（海洋地质专业论文）晚第四纪南沙热带海区千年尺度的气候波动.pdf

摘要 摘要 本次研究利用南海热带海区m d 0 5 2 8 9 6 9 7 站位的多种替代性指标，包括 浮游和底栖有孔虫壳体的氧同位素、gr u b e rm g c a 比值、u 嘉指标以及陆源烷烃 丰度来重建该区2 0 万年以来轨道尺度和千年尺度上的气候变化历史。 东亚冬季风驱动强劲的西部边界流，将大量表层冷水从南海北部运移到南 海南部，并在越南岸外形成一个独特的冬季“冷舌”区。“冷舌 区的表层海水 温度( s s t ) 完全受控于冬季风风力强度。因此，只要再造“冷舌 区在地质历史 时期的发育情况，就能追踪东亚冬季风的演变历史。通过比较多种海水古温度 指标，我们发现利用冬季u 嘉s s t 校正公式计算得到的古温度序列最适合用来反 应“冷舌 区的发育程度。南海南部一系列的u 嘉s s t 记录显示，在末次冰期的 h e i m - i c h 事件期间，“冷舌”区得到间歇性增强，特别是在h e i n r i c h1 事件时， “冷舌 区s s t 降到整个末次冰期的最低水平，同时南海沉积物中的 p a c h y d e r m a ( d e x t r a l ) 丰度显著增多。因此，可以推测东亚冬季风在h e i n r i c h 事件 期间得到增强，并在h e i m i c hl 时强度达到最大，对应于末次冰期时热带一亚热 带地区最干旱的气候条件。这些现象说明北大西洋地区冰筏碎屑事件与东亚冬 季风存在紧密联系。h e i n r i c h 事件期间，西风带和西伯利亚高压增强并向南位移， 以及h a d l e y 环流的增强都有助于东亚冬季风的强化。 不同于传统观点，我们认为在热带南沙海区，6 埽o 僻口b l i q u i l o c u l a t a - g 砌纠主要 代表上层水柱垂向盐度梯度的变化，因此可以反应该区季风降雨过程。m i s 6 晚 期以来，热带西太平洋的降雨量和南亚季风强度总体上在持续增加。且在氧同 位素3 早期，特别是在5 4 0 - 4 2 0k ab p 期间，南海南部出现超强季风降雨过程， 表层海水显著淡化、生源蛋白石通量和河流带来的陆源细颗粒物质显著增加。 在南海和苏禄海，千年尺度上的表层海水盐度波动与格陵兰岛以及北大西洋的 d o 事件和h e i n r i c h 事件紧密相关。大致上表层海水在h e i n r i c h 事件期间变咸， 在d o 事件期间变淡。这些现象可以用i t c z 的经向位移来解释。低纬边缘海的 记录表明南北半球季风降雨“跷跷板 假说( w a n gx e ta 1 ，2 0 0 6 ) 在千年尺度的事 件上是成立的。然而这种假说并不适用于轨道尺度上亚洲一澳大利亚季风系统 的变化。很多证据表明，由于源自北半球穿越赤道流的影响，澳大利亚夏季风 强度受控于北半球冬季太阳辐射量而不是南半球夏季太阳辐射量。 摘要 南海南部多个替代性指标清晰地展示了海洋型与季风型t e r m i n a t i o ni i 的区 别。即海洋型t e r m i n a t i o ni i 发生在1 3 5 1 2 6k ab p 期间，是一个全球冰盖逐渐消 融的过程。而季风型t e r m i n a t i o ni i 发生在1 2 9 1 2 8k ab p 期间，季风降雨突然增 强并随后进入末次间冰期，而此前是一个东亚夏季风的极弱期。我们的记录证 实s p e c m a p 时间标尺在t e r m i n a t i o ni i 时候是正确的。此外，底栖有孔虫氧同 位素和u 嘉s s t 记录显示全球冰盖消融与热带海区表层海水温度变化在 t e r m i n a t i o ni i 时是同步进行的。 基于沉积物中烷烃组合方式的多个参数表明，氧同位素3 期时南海南部周 边地区植被类型没有什么改变。长链正构烷烃的丰度变化基本不受沉积速率和 源区植被的影响，可以良好的反应河流输入量的大小，因此可以用来指示南海 南部海平面的相对变化。在整个氧同位素3 期，m d 0 5 2 8 9 7 站位的烷烃输入量 记录与大多数重建的海平面变化记录吻合良好。在h e i n r i c h5 和5 a 事件期间， 烷烃输入量持续减少，并在h e i n r i c h 事件结束时降至最低。说明在千年尺度上， 海平面的快速上升阶段分别对应于北半球的冷期和南半球的暖期，这与先前大 多数的研究结论一致。在m i s 4 3 过渡期，陆源烷烃输入量记录显示h e i n r i c h6 事件之后，海平面依旧在持续上升，这与s p e c m a p 记录在相位和时间上都相 吻合。 