平均氣溫分別為27.2i℃、11.3i℃，年平均氣溫為19.9i℃；年平均降水量為1690imm，主要集中于4—10月份。溶洞發(fā)育于二疊系棲霞組石灰?guī)r中，洞穴為3層階狀廊道式溶洞，洞穴封閉性較好，洞道探明總長度約為2470im(張富強(qiáng)等，2018)。洞內(nèi)實(shí)測溫度為17.5i℃，相對濕度接近100%(2016年3月—2018年6月測定)。上覆土壤以黃壤為主。植被發(fā)育良好，以亞熱帶常綠闊葉林為主。

五角星為仙云洞位置，黑色圓點(diǎn)分別為葫蘆洞、青天洞、三寶洞、霧露洞、大石包洞的位置，虛線表示現(xiàn)代季風(fēng)邊界線，黑色虛線箭頭分別表示東亞夏季風(fēng)、印度夏季風(fēng)和冬季風(fēng)圖 1 福建龍巖仙云洞地理位置Fig.1 Location of Xianyun Cave in Longyan City，F(xiàn)ujian Province

黑色線段表示測年點(diǎn)，黑色虛線表示沉積間斷，中間斷裂為石筍上下2節(jié)拼接處，390～449imm為DO4事件突變過程層段圖 2 福建龍巖仙云洞XYⅢ-28石筍拋光面照片F(xiàn)ig.2 Photo for polished surface of stalagmite XYⅢ-28 from Xianyun Cave in Longyan City，F(xiàn)ujian Province

3 樣品和測試方法

XYⅢ-28石筍采自該洞穴底部，總長為765imm，頂部直徑約為70imm，底部直徑約為90imm。沿著石筍生長軸切開并拋光，拋光面呈白色和透明狀相間分布(圖 2)。距頂部305imm和496imm處分別存在1個(gè)風(fēng)化層面，有可能為沉積間斷。石筍拋光面生長致密、無溶孔，石筍由純凈的方解石晶體組成。

本研究選取XYⅢ-28石筍300～500imm層段，在拋光面上，用直徑0.9imm的牙鉆共取得6個(gè)石筍粉末樣品用于230Th定年，分析儀器為MC-ICP-MS Neptune，在臺灣大學(xué)地質(zhì)系高精度質(zhì)譜與環(huán)境變遷實(shí)驗(yàn)室(HISPEC)測試完成，年齡分析誤差為±2σ，方法參照Shen等(2003)。沿石筍生長中軸線用0.5imm鉆頭以1imm為平均間隔共采集188個(gè)石筍粉末樣品用于氧同位素分析，利用連續(xù)流Gasbench裝置與Finnigan MAT-253型質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)測試，每9個(gè)樣品加測1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品(NBS-19)，結(jié)果以δ18O(‰，VPDB)表示，計(jì)算公式為δ18O=[(18O/16O樣品)/(18O/16O標(biāo)準(zhǔn))-1]×1000，分析誤差(±2σ)優(yōu)于0.06‰，在福建師范大學(xué)同位素中心測試完成。

表 1 福建龍巖仙云洞XYⅢ-28石筍230Th測年結(jié)果Table1 230Th dating results for stalagmite XYⅢ-28 from Xianyun Cave in Longyan City，F(xiàn)ujian Province

4 結(jié)果

4.1 230Th年齡和時(shí)間標(biāo)尺

誤差棒表示石筍230Th測年點(diǎn)及測年誤差(±2σ)圖 3 福建龍巖仙云洞石筍XYⅢ-28年齡—深度曲線Fig.3 230Th dating-depth curve of stalagmite XYⅢ-28 from Xianyun Cave in Longyan City，F(xiàn)ujian Province

表 1給出了XYⅢ-28石筍在300～500imm層段的6個(gè)U-Th含量數(shù)據(jù)和實(shí)測年代以及誤差范圍(±2σ)。定年結(jié)果顯示，XYⅢ-28石筍238U含量高(9.7～19iμg/g)，232Th含量低((0.05～0.1)×10-3iμg/g)，230Th定年精度高，均優(yōu)于0.5%。根據(jù)表 1 測年結(jié)果分析，在距頂部302～305imm和496～499imm確實(shí)存在沉積間斷，這與石筍拋光面所反映的巖性相符合(圖 2)。文中主要分析2個(gè)沉積間斷面之間(308～495imm)的石筍層段。根據(jù)線性內(nèi)插和外推法建立XYⅢ-28石筍該層段的時(shí)間標(biāo)尺(圖 3)，從而獲得了29.13～27.94ikyriB.P.時(shí)段平均分辨率達(dá)7 yr的氧同位素序列。仙云洞石筍XYⅢ-28定年精度高，誤差在±53～76 yr。從年齡—深度圖(圖 3)可知，在308～495imm層段，石筍生長速率為157.6imm/kyr。

a—格陵蘭NGRIP冰芯 δ18O 記錄(Rasmussen et al.， 2008)；b—青天洞QT15石筍 δ18O 記錄(王權(quán)等，2017)；c—仙云洞XYⅢ-28石筍 δ18O 記錄。紅色誤差棒為石筍測年點(diǎn)及誤差(±2σ)； 黑色箭頭表示DO4事件的開始過程， 灰色矩形框?yàn)镼T15石筍可能存在的沉積間斷圖 4 福建龍巖仙云洞石筍 δ18O 記錄的DO4事件與其他記錄對比Fig.4 Comparison of the Dansgaard-Oeschger event 4(DO4) recorded by δ18O from other records and Xianyun Cave in Longyan, Fujian Province

