（自然地理学专业论文）初探mis6东亚夏季风亚轨道尺度气候变化.pdf

硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 捅要 本文基于南京洞穴石笋1 0 个t i m s 年龄、6 5 8 个氧碳同位素分析数据和纹 层计数结果，建立了倒数第二次冰期晚期东亚季风高分辨率的气候演化序列，发 现倒数第二次冰期东亚季风气候快速变化特征类似于末次冰期的千年尺度气候 变化，进一步证实东亚季风气候高频振荡变化与全球气候的耦合关系。 在岁差尺度上，南京洞穴石笋6 ”o 、南极冰芯和我国的黄土记录都十分类似 于北纬6 5 0 n 夏季太阳辐射能变化，说明东亚季风气候与全球气候变化都受控于 太阳辐射变化，证实东亚夏季风降水变化主要受低纬海洋水文循环d o l e 效应的 影响。 在千年尺度上，倒数第二次冰期石笋记录表现为高频振荡的特征，发生了两 次特强干旱事件，时间分别为1 3 8 7 k a b p 和1 3 6 2k a b p ，石笋6 ”0 值表现为快 速偏正，变幅分别为1 4 9 o 和2 ，6 6 o ，振幅变化范围类似于末次冰期的h e i n r i c h 事件：另外发现1 1 次湿润事件，平均时间间隔为1 8 k a 左右，石笋6 ”o 值表现 为负偏，平均变幅为1 5 0 o o ，振幅变化类似于末次冰期的d a n s g a a r d o e s c h g e r 事 件，而且与深海记录的s s t 曲线的峰谷变化和频率非常相似。在千年尺度以下， 石笋记录了高频低幅的气候振荡，平均振幅低于o 5 。 将两次冰期石笋记录对比，在轨道尺度上，6 博o 曲线与6 5 。n 的太阳辐射量 变化曲线对比，两个冰期的对比特征几乎完全相似，在百年千年尺度上，两次 冰期石笋记录都表现出了相似的高频振荡特征，但是，通过对比对应的h e i m - i c h 事件和d a n s g a a r d - o e s c h g e r 事件，末次冰期记录的平均振幅和峰谷宽度要大于倒 数第二次冰期，说明末次冰期气候变化更为剧烈。 在岁差尺度上，倒数第二次冰期的氧碳同位素记录呈正相关，末次冰期的氧 碳同位素呈负相关：在百年千年尺度上，两次冰期的氧碳同位素都呈负相关关 系。由此说明洞穴石笋6 ”c 对环境变化的复杂响应关系。 关键词：南京石笋倒数第二次冰期东亚季风气候事件 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 a b s t r a c t t h ea u t h o rr e c o n s t r u c t sah i g hr e s o l u t i o nc l i m a t er e c o r do fe a s ta s i a nm o n s o o n d u r i n gl a t ep e n u l t i m a t eg l a c i a t i o n ( 1 6 0 1 3 0 k a t 3 p ) ，b a s e do n1 0d a t i n ga g e sa n d6 5 8 d a t ao fs t a b l ei s o t o p i cc o m p o s i t i o n sa sw e l la ss t a l a g m i t e sa r m u a ll a y e r s t h er e c o r d s i l l u s t r a t e dc h a r a c t e r so fe a s ta s i a nm o n s o o nr a p i dc l i m a t i c c h a n g e sd u r i n g t h e p e n u l t i m a t eg l a c i a t i o n ，w h i c h b e a r sav e r ys i m i l a rp a t t e mt om i l l e n n i a ls c a l ec h a n g e s d u r i n gt h el a s tg l a c i a t i o n t l l i sp r o v i d e sf u r t h e re v i d e n c ef o rag e n e r a lr e l a t i o n s h i p b e t w e e nh i g hf r e q u e n c yv a r i a b i l i t yo f e a s ta s i a nm o n s o o na n dt h eg l o b a le v e n t s