关键词：南海，东亚季风，第四纪，快速气候变化，海平面 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i p r o x yr e c o r d sf r o ms e d i m e n tc o r em d 0 5 2 8 9 6 9 7 ，i n c l u d i n gf i ；s 0r e c o r d s o fp l a n k t o n i ca n db e n t h i cf o r a m i n i f e r a ，gr u b e rm g c a - d e r i v e da n du 嘉d e r i v e ds e a s u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) s e q u e n c e sa sw e l la st e r r i g e n o u s 玎一a l k a n ea b u n d a n c e r e c o r d s ，h a v eb e e ne m p l o y e dt or e c o n s t r u c to r b i t a l a n dm i l l e n n i a l s c a l ec l i m a t i c o s c i l l a t i o n si nt h et r o p i c a ls o u t hc h i n as e a ( s c s ) o v e rt h ep a s t2 0 0k a t h ee a s ta s i a nw i n t e rm o n s o o n ( e a w m ) a d v e c t sm a s s e so fc o l dw a t e r sf r o m t h en o r t h e r ns c st ot h es o u t hv i at h es o u t h w a r dw e s t e r nb o u n d a r yc u r r e n t ，r e s u l t i n g i nad i s t i n c t “c o l dt o n g u e ”i nt h es o u t h w e s t e r ns c so f ft h ev i e t n a mc o a s t t h e “c o l d t o n g u e ”s s ti sd e t e r m i n e db yt h ew i n t e rw i n ds p e e do v e r r i d i n gi t t h e r e b y ，t h e t e m p o r a ld e v e l o p m e n to f t h e c o l dt o n g u e c o u l db eu t i l i z e dt or e f l e c tp a s tc h a n g e si n t h ee a w mi n t e n s i t y b yc o m p a r i n gav a r i e t yo fp a l e o t h e r m o m e t r y ，w ef i n d 峭一s s t r e c o r da r e rw i n t e ru 嘉s s tc a l i b r a t i o ni st h eo p t i m u mp r o x ya tp r e s e n tt h a tc o u l db e u t i l i z e dt or e f l e c tw i n t e rs s tv a r i a t i o n si nt h es o u t h e r ns c s an u m b e ro fu 等s s t r e c o r d sr e v e a lt h a tt h e c o l dt o n g u e i se p i s o d i c a l l ye n h a n c e dd u r i n gh e i n r i c h i n t e r v a l so ft h el a s tg l a c i a t i o n , e s p e c i a l l yd u r i n gh e i n r i c h1 e p i s o d e ，t h e “c o l d t o n g u e ”s s tf e l ld o w nt ot h em i n i m u mo ft h ee n t i r el a s tg l a c i a t i o n ，a s s o c i a t i n gw i t h i n c r e a s i n g p a c h y d e r m a ( d e x t r a l ) f l u xi nt h es c s t h e r e b y , w ec o n c l u d et h a tt h e i n t e n s i t yo ft h ee a w mw a ss i g n i f i c a n t l ye n h a n c e dd u r i n gh e i n r i c hi n t e r v a l so ft h e l a s tg l a c i a t i o n , a n dr e a c h e si t sm a x i m u md u r i n gh e i n r i c h1e v e n t ，c o r r e