倒數第三次冰消期氣候變化的石筍多指標分析

陳公哲　陳仕濤　劉笑　趙侃　王真軍　張振球　汪永進

關鍵詞 倒三冰消期；石筍；多指標；碳同位素；紋層生長直徑；巖性特征

第一作者簡介 陳公哲，男，2001年出生，本科，全球變化與區域響應，E-mail： cgznnu@163.com通信作者 陳仕濤，男，教授，全球變化與區域響應，E-mail： chenshitao@njnu.edu.cn

中圖分類號 P532 文獻標志碼 A

0 引言

晚第四紀被約100 ka的周期劃分為一系列冰期—間冰期旋回，并被許多氣候記錄所證實[1?3]。為深入理解氣候旋回中冰期向間冰期轉換（簡稱冰消期）的機制，需要借助高分辨率氣候信息載體對各個冰消期內部結構進行深入剖析[4]。倒數第三次冰消期（簡稱“倒三冰消期”）由于時段較老、測年精度與分辨率較低等原因，相對末次、倒二冰消期而言研究尚不夠充分。湖北省永興洞石筍以可靠的U/Th年齡、清晰的紋層重建了245 ka左右高分辨率δ18O氣候變化序列，在倒三冰消期發現了類似于末次冰消期的千年弱季風事件，簡稱“類YD事件”[5]。本研究將輔以石筍δ13C、紋層生長直徑、巖性等多種指標，以期進一步完善倒三冰消期氣候演變細節，揭示完整的環境演化信息，為氣候機制探索提供有力支撐。

近年來，石筍δ13C在重建局域生態環境演化過程中得到了進一步發展。印度Valmiki洞末次冰消期石筍氧碳同位素比對表明δ13C能夠反應局域植被變化，并與水文氣候條件存在密切聯系[6]；江西神農洞的兩支晚全新世石筍δ13C與微量元素序列表明δ13C主要反映了洞穴上覆植被的變化過程[7]；綜合比對石筍SN17和JL1的氧碳同位素記錄發現4.3～3.0 ka厄爾尼諾頻率發生改變，且δ13C指示的局域環境可能受水文氣候調控[8]。仍有諸多研究證明石筍δ13C能夠指示區域生態環境的演化過程，可以作為研究季風降水變化的輔助指標[9?10]。

石筍紋層由于能夠為更老時段的氣候研究給予精確的年代學支持[11]，同時還可以提供高分辨率氣候變化信息[12]，因此越來越引起關注。已有研究表明，石筍紋層作為一種常見的巖溶沉積形態，能夠響應于氣候和環境的變化[13]。這是因為，不同時期洞穴滴水條件的變化可能使石筍紋層形成明暗交替的沉積韻律[14]。相關指標中，石筍紋層類型[15]、厚度[16]、灰度[17]、沉積學特征[18]等指標已有了初步研究，但有關石筍紋層生長直徑的研究卻較少。其實，Franke[19]早在1965年就提出，石筍生長可能與當地的降水量之間存在著一定的關聯。石筍生長模擬研究結果也顯示石筍生長形態可能受到洞內溫度、滴水速率、CO2等因素的影響[20]。而紋層生長直徑作為石筍形貌學上的重要特征，理論上也能夠反映石筍發育狀況及其與降水的關系。例如，湖北清江和尚洞HS4石筍頂部35 cm的生長直徑與研究區的洪澇頻率存在相關性[21]，進一步說明石筍紋層生長直徑可以作為降水替代指標。

基于此，本文對一支采自湖北永興洞石筍（編號：YXB）進行碳同位素、石筍紋層生長直徑和巖性特征分析，重建倒三冰消期亞洲季風氣候變化序列，進一步豐富和完善對亞洲季風冰消過程特征和機制的認識。

1 研究區域、材料與方法

1.1 研究區域與洞穴概況

永興洞位于湖北神農架地區保康縣歇馬鎮東10 km 處（圖1a），其經緯度為31?35′3.7″ N，111?14′42.3″ E。該地區屬揚子準地層區的大巴山—大洪山分區，以山高、坡陡、谷深為主要特征，石灰巖分布廣泛，山勢峭拔。該地區屬于亞熱帶季風氣候，主要受亞熱帶氣候環流系統控制，大部分地區年霜期超過200天，且具高山氣候的特點[22]。

