貴州石筍記錄的中晚全新世東亞夏季風變化

張振球 張偉宏 劉樹雙 翟秀敏 邵慶豐

關鍵詞 石筍；氧同位素；全新世；4.2 kyr B.P.事件

0 引言

全新世發生了一系列百年尺度的氣候突變事件[1?4]，表明全新世間冰期的氣候并不穩定。其中，發生在4.2 kyr B.P.時期的氣候突變過程被認為具有廣泛的區域影響，被稱為4.2 kyr B.P.事件[5]。近來，該事件也被作為中晚全新世的分界線[6]。因此，研究此事件的結構特征、區域氣候響應不僅有助于理解季風突變事件的成因，而且對進一步完善氣候地層學有著重要意義。

在東亞季風區，高分辨率的氣候記錄呈現了季風對百年尺度突變事件的響應[7?8]。Zhang et al.[9]通過綜合分析我國季風區高精度定年和高分辨率記錄，指出4.2 kyr B.P.事件具有時空差異性。在空間分布方面，我國季風區的北部和西南部區域在該時段整體表現為干旱狀態，而在東南部區域則表現為濕潤狀態。在持續時間方面，北部和西南部記錄的干旱4.2 kyr B.P.事件持續約500年（4.4～3.9 kyr B.P.），而東南部的濕潤4.2 kyr B.P. 事件持續約300 年（4.2～3.9 kyr B.P.）[9]。近年來，位于黃土高原高分辨率的石筍記錄表明，4.2 kyr B.P.事件的內部結構不同于其他發生在全新世的百年尺度干旱事件[10]。4.2 kyr B.P.事件期間，季風降水整體偏低，并呈現逐漸減少的趨勢，內部發生有兩次明顯的強降水過程[10]。雖然重建記錄表明我國的西南與北方地區在4.2 kyr B.P.事件都表現為干旱氣候特征[9]，但是4.2 kyr B.P.事件的內部結構是否與北方一致，目前尚不明確。研究4.2 kyr B.P.事件內部結構的區域特征以及區域之間的異同，有助于明確4.2 kyr B.P.事件在不同區域是否存在持續時間方面的差異。此外，還有助于進一步理解4.2 kyr B.P.事件的發生原因。

貴州七星洞已經提供了晚更新世以來的氣候環境變化歷史記錄[11?16]。這些成果展現了七星洞記錄對不同時間尺度事件的敏感性，不僅標定了冰期Dansgaard-Oeschger和Heinrich事件的發生和持續時間[11?13]，還重現了全新世以來季風水循環的過程[14?16]。為了更詳細地研究中晚全新世季風變化過程，本文提供了過去6 380～2 700 yr B.P.間高分辨率的七星洞石筍δ18O 記錄，此記錄與同區域董哥洞記錄[17]在4.2 kyr B.P.事件上呈相同的振蕩特征，并與北方石筍記錄相似。此七星洞記錄顯示，在4.2 kyr B.P.事件內部，也有兩次強降水過程，分別發生在4.15 kyr B.P.和3.93 kyr B.P.，但前者更為顯著。4.2 kyr B.P.事件內部的這兩次強季風過程成為對比不同區域4.2 kyr B.P.事件內部振蕩的有效媒介。

1 材料與方法

編號為QX3的石筍（下文簡稱為QX3）發育于貴州省都勻市凱口鎮凱酉村的七星洞（25°59' N，107°16' E，海拔1 020 m），距離董哥洞約100 km[17?20]。該洞長383 m，寬10～15 m，高約10～15 m。洞內年均溫為16.1 ℃，相對濕度為95%。此洞穴發育于下石炭統擺佐組（C1b）灰色中厚層白云巖、白云質灰巖中，上覆基巖最大厚度約90 m。上覆土壤層相對較薄，普遍小于10 cm，局部基巖裸露。洞頂植被以灌木為主，草本植物茂盛，總體覆蓋度較好。該地為亞熱帶季風氣候，年均降水量約1 176 mm，77.5%的降水分布在4—9月[21]。現代洞穴監測結果表明，該洞洞穴滴水對外界降水響應敏感，洞穴滴水同位素具有明顯的季節變化信號[22]。

