閩西仙云洞石筍記錄的Heinrich2事件年齡及亞旋回特征

車印平，肖海燕，崔夢月，姜修洋,2，蔡炳貴,2

1.福建師范大學地理科學學院，濕潤亞熱帶生態地理過程教育部重點實驗室，福州 350007 2.福建師范大學地理研究所，福州 350007

0 引言

末次盛冰期(The Last Glacial Maximum，簡稱為LGM)是地球氣候歷史上的最后一個最大冰川時期[1]，一直以來都是古氣候研究的熱點問題。Heinrich2突變事件(簡稱H2事件)正是形成于LGM中一次典型的陸源冰漂碎屑層事件，時間大約在25～24 kyr B.P.[2]。H2事件發生時，北大西洋深海沉積物中冰漂碎屑層比值上升[3-4]，北大西洋及格陵蘭地區溫度下降、海冰范圍增加[5-6]，北大西洋經向翻轉環流(AMOC)減弱[7-8]，東亞夏季風(EASM)減弱[9]，熱帶輻合帶(ITCZ)向南推移[10]，熱帶美洲降水減少[11]。與北半球變冷變干相反的是，南極變暖[12]，南美夏季風增強[13-14]。盡管全球眾多記錄對H2事件都有記載，但受限于定年精度和樣品分辨率等原因，目前對于H2事件的起止時間還存在一定差異[11]。深海沉積物由于沉積速率較慢，給出H2事件的發生時間大致在25～24 kyr B.P.[2]。高精度定年的伊比利亞半島邊緣SU818鉆孔多指標解析，認為H2事件所對應的冰漂碎屑層峰值的發生時間為23.5 kyr B.P.[15]。遺憾的是，具有年層時標的格陵蘭冰芯NGRIP在H2事件時δ18O記錄變化特征并不明顯[16]。

具有高精度U系定年的石筍記錄能標定H2事件的年齡。在亞洲季風區石筍記錄中，葫蘆洞[9]、天鵝洞[17]、霧露洞[18-19]、萬象洞[20]、羊口洞[21]、永興洞[22]都記錄了H2事件，但對H2事件的發生時間略有差異。對于H2事件內部突變過程的認識存在不同。葫蘆洞石筍記錄的H2事件呈現“V”型結構特征[9]。永興洞[22]、天鵝洞[17]、霧露洞[18-19]石筍記錄則表現為“突然偏正，緩慢偏負”的特征。萬象洞和金灣灘洞[20]石筍記錄則表現出緩慢偏正的過程。上述差異可能是由于定年精度和樣品分辨率不同引起的，或者是不同氣候區的氣候記錄載體對H2事件的響應不同。此外，陳仕濤等[17]、趙侃等[18]、吳秀平等[20]通過對比H2事件和H1事件，提出H事件內部具有復雜的亞旋回變化特征。

本文選取位于我國東南部典型東亞季風區的福建西部仙云洞一支石筍(XYⅢ-28)，利用 9個U/Th年齡和301個δ18O數據結果，重建了我國東南地區26.33～22.98 kyr B.P.期間平均分辨率為11 yr的東亞夏季風演化序列。通過與已有的南北半球高低緯古氣候記錄對比，探討H2事件的起止時間和內部變化過程。

1 材料和方法

仙云洞(116°59′ E，25°33′ N，海拔970 m)位于福建省連城縣賴源鄉(圖1)，溶洞發育于二疊系棲霞組石灰巖中[23]。洞穴為三層階狀廊道式溶洞，洞穴封閉性較好，洞內實測相對濕度接近100%(2016年6—8月測)。仙云洞位于典型的濕潤亞熱帶季風氣候區，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤。年平均氣溫為19.3 ℃，最高氣溫出現在7月份，最低氣溫出現在1月份。洞內實測溫度為17.5 ℃，與洞外年均溫較為接近。洞穴上覆植被為亞熱帶常綠闊葉林。連城縣年平均降水量為1 500～1 700 mm，夏半年(4—10月)降水量超過全年降水的80%，并且該地降水δ18O受到東亞夏季風的強烈影響，夏季偏輕，冬季偏重，即當夏季風強盛時，大氣降水δ18O值明顯負偏，反之則偏正。