s p o n d i n gt o t h ed r i e s tc o n d i t i o n si nt h es u b t r o p i c a l t r o p i c a la r e a s a l lt h e s ep h e n o m e n ai m p l ya l i n k a g eb e t w e e nt h em a s s i v ei c e b e r gd i s c h a r g e si nt h en o r t ha t l a n t i ca n dt h ee a s t a s i a nm o n s o o ns y s t e m i n c r e a s e si nt h ei n t e n s i t ya n d o ras o u t h w a r dd i s p l a c e m e n to f t h ew e s t e r l i e sa n ds i b e r i a nh i 曲，a sw e l la st h ee n h a n c e dh a d l e yc i r c u l a t i o na r e c o n s i d e r e dt or e i n f o r c et h ee a w m d u r i n gt h eh e i n r i c hi n t e r v a l s i nc o n t r a s tt ot h et r a d i t i o n a ln o t i o n ，w er e i n t e r p r e t 6 18 0 僻口咖甜触腓g 用a s h i a b s t r a c t a l li n d i c a t o ro ft h eu p p e ro c e a ns a l i n i t yg r a d i e n ti nt h et r o p i c a ls c s ，a n dt h u sb e c o r r e l a t e dt ol o c a lm o n s o o np r e c i p i t a t i o nv a r i a t i o n s p r e c i p i t a t i o ni nt h et r o p i c a l w e s t e r np a c i f i ca n dt h ei n d i a ns u m m e rm o n s o o ni n t e n s i t ya r es e c u l a r l ye n h a n c e d s i n c et h el a t em i s 6 d u r i n gt h ee a r l ym i s 3 ，e s p e c i a l l yd u r i n g5 4 0 4 2 0k ab p ， m o n s o o np r e c i p i t a t i o ni nt h et r o p i c a ls c si sg r e a t l ye n h a n c e d ，c h a r a c t e r i z e db y s i g n i f i c a n tf r e s h e n i n go ft h es u r f a c ew a t e rc o n d i t i o n s ，i n c r e a s i n gb i o g e n i co p a lf l u x a n dr i v e rd i s c h a r g e m i l l e n n i a l s c a l eo s c i l l a t i o n si ns u r f a c ew a t e rc o n d i t i o n so ft h e s c sa n ds u l us e aa r et i g h t l yc o r r e l a t e dt od oa n dh e i n r i c he v e n t si ng r e e n l a n da n d n o r t ha t l a n t i c u s u a l l ys a l t ys u r f a c ec o n d i t i o n sc o r r e s p o n dt oh e i n r i c he v e n t s ，w h i l e f r e s h e n i n gc o n d i t i o n sa r ec o n s i s t e n tw i t hd oe v e n t s ，w h i c hw e r ei n d u c e db y m e r i d i o n a ld i s p l a c e m e n t so ft h ei t c z o u rr e c o r d ss u p p o r tt h a tt h ei n t e r h e m i s p h e r i c s e e - s a wp a t t e r no ft r o p i