更新世以来，石笋、冰芯记录的气候变化及驱动机制研究

张银环++任晓凤++黄帆

摘 要：格陵兰冰芯和北大西洋沉积揭示了25 ka至今存在着一系列的冷暖突变由于这些气候突变事件变化速度快，温度振幅大引起了全球古气候学家的关注。本文对格陵兰冰芯近25 ka以来δ18O的变化曲线与石笋记录进行了对比，对比结果显示，石笋记录和冰芯记录中都揭示了东亚夏季风降水史中的Heinrich事件和YD事件，两者有着很好的对比关系，但也不排除两者存在着一定的差别，主要原因可能由于石笋的生长环境与冰芯的形成背景有着一定的差异性，导致两折限时的记录也存在一定的差异，特别是在时间上，存在了2000多年的事件差距。

关键词：石笋 Heinrich事件 YD 驱动机制

中图分类号：P444 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0121-01

近年来，全球变暖问题及极端天气事件频发越来越受到社会的关注。气候的变化导致了地球表层的环境也随之发生变化，如海平面的变化，植被的更替，地形地貌的变化等。全球气候变化已经是一个无法忽视的问题。一系列气候会议在全球各地就行。2012年11月27号到12月7号联合国气候变化会议在卡塔尔多哈举行。2013年4月29号联合国气候变化新协议在德国波恩开始实质性谈判，在减缓和适应气候变化问题上开展了工作。全球变暖、极端天气事件的频发对人类的生活环境及生产生活产生的影响很大。过去几十年来，许多科学家分别利用沉积岩、深海沉积物、冰川、冰芯、洞穴石笋等载体来研究全新世气候与环境，取得了丰硕的成果。了解过去的气候变的原因过程和结果，以及讨论其机制，对于我们认识气候的变化有着很重要的影响，更新世以来，气候突变事件时有发生，如HeinriCh事件、BA暖期、D-O旋回、YD事件、8.2 ka冷事件、中世纪暖期与小冰期以及20世纪变暖等等。洞穴沉积物由于对外部气候环境变化非常敏感，能有效地记录古气候变化，时间跨度较大，代用指标丰富等优势，成为近十几年来最有价值的气候历史载体，受到研究者的高度关注。国内外学者都利用洞穴沉（堆）积物及其所含化石恢复古气候变迁，例如利用石笋的同位素组成重建古环境、利用洞穴土壤中富含的孢子花粉来恢复古气候等。

1 石笋石笋古环境重建的原理

不同的地质载体采用不同的测年方法：对新冰芯采用数年层方法，对较老冰芯则采取冰流动模型方法计算年龄，但误差较大；对黄土和深海沉积物则通过古地磁测年；对珊瑚采用U系绝对年龄测试等。在石笋古气候重建中，主要是运用地球化学的知识。石笋是洞穴碳酸钙滴石类的一种典型形态，主要是含有饱和CaCO3的溶液渗入洞穴后，经洞顶裂隙渗水滴落在洞底或其他沉积物上形成极薄水膜，由于溶液中CO2分压远高于洞内大气CO2分压，溶液中的CO2逸出或水分蒸发导致CaCO3过饱和而析出沉淀：2HCO3-+Ca2+→CaCO3+CO2↓+H2O↑。在这个过程中，气候、环境变化作为信号输入端，石笋气候、环境替代指标的变化作为信号输出端，滴水是整个信号传输过程的载体和动力。对石笋的气候、环境替代指标进行分析可以还原气候、环境的变化。即石笋在同位素平衡分馏状态下沉积，可以作为反映气候和环境变化的指标。

2 国内外研究现状

近几年来，人们对于是笋的研究越来越多，利用了很多的代用指标，如温层，稳定同位素，微层等等，研究出了很多成果。但是利用石笋重建古气候主要是通过对其中所含的同位素进行分析即对碳氧同位素进行研究，其中碳同位素研究由于受区域因素的影响很大，其指代意义至今争议很大。然而你氧同位素研究最为最为成熟。

