馬 樂，肖海燕，張 鑫，姜修洋,2,3*，蔡炳貴,2,3

(1. 福建師范大學 地理科學學院，福建 福州 350007； 2. 福建師范大學 濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室，福建 福州 350007； 3. 福建師范大學 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變的時間節(jié)點[1]，其氣候變化的全球響應及轉型特征是末次冰消期研究的重點。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，北大西洋經向環(huán)流(AMOC)快速恢復[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]，亞洲夏季風增強[9]，而南美夏季風減弱[10]。南極出現冷逆轉[1]，南、北半球氣候呈現為“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)域的氣候響應存在較大差異。格陵蘭冰芯記錄的Termination I事件轉型過程非常迅速，轉型時間僅為3 a[11]；也門Moomi洞石筍記錄的轉型時間為十多年[12]；中國西南地區(qū)洞穴記錄顯示在幾十年內完成轉變[13-14]，長江中下游地區(qū)石筍記錄的轉型特征則相對緩慢，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型過程，Termination I轉型長達千年之久[17]。轉型持續(xù)時間的差異有可能說明石筍δ18O信號在響應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制導致的。目前關于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)記錄的嚴重缺失限制了對這一氣候事件區(qū)域響應的全面了解，進而制約了對Termination I事件區(qū)域差異背后存在可能機制的理解。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行進一步研究。

本文選取位于中國東南地區(qū)典型東亞夏季風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.時段內平均分辨率達十年際的東亞夏季風強度的演變序列，并通過與亞洲季風區(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事件轉型特征的區(qū)域差異及可能的影響機制。

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，自洞口向內呈階梯狀下延，全長約2 500 m。洞穴封閉性較好，實測濕度常年接近100%。洞內有若干大小不等的洞廳，且滴水點眾多，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。仙云洞洞內實測氣溫為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

黑色短線為定年點及定年結果，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明暗更替。樣品XY11在本文研究層段80～538 mm內存在一暗色間斷面，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，每個樣品質量為30～40 mg，測試工作在臺灣大學高精度質譜與環(huán)境變遷實驗室(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[18]，年齡誤差類型為±2σ，年齡分析結果見表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地理科學學院穩(wěn)定同位素中心完成，使用碳酸鹽自動進樣裝置Kiel IV與Finnigan MAT-253型質譜儀聯(lián)機完成測試，每9個樣品插入1個標準樣品(NBS-19)，分析誤差(±2σ)優(yōu)于0.06‰，結果以δ18O(VPDB)標準表示。

2 結果分析

2.1 年齡模式

表1給出了石筍樣品XY11和XYⅢ-21的17個230Th實測年齡及其誤差范圍。年齡分析結果顯示，樣品XY11的238U含量(質量分數，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。年齡分析結果表明樣品XY11在365 mm確實存在沉積間斷，石筍停止生長了約170 a。根據定年點以線性內插法和外推法建立兩支石筍的年代標尺。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)緩慢地轉換為整體偏負狀態(tài)，由-5.34‰偏負至-7.06‰，偏負約1.72‰，對應于Termination I轉型階段，根據內插年齡和定年數據判斷此轉型過程持續(xù)時間為(830±27)a；在12.67～13.85 ka B.P.時段，δ18O值整體偏負，為-7.51‰～-6.70‰，平均值為-7.22‰，對應于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(850±50)a緩慢的Termination I轉型過程，但在細節(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和洞穴內部環(huán)境都可能對具體的氣候信號產生一定影響[7,14]，這可能是仙云洞兩支石筍δ18O記錄出現偏差的原因。

表1 230Th年齡分析結果

注：w(·)為元素含量；230Th/238U值為活度比；δ234U初始值是根據U-Th年齡獲得，U-Th年齡校正假設初始的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強度的變化[7,19-22]。正如Cheng等提出的亞洲季風區(qū)石筍記錄反映了平均狀態(tài)下的夏季風強度，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值作為季風強度的代用指標，即石筍氧同位素值偏負指示季風增強，反之則季風減弱。

