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段武辉等-GRL:华北石笋氧同位素和团簇同位素揭示的倒二冰消期东亚季风与温度之间多变的相位关系
2022-09-13 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  研究冰消期季风和温度的演化过程对理解全球变暖背景下冰川融化对东亚季风和温度的影响有重要启示意义。目前,关于倒二冰消期(大约136-129 ka BP)东亚季风演化的古气候记录已经非常丰富(例如黄土磁化率、石笋氧同位素记录等)。然而,由于温度指标相对匮乏,并且已有古温度记录之间存在一定程度的不一致性,因此关于倒二冰消期东亚季风和温度之间的相位关系仍不清晰。 

  石笋是洞穴内沉积的次生碳酸盐,铀系不平衡定年为其提供了高精度的绝对年代控制,使之成为古气候研究的一种重要材料。团簇同位素(Clumped Isotopes)是指含有两种或两种以上稀有同位素(重同位素)的同位素体。碳酸盐团簇同位素用Δ47表示,用以定量描述碳酸盐中分子量为47的同位素体(13C18O16O)的丰度偏离随机分布的程度。在同位素平衡分馏条件下,碳酸盐晶格中13C-18O键的丰度仅与温度有关,与其沉积的水体同位素组成无关,较高的Δ47值指示较低的沉积温度。因此,石笋Δ47是一种非常有前景的古温度指标。 

  中科院地质与地球物理研究所新生代地质与环境院重点实验室段武辉副研究员、王旭研究员与谭明研究员等对河北兴隆洞的石笋(XL-4)进行了Δ47测试分析(前期重建工作见《石笋记录的华北倒二冰消期的时间和结构特征)。为了选取合适的Δ47-温度转换方程,他们测试了兴隆洞现代沉积方解石样品的Δ47,然后对比了由不同转换方程计算的Δ47-温度和实测洞穴温度之间的差异,发现利用薄膜脱气沉积模式(考虑了动力分馏)计算的Δ47-温度与实测洞穴温度最为接近(差异小于0.5℃)。因此,在假设动力分馏程度不随时间变化的前期下,他们利用薄膜脱气沉积模式的Δ47-温度转换方程对倒二冰消期石笋(XL-4Δ47值进行了古温度计算,重建了倒二冰消期兴隆洞洞穴温度变化。洞穴现代观测表明(观测时段:201312月至201911月):兴隆洞洞穴温度变幅非常小,均值为12.4±0.4℃,比洞外年均气温高约3.6℃。因此,他们将由兴隆洞石笋(XL-4Δ47计算的洞穴温度减去3.6℃重建了当地倒二冰消期绝对年均温度变化。 

1 兴隆洞石笋重建的倒二冰消期温度和季风的演化过程。 (a)石笋Δ47重建的年均大气温度,红线为局部加权回归平滑曲线(窗口为600年),虚线为当地现代年均温;(b)石笋方解石δ18Oc(c)δ18OcΔ47-温度计算的洞穴滴水δ18Od

  结果如图1显示:末次间冰期兴隆洞地区最高年均气温比现在高1.8±1.5℃(与全球古温度重建的平均结果一致),倒二冰期最低年均气温比现在低6.8±1.3℃。在石笋(XL-4)刚开始生长的2100年(133.4-131.3 ka BP, 石笋δ18O揭示的东亚季风呈减弱趋势,而同时期年均气温却呈升高趋势,二者反相变化。相反地,自131.3 ka BP至末次间冰期初期,东亚季风与温度却呈同步变化。例如在Heinrich Stadial (冰阶)11最冷时段,东亚季风显著减弱,气温也显著降低。此外,在129.3 ka BP时,东亚季风快速增强,气温也迅速回升,两者同步进入间冰期状态(末次间冰期)(图2)。 

2 兴隆洞石笋记录与全球古气候记录对比。(a)北纬65°夏季太阳辐射;(b)南极冰芯记录的大气温度;(c)南极冰芯记录的大气CO2浓度;(d)南大洋海表温度记录;(e)兴隆洞石笋Δ47重建的年均大气温度(本研究);(f)兴隆洞石笋方解石δ18Oc(g) 由兴隆洞石笋δ18OcΔ47-温度计算的洞穴滴水δ18Od(h)三宝洞石笋δ18O(i)将军洞石笋δ18O(j)将军洞石笋TEX86-温度;(k)北大西洋海水εNd(l)北大西洋夏季海表温度;(m)北大西洋冰筏记录。虚线表示弱季风时段,黄色柱表示倒二冰消期内的冷事件和对应的季风最弱期,蓝色柱表示冰期/间冰期快速转换

  倒二盛冰期时欧亚大陆存在巨大的冰盖,冰盖在冰消期时发生消融,大量淡水注入北大西洋,引起温盐环流减弱,使北半球高纬温度降低。当温度降低到一定阈值,其不仅可以通过海气相互作用使东亚季风减弱,同时也会使东亚大陆变冷(图2)。由此推测东亚季风与大气温度之间的相位关系受北大西洋冷事件强度的调制。该研究为全球变暖背景下东亚季风和大气温度的变化提供了地质依据,未来全球变暖如果引发冰盖消融或许将使东亚季风减弱、东亚大陆变冷。 

  研究成果发表于国际学术期刊Geophysical Research Letters(段武辉*,王旭*,谭明,崔琳琳,王学锋,肖正逸. Variable Phase Relationship Between Monsoon and Temperature in East Asia During Termination II Revealed by Oxygen and Clumped Isotopes of a Northern Chinese Stalagmite [J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49, e2022GL098296.  DOI: 10.1029/2022GL098296 

 
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