c a l h y d r o l o g i c a lc y c l e s ( w a n gx e ta 1 ，2 0 0 6 ) o n m i l l e n n i a l s c a l e h o w e v e r , t h ea n t i c o r r e l a t e dr e l a t i o n s h i po fm o n s o o np r e c i p i t a t i o n i nt w oh e m i s p h e r e si s n t a p p l i c a b l et ot h ea s i a n - a u s t r a l i a nm o n s o o ns y s t e mo n o r b i t a l s c a l e ，a st h ea u s t r a l i a ns u m m e rm o n s o o ni n t e n s i t yi sd e t e r m i n e db yb o r e a l w i n t e ri n s o l a t i o nr a t h e rt h a nb ya u s t r a ls u m m e ri n s o l a t i o n c o r e g i s t e r e db e n t h i ca n dp l a n k t o n i c8 1 8 0a sw e l la s 壕s s tr e c o r d sf r o mt h e s o u t h e r ns c se x p l i c i t l ye x h i b i tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm a r i n ea n dm o n s o o n t e r m i n a t i o ni i m o n s o o nt e r m i n a t i o ni i i sc h a r a c t e r i z e db ya na b r u p to n s e ta t 1 2 9 1 2 8k ab p ，a n dap r e c e d i n gw e a km o n s o o ni n t e r v a l ( c h e n ge ta 1 ，2 0 0 6 ) ；w h i l e m a r i n et e r m i n a t i o ni i i sc h a r a c t e r i z e db yag r a d u a lg l o b a ls e a - l e v e lr i s ed u r i n g 1 3 5 1 2 6k ab p 。o u rr e c o r d sa l s oc o n f i r mt h a tt h es p e c l 心t i m e s c a l ei ss t i l l r e l i a b l ea tt e r m i n a t i o ni i m o r e o v e r , w ef m dc h a n g e si ng l o b a li c ev o l u m ea n ds s ti s s y n c h r o n o u sa c r o s st h ep e n u l t i m a t ed e g l a c i a t i o n m u l t i i n d e xb a s e do nt h et e r r i g e n o u s 刀- a l k a n ec o m p o s i t i o n si m p l i e sl i m i t e d c h a n g e si nv e g e t a t i o nt y p e sa r o u n dt h es o u t h e r ns c st h r o u g h o u tm i s 3 l o n g c h a i n 刀一a l k a n ea b u n d a n c ei nt h es e d i m e n t ，w h i c hi su n a f f e c t e db yp a s tc h a n g e si n s e d i m e n t a t i o nr a t e sa n dv e g e t a t i o n , t u r n e do u tt ob eag o o dt r a c e ro ft e r r i g e n o u si n p u t ， a n dt h u sc o u l db eu s e dt oi n d i c a t er e l a t i v es e al e v e lc h a n g e si nt h et r o p i c a ls c s i v a b s t r a c t d u r i n gm i s 3 ，o u r 疗一a l k a n ea b u n d a n c er e c o r dc l o s