福建仙云洞石笋记录的Termination I事件缓变特征

马 乐，肖海燕，张 鑫，姜修洋,2,3*，蔡炳贵,2,3

(1. 福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007； 2. 福建师范大学 湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室，福建 福州 350007； 3. 福建师范大学 地理研究所,福建 福州 350007)

0 引 言

末次冰期终止事件(Termination I，简称TI)是末次冰期向全新世气候转变的时间节点[1]，其气候变化的全球响应及转型特征是末次冰消期研究的重点。Termination I事件开始于14.7 ka B.P.左右，是末次冰消期北半球最显著的一次升温事件。此时全球海-气系统发生大规模重组，各地气侯变化明显，全球CO2含量突然快速增高，海平面在短时间内显著升高[2-3]。伴随着北大西洋淡水注入的减弱，北大西洋经向环流(AMOC)快速恢复[4]，北大西洋和格陵兰地区温度快速上升[5-6]。热带辐合带(ITCZ)向北移动[7-8]，亚洲夏季风增强[9]，而南美夏季风减弱[10]。南极出现冷逆转[1]，南、北半球气候呈现为“See-saw”模式。

Termination I事件是一个全球性的气候变化事件，但在不同区域的气候响应存在较大差异。格陵兰冰芯记录的Termination I事件转型过程非常迅速，转型时间仅为3 a[11]；也门Moomi洞石笋记录的转型时间为十多年[12]；中国西南地区洞穴记录显示在几十年内完成转变[13-14]，长江中下游地区石笋记录的转型特征则相对缓慢，约为200 a[15-16]；而热带低纬地区的马来西亚Borneo洞石笋记录则揭示出更为缓慢的转型过程，Termination I转型长达千年之久[17]。转型持续时间的差异有可能说明石笋δ18O信号在响应气候敏感性上存在区域差异，也可能是气候突变信号的传播机制导致的。目前关于Termination I事件已有的石笋记录大都来自于中国西南和长江中下游地区，东南沿海地区记录的严重缺失限制了对这一气候事件区域响应的全面了解，进而制约了对Termination I事件区域差异背后存在可能机制的理解。因此，有必要从这一区域获取定年精确和分辨率高的古气候记录进行进一步研究。

本文选取位于中国东南地区典型东亚夏季风影响前沿地带的福建西部仙云洞的两支石笋(样品编号分别为XY11和XYⅢ-21)作为研究对象，建立了12.67～16.10 ka B.P.时段内平均分辨率达十年际的东亚夏季风强度的演变序列，并通过与亚洲季风区已有的高分辨率石笋记录和高、低纬度古气候记录的对比，探讨Termination I事件转型特征的区域差异及可能的影响机制。

1 样品采集与分析方法

本文研究的石笋样品采自福建连城地区东南15 km处的仙云洞(25°33′N，116°59′E)，洞口海拔约为968 m(图1)。溶洞发育于二叠系栖霞组石灰岩中，自洞口向内呈阶梯状下延，全长约2 500 m。洞穴封闭性较好，实测湿度常年接近100%。洞内有若干大小不等的洞厅，且滴水点众多，次生碳酸盐发育良好。洞穴上覆土壤为黄壤，植被繁茂，主要以毛竹林、林下草本植物为主。仙云洞所在的连城地区地理上处于浙闽丘陵，受典型东亚夏季风的影响，因地形因素兼具山地气候特征，全年气候温和，降水充沛，多年平均气温为19 ℃～21 ℃，平均降水量为1 600～1 800 mm，降水集中在4月至10月，占全年70%以上。仙云洞洞内实测气温为17 ℃，与洞外年平均气温相近。

图1 福建连城地区仙云洞地理位置Fig.1 Location of Xianyun Cave in Liancheng Area of Fujian

黑色短线为定年点及定年结果，黑色虚曲线表示沉积间断；a B.P.为相对于公元1950年图2 仙云洞石笋抛光面Fig.2 Photographs of Stalagmites in Xianyun Cave

样品XY11和XYⅢ-21采自仙云洞底部，整体外形均呈圆柱状，分别长538 mm和270 mm，底部直径分别约为80 mm和60 mm(图2)。将石笋沿着中心生长轴切开、抛光。样品的抛光面均光滑且无溶孔，不同生长阶段颜色呈现明暗更替。样品XY11在本文研究层段80～538 mm内存在一暗色间断面，有可能为沉积间断(图2)。