永興洞洞口海拔約800 m，洞穴發育在奧陶紀石灰巖地層中，上覆巖層厚約50 m，洞穴上覆植被茂盛，以多年生木本植物（C3）為主。2016年1—9月監測結果顯示，洞內溫度約穩定在14.3 ℃，相對濕度接近100%，洞穴環境穩定[23]。本研究使用的石筍YXB采于II號洞廳（圖1b）。前期研究已經表明石筍生長所依靠的洞穴滴水直接來自上部地表降水的下滲，無其他外緣水的混入，因此石筍能直接記錄洞穴上部的氣候和生態環境信息[24]。

1.2 材料與方法

石筍YXB長約403 mm，寬約110 mm，呈長柱狀，外層風化狀表皮為淺褐色，似覆蓋一層黏土薄膜。沿石筍生長軸切開后，發現石筍距離頂部40～403 mm的部分生長軸未發生較大偏移，表明滴水中心基本穩定，為本次研究的主要部分。其剖面上可見次毫米級層厚的紋層，清晰而平直，彎曲弧度小，因而有利于減小在直徑測定中產生的誤差。

通過進一步觀察，石筍YXB 40～403 mm的部分可以再細分為4 個小段（圖2）。其中：D 段（40～207 mm）中的石筍紋層生長直徑明顯較短，且以煙灰色透光紋層為主；B段（256～338 mm）與D段存在較為明顯的差別，主要表現在石筍紋層生長直徑較長，發育大量白色不透光紋層；而C 段（208～255 mm）、A段（339～403 mm）兩段的紋層生長直徑平均長度較D段大、但比B段小，煙灰色透光紋層和白色不透光紋層交替出現。

石筍YXB同位素樣品采集與測試由南京師范大學洞穴同位素實驗室完成，處理詳情見文獻[5]。石筍紋層生長直徑的測定采用Mu?oz-García et al.[25]提出的方法，即利用同一生長層上的頂面和左右兩邊的破發點限定碳酸鹽晶體的生長區域，從而確定紋層生長直徑。研究依據此方法使用游標卡尺，對YXB石筍的紋層生長直徑進行測量，結果保留兩位小數，分辨率為1 mm，最終共測得364個石筍紋層生長直徑數據。

2 結果

陳仕濤等[5]以U-Th測年結果為框架、紋層統計結果為基礎，結合石筍δ18O建立了倒三冰消期亞洲季風年紋層時標。此次研究進一步分析δ13C、石筍紋層生長直徑以及石筍巖性特征變化，并探究它們與δ18O的關系。考慮到該石筍頂部可能存在沉積間斷，本文主要對石筍40～403 mm連續生長部分進行分析。石筍YXB的δ13C、紋層生長直徑隨深度變化序列如圖3所示。

2.1 石筍δ13C 序列

整段記錄中石筍δ13C 的變化范圍是-9.83‰～-12.97‰，均值為-11.37‰，振幅為3.14‰。總體上，將石筍δ13C與δ18O進行比對，發現二者相關性較好，且均表現出逐漸負偏的趨勢。從細節對比看，石筍δ13C與δ18O在A、C、D段變化趨勢比較相似，而在B段存在差異。具體而言，A段δ13C圍繞-10.57‰震蕩，振幅是1.37‰，變化幅度較δ18O小；B段與δ18O正偏并圍繞一個均值上下波動不同，本段δ13C從-10.31‰變化到-12.18‰，持續負偏；C段δ13C從-11.46‰負偏到-12.79‰，變幅為1.33‰，與B段類似，因此從這個層面上講，δ13C在C和B中可以視為連續變化的一段；D 段δ13C 圍繞均值-12.17‰ 上下震蕩，變化幅度為1.91‰與A段類似。

2.2 石筍紋層生長直徑序列和巖性變化

整段記錄中YXB紋層生長直徑在3.88～8.14 cm內變化，均值是5.91 cm，并且其變化與石筍巖性密切相關，表現為白色不透光層的紋層生長直徑整體上長于煙灰色透光層的紋層生長直徑。相比δ13C，紋層生長直徑序列與δ18O 變化更相似，即δ18O 負偏時，YXB紋層生長直徑較短，而δ18O正偏時，YXB紋層生長直徑相對較長。具體而言，A段YXB紋層生長直徑變化與δ18O、δ13C類似，均值為5.77 cm，對應的巖性變化為一系列的煙灰色的透光層與白色的不透光紋層交替出現；B 段中石筍紋層生長直徑平均值為7.28 cm，為整個石筍紋層生長直徑最長的部分，變幅為1.86 cm，對應的巖性變化為白色的不透光紋層夾少量的透明層，響應δ18O同步變化，而與δ13C相關性不明顯，表明石筍紋層生長直徑所傳達的信號可能與δ18O存在聯系；C段紋層生長直徑變化趨勢與δ18O、δ13C一致，為轉型期，從7.61 cm變小到5.76 cm，其巖性與A段類似，夾雜兩種不同巖性的紋層；D段紋層生長直徑平均值是5.14 cm，且發育了大量煙灰色透光紋層，質地純凈，是整個記錄中紋層生長直徑最短的部分，與紋層生長直徑較長、以白色不透光紋層為主的B段形成鮮明對比，暗示這兩個階段的石筍生長狀況存在較大差異。

