（自然地理学专业论文）中布容事件前东亚季风的神农架石笋记录.pdf

摘要 摘要 尔亚季风在全球水汽和能量循环中扮演了重要角色，是联系陆地( 包括极地) 、海洋、 大气的纽带，冈此成为全球最具活力的气候系统之一。本文根据湖北神农架三宝洞4 支石笋 l11 2 个氧同位素数据，在1 5 个高精度u t h 年龄的基础上利用7 月2 1 日6 5 0 n 太刚辐射曲 线调谐建立时标，重建了6 4 1 - 4 2 6 k a b p 时段高分辨率的东亚季风演化序列，探讨了东亚季 风轨道和千年尺度变化的特征和驱动机制。石笋6 1 8 0 曲线的变化形式与北半球7 月2 1 日 6 5 。n 太阳辐射曲线十分相似，爷现明显的岁差旋同，岁差尺度上石笋6 1 8 0 振幅达4 。o o 左右， 十万年的冰餐周期不明显。统计了2 7 个冰期间冰期( 或冰段间冰段) 转换过程6 婚o 振幅 和太隈l 辐射变化量，结果表明太阳辐射每增加( 或减少) 一个单位值( w 母m 之) 相应的6 1 8 0 值偏负( 或偏正) 0 0 7 5 0 o o 。 中更新世的中布容事件( m b e ) 在深海氧同位素s p e c m a p 曲线、南极冰芯和中国黄十 地层中都有记录。通过与三宝洞和葫芦洞最后两次冰期石笋8 1 8 0 记录的振幅对比表明中布 容事件在东距夏季风中似乎并没有明显记录，可能由- p 尔亚夏季风与深海氧同位素s p e c m a p 曲线、南极冰芯、中国黄土地层代表的气候系统有着不同的驱动机制。 碳同位素时标依据调谐的氧同位素时标建立。对其进行功率谱分析，得到的轨道周期成 分与氧同位素有差别，检测出了4 3 k a 和1 5 k a 的轨道周期，没有得到岁斧周期，同时还有 数个千年尺度周期成分。 ，氧同位素记录中千年尺度事件与先前研究得到的三宝洞最后两次冰期d o 事什能较好 的对应。本文研究时段( 倒人、倒五冰期) 中千年尺度事件通过功率谱分析得到了证实，检 验出数个千年尺度周期成分：6 2 、4 9 、3 7 、3 1 、1 9 和1 4 k a 。与s i m a 等的模拟结果进行 对比，进一步证实千年尺度气候事件可能是冰期气候的同有特征。 关键词：东弧季风；太阳辐射；61 8 0 ；8 ”c ；中布容事件；石笋；神农架 a b s t r a c t e a s ta s i am o n s o o nr e c o r db e f o r em i d - b r u n h e se v e n t f r o ms t a l a g m i t e si ns h e n n o n g ji a a b s t r a c t t h ee a s ta s i a nm o n s o o ni sa na c t i v ec o m p o n e n to fa t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o na n dp l a y sa s i g n i f i c a n tr o l ei n t h eg l o b a lh y d r o l o g i ca n de n e r g yc y c l e s t h e r e f o r e ，s c i e n t i s t sh a v ep a i dg r e a t a t t e n t i o no nm o d e ma n dp a s ta s i a nm o n s o o nc h a n g e s e f f o r t so na c c u r a t e l y d a t e dl o n g 。t e r m m o n s o o nr e c o r d sa r ei m p o r t a n ti ne x p l o r i n gt h ep a s tm o n s o o nv a r i a t i o n sa to r b i t a la n dm i l l e n n i a l t i m es c a l e s ，f o rt h ep u r p o s eo fb e t t e ru n d e r s t a n d i n go fm o n s o o nd y n a m i c sa n dt h e i rr e l a t e d p r o c e s s e st ot h eg l o b a lc h a n g e s h e r ew ep r e s e n tas p e l e o t h e mo x y g e ni s o t o p er e c o r d ，u s i n g1 1128 i s od a t aa n d15u t h d a t e sm e a s u r e df r o m4s t a l a g m i t e sc o l l e c t e df r o ms a n b a oc a v ea tm t s h e n n o n g j i a ，c e n t r a lc h i n a t h e5 1 8 0p r o f i l es h o w st h a tt h em o n s o o ni n t e n s i t yg e n e r a l l yf o l l o w sc h a n g e si nm i d j u l y6 5 。