湖北神農架年紋層石筍記錄的YD與8.2 ka事件轉型模式研究①

王 權 劉殿兵 汪永進 鄧 朝

(南京師范大學地理科學學院 南京 210023)

0 引言

Younger Dryas(YD)和8.2 ka事件是末次冰消期以來最受關注的兩個氣候突變事件，兩者對比研究為認識百年—千年尺度氣候突變細節過程提供了重要途徑［1-2］。在格陵蘭冰芯記錄中，YD和8.2 ka事件表現出很多相似之處，如冰芯δ18O值、冰雪累積速率和甲烷濃度等指標均顯著降低［2］，但8.2 ka期間上述指標變幅僅為YD事件的一半［1］。最近，高分辨率格陵蘭冰芯多指標分析結果顯示，8.2 ka期間僅δ18O和CH4指標變化顯著，其他指標如Ca2+和Cl-濃度變幅很小，表明大氣環流對8.2 ka事件響應相對較弱［3］。Broecker等［4］進一步指出格陵蘭冰芯記錄的YD和8.2 ka事件的轉型模式存在顯著差異，盡管格陵蘭冰芯δD在YD開始變化極為迅速［5］，但其他指標顯示該轉型過程持續約 200～250 a［5-8］，與 8.2 ka開始期間極地氣候迅速變化顯著不同［9］。

在低緯地區，亞洲季風在 YD結束時迅速增強［10-12］，與極地氣溫變化相似。這些洞穴記錄顯示，在YD開始季風衰減似乎比極地氣溫變化更為緩慢。來自中國東部及北部年紋層石筍記錄的Aller?d/YD轉換比格陵蘭冰芯δ18O記錄至少長100 a［11-13］，這種轉型模式差異也得到了同區多個石筍記錄的支持［10，14-16］。與 YD 事件不同，8.2 ka 事件在北高緯地區異常顯著，而在低緯季風區并不突出，僅表現為持續約400～600 a的氣候異常，這種差異被認為與太陽活動周期性變化有關［17］。然而，最新高分辨率洞穴石筍研究表明，8.2 ka事件在低緯季風記錄中廣泛存在［18-20］。在機制上，由于亞洲洞穴石筍揭示的8.2 ka事件與南美季風變化呈反相位關系［19］，并且在內部細節上與格陵蘭冰芯記錄一致［20］，因此該事件可能與北大西洋溫鹽環流變化有關。但是，Alley等［2］指出阿曼洞石筍記錄的8.2 ka事件轉型方式與格陵蘭冰芯存在顯著差異，即阿曼洞石筍記錄的該事件開始過程比格陵蘭冰芯記錄更為緩慢，而結束過程則更為迅速，可能反映顯著的區域響應模式或驅動機制差異。

目前，由于高精度時標不足和高分辨率材料匱缺等原因，YD和8.2 ka事件轉型模式對比研究仍較為薄弱。這些研究的深入開展，將有利于認識不同氣候背景下的季風突變行為，并理解其驅動機制。如Broecker等［4］已經注意到格陵蘭冰芯δ18O記錄的8.2 ka事件比YD事件開始更為迅速，可能暗示其具有不同的響應模式或驅動機制。然而，已有研究主要集中于單一氣候突變事件細節過程及驅動機制診斷，本文依據湖北神農架青天洞的兩支年紋層石筍，建立了完整覆蓋YD和8.2 ka事件的亞洲季風演化序列。基于這兩支石筍的早期研究成果［12，21］，本文對 8.2 ka期間石筍數據進一步加密，進而通過對比兩事件轉型模式，以期重新認識末次冰消期以來亞洲季風百年—千年尺度突變事件的驅動機制。

1 研究區域、材料與方法

QT16和QT40兩支石筍采自湖北神農架青天洞(110°22'E，31°20'N)，洞口海拔約1 630 m。該區域平均年降水量在1 500～2 000 mm之間，80%的降水集中在6～9月，平均年氣溫約為7.4℃。青天洞長約50 m，上覆60～90 m厚的二疊系灰巖。由于洞口狹窄，洞內空氣與外界空氣交流不暢，洞內相對濕度接近100%。

