馬 樂，肖海燕，張 鑫，姜修洋,2,3*，蔡炳貴,2,3

(1. 福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007； 2. 福建師范大學(xué) 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)

0 引 言

末次冰期終止事件(Termination I，簡稱TI)是末次冰期向全新世氣候轉(zhuǎn)變的時間節(jié)點(diǎn)[1]，其氣候變化的全球響應(yīng)及轉(zhuǎn)型特征是末次冰消期研究的重點(diǎn)。Termination I事件開始于14.7 ka B.P.左右，是末次冰消期北半球最顯著的一次升溫事件。此時全球海-氣系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模重組，各地氣侯變化明顯，全球CO2含量突然快速增高，海平面在短時間內(nèi)顯著升高[2-3]。伴隨著北大西洋淡水注入的減弱，北大西洋經(jīng)向環(huán)流(AMOC)快速恢復(fù)[4]，北大西洋和格陵蘭地區(qū)溫度快速上升[5-6]。熱帶輻合帶(ITCZ)向北移動[7-8]，亞洲夏季風(fēng)增強(qiáng)[9]，而南美夏季風(fēng)減弱[10]。南極出現(xiàn)冷逆轉(zhuǎn)[1]，南、北半球氣候呈現(xiàn)為“See-saw”模式。

Termination I事件是一個全球性的氣候變化事件，但在不同區(qū)域的氣候響應(yīng)存在較大差異。格陵蘭冰芯記錄的Termination I事件轉(zhuǎn)型過程非常迅速，轉(zhuǎn)型時間僅為3 a[11]；也門Moomi洞石筍記錄的轉(zhuǎn)型時間為十多年[12]；中國西南地區(qū)洞穴記錄顯示在幾十年內(nèi)完成轉(zhuǎn)變[13-14]，長江中下游地區(qū)石筍記錄的轉(zhuǎn)型特征則相對緩慢，約為200 a[15-16]；而熱帶低緯地區(qū)的馬來西亞Borneo洞石筍記錄則揭示出更為緩慢的轉(zhuǎn)型過程，Termination I轉(zhuǎn)型長達(dá)千年之久[17]。轉(zhuǎn)型持續(xù)時間的差異有可能說明石筍δ18O信號在響應(yīng)氣候敏感性上存在區(qū)域差異，也可能是氣候突變信號的傳播機(jī)制導(dǎo)致的。目前關(guān)于Termination I事件已有的石筍記錄大都來自于中國西南和長江中下游地區(qū)，東南沿海地區(qū)記錄的嚴(yán)重缺失限制了對這一氣候事件區(qū)域響應(yīng)的全面了解，進(jìn)而制約了對Termination I事件區(qū)域差異背后存在可能機(jī)制的理解。因此，有必要從這一區(qū)域獲取定年精確和分辨率高的古氣候記錄進(jìn)行進(jìn)一步研究。

本文選取位于中國東南地區(qū)典型東亞夏季風(fēng)影響前沿地帶的福建西部仙云洞的兩支石筍(樣品編號分別為XY11和XYⅢ-21)作為研究對象，建立了12.67～16.10 ka B.P.時段內(nèi)平均分辨率達(dá)十年際的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度的演變序列，并通過與亞洲季風(fēng)區(qū)已有的高分辨率石筍記錄和高、低緯度古氣候記錄的對比，探討Termination I事件轉(zhuǎn)型特征的區(qū)域差異及可能的影響機(jī)制。

1 樣品采集與分析方法

本文研究的石筍樣品采自福建連城地區(qū)東南15 km處的仙云洞(25°33′N，116°59′E)，洞口海拔約為968 m(圖1)。溶洞發(fā)育于二疊系棲霞組石灰?guī)r中，自洞口向內(nèi)呈階梯狀下延，全長約2 500 m。洞穴封閉性較好，實(shí)測濕度常年接近100%。洞內(nèi)有若干大小不等的洞廳，且滴水點(diǎn)眾多，次生碳酸鹽發(fā)育良好。洞穴上覆土壤為黃壤，植被繁茂，主要以毛竹林、林下草本植物為主。仙云洞所在的連城地區(qū)地理上處于浙閩丘陵，受典型東亞夏季風(fēng)的影響，因地形因素兼具山地氣候特征，全年氣候溫和，降水充沛，多年平均氣溫為19 ℃～21 ℃，平均降水量為1 600～1 800 mm，降水集中在4月至10月，占全年70%以上。仙云洞洞內(nèi)實(shí)測氣溫為17 ℃，與洞外年平均氣溫相近。