n i n s o l a t i o n w i t h i nt h ed a t i n gu n c e r t a i n t y , a na s t r o n o m i c a lt u n i n gw a sa p p l i e dt or e c o n s t r u c ta n e a s ta s i a nm o n s o o nh i s t o r yf r o m6 41t o4 2 6k ab p o u rr e c o r d 。f o rt h ef i r s tt i m e ，p r o v i d e sa 2 3 0 t h d a t e dh i g h r e s o l u t i o nc l i m a t er e c o r do ft h ee a s ta s i a nm o n s o o ne x t e n d i n gb a c kt o6 41k a a g o t h i sr e c o r ds p a n ss e v e r a lp r e c e s s i o n a lc y c l e s ，w i t ha na v e r a g ea m p l i t u d eo f4 0 ，w h i c h s u g g e s t s e a s ta s i a nm o n s o o nv a r i a b i l i t yw a ss t i l lp a c e db yi n s o l a t i o nb e f o r em i d - b r u n h e s e v e n t ( 4 3 0k ab p ) t h i si n d i c a t e s t h a tt h ep r e c e s s i o n a lc h a n g e si nt h es u m m e re a s ta s i a n m o n s o o nw o u l db ei n d e p e n d e n to fn o r t h e r nh e m i s p h e r ei c ev o l u m e t h es t a t i s t i c a l r e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h es 0 1 a rr a d i a t i o ni n c r e a s e s ( o rd e c r e a s e s ) au n i t ( w m - 2 ) a n dc o r r e s p o n d i n g8 1 8 0 v a l u ew i l ln e g a t i v e l y ( o rp o s i t i v e l y ) d e f l e c t0 0 7 5 t h em i l l e n n i a l - s c a l ee v e n t so fs u m m e r m o n s o o nd o c u m e n t e di ns t a l a g m i t ei l ls oc a nb ec l e a r l yi d e n t i f i e dd u r i n gt h eg l a c i a lp e r i o do v e r 6 41 4 2 6 k a b p , i nc o n s i s t e n tw i t ht h ed oe v e n td u r i n gl a s tt w og l a c i a lp e r i o d s w ea l s op r e s e n tas p e l e o t h e mc a r b o n a t ei s o t o p e ( 6 1 3 c ) r e c o r dw i t h i nt h es a m ea g eo fo x y g e n i s o t o p er e c o r d t h es p e c t r u ma n a l y s i sf o rt h ec a r b o n a t ei s o t o p er e c o r di n d i c a t et w os i g n i f i c a n t p e r i o d s ( 4 3 k aa n d15 k a ) a to r b i t a l - s c a l e a l s ot h e r ea r eaf e wm i l l e n n i a l 。