石筍QT16和QT40分別高242 mm和179 mm，沿生長軸切開并拋光，用直徑為0.9 mm的牙鉆共采集17個樣品用于230Th定年。該測試在美國明尼蘇達大學地質與地球物理系同位素實驗室完成，測試儀器為ICP-MS，流程見Shen等［22］的描述，年齡誤差為±2σ。

穩定同位素樣品采集采用刀削法，分別獲取了881組(QT16)和521組(QT40)氧、碳同位素數據。測試工作在南京師范大學地理科學學院同位素實驗室完成，VPDB標準，采用碳酸鹽自動進樣裝置與Finnigan MAT-253聯機測試，每9個樣加測一個標樣(NBS-19)進行監控，δ18O分析誤差優于±0.06‰。

在兩支石筍剖面上可見垂直于生長軸的水平紋層，由透明紋層與暗色紋層構成季節沉積旋回。微層統計在Olympus巖相顯微鏡下進行，通過CCD與計算機系統進行聯機統計。QT16的紋層總數為2 388±82條，QT40為890±14條，統計誤差可能由透明紋層與暗色紋層邊界不清以及紋層在石筍邊緣產生彎曲造成。

樣品細節及測試結果見 Liu等［12］和鄧朝等［21］的描述。為提高8.2 ka事件分辨率，本文對QT40進一步加密，其平均分辨率達2年。YD數據見Liu等［12］。

2 結果

2.1 年層時標的建立

實測年齡顯示，QT16發育于 13 420～10 850 a B.P.期間，QT40 發育于8 840～7 960 a B.P.期間，測試誤差最大為85 a，最小為30 a。紋層統計獲取的累計速率曲線與230Th實測年齡確立的累計速率曲線基本一致［12，21］。因此，可將獨立定年和紋層計數獲取的累積速率曲線進行最大相關性匹配(相關系數r=0.99)，從而獲得兩支石筍的年層時標。考慮到測年樣平均跨1～2 mm寬度，QT16年層時標的最大誤差約為110 a，QT40最大誤差約為115 a，其誤差評估包括測年誤差和年層統計誤差。盡管兩支石筍的年層時標誤差均超過100 a，但通過紋層計數確定的相對年齡誤差較小，可以用來精確診斷YD和8.2 ka事件內部細節以及轉型過程。年層時標研建細節參見Liu 等［12］和鄧朝等［21］。

2.2 石筍δ18O序列

石筍QT16生長于Aller?d暖期至早全新世階段(圖1A)，完整覆蓋YD事件。在石筍發育期間，δ18O在-9.6‰～-6.2‰之間波動，平均分辨率約為3 a。其中，δ18O序列顯示了三次顯著偏正時期，分別對應于 Aller?d 冷階(IACP，約 13 250 a B.P.)、新仙女木事件(YD，約12 970～11 530 a B.P.)和前北方期濤動(PBO，約11 340 a B.P.)。IACP和PBO的振幅均超過1‰，而YD的振幅則超過2.5‰。YD開始時，δ18O緩慢偏正，在約12 290 a B.P.達到最大值，然后呈現逐漸負偏趨勢(圖1A中黑色箭頭所示)，其間疊加三次持續約200 a的次級振蕩(圖1A灰色區域和數字所示)，振幅均超過0.8‰，接近YD事件振幅的1/3。在約11 540 a B.P.，δ18O迅速偏負，呈突變結束。

石筍QT40生長于早全新世階段(圖1B)，δ18O在-9.9‰～-8.1‰之間波動，平均分辨率約為2 a。在序列早期，δ18O呈現高頻振蕩。在約8 250～8 050 a B.P.，δ18O顯著偏正，振幅達到了1.3‰，反映亞洲季風對8.2 ka事件的響應。在事件開始時，δ18O總體呈現緩慢偏正特點。在8.2 ka事件內部，δ18O值在8 160～8 140 a B.P.和 8 100～8 080 a B.P.期間顯著增大，而在8 140～8 100 a B.P.期間相對減小，曲線總體特征表現為兩谷一峰，類似“W”型結構。在約8 080 a B.P.，δ18O 突然偏負，標志 8.2 ka事件結束。