i nt h e p r o c e s s i o n a l s c a l e t h e s t a l a g m i t e s 6 ”oc u r v ef o l l o w sr e c o r d sf r o m a n t a r c t i ci c ec o r ea sw e l lc h i n e s el o e s s t h es i m i l a r i t ys u g g e s t st h a tg l o b a lc l i m a t e c h a n g e sw e r ed r i v e nb yt h eo r b i t a lv a r i a b i l i t yo f 6 5 。ns u n l m e ri n s o l a t i o n b a s e do n t h ed o l ee f f e c t t h eh y d r o l o g i c a lc y c l eo fl o wl a t i t u d eo c e a np r o v i d e sm a i ns o u r c ef o r p r e c i p i t a t i o n o f t h ee a s ta s i a ns u n l l n e rm o n s o o n i nt h em i l l e n n i a ls c a l e ，c a l c i t e6 1 s or e c o r d sd i s p l a yah i g h - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o n t h e r ea r et w oe x t r e m e l yd r ye v e n t sa s e x p r e s s e di nr a p i dp o s i t i v e s h i f ti nt h e s t a l a g m i t e s 8 1 s or e c o r d t h ea g e sa r e1 3 8 7 k a b pa n d1 3 6 2 k a b p , r e s p e c t i v e l y a m a g n i t u d eo f t h es t a l a g m i t e8 1 s ov a r i a b i l i t yf o r 也e h e i n r i c he v e n t sd u r i n gt h es t u d i e d i n t e r v a lr e a c h e s1 4 9 oa n d2 6 6 。r e s p e c t i v e l y , s i m i l a rt ot h a to ft h eh e i n r i c h t y p e e v e n t sd u r i n gt h el a s tg l a c i a t i o nf r o mt h es t a l a g m i t e6 “or e c o r d si nt h es a m ec a v e i n a d d i t i o n ，t h e r ea r e1 lc l i m a t ew e te v e n t sa sr e f l e c t e db yn e g a t i v ev a l u e so fs t a l a g m i t e s 8 1 s 0t h a tr e s e m b l es s tv a r i a b i l i t yi na t l a n t i cr e 百o n ( 4 0 。n ) aa m p l i t u d eo ft h e s t a l a g m i t e 8 1 8 0 v a l u e s a v e r a g e s 1 5 0 ，w h i c h i ss i m i l a rt o t h a to ft h e d a n s g a a r d - o e s c h g e re v e n t sd u r i n g t h el a s t g l a c i a t i o n u n d e rt h em i l l e n n i a ls c a l e ， s t a l a g m i t e s8 1 s o r e c o r d sa p p e a r h i g hf r e q u e n c y a n dl o w a m p l i t u d e ( 1 e s st h a n o 5 0 1 t h e6 1 8 0r e c o r df r o mt h el a s tg l a c i a la n dt h ep e n u l t i m a t eg l a c i a lp e r i o d sr e s e m b l e p r o c e s s i o n a lo r b i t a lv a r i a b i l i t yo f 6 5 。