3 討論

石筍YXB生長覆蓋時段為241.00～245.70 ka，大致對應于倒三冰消期。和石筍ZLP2 δ18O記錄的末次冰消期氣候變化過程[26]類似：在北高緯夏季太陽輻射升高的背景下[27]，亞洲季風在倒三冰消期的245.70～245.20 ka進入一個季風增強階段，相當于末次冰消期的BA暖期，這里稱之為類BA暖期；隨著δ18O正偏進入明顯的季風減弱階段，持續了1 371±59 a，和末次冰消期的YD事件非常相似，這里稱為類YD事件；之后氣候經歷74±4 a轉型，δ18O負偏進入MIS 7e階段（圖4）。

3.1 δ13C 對氣候變化的響應

軌道尺度上，石筍YXB的δ18O、δ13C序列呈現大致相同的變化，伴隨北高緯夏季太陽輻射升高，δ13C與δ18O均經歷了較為明顯的負偏，表明δ13C響應了倒三冰消期氣候變化。諸多研究表明，石筍δ13C的變化主要反應在溫度降水等氣候因子控制下的局域植被、土壤和洞穴環境的狀況[28?29]。伴隨冰消過程的進行，趨于良好的水熱條件有利于C3植物發育，導致C3/C4植被類型比例增大，進而使δ13C負偏[30]。相比于寒冷干燥的環境，冰消期中局域植物發育狀況逐漸變好，密度增大、呼吸作用變強、土壤微生物更加活躍、生產率提高，導致土壤中pCO₂升高[31]，最終使得石筍δ13C偏負，上述結果也得到了盤龍洞石筍[32]和現代監測結果[33]的支持。此外，洞穴環境也能夠通過PCP作用、洞穴通風條件等因素影響石筍δ13C。尤其是在亞洲季風較弱、氣候相對干旱的條件下，裂隙中的巖溶水易達到飽和，使得CO₂逸出，發生先期沉淀，導致石筍δ13C增大[34]，這與YXB所記錄冰消期伊始δ13C偏正的結果是一致的。現代監測還發現洞穴通風狀況可以通過影響滴水中CO₂溢出速率使δ13C發生偏移[35]，但永興洞監測結果顯示本研究采樣區的洞穴環境較為穩定[23]，說明YXB的δ13C能夠反應較為純凈的環境演化信號。上述論述表明在軌道尺度上，YXB δ13C 指示的局域氣候和生態環境響應了冰消過程。

千年尺度上，發現石筍YXB的δ13C在倒三冰消期對δ18O記錄的類YD事件沒有明顯響應，而是呈現出持續負偏的狀態。可能是由于局域生態環境狀況對千年尺度氣候突變事件響應不敏感而導致的。軌道尺度冰期旋回產生的溫濕差異顯著，能夠使赤道太平洋海表溫差高達5 ℃[36]，尤其在大陸或中高緯地區溫差甚至更大，極有可能對生態環境狀況造成巨大影響[37]。相對而言，千年尺度上溫度、降水等氣候要素變幅較小，使得代表局地植被土壤狀況的δ13C指標對氣候的響應相對較弱。例如，同一洞穴石筍YX55記錄的末次冰期中，石筍δ13C雖然響應于δ18O指示的H事件和DO旋回，碳同位素的波動幅度普遍較小[17]。特別是在YXB記錄的冰消過程中，盡管δ18O顯示在類YD事件內東亞季風衰弱，但在倒三冰消期內北高緯夏季太陽輻射不斷升高[27]、南極Vostok冰芯中記錄的CO₂總量升高[1]等大背景下，局域植被生長獲得了較好生長條件的支撐，使得洞穴上方的生態環境狀況并沒有發生顯著改變，最終導致δ13C對疊加在冰消期內的氣候事件的響應不明顯。這類δ13C對突變事件響應不明顯或滯后的情況也存在于其他冰消期[26]。此外，熱帶印度洋SST[38]、西太平洋暖池初級生產力[39]等均對YD事件沒有明顯響應，說明在全球升溫的氣候背景下局域環境發生顯著變化的概率降低。