圖1 QT16和QT40石筍δ18O序列IACP、YD和PBO分別指Aller?d冷階、新仙女木事件和前北方期濤動;灰色區域表示YD和8.2 ka事件內部夏季風增強時段。Fig.1 δ18O records of Samples QT16 and QT40

2.3 YD與8.2 ka事件的起止時間和轉型特征

氣候突變表現為兩種顯著不同氣候態之間的轉換，如果該過程是線性的，那么，可依據轉換前后氣候變率的不同，確定突變事件的起止時間。基于該假設建立的“RAMPFIT”法在古氣候研究中已得到廣泛應用［23］，如 Fleitmann 等［18］運用此方法證明阿曼 Qunf洞石筍記錄的早全新世印度季風降水與格陵蘭氣溫同步變化。姜修洋等［24］用此方法證明了全新世適宜期結束時間在亞洲季風區的不等時性。本文使用該方法分別對石筍QT16和QT40的δ18O序列進行分析，分析結果見表1和圖2。結果顯示，QT16石筍δ18O序列在約13 059 a B.P.發生突變，暗示YD事件開始。隨后，δ18O緩慢正偏，在約12 353 a B.P.進入相對穩定時期(即mid-YD)。mid-YD結束后，δ18O在約11 568 a B.P.快速負偏，并在11 526 a B.P.完成轉換，指示YD事件結束。對于石筍QT40，δ18O約在8 262 a B.P.發生突變，指示8.2 ka事件開始。隨后，δ18O緩慢正偏，在約8 147 a B.P.進入相對穩定時期，一直持續到8 089 a B.P.。此后，δ18O迅速負偏，并在8 073 a B.P.完成轉換。

當氣候突變發生時，各地質記錄的數據同時表現為不同程度的偏離背景值，這種偏離程度也可以作為判定突變發生的依據。Thomas等［3］在分析8.2 ka事件時，將四支冰芯的δ18O數據合成，以 GRIP冰芯8 300～9 300 a B.P.期間δ18O的平均值為基準，將偏離該背景值時段作為8.2 ka事件。Liu Y等［20］在利用和尚洞HS-4石筍δ18O分析8.2 ka事件時，計算了5 000～9 000 a B.P.期間該石筍δ18O的平均值和標準差，將超過1倍標準差的時期作為整個8.2 ka事件的發育時段，并且發現與Thomas等［3］的分析結果十分吻合。這類“方差法”的運用可進一步檢驗“RAMPFIT”法分析結果，從而實現兩種方法優勢互補。對QT16和QT40石筍δ18O序列進行“方差法”分析，分析結果見表2和圖2。結果顯示，YD跨越的時段約為12 750～11 530 a B.P.，8.2 ka事件跨越的時段約為8 200～8 080 a B.P.。

對比發現(表2、圖2)，兩種方法獲得的YD和8.2 ka事件的結束時間幾乎一致，僅相差4 a和7 a。然而，兩種方法獲得的事件開始時間分歧較大。對于YD事件，“RAMPFIT”分析結果比“方差法”結果早309 a;而對于8.2 ka事件，“RAMPFIT”分析結果比“方差法”結果早62 a。為了客觀評估YD和8.2 ka事件的開始時間，本文對兩種分析結果取平均值(表2、圖2)。結果顯示，YD所跨的時段約為12 905～11 528 a B.P.，8.2 ka事件所跨的時段約為8 231～8 077 a B.P.。據此，本文評估的8.2 ka事件開始及結束時間與 Thomas等［3］和 Liu等［20］結果基本吻合。QT40記錄的8.2 ka事件持續時間為155 a，與兩者的分析結果幾乎一致(格陵蘭冰芯顯示8.2 ka事件持續了 160.5 a［3］，而和尚洞石筍顯示為 150 a［20］)，表明“RAMPFIT”法和“方差法”可以可靠地判斷突變事件的起止時間。