XYⅢ-28石筍采自于該洞穴底部，總長為760 mm，頂部直徑約為70 mm，底部直徑約為90 mm。沿著石筍生長軸切開并拋光，拋光面呈白色和透明色相間分布(圖2)。距頂部305 mm處存在一個風化層面，有可能為沉積間斷。

選擇XYⅢ-28石筍0～308 mm層段，在拋光面上，用直徑0.9 mm的牙鉆共取得9個石筍粉末樣品用于U/Th定年，分析儀器為MC-ICP-MS Neptune，在臺灣大學地質系高精度質譜與環境變遷實驗室(HISPEC)測試完成，年齡分析誤差為±2σ，方法參照Shenetal.[24]。沿石筍生長中軸線采用0.5 mm鉆頭以1 mm為平均間隔共采集301個石筍粉末樣品用于氧同位素分析，采用連續流Gasbench裝置與Finnigan MAT-253型質譜儀聯機測試，每9個樣品加測一個標準樣品(NBS-19)，結果以δ18O(‰，VPDB)表示，計算公式為δ18O=[(18O/16O樣品)/(18O/16O標準)-1]×1 000，分析誤差(±2σ)優于0.06‰，在福建師范大學同位素實驗室測試完成。

圖1 仙云洞地理位置圖紅色五角星表示仙云洞位置，黑色五角星分別表示葫蘆洞、永興洞、天鵝洞和霧露洞位置；藍色虛線箭頭分別表示東亞夏季風、印度夏季風和冬季風Fig.1 Location of Xianyun Cave The red star indicates the position of Xianyun Cave, and the black stars indicate the positions of Hulu Cave, Yongxing Cave, Swan Cave, and Wulu Cave, respectively; the blue dotted arrows indicate the East Asian summer monsoon, Indian summer monsoon and winter monsoon, respectively

圖2 仙云洞XYⅢ-28石筍拋光面圖黑色線段表示測年點，黑色虛線表示沉積間斷，49～127 mm表示H2事件突變過程層段Fig.2 Photo for sample XYⅢ-28 from Xianyun Cave, Southeast ChinaThe black rectangles indicate the positions of dated sub-samples. The black dotted lines instruct the positions of discontinuity. 49-127 mm represents the layer of the H2 abrupt climate changes

2 結果

2.1 XYⅢ-28石筍在0～308 mm層段年齡模式

定年結果顯示，該石筍238U含量高((6.1～13)mg/L)，232Th含量低((0.05～0.2) μg/L)，定年精度高，均優于0.5%；在距頂部302～305 mm確為一沉積間斷，石筍停止生長時間約為1.61 kyr，本文主要分析此沉積間斷面以上至頂部層段(0～301 mm)。基于230Th測年線性內插和外推法，XYⅢ-28石筍沉積時段為26.33～22.98 kyr B.P.(圖3、表1)。誤差在±53～±76 yr之間，僅有一個誤差較大(±107 yr)。在301～147 mm層段，生長速率為0.07 mm/yr；在147 mm以上層段，石筍生長速率相對較快，約0.11 mm/yr。

圖3 仙云洞石筍XYⅢ-28年齡—深度曲線圖誤差棒表示石筍230Th測年點及測年誤差(±2σ)Fig.3 XYⅢ-28 230Th dating-depth model Error bars represent the 230Th dating points and dating errors (±2σ)

樣品號238U/(μg/L)232Th/(ng/L)230Th/238U(活度比)δ234U(測量值)234U初始值(校正值)230Th年齡(yr,未校正值) 230Th年齡(yr B.P.,校正值)XYIII-28-511 584±23148±90.438 2±0.001 61 259.9±5.01 344.6 ±5.323 044±10722 976±107XYIII-28-4111 270±1481±70.450 7±0.000 81 289.9±3.41 378.1±3.7 23 417±6023 350±60XYIII-28-6511 063±1673±110.453 6±0.000 81 288.5±4.11 377.2±4.4 23 601±6623 533±66XYIII-28-1238 008±10158±100.453 9±0.000 71 245.0±3.01 332.7±3.2 24 128±5524 060±55XYIII-28-14713 017±16129±110.458 5±0.000 71 251.0±3.21 339.9±3.4 24 324±5724 257±57XYIII-28-2036 171±18201±90.476 1±0.000 81 268.2±2.91 361.4±3.2 25 139±5825 071±58XYIII-28-25011 920±1878±90.486 1±0.001 01 266.2±3.81 361.7±4.1 25 747±7625 680±76XYIII-28-3009 815±15143±80.498 7±0.000 91 272.5±4.11 370.9±4.4 26 401±7626 334±76XYIII-28-30811 702±1252±110.527 4±0.000 71 278.6±2.61 383.8±2.8 28 008±5527 941±55