s c a l ep e r i o d s t h em i d b r u n h e se v e n th a sb e e nr e c o r d e di nt h ed e e pm a r i n ei s o t o p er e c o r d ( s p e c m a p c u r v e ) 、t h es o u t hp o l ei c ec o r ea n dt h ec h i n e s el o e s ss e d i m e n t h o w e v e r , t h i se v e n ti s n to b v i o u s n i no u rr e c o r d a b s t r a c t i ns u m m a r y , t h ew e l l d a t e dh i g h - r e s o l u t i o nm o n s o o nr e c o r df r o mm t s h e n n o n g j i a ，f o rt h e f i r s tt i m e p r o v i d e sa2 3 0 t h d a t e dh i g h - r e s o l u t i o nc l i m a t er e c o r do ft h ee a s ta s i a nm o n s o o n e x t e n d i n gb a c kt o6 41k aa g o t h i sr e c o r di sd o m i n a t e db yp r e c e s s i o n a lc y c l e s ，s u g g e s t i n ge a s t a s i a nm o n s o o nv a r i a t i o n sw e r es t i l lp a c e db yi n s o l a t i o nb e f o r em i d b r u n h e se v e n t ( 4 3 0k ab p ) t h em i d b r u n h e se v e n ti s n to b v i o u si 1 1o u rr e c o r d as e r i e so fm i l l e n n i a lc l i m a t ee v e n t s s u p e r p o s e do nt h ep r e c e s s i o n a lt r e n d o fe a s ta s i a ns u m m e rm o n s o o n ，i n d i c a t e sa l li n h e r e n t f r e q u e n c ys e l f - s u s t a i n e di nt h eg l o b a lc l i m a t es y s t e m ，w h i c hm a y b ea ni n t e r a c t i o no fo c e a n ，l a n d a n da t m o s p h e r e k e y w o r d s ：e a s ta s i a nm o n s o o n ；i n s o l a t i o n ；6 1 8 0 ；6 1 3 c ；m i d - b r u n h e se v e n t ；s t a l a g m i t e ； s h e n n o n g ji a 1 i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：熏逊一 日期： 趔足：墨里 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 。作者签名： 1 7 1期： 第一帝前言 第一节国内外研究进展 第一章前言 气候变化轨道驱动的发现，是2 0 世纪地球科学的一个重大进展。在地球气候演化的漫长 地质历史进程中，不同时间尺度和时期的气候特征及其驱动力是很不相同的。但是，除了在地 球演化的早期阶段，来白地球内部的热量和物质释放以及大陆板块运动等曾起过重要作用外， 来自太刚的辐射强迫始终起着重要作用。第四纪晚期( 过去7 0 万年) 的气候，具有以2 1 0 万年 为周期的一系列冰期间冰期旋同变化特征，其周期与地球轨道偏心率( 周期为l o 万年) 、黄赤 交角( 周期为4 1 万年) 以及岁差( 周期为1 9 2 3 万年) 周期相关。塞尔维亚天文学家米兰科维 奇提出了地球气候轨道驱动理论( m i l a n k o v i t c h ，1 9 6 9 ) ，他认为：由于太阳系星体间的引力摄 动，地球轨道三要素( 偏心率、地轴倾斜度和岁差) 在地质时期作周期性的变化，引起到达地 球大气圈顶层的太研1 辐射在总是上以及在沿纬度和季节分配上作周期性波动，从而导致第四 纪时期气候早冰期间冰期旋回。随着一系列冰芯、深海岩芯以及黄十沉积等地质记录的发 现，轨道驱动理论逐渐被人们所接受。 经典深海氧同位素记录反映了更新1 廿= 气候变化的两个重要转折点：( 1 ) 中更新世革命； ( 2 ) 中布容事件( m b e ) 。