圖1 福建連城地區(qū)仙云洞地理位置Fig.1 Location of Xianyun Cave in Liancheng Area of Fujian

黑色短線為定年點(diǎn)及定年結(jié)果，黑色虛曲線表示沉積間斷；a B.P.為相對于公元1950年圖2 仙云洞石筍拋光面Fig.2 Photographs of Stalagmites in Xianyun Cave

樣品XY11和XYⅢ-21采自仙云洞底部，整體外形均呈圓柱狀，分別長538 mm和270 mm，底部直徑分別約為80 mm和60 mm(圖2)。將石筍沿著中心生長軸切開、拋光。樣品的拋光面均光滑且無溶孔，不同生長階段顏色呈現(xiàn)明暗更替。樣品XY11在本文研究層段80～538 mm內(nèi)存在一暗色間斷面，有可能為沉積間斷(圖2)。

在石筍拋光面上用直徑為0.9 mm的牙鉆沿著生長軸鉆取17個樣品用于230Th定年，每個樣品質(zhì)量為30～40 mg，測試工作在臺灣大學(xué)高精度質(zhì)譜與環(huán)境變遷實(shí)驗(yàn)室(HISPEC)完成。分析儀器為MC-ICP-MS Neptune，樣品處理及測試方法參考文獻(xiàn)[18]，年齡誤差類型為±2σ，年齡分析結(jié)果見表1。用直徑為0.5 mm的牙鉆沿著石筍中心生長軸以1 mm為間隔取樣，共獲取567個氧同位素樣品。測試工作在福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院穩(wěn)定同位素中心完成，使用碳酸鹽自動進(jìn)樣裝置Kiel IV與Finnigan MAT-253型質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)完成測試，每9個樣品插入1個標(biāo)準(zhǔn)樣品(NBS-19)，分析誤差(±2σ)優(yōu)于0.06‰，結(jié)果以δ18O(VPDB)標(biāo)準(zhǔn)表示。

2 結(jié)果分析

2.1 年齡模式

表1給出了石筍樣品XY11和XYⅢ-21的17個230Th實(shí)測年齡及其誤差范圍。年齡分析結(jié)果顯示，樣品XY11的238U含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)高，為(16～22)×10-6，而232Th含量較低，為(0.1～23.0)×10-9；樣品XYⅢ-21的238U含量更高，為(20～60)×10-6，而232Th含量也較低，為(0.1～1.0)×10-9；兩支石筍的測年精度都較高，年齡誤差為(±22～±59)a。年齡分析結(jié)果表明樣品XY11在365 mm確實(shí)存在沉積間斷，石筍停止生長了約170 a。根據(jù)定年點(diǎn)以線性內(nèi)插法和外推法建立兩支石筍的年代標(biāo)尺。從石筍的年齡-深度曲線(圖3)可以看出，樣品XY11以沉積間斷為界在距頂106～360 mm層段的生長速率約為0.2 mm·a-1，平均分辨率為4.7 a，與該層段石筍拋光面呈現(xiàn)出色澤透明、紋層稀疏相一致；在距頂366～538 mm層段的生長速率約為0.08 mm·a-1，平均分辨率為11.3 a，與該層段石筍拋光面呈現(xiàn)出顏色偏暗、紋層致密相一致。樣品XYⅢ-21的沉積速率相對較慢，研究層段平均分辨率約為30 a。

