冰期旋回季风演化规律及事件基本特征

【摘要】在地质历史时期,地球上发生了多次气候冷暖变化旋回。气候变冷迫使陆地表面出现大规模极地冰盖和山地冰川,这种冰川作用发生强烈的时期称为冰期,反之称为间冰期。在距今约260万年以来的第四纪,地球上共发生50多次冰期-间冰期旋回。目前对最后两个旋回的研究较为成熟,如叠加在最后两个冰期上的千年尺度事件的结构特征、持续时间、转型过程及发生频率等、冰消期及暖期数十年到百年尺度事件的发生规律和原因。深入研究更久远冰期旋回突变气候事件的发生规律有助于理解外部驱动(如太阳辐射)、地球气候边界条件和海气耦合过程对突变事件的制约。此外,冰消期是最大、最快的突变事件(Dentonetal.,2010)。因为亚洲季风是南北半球气候变化的联系桥梁,所以了解亚洲石笋记录在冰消期过程中的地球化学行为特征是探索其发生原因的有效手段。在冰盖大幅度消融的暖期,明确季风变化规律也有利于揭示现代全球增温的自然变率背景,评估人类活动的影响。本文通过对湖北神农架永兴洞、三宝洞及贵州董歌洞数支石笋的稳定同位素和地球化学的研究,获取了更老冰期(MIS10)、冰消期(TernimationⅢ和TerminationⅣ)和全新世季风变化十年以内分辨率记录,来探讨不同气候边界条件下亚洲季风变化的区域响应与全球联系。永兴洞石笋(No.yx20)长3.66m,目前共测有7个年龄,3662个δ180数据,δ180的变化范围为-11.291‰–6.649%o,振荡幅度约为4.6%o,与以往石笋记录的冰期-间冰期旋回的幅度一致(或稍大)。由于该石笋测年误差较大,基于亚洲石笋δ18O在区域尺度上一致性的认识,通过突变事件的中间点,yx20的时标调谐到了测年精度较高的三宝洞石笋记录上。获得的时标间接得到了南极EDC冰芯时标的支持。yx20生长在385-365ka时段,覆盖了一个完整的岁差旋回,平均分辨率为5a。在该旋回上共叠加了6个明显的千年尺度季风减弱事件,持续时间为0.4-1.5ka,年纹层计数结果显示这些事件的开始和结束过程非常迅速,约为数十年,与末次冰期DO事件类似。其中3个事件的底部发生有明显的次级季风增强事件(反弹事件),此事件结束后季风快速增强到间冰阶水平,类似于末次冰期格棱兰冰芯记录和一些高分辨率低纬记录。MIS10与末次冰期千年尺度事件发生过程的一致性,证实了全球冰量是这些事件的触发器,并且冰量变化的方式也相似。通过与现有的过去400ka的三宝洞和葫芦洞石笋记录在每一个岁差旋回内的比较,发现只有在背景冰量相当时,事件的发生次数才一致,进一步拓展了冰量条件对季风事件的控制理论。三宝洞石笋sb61(Chengetal.,2009)的微量元素信息(Sr、Sr/Ca和Ba/Ca)!均显示,亚洲季风区TernimationⅢ和TerminationⅣ的开始时间分别发生在252.5ka和355ka,早于δ18O指示的弱季风时段(weakmonsooninterval,WMI)约7.5ka和15ka。此结果区别于同一支石笋δ18O推断的冰消期严格受北高纬太阳辐射控制的理论,但是与Anetal.(2011)发现的印度季风开始增强发生在北半球冰量达到最大值之前的结果大体一致。如果中国石笋δ180在HeinrichStadial记录的是印度季风降雨量减少的信息(Pausataetal.,2011),那么将与青藏高原东部鹤庆盆地多指标记录相矛盾(Anetal.,2011)。因此,这里石笋微量元素信息不支持中国石笋氧同位素受印度季风影响的论断。通过与南极冰芯多指标对比,发现季风TernimationⅢ和TerminationⅣ均提前南极温度和CH4,但与CO2浓度开始升高的时间一致,表明了CO2调整全球中低纬水汽平衡的关键作用以及触发突变事件的能力。贵州董歌洞一支覆盖过去4.2ka的石笋(No.DAS)氧同位素记录,显示了晚全新世亚洲季风演变趋势服从北半球夏季太阳辐射曲线,其上叠加了一系列数十年到百年尺度的季风弱事件,与同一洞穴另一支石笋(No.DA)记录基本一致(Wangetal.,2005)。通过与树轮△14C、太阳黑子数和太阳总辐射量记录对比,发现DASδ18O与各种太阳活动指标有很好的峰谷一一对应关系,尤其与树轮△14C记录对比呈现出了明显的镜像关系。石笋δ18O与这三个太阳活动指标的相关系数分别为0.42,-0.38和-0.32。相对树轮A14C和太阳黑子数来说,DASδ18O与太阳总辐射量的对比显示二者在约1.2ka、2.3ka和2.7ka表现出明显的偏差,表明太阳活动影响地球气候的方式不是通过直接的能量加热作用方式。反而与树轮A14C较好的对应关系表明太阳活动对季风的控制作用主要是通过云反馈或者大洋环流的放大作用。由于未对DASδ18O记录进行任何时标调谐,因此消除了时标调谐放大太阳活动影响的疑虑,提供了强有力的太阳活动驱动亚洲季风的关键证据。本研究确定了较老冰期千年尺度事件的转型特征和内部振荡,认识了太阳辐射、全球冰量等气候边界条件对突变事件的发生过程、组合性与冰期旋回重现性规律的控制作用；基于石笋微量元素信息,发现了CO2在冰消期过程中的主导作用,刷新了CO2在冰消过程中只有被动反馈作用的认识。通过全新世石笋与树轮△14C、太阳黑子数和总辐射量记录对比,揭示了亚洲季风与太阳活动的密切关系,完善了对于季风驱动机制的认识,为研究暖期突变事件的机制和模型预测研究提供了基础数据。
【作者】段福才；
【导师】汪永进；
【作者基本信息】南京师范大学，第四纪地质学，2014，博士
【关键词】千年尺度；季风；石笋；冰消期；太阳活动；MIS10；

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