但现在关于氧同位素的指代意义也是有争议的，主要的争议一般分为两种，一种是认为氧同位素指示意义是降水量效应，即季风强势是，降水量越大，氧同位素的值越偏负；季风减弱时，降水量越大，氧同位素的值越偏负。国内外许多学者的研究结果证实了这种说法。另一种说法认为氧同位素的环境指代意义为水汽来源的反应，以亚洲季风区为例，亚洲季风区主要受印度洋水汽和西太平洋水汽的影响，一般认为氧同位素越偏负，指示的水汽来源很远子，在长距离的运移过程中发现多次的蒸发，下降，因此，重的氧同位素在这个过程中不断的下降，轻的氧同位素不断的聚集；氧同位素越偏正，指示的水汽来源很近，因此，重的氧同位素在这个过程中下降的并不多就到达了目的地。近十几年来，多数学者对对中国季风区研究，一般认为氧同位素指示意义是季风的强弱及降水量效应。

Winograd对魔鬼洞石笋研究认为，MIS5开始的时间与海洋和南极冰芯纪录不同，认为时间为147±3ka；依此，更新世气候的变化主要驱动机制与轨道因素无关（2001）。McDermott通过对Crag洞石笋，表明早全新世时段，气候的变化在北大西洋和GRIP冰芯记录具有区域一致性的特点。Fleitmann研究Q5石笋认为在全新世期间，季风区的降水量与格陵兰冰芯记录变化相似，认为该时间段内，季风的强弱与格陵兰冰盖的变化有关，冰盖变大时，反射率加大，气候变冷，季风随之减弱；冰盖变小时，气候变暖，季风随之增强；wang等研究巴西石笋认为自210 ka来，该区的湿润气候记录与其他气候记录一致，认为是热带复合带的南北移动影响，向南移动导致海洋大气系统快速重新组合有关（2004）。杨琰（2009）等通过对贵州衙门洞Y1石笋研究，重建了西南地区末次冰消期至全新世早期（16.2～7.3 ka BP）平均分辨率达9a的亚洲夏季风演化特征。Yuan研究董哥洞与葫芦洞石笋认为16万年以来亚洲季风变化一致，反映了气候系统间的关联（2004）。Wang等（2010）根据6根来自湖北山宝洞的石笋探讨全新世东亚季风的变化过程，指出全新世季风变化分为4个明显阶段，支持ITCZ的变化改变了地位地区季风强弱的变化。

本文着重sofula cave石笋记录与冰芯记录进行对比，分析2.5万年以来气候变化及驱动机制。

3 更新世以来石笋记录研究endprint

Wang研究葫芦洞石笋认为δ18O 与GRIP冰芯中氧同位素记录的D-O事件有关。研究结果与覃嘉铭研究结果相同，认为氧同位素响应了降水量的变化，即冬/夏降水比率的变化。这为亚洲季风区降水强弱和格陵兰温度的变化之间见了联系。

汪永进等人探究南京汤山的石笋，建立了末次冰期中晚期（5.4～1.9 kaBP）中国东部古气候变化序列，发现了在该时段内，亚洲季风活动区域气候变化具有D-O旋回，记录与格陵兰冰芯相似，不同主要表现在，干冷的变化趋势上，中国季风区干冷的变化比它们明显，且相位差在1～2ka，认为可能主要与青藏高原季风强弱有关。