2.2 石筍δ18O記錄變化特征

福建仙云洞石筍樣品XY11和XYⅢ-21的氧同位素記錄隨時間的變化序列如圖4所示，其記錄整體上分為3個階段。樣品XY11記錄在14.68～16.10kaB.P.時段，δ18O值整體上更偏正，其值為-5.88‰～-5.23‰，平均值為-5.58‰，對應(yīng)于Heinrich 1(H1)階段；在13.85～14.68 ka B.P.時段，δ18O值從整體偏正狀態(tài)緩慢地轉(zhuǎn)換為整體偏負(fù)狀態(tài)，由-5.34‰偏負(fù)至-7.06‰，偏負(fù)約1.72‰，對應(yīng)于Termination I轉(zhuǎn)型階段，根據(jù)內(nèi)插年齡和定年數(shù)據(jù)判斷此轉(zhuǎn)型過程持續(xù)時間為(830±27)a；在12.67～13.85 ka B.P.時段，δ18O值整體偏負(fù)，為-7.51‰～-6.70‰，平均值為-7.22‰，對應(yīng)于Bolling-Allerod(BA)階段。樣品XYⅢ-21記錄在整體趨勢上一致于樣品XY11，顯示了長達(dá)(850±50)a緩慢的Termination I轉(zhuǎn)型過程，但在細(xì)節(jié)變化上存在一定差異。已有研究表明洞穴對氣候外部的響應(yīng)和洞穴內(nèi)部環(huán)境都可能對具體的氣候信號產(chǎn)生一定影響[7,14]，這可能是仙云洞兩支石筍δ18O記錄出現(xiàn)偏差的原因。

表1 230Th年齡分析結(jié)果

注：w(·)為元素含量；230Th/238U值為活度比；δ234U初始值是根據(jù)U-Th年齡獲得，U-Th年齡校正假設(shè)初始的230Th/232Th原子比為(4±2)×10-6。

誤差棒表示石筍230Th年齡分析點(diǎn)及年齡分析誤差(±2σ)圖3 年齡-深度曲線Fig.3 Curves of Age-depth

3 討 論

盡管亞洲季風(fēng)區(qū)石筍δ18O值指示意義存在諸多的爭議，但是在軌道到千年尺度上的變化通常被解釋為反映夏季風(fēng)強(qiáng)度的變化[7,19-22]。正如Cheng等提出的亞洲季風(fēng)區(qū)石筍記錄反映了平均狀態(tài)下的夏季風(fēng)強(qiáng)度，而石筍δ18O值在軌道到千年尺度上大范圍的區(qū)域一致性也可很好地佐證[23-24]。本文跟隨先前仙云洞石筍記錄的解釋[25-27]，將石筍δ18O值作為季風(fēng)強(qiáng)度的代用指標(biāo)，即石筍氧同位素值偏負(fù)指示季風(fēng)增強(qiáng)，反之則季風(fēng)減弱。

3.1 仙云洞記錄Termination I轉(zhuǎn)型的緩變特征

此前研究已經(jīng)表明，石筍記錄的末次冰消期亞洲季風(fēng)在千年、百年尺度事件上與格陵蘭冰芯記錄具有較好的一致性，表明亞洲季風(fēng)變化與北高緯氣候異常緊密耦合[7,28]。但是，涉及到千年尺度事件的轉(zhuǎn)型過程以及事件內(nèi)部百年尺度振蕩等方面尚存在較大的差異[29]。針對Termination I事件，各地記錄的事件開始時間在誤差范圍內(nèi)具有同步性，但其轉(zhuǎn)型過程的持續(xù)時間卻有明顯差異。基于GICC05年層時標(biāo)的格陵蘭冰芯(NGRIP)δ18O記錄的Termination I轉(zhuǎn)型過程非常迅速，在1～3 a內(nèi)即可完成[11](圖4)。亞洲季風(fēng)區(qū)也門Moomi洞石筍記錄在13 a內(nèi)完成Termination I轉(zhuǎn)型[12](圖4),印度Mawmluh洞[30]和Bittoo洞[31]記錄與之類似。中國西南地區(qū)的貴州衙門洞記錄顯示在約35 a內(nèi)完成事件轉(zhuǎn)型[13]，鄰近的董哥洞與之相似[14]；而長江中下游地區(qū)的石筍記錄表明Termination I轉(zhuǎn)型所需的時間超過百年，重慶芙蓉洞[15]、湖北豪豬洞[16]和江蘇葫蘆洞[7]完成Termination I轉(zhuǎn)型分別需要約160、170和180 a(圖4)。相比上述記錄，中國福建仙云洞石筍記錄的Termination I轉(zhuǎn)型過程表現(xiàn)出更為緩慢的特點(diǎn)，約800 a左右(圖4)。樣品XY11在Termination I轉(zhuǎn)型階段共有5個230Th定年點(diǎn)，盡管在這一過程中樣品XY11的記錄存在約170 a的沉積間斷，但樣品XYⅢ-21記錄同樣呈現(xiàn)出約800 a的緩變特征，這說明仙云洞石筍記錄的Termination I事件緩變特征是可靠的。中國福建仙云洞Termination I事件緩變特征與低緯馬來西亞Borneo洞石筍的記錄[17]較相似(圖4)。亞洲季風(fēng)區(qū)Termination I事件響應(yīng)模式的差異有可能說明石筍δ18O記錄在響應(yīng)氣候的敏感性上存在區(qū)域差異，也可能與氣候突變信號傳播路徑及強(qiáng)度的影響有關(guān)。氣候突變事件的緩變特征在仙云洞此前研究的Younger Dryas和Heinrich 1事件的結(jié)束階段也同樣出現(xiàn)[21]，具有顯著的區(qū)域特性。

