更新世以來，石筍、冰芯記錄的氣候變化及驅(qū)動機制研究

張銀環(huán)++任曉鳳++黃帆

摘 要：格陵蘭冰芯和北大西洋沉積揭示了25 ka至今存在著一系列的冷暖突變由于這些氣候突變事件變化速度快，溫度振幅大引起了全球古氣候?qū)W家的關(guān)注。本文對格陵蘭冰芯近25 ka以來δ18O的變化曲線與石筍記錄進行了對比，對比結(jié)果顯示，石筍記錄和冰芯記錄中都揭示了東亞夏季風降水史中的Heinrich事件和YD事件，兩者有著很好的對比關(guān)系，但也不排除兩者存在著一定的差別，主要原因可能由于石筍的生長環(huán)境與冰芯的形成背景有著一定的差異性，導(dǎo)致兩折限時的記錄也存在一定的差異，特別是在時間上，存在了2000多年的事件差距。

關(guān)鍵詞：石筍 Heinrich事件 YD 驅(qū)動機制

中圖分類號：P444 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（b）-0121-01

近年來，全球變暖問題及極端天氣事件頻發(fā)越來越受到社會的關(guān)注。氣候的變化導(dǎo)致了地球表層的環(huán)境也隨之發(fā)生變化，如海平面的變化，植被的更替，地形地貌的變化等。全球氣候變化已經(jīng)是一個無法忽視的問題。一系列氣候會議在全球各地就行。2012年11月27號到12月7號聯(lián)合國氣候變化會議在卡塔爾多哈舉行。2013年4月29號聯(lián)合國氣候變化新協(xié)議在德國波恩開始實質(zhì)性談判，在減緩和適應(yīng)氣候變化問題上開展了工作。全球變暖、極端天氣事件的頻發(fā)對人類的生活環(huán)境及生產(chǎn)生活產(chǎn)生的影響很大。過去幾十年來，許多科學(xué)家分別利用沉積巖、深海沉積物、冰川、冰芯、洞穴石筍等載體來研究全新世氣候與環(huán)境，取得了豐碩的成果。了解過去的氣候變的原因過程和結(jié)果，以及討論其機制，對于我們認識氣候的變化有著很重要的影響，更新世以來，氣候突變事件時有發(fā)生，如HeinriCh事件、BA暖期、D-O旋回、YD事件、8.2 ka冷事件、中世紀暖期與小冰期以及20世紀變暖等等。洞穴沉積物由于對外部氣候環(huán)境變化非常敏感，能有效地記錄古氣候變化，時間跨度較大，代用指標豐富等優(yōu)勢，成為近十幾年來最有價值的氣候歷史載體，受到研究者的高度關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者都利用洞穴沉（堆）積物及其所含化石恢復(fù)古氣候變遷，例如利用石筍的同位素組成重建古環(huán)境、利用洞穴土壤中富含的孢子花粉來恢復(fù)古氣候等。

1 石筍石筍古環(huán)境重建的原理

不同的地質(zhì)載體采用不同的測年方法：對新冰芯采用數(shù)年層方法，對較老冰芯則采取冰流動模型方法計算年齡，但誤差較大；對黃土和深海沉積物則通過古地磁測年；對珊瑚采用U系絕對年齡測試等。在石筍古氣候重建中，主要是運用地球化學(xué)的知識。石筍是洞穴碳酸鈣滴石類的一種典型形態(tài)，主要是含有飽和CaCO3的溶液滲入洞穴后，經(jīng)洞頂裂隙滲水滴落在洞底或其他沉積物上形成極薄水膜，由于溶液中CO2分壓遠高于洞內(nèi)大氣CO2分壓，溶液中的CO2逸出或水分蒸發(fā)導(dǎo)致CaCO3過飽和而析出沉淀：2HCO3-+Ca2+→CaCO3+CO2↓+H2O↑。在這個過程中，氣候、環(huán)境變化作為信號輸入端，石筍氣候、環(huán)境替代指標的變化作為信號輸出端，滴水是整個信號傳輸過程的載體和動力。對石筍的氣候、環(huán)境替代指標進行分析可以還原氣候、環(huán)境的變化。即石筍在同位素平衡分餾狀態(tài)下沉積，可以作為反映氣候和環(huán)境變化的指標。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近幾年來，人們對于是筍的研究越來越多，利用了很多的代用指標，如溫層，穩(wěn)定同位素，微層等等，研究出了很多成果。但是利用石筍重建古氣候主要是通過對其中所含的同位素進行分析即對碳氧同位素進行研究，其中碳同位素研究由于受區(qū)域因素的影響很大，其指代意義至今爭議很大。然而你氧同位素研究最為最為成熟。