e l y r e s e m b l e sav a r i e t yo f r e c o n s t r u c t e ds e al e v e lr e c o r d s 刀一a l k a n ea b u n d a n c eg r a d u a l l yd e c r e a s e st oi t s m i n i m u ma c r o s sh e i n r i c h5a n d5 ai n t e r v a l s ，i m p l y i n gt h ef u l lr i s ei ns e al e v e l c o r r e s p o n d e d t o w a r m i n gp h a s e i na n t a r c t i cw h i l ec o l d p h a s ei n n o r t h e r n h e m i s p h e r e ，w h i c hi si na c c o r dw i t hm o s tp r e v i o u ss t u d i e s a tt h em i s 4 3t r a n s i t i o n , t h e 刀- a l k a n ea b u n d a n c er e c o r ds u g g e s t sp e r s i s t e n ts e al e v e lr i s ea f t e rh e i n r i c h6e v e n t ， w h i c hi si n g o o dc o n s i s t e n c ew i t ht h es p e c m a pr e c o r d b o t hi nt i m i n ga n d m a g n i t u d e k e yw o r d s ：s o u t hc h i n as e a ，e a s ta s i a nm o n s o o n , q u a t e r n a r y , r a p i dc l i m a t ec h a n g e ， s e a - l e v e l 、3 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：名。哒呜 夕钨肘7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人仓i j 作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 冶鲤坼 叫年肌7 日 第1 章前言 第1 章前言 季风是全球热带一亚热带地区最重要最基本的水文循环过程，通过输送大 量的水汽和热量，沟通低纬海洋和中高纬地区的联系。因此，季风系统及其变 率是全球变化研究的一项重要课题，长期以来吸引了一大批现代和古代气候学 研究者的兴趣。传统观点认为大陆和海洋压力场的季节性转变，是季风形成的 原因。夏季太阳辐射量较高时，由于大陆热容量小，形成近地面低压区，源白 海洋的温暖湿润气流吹响大陆。冬季时，近地面低压区移到海上，源自内陆的 干燥寒冷气流吹向海洋( 如r u d d i m a n ，2 0 0 0 ) 。然而季风系统是否一定同时要有陆 地 和“海洋两种角色? 在一项模拟研究中，把热带辐合带( i n t e r t r o p i c a l c o n v e r g e n c ez o n e ，i t c z ) 的大幅度位移( 偏离赤道1 0 个纬度以上) 定义为季风行 为，发现在没有陆地的情况下，经向温度梯度也可以驱动i t c z 的大幅度迁移。 因此季风系统不一定要有海陆热力学的差异来驱动( c h a oe ta 1 ，2 0 0 0 ；c h a oa n d c h e r t ，2 0 0 1 ) 。虽然这项研究的观点有待商榷，但是近年来i t c z 位置的经向位移 被广泛用来解释南北半球的各类古季风记录。传统上，一般用近地面风场的季 节性变化来定义季风区域，但近年来现代气候学研究发现用降雨的季节性变化 可以更好的刻画季风区域的特征，根据这种思路，利用夏季、冬季降雨量的差 值来定义季风区域，可以清晰的找出全球季风区域的地理分布( 如w a n ga n do h a g ， 2 0 0 6 ) 。这种观念也有助于古季风记录的理解，因为在地质记录中，季风变化往 往表现为“干“湿”变化，而不是“冷”“暖变化。 随着千百年尺度的气候变化成为古气候研究的中心课题，近年来关于千百 年尺度的古季风系统变化研究也越来越深入。以下我们将对近年来亚轨道尺度 上的东亚季风研究进展作一简单回顾，为本次工作寻找研究思路。 1 1 千百年尺度气候变化的研究背景 格陵兰岛冰芯记录是快速气候变化研究的源头。冰芯中多种气候替代性指 标都显示，末次冰期时交替出现了一系列振幅显著的间冰阶( d a n s g a a r d o e s c h g e r e v e n t s ，d o 事件) 和冰阶气候模式。