ns u i n m e ri n s o l a t i o na n da p p e a rh i 曲f r e q u e n c y v a r i a b i l i t vi nt h em i l l e n n i a l c e n t e n n i a ls c a l e b u tt h eo s c i l l a t i o n so f t h el a s t 西a c i a t i o n s h o wm o r e l a r g ea m p l i t u d e t h a nt h a to ft h e p e n u l t i m a t e l a t e g l a c i a t i o n t l i s i m p l i c a t i o n st h a t c l i m a t ee v e n t sd u r i n gd i f f e r e n c eg l a c i a t i o nm a yb et r i g g e r e db y d i f f e r e n tf a c t o r s i nt h e p r o c e s s i o n a ls c a l e s t a l a g m i t e6 1 3 ca n d6 1 8 0r e c o r di s ac l e a rp o s i t i v e c o r r e l a t i o nd u r i n gt h ep e n u l t i m a t eg l a c i a t i o n ，b u tan e g a t i v ec o r r e l a t i o nd u r i n g t h el a s t g l a c i a t i o n ；i nt h em i l l e n n i a l c e n t e n n i a ls c a l e s t a l a g m i t e 6 ”ca n d6 “0r e c o r di sa c l e a r n e g a t i v ec o r r e l a t i o nd u r i n g t h ep e n u l t i m a t eg l a c i a t i o na n dt h el a s tg l a c i a t i o n k e yw o r d s ：n a n j i n gs t a l a g m i t e p e n u l t i m a t eg l a c i a t i o ne a s ta s i a nm o n s o o n c l i m a t ee v e n t 学位论文独创性声明 64 2 6 5 4 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己在论文中作了声明并表示了谢意。 作者虢邋叠丝努 日期： 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：胡趔 日期：迎! f 尊蝴翟d 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 第一章前言 古气候研究的意义在于将古论今或将今论古，为预测未来气候变化种种可能 模式提供依据，因此近年来，亚轨道尺度及以下尺度的气候变化研究越来越引起 科学家的重视，基于这样的研究热潮，本文初探了倒数第二次冰期东亚夏季风亚 轨道尺度的气候变化。 根据深海有孔虫氧同位素所估算的最大冰川体积的时限所建立的时间表 ( i m b r i ee ta 1 ，1 9 8 4 ；m a r t i n s o ne ta 1 ，1 9 8 7 ) ，倒数第二次冰期相当于深海氧同位素 6 阶段( m i s 6 ) ，时间跨度大约在1 9 5 k a b p 1 2 5k a b p 。 关于百年千年尺度的高频气候振荡事件研究最多的是末次冰期。d a n s g a r d 等( 1 9 8 2 ，1 9 8 4 ) 通过格陵兰冰芯6 “o 、降沉含量及欧洲湖泊沉积记录的对比发 现，末次冰期旋回中存在一系列快速升温事件( 后称d a n s g a a r d o e s c h g e r 事件) ， 每个d o 旋回持续时间为2 5 0 2 0 0 0 年不等，升温幅度达5 - 8 。