但現(xiàn)在關(guān)于氧同位素的指代意義也是有爭議的，主要的爭議一般分為兩種，一種是認為氧同位素指示意義是降水量效應(yīng)，即季風強勢是，降水量越大，氧同位素的值越偏負；季風減弱時，降水量越大，氧同位素的值越偏負。國內(nèi)外許多學(xué)者的研究結(jié)果證實了這種說法。另一種說法認為氧同位素的環(huán)境指代意義為水汽來源的反應(yīng)，以亞洲季風區(qū)為例，亞洲季風區(qū)主要受印度洋水汽和西太平洋水汽的影響，一般認為氧同位素越偏負，指示的水汽來源很遠子，在長距離的運移過程中發(fā)現(xiàn)多次的蒸發(fā)，下降，因此，重的氧同位素在這個過程中不斷的下降，輕的氧同位素不斷的聚集；氧同位素越偏正，指示的水汽來源很近，因此，重的氧同位素在這個過程中下降的并不多就到達了目的地。近十幾年來，多數(shù)學(xué)者對對中國季風區(qū)研究，一般認為氧同位素指示意義是季風的強弱及降水量效應(yīng)。

Winograd對魔鬼洞石筍研究認為，MIS5開始的時間與海洋和南極冰芯紀錄不同，認為時間為147±3ka；依此，更新世氣候的變化主要驅(qū)動機制與軌道因素無關(guān)（2001）。McDermott通過對Crag洞石筍，表明早全新世時段，氣候的變化在北大西洋和GRIP冰芯記錄具有區(qū)域一致性的特點。Fleitmann研究Q5石筍認為在全新世期間，季風區(qū)的降水量與格陵蘭冰芯記錄變化相似，認為該時間段內(nèi)，季風的強弱與格陵蘭冰蓋的變化有關(guān)，冰蓋變大時，反射率加大，氣候變冷，季風隨之減弱；冰蓋變小時，氣候變暖，季風隨之增強；wang等研究巴西石筍認為自210 ka來，該區(qū)的濕潤氣候記錄與其他氣候記錄一致，認為是熱帶復(fù)合帶的南北移動影響，向南移動導(dǎo)致海洋大氣系統(tǒng)快速重新組合有關(guān)（2004）。楊琰（2009）等通過對貴州衙門洞Y1石筍研究，重建了西南地區(qū)末次冰消期至全新世早期（16.2～7.3 ka BP）平均分辨率達9a的亞洲夏季風演化特征。Yuan研究董哥洞與葫蘆洞石筍認為16萬年以來亞洲季風變化一致，反映了氣候系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)（2004）。Wang等（2010）根據(jù)6根來自湖北山寶洞的石筍探討全新世東亞季風的變化過程，指出全新世季風變化分為4個明顯階段，支持ITCZ的變化改變了地位地區(qū)季風強弱的變化。

本文著重sofula cave石筍記錄與冰芯記錄進行對比，分析2.5萬年以來氣候變化及驅(qū)動機制。

3 更新世以來石筍記錄研究endprint

Wang研究葫蘆洞石筍認為δ18O 與GRIP冰芯中氧同位素記錄的D-O事件有關(guān)。研究結(jié)果與覃嘉銘研究結(jié)果相同，認為氧同位素響應(yīng)了降水量的變化，即冬/夏降水比率的變化。這為亞洲季風區(qū)降水強弱和格陵蘭溫度的變化之間見了聯(lián)系。

汪永進等人探究南京湯山的石筍，建立了末次冰期中晚期（5.4～1.9 kaBP）中國東部古氣候變化序列，發(fā)現(xiàn)了在該時段內(nèi)，亞洲季風活動區(qū)域氣候變化具有D-O旋回，記錄與格陵蘭冰芯相似，不同主要表現(xiàn)在，干冷的變化趨勢上，中國季風區(qū)干冷的變化比它們明顯，且相位差在1～2ka，認為可能主要與青藏高原季風強弱有關(guān)。