第二个转折点出现在m i s l 2 的结束时期( 大约4 3 0 k a b p ) ，此时氧同 位素出现了大幅度的逆转，在全球范围内碳酸盐的溶解加剧，该事件最早被j a n s e ne ta 1 ( 1 9 8 6 ) 命名为中布容事件。g r f g e re ta 1 ( 2 0 0 3 ) 在北大西洋c e a r ar i s e 的研究揭示了4 8 0 k a b p 以后的碳 酸盐溶解加剧现象，表现为完整有孑l 虫壳体百分含量的降低。最近的研究表明，这个事什反映 了海洋碳储库的重人重组过程及其对气候变化的驱动。两菲律宾海岩石磁学记录( 葛淑兰等， 2 0 0 7 ) 中细颗粒成分含量和粒度参数均显示4 0 0 k a b p 前后有一个显著的变化。4 0 0 k a b p 以前， 磁性矿物颗粒参数ka r m k 和ka r m s i r m 在冰期间冰期旋回中叠加了由细变粗的总趋势， 反映了北部冰盖的增长过程中粗颗粒逐渐增多的过程，与此同时，非磁滞剩磁( a r m ) 指示的细 颗粒物质含量变化幅度小；4 0 0 k a b p 以来，细颗粒矿物含量、颗粒大小都随着冰期间冰期 旋回发生变化，幅度要人于4 0 0 k a b p 前。南中国海o d p i1 4 3 钻孔( w a n g e ta 1 ，2 0 0 3 ) 经过轨 道调谐的氧同位素( 底栖有孔虫c i b i c i d o i d e s ，p d b ) 显示十万年周期上振幅有明显抬升。 南极v o s t o k 冰芯高分辨率6d 记录揭示了中布容事件后4 个冰期间冰期旋回南极气温变化 的内部精细结构和共同规律( p e t i te ta 1 ，1 9 9 9 ) 。最近，南极d o m ec 一支k 达3 1 3 9 m 冰芯记录 进一步证实了m b e 前后南极气温和温室气体( c h 4 ，c 0 2 $ 1 1 n 2 0 ) ( s p a h n ie ta 1 ，2 0 0 5 ； s i e g e n t h a l e re ta 1 2 0 0 5 ) 的显著差异，有可能说明太脚j 辐射与地球边界条件的耦合机制在 1 第一章前言 m b e 事件前后发生明显变化。m b e 事件在中国黄土高原地层序列中也有明显反映。俗称“棕 三条”的s 5 占十壤在整个黄七高原地层中均可对比，s 5 1 以来黄土古士壤序列的磁化率， 碳酸盐含量及粒度指标均反映了m b e 事什来东距季风气候冰期间冰期旋回的显著加强( 如： d i n ge ta 1 ，1 9 9 5 ) 。 中国黄土高原黄十地层( 如d i n ge ta 1 ，1 9 9 5 ) 和南中国海底栖有孔虫61 8 0 记录( t i a n e t a 1 ，2 0 0 2 ) 揭示了北! 卜球高纬冰量变化对东亚季风气候的主导控制作用。然而，模式和观察 研究表明：低纬季风气候变化主要受低纬太阳辐射控制，岁差尺度的季风气候变化旋回可能 独立于l o 万年周期的冰量旋同( c l e m e n te ta 1 ，2 0 0 4 ) 。y u a ne ta 1 ( 2 0 0 4 ) 据贵州董哥洞石笋 高精度u t h 年龄和氧同位素数据，重建了1 6 万年来亚洲季风气候序列，揭示了低纬太附 辐射变化制约着距洲夏季风环流强度变化。w a n ge ta 1 ( 2 0 0 8 ) 利用湖北神农架三宝洞和南京 葫芦洞1 2 支石笋的拼接，重建了2 3 万年来东哑季风气候系列，进一步证实了东弧季风受控 于太阳辐射。 太阳辐射是地球气候的外部驱动力，冰盖、大洋环流和大气组成则是其内部驱动因子。 研究千年尺度气候变率与突变过程可以深入理解地球内部驱动与太刚辐射间耦合机制。如 c l e m e n s ( 2 0 0 5 ) 据南京葫芦洞末次冰期时间尺标( w a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ) ，对格陵兰冰芯记录的d o 事件进行频谱分析，发现千年尺度气候变率与太阳活动周期密切相关。数学模式研究进一步 证实：当北人西洋淡水注入以8 7 年5 f 1 1 2 1 0 年太圈1 黑子活动周期发生时，北大西洋1 4 7 0 年气候 周期可能随之产生( b r a u ne ta 1 ，2 0 0 5 ) 。这就暗示太阳活动有可能影响火洋温盐环流变化， 并有可能持续发生在更久远的冰期气候。实际观察表明：千年尺度的冰漂碎屑事什与北大西 洋海表温变化在过去5 0 万年持续发生( m c m a n u se ta 1 ，1 9 9 9 ) 。利比亚海m d 9 5 2 0 4 0 孑l 资料 进一步说明过去1 9 0 k a 以来冰漂碎屑事件主要出现在末次冰期和m i s 6 阶中期，后者主要以持 续时间短海表温振幅小为特征( a b r e ue ta 1 ，2 0 0 3 ) 。尽管m i s 3 和m i s 6 阶段千年尺度气候变 化振幅有显著差异，但在振荡频率上有类似之处( 如：k a n d i a n oe ta 1 。2 0 0 4 ) 。更为详细的 对比研究工作米自两地中海深海钻孑l u k 3 7 指数记录( m a r t r a t ee ta 1 ，2 0 0 4 ) ，该记录揭示过去 2 5 万年来海表温度变化的d o 事什特征。