此后，又对格 陵兰两个长达3 0 0 0 m 的冰芯( g r i p 和g i s p 2 ) 研究显示，在1 1 0 1 l k a b p 时段 内一共出现2 4 次d o 事件( i s 2 4 i s l ) ，每个事件在6 1 s o 曲线上呈直角三角形特 征，即快速变暖后缓慢变冷，似乎与轨道尺度的气候变化有自相似性( d a n s g a a r d e ta l ，1 9 9 3 ) 。德国水文学者h e i n r i c h ( 1 9 8 8 ) 发现北大西洋东北部深海沉积记录 中有多达1 1 层冰漂碎屑沉积层( i r d ) ，尤以末次冰期中的6 层最为显著。随着 研究的深入，类似的沉积层在北大西洋多处发现，并被确认为h e i n r i c h 事件( b o n d ， 1 9 9 2 ，1 9 9 5 ；b r o e c k e r , 1 9 9 4 ) ，平均时间间隔为1 0 k a 左右，对应于半个岁差周期。 d o 事件与h 事件关系密切，h 事件总出现在一组逐渐变冷的d o 事件末端，新 一组旋回以突然的快速升温为特征。这种成组出现的d o 事件被称为b o n d 旋回 ( b r o e c k e r , 1 9 9 4 ) 。研究者认为北大西洋在控制温盐环流中的突出作用，是驱动 百年千年尺度全球气候变化的关键因素( b r o e c k e re ta l ，1 9 9 8 ) 。大气冷循环 ( b o n de ta l ，1 9 9 3 ) 或海一气快速重组( b m e c k e re ta l ，1 9 9 4 ) 等驱动机制可能诱 发了北大西洋h e i n r i c h 事件和格陵兰冰芯d o 旋回，并通过北大西洋深层水体 ( n a d w ) 影响全球其它地区( b r o e c k e r e ta l ，1 9 8 9 ：c h a p m a ne ta l ，1 9 9 8 ) 。 关于倒数第二次冰期研究高频振荡的气候记录较少，主要来自于北大西洋深 海沉积记录( o p p o e ta 1 ，1 9 9 5 ；v a ne ta 1 ，1 9 9 6 ；b o u te ta 1 ，1 9 9 7 ；b o n de ta 1 ，1 9 9 9 ； m c m a n u se ta 1 ，1 9 9 9 ；j e r r ye ta l ，1 9 9 9 ；d e l p h i n ee ta l ，2 0 0 2 ；a b r e ue ta l ，2 0 0 3 ) ，北 大西洋连续5 0 万年以来的千年尺度的有孔虫6 “o 记录表明( j e r r ye t a l ，1 9 9 9 ) ， m i s 6 阶段和其它气候阶段一样，都存在有类似于末次冰期的高频不稳定性的气 候特征，并发现在这5 个冰期旋回中，当冰层6 ”o 的值超过3 5 0 时候，冰流和 海表温度在千年尺度上表现出相对较强的变化，当海表温度振幅由1 - 2 增加到 4 - 6 时，灾难性的冰流与短暂的平静期交互变化。在中低纬度的大西洋距今 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 1 9 0 k a 的千年尺度上气候变化中，发现冰漂碎屑事件在最后两次冰期中普遍存在， 倒数第二次冰期冰漂碎屑事件主要发生于m i s 6 阶段中期，振荡变化末次冰期明 显比倒数第二次冰期强烈，m i s 6 阶段平均s s t 比m i s4 、m i s3 、m i s2 阶段低， 并且发现s s t 最低值并不对应冰量的最高值( a b r e ue t a l ，2 0 0 3 ；d e l p h i n ee t a 1 2 0 0 2 ) 。d a v i de ta l ( 2 0 0 0 ) 通过对赤道太平洋沉积物有孔虫研究，同样发现了 倒数第二次冰期高频振荡变化，并且发现近4 5 万年以来赤道太平洋s s t 冰期。 间冰期变化大约为5 c ，和大西洋气温变化相一致，比大陆冰量变化提前约3 0 0 0 年左右，由此表明热带地区降温驱动冰期气候变化，向西部传输的水汽逐渐增加。 南半球中纬度海洋记录的近3 4 万年以来百年尺度气候变化，发现倒数第二次冰 期也有高频振荡变化，与南极冰芯对比其气候振荡变化比南极地区更为强烈，与 格陵兰冰芯对比，其气候结构变化的时间两种气候记录具有相似性，表明了两个 半球气候变化同步性( k a t h a r i n ap a h n k ee ta l , 2 0 0 3 ) 。