DO4事件的精确定年及亚旋回特征： 来自福建龙岩仙云洞石笋的证据*

车印平 肖海燕 姜修洋，2 蔡炳贵，3

1 福建师范大学地理科学学院，福建福州 350007 2 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

1 概述

深海氧同位素3阶段(Marine Isotope Stage 3，简称为MIS3)的气候突变事件一直以来都是古气候研究的热点，这些气候突变事件对全球气候变化产生了深远影响(Voelker，2002)，并在东亚季风区石笋记录中存在明显的印迹(刘殿兵等，2008；赵侃等，2008；Zhaoetal.， 2010；崔英方等，2011；何尧启和姜修洋，2012；Duanetal.， 2014；陈琼等，2014；王权等，2017)。然而，已有的记录由于定年方法和样品分辨率不同，使得对DO事件(Dansgaard-Oeschger event)年龄的认识还存在一定差异。前人研究发现，在年龄误差范围内相对于格陵兰NGRIP冰芯记录，神农架青天洞石笋记录的DO3事件偏早约300 yr(王权等，2017)，川东北仙人洞石笋记录的DO4事件和DO5事件峰值时间分别偏年轻约300 yr和500 yr(陈琼等，2014)；葫芦洞石笋记录在DO4事件顶点年龄上比格陵兰冰芯时标(SS09sea)偏早约800 yr(赵侃等，2008)。类似的差异同样存在于DO1事件(Shenetal.， 2003)、DO12事件(Caietal.， 2006)、DO16事件(Lietal.， 2017)、DO18事件(张伟宏等，2018)、DO19与DO20事件(夏志峰等，2006)。尤其是DO4事件年龄在中国季风区石笋记录中相差甚大，一定程度上影响了对DO4事件在细节上的进一步认识。

在先前的研究中，中国季风区记录关于DO事件的变化特征和亚旋回结构研究也取得了较大进展。研究表明，在DO3事件(王权等，2017)、DO4事件(陈琼等，2014)、DO5与DO6事件(Zhouetal.， 2014)、DO12事件(Caietal.， 2006)、DO14事件以及DO16事件(Lietal.， 2017)的开始阶段具有不同于北高纬的快速突变特征。湖北永兴洞石笋记录了DO9事件和DO12事件内部具有一系列亚旋回结构，DO13、DO14、DO15事件内部表现为显著的“双峰结构”(刘殿兵等，2008)。永兴洞石笋记录表明在DO18事件结束阶段存在5次百年尺度季风增强振荡事件(张伟宏等，2018)。另外，黔北三星洞石笋记录的DO8事件(何尧启和姜修洋，2012)和DO24事件(王晓艳等，2015)内部具有4次亚千年尺度旋回事件。然而，DO4事件变化特征和内部结构如何？这尚需要更多高精度定年和高分辨率的地质记录做进一步研究。

文中选取位于中国东南地区福建西部仙云洞一支石笋(编号： XYⅢ-28)，通过230Th测年和氧同位素测试，获得6个高精度230Th年龄和188个δ18O 数据结果，重建了中国东南地区29.13～27.94ikyriB.P.期间平均分辨率达7iyr的东亚夏季风时间演化序列。该序列完整的记录了DO4事件，并捕捉到数次百年至十年际尺度的气候振荡事件。通过与已发表的高低纬古气候记录对比，探讨DO4事件的结构特征及可能存在的驱动机制。

2 研究区概况

仙云洞(116°59′E，26°33′N)位于福建省龙岩市偏北约50ikm处，海拔约为970im，属于湿润亚热带季风气候区(图 1)。该地7月份和1月份平均气温分别为27.2i℃、11.3i℃，年平均气温为19.9i℃；年平均降水量为1690imm，主要集中于4—10月份。溶洞发育于二叠系栖霞组石灰岩中，洞穴为3层阶状廊道式溶洞，洞穴封闭性较好，洞道探明总长度约为2470im(张富强等，2018)。洞内实测温度为17.5i℃，相对湿度接近100%(2016年3月—2018年6月测定)。上覆土壤以黄壤为主。植被发育良好，以亚热带常绿阔叶林为主。