最近两个冰期旋回在d o 事什变化频率和振幅上具 有相似规律。中国黄土地层粒度资料也反映最近两个冰期旋同在千年尺度气候变率上具有较 一致的变化特征( d i n ge ta 1 ，1 9 9 9 ) 。以全球冰量为边界条件并结合北半球高纬夏季太刚辐 射数据，s i m ae ta 1 ( 2 0 0 4 ) 模拟了过去8 0 万年来d r 事件的振荡特征，认为d o 事件是地球气 候系统内部自我维持的l 司有频率。 洞穴石笋具有高精度定年和高分辨率气候记录等特征，近年来以石笋为材料的研究成 2 第一章前言 果有较多发表。汪永进教授根据南京葫芦洞石笋重建了末次冰期千年尺度气候变率记录 ( w a n ge ta 1 ，2 0 0 1 ) ，根据贵州董哥洞石笋展示了全新t h = 气候演化与百年变率( w a n ge ta 1 ， 2 0 0 5 ) ；最近利用湖北神农架与南京葫芦洞1 2 支石笋的拼接，重建了2 3 万年来东亚季风降 水的高分辨率记录，提出东弧季风直接响应太降i 辐射的观点。袁道先院士在岩溶地质地貌、 同位素地球化学和生态过程等方面积累了长期研究资料，并发表了关丁最近1 6 万年来亚洲 季风气候高分辨率洞穴记录文章( y u a ne ta 1 。2 d 0 4 ) 。全新世的研究t 作进行得比较深入 ( z h a n ge ta 1 ，2 0 0 4 ；蔡演军等，2 0 0 1 ；h ue ta 1 ，2 0 0 1 ) ，特别地近2 0 0 0 年来季风气候年际 变率( t a ne ta 1 ，2 0 0 3 ) 等方面也有新的突破和贡献。在洞穴石笋代用指标，如m s s r 比值 ( 马志邦等，2 0 0 2 ) 、分子化石标志物( 谢树成等，2 0 0 5 ) 、石笋纹层灰度( 秦小光等，1 9 9 8 ) 和岩溶同位素循环过程( 李彬等，2 0 0 0 ；张平中等，2 0 0 4 ) 等进行了探索性研究。长时段的 石笋记录主要有如下：巴西b o t u v e r a 洞穴长达7 0 c m 一支石笋完整地覆盖了过去1 2 万年来 气候记录，其6 嵋o 曲线指示了该地区季风降水与南、| ，球中纬度2 月份太阳辐射肇同步变化， 千年尺度降水变化与亚洲夏季风强度里反相位( c r u ze ta 1 ，2 0 0 5 ) 。意大利中两部山地洞穴 一支年i 笋覆盖了3 8 0 - 4 3 k a b p 部分时段，其6 ”c 反映了上覆土壤带生物成囚c 0 2 产率变化， 而61 8 0 曲线则与南极气候、海洋同位素变化一致( d r y d a l ee ta 1 ，2 0 0 4 ) 。以色列北部p e q i i n 洞穴次生碳酸盐沉积较完整地指示了过去2 5 万年来地中海气候冰期间冰期旋回变化特征， 并与地中海腐泥质地层标：占( r o s s i g n o le ta 1 ，1 9 9 8 ) 具有良好对比关系。与来自同一区域地 s o r e q 洞穴记录( b a r - m a t h e w se ta 1 。1 9 9 9 ) 合成拼接，详细地描述了地中海地区降水变化历 史( b a r - m a t h e w se ta 1 ，2 0 0 2 ) 。在意人利伊特鲁里亚海岸a r g e n t a r o l e 洞穴一支石笋记录了过 去1 9 0 k a 以米地中海区域水文变化的片断历史，在1 9 0 1 4 0 k a b p 期间，石笋6 博o 曲线与北 半球中高纬夏季太阳辐射变化基本一致( b a r de ta 1 ，2 0 0 2 ) 。过去2 1 0 k a 以米，巴两盆地洞 穴碳酸盐沉积生长期( 湿润期) 与亚洲大陆干早期具有时间上对应关系。反映了千年尺度 h e i n r i c h 事件在南、北半球气候中同步发生( w a n ge ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 第二节研究目的和意义 晚第四纪气候变化是地质历史上最富有戏剧性的一幕。以l o 万年为土导周期的冰期 间冰期旋同统治了过去1 0 0 万年米地球气候变化历史。冰芯、黄土和深海沉积研究表明：地 球表层系统生物地球化学循环与气候变化存在本质上联系，即：大气圈温室气体( c 0 2 ，c h 4 和n 2 0 ) 、气溶胶效应( 如粉尘、硫化物等) 有可能放大外部驱动力( 如太阳辐射) 的初始 输入信号，从而导致地球冰期间冰期气候旋同的发生，并且这种正反馈机制有可能持续发 3 第一章前言 生于未来地球气候系统变化进程中。冈此，深入了解晚第四纪( 特别是最近6 0 多万年) 气 候变化规律及其动力学机制是研究人类参与条件下地球环境复杂系统的基础，是当今全球变 化研究的重要组成部分。 作为记录古气候和古环境的自然档案，洞穴次生碳酸盐具有以下特点：一、洞穴次生碳 酸盐非常适合铀系测年。