注：λ230=9.157 7×10-6yr-1；λ234=2.826 3×10-6yr-1；λ238=1.551 25×10-10yr-1；δ234U=[(234U/238U)活度比-1]×1 000；δ234U初始值是根據鈾釷年齡獲得，即δ234U初始值=δ234U測量值×eλ234×T；校正鈾釷年齡假設初始的230Th/232Th原子比為(4±2)×10-6。yr B.P.為相對于公元1950年。

圖4 H2事件突變階段不同洞穴記錄對比a. 葫蘆洞δ18O記錄[9]；b. 永興洞δ18O記錄[22]；c. 天鵝洞δ18O記錄[17]；d. 霧露洞δ18O記錄[18-19]；e.仙云洞δ18O記錄；不同顏色誤差棒為石筍記錄的測年點及誤差(±2σ)；虛線表示各記錄H2事件開始和結束；灰色矩形框為H2事件內部的百年至十年尺度弱季風事件Fig.4 Comparison of δ18O records of different caves in Heinrich Event 2a. Hulu δ18O record；b.Yongxing δ18O record；c. Swan δ18O record；d. Wulu δ18O record；e.Xianyun δ18O record (this study). 230Th ages and errors are color-coded by cave. The dotted lines indicate the onset and end in H2; the gray bars represents centenary-decade scale event of the internal H2

2.2 XYⅢ-28石筍δ18O記錄變化特征

XYⅢ-28石筍在 0～301 mm層段的δ18O記錄隨時間變化序列如圖4所示，平均分辨率為11 yr。在26.33～24.09 kyr B.P.時段，石筍δ18O整體相對偏負，在-6.2‰～-7.3‰之間波動，平均值為-6.8‰；在24.09～23.39 kyr B.P.時期，石筍δ18O快速正偏，變化范圍為-6.1‰～-6.8‰，振幅達0.7‰，為H2突變事件，內部表現為“兩谷一峰”特征；在23.39～22.92 kyr B.P.時段，石筍δ18O整體相對偏負，在-6.2‰～-7.1‰之間波動，平均值為-6.7‰。

3 討論

3.1 仙云洞石筍δ18O記錄的指示意義

近20年的石筍研究表明，亞洲季風區石筍δ18O所指示的氣候意義各有不同。主要存在以下幾種認識：1)石筍δ18O記錄表示冬/夏降水比率變化[9]；2)指代熱帶印度洋—太平洋和洞穴地點之間氣團在運移過程的水汽剩余比[25]；3)反映受控于亞洲季風強度變化的大氣降水量變化[26-27]；4)指代印度季風強度變化而不是東亞季風降水量[28]；5)石筍δ18O記錄反映的不是季風降水量變化，而是水汽源變化[29]；6)石筍δ18O記錄主要反映了遠近水汽源份額變化，即“環流效應”[30]。

盡管存在上述爭議，但東亞季風區內各洞穴石筍δ18O記錄在軌道—千年尺度具有大范圍的區域一致性，說明該區石筍δ18O記錄最可能是反映夏季風強度[31-32]，具有全球性意義。最近，Chengetal.[33]指出東亞季風區石筍δ18O值的變化一般指示平均氣候狀態下夏季風強度變化，即δ18O值偏正指示夏季風減弱，反之則相反。此解釋也得到模型研究結果的支持[34]。與已發表的東亞季風區葫蘆洞[9]、永興洞[22]、天鵝洞[17]、霧露洞[18-19]石筍δ18O記錄比較發現，該區域各洞穴石筍δ18O記錄在H2事件上表現出整體一致的偏正特征。仙云洞與葫蘆洞、永興洞、天鵝洞、霧露洞石筍δ18O記錄整體一致的證據說明，同位于東亞季風區的仙云洞石筍δ18O記錄在千年尺度氣候事件上指示了季風強度變化，即季風越強，石筍δ18O越偏負，反之則偏正。