格陵蘭冰芯數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[11]；也門Moomi洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[12]；中國貴州衙門洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[13]，重慶芙蓉洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[15]，湖北豪豬洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[16]，江蘇葫蘆洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[7]，福建仙云洞數(shù)據(jù)來自本文；馬來西亞Borneo洞數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[17]。其中，格陵蘭冰芯δ18O值采用SMOW標(biāo)準(zhǔn)；其余洞穴δ18O值采用VPDB標(biāo)準(zhǔn)。不同顏色的誤差棒為各自石筍記錄的年齡分析點(diǎn)及誤差(±2σ)；灰色陰影部分涉及Termination I轉(zhuǎn)型過程圖4 格陵蘭冰芯和不同洞穴石筍的δ18O記錄對比Fig.4 Comparison Among δ18O Records of Greenland Ice Core and Stalagmites in Different Caves

3.2 仙云洞Termination I事件緩變特征的機(jī)制

前人研究表明末次冰消期亞洲季風(fēng)千年尺度的變化受控于北大西洋氣候變化，北大西洋經(jīng)向環(huán)流變化引起全球大氣環(huán)流的重組是季風(fēng)突變事件的主要驅(qū)動力[32]。北大西洋深海沉積物231Pa/230Th記錄表明Termination I事件開始時北大西洋經(jīng)向環(huán)流恢復(fù)并快速增強(qiáng)[2]，北向熱量傳輸?shù)募訌?qiáng)使得北大西洋和格陵蘭地區(qū)溫度迅速升高[3-4](圖5)。大西洋海表溫度(SST)變化引起的經(jīng)向梯度差致使熱帶輻合帶的平均位置向北偏移，進(jìn)而調(diào)節(jié)亞洲季風(fēng)強(qiáng)度[5-6]。石筍氧同位素記錄的負(fù)偏開始時間在定年誤差范圍內(nèi)與卡里亞科(Cariaco)盆地反照率記錄指示的熱帶輻合帶北向偏轉(zhuǎn)時間一致(圖5)，這進(jìn)一步支持北大西洋經(jīng)向環(huán)流通過控制熱帶輻合帶位置間接影響亞洲季風(fēng)。因此，包括仙云洞在內(nèi)的亞洲季風(fēng)區(qū)石筍記錄的Termination I轉(zhuǎn)型時段季風(fēng)開始增強(qiáng)主要響應(yīng)于北高緯氣候變化。