在石笋抛光面上用直径为0.9 mm的牙钻沿着生长轴钻取17个样品用于230Th定年，每个样品质量为30～40 mg，测试工作在台湾大学高精度质谱与环境变迁实验室(HISPEC)完成。分析仪器为MC-ICP-MS Neptune，样品处理及测试方法参考文献[18]，年龄误差类型为±2σ，年龄分析结果见表1。用直径为0.5 mm的牙钻沿着石笋中心生长轴以1 mm为间隔取样，共获取567个氧同位素样品。测试工作在福建师范大学地理科学学院稳定同位素中心完成，使用碳酸盐自动进样装置Kiel IV与Finnigan MAT-253型质谱仪联机完成测试，每9个样品插入1个标准样品(NBS-19)，分析误差(±2σ)优于0.06‰，结果以δ18O(VPDB)标准表示。

2 结果分析

2.1 年龄模式

表1给出了石笋样品XY11和XYⅢ-21的17个230Th实测年龄及其误差范围。年龄分析结果显示，样品XY11的238U含量(质量分数，下同)高，为(16～22)×10-6，而232Th含量较低，为(0.1～23.0)×10-9；样品XYⅢ-21的238U含量更高，为(20～60)×10-6，而232Th含量也较低，为(0.1～1.0)×10-9；两支石笋的测年精度都较高，年龄误差为(±22～±59)a。年龄分析结果表明样品XY11在365 mm确实存在沉积间断，石笋停止生长了约170 a。根据定年点以线性内插法和外推法建立两支石笋的年代标尺。从石笋的年龄-深度曲线(图3)可以看出，样品XY11以沉积间断为界在距顶106～360 mm层段的生长速率约为0.2 mm·a-1，平均分辨率为4.7 a，与该层段石笋抛光面呈现出色泽透明、纹层稀疏相一致；在距顶366～538 mm层段的生长速率约为0.08 mm·a-1，平均分辨率为11.3 a，与该层段石笋抛光面呈现出颜色偏暗、纹层致密相一致。样品XYⅢ-21的沉积速率相对较慢，研究层段平均分辨率约为30 a。

2.2 石笋δ18O记录变化特征

福建仙云洞石笋样品XY11和XYⅢ-21的氧同位素记录随时间的变化序列如图4所示，其记录整体上分为3个阶段。样品XY11记录在14.68～16.10kaB.P.时段，δ18O值整体上更偏正，其值为-5.88‰～-5.23‰，平均值为-5.58‰，对应于Heinrich 1(H1)阶段；在13.85～14.68 ka B.P.时段，δ18O值从整体偏正状态缓慢地转换为整体偏负状态，由-5.34‰偏负至-7.06‰，偏负约1.72‰，对应于Termination I转型阶段，根据内插年龄和定年数据判断此转型过程持续时间为(830±27)a；在12.67～13.85 ka B.P.时段，δ18O值整体偏负，为-7.51‰～-6.70‰，平均值为-7.22‰，对应于Bolling-Allerod(BA)阶段。样品XYⅢ-21记录在整体趋势上一致于样品XY11，显示了长达(850±50)a缓慢的Termination I转型过程，但在细节变化上存在一定差异。已有研究表明洞穴对气候外部的响应和洞穴内部环境都可能对具体的气候信号产生一定影响[7,14]，这可能是仙云洞两支石笋δ18O记录出现偏差的原因。

表1 230Th年龄分析结果

注：w(·)为元素含量；230Th/238U值为活度比；δ234U初始值是根据U-Th年龄获得，U-Th年龄校正假设初始的230Th/232Th原子比为(4±2)×10-6。

误差棒表示石笋230Th年龄分析点及年龄分析误差(±2σ)图3 年龄-深度曲线Fig.3 Curves of Age-depth

3 讨 论

尽管亚洲季风区石笋δ18O值指示意义存在诸多的争议，但是在轨道到千年尺度上的变化通常被解释为反映夏季风强度的变化[7,19-22]。正如Cheng等提出的亚洲季风区石笋记录反映了平均状态下的夏季风强度，而石笋δ18O值在轨道到千年尺度上大范围的区域一致性也可很好地佐证[23-24]。本文跟随先前仙云洞石笋记录的解释[25-27]，将石笋δ18O值作为季风强度的代用指标，即石笋氧同位素值偏负指示季风增强，反之则季风减弱。