在冰芯记录中，通过对v o s t o k 冰芯时间跨度为4 2 万年的多个指标研究( 6 d 、d u s t 、i c ev o l u m e 、n a 、c h 等) ，同样发现倒数第二次冰期出现了类似于末次冰期的气候高频振荡变化( p e t i t e t a l 1 9 9 9 ) 。 中国黄土记录中发现，在相当于倒数第二次冰期的l 2 黄土中有类似于 h e i m - i c h 的气候变冷事件( 郭正堂等，1 9 9 6 ) 。孙东怀( 1 9 9 6 ) 等通过对覆盖黄土 高原的3 0 个黄土一古土壤剖面磁化率的测量，发现黄土高原在倒二冰期没有记录 东亚夏季风活动的痕迹，当时夏季风锋面的活动范围可能位于渭河河谷地以南地 区。通过对会宁李家塬l 2 黄土粒径分析，在倒数第二次冰期期间，东亚季风沙 漠系统存在百年千年尺度气候不稳定特征，该地区记录的倒数第二次冰期最强 冬季风发生在1 3 7 k a b p 、1 6 3 k a b p 、1 8 3 k a b p 、1 8 9 k a b p ( 任剑璋等1 9 9 7 ) 。 无论是深海沉积记录，还是冰芯和黄土记录，都可能存在定年不确定和分辨 率太低的问题，这就对亚轨道尺度以下的气候变化研究形成了障碍，而随着古气 候研究的发展，对研究材料的定年和分辨率要求越来越高，而洞穴石笋在定年和 分辨率方面具有非常明显的优势： 首先，定年精度高，1 9 8 6 年，e d w a r d se ta l n 用热电离质谱技术( t i m s ) 成 功测定了珊瑚年代，1 9 8 9 年，“e ta i 首次将1 1 m s 方法成功应用于洞穴碳酸盐测 年，恢复记录了巴哈马海平面最近2 8 万年的气候变化历史，此后，t i m s 测年方 法成为洞穴碳酸盐古气候研究的常用手段，因为t 订s 测年精度比常规测年高出 了1 0 多倍，对样品量的要求也大大减少，使确定气候转型事件的时间成为可能， 如采自阿尔卑斯山脉s p a n n a g e l c a v e 的石笋利用t d 讧s 测年确定m i s 6 阶段的终止 时间为1 3 5 士2 k a b p ( s p o t le ta 1 ，2 0 0 2 ) 。采自美国内达华卅d e v i l s h o l e 的石笋d h l i 进行t 订s 测年确定终止点i i 的年龄为1 4 0 士3 k a b p ( w i n o g r a d e ta 1 ，1 9 9 2 ；l u d w i g e ta 1 ，1 9 9 2 ) 。目前，t d 讧s 测年技术可获得最大极限年龄为7 5 万年( l a u r i t z e ne ta l ， 2 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 1 9 9 9 ) 。 其次建立时间标尺分辨高。有了高精度的t i m s 测年技术，使建立高分辨率 的时间标尺成为可能。又由于石笋生长纹层的年层性不断得到证实( b a k e re l a l ， 1 9 9 3 ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) ，类似于极地冰芯的纹层计数法在建立石笋时标中得到应用 ( g e n t y e ta l ，1 9 9 6 ；刘东生等，1 9 9 7 ) ，可以使石笋建立时标精度可以达到年际 尺度，如孔兴功等( 2 0 0 3 ) 利用t i m s 测年技术和纹层计数法建立了末次盛冰期 年际分辨率的时间标尺，检索出e n s o 周期的降水变率信息。 洞穴石笋气候代用指标主要有稳定同位素、年生长层、微量元素及岩石结晶 相等，其中，应用最为广泛的是稳定同位素的研究。洞穴碳酸盐稳定同位素研究 开始于3 0 多年前( h e n d ya n d w i l s o n ，1 9 6 8 ；t h o m p s o n e ta l ，1 9 7 4 ) ，曾经由于测年 精度的原因，发展一度停滞，但t 以s 测年的应用，使其发展又呈现出蓬勃生机。 如采自意大利伊特鲁里亚海滨海平面以下1 9 m 处的a r g e n t a r o l a 洞穴石笋，记录发 现在1 8 0 1 7 0 k a b p 时段( 相当于m i s 6 5 ) 内，其6 ”o 值的振幅为1 2 ，说明了 m i s 6 5 阶段气候比较湿润，降水量大( b a r de ta 1 ，2 0 0 2 ) 。b a - m a t t h e w se ta l ( 2 0 0 0 ) 和a y a l o n e ta 1 ( 2 0 0 2 ) 利用采自以色列的石笋6 ”o 值负偏来推断m i s 6 阶段的多 雨时期。