圖2 青天洞石筍QT16和QT40記錄的YD與8.2 ka事件轉型模式對比灰色實線表示“RAMPFIT”方法分析結果;紅色點線表示“RAMPFIT”方法給出的事件開始時間;灰色點線表示δ18O序列平均值;綠色點線表示“方差法”給出的事件開始時間;藍色實線表示兩種方法的均值。Fig.2 Comparison of the transitional pattern of the YD and 8.2 ka event recorded by Samples QT16 and QT40

表2 YD和8.2 ka事件轉型過程兩種方法對比(a B.P.)Table 2 Comparison of the onsetting and ending time of YD and 8.2 ka event

基于上述分析，YD開始轉型過程持續約550 a，占事件整體歷時的40%，而8.2 ka事件開始季風衰減歷時約為84年，占事件整體歷時的50%。盡管YD和8.2 ka事件是不同時間尺度的氣候突變事件，但是其開始過程卻均表現出緩變趨勢，幾乎占據了事件總歷時的一半。然而，在兩事件結束期間，石筍δ18O卻均表現為“跳躍式”變化(圖2)，即兩支石筍記錄的YD和8.2 ka事件均表現出相似的開始緩慢而結束迅速特征。考慮到QT16和QT40石筍δ18O序列均基于年層時標，其相對年齡可靠，這種轉型模式可能是對真實氣候信號的響應。

3 討論

3.1 區域對比

已有的亞洲季風區石筍研究顯示，YD結束時間在數十年誤差范圍內幾乎一致，主要集中于11 500 a B.P.(圖3)。而在YD開始階段，由于年齡模式、記錄分辨率及缺乏顯著突變等原因，使得其開始時間難以界定。目前，石筍記錄的YD開始時間主要集中于13 000～12 900 a B.P.。8.2 ka事件在不同石筍記錄中持續約150～170 a，由于采樣分辨率等原因，其起止時間及內部振蕩存在顯著差異。青天洞記錄的YD和8.2 ka事件起止時間分別約為12 900～11 530 a B.P.和8 230～8 080 a B.P.，在測年誤差范圍內與同區石筍記錄一致(圖3)，說明青天洞QT16和QT40石筍的年層時標及本文分析方法基本可靠。

通過與亞洲季風區其他石筍記錄對比發現(圖3)，青天洞石筍QT16、葫蘆洞石筍H82、衙門洞石筍Y1和苦栗樹洞石筍BW-1記錄的YD事件振幅均在2.5‰～3‰之間［10-11，16］。在 8.2 ka 事件期間，和尚洞石筍 HS-4最新研究結果顯示，該事件振幅約為1.7‰［20］，而青天洞石筍QT40、董哥洞石筍 D4和 DA記錄的該事件振幅約為1‰［19］。由此可知不同洞穴石筍δ18O記錄的YD和8.2 ka事件振幅仍存在0.5‰～0.7‰的差異，這可能由分辨率、測年誤差和不同洞穴巖溶系統差異等造成。相比而言，在同一洞穴中，石筍δ18O記錄的8.2 ka事件振幅約為YD的1/3～1/2，與格陵蘭冰芯對比結果類似［1］。