通過對比（圖2）可以很明顯的看出，石筍記錄與冰芯記錄有著很好的相關(guān)性和同步性，最典型的就是在10～11.5ka之間δ18O出現(xiàn)了明顯的偏負情況，說明這一段時期氣候急劇轉(zhuǎn)冷，雖然九仙洞的石筍記錄有所中斷，但是從其變化趨勢和他兩根石筍的變化趨勢有一定的相似性，再從GISP2的記錄來看，在此期間冰心的δ18O也出現(xiàn)了急劇的偏負狀況。初步分析，可能是此期間氣候轉(zhuǎn)冷，而對應(yīng)的地質(zhì)歷史時期，在11～10kaBP之間發(fā)生了一次氣候急劇轉(zhuǎn)冷的事件，被稱作新仙女木事件（YD），所以，石筍和冰芯記錄也恰恰顯示出了這一紀錄。YD是末次冰期向全新世過渡的急劇升溫過程中最后一次快速降溫變冷事件，以北大西洋和格陵蘭地區(qū)表現(xiàn)最為強烈。但是對于新仙女木的驅(qū)動機制之間有很多的說法，不同的學(xué)者有不同的看法，Mercer認為由于北極冰蓋坍塌的冰塊匯聚到一起影響產(chǎn)生的，這個說法被許多學(xué)者的證明，其中Ruddiman利用深海巖心數(shù)據(jù)證明了該說法。楊懷仁研究發(fā)現(xiàn)，YD時期歐洲北美地區(qū)急劇降溫與大陸冰蓋在消融過程中卻出現(xiàn)了短暫的擴張有關(guān)。Broecker認為是由于北極地區(qū)冰川融化，大量的淡水進入海洋，導(dǎo)致了北大西洋環(huán)流發(fā)生變化，即溫鹽環(huán)流發(fā)生了變化，循環(huán)的減慢甚至是停止導(dǎo)致該事件發(fā)生。目前對新仙女木事件比較流行的解釋認為與北大西洋溫鹽環(huán)流變化有關(guān)。

圖2顯示，在15～17ka之間，三個石筍的記錄再一次出現(xiàn)偏負的趨勢，其中九仙洞的C996-1石筍，δ18O記錄表現(xiàn)的最為強烈；sofular cave的δ18O記錄也呈現(xiàn)出了一定的偏負狀況，但沒有九仙洞表現(xiàn)的明顯，可能是由于該洞穴位于亞洲中部地區(qū)，受北大西洋環(huán)流的影響比較弱；Jerusalem West Cave 位于31。47N，35。9E，靠近地中海，其δ18O記錄也偏負，分析可能是由于在冷期受西風帶的控制再加上地中海的影響。從冰芯記錄也可以明顯的看出這一時段，其后明顯轉(zhuǎn)冷，而對應(yīng)的地質(zhì)歷史時期中，在距今16.8kaB.P.發(fā)生了H1事件。Heinrich事件以北大西洋發(fā)生大規(guī)模冰川漂移事件為標志，代表大規(guī)模冰山涌進的氣候效應(yīng)而產(chǎn)生的快速變冷事件.總共分為了六次，而本文所探討的這一時段剛好處于H1時間的時間區(qū)間。在中國黃土和北美湖泊巖心等北半球的地質(zhì)記錄中均發(fā)現(xiàn)了該時期記錄，說明該事件是北半球普遍發(fā)生的氣候振蕩事件。

對于Heinrich事件的控制因素的解釋與YD事件產(chǎn)生的驅(qū)動機制相同，認為冰蓋融化，淡水涌入海洋，海水溫度和鹽度均發(fā)生了大的改變，致使環(huán)流變化，致使北大西洋地區(qū)變冷。

參考文獻

[1] Fairchild I J， Claire L S， Andy B， et al. Modification and preservation of environmentalsignals in speleothems. Earth-Science Reviews， 2006， 75： 105-153.

[2] Thompson L G， Yao T， Davis M E， et al. Tropical climate instability： The last glacial cyclefrom a Qinghai-Tibetan ice core. Science， 1997， 276： 1821-1825.

[3] Wang Y J， Cheng H， Edwards R L， et al. A high-resolution absolute-dated Late Pleistocenemonsoon record from Hulu Cave， China. Science， 2001， 294： 2345-2348.

[4] Yuan D， Cheng H， Edwards R L. Timing， duration and transitions of the last interglacial Asian monsoon. Science， 2004， 304： 575-578.

[5] 楊琰，袁道先，程海，等.末次冰消期亞洲季風突變事件的精確定年：以貴州衙門洞石筍為例[J].中國科學(xué)，2010，40，199-210.

[6] 王建力，何瀟，王昕亞，等.重慶金佛山石筍的同位素年齡和古氣候信息[J].中國巖溶，2005，24：265-269.

[7] 明艷芳.末次冰消期東亞夏季風突變性的石筍年紋層記錄[J].南京師大學(xué)報， 2003，26：95-105.

[8] Wang X f，Auler A S，Edwards R L， et al.Wet periods in northeastern Brazil over the past210 kyr linked to distant climate anomalies.Nature，2004，432：740-743.

[9] Fleitmann D， Burns S J，Mudelsee M， et al. Holocene Forcing of the Indian Monsoon Recorded in a Stalagmite from Southern Oman.Science，2003，300： 1737-1739.

[10] Beck J W，Richards D A，Edwards R L，et al.Extremely Large Variations of Atmospheric 14C Concentration During the Last Glacial Period.Science，2001，292：2453.endprint