3.2 石筍紋層生長直徑和巖性特征對氣候的響應

與δ13C對δ18O的響應不同，石筍YXB的紋層生長直徑不僅在軌道尺度上與δ18O基本一致，而且在千年事件以及一些細節上均與δ18O對應良好。對比石筍YXB的δ18O和紋層生長直徑序列發現，當氣溫升高、降水增多時，石筍YXB的生長紋層生長直徑變短，反之亦然。例如，類YD事件的δ18O為整段記錄中最偏正的部分，這一范圍內的平均紋層生長直徑也是整段石筍中最長的部分，達7.28 cm。相反，伴隨冰消期結束，進入MIS 7e 階段，δ18O 相比于類YD 期負偏2.27‰，石筍的平均紋層生長直徑也隨之減小，僅有5.14 cm，與類YD事件形成了鮮明對比。上述變化與石筍沉積的機理有關。已有研究表明，石筍的沉積經歷了氣—水—固三相系統的運行過程，CO₂在三相開放系統中的轉相是巖溶作用向溶解或沉積方向進行的主要驅動力[15]。而滴水速率、洞穴內部pCO₂等要素能夠對CO₂的脫氣過程產生顯著影響[40]，進而控制碳酸鹽的沉積情況。從永興洞現代監測結果可以看出，洞穴滴水速率與外部降水量存在密切關系[23]，故而，石筍YXB的直徑應當反映了區域降水量與洞穴沉積環境的變化。在倒三冰消期中，伴隨亞洲季風的增強，降水量顯著增加，導致洞穴滴水速率變快。但過短的滴水間隔可能導致石筍表面水膜中的CO₂沒有足夠時間釋放，使得碳酸鹽沉積減少[41]、石筍紋層生長直徑變短，而較為寒冷干燥的類YD事件內則恰好反之。此外，當水熱條件較好時，洞穴上覆土壤中微生物活躍，土壤內部pCO₂增大[42?43]，雨水將這部分CO₂淋濾進巖溶系統[38]，則會使洞穴內部pCO₂升高。而過高的pCO₂并不利于巖溶水中CO₂脫氣，導致石筍生長受限，類YD事件內則反之，這一結果與石花洞的現代監測結果一致[44]。這同時說明，使用石筍紋層生長直徑作為古氣候替代指標時，需要考慮影響碳酸鹽沉積的各類因素，結合多指標分析方法，綜合討論。

與石筍紋層生長直徑類似，石筍YXB的巖性也響應了倒三冰消期及其中的類YD事件，且在細節對應上也有一定可比性。對比石筍YXB的δ18O序列和巖性發現，在類YD事件對應范圍中，YXB發育了大量白色不透光紋層；相反，在較為溫暖濕潤MIS 7e對應范圍內，YXB發育了大量煙灰色透光紋層，白色不透光紋層顯著減少；而在二者的過渡時段范圍內，則表現為白色不透光紋層與煙灰色透光紋層交替出現。這一現象與石筍中的雜質含量的差異有關。由于石筍中雜質的多少受到不同氣候條件下降水的多寡以及洞穴上覆土壤的發育程度所制約，所以石筍YXB的巖性變化應當記錄了區域古氣候和古環境演化。降水量能夠通過影響巖溶水的滯留時間控制雜質含量。永興洞現代監測表明[23]，冬季下滲水會帶來一定量雜質，特別在降水較少的條件下，由于地表雨水在土壤帶和滲濾通道滯留時間較長[45]，可能夾帶更多雜質進入石筍，這與YXB記錄的類YD事件類似。汪永進等[46]也發現南京葫蘆洞石筍中乳白色層段對應于氣候條件比較干冷時期（如YD和H事件）。洞穴上覆土壤發育程度能夠影響其對雜質的過濾能力，進而控制進入巖溶系統雜質的含量。對于石筍YXB而言，當類YD事件所引起的氣候波動干擾超過了土壤所能維持自身穩定變化的閾值，可能導致洞穴上覆土壤退化。這時，石筍母液所攜帶的雜質會直接經過巖石孔隙構成的滲水通道向下滲透[17]，形成雜質含量較高的白色不透光紋層。而MIS 7e內水熱條件好，土壤發育程度高，過濾作用強，能夠進入巖溶系統的雜質相對較少，從而形成了石筍YXB的煙灰色透光紋層。此外，YXB的巖性變化對類YD事件的內部結構也進行了非常清晰的響應，表現為煙灰色透光紋層、白色不透光紋層的沉積旋回，且紋層生長直徑長短也有相應變化。這一特征在MIS 7e、類BA暖期中也有體現，說明石筍的巖相學特征能夠記錄同一氣候狀態下的次一級變率。