3.1 仙云洞记录Termination I转型的缓变特征

此前研究已经表明，石笋记录的末次冰消期亚洲季风在千年、百年尺度事件上与格陵兰冰芯记录具有较好的一致性，表明亚洲季风变化与北高纬气候异常紧密耦合[7,28]。但是，涉及到千年尺度事件的转型过程以及事件内部百年尺度振荡等方面尚存在较大的差异[29]。针对Termination I事件，各地记录的事件开始时间在误差范围内具有同步性，但其转型过程的持续时间却有明显差异。基于GICC05年层时标的格陵兰冰芯(NGRIP)δ18O记录的Termination I转型过程非常迅速，在1～3 a内即可完成[11](图4)。亚洲季风区也门Moomi洞石笋记录在13 a内完成Termination I转型[12](图4),印度Mawmluh洞[30]和Bittoo洞[31]记录与之类似。中国西南地区的贵州衙门洞记录显示在约35 a内完成事件转型[13]，邻近的董哥洞与之相似[14]；而长江中下游地区的石笋记录表明Termination I转型所需的时间超过百年，重庆芙蓉洞[15]、湖北豪猪洞[16]和江苏葫芦洞[7]完成Termination I转型分别需要约160、170和180 a(图4)。相比上述记录，中国福建仙云洞石笋记录的Termination I转型过程表现出更为缓慢的特点，约800 a左右(图4)。样品XY11在Termination I转型阶段共有5个230Th定年点，尽管在这一过程中样品XY11的记录存在约170 a的沉积间断，但样品XYⅢ-21记录同样呈现出约800 a的缓变特征，这说明仙云洞石笋记录的Termination I事件缓变特征是可靠的。中国福建仙云洞Termination I事件缓变特征与低纬马来西亚Borneo洞石笋的记录[17]较相似(图4)。亚洲季风区Termination I事件响应模式的差异有可能说明石笋δ18O记录在响应气候的敏感性上存在区域差异，也可能与气候突变信号传播路径及强度的影响有关。气候突变事件的缓变特征在仙云洞此前研究的Younger Dryas和Heinrich 1事件的结束阶段也同样出现[21]，具有显著的区域特性。

格陵兰冰芯数据引自文献[11]；也门Moomi洞数据引自文献[12]；中国贵州衙门洞数据引自文献[13]，重庆芙蓉洞数据引自文献[15]，湖北豪猪洞数据引自文献[16]，江苏葫芦洞数据引自文献[7]，福建仙云洞数据来自本文；马来西亚Borneo洞数据引自文献[17]。其中，格陵兰冰芯δ18O值采用SMOW标准；其余洞穴δ18O值采用VPDB标准。不同颜色的误差棒为各自石笋记录的年龄分析点及误差(±2σ)；灰色阴影部分涉及Termination I转型过程图4 格陵兰冰芯和不同洞穴石笋的δ18O记录对比Fig.4 Comparison Among δ18O Records of Greenland Ice Core and Stalagmites in Different Caves

3.2 仙云洞Termination I事件缓变特征的机制

前人研究表明末次冰消期亚洲季风千年尺度的变化受控于北大西洋气候变化，北大西洋经向环流变化引起全球大气环流的重组是季风突变事件的主要驱动力[32]。北大西洋深海沉积物231Pa/230Th记录表明Termination I事件开始时北大西洋经向环流恢复并快速增强[2]，北向热量传输的加强使得北大西洋和格陵兰地区温度迅速升高[3-4](图5)。大西洋海表温度(SST)变化引起的经向梯度差致使热带辐合带的平均位置向北偏移，进而调节亚洲季风强度[5-6]。石笋氧同位素记录的负偏开始时间在定年误差范围内与卡里亚科(Cariaco)盆地反照率记录指示的热带辐合带北向偏转时间一致(图5)，这进一步支持北大西洋经向环流通过控制热带辐合带位置间接影响亚洲季风。因此，包括仙云洞在内的亚洲季风区石笋记录的Termination I转型时段季风开始增强主要响应于北高纬气候变化。