QX3撿拾于洞穴中部，被發現時已碎裂為多段?？善唇悠饋淼牟糠殖手鶢?，高780 mm，直徑60～90 mm。QX3被切開拋光后，在剖面上未發現明顯的沉積間斷，但存在礦物相的差異（圖1）。在225～255 mm和318～387 mm段，石筍沿生長軸方向呈疏松放射狀，為白色不透明礦物，掃描電子顯微鏡下觀察發現晶體呈纖維狀（圖1c），X射線衍射測試顯示其為文石，具有高238U特征[23]。其余部分為白色透明致密礦物，對應的238U含量則相對較低且穩定，掃描電子顯微鏡下觀察晶體均呈塊狀菱面體，未發現球粒狀或纖維狀結構，推測為純方解石且未發生重結晶過程（圖1b）。

為重建過去氣候環境變化，對石筍進行穩定同位素和年齡測試。為獲取穩定氧同位素數據，采用頭部直徑為0.3 mm 的鉆頭沿著生長軸鉆取50～100 μg的粉末，取樣間隔為1 mm，測試儀器為帶有碳酸鹽自動進樣裝置的MAT253同位素質譜儀，共測有779組氧同位素，分析誤差優于0.05‰（±1σ），結果以Vienna Pee Dee Belemnite（VPDB）標準給出。對于年齡樣品，采用頭部直徑為0.9 mm的鉆頭沿著石筍生長層鉆取100～200 mg 的粉末，共測得14 件230Th 年齡，測試儀器為Neptune多接收電感耦合等離子質譜儀（MC-ICP-MS）。U和Th元素的分離純化過程以及Neptune 測試分析方法分別見文獻Shao et al.[24]和Cheng et al.[25]。以上相關測試工作均在南京師范大學同位素質譜實驗室完成。

2 結果與討論

2.1 年齡與氧同位素記錄

表1呈現了QX3的14個230Th年齡結果，顯示從石筍底部到頂部無倒序現象，符合地層層序規律。樣品年代誤差在10～75 yr之間，但在225～255 mm和318～387 mm 段的疏松放射狀層段，誤差為11～15yr，相對較小。在這兩個層段的238U 含量較高，達7.7～11.9 μg/g，約是其余層段238U含量（0.3～0.4 μg/g）的20倍。在同一支石筍中238U含量突變，可能與組成石筍的礦物有關。一般來說，由于文石與方解石的結構不同，文石具有更強的離子位來捕獲更大的陽離子，如易溶于水的鈾酰根離子（UO22 +）[23，26]，因此U含量更高。在整個石筍沉積序列中，從底到頂230Th/238U的值逐漸增大，意味著鈾元素衰變體系的封閉性。疏松的文石若發生U 元素的流失，230Th/238U 在此層段的值要較隨后沉積的方解石值大?；谝陨铣醪椒治?，QX3沉積時未發生U元素流失，U/Th年齡可靠。依據線性內插方法建立QX3氧同位素的時間標尺（圖2a黑線），該時標序列得到MOD-AGE[27]模型模擬結果的證實（即內插時標序列均處于MOD-AGE 所模擬的置信區域內）。采用內插方法所建時標顯示石筍QX3記錄的持續時間為6 380～2 700 yr B.P.。

QX3 δ18O 記錄的變化范圍為-8.55‰～-5.48‰，平均值為-7.02‰，變化幅度為3.06‰，平均分辨率為4.7 yr。QX3 δ18O記錄在6 380～2 700 yr B.P.時段呈逐步增加的趨勢（圖2b），并在長期趨勢上疊加了一系列十年—百年尺度的次一級振蕩，其中超出整個記錄一倍標準偏差（1σ）的振蕩主要發生在4 548～3 715 yr B.P.時段（圖2b）。此時段對應于4.2 kyr B.P.事件。因此，QX3 δ18O記錄對解析4.2 kyr B.P.事件的結構特征具有重要意義。