3.3 倒三冰消期季風氣候周期分析

為進一步研究倒三冰消期內部的氣候變率，在對石筍YXB的δ18O、δ13C與生長紋層生長直徑數據使用Change Point去趨勢后，利用Past 3軟件進行功率譜分析，結果顯示石筍YXB的三個指標均存在系列百年、年代際的周期信號（圖5）。其中，δ13C的周期變化相對更為明顯，主要有522 a、261 a、130 a、80 a共4個周期成分超過80% 置信度，與殷自強等[47]采用EMD對全新世石筍、冰芯δ18O和樹輪Δ14C含量變化進行分析發現的百年尺度周期波動具有相似性。上述部分周期也存在于石筍δ18O與生長紋層生長直徑中，但其周期信號不如δ13C分解成果清晰，這可能是由于δ13C所指示的局域土壤、植被生產力放大了初始信號所導致的[48]，上述結果同時說明了δ13C是研究氣候變化對古生態影響的有力指標。

百年尺度上，522 a周期在石筍YXB的δ13C與生長紋層生長直徑中均有體現。曾雅蘭等[49]對640 ka以來長時間序列石筍δ18O進行分解，發現亞洲季風中存在500 a的百年尺度變化。Champan et al.[50]使用北大西洋NEAP15k巖心亮度作為北大西洋深層水循環的指標，發現其也存在顯著的550 a周期。YXB 的δ18O也有類似的百年尺度變化，這可能是由于北高緯的氣候信號通過西風帶影響東亞季風強度，進而導致土壤、植被生產力改變所產生的。此外，223 a與139 a、261 a與130 a、145 a周期信號分別存在于YXB的碳氧同位素和紋層生長直徑記錄中，分別與太陽活動中的205 a與120 a[51?52]、大氣Δ14C序列中的229 a與121 a[53]準周期對應，說明東亞季風、土壤植被和巖溶系統能夠在百年時間尺度上響應于太陽活動變化。類似的分解周期也存在于楊少華等[54]基于EEMD分析的全新世石筍氧碳同位素中。

年代際尺度上，YXB的碳氧同位素中存在70～80 a周期，而這一結果與Huggett[55]于20世紀提出由于太陽直徑的擴張和伸縮變化產生的80～90 a太陽活動周期相契合。由于YXB紋層生長直徑的數據測定密度較氧碳同位素高，分辨率達14 a，能夠揭示更短尺度的年代際氣候變化，故而分解出56 a、30 a兩個周期，其中56 a周期與Wang et al.[56]從末次間冰期石筍中分解出的60 a周期極為相似。Nagovisyn[57]認為70～80 a、120～130 a是太陽活動的主導周期，而模擬結果顯示太陽活動60 a周期較為微弱，可能難以直接對地球氣候產生顯著影響[58]，但是具有近60年周期的變化特征的AMO（北大西洋多年代際濤動）可能通過海氣耦合對亞洲季風產生影響[56]。此外，30 a周期與楊少華等[54]分解出的29 a周期一致，其中可能也存在太陽活動、海汽相互作用之間類似的耦合關系。

4 結論

通過對永興洞石筍YXB進行δ13C、紋層生長直徑測定和巖性分析，并與δ18O 數據比對，得到以下結論。

（1） 石筍δ13C在整體上與δ18O變化大致相同，說明洞穴上覆生態環境在軌道尺度上受控于冰消過程。但δ13C對δ18O記錄類YD事件幾乎沒有響應，可能是由于在冰消期回暖大背景下，局域生態環境受氣候事件影響較小所致。

（2） 石筍紋層生長直徑和巖性變化無論在軌道尺度還是千年尺度上，都與δ18O變化一致。石筍紋層生長直徑變化與降水密切相關，因而石筍紋層生長直徑可能是一個有效降水的替代指標，有望在石筍古氣候的研究中得到應用。

（3） 功率譜結果顯示，石筍YXB 記錄中存在522 a、223～261 a、130～145 a、73～82 a、64 a、30 a等周期分量，與太陽活動、海氣相互作用等周期接近，并有可能受到二者耦合的影響。此外，3個指標當中δ13C的周期最為顯著，可能是由于局域土壤放大了百年—年代際氣候變率信號所致。

致謝 感謝審稿專家和編輯部老師對本文提出的有益修改意見。