3.1 仙云洞記錄Termination I轉型的緩變特征

此前研究已經表明，石筍記錄的末次冰消期亞洲季風在千年、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型過程以及事件內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具有同步性，但其轉型過程的持續(xù)時間卻有明顯差異?；贕ICC05年層時標的格陵蘭冰芯(NGRIP)δ18O記錄的Termination I轉型過程非常迅速，在1～3 a內即可完成[11](圖4)。亞洲季風區(qū)也門Moomi洞石筍記錄在13 a內完成Termination I轉型[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內完成事件轉型[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轉型過程表現出更為緩慢的特點，約800 a左右(圖4)。樣品XY11在Termination I轉型階段共有5個230Th定年點，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)。亞洲季風區(qū)Termination I事件響應模式的差異有可能說明石筍δ18O記錄在響應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度的影響有關。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事件的結束階段也同樣出現[21]，具有顯著的區(qū)域特性。

格陵蘭冰芯數據引自文獻[11]；也門Moomi洞數據引自文獻[12]；中國貴州衙門洞數據引自文獻[13]，重慶芙蓉洞數據引自文獻[15]，湖北豪豬洞數據引自文獻[16]，江蘇葫蘆洞數據引自文獻[7]，福建仙云洞數據來自本文；馬來西亞Borneo洞數據引自文獻[17]。其中，格陵蘭冰芯δ18O值采用SMOW標準；其余洞穴δ18O值采用VPDB標準。不同顏色的誤差棒為各自石筍記錄的年齡分析點及誤差(±2σ)；灰色陰影部分涉及Termination I轉型過程圖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事件緩變特征的機制

前人研究表明末次冰消期亞洲季風千年尺度的變化受控于北大西洋氣候變化，北大西洋經向環(huán)流變化引起全球大氣環(huán)流的重組是季風突變事件的主要驅動力[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向環(huán)流恢復并快速增強[2]，北向熱量傳輸的加強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)變化引起的經向梯度差致使熱帶輻合帶的平均位置向北偏移，進而調節(jié)亞洲季風強度[5-6]。石筍氧同位素記錄的負偏開始時間在定年誤差范圍內與卡里亞科(Cariaco)盆地反照率記錄指示的熱帶輻合帶北向偏轉時間一致(圖5)，這進一步支持北大西洋經向環(huán)流通過控制熱帶輻合帶位置間接影響亞洲季風。因此，包括仙云洞在內的亞洲季風區(qū)石筍記錄的Termination I轉型時段季風開始增強主要響應于北高緯氣候變化。

不同區(qū)域對各種氣候脅迫的響應具有復雜性，特別是在遠離北大西洋的地區(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轉型過程[17]同樣表現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事件的結束也呈現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均呈現出緩變特征。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)需要更長的調整時間[34]。婆羅洲石筍記錄研究發(fā)現熱帶西太平洋水文氣候對北高緯DO信號響應微弱[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，主要響應于太陽輻射的歲差周期，而此時北半球太陽輻射強度正處于緩慢增強的趨勢[38]。熱帶西太平洋處于眾多水文氣候的交匯點，是東亞季風區(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]。現代氣象數據和模型模擬表明西太平洋暖池中高的海表溫度會加強上層對流，改變副熱帶高氣壓帶的位置和強度，進而對東亞季風產生影響[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 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7 a的東亞夏季風強度變化，清晰地捕捉到了該區(qū)Termination I轉型的詳細變化過程。TerminationI轉型階段，仙云洞石筍δ18O值在約800 a的時間內從-5.0‰緩慢偏負至-7.0‰，振幅約為2‰。

格陵蘭冰芯數據引自文獻[11]，δ18O值采用SMOW標準；福建仙云洞數據來自本文，δ18O值采用VPDB標準；北大西洋深海沉積物231Pa/230Th值引自文獻[2]；卡里亞科盆地反照率記錄引自文獻[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，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轉型時段東亞夏季風的開始增強響應于北高緯氣候變化。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。

臺灣大學高精度質譜與環(huán)境變遷實驗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！