3.2 H2事件年齡

東亞季風區石筍記錄在H2時段具有整體一致性，表明東亞季風區石筍記錄響應于共同的驅動因素，但在細節上還有一定的差異。已發表的葫蘆洞[9]、永興洞[22]、天鵝洞[17]和霧露洞[18-19]記錄分別在24.5～23.5 kyr B.P.、24.3～23.3 kyr B.P.、24.3～23.5 kyr B.P.和24.3～23.6 kyr B.P.明顯偏正，持續時間分別約為1.0 kyr、1.0 kyr、0.8 kyr和0.7 kyr，對應于H2突變事件(圖4)。永興洞、天鵝洞和霧露洞記錄開始時間相同，表現為突變開始的特征；葫蘆洞記錄比其他洞穴記錄開始時間早約200 yr，持續時間比天鵝洞和霧露洞記錄明顯更長。如圖4所示，在H2事件期間及前后時段，葫蘆洞石筍記錄僅有1個定年點，測年誤差為±100 yr；永興洞石筍記錄提供有2個定年點，測年誤差為±120 yr；天鵝洞記錄提供了3個定年點，測年誤差在±220～±335 yr之間，平均誤差為±278 yr，定年誤差相對較大；霧露洞記錄有3個定年點，誤差在±99～±221 yr之間，平均誤差為±186 yr。在測年誤差范圍內，已有的亞洲季風區石筍記錄由于定年精度和樣品分辨率不同，使得H2事件的起止時間和持續時間仍有一定差異。

本文重建的高分辨率仙云洞石筍δ18O記錄在24.09～23.39 kyr B.P.時段整體正偏，振幅為0.7‰，對應于H2突變事件。仙云洞記錄在H2事件的起止時間上分別提供了2個定年點，誤差在±55～±66 yr之間，平均誤差約為±60 yr，測年誤差較小。根據突變事件主要變化過程中間點的位置可以標定仙云洞石筍記錄H2事件的起止時間分別為24.09±0.06 kyr B.P.、23.39±0.07 kyr B.P.，持續時間為0.69±0.06 kyr。因此，我們認為具有高精度定年和高分辨率的仙云洞石筍記錄更為精確的標定了H2突變事件。

3.3 H2事件亞旋回特征

在H2事件期間，高分辨率的仙云洞石筍δ18O記錄整體呈現出“兩谷一峰”結構(圖4)。在24.09～23.87 kyr B.P.時期，石筍δ18O值平均值為-6.3‰，相對整體偏正，為H2事件內部的百年至十年尺度的弱季風事件；在23.87～23.64 kyr B.P.時段，石筍δ18O值平均值為-6.6‰，相對整體偏負，為H2事件內部的百年至十年尺度的強季風事件；在23.64～23.50 kyr B.P.時期，石筍δ18O值平均值為-6.4‰，相對整體偏正，為H2事件內部的百年至十年尺度的弱季風事件。

由圖4可見，H2事件期間的這種亞旋回特征在霧露洞也略有體現，但并不如仙云洞石筍記錄清晰。天鵝洞石筍記錄則在H2事件內部呈現波動振蕩的亞旋回特征。永興洞和葫蘆洞由于樣品分辨率的原因，沒有記錄到這些亞旋回事件。研究發現，仙云洞石筍記錄H2事件內部的百年至十年際尺度的氣候振蕩特征在H1事件[35-36]、新仙女木事件[37-39]以及小冰期[40-43]也同樣存在。這說明，在這些千年尺度極端變冷事件的內部也是不穩定的。前人研究表明，這種千年尺度氣候極端變冷事件內部百年至十年尺度不穩定的氣候事件有可能是在太陽活動的影響下[35,37-38]，使得北大西洋海冰異常、ITCZ南北移動[10]、全球大氣環流重組[44]、低緯度大氣環流顯著變化[9]、亞洲季風區水文變化異常[45]，從而使得這些千年尺度事件內部呈現出不穩定的變化特征。