五角星为仙云洞位置，黑色圆点分别为葫芦洞、青天洞、三宝洞、雾露洞、大石包洞的位置，虚线表示现代季风边界线，黑色虚线箭头分别表示东亚夏季风、印度夏季风和冬季风图 1 福建龙岩仙云洞地理位置Fig.1 Location of Xianyun Cave in Longyan City，Fujian Province

黑色线段表示测年点，黑色虚线表示沉积间断，中间断裂为石笋上下2节拼接处，390～449imm为DO4事件突变过程层段图 2 福建龙岩仙云洞XYⅢ-28石笋抛光面照片Fig.2 Photo for polished surface of stalagmite XYⅢ-28 from Xianyun Cave in Longyan City，Fujian Province

3 样品和测试方法

XYⅢ-28石笋采自该洞穴底部，总长为765imm，顶部直径约为70imm，底部直径约为90imm。沿着石笋生长轴切开并抛光，抛光面呈白色和透明状相间分布(图 2)。距顶部305imm和496imm处分别存在1个风化层面，有可能为沉积间断。石笋抛光面生长致密、无溶孔，石笋由纯净的方解石晶体组成。

本研究选取XYⅢ-28石笋300～500imm层段，在抛光面上，用直径0.9imm的牙钻共取得6个石笋粉末样品用于230Th定年，分析仪器为MC-ICP-MS Neptune，在台湾大学地质系高精度质谱与环境变迁实验室(HISPEC)测试完成，年龄分析误差为±2σ，方法参照Shen等(2003)。沿石笋生长中轴线用0.5imm钻头以1imm为平均间隔共采集188个石笋粉末样品用于氧同位素分析，利用连续流Gasbench装置与Finnigan MAT-253型质谱仪联机测试，每9个样品加测1个标准样品(NBS-19)，结果以δ18O(‰，VPDB)表示，计算公式为δ18O=[(18O/16O样品)/(18O/16O标准)-1]×1000，分析误差(±2σ)优于0.06‰，在福建师范大学同位素中心测试完成。

表 1 福建龙岩仙云洞XYⅢ-28石笋230Th测年结果Table1 230Th dating results for stalagmite XYⅢ-28 from Xianyun Cave in Longyan City，Fujian Province

4 结果

4.1 230Th年龄和时间标尺

误差棒表示石笋230Th测年点及测年误差(±2σ)图 3 福建龙岩仙云洞石笋XYⅢ-28年龄—深度曲线Fig.3 230Th dating-depth curve of stalagmite XYⅢ-28 from Xianyun Cave in Longyan City，Fujian Province

表 1给出了XYⅢ-28石笋在300～500imm层段的6个U-Th含量数据和实测年代以及误差范围(±2σ)。定年结果显示，XYⅢ-28石笋238U含量高(9.7～19iμg/g)，232Th含量低((0.05～0.1)×10-3iμg/g)，230Th定年精度高，均优于0.5%。根据表 1 测年结果分析，在距顶部302～305imm和496～499imm确实存在沉积间断，这与石笋抛光面所反映的岩性相符合(图 2)。文中主要分析2个沉积间断面之间(308～495imm)的石笋层段。根据线性内插和外推法建立XYⅢ-28石笋该层段的时间标尺(图 3)，从而获得了29.13～27.94ikyriB.P.时段平均分辨率达7 yr的氧同位素序列。仙云洞石笋XYⅢ-28定年精度高，误差在±53～76 yr。从年龄—深度图(图 3)可知，在308～495imm层段，石笋生长速率为157.6imm/kyr。

a—格陵兰NGRIP冰芯 δ18O 记录(Rasmussen et al.， 2008)；b—青天洞QT15石笋 δ18O 记录(王权等，2017)；c—仙云洞XYⅢ-28石笋 δ18O 记录。红色误差棒为石笋测年点及误差(±2σ)； 黑色箭头表示DO4事件的开始过程， 灰色矩形框为QT15石笋可能存在的沉积间断图 4 福建龙岩仙云洞石笋 δ18O 记录的DO4事件与其他记录对比Fig.4 Comparison of the Dansgaard-Oeschger event 4(DO4) recorded by δ18O from other records and Xianyun Cave in Longyan, Fujian Province