采自阿尔卑斯山脉s p a r m a g e l c a v e 啪5 笋6 ”o 记录了百年千年尺度上气 候变化，首次证实了中纬度大陆地区气候记录中存在d o 事件。w a n g e ta l ( 2 0 0 1 ) 根据采自南京葫芦洞生长于末次冰期的5 支石笋6 ”0 重叠记录，发现其与g r p 和 g i s p 2 冰芯记录具有强一致性，并发现了发生于末次冰期的2 1 次d o 暖事件和6 次 h e i r t r i c h 降温事件，并认为冰芯时标应该作相应的修改。通过分析采自法国东南 部l l a r sc a v e 的v i l 9 石笋氧碳同位素记录，发现在欧洲西部中纬度地带也有d o 事件发生，并确定了这些事件的发生和持续时间，最具有意义的是该记录为g r i p 和g i s p 2 冰芯提供了修改后的时标( g e n t ye t a l 2 0 0 3 ) 。d a o x i a n y u a n e ta l ( 2 0 0 4 ) 利用贵州董哥洞石笋6 1 8 0 i 5 录，研究了距今1 6 万年来低纬东亚季风降水特征，并 利用高密度的测年，确定东亚季风气候区末次间冰期持续了9 7 士1 1 k a 。 上述关于石笋古气候信息的研究成果充分表明洞穴石笋在高分辨率古气候 研究中的重要地位和作用，本文基于南京洞穴石笋1 0 个t m s 年龄、6 5 8 个氧碳同 位素分析数据和纹层研究结果，以期获得倒数第二次冰期百年万年尺度上的气 候变化，进一步讨论东亚季风气候与全球气候变化的耦合机制。 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 第二章材料和方法 1 区域环境 南京汤山葫芦洞位于东亚夏季风锋面作用地带，它是研究东亚冬、夏季风环 流变化历史的良好地点。东亚位于世界最大的海洋一太平洋和最大的陆地一亚欧 大陆之间，海陆间的气温梯度和气压梯度以及季节性变化最为显著，形成最为典 型的季风区( 图2 1 ) 。冬季，源于欧亚大陆的冷空气在极地环流系统的作用下， 向中低纬度吹送，形成世界上最强大的干冷冬季风，它可抵达南海热带地区，甚 至越过赤道进入南半球，从而加强南半球的夏季风；夏季，源于热带海洋的暖湿 气流在低纬环流系统作用下，向北延伸至中蒙边界附近，形成世界上纬度最高的 偏南夏季风，由此可见，东亚季风系统在南、北半球大气环流中起着重要的纽带 作用。 表示图2 - 1 东亚冬夏季风形成分布图( x i a oe ta l ，1 9 9 9 ) ( 左图为一月冬季风，右图为七月夏季风；图中曲线表 示海面平均等气压( h p a ) ；虚线表示夏季风影响界限； 图中黑三角是南京葫芦洞位置) 2 洞穴概况 南京汤山葫芦洞位于汤山一仑山复背斜北翼，天然洞口坐标为( 3 2 。3 n ， 1 1 9 。2 i e ) ，葫芦洞洞底海拔高7 0 m ，洞顶标高9 0 m 左右，属低位洞穴。洞体呈单 体式厅堂状，全长约6 4 m ，东西两端较宽，平均宽度2 5 m 左右。大厅中部为一 近南北向的锥形堆积体，其扇状边缘可延伸至洞穴岩壁。该堆积体含大量灰岩角 砾岩和骨化石，为洞外流水作用搬运而至。大厅西侧远离洞口、阴暗潮湿，葫芦 洞未开发前此处空气流通微弱。大厅西侧顶部发育大量石钟乳；地表则被西东倾 向的暗红色塌积物覆盖，其上发育众多石笋。塌积物中部有一落水洞，内部也发 4 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 育石笋。洞顶灰岩渗滤带厚2 0 3 0 m 左右。据现场观察，大气降水通过洞顶上部 渗流带的滞留时间较短，很快进入洞穴，因而一年内雨季会产生洞顶滴水，旱季 则发生断流。 由于洞穴地层分布零散以及旅游开发等原因，现残存洞穴地层层位关系复 杂，汪永进曾以该洞穴内钙板和石笋t i m s u 系测年为依据，讨论了南京洞穴第 四纪地层的年代及其地层划分方案( 汪永进，1 9 9 9 ) ，并得出结论，本文所研究 的洞穴地层属于中更新统的地层，洞穴堆积时代不超过中更新世底界年龄 7 8 0 k a b p 。 