这些气候模式分别延续了数百上千年，而 第1 章前青 不同气候模式之间的互相转换非常迅速，可以在几十年之内完成( 如d a n s g a a r de t a 1 ，1 9 9 3 ；t a y l o re ta 1 ，1 9 9 3 ；j o h n s e ne ta 1 ，1 9 9 2 ；n g r i pm e m b e r s ，2 0 0 4 ) 。在格陵兰 岛最寒冷的冰阶气候模式时，大量冰山从亚北极地区脱落出来进入开放大洋， 并在北大西洋地区留下冰筏碎屑沉积( i r d ，i c e r a f t e dd e b r i s ) ，即所谓的h e i n r i c h 事件( 如b o n de ta 1 ，1 9 9 2 ，b o n da n dl o t t i ，1 9 9 5 ；h e m m i n g ，2 0 0 4 及文中参考文献) 。 这些戏剧性的快速气候变化事件说明大气海洋冰冻圈系统在千百年尺度上是 极端不稳定的，这引起研究者的极大兴趣。从那以后，大量的工作都在调查这 些快速气候变化事件的空间分布及时间变化方式，并试图找出它们背后的驱动 机制。现在知道这些千百年尺度的气候波动事件至少在北半球各处都有发生 ( v o e l k e re ta 1 ，2 0 0 2 ) 。研究者也提出一系列可能的驱动机制来解释气候系统如何 在不同模式之间进行快速转换( 如k e e l i n ga n d 、o r f , 2 0 0 0 ；k e r m e t te ta 1 ，2 0 0 0 ； r u d d i m a n n ，2 0 0 0 ；c l e m e n ta n dp e t e r s o n ，2 0 0 8 ) 。这其中，温盐环流和北大西洋深 层水变化被大多数人认为是最有可能的驱动机$ 1 j ( c l a r ke ta 1 ，2 0 0 2 ；r a h m s t o r f , 2 0 0 2 ) ，虽然目前还没有足够的证据能够把温盐环流变化与格陵兰冰芯记录中的 d o 事件一一联系起来( c l e m e n ta n dp e t e r s o n 2 0 0 8 ) 。 1 2 千百年尺度东亚季风系统变化的研究进展 为了更全面的了解千百年尺度气候波动的驱动机制，很有必要了解季风系 统在这些事件过程中的行为。迄今为止，我们还不清楚季风系统是通过遥相关 机制积极参与或被动响应这类事件，还是通过类似e n s o 的机制强化或者触发 这类事件( w a n ge e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。近年来借助于中国大陆广泛分布的石笋记录以及 高精度的t i m su t h 定年技术，研究者重建了过去2 2 万年以来东亚夏季风的详 细变迁历史( w a n gy e ta 1 ，2 0 0 1 ，2 0 0 5 ，2 0 0 8 ；y u a ne ta 1 ，2 0 0 5 ；c h e n ge ta 1 ，2 0 0 6 ； d y k o s k ie ta 1 ，2 0 0 5 ；k e l l ye ta 1 ，2 0 0 5 ) 。格陵兰冰芯中的所有d o 事件以及北大 西洋的h e i n r i c h 事件在石笋记录中被表达为“干 “湿 的旋回变化。在东亚季 风系统中，这些事件被命名为中国间冰阶事件( c h i n e s ei n t e r s t a d i a le v e n t s ，c i s ， w a n gy e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。在定年以及冰芯时间标尺的误差范围内，c i s 事件和与冰 芯中的d o 事件几乎是同步发生的，虽然它们之间仍有可能存在数百年的相位 关系。这意味着高纬气候变化和东亚夏季风系统是通过快速的大气过程紧密关 联的。一种可能的联系方式就是：北大西洋温盐环流强度的变化可以影响到i t c z 2 第1 章前言 的平均位置，继而影响到低纬季风系统。热带大西洋和南美洲的大量古季风记 录已经清晰地揭示了这种联系，即在格陵兰气候冷期时，i t c z 的平均位置都相 应地向南移动，导致北半球季风降雨减少，南美大陆南部的降雨增多( w a n g x e t a 1 ，2 0 0 6 ；c l e m e n ta n dp e t e r s o n , 2 0 0 8 及文中参考文献) 。南亚季风记录也展示了这 种联系：在高纬d o 事件期间，南亚地区季风降雨增强，夏季风驱动的上升流 强度( b u m se ta 1 ，2 0 0 3 ) 和表层生产力也显著增j h ( s c h u l ze ta 1 ，1 9 9 8 ；a l t a b e te ta 1 ， 2 0 0 2 ) 。东亚季风的影响区域十分辽阔，从低纬的太平洋海区到东亚中高纬度地 区，夏季风可以深入到亚洲内陆地区( a n ，2 0 0 0 ) 。因此，调查东亚季风系统内i t c z 位置迁移与d o 事件的关系，需要在更广阔的季风区内寻找更多的高分辨率古 季风记录。然而，目前为止除了中国亚热带地区的石笋记录和部分陆相记录， 来自西太平洋边缘海，特别是赤道海区的记录还十分稀少。 