2.2 QX3石筍記錄的我國西南氣候變化

洞穴石筍同位素分餾平衡是其進行古氣候環境重建的基本前提。除了Hendy檢驗[28]，同一或不同洞穴記錄的重復性檢驗也是常用的驗證方法。本文QX3 δ18O記錄與此洞另一支已發表QX1石筍[29]在重疊時段有著良好的對應關系（圖3）。盡管兩記錄在局部有微小差異，但在百年—數十年尺度上呈現相似的振蕩特征。兩記錄良好的重現性一方面說明QX3沉積時未發生顯著的動力分餾，處于同位素平衡分餾狀態；另一方面也暗示QX3在沉積過程中受巖溶滲流系統、蒸發作用等因素影響較小，QX3 δ18O記錄可以用作過去氣候環境變化的代用指標。中國石筍δ18O指標在大氣水循環和全球對比領域有突出優勢，但有些研究認為其指示的氣候意義仍不明確，存在較大爭議[30?34]。Cheng et al.[35]和Zhang et al.[36]通過綜合分析我國石筍記錄，認為石筍δ18O記錄在軌道和千年尺度指示了季風強度的平均變化狀態。最近，石筍δ18O記錄與其他反映降水量指標記錄（如黃土、湖泊等）之間的“矛盾”逐漸得到澄清，即它們可能分別響應于東亞季風系統的不同方面，石筍δ18O主要響應于大尺度季風環流和季風雨帶的移動，可指示東亞夏季風總體強度變化[37?38]。但百年尺度各地的δ18O記錄則存在差異[15]，甚至呈反向的變化[39]。有些洞穴附近的器測降水與降水δ18O記錄有很好的對應關系，明確了石筍δ18O 記錄可指示季風降水變化[39?40]。在我國西南區域，石筍δ18O記錄在百年—數十年尺度上被認為主要反映了季風降水的變化，δ18O越小，指示降水量較大，反之亦然[41]。已有的研究表明貴州七星洞洞穴滴水對大氣降水響應迅速[42]，δ18O的振蕩主要反映了與降雨量變化相聯系的不同季風降水云團對該地區降雨貢獻的劇烈變化[14]。為進一步驗證這一解釋，我們對比了QX3 234U/238U 初始值（234U/238U）0 與δ18O記錄的異同（圖2）。對比結果顯示，（234U/238U）0 與δ18O記錄在數百年尺度上的變化基本一致。他們的對應關系可解釋為：當季風整體加強時（δ18O值減?。?，增加的降水導致土壤中234U優先淋濾作用減弱，土壤水中234U減少，從而導致石筍234U/238U值減小[43]。七星洞石筍δ18O與234U/238U初始值有著很好的對應關系，說明當地降水量的重要貢獻。但是上游降水對石筍δ18O的影響程度，還需更深入的研究。

QX3 δ18O記錄顯示亞洲季風平均強度在6 380～2 700 yr B.P.逐漸減弱。該減弱過程與北半球夏季太陽輻射逐漸降低相對應，支持了太陽輻射變化在軌道尺度對季風變化的控制作用。然而，有研究發現季風在中晚全新世減弱的開始時間（即適宜期結束時間）隨著緯度的增加而延遲[44]。附近的董哥洞記錄的全新世季風開始減弱的時間為7.0 kyr B.P.[17]，QX3在生長期內δ18O持續偏正的變化支持了董哥洞記錄的季風演化過程。太陽輻射變化調控著亞洲夏季風的整體變化，這些亞軌道及千年尺度的振蕩表現為其他氣候系統如北大西洋[45]、太平洋[44]擾動了太陽輻射對季風環流的控制。

疊加在季風逐漸減弱長期趨勢上最顯著的百年尺度振蕩主要發生在4 548～3 715 yr B.P.時段。此外，較為顯著的季風振蕩還發生在3 485～3 230 yr B.P.和5 800～5 560 yr B.P.時段，持續時間約250 yr的季風減弱事件結構簡單，均表現為季風先逐漸減弱后又增強的特征（圖4 灰色陰影部分①④）。其中，5 800～5 560 yr B.P.時段的弱季風事件內部存在一次數十年尺度的次級季風增強過程，4 548～3 715 yr B.P.時段的季風振蕩對應于具有廣泛區域影響的4.2 kyr B.P.事件。QX3 δ18O記錄顯示，在4.2 kyr B.P.干旱事件內部約4.15 kyr B.P.時段有一次顯著的季風強降雨事件，奠定了該弱季風事件兩（干）谷夾一（濕）峰的整體結構。同時，在3.93 kyr B.P.也出現一次降水增強的過程，但其幅度和持續時間較之于4.15 kyr B.P.強降水事件則相對較弱。