“RAMPFIT”分析結果顯示(圖2)，在YD和8.2 ka事件開始，QT16和QT40石筍記錄的季風強度變化均呈現出緩慢衰減特征，而在兩事件的結束呈現快速增強特征。這種變化模式在同區其他石筍記錄中也均有體現。圖3顯示，葫蘆洞H82石筍、苦栗樹洞BW-1石筍和衙門洞Y1石筍在YD開始轉型過程均超過300 a［10-11，16］。其他石筍如青天洞 QT 石筍和董哥洞D4石筍對該過程的評估將近400 a［13-14］。最近兩支年紋層石筍顯示，YD結束期間，季風突變完成最長不超過20 a［11-12］。同樣，石筍QT40記錄的季風8.2 ka事件“開始緩慢減弱，結束迅速增強”的特點也可以在同區其他石筍記錄中得到證實，如來自和尚洞石筍HS-4以及董哥洞兩支石筍DA和D4均顯示了與 QT40 相類似的轉型方式［19-20］(圖 3b，c，d)。這些對比說明，亞洲石筍記錄的YD和8.2 ka“開始緩慢減弱，結束迅速增強”的轉型模式具有區域普遍性。

圖3 亞洲季風區石筍記錄的YD和8.2 ka事件a.湖北青天洞 QT40;b.湖北和尚洞 HS-4［20］;c，d.貴州董哥洞 DA 和 D4［19］;e.湖北青天洞 QT16;f.南京葫蘆洞 H82［10］;g.北京苦栗樹洞 BW-1［11］;h.貴州衙門洞 Y1［16］Fig.3 YD and 8.2 ka event from speleothem δ18O records in Asian monsoon area

3.2 高、低緯記錄對比及季風突變驅動機制

Aller?d/YD轉換在格陵蘭冰芯 δ18O中表現為200～250 a［5-8］，但是，在 YD 結束時，冰芯 δ18O 顯示格陵蘭地區在僅僅60 a內升溫超過10℃［5］，其結束之快速在早期冰芯記錄中已經得到證實［25-26］。與YD不同，8.2 ka事件的開始在格陵蘭地區非常迅速，如GISP2冰芯記錄顯示，格陵蘭氣溫在不到20 a內降低了(3.3±1.1)℃［9］。將亞洲季風區石筍記錄(圖4c，f)與格陵蘭冰芯記錄(圖4a，d)對比發現，兩地記錄的YD和8.2 ka事件在轉型模式上表現出如下差異:冰芯δ18O記錄的YD開始轉型過程顯著慢于8.2 ka期間變化，盡管如此，與季風YD開始相比，低緯氣候在YD開始變化顯得更為緩慢。其次，在8.2 ka開始，極地氣溫表現為快速突變，而同期季風衰減表現出緩慢特征，且相對歷時與YD開始季風變化具有極強的可比性。

從洞穴石筍同位素機理來看，石筍δ18O信號對雨水同位素組成具有繼承性。洞穴巖溶帶和上覆土壤可能對雨水具有調蓄作用，因此，“庫效應”可能對洞穴滴水δ18O信號起到平滑作用［27］，從而導致不同洞穴的洞內滴水對大氣降水的響應時間可能不同。亞洲季風區已有洞穴觀測顯示，不同滴水點對大氣降雨的響應時間很短，約為 0～40天［28］。羅維均等［29］對貴州荔波涼風洞的觀測表明，洞穴上覆土壤可能會削弱洞穴滴水δ18O值變化幅度，但兩者之間存在大致協調同步的季節變化。盡管本文缺乏連續野外觀測研究支撐，但距離青天洞約100 km的和尚洞滴水δ18O監測結果表明，洞穴滴水δ18O變化滯后大氣降水約1個月，且兩者均呈現出明顯的季節旋回［30］。因此，洞穴“庫效應”應該不是導致石筍記錄的YD和8.2 ka事件開始過程緩變的主要原因。其次，本文對于兩事件轉型時間的評估是基于年層時標，其年層統計誤差分別為±82年(QT16)和±14年(QT40)，對緩慢轉型評估結果貢獻很小。第三，從數十年尺度突變事件看，盡管圖3中各支石筍記錄存在細節差異，但IACP、PBO及8.2 ka內部季風增強等事件在青天洞兩支石筍中均有體現，說明本文采用的兩支石筍信/噪比較高，可精細捕捉季風突變細節過程。

