近几十年来，全球变暖导致永久冻土加速融化，储存在永久冻土中的碳以二氧化碳和甲烷的形式被大量释放出来，进而放大气候变化。此外，永久冻土融化还会增加热岩溶发育、海岸侵蚀和冰原融化，并危及以其作为坚实地基的基础设施。建立长尺度永久冻土的演化历史及其对气候变化的响应，有助于预测未来全球变暖对永久冻土的影响。
永久冻土区的洞穴沉积物，如石笋、石钟乳、流石是永久冻土完全“解冻”或暂时融化时的遗存物。当大气降水通过渗流带进入洞穴时，洞穴沉积物就开始生长，而当上部渗流带全年都降至0℃以下时，岩溶水冻结，渗透中止，洞穴沉积物就停止生长。因此，永久冻土区洞穴沉积物的生长时段已被证明是重建过去永久冻土范围和连续性的有效工具。
2013年，以色列地质调查局Vaks et al.（2013）对位于现在整个区域全年都是冻土的连续永久冻土带的Ledyanaya Lenskaya洞（图1）里的沉积物进行年代学研究后发现，最近的永久冻土融化发生在42.9±2.3万年前，即海洋同位素阶段（MIS）11的温暖期。然而，该研究由于受到U-Th最老约50万年的定年限制（Cheng et al., 2013），没有对较老洞穴沉积物样品的年代进行分析。最近，Vaks et al.（2020）利用U-Pb定年法对该洞的11个洞穴沉积物进行了年代测定，共获得52个U-Pb年龄，从而扩展了西伯利亚永久冻土演化历史的年代范围，同时，他们对稍微靠南温暖一些的Botovskaya洞中的3个洞穴沉积物也进行了少量年代测定。研究成果发表于Nature。
图1 研究区域和永久冻土分布图
Ledyanaya Lenskaya洞里的洞穴沉积物年龄表明永久冻土的演化可以分为三个时段（图2a）：
（1）～150万年至～135万年，洞穴沉积物连续生长，说明此时该洞穴上方的永久冻土不连续或消失。在全球范围内，该时间跨度为MIS 50至MIS 43，其特征是冰期-间冰期的周期为4.1万年；
（2）～135万年至～40万年，洞穴沉积物间歇性生长（长时间、持续的沉积间断，甚至完全没有沉积），可能表明永久冻土在该时段是连续存在的，并且大部分在MIS冰期，少部分在MIS间冰期。大部分间冰期都有洞穴沉积物生长，表明没有永久冻土。从～130万年起，洞穴沉积物仅生长在洞穴较浅的部分（地表以下15-20 m），而较深的区域（约60 m）则没有沉积，这可能表明永久冻土仅解冻到15-20 m的深度。相对于130万年之前，该时段永久冻土消融期的持续时间相对较短或年均温减低。
（3）从～40万年到现在，洞穴沉积物完全停止生长，说明Ledyanaya Lenskaya洞穴上方的永久冻土似乎是连续存在的。位于贝加尔湖附近、更靠南的Botovskaya和Okhotnichya洞穴在过去70万年的温暖时期有洞穴沉积物生长，说明西伯利亚南部比Ledyanaya Lenskaya洞穴所在区域更温暖。
图2 西伯利亚洞穴沉积物的生长时段与深海同位素阶段（MISs）、太平洋暖池海表温度记录以及北纬60°七月平均太阳辐射对比图
作者将利用Ledyanaya Lenskaya洞穴沉积物重建的西伯利亚永久冻土的演化历史与其它古气候记录进行对比（图2，图3），推测了永久冻土可能的控制因素。在MIS 11之前，虽然全球平均温度（由太平洋暖池海表温度推测）低于MIS 11（例如MIS 25、19和15），甚至比现在还要低（例如MIS 23），但却有大量洞穴沉积物生长，说明全球平均温度并不是西伯利亚永久冻土的唯一控制因素。其他可能的控制因素包括：当地夏季太阳辐射，古地理变化，较强的北半球的极向热传递引起北大西洋、北极或欧亚大陆相对温暖，或北冰洋海表温度和北极夏季海冰覆盖范围。但是研究发现：当地夏季太阳辐射与永久冻土消融之间并没有直接关系，整个过去150万年间冰期北极古地理状况与现在相似，洞穴沉积物生长与北大西洋变暖也没简单的关联性（图2，图3）。令人惊讶的是，自40万年以来西伯利亚连续的永久冻土与北冰洋常年海冰出现的时间却非常一致（图3）。常年海冰的出现以与海冰相关的生物群系在北冰洋西部突然增加和现存在于北大西洋的生物群系从北冰洋消失为标志。
图3 西伯利亚洞穴沉积物的生长时段与深海同位素阶段（MISs）、北大西洋海表温度以及北冰洋海冰记录对比图
他们仔细分析了北冰洋海冰与西伯利亚永久冻土之间存在关联性的物理机制。现代和古气候模型表明，北极海冰与欧亚大陆永久冻土之间的关系是由大气水热传输变化引起的（Dai et al., 2019）。北极海冰的消融使海面上方的空气变暖，湿度升高，从而增加了通过大气从海洋向大陆传输的热量（显热和潜热）。由此引起的变暖可延伸至内陆1500 km，在秋季达到峰值。此外，海冰消融使北极水域更加开阔，使从海洋到大陆的水汽传输增加，进而使西伯利亚的秋季降雪量增加，使地面免受冬季低温的影响，有助于永久冻土的融化。大约40万前出现的北极海冰使北极的热量和水汽源减少，北极空气变冷，大陆上的降雪量减少，地面与寒冷的冬季温度之间的隔绝变差，使地面温度降低，从而有助于连续永久冻土的形成。最后文章据此预测，如果这些过程在现代气候变化条件下仍然存在的话，那么未来夏季北极海冰的消失将加速西伯利亚永久冻土的融化。
该研究的主要意义在于将U-Pb法应用于洞穴沉积物定年，打破了洞穴次生碳酸盐常用的U-Th定年方法上限只有约50万年的限制，进而大大扩展了西伯利亚永久冻土演化历史。目前全球报导的洞穴沉积物U-Pb定年方法的研究还很少，随着该方法的发展，将会大大推动石笋——古气候重建学科的发展。
主要参考文献
Cheng H, Edwards R L, Shen C C, et al. Improvements in 230Th dating, 230Th and 234U half-life values, and U–Th isotopic measurements by multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometry[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2013, 371: 82-91.（链接）
Dai A, Luo D, Song M, et al. Arctic amplification is caused by sea-ice loss under increasing CO2[J]. Nature Communications, 2019, 10: 121.（链接）
Vaks A, Mason A J, Breitenbach S F M, et al. Palaeoclimate evidence of vulnerable permafrost during times of low sea ice[J]. Nature, 2020, 577(7789): 221-225.（链接）
Vaks A, Gutareva O S, Breitenbach S F M, et al. Speleothems reveal 500,000-year history of Siberian permafrost[J]. Science, 2013, 340(6129): 183-186.（链接）
（撰稿：段武辉/新生代室）