前文所述的發生在225～255 mm和318～387 mm層段的文石礦物分別對應于3 856～3 731 yr B.P.和4 548～4 250 yr B.P.時段，分別位于4.2 kyr B.P.事件的雙谷結構中（圖4灰色陰影部分②③）。此雙谷所夾的位于4.15 kyr B.P.的強降水信號（δ18O負偏）為方解石記錄。此方解石為原生方解石，并非由文石轉變而成的轉化方解石，真實地記錄了當時的季風變化信號。證據如下：1）4.2 kyr B.P.事件內部的方解石與其余層段的方解石鈾含量相當，說明石筍中的文石和方解石都在石筍沉積時形成，不存在文石向方解石轉化的現象。2）4.2 kyr B.P.事件內部方解石與其他部分（包括文石）的230Th年齡線性相關，未發生年齡倒轉現象，符合地層層序規律。在整個石筍樣品中，從底到頂，230Th/238U值逐漸增加，無亂序現象。文石一般發育在高溫或者干旱的環境中[47?48]，相對來說洞內溫度較為穩定，文石的發育可能與大氣降水減少有關。以方解石為主體的QX3樣品，在生長過程中多處于滴水長期淋濾狀態，即降水較多引起持續滴水的濕潤環境。而4.2 kyr B.P.事件發生時，可能因降水較少造成持續性滴水減少，滴水速率變慢，滲流水在上覆巖層中滯留時間變長，造成七星洞上覆圍巖（如白云巖、白云質灰巖）中較多Mg元素被淋濾，滴水中Mg/Ca比值增加。當滴水中Mg/Ca 濃度增加到一定值時，高濃度的Mg2+可能抑制方解石的形成，促成文石產生[26，47?50]。因而，4.2 kyr B.P.事件內部的兩個文石層發育，表明此時期氣候較為干旱。相反，4.2 kyr B.P.事件內部方解石層的發育，則主要由于降水增多造成持續滴水的濕潤環境，再次形成方解石礦物[47]。此方解石層的發育，印證了4.2 kyr B.P.事件內部存在季風增強的過程。

QX3記錄的三次百年尺度季風干旱事件均得到附近董哥洞和蓮花洞記錄的支持[17，46]。有區別的是湖南蓮花洞石筍在約3.32 kyr B.P.附近顯示季風在約70 yr時間內快速減弱，并在弱季風狀態下持續了約300 yr，并不同于董哥洞與七星洞記錄，此差異可能源于局地氣候的分異。但三者在4.2 kyr B.P.事件內部結構的一致性，再次驗證了QX3揭示的4.2 kyr B.P.弱季風事件結構的可靠性。

已有研究顯示，我國西南季風區與北方石筍都記錄了4.2 kyr B.P. 事件發生時的干旱過程[10，17，46]。QX3 δ18O記錄的4.2 kyr B.P.干旱事件內部兩次季風降水增強過程，得到了同區域董哥洞記錄的支持[17]。這兩次季風增強事件在甘肅烏鴉洞、陜西九仙洞和祥龍洞記錄中均有表現（圖5）[10，44，51]，說明南北方在4.2 kyr B.P.干旱事件的背景下，都發生有兩次季風降水增強波動。除QX3記錄外，其他記錄均顯示，發生在4.15 kyr B.P.的強季風過程比3.93 kyr B.P.事件持續時間長且強度大。QX3 δ18O 記錄的發生在4.15 kyr B.P.的強降水事件在整個記錄中也較為突出（圖5）。季風雨帶的南北移動和停留時間的不同導致了南北方地區在4.2 kyr B.P.事件內的降水差異[52]。我國北方和西南地區記錄的4.2 kyr B.P.事件內部結構一致的兩次強降水過程說明兩地在該事件發生時季風雨帶的西側可能停留于七星洞之南?；蛘?.2 kyr B.P.事件發生時，受北高緯反氣旋影響，季風雨帶整體向東退縮。