利用近代发展起来的t i m s 和i c p m s 测年技术，在距今5 0 万年 的范围内，能够建立准确的绝对年代标尺：二、作为一种陆相沉积，洞穴次生碳酸盐从高纬 到低纬，在全球的岩溶发育地区广泛分别，是深海沉积和冰芯记录的完美补充；三、由于方 解石和文行晶体自身的封闭性，洞穴次生碳酸盐在形成后层序清楚，不会发生层间扰动，并 且由丁沉积在石灰岩洞穴中不受外界侵蚀，能够长时间保存。洞穴石笋是建立古气候时标的 重要材料，u t h 定年是建立时标的基础。通过分析石笋铀钍组成检验实测u f r h 年龄( 特别 是老于5 0 万年的材料) 的可靠性，更好的理解岩溶系统的演化过程，进一步明确氧碳同位 素的气候指代意义，从而建立有明确指代意义的古气候时标。 国g , j 夕b 石笋研究成果充分说明了洞穴次生碳酸盐6 1 8 0 记录在解决古气候演变规律及其 动力机制方面有着巨大潜力。尽管洞穴石笋具有高分辨率和商精度定年特征，但由于单支石 笋生长持续时间短( 通常只有数万年、数千年，甚至儿百年) ，给出的气候记录常为片断式 气候信号，有研究者开始尝试石笋的拼接，但由于同一洞穴不同位置或同一区域不同洞穴石 笋同何素会由于滴水通道、温度、纬度和海拔等众多冈素的影响而产生偏移，如何衔接这些 记录目前似乎并没有明确的方案。生k 时段跨越一个完整冰期间冰期的石笋并不多见。虽然 美国内华达州d e v i l s 碳酸盐沉积记录了过去5 0 0 k a b p 1 0 0 k a b p 冰期间冰期旋回特征 ( w i n o g r a de ta 1 ，1 9 9 2 ) ，但受到部分学者质疑。 近年来，利用石笋材料的东亚季风研究取得了很人进展。邵晓华1 博十通过研究同一区 域不同洞穴石笋6 1 8 0 记录的拼接问题，实现了湖北神农架三宝洞石笋与南京葫芦洞石笋氧 同位素记录的合成，从而获取了最近2 2 5 k a 来完整的弧洲季风气候变化序列。并且利用 2 2 5 k a 以来石笋6 1 8 0 记录与其它记录千年尺度事什的对比，表明最后两个冰期内部的千年 尺度振荡频率和幅度相似，认为千年尺度气候事件很可能贯穿于整个冰期气候，是冰期气候 的固有特征。李明霞2 硕士利用神农架石笋6 1 s o 记录的拼接，重建了倒数第四和第三冰期季 风演化序列，将高分辨率亚洲季风强度变化序列在原有基础上延伸到4 1 8 k a b p 左右，并与 不同记录进行千年尺度事件的对比，显示了较好的相似性。从上世纪9 0 年代千年尺度事件 1 太i ；兀辐射驱动季风气候的年代学证据一一以中国神农架石籀研究为例邵晓华，2 0 0 6 年 2 中更新世东弧季风轨道驱动和高频事件响廊李明霞，2 0 0 7 年 4 第一章前高 的研究至今，w a n ge ta 1 ( 2 0 0 1 ) 对末次冰期的一系列千年尺度气候事件( d a n s g a a r d o e s c h g e r 旋回和冰漂碎屑事f t - ) 做了经典性研究，并已在众多地质记录中得到证实。董哥洞石笋 i l s o ( y u a ne ta 1 ，2 0 0 4 ) 和葫芦洞石笋6 憾o ( c h e n ge ta 1 ，2 0 0 6 ) 提供了倒数第二次冰期末期 的千年尺度振荡。最新的研究成果( w a n ge ta 1 ，2 0 0 8 ) 展示了东亚季风区最后两次冰期完整记 录，其千年尺度事件具有较好的相似性。然而由丁测年技术精度的局限，对于更老时段( 尤 其中布容事件之前) 的高分辨率地质记录并不多见，作者2 0 0 5 和2 0 0 6 年两次在湖北神农架 三宝洞采集到了数支钿笋，采用m c i c p m s 技术测试年代，其中4 支石笋生长时段处在中 布容事什前，覆盖6 4 1 4 2 6 k a b p 时段，生长时段最长的一支石笋跨越十万年覆盖一个完整 的冰期间冰期旋回。本文拟在先前的研究基础上把东弧季风演化序列记录延伸剑更久远的 冰期。展示中布容事件前东哑季风轨道和千年尺度上的特征，并通过事件前后以及石笋记录 与其它记录的对比，明确东弧季风不同尺度上的驱动机制。 第三节研究思路和创新 本文的研究方法和思路( 图1 1 ) 是：根据神农架三宝洞4 支石笋1 1 1 2 个氧同位素数据， 在1 5 个实测u t h 年龄的基础上利用7 月2 1 日6 5 。n 太阳辐射曲线调谐建立氧同位素时标。 之后根据氧同何素时标建立碳同位素时标。具体工作( 表1 1 ) 如下： ( 1 ) 野外采样与材料选取：神农架邻近黄十高原，是东弧夏、冬季风环流碰撞地带，可敏 感地反映了东亚古季风演化历史。洞穴石笋是重建占气候的理想材料，本文选择湖北神农架 洞穴l i 笋作为研究对象。 ( 2 ) u t h 定年和氧碳同位素采集与测试：2 3 8 u 一2 3 4 u 一2 3 0 t h 铀系不平衡法测定样本年代， 采用m c i c p m s 技术，测试仪器为n e p t u n e 。测试石笋样品氧碳同位素，测试仪器为f i n n i g a n m a t 2 5 3 型质谱仪。 ( 3 ) 建立石笋时标：5 0 0 k a b p 左右是目前铀系测年的极限，利用等时线法对2 3 0 t 1 1 年龄进 行了可靠性验证，在此基础上，根据氧碳同位素测试结果，运用大文轨道调谐方法建立石笋 时标，并对时标精度进行评价。 ( 4 ) 对比研究：研究中布容事1 ，l ：前尔亚季风轨道和千年尺度特征，通过与本区已有的事件 前的研究结果以及与其它长时段记录对比，探讨东亚季风不同尺度上驱动机制。 创新性成果： ( 1 ) 针对较老时期精确定年高分辨率气候记录的缺乏，根据神农架三宝洞4 支石笋的1 5 个高精度u t h 年龄和l l1 2 个氧碳同位素数据，与7 月6 5 。n 太阳辐射曲线调谐建立时标， 气 第一章前苦 获得了6 4 1 - - - - , 4 2 6 k a b p 时段( 中布容事什前的倒数第六、第五冰期) 东亚季风区百年尺度的 石笋氧碳同位素记录，将高分辨率东季风强度演化序列在原有基础上延伸到6 4 万年左右。 ( 2 ) 中布容事件前东讵夏季风轨道尺度呈现岁差旋同变化，一系列类似于末次冰期的千年 尺度事件叠加在岁著周期上，表明千年尺度事件能发生在久远的冰期，进一步证实了千年尺 度事件是冰期固有特征。 ( 3 ) 通过中布容事件前后石笋氧同位素记录振幅、周期的对比，表明中布容事什在东弧夏 季风中似乎并不明显。 ( 4 ) 通过统计分析，定量得山轨道尺度上石笋6 1 8 0 振幅和太阡i 辐射强度变化的响应关系。 神农架三宝洞f 侈年样品 上上 氧碳同位素测试2 3 0 t h 年龄测试 上山 同化素分馏平衡检验6 5 。n 太刚辐射曲线选取样品体系封闭性检验 1r 实测年龄基础上轨道凋谐建立时标( 重建6 4 1 4 2 6 k a b p 东亚季风气候变化序列) 上山 同位素轨道尺度特征同位素千年尺度特征 上0 中布容事件前后神农架彳i 笋记录对比与全球其它记录的对比 图1 1 技术路线图 6 第一章前言 表1 - 1 工作量统计： 童凯、陈仕涛、姜修洋、夏志峰、 0 5 年l o 月神农架野外考察 2 件邵晓华、董进国、李明霞、赵侃等 和洞穴样品采集 野外 南京师范大学同位素实验室 工作 章凯、陈仕涛、邱庆伦、刘殿兵、 0 6 年4 月神农架野外考察和 2 件董进囤、姜修洋等 洞t 穴样品采集 南京师范大学同位素实验室 童凯 测年样品采集 2 0 件 南京师范大学同位素实验室 程海 2 3 0 t h 年龄测试1 5 件 美国明尼苏达同位素实验室 l1 1 2童凯、赵侃 氧碳同位素样品采集 件南京师范大学同位素实验室 室内 11 1 2 壹凯、姜修洋 工作 氧碳同位素样品测试 件南京师范大学同位素实验室 程西厅南京古生物研究所 石笋样品切割 1 4 件 童凯、李明霞、邱庆伦、董进国、 石笋剖面打磨抛光刘殿兵、赵侃等 南京师范大学同位素实验室 实验室辅助工作( 清洗样品瓶南京师范大学同位素实验室全体研 等)究生 第- 二章区域环境、研究材料和方法 第二章区域环境、研究材料和方法 第一节区域环境和气候特征 神农架林区( 如图2 1 ) 位于湖北省西部，东与保康县接壤，西与重庆市巫山县毗邻， 南依兴山、巴为i 而濒三峡，北倚房县、竹山且近武当，地跨东经1 1 0 0 0 37 1 1 0 0 3 4 ，北纬3 1 0 2 1 3 1 0 5 7 ，面积7 0 4 6 7 公顷。属于北亚热带向中亚地带的过渡区域，具气候凉爽、湿润多雨的 特点。年均温度为7 9 。c ，其极端最高温度为3 6 4 c ，极端最低温度为1 7 7 。境内年降水 量1 5 0 0 2 0 0 0 m m ，雨季集中在每年7 8 月，一般每年9 月底到次年4 月底为冰雪期，终 年有冰雹。由丁这里地形复杂、雨量充沛、相对高差悬殊火等原因，小气候特征明显，常有 云雾变幻的景象，给人以神秘的美感。神农架属秦巴山脉褶皱带，为燕山运动所形成，其山 脉由秦巴山脉尔端崛起，臼西南向东北延伸，保存着完好的上前寒武纪地质结构。境内山川 交错，脊岭连绵，最高海拔3 1 0 5 4 米，最低海拔3 9 8 米，平均海拔1 7 0 0 米，有3 0 0 0 米以 上的山峰6 座，素有“华中屋脊”之称。神农架北有秦岭山脉屏障，南有巴山山脉相隔，西 高东低的阶梯状地势，高海拔的地势阻挡了低空西南暖湿气流，南坡水汽堆积，沿地形抬升， 积雨发展旺盛，降水强度大，多暴雨和人暴雨。因暖湿气流难以越过神农架山脉，北坡降水 相对比南坡小，暴雨出现少。 图2 - 1 三宝洞地理位置图 神农架以山地地貌为主，还有流水地貌、喀斯特岩溶地貌和第四系冰川地貌。神农架 8 第 二章区域研：境、研究材料和方法 保护区的地质特点( 富含石灰岩、白云岩等碳酸盐岩) 、湿润的亚热带、暖温带或温带气候条 件( 降水充沛) 、呈酸性弱酸性反应具有适当厚度的土壤层、良好的植被覆盖为洞穴碳酸盐发 育提供了优越的先天条件。喀斯特地貌或称岩溶地貌，神农架有3 0 是可溶性碳酸岩，为 喀斯特地貌形成提供了良好的基础条什，其地貌形态有喀斯特漏斗和洼地、坡丘谷、溶洞、 落水孔、暗河、喀斯特盆地、溶沟、溶槽、石茅等。广泛分布的溶洞发育了数量可观的钟乳 石、石笋等碳酸盐沉积物，记录了第四纪以来环境气候的演变历史。宋落天鹅洞、红坪犀牛 洞、官封三宝洞、青天洞、歇马镇永兴洞等都发现了大量石笋样品，这些样品为研究神农架 地区乃至华中地区的古气候演化提供了丰富的素材。