黄土一古土壤和深海沉积序列是重建东亚季风变迁历史的两种主要材料。 然而，在重建千百年尺度的东亚季风变化历史时，这两种传统材料遇到了一系 列的问题。首先，这两种序列的年龄模式一般是依据几个分散的绝对测年值建 立起来的，这对千百年尺度的气候变化研究远远不够。而且，由于定年材料的 局限，一般只能进行1 4 c 测年。1 4 c 测年的上限为5 万年左右，而且它的测量值 需要经过一系列的校正才能使用。海洋样品还需要考虑碳储库年龄的变化问题 ( s a r n t h e i ne ta 1 ，2 0 0 7 ) 。一种解决办法是把记录调谐到石笋或冰芯记录的年龄模 式上，但这样会同时丧失季风记录年龄模式的独立性，无法进行进一步的相位 关系讨论。其次，基于这两种材料的“季风指标 近年来受到质疑，因为它们 显示出的轨道周期及其与北半球夏季辐射量的相位关系与石笋记录的不同 ( r u d d i m a n , 2 0 0 6 ；c l e m e n sa n dp r e l l ，2 0 0 7 ；w a n gy e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。一般来说，沉积 物在沉积过程和沉积之后，总会经历一系列的物理、化学和生物过程的改造， 导致“季风记录 是季风过程和非季风过程的综合结果。在重建千百年尺度上 的季风波动历史时，这种遭受污染的“季风记录 更加不可信，因为快速气候 变化事件的振幅一般都比较小。嘈杂的“季风记录”会严重影响这类事件的辨 别。因此，在一般研究中，需要用多种指标才能确认研究结果。再次，只有连 续的高分辨率的沉积序列才能用来进行千百年尺度上的气候变化历史的重建。 目前在西太平洋的边缘海地区，只有少数几个地点，例如在南海北部陆坡地区， 才发现有高速的沉积物堆积体( w a n gl e ta 1 ，1 9 9 9 ) 。 尽管有种种的阻碍，大量的研究还是依据这两种材料进行千百年尺度季风 3 第1 章前言 变化历史的重建，这些研究工作增加了人们对季风系统行为的理解。黄土序列 中的磁化率记录代表黄土成壤作用的程度，受控于过去区域降水和植被情况的 变化，因此可以用来表征夏季风的强度( a ne ta 1 ，1 9 9 1 ) 。黄土高原的绝大部分磁 化率记录在末次冰期时呈现十分平缓的变化，这暗示夏季风系统在千年尺度上 应该是稳定的( p o r t e ra n da n 。1 9 9 5 ；a na n dp o r t e r , 1 9 9 7 ；c h e nf e ta 1 ，1 9 9 9 ；x i a o e ta 1 ，1 9 9 9 ) ，显然这一推论与葫芦洞石笋记录相矛盾( w a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ) 。黄土记 录也有一些例外的情况，例如在黄土高原西部的马兰黄土层中发现了9 层次一 级的古土壤，暗示东亚夏季风在末次冰期出现过间歇性的增强( c h e nee ta 1 ， 1 9 9 7 ) 。这一现象被青藏高原东部的黄土剖面所证实，此处也发现h e i n r i c h 事件 之后古土壤层的发育程度显著增强( f a n g c ta 1 ，2 0 0 3 ) 。基本上古土壤层的形成时 间与格陵兰岛d o 事件相一致。黄土沉积中主要应用沉积物粒度指标或者粗颗 粒含量来指示东亚冬季风的演化。不同于夏季风记录，黄土中冬季风记录在末 次冰期时以较大幅度发生频繁的波动( p o r t e ra n da n , 1 9 9 5 ；a na n dp o r t e r , 1 9 9 7 ； c h e nee ta 1 ，1 9 9 7 ；x i a oe ta 1 ，1 9 9 9 ) 。虽然冬季风记录整体变化趋势受控于全球 冰盖体积大小，但在北半球h e i n r i c h 事件或者冰阶气候模式时，沉积物粒度显 著变粗，粗颗粒含量也随之增b l l ( p o r t e ra n da n ，19 9 5 ；a na n dp o r t e r , 19 9 7 ；l i ua n d d i n g ，1 9 9 8 ) 。来自西北太平洋、日本、黄土高原以及格陵兰岛的风尘通量记录显 示出一致的变化风格，说明东亚冬季风系统与北大西洋一格陵兰地区是通过西 风带联系在一起的( p o r t e r , 2 0 0 1 ) 。此外，黄土记录显示末次间冰期时也存在一个 不稳定的快速气候变化事件( a na n dp o r t e r , 1 9 9 7 ) ，但是这没有得到后续研究的证 实( c h e ne e ta 1 ，1 9 9 9 ) 。 在南海和苏禄海，表层海水盐度变化受控于区域性的淡水收支平衡，因此 可以与季风降雨变化联系起来。但是在边缘海，海水古盐度变化也强烈地受到 海平面升降的影响，因此古盐度记录的解释比较复杂( 如s t e i n k ee ta 1 ，2 0 0 6 ) 。