2.3 4.2 kyr B.P. 事件時亞洲季風與熱帶和南半球氣候的聯系

亞洲—澳大利亞季風系統是全球季風的組成部分。冰消期及近1 000年的時段內，千年—百年尺度的氣候事件（如Heinrich 1， Bolling-Allerod， YoungerDrays， Little Ice Age等）在亞洲和澳—印季風中呈反相關系[53?55]。對比兩區域石筍記錄發現，這種反相關系可能也存在于4.2 kyr B.P.事件及其內部更短的時間尺度上。重現性良好的印度尼西亞石筍LR06-B1[56]和LR06-B3[53]δ18O記錄顯示4.2 kyr B.P.事件發生時，澳—印季風整體增強（圖6a）。七星洞和董哥洞石筍記錄的4.2 kyr B.P.事件內部的兩次強降雨過程在澳—印季風記錄中也有表現，但為季風降水減弱事件。甚至，在事件幅度上也與亞洲季風系統記錄相對應并呈反相位關系。其中發生在早期的干旱事件（圖6中標號為1）的幅度與亞洲季風記錄一致，都強于晚期季風波動（圖6中標號為2）。這種對應關系說明亞洲與澳—印季風在4.2 kyr B.P.事件時的緊密耦合關系，證實了這種反相位的耦合關系可能不受氣候邊界條件影響。也進一步證明亞洲與澳—印季風變化的動力聯系[57]。4.2 kyr B.P.事件與其他全新世如8.2 kyr B.P.事件類似，一般都認為是發生于北大西洋地區或者由北大西洋溫鹽環流將此事件的信號傳向全球[2，9，17，58]。近期，南北兩極冰芯研究發現北大西洋溫鹽環流將北高緯信號傳向南極將需約200 年[59]。4.2 kyr B.P.事件時，亞洲和澳—印季風在百年尺度的良好對應關系說明大氣環流在傳輸南北半球信號中的重要作用。Denton et al.[60]指出冰消期發生時大氣系統將北高緯冰消信號傳向南半球，促使環南極流增強，導致冰期儲存于南大洋的CO2釋放到大氣中，最終完成全球冰消過程。按照此理論，4.2 kyr B.P.事件發生時，北半球西風帶南移，亞洲季風減弱，熱帶輻合帶南移，此時南半球的澳—印季風增強[53]。通常，熱帶輻合帶的南北移動可解釋南北半球季風系統的反相位關系[61?62]，但其變化的根本原因是否與北大西洋溫鹽環流直接相關，還需要進一步研究[63]。

亞洲季風水汽主要來源于熱帶海洋，明確亞洲季風在4.2 kyr B.P.時的變化是否受ENSO影響，對完整理解4.2 kyr B.P.事件的發生原因具有重要意義。厄瓜多爾湖泊沉積物記錄[64]顯示在4.2 kyr B.P.事件時ENSO與QX3 δ18O記錄在百年尺度上有很好的對應關系（圖7）。當亞洲季風水循環增強時，La Nina事件的發生頻率增強，反之亦然。如在4.15 kyr B.P.處的季風增強事件對應于La Nina的多發期（圖7陰影部分），此時，沃克環流上升支的氣流活動增強，輸送到東亞的水汽也增多。Tan[65]指出ENSO可通過西太平洋副熱帶高壓來影響季風降水在百年尺度的變化。如在La Nina態時，西太平洋副熱帶高壓減弱東縮。這樣的變化有利于熱帶海洋水汽向大陸輸送，導致季風降水增多。但是，石筍δ18O在4.2 kyr B.P.事件的內部振蕩是否源于ENSO控制下的印度洋與太平洋不同水汽比例的變化，目前還不清楚。若我國東部地區在4.2 kyr B.P.事件內部也明確存在兩次百年尺度季風增強事件，則不能排除ENSO對大尺度季風環流的影響。ENSO 變化與QX3 δ18O 記錄在4.2 kyr B.P.事件內部百年尺度的對應性，說明熱帶太平洋對東亞季風4.2 kyr B.P.事件的發生具有重要調控作用。需要指出的是，QX3 δ18O記錄與ENSO變化記錄僅在4.2 kyr B.P.事件時有明顯的對應關系。而其他時段兩者關系并不明顯，這可能與不同氣候系統的振蕩頻率及驅動因素有關。

3 結論

基于高精度230Th定年和高分辨率的貴州七星洞石筍氧同位素數據，重建了6 380～2 700 yr B.P.時段的東亞夏季風演化序列。與我國其他洞穴石筍記錄一致，該石筍δ18Ｏ記錄呈現逐漸偏正的長期變化趨勢，表明中全新世以來東亞夏季風持續減弱，這可能響應于北半球夏季太陽輻射逐漸降低的變化。QX3δ18Ｏ記錄的4 548～3 715 yr B.P.時段季風快速突變過程，對應于4.2 kyr B.P.事件。高分辨率石筍δ18Ｏ記錄捕捉到4.2 kyr B.P.時期季風整體干旱的背景下發生兩次顯著的季風強降雨期。此兩次強降雨期得到我國北方記錄的進一步支持。此外，還發現亞洲季風區4.2 kyr B.P.事件的結構特征與澳—印季風區的石筍記錄呈反相位的耦合關系。在東亞和澳—印季風系統中，4.2 kyr B.P事件內部結構在持續時間和振蕩幅度方面的一致性，證實了在數十年—百年的更短尺度上季風系統間的成因聯系。同時，4.2 kyr B.P.事件的結構特征與ENSO變化相對應，在La Nina事件發生頻率升高期，東亞夏季風增強，暗示了低緯熱帶太平洋可能在一定程度上對東亞夏季風4.2 kyr B.P.事件的發生具有重要控制作用。