不同区域对各种气候胁迫的响应具有复杂性，特别是在远离北大西洋的地区。仙云洞石笋记录所揭示出的Termination I事件缓变特征说明存在北高纬驱动外的其他因子影响中国东南地区石笋氧同位素的变化。位于西太平洋暖池中央的Borneo洞Termination I转型过程[17]同样表现出与仙云洞一致的缓变特征。另外，在西太平洋暖池边缘的Tangga洞[33]和Palawan洞[34]石笋记录的Younger Dryas事件的结束也呈现出有别于北大西洋气候突变的缓变特征。这说明仙云洞与低纬地区洞穴石笋记录对源于北大西洋突变事件的响应均呈现出缓变特征。此前，Partin等的模型模拟也表明受热带西太平洋水文气候影响的低纬地区对气候突变信号的响应更缓慢，低纬水文气候受半球尺度温度变化影响，比受海冰变化影响大的高纬地区需要更长的调整时间[34]。婆罗洲石笋记录研究发现热带西太平洋水文气候对北高纬DO信号响应微弱[35]，这可能也说明了热带西太平洋对于高纬气候突变信号具有一定的反制和抵消作用。仙云洞石笋记录的Termination I事件缓变特征与热带西太平洋深海沉积物Mg/Ca值海表温度记录(图5)的缓慢增温[36-37]一致。Griffiths等研究表明，热带太平洋海-气系统对冰盖变化不敏感，主要响应于太阳辐射的岁差周期，而此时北半球太阳辐射强度正处于缓慢增强的趋势[38]。热带西太平洋处于众多水文气候的交汇点，是东亚季风区重要的热量和水汽来源，其海表温度和海平面气压的变化对大尺度大气环流和全球水文影响很大[39]。现代气象数据和模型模拟表明西太平洋暖池中高的海表温度会加强上层对流，改变副热带高气压带的位置和强度，进而对东亚季风产生影响[40]。因而，推断仙云洞Termination I事件缓变特征有可能受到了热带低纬海-气耦合的影响。

4 结 语

(1)中国东南地区福建仙云洞石笋样品XY11和XYⅢ-21记录了12.67～16.10 ka B.P.时段定年精度优于50 a、平均分辨率达7 a的东亚夏季风强度变化，清晰地捕捉到了该区Termination I转型的详细变化过程。TerminationI转型阶段，仙云洞石笋δ18O值在约800 a的时间内从-5.0‰缓慢偏负至-7.0‰，振幅约为2‰。

格陵兰冰芯数据引自文献[11]，δ18O值采用SMOW标准；福建仙云洞数据来自本文，δ18O值采用VPDB标准；北大西洋深海沉积物231Pa/230Th值引自文献[2]；卡里亚科盆地反照率记录引自文献[6]；海表温度记录来自西太平洋暖池MD98-2181[31]和苏禄海MD97-2141[32]。不同颜色的误差棒为各自石笋记录的年龄分析点及误差(±2σ)；黑色箭头指示缓慢上升趋势图5 仙云洞石笋δ18O记录与其他古气候记录对比 Fig.5 Comparison Among δ18O Records of Stalagmites in Xianyun Cave and Other Climate Records

(2)中国福建仙云洞石笋记录的Termination I事件缓变过程(约800 a)比也门Moomi洞(约13 a)以及中国贵州衙门洞(约35 a)、重庆芙蓉洞(约160 a)、湖北豪猪洞(约170 a)和江苏葫芦洞(约180 a)的记录长很多。在定年误差范围内，仙云洞石笋记录的Termination I事件开始时间与格陵兰冰芯记录一致，表明Termination I转型时段东亚夏季风的开始增强响应于北高纬气候变化。仙云洞石笋揭示出的Termination I事件缓变特征明显有别于北高纬的突变特征，但这一缓变特征与热带西太平洋海表温度记录相似。因此，仙云洞Termination I事件缓变特征可能受到了热带低纬海-气耦合的影响。

台湾大学高精度质谱与环境变迁实验室沈川洲教授和周於蓁研究助理测试了本文230Th年龄，在此表示感谢！