通过对比（图2）可以很明显的看出，石笋记录与冰芯记录有着很好的相关性和同步性，最典型的就是在10～11.5ka之间δ18O出现了明显的偏负情况，说明这一段时期气候急剧转冷，虽然九仙洞的石笋记录有所中断，但是从其变化趋势和他两根石笋的变化趋势有一定的相似性，再从GISP2的记录来看，在此期间冰心的δ18O也出现了急剧的偏负状况。初步分析，可能是此期间气候转冷，而对应的地质历史时期，在11～10kaBP之间发生了一次气候急剧转冷的事件，被称作新仙女木事件（YD），所以，石笋和冰芯记录也恰恰显示出了这一纪录。YD是末次冰期向全新世过渡的急剧升温过程中最后一次快速降温变冷事件，以北大西洋和格陵兰地区表现最为强烈。但是对于新仙女木的驱动机制之间有很多的说法，不同的学者有不同的看法，Mercer认为由于北极冰盖坍塌的冰块汇聚到一起影响产生的，这个说法被许多学者的证明，其中Ruddiman利用深海岩心数据证明了该说法。杨怀仁研究发现，YD时期欧洲北美地区急剧降温与大陆冰盖在消融过程中却出现了短暂的扩张有关。Broecker认为是由于北极地区冰川融化，大量的淡水进入海洋，导致了北大西洋环流发生变化，即温盐环流发生了变化，循环的减慢甚至是停止导致该事件发生。目前对新仙女木事件比较流行的解释认为与北大西洋温盐环流变化有关。

图2显示，在15～17ka之间，三个石笋的记录再一次出现偏负的趋势，其中九仙洞的C996-1石笋，δ18O记录表现的最为强烈；sofular cave的δ18O记录也呈现出了一定的偏负状况，但没有九仙洞表现的明显，可能是由于该洞穴位于亚洲中部地区，受北大西洋环流的影响比较弱；Jerusalem West Cave 位于31。47N，35。9E，靠近地中海，其δ18O记录也偏负，分析可能是由于在冷期受西风带的控制再加上地中海的影响。从冰芯记录也可以明显的看出这一时段，其后明显转冷，而对应的地质历史时期中，在距今16.8kaB.P.发生了H1事件。Heinrich事件以北大西洋发生大规模冰川漂移事件为标志，代表大规模冰山涌进的气候效应而产生的快速变冷事件.总共分为了六次，而本文所探讨的这一时段刚好处于H1时间的时间区间。在中国黄土和北美湖泊岩心等北半球的地质记录中均发现了该时期记录，说明该事件是北半球普遍发生的气候振荡事件。

对于Heinrich事件的控制因素的解释与YD事件产生的驱动机制相同，认为冰盖融化，淡水涌入海洋，海水温度和盐度均发生了大的改变，致使环流变化，致使北大西洋地区变冷。

参考文献

[1] Fairchild I J， Claire L S， Andy B， et al. Modification and preservation of environmentalsignals in speleothems. Earth-Science Reviews， 2006， 75： 105-153.

[2] Thompson L G， Yao T， Davis M E， et al. Tropical climate instability： The last glacial cyclefrom a Qinghai-Tibetan ice core. Science， 1997， 276： 1821-1825.

[3] Wang Y J， Cheng H， Edwards R L， et al. A high-resolution absolute-dated Late Pleistocenemonsoon record from Hulu Cave， China. Science， 2001， 294： 2345-2348.

[4] Yuan D， Cheng H， Edwards R L. Timing， duration and transitions of the last interglacial Asian monsoon. Science， 2004， 304： 575-578.

[5] 杨琰，袁道先，程海，等.末次冰消期亚洲季风突变事件的精确定年：以贵州衙门洞石笋为例[J].中国科学，2010，40，199-210.

[6] 王建力，何潇，王昕亚，等.重庆金佛山石笋的同位素年龄和古气候信息[J].中国岩溶，2005，24：265-269.

[7] 明艳芳.末次冰消期东亚夏季风突变性的石笋年纹层记录[J].南京师大学报， 2003，26：95-105.

[8] Wang X f，Auler A S，Edwards R L， et al.Wet periods in northeastern Brazil over the past210 kyr linked to distant climate anomalies.Nature，2004，432：740-743.

[9] Fleitmann D， Burns S J，Mudelsee M， et al. Holocene Forcing of the Indian Monsoon Recorded in a Stalagmite from Southern Oman.Science，2003，300： 1737-1739.