3.4 高低緯記錄對比

先前的研究已表明，H2事件具有全球性特征，南北半球氣候呈現“see-saw”模式[13,46-47]。在百年至十年際尺度上，這種“see-saw”模式依然存在。格陵蘭冰芯GISP2 Ca2+(圖5a)[16]具有仙云洞石筍記錄(圖5b)類似地亞旋回特征。已有研究表明，格陵蘭冰芯GISP2 Ca2+在百年至十年尺度上指示了亞洲冬季風強度[18]。仙云洞石筍記錄與格陵蘭冰芯GISP2 Ca2+在百年至十年際尺度上具有很好的關聯性，即石筍δ18O增加對應于Ca2+離子濃度增加，反之則相反。這也說明在H2期間，東亞夏季風和冬季風呈反相位關系。仙云洞石筍記錄的H2事件期間2個百年至十年際尺度的弱季風事件同樣體現在反映熱帶美洲地區降水變化的高分辨率墨西哥石筍Itzamna記錄中(圖5c)，在23.7 kyr B.P.、24.1 kyr B.P.時期2個百年至十年際尺度的降水減弱事件[11]，與仙云洞石筍記錄的弱季風事件具有一致性。同時，指代ITCZ位置變化的Cariaco盆地反照率記錄(圖5d)顯示，ITCZ向南移動[10]，反映南美季風系統(SAMS)的高分辨率巴西南部石筍JAR-13 δ18O記錄(圖5e)在23.6 kyr B.P.前后則出現兩個偏負過程，南美夏季風增強[14]。南極冰芯EDML δ18O記錄(圖5f)顯示，在H2期間呈現兩個階段的溫度升高過程[12]。南北半球高分辨率古氣候記錄表現為反相位特征，即“see-saw”模式。

圖5 仙云洞石筍δ18O與高低緯氣候記錄對比a.格陵蘭GISP2 Ca2+記錄[16]；b.仙云洞δ18O記錄；c.墨西哥石筍δ18O記錄[11]；d. Cariaco盆地反照率記錄[10]；e.巴西石筍δ18O記錄[14]；f.南極冰芯EDML δ18O記錄[12]；不同顏色誤差棒為石筍的測年點及誤差 (±2σ)；灰色矩形框為H2事件內部的百年至十年尺度弱季風事件Fig.5 Comparison of δ18O records for Xianyun Cave and high-low latitude climate recordsa. GISP2 Ca2+ record; b. XYⅢ-28 δ18O record (this study); c. Itzamna δ18O record; d. sediment reflectance record from the Cariaco Basin; e. JAR-13 δ18O record; f. EDML δ18O record; 230Th ages and errors are color-coded by cave; the gray bars represents centenary-decade scale event of the internal H2

這種模式有可能是AMOC通過改變ITCZ位置和大氣環流來調節東亞季風和南美季風所形成的[47]：當AMOC偏強時，ITCZ位置北移，東亞夏季風環流增強，降水增多；此時，SAMS也隨之北移，南美夏季風偏弱，巴西南部則降水減少。反之，當AMOC偏弱時，ITCZ位置南移，南美夏季風偏強，巴西南部降水增多，東亞夏季風則偏弱，降水減少。

4 結論

(1) 基于福建西部仙云洞石筍(XYⅢ-28)9個U/Th年齡和301個氧同位素結果，建立了26.33～22.98 kyr B.P.期間平均分辨率為11 yr的東亞夏季風演化序列。石筍δ18O記錄最為顯著的特征在24.09～23.39 kyr B.P.時段偏正，振幅為0.7‰，對應于北大西洋顯著的 H2突變事件。根據主要變化過程中間點的位置可以標定H2事件的起止時間分別為24.09±0.06 kyr B.P.、23.39±0.07 kyr B.P.，H2事件的持續時間為0.69±0.06 kyr。

(2) XYⅢ-28石筍記錄在H2事件內部呈現出非常明顯的百年至十年尺度“兩谷一峰”結構的亞旋回特征，這種亞旋回特征在H1事件、新仙女木事件以及小冰期等內部同樣存在，表明這些千年尺度極端變冷事件的內部氣候變化也是不穩定的。仙云洞石筍記錄與高低緯古氣候記錄對比發現，H2時期南北半球呈現反相位關系，即“see-saw”模式。

致謝 感謝臺灣大學沈川洲教授在定年上提供的幫助。