4.2 石筍氧同位素記錄及其意義

圖 4-c給出了仙云洞石筍XYⅢ-28δ18O 的時(shí)間演化序列。在29.13～28.83ikyriB.P.時(shí)段，石筍δ18O 整體偏正，在-6.6‰～-7.3‰之間波動，平均值為-6.9‰；在28.83～28.46ikyriB.P.時(shí)段，石筍δ18O 整體偏負(fù)，變化范圍為-6.8‰～-7.5‰，平均值為-7.2‰；在28.46～27.94ikyriB.P.時(shí)段，石筍δ18O 整體偏正，在-6.1‰～-7.3‰之間波動，平均值為-6.9‰，在28.04ikyriB.P.左右，石筍δ18O 值約為-7.1‰，較平均值偏負(fù)0.4‰，與具有年層時(shí)標(biāo)的神農(nóng)架青天洞記錄(QT15)的DO3事件開始階段(28.04ikyriB.P.)一致，這可能是仙云洞石筍XYⅢ-28記錄到DO3事件的開始階段。已有的研究結(jié)果表明，亞洲季風(fēng)區(qū)石筍氧同位素在軌道尺度、千年尺度和百年至十年際尺度上主要反映了夏季風(fēng)強(qiáng)度變化信息(Wangetal.， 2001，2008；Zhangetal.， 2008；Chengetal.， 2012，2016)。當(dāng)石筍δ18O 值偏負(fù)時(shí)，指示夏季風(fēng)增強(qiáng)，反之則指示夏季風(fēng)減弱。

5 討論

5.1 DO4事件年齡和變化特征

先前的研究表明，中國季風(fēng)區(qū)石筍δ18O 記錄的CIS事件(Chinese Interstadails，簡稱CIS事件)與格陵蘭冰芯記錄的千年尺度氣候事件(Greenland Interstadails，簡稱GIS事件)一一對應(yīng)(劉殿兵等，2008；崔英方等，2011；Liuetal.， 2010)。已發(fā)表的高分辨率湖北神農(nóng)架三寶洞、貴州大石包洞及霧露洞石筍δ18O 記錄的DO4事件起止時(shí)間分別為29.04～28.65ikyriB.P.、29.06～28.63ikyriB.P.、29.03～28.52ikyriB.P.，與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O 記錄(28.87～28.47ikyriB.P.)還存在一定差別，這可能與樣品分辨率和定年方法具有一定關(guān)系。此外，具有年層時(shí)標(biāo)的青天洞QT15石筍記錄(圖 4-b)，由于在DO4事件前后可能存在短暫的沉積間斷，從而未能完整地刻畫DO4事件的變化過程(王權(quán)等，2017)。因此，關(guān)于DO4事件的起止年齡尚需要更高精度定年和高分辨率的記錄進(jìn)一步完善。文中重建的高分辨率仙云洞XYⅢ-28石筍δ18O 記錄在28.83～28.46ikyriB.P.時(shí)段整體負(fù)偏，清晰地記錄了DO4事件(圖 4-c)。根據(jù)氣候突變過程中間點(diǎn)的位置標(biāo)定DO4事件的開始時(shí)間為28.83±0.06ikyriB.P.，結(jié)束時(shí)間為28.46±0.06ikyriB.P.，持續(xù)時(shí)間為0.37±0.06ikyr，與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O 記錄(圖 4-a)基本一致。

在DO4事件開始階段(28.83～28.68ikyriB.P.)的145iyr期間，仙云洞XYⅢ-28石筍δ18O 記錄從-7.0‰緩慢偏負(fù)至-7.4‰，相對振幅為0.4‰，表現(xiàn)為DO4事件緩慢開始的特征，指示了東亞夏季風(fēng)逐漸增強(qiáng)。然而，北高緯格陵蘭GICC05年層計(jì)數(shù)時(shí)標(biāo)的NGRIP冰芯δ18O 記錄快速升溫(60 yr)，已發(fā)表的湖北神農(nóng)架青天洞(王權(quán)等，2017)和三寶洞、貴州大石包洞、霧露洞(Zhaoetal.， 2010)石筍δ18O 記錄分別在59 yr、69 yr、56 yr、51 yr內(nèi)快速進(jìn)入DO4事件。位于中國東南地區(qū)仙云洞石筍δ18O 記錄的DO4事件與較高緯度的地質(zhì)記錄呈現(xiàn)出不一致的變化特征，這可能說明中國東南地區(qū)仙云洞石筍δ18O 記錄還受到來自北高緯之外因素的影響。最近，崔夢月等(2018)基于仙云洞與其他亞洲季風(fēng)區(qū)石筍記錄和北高緯記錄對比發(fā)現(xiàn)，仙云洞記錄的新仙女木事件與靠近熱帶西太平洋的菲律賓Palawan洞穴石筍(Partinetal.， 2015)具有明顯的緩變特征。Partin等(2015)根據(jù)模型模擬認(rèn)為，受熱帶西太平洋水文過程影響的低緯地區(qū)相較于受海冰影響的高緯地區(qū)在應(yīng)對氣候突變的時(shí)間上歷時(shí)更長。中國南海鉆孔記錄(Oppo and Sun，2005)表明，位于低緯熱帶西太平洋的中國南海在DO4事件時(shí)期表現(xiàn)為緩慢增溫的過程。因此，推斷受熱帶低緯海氣耦合影響，位于中國東南地區(qū)的仙云洞石筍記錄在DO4事件開始階段表現(xiàn)為緩變特征。