已有研究表明，亞洲季風與北高緯氣候在末次冰期千年尺度突變事件依然存在類似差異。云南小白龍洞石筍δ18O與格陵蘭冰芯δ18O對比發現，中國間冰段12的開始過程比格陵蘭氣溫變化顯著緩慢，并認為南半球氣候，特別是低緯越赤道氣流起到了重要作用［31］。Liu等［12-13］認為南半球越赤道氣流以及熱帶水文重組可能是亞洲季風YD事件開始過程緩慢的原因，而Ma等［11］認為YD緩慢的開始過程可能與此時北半球太陽輻射增強有關。

高、低緯記錄對比顯示(圖4)，蘇祿海δ18Owater反映的熱帶大洋表層海水鹽度上升過程在YD開始極為緩慢［32］(圖4e)。中美季風區哥斯達黎加Venado洞的石筍δ18O指示當地季風降水，在8.2 ka開始同樣呈現緩慢衰減特征［33］(圖4b)。盡管兩記錄已有的時標精度難以滿足精細尺度氣候變化研究，但這些低緯水文記錄的變化過程與QT16和QT40石筍δ18O記錄極為類似，而與高緯氣溫變化存在顯著差異(圖4)。低緯海洋作為亞洲季風降水的重要水汽來源，其水文狀況的變化可能引起大氣環流的改變，繼而對亞洲季風產生重要影響［35-37］。如果青天洞記錄與這些低緯記錄的相似性得到更多記錄的支持，那么，在YD或8.2 ka事件早期，青天洞記錄的季風緩變行為可能具有廣泛的區域意義，從而說明低緯氣候突變事件可能具有其區域特殊性。

圖4 YD和8.2 ka事件的高、低緯記錄對比a.格陵蘭冰芯 NGRIP［34］;b.哥斯達黎加 Venado 洞石筍 V1［33］;c.湖北青天洞 QT40;d.格陵蘭冰芯 NGRIP［8］;e.蘇祿海鉆孔記錄［32］;f.青天洞QT16;灰色區域表示YD和8.2 ka事件的開始過程。Fig.4 Comparison between high-and low-latitude records surrounding the YD and 8.2 ka event

本文利用同一洞穴石筍材料進行兩事件對比研究顯示，亞洲季風YD與8.2 ka事件的轉型過程具有相似特征，事件開始季風強度均呈現緩慢衰減，而結束卻共同表現為迅速增強。末次冰期以來亞洲季風突變事件的時頻特征可能受北半球高緯控制［10，14］，但青天洞石筍記錄的YD與8.2 ka事件對比表明，亞洲季風的突變過程具有鮮明的低緯特色。在此期間，全球大陸冰量開始消退，北半球夏季太陽輻射開始增強，但氣候總體上尚處于高緯控制狀態。如果青天洞記錄揭示的季風緩變行為在冰期典型突變事件中得以證實，那么，石筍δ18O信號對高、低緯，甚至南北半球氣候信號可能均有繼承性。

4 結論

(1)青天洞兩支年紋層石筍QT16和QT40高分辨率δ18O序列顯示亞洲季風強度在YD和8.2 ka內部并不穩定。其中，季風強度在YD內部逐漸增強，并疊加三次百年尺度次級振蕩;在8.2 ka事件內部則表現為一次40 a左右強季風段和兩次20 a左右弱季風段，類似“W”型結構。

(2)數理分析研究發現，亞洲季風強度在YD和8.2 ka事件開始均表現為緩慢減弱，而在結束迅速增強，這與格陵蘭冰芯記錄差異明顯，卻與低緯水文記錄具有相似性。因此，低緯水文變化可能對其產生重要影響。末次冰期以來亞洲季風突變事件的時頻特征可能受北半球高緯控制，但青天洞石筍記錄的YD與8.2 ka事件對比表明，亞洲季風的突變過程具有鮮明的低緯特色。

致謝 感謝南京師范大學地理科學學院孔興功老師為本文測試大量U系年齡，感謝編輯部老師和審稿專家提出的寶貴意見。

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