4.2 石笋氧同位素记录及其意义

图 4-c给出了仙云洞石笋XYⅢ-28δ18O 的时间演化序列。在29.13～28.83ikyriB.P.时段，石笋δ18O 整体偏正，在-6.6‰～-7.3‰之间波动，平均值为-6.9‰；在28.83～28.46ikyriB.P.时段，石笋δ18O 整体偏负，变化范围为-6.8‰～-7.5‰，平均值为-7.2‰；在28.46～27.94ikyriB.P.时段，石笋δ18O 整体偏正，在-6.1‰～-7.3‰之间波动，平均值为-6.9‰，在28.04ikyriB.P.左右，石笋δ18O 值约为-7.1‰，较平均值偏负0.4‰，与具有年层时标的神农架青天洞记录(QT15)的DO3事件开始阶段(28.04ikyriB.P.)一致，这可能是仙云洞石笋XYⅢ-28记录到DO3事件的开始阶段。已有的研究结果表明，亚洲季风区石笋氧同位素在轨道尺度、千年尺度和百年至十年际尺度上主要反映了夏季风强度变化信息(Wangetal.， 2001，2008；Zhangetal.， 2008；Chengetal.， 2012，2016)。当石笋δ18O 值偏负时，指示夏季风增强，反之则指示夏季风减弱。

5 讨论

5.1 DO4事件年龄和变化特征

先前的研究表明，中国季风区石笋δ18O 记录的CIS事件(Chinese Interstadails，简称CIS事件)与格陵兰冰芯记录的千年尺度气候事件(Greenland Interstadails，简称GIS事件)一一对应(刘殿兵等，2008；崔英方等，2011；Liuetal.， 2010)。已发表的高分辨率湖北神农架三宝洞、贵州大石包洞及雾露洞石笋δ18O 记录的DO4事件起止时间分别为29.04～28.65ikyriB.P.、29.06～28.63ikyriB.P.、29.03～28.52ikyriB.P.，与格陵兰NGRIP冰芯δ18O 记录(28.87～28.47ikyriB.P.)还存在一定差别，这可能与样品分辨率和定年方法具有一定关系。此外，具有年层时标的青天洞QT15石笋记录(图 4-b)，由于在DO4事件前后可能存在短暂的沉积间断，从而未能完整地刻画DO4事件的变化过程(王权等，2017)。因此，关于DO4事件的起止年龄尚需要更高精度定年和高分辨率的记录进一步完善。文中重建的高分辨率仙云洞XYⅢ-28石笋δ18O 记录在28.83～28.46ikyriB.P.时段整体负偏，清晰地记录了DO4事件(图 4-c)。根据气候突变过程中间点的位置标定DO4事件的开始时间为28.83±0.06ikyriB.P.，结束时间为28.46±0.06ikyriB.P.，持续时间为0.37±0.06ikyr，与格陵兰NGRIP冰芯δ18O 记录(图 4-a)基本一致。

在DO4事件开始阶段(28.83～28.68ikyriB.P.)的145iyr期间，仙云洞XYⅢ-28石笋δ18O 记录从-7.0‰缓慢偏负至-7.4‰，相对振幅为0.4‰，表现为DO4事件缓慢开始的特征，指示了东亚夏季风逐渐增强。然而，北高纬格陵兰GICC05年层计数时标的NGRIP冰芯δ18O 记录快速升温(60 yr)，已发表的湖北神农架青天洞(王权等，2017)和三宝洞、贵州大石包洞、雾露洞(Zhaoetal.， 2010)石笋δ18O 记录分别在59 yr、69 yr、56 yr、51 yr内快速进入DO4事件。位于中国东南地区仙云洞石笋δ18O 记录的DO4事件与较高纬度的地质记录呈现出不一致的变化特征，这可能说明中国东南地区仙云洞石笋δ18O 记录还受到来自北高纬之外因素的影响。最近，崔梦月等(2018)基于仙云洞与其他亚洲季风区石笋记录和北高纬记录对比发现，仙云洞记录的新仙女木事件与靠近热带西太平洋的菲律宾Palawan洞穴石笋(Partinetal.， 2015)具有明显的缓变特征。Partin等(2015)根据模型模拟认为，受热带西太平洋水文过程影响的低纬地区相较于受海冰影响的高纬地区在应对气候突变的时间上历时更长。中国南海钻孔记录(Oppo and Sun，2005)表明，位于低纬热带西太平洋的中国南海在DO4事件时期表现为缓慢增温的过程。因此，推断受热带低纬海气耦合影响，位于中国东南地区的仙云洞石笋记录在DO4事件开始阶段表现为缓变特征。