[10] Beck J W，Richards D A，Edwards R L，et al.Extremely Large Variations of Atmospheric 14C Concentration During the Last Glacial Period.Science，2001，292：2453.endprint

Wang研究葫芦洞石笋认为δ18O 与GRIP冰芯中氧同位素记录的D-O事件有关。研究结果与覃嘉铭研究结果相同，认为氧同位素响应了降水量的变化，即冬/夏降水比率的变化。这为亚洲季风区降水强弱和格陵兰温度的变化之间见了联系。

汪永进等人探究南京汤山的石笋，建立了末次冰期中晚期（5.4～1.9 kaBP）中国东部古气候变化序列，发现了在该时段内，亚洲季风活动区域气候变化具有D-O旋回，记录与格陵兰冰芯相似，不同主要表现在，干冷的变化趋势上，中国季风区干冷的变化比它们明显，且相位差在1～2ka，认为可能主要与青藏高原季风强弱有关。

通过对比（图2）可以很明显的看出，石笋记录与冰芯记录有着很好的相关性和同步性，最典型的就是在10～11.5ka之间δ18O出现了明显的偏负情况，说明这一段时期气候急剧转冷，虽然九仙洞的石笋记录有所中断，但是从其变化趋势和他两根石笋的变化趋势有一定的相似性，再从GISP2的记录来看，在此期间冰心的δ18O也出现了急剧的偏负状况。初步分析，可能是此期间气候转冷，而对应的地质历史时期，在11～10kaBP之间发生了一次气候急剧转冷的事件，被称作新仙女木事件（YD），所以，石笋和冰芯记录也恰恰显示出了这一纪录。YD是末次冰期向全新世过渡的急剧升温过程中最后一次快速降温变冷事件，以北大西洋和格陵兰地区表现最为强烈。但是对于新仙女木的驱动机制之间有很多的说法，不同的学者有不同的看法，Mercer认为由于北极冰盖坍塌的冰块汇聚到一起影响产生的，这个说法被许多学者的证明，其中Ruddiman利用深海岩心数据证明了该说法。杨怀仁研究发现，YD时期欧洲北美地区急剧降温与大陆冰盖在消融过程中却出现了短暂的扩张有关。Broecker认为是由于北极地区冰川融化，大量的淡水进入海洋，导致了北大西洋环流发生变化，即温盐环流发生了变化，循环的减慢甚至是停止导致该事件发生。目前对新仙女木事件比较流行的解释认为与北大西洋温盐环流变化有关。

图2显示，在15～17ka之间，三个石笋的记录再一次出现偏负的趋势，其中九仙洞的C996-1石笋，δ18O记录表现的最为强烈；sofular cave的δ18O记录也呈现出了一定的偏负状况，但没有九仙洞表现的明显，可能是由于该洞穴位于亚洲中部地区，受北大西洋环流的影响比较弱；Jerusalem West Cave 位于31。47N，35。9E，靠近地中海，其δ18O记录也偏负，分析可能是由于在冷期受西风带的控制再加上地中海的影响。从冰芯记录也可以明显的看出这一时段，其后明显转冷，而对应的地质历史时期中，在距今16.8kaB.P.发生了H1事件。Heinrich事件以北大西洋发生大规模冰川漂移事件为标志，代表大规模冰山涌进的气候效应而产生的快速变冷事件.总共分为了六次，而本文所探讨的这一时段刚好处于H1时间的时间区间。在中国黄土和北美湖泊岩心等北半球的地质记录中均发现了该时期记录，说明该事件是北半球普遍发生的气候振荡事件。

对于Heinrich事件的控制因素的解释与YD事件产生的驱动机制相同，认为冰盖融化，淡水涌入海洋，海水温度和盐度均发生了大的改变，致使环流变化，致使北大西洋地区变冷。