不同區(qū)域?qū)Ω鞣N氣候脅迫的響應(yīng)具有復(fù)雜性，特別是在遠(yuǎn)離北大西洋的地區(qū)。仙云洞石筍記錄所揭示出的Termination I事件緩變特征說明存在北高緯驅(qū)動外的其他因子影響中國東南地區(qū)石筍氧同位素的變化。位于西太平洋暖池中央的Borneo洞Termination I轉(zhuǎn)型過程[17]同樣表現(xiàn)出與仙云洞一致的緩變特征。另外，在西太平洋暖池邊緣的Tangga洞[33]和Palawan洞[34]石筍記錄的Younger Dryas事件的結(jié)束也呈現(xiàn)出有別于北大西洋氣候突變的緩變特征。這說明仙云洞與低緯地區(qū)洞穴石筍記錄對源于北大西洋突變事件的響應(yīng)均呈現(xiàn)出緩變特征。此前，Partin等的模型模擬也表明受熱帶西太平洋水文氣候影響的低緯地區(qū)對氣候突變信號的響應(yīng)更緩慢，低緯水文氣候受半球尺度溫度變化影響，比受海冰變化影響大的高緯地區(qū)需要更長的調(diào)整時間[34]。婆羅洲石筍記錄研究發(fā)現(xiàn)熱帶西太平洋水文氣候?qū)Ρ备呔旸O信號響應(yīng)微弱[35]，這可能也說明了熱帶西太平洋對于高緯氣候突變信號具有一定的反制和抵消作用。仙云洞石筍記錄的Termination I事件緩變特征與熱帶西太平洋深海沉積物Mg/Ca值海表溫度記錄(圖5)的緩慢增溫[36-37]一致。Griffiths等研究表明，熱帶太平洋海-氣系統(tǒng)對冰蓋變化不敏感，主要響應(yīng)于太陽輻射的歲差周期，而此時北半球太陽輻射強(qiáng)度正處于緩慢增強(qiáng)的趨勢[38]。熱帶西太平洋處于眾多水文氣候的交匯點(diǎn)，是東亞季風(fēng)區(qū)重要的熱量和水汽來源，其海表溫度和海平面氣壓的變化對大尺度大氣環(huán)流和全球水文影響很大[39]?，F(xiàn)代氣象數(shù)據(jù)和模型模擬表明西太平洋暖池中高的海表溫度會加強(qiáng)上層對流，改變副熱帶高氣壓帶的位置和強(qiáng)度，進(jìn)而對東亞季風(fēng)產(chǎn)生影響[40]。因而，推斷仙云洞Termination I事件緩變特征有可能受到了熱帶低緯海-氣耦合的影響。

4 結(jié) 語

(1)中國東南地區(qū)福建仙云洞石筍樣品XY11和XYⅢ-21記錄了12.67～16.10 ka B.P.時段定年精度優(yōu)于50 a、平均分辨率達(dá)7 a的東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度變化，清晰地捕捉到了該區(qū)Termination I轉(zhuǎn)型的詳細(xì)變化過程。TerminationI轉(zhuǎn)型階段，仙云洞石筍δ18O值在約800 a的時間內(nèi)從-5.0‰緩慢偏負(fù)至-7.0‰，振幅約為2‰。

格陵蘭冰芯數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[11]，δ18O值采用SMOW標(biāo)準(zhǔn)；福建仙云洞數(shù)據(jù)來自本文，δ18O值采用VPDB標(biāo)準(zhǔn)；北大西洋深海沉積物231Pa/230Th值引自文獻(xiàn)[2]；卡里亞科盆地反照率記錄引自文獻(xiàn)[6]；海表溫度記錄來自西太平洋暖池MD98-2181[31]和蘇祿海MD97-2141[32]。不同顏色的誤差棒為各自石筍記錄的年齡分析點(diǎn)及誤差(±2σ)；黑色箭頭指示緩慢上升趨勢圖5 仙云洞石筍δ18O記錄與其他古氣候記錄對比 Fig.5 Comparison Among δ18O Records of Stalagmites in Xianyun Cave and Other Climate Records

(2)中國福建仙云洞石筍記錄的Termination I事件緩變過程(約800 a)比也門Moomi洞(約13 a)以及中國貴州衙門洞(約35 a)、重慶芙蓉洞(約160 a)、湖北豪豬洞(約170 a)和江蘇葫蘆洞(約180 a)的記錄長很多。在定年誤差范圍內(nèi)，仙云洞石筍記錄的Termination I事件開始時間與格陵蘭冰芯記錄一致，表明Termination I轉(zhuǎn)型時段東亞夏季風(fēng)的開始增強(qiáng)響應(yīng)于北高緯氣候變化。仙云洞石筍揭示出的Termination I事件緩變特征明顯有別于北高緯的突變特征，但這一緩變特征與熱帶西太平洋海表溫度記錄相似。因此，仙云洞Termination I事件緩變特征可能受到了熱帶低緯海-氣耦合的影響。

臺灣大學(xué)高精度質(zhì)譜與環(huán)境變遷實(shí)驗(yàn)室沈川洲教授和周於蓁研究助理測試了本文230Th年齡，在此表示感謝！