a—格陵兰NGRIP δ18O 记录(Rasmussen et al.， 2008)；b—仙云洞 δ18O 记录；c—阿拉伯海海盆反照率记录(Deplazes et al.， 2013)。灰色曲线为三点平滑数据，红色和棕色曲线为原始数据；红色误差棒为石笋的测年点及误差(±2σ)图 5 福建龙岩仙云洞石笋 δ18O 记录与高低纬气候记录对比Fig.5 Comparison of δ18O record from Xianyun Cave in Longyan City of Fujian Province，and high-low latitude climate records

5.2 DO4事件亚旋回结构

高精度定年和高分辨率的仙云洞石笋δ18O 记录清晰捕捉到DO4事件内部及附近具有一系列百年至十年际尺度旋回事件，振幅为0.2‰～0.5‰(图 5-b)。仙云洞石笋记录和反映极地温度变化的格陵兰NGRIP冰芯δ18O 记录(Rasmussenetal.， 2008；Svenssonetal.， 2006)以及指示赤道辐合带(ITCZ)平均位置的阿拉伯海海盆反照率记录(Deplazesetal.， 2013)对比发现，仙云洞石笋记录与格陵兰温度变化和ITCZ位置在百年至十年际尺度事件上存在紧密的关系。仙云洞石笋δ18O 记录在典型的DO4事件内部存在2个百年至十年际尺度事件(图 5-b)，与格陵兰NGRIP冰芯δ18O 记录(图 5-a)、阿拉伯海海盆反照率记录(图 5-c)一一对应。另外，在DO4事件向DO3事件过渡阶段存在数次百年至十年际尺度事件，与格陵兰NGRIP冰芯δ18O 记录、阿拉伯海海盆反照率记录同样对应。前人研究认为亚洲季风区石笋记录和极地温度变化与ITCZ位置移动在DO事件的亚旋回阶段上存在紧密耦合(Liuetal.， 2010；何尧启和姜修洋，2012；王晓艳等，2015)。其可能的机制是北高纬冰量的变化引起了北大西洋地区淡水注入的变化，进而使北大西洋经向环流(AMOC)减弱(增强)(Rahmstorf，2002)，亚洲冬季风增强(减弱)，ITCZ位置南移(北移)(Deplazesetal.， 2013)，东亚夏季风(EASM)减弱(增强)，石笋δ18O 偏正(偏负)。

6 结论

基于高分辨率福建仙云洞石笋记录的DO4事件分析，初步得出以下结论：

1)仙云洞XYⅢ-28石笋记录的DO4事件起止年龄分别为28.83±0.06ikyriB.P.、28.46±0.06ikyriB.P.，持续时间为0.37±0.06ikyr。仙云洞石笋记录的DO4事件最为显著的特征是在开始阶段(28.83～28.68ikyriB.P.)的145±60iyr内缓慢偏负0.4‰。相比基于GICC05年层计数时标的格陵兰NGRIP冰芯δ18O 记录的DO4事件开始时间(60iyr)要长的多。

2)仙云洞XYⅢ-28石笋δ18O 记录揭示出在DO4事件内部及附近存在一系列百年至十年际尺度的季风增强事件，与格陵兰NGRIP冰芯δ18O 记录、阿拉伯海海盆反照率记录的DO4事件内部及附近的百年至十年际尺度事件在定年误差范围内相对应，表明东亚夏季风强度与极地温度变化和ITCZ位置移动存在紧密的联系。

致谢感谢台湾大学沈川洲教授在定年上提供的帮助。