参考文献

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[10] Beck J W，Richards D A，Edwards R L，et al.Extremely Large Variations of Atmospheric 14C Concentration During the Last Glacial Period.Science，2001，292：2453.endprint

Wang研究葫芦洞石笋认为δ18O 与GRIP冰芯中氧同位素记录的D-O事件有关。研究结果与覃嘉铭研究结果相同，认为氧同位素响应了降水量的变化，即冬/夏降水比率的变化。这为亚洲季风区降水强弱和格陵兰温度的变化之间见了联系。

汪永进等人探究南京汤山的石笋，建立了末次冰期中晚期（5.4～1.9 kaBP）中国东部古气候变化序列，发现了在该时段内，亚洲季风活动区域气候变化具有D-O旋回，记录与格陵兰冰芯相似，不同主要表现在，干冷的变化趋势上，中国季风区干冷的变化比它们明显，且相位差在1～2ka，认为可能主要与青藏高原季风强弱有关。

通过对比（图2）可以很明显的看出，石笋记录与冰芯记录有着很好的相关性和同步性，最典型的就是在10～11.5ka之间δ18O出现了明显的偏负情况，说明这一段时期气候急剧转冷，虽然九仙洞的石笋记录有所中断，但是从其变化趋势和他两根石笋的变化趋势有一定的相似性，再从GISP2的记录来看，在此期间冰心的δ18O也出现了急剧的偏负状况。初步分析，可能是此期间气候转冷，而对应的地质历史时期，在11～10kaBP之间发生了一次气候急剧转冷的事件，被称作新仙女木事件（YD），所以，石笋和冰芯记录也恰恰显示出了这一纪录。YD是末次冰期向全新世过渡的急剧升温过程中最后一次快速降温变冷事件，以北大西洋和格陵兰地区表现最为强烈。但是对于新仙女木的驱动机制之间有很多的说法，不同的学者有不同的看法，Mercer认为由于北极冰盖坍塌的冰块汇聚到一起影响产生的，这个说法被许多学者的证明，其中Ruddiman利用深海岩心数据证明了该说法。杨怀仁研究发现，YD时期欧洲北美地区急剧降温与大陆冰盖在消融过程中却出现了短暂的扩张有关。Broecker认为是由于北极地区冰川融化，大量的淡水进入海洋，导致了北大西洋环流发生变化，即温盐环流发生了变化，循环的减慢甚至是停止导致该事件发生。目前对新仙女木事件比较流行的解释认为与北大西洋温盐环流变化有关。

图2显示，在15～17ka之间，三个石笋的记录再一次出现偏负的趋势，其中九仙洞的C996-1石笋，δ18O记录表现的最为强烈；sofular cave的δ18O记录也呈现出了一定的偏负状况，但没有九仙洞表现的明显，可能是由于该洞穴位于亚洲中部地区，受北大西洋环流的影响比较弱；Jerusalem West Cave 位于31。47N，35。9E，靠近地中海，其δ18O记录也偏负，分析可能是由于在冷期受西风带的控制再加上地中海的影响。从冰芯记录也可以明显的看出这一时段，其后明显转冷，而对应的地质历史时期中，在距今16.8kaB.P.发生了H1事件。Heinrich事件以北大西洋发生大规模冰川漂移事件为标志，代表大规模冰山涌进的气候效应而产生的快速变冷事件.总共分为了六次，而本文所探讨的这一时段刚好处于H1时间的时间区间。在中国黄土和北美湖泊岩心等北半球的地质记录中均发现了该时期记录，说明该事件是北半球普遍发生的气候振荡事件。

对于Heinrich事件的控制因素的解释与YD事件产生的驱动机制相同，认为冰盖融化，淡水涌入海洋，海水温度和盐度均发生了大的改变，致使环流变化，致使北大西洋地区变冷。

参考文献

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[8] Wang X f，Auler A S，Edwards R L， et al.Wet periods in northeastern Brazil over the past210 kyr linked to distant climate anomalies.Nature，2004，432：740-743.

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