南 海北部浮游有孔虫的6 1 8 0 记录( w a n gl e ta 1 ，1 9 9 9 ) ，以及苏禄海和南海南部的 表层6 埔o 和m c a 温度记录都显示( d a n e n m a n ne ta 1 ，2 0 0 3 ；r o s e n t h a le ta 1 ，2 0 0 3 ； s t e i n k ee ta 1 ，2 0 0 6 ) ，氧同位素3 期以来，当葫芦洞石笋记录指示东亚夏季风增 强时，边缘海表层海水也相应的变淡。南海北部gi n f l a t a 通量( c h e r tm e ta 1 ，1 9 9 9 ) 和苏禄海的初级生产力( d eg a r i d e l t h o r o ne ta 1 ，2 0 0 1 ) 在h e i n r i c h 事件期间显著 增加，说明当时东亚冬季风加强，导致边缘海上层水体的混合作用增强，混合 层深度变深。但在末次冰期时，苏禄海初级生产力出现了多次的增强，生产力 4 第1 章前青 的高值期与h e i n r i c h 事件并不完全一一对应，但与黄土记录指示的冬季风加强 期相对应( d eg 撕d e l t h o r o ne ta 1 ，2 0 01 ；c h e ne e ta 1 ，19 9 7 ) 。这些情况说明除了 北半球高纬地区的气候条件，千年尺度上的东亚冬季风行为还可能受到别的因 素的影响。从以上综述可以看出，由于有大量可靠的石笋记录，东亚夏季风的 历史已经相对比较清晰了，但是冬季风历史的重建工作一直裹足不前。最近， 在中国南方的h u g u a n gm a a r 湖钻获了超高分辨率的东亚冬季风记录，结果清楚 地显示冬季风在y d 和h e i n r i c h1 事件期间加强，在b o l l i n g a o l l e r d 期和早全新 世适宜期减弱，在千年尺度上，与夏季风显示出此消彼长的关系( y a n c h e v ae ta 1 2 0 0 7 ) 。 综上所述，大量的研究已经取得了相对一致的结论，即在千年时间尺度上， 东亚夏季风强度在d o 事件期间增加，在北半球的冰阶气候状态时减弱。而东 亚冬季风在h e i n r i c h 事件期间增加。夏季风和冬季风在千年尺度上的反相关系 可能是i t c z 的经向迁移造成的。然而，要进一步阐明千百年尺度上东亚季风系 统与北半球高纬气候、以及与i t c z 位移的联系，目前的记录还远远不足。 1 3 研究目的 本论文工作主要利用海洋沉积记录，重建2 0 万年以来东亚季风在轨道尺度 和千年尺度上的变化，集中解决以下几个问题： ( 1 ) 针对目前干百年尺度东亚冬季风研究比较薄弱的情况，我们通过追踪南海西 南部冬季“冷舌 区的发育情况，来反演末次冰期时冬季风的变化情况； ( 2 ) 南沙热带海区受到西太平洋暖池区大气对流系统的强烈影响，它的季风降雨 过程可能有别于石笋记录的亚热带季风系统，我们利用多个指标来恢复该 区的降水变化历史； ( 3 ) 全球海平面以及冰盖体积是地球表层系统的重要边界条件。多种重建记录表 明氧同位素3 期内全球海平面经历过重大的亚轨道尺度的变化，但是海平 面波动的发生时间及其与气候事件的相位关系一直无法确定下来。我们利 用同一站位的多个平行记录来研究海平面波动的相对发生时间。 5 第2 章材料与方法 第2 章材料与方法 南海面积为3 5 0 x 1 0 6k m 2 ，平均水深超过2 0 0 0 米，是西太平洋地区最大的 边缘海。南海形状上是一个菱形的半封闭海盆，通过一系列的海槛与周边的开 放大洋及其它边缘海进行表层水和深层水的交换。在北部，它通过台湾海峡( 水 深，7 0 米) 和巴士海峡分别与东海、菲律宾海相连。在东南部，通过民都洛海峡 ( 水深，4 5 0 米) 和巴拉巴克海峡( 水深，1 0 0 米) 与苏禄海相通。在西南部，通过卡 里马塔海峡( 水深，4 0 5 0 米) 和马六甲海峡( 水深，3 0 米) 分别与爪哇海、东印度 洋相连( 图2 1 ) 。南海对海平面变化特别敏感，在末次盛冰期当海平面比现在低 约1 2 0 米的时候( 如h a n e b u t he ta 1 ，2 0 0 0 ) ，大部分南海陆架暴露成陆地。裸露的 陆架阻碍了南海与其它海盆表层的热量和淡水交换。巴士海峡宽3 0 0 公里，最 大水深2 4 0 0 米，是南海唯一能够与太平洋进行深层水交换的通道( q ue ta 1 ， 2 0 0 0 ) 。 本次研究主要利用2 0 0 5 年m d l 4 7 一m a r c o p o l o 航次在南海南部获取的两个 深海沉积钻孔：m d 0 5 2 8 9 6 ( 0 8 0 4 9 0 5 n ，1 11 0 2 6 4 6 9 9 e ；水深1 6 5 7 m ；岩芯长度 1 1 0 3 m ) 和2 8 9 7 ( 0 8 0 4 9 5 3 n ，1 1 1 0 2 6 5 1 e ；水深1 6 5 8 m ；岩芯长度3 0 9 8 m ) ( 图 2 1 ) 。m d 0 5 2 8 9 6 钻孔主要由岩性均一的灰色绿色粘土组成，而m d 0 5 2 8 9 6 钻 孔主要由粉砂质粘土组成( l a je ta 1 ，2 0 0 5d r ) 。相对连续而又未受扰动的沉积序 列为古环境再造提供了良好的材料。m d 0 5 2 8 9