论文部分内容阅读
全球气候变化关乎人类社会的存续和发展。20世纪以来,在全球变暖趋势下,极端气候事件频发,威胁着人类的生产生活。末次间冰期以来全球气候极不稳定,存在周期性冷/暖振荡。各种地质载体记录了包括新仙女木(Younger Dryas,YD)事件、海因里希(Heinrich,H)事件等一系列千年尺度的气候突变事件。研究这一时间段亚洲夏季风(Asian Summer Monsoon,ASM)的演变历史,以及ASM控制下区域的水文生态环境变迁过程,对于当今社会正确应对气候突变事件具有重要的借鉴意义。本文利用重庆市丰都县羊子洞YZ1石笋的58个230Th测年数据和1300个氧碳稳定同位素数据建立了3.68-118.18 ka BP期间的石笋氧碳同位素时间序列,重建了末次间冰期以来的ASM演变历史,并探讨其驱动机制;在此基础上,结合石笋生长速率、微量元素比值数据,综合对比分析此时段羊子洞所在地区的水文生态环境演变过程。通过与冰芯记录、北半球夏季太阳辐射强度的对比,讨论了在不同时间尺度上局地水文生态环境对ASM强弱变化的响应特征。得出以下结论:(1)在整个时间序列上,YZ1石笋δ18O的变化趋势与亚洲季风区其他洞穴石笋δ18O记录具有较好的一致性,记录了四个弱ASM阶段,分别是深海氧同位素阶段2(Marine Isotope Stages,MIS)、MIS4、MIS5b和MIS5d;四个强ASM阶段,分别是MIS1、MIS3、MIS5a和MIS5c。通过YZ1石笋δ18O记录与两极冰芯记录、北半球夏季太阳辐射强度的对比,分别讨论了不同时间尺度上ASM的驱动机制。对比结果表明,在轨道时间尺度上,北半球夏季太阳辐射强度的周期性变化是驱动ASM强弱变化的主要因素,而南北半球高纬气候变化导致ASM在千年时间尺度上频繁波动。(2)YZ1石笋δ13C在轨道时间尺度上与δ18O同步变化,δ13C反映了ASM强弱变化影响下局地生态环境的演变,可间接指示区域的干湿状况。当北半球太阳辐射强度增大,ASM增强时,羊子洞所在地区的降水量增多,地表生物量增加,生物成因的CO2产率增加,使得洞穴石笋δ13C偏轻;反之,石笋δ13C偏重。然而在亚轨道时间尺度上,地表生态环境受到水热组合条件的控制,使得YZ1石笋δ13C的变化过程与δ18O存在差异。末次冰盛期(Last Glacial Maximum,LGM)的干旱低温使地表植被严重退化,而后地表生态环境响应末次冰消过程,呈现“阶梯式”改善。在末次冰消期内,地表生态环境对YD与H1冷事件造成的弱ASM响应不明显,石笋δ13C与δ18O记录呈现反向变化。地表生态环境经过长时间的演化,直到中全新世才恢复到LGM之前的水平。(3)在整个时间序列上,YZ1石笋生长速率与局地干湿状况联系密切。气候冷干时,一方面地表生物呼吸作用减弱,土壤CO2含量下降,洞内p CO2降低,洞穴滴水与空气的二氧化碳分压差增大,滴水中的CO2容易脱气。另一方面降水量减少导致洞穴滴水速率降低,滴水间隔时间延长,石笋表层水膜脱气时间增加。在上述两方面的共同影响下,石笋生长较快;同理,气候温暖湿润时,石笋生长缓慢。因此,YZ1石笋生长速率快指示气候冷干;反之,指示气候暖湿。(4)YZ1石笋Mg/Ca、Sr/Ca和Ba/Ca比值之间显著正相关,记录了地表水文环境变化和方解石先期沉积(Prior Calcite Precipitation,PCP)过程。对YZ1石笋Mg/Ca、Sr/Ca和Ba/Ca比值做主成分分析(Principal Component Analysis,PCA),提取主成分X/Ca PC1,并将其作为局地干湿指标。X/Ca PC1与δ18O、δ13C在轨道时间尺度上具有强共变特征,X/Ca PC1记录的局地水文环境变化与δ13C记录的生态环境变化趋势一致,响应了ASM强弱变化。当ASM减弱时,局地降水减少,地表生态退化,渗流水在基岩中的滞留时间延长,PCP作用增强,滴水中Ca2+浓度减少,石笋X/Ca比值增大。(5)YZ1石笋生长速率与X/Ca PC1共同指示了三个严重干旱时期,分别是LGM,MIS4晚期和MIS5d时期。在这三个时期内,ASM减弱,输送到羊子洞所在地区的水汽减少;北半球高纬温度降低,西伯利亚高压,西风急流与东亚冬季风共变增强,限制低纬水汽北上。在环流异常的共同作用下,局地降水量减少,气候干旱。其中LGM时期干旱程度最深,在降水量显著减少的情况下,洞穴滴水减少,石笋生长在这一时间较为缓慢。在LGM时期海平面降低,大陆架出露面积增多,水汽运移距离增加,水汽在运输途中受到分馏作用的影响,降水δ18O偏轻,石笋δ18O继承了降水δ18O的变化,石笋δ18O值偏轻,因此YZ1石笋δ18O所指示的ASM强度并不是局地降水量的绝对指标。