神农架自然保护区的地形颇为复杂，整 体地赞为西南高东北低的阶梯状，这种地形阻挡了两南方向来的暖湿气流，利于东南季风的 深入，当地气象观测资料( 朱兆泉，1 9 9 9 ) 也证实了这一点。以海拔9 3 0 m 的松柏镇地区为 例，全年8 0 以上盛行东南风，神农絮地区应属典型东弧季风区。 第二节洞穴与石笋 神农架地区溶洞分布广泛，其中的三宝洞有人餐的洞穴沉积物发育，石笋样本丰富。我 们选择了神农架三宝洞石笋作为研究材料。2 0 0 5 年1 0 月和2 0 0 6 年4 月和1 0 月在三宝洞中 共采集了数支石笋，通过铀系测年，其中4 支石笋年龄处在研究时段，选定为研究材料。下 面介绍三宝洞和所研究的石笋情况。 1 洞穴概况 三宝洞( 3 i 0 4 0 n ，l1 0 。2 6 e ) 位于湖北神农架林区政府所在地松柏镇以西约4 0 k m ，洞1 2 1 海 拔约1 9 0 0 米，洞穴上部二卜壤发育较好，为山地黄棕壤，植被以灌术、草本为土，零星有乔 木。三宝洞冈开山修路而被发现，总长约3 0 0 0 米。洞口向南，主要分为门厅、葡萄厅、莲 花厅和后厅四人部分( 图2 - 2 ) 。三宝洞基本没有分支，以接近洞内岩层的倾角垦直线向下延 伸。洞顶钙板有数十米甚至超过- 白米厚。门厅宽敞，有众多巨人的石笋和石柱，并有滴水从 洞项滴下。从门厅沿着狭窄的洞道卜1 0 0 0 米左右为第二个较为宽敞的洞厅葡萄厅。葡萄 厅也零星生长有“笋。从葡萄厅沿通道继续深x 蛰j 2 0 0 0 米，就是第三个大厅莲花厅，因 洞顶的巨大莲花形钟乳石而得名。此厅的西部有大鼍洞穴沉积物，在钙板和石堆上生艮了火 量石笋，高低不一，形态各异。有些石笋外皮发灰，从经验判断生长年代偏老；有些则晶莹 透亮，并且顶部还有滴水，表明生长年代较轻，并且还在继续生长；有些则介于两者之间， 顶部没有滴水，停止了生长，但从外表皮看生长年代不算太老。此厅湿度很大，有的地方滴 q 第一二章区域环境、研究材料和方法 水甚至已经汇成小溪，能听见潺潺流水声。沿莲花厅向下走约5 0 0 米就是后厅，在距洞底约 3 0 0 米的洞道两侧，有一上坡，坡上石笋较多，粗细不一，形态各异，有些石笋上方正在滴 水。研究石笋主要采集于此。三宝洞洞内实测温度为8 。c ( 2 0 0 6 年4 月测) ，实测湿度接近1 0 0 ( 2 0 0 6 年4 月进入洞穴时分别在洞口、洞中和洞底三个位置放置湿度计，三处的读数分别为 9 0 、9 6 幂1 1 9 8 ) 。 入口 2 石笋材料 图2 - 2 三宝洞平面图 ( 图中空心三角的位置指示丫石笋的具体分布) 采白该洞穴内4 支石笋，编号为s b l 2 、s b l 4 、s b 3 2 和s b 5 0 ，石笋剖面如图2 3 。s b l 2 表皮光滑，浅灰黄色，长7 0 0m i l l ，底部直径1 5 0 m m ，上部略细，剖面顶部有5 0 m m 宽棕黄色 条带，表明有沉积问断，其它部分岩性单一，为纯净的方解石晶体，望淡白或乳白色；s b l 4 表皮警灰黑色或淡黄色，艮5 7 51 t l n l ，底部直径1 3 0n l l n ，中间稍粗， 剖面大部分呈淡白色， 顶部有一些清晰的条纹，可能存在沉积间断；s b 3 2 全长l1 8 0m l n ，底部直径2 0 0m m ，顶 部平滑，直径1 2 0 m m 。表皮浅黄色，望豆粒状凹凸，生长较匀称，部分处直径稍粗，大体 上呈平顶圆柱状。沿石笋生长轴剖开，抛光后发现在光照下半透明，呈白色或淡白色，结晶 较好，并有较清晰纹层。岩性总体上没有明显变化，表明该石笋生长速率基本稳定，没有明 显沉积间断，部分区域有溶蚀微孔，反映该处生长速率较快。s b 5 0 表皮光滑早灰黄色，长 5 5 5 m m ，岩性与s b l 2 基本类似。 l o 第二章区域矽：境、研究材料和方法 s b 3 2ll8 0 m ms b l 27 0 0 r a ms b l 45 7 5 m ms b 5 05 5 5 m m 图2 - 3 三宝洞4 支石笋剖面图 第三节实验方法 1 氧碳同位素样品采集与测试 将采回的石笋样本用切割机沿中心剖开，打磨机抛光后可清楚的看到生氏纹路。沿纹路 中心用绘图米格纸粘贴成毫米级深度标尺。用直径为0 3 或o 5 m m 的牙钻沿石笋生长中心 轴钻取氧碳同位素样品。采样过程尽量避免样品的污染，整个过程在超净台上进行，每采一 个同位素样本须用洗耳球气吹和脱脂棉清理钻头表面。每个样量约2 0 0 1 x g ，s b l 2 每5 毫米 取1 个样，共获取1 4 0 个样品；s b l 4 从顶部开始0 - 2 0 0 m m 每l 毫米取1 个样，2 0 0 m m 底部5 m m 采一个样品，获取2 7 5 个样；s b 3 2 从顶部开始0 1 5 0 m m 每0 5 毫米取1 个样，1 5 0 m m - 1 0 8 0 i i l n l 每5 m m 一个样，至底部每毫米取1 个样，获取5 8 6 个样；s b 5 0 每5 m m 采一个样，获取1 11 个样。 第- 二章区域环境、研究材料和方法 4 支石笋共获取l ll2 个样品，采用碳酸盐自动进样装置( k i e lc a r b o n a t ed e v i