a—格陵蘭NGRIP δ18O 記錄(Rasmussen et al.， 2008)；b—仙云洞 δ18O 記錄；c—阿拉伯海海盆反照率記錄(Deplazes et al.， 2013)?；疑€為三點(diǎn)平滑數(shù)據(jù)，紅色和棕色曲線為原始數(shù)據(jù)；紅色誤差棒為石筍的測年點(diǎn)及誤差(±2σ)圖 5 福建龍巖仙云洞石筍 δ18O 記錄與高低緯氣候記錄對比Fig.5 Comparison of δ18O record from Xianyun Cave in Longyan City of Fujian Province，and high-low latitude climate records

5.2 DO4事件亞旋回結(jié)構(gòu)

高精度定年和高分辨率的仙云洞石筍δ18O 記錄清晰捕捉到DO4事件內(nèi)部及附近具有一系列百年至十年際尺度旋回事件，振幅為0.2‰～0.5‰(圖 5-b)。仙云洞石筍記錄和反映極地溫度變化的格陵蘭NGRIP冰芯δ18O 記錄(Rasmussenetal.， 2008；Svenssonetal.， 2006)以及指示赤道輻合帶(ITCZ)平均位置的阿拉伯海海盆反照率記錄(Deplazesetal.， 2013)對比發(fā)現(xiàn)，仙云洞石筍記錄與格陵蘭溫度變化和ITCZ位置在百年至十年際尺度事件上存在緊密的關(guān)系。仙云洞石筍δ18O 記錄在典型的DO4事件內(nèi)部存在2個(gè)百年至十年際尺度事件(圖 5-b)，與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O 記錄(圖 5-a)、阿拉伯海海盆反照率記錄(圖 5-c)一一對應(yīng)。另外，在DO4事件向DO3事件過渡階段存在數(shù)次百年至十年際尺度事件，與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O 記錄、阿拉伯海海盆反照率記錄同樣對應(yīng)。前人研究認(rèn)為亞洲季風(fēng)區(qū)石筍記錄和極地溫度變化與ITCZ位置移動在DO事件的亞旋回階段上存在緊密耦合(Liuetal.， 2010；何堯啟和姜修洋，2012；王曉艷等，2015)。其可能的機(jī)制是北高緯冰量的變化引起了北大西洋地區(qū)淡水注入的變化，進(jìn)而使北大西洋經(jīng)向環(huán)流(AMOC)減弱(增強(qiáng))(Rahmstorf，2002)，亞洲冬季風(fēng)增強(qiáng)(減弱)，ITCZ位置南移(北移)(Deplazesetal.， 2013)，東亞夏季風(fēng)(EASM)減弱(增強(qiáng))，石筍δ18O 偏正(偏負(fù))。

6 結(jié)論

基于高分辨率福建仙云洞石筍記錄的DO4事件分析，初步得出以下結(jié)論：

1)仙云洞XYⅢ-28石筍記錄的DO4事件起止年齡分別為28.83±0.06ikyriB.P.、28.46±0.06ikyriB.P.，持續(xù)時(shí)間為0.37±0.06ikyr。仙云洞石筍記錄的DO4事件最為顯著的特征是在開始階段(28.83～28.68ikyriB.P.)的145±60iyr內(nèi)緩慢偏負(fù)0.4‰。相比基于GICC05年層計(jì)數(shù)時(shí)標(biāo)的格陵蘭NGRIP冰芯δ18O 記錄的DO4事件開始時(shí)間(60iyr)要長的多。

2)仙云洞XYⅢ-28石筍δ18O 記錄揭示出在DO4事件內(nèi)部及附近存在一系列百年至十年際尺度的季風(fēng)增強(qiáng)事件，與格陵蘭NGRIP冰芯δ18O 記錄、阿拉伯海海盆反照率記錄的DO4事件內(nèi)部及附近的百年至十年際尺度事件在定年誤差范圍內(nèi)相對應(yīng)，表明東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度與極地溫度變化和ITCZ位置移動存在緊密的聯(lián)系。

致謝感謝臺灣大學(xué)沈川洲教授在定年上提供的幫助。