3 石笋样品特征 本文研究的两支石笋x 和m s p 均采自南京葫芦洞中，两支石笋在上次冰期 的晚冰期大约有一万年左右的重叠生长时段，两支石笋外表光滑，光照下略显透 明，但两支石笋无论在形状上，还是在岩性上都存在很大差异，现分别描述如下： m s p 采集于落水洞泥质沉积物 上，总长约3 5 0 m m ，直径约1 3 0 m m 的均匀圆柱体，平顶，外表土红色， 沿石笋中轴剖开后抛光( 图2 2 ) ，在 距顶9 6 m m 处岩性类似于外表皮，其 以上层段呈棕红色油脂光泽，透明， 以下层段根据石笋岩性不同分为3 段：( 1 ) 距顶3 5 0 - 2 4 5 m m 层段，透 明纹层与白色纹层相间生长，其中白 色纹层占主要，生长纹层平直，不致 密，生长快；( 2 ) 距顶2 4 5 1 7 5 m m 层段，生长中心向左稍有偏移，黄棕 色与白色纹层相间，颜色明显加深， 岩性也越致密，纹层时隐时现，透明； ( 3 ) 距顶1 7 5 9 6 m m 层段，生长中 心又向右偏移，黄褐色油脂光泽，颜 色更深，岩性更为致密，肉眼已经完 全看不到微层，透明。 图2 - 2 两支石笋剖面图 x 总长约1 3 0 m m ，呈规则的圆 锥体，尖顶，外皮为棕红色，光滑透明，沿中轴剖开后抛光( 图2 - 2 ) ，油脂光泽， 生长中心稳定，纹层平整透明，岩性均匀，明显比石笋m s p 致密，在距顶5 8 6 8 m m 和8 4 8 8 m m 处出现透明纹层和白色纹层相间生长，岩性明显不同的是在距顶 9 2 1 1 6 m m 层段出现深棕色纹层。 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 4 研究方法 4 1 铀系测年 将石笋沿生长轴方向纵切为4 等份，取其中之从上至下采样。样品横截面 应尽量平行于纹层生长面图( 图2 2 ) ，以避免其对年龄精度产生影响。石笋m s p 取样厚度在l m m 左右，石笋x 取样厚度在3 m m 左右。本文测年样品共1 0 个( 石 笋x 采4 个，石笋m s p 采6 个) ，均由美国明尼苏达大学同位素实验室程海老 师和访问学者孔兴功老师完成，具体操作过程及采用参数、数据统计方法参见相 关文献( e d w a r d s ，1 9 8 6 1 9 8 7 ) ，测量统计误差为士2 盯。 4 2 氧碳同位素 将石笋沿生长轴方向切开，取其中1 8 1 1 0 ( 根据石笋粗细而定) ，并切去 外部表皮，只留纹层平行的中部核心，然后抛光，使纹层清晰可辨，并用绘图米 格纸制成毫米级标尺，贴于三方柱体一侧，以确定采样深度。取样时沿生长纹层 逐层刮削方解石粉末，尽可能保持在同一生长层面上采集。每l m m 刮取2 0 个 样品，采集的样品用硫酸纸包好、编号。为避免样品混层，但同时又要保证分辨 率，我们采用隔样选取测试分析其同位素。石笋x 采样深度为o 1 2 9 m m ，共采 样2 5 8 0 个，每毫米选取两个样，共获2 5 8 个氧碳同位素数据。石笋m s p ，采样 深度为9 6 - 3 4 2 m m ，共采样4 9 2 0 个，深度9 6 2 5 0 m m 处，由于生长慢，每毫米取 两个样品测试，深度在2 5 0 3 4 2 m m ，由于生长速率快，每毫米取一个样，共获 4 0 0 个氧碳同位素数据。 洞穴碳酸盐氧碳同位素的分析获取一般是采用化学方法，将c a c o s 转化为 c 0 2 后进行稳定同位素气体质谱仪测定，最终结果以美国南卡罗莱纳州白垩系皮 狄组的拟箭石为参照标准，简写成v p d b 。石笋x 的测试工作由中国科学院南 京古生物地质研究所同位素实验室陈小明完成，石笋m s p 的测试工作由中国科 学院西安地球环境研究所同位素实验室完成，8 1 s 0 分析误差小于o i o ，6 ”c 分 析误差小于0 0 5 。 4 3 石笋微层测量 首先要制各薄片，厚度大约1 0 0 肛m 左右即可，薄片制备主要由中国科学院 南京地质古生物所磨片室程西厅老师完成；其次镜下观察，在o l y m p u s 偏光显 微镜下对石笋薄片进行观察，适当调节电压和通光亮度。正交偏光下方解石晶体 呈现一致消光现象，其晶体形式为柱状、纤维状，晶体生长的长轴方向( 晶体排 列方向) 垂直于生长纹层。最后将b i o l y m p u s 软件标尺进行校正，单位为肿， 校正后可以利用该软件直接读取石笋厚度值。 6 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 第三章石笋时标的建立 通过精确的u 系定年，可以建立5 0 万年来生长石笋年龄的高精度时标，但 由于本文研究石笋主要发育于倒数第二次冰期，且生长速率较慢，难以获得高精 度时标，但借助于两支石笋相互交叉定年，可以确定两支石笋可靠的年龄框架。 第一节洞穴石笋的铀系年龄 1 测年结果 表3 - 1 给出了汤山葫芦洞内两支石笋的u 系年代结果，获得了1 0 个测年数据。 表3 - 1 汤山葫芦洞2 支石笋铀系年代结果及其铀同位素组成 m s p 1 1 0 55 52 9 7l8 7 9 812 5 680 9 2 6 2 1 3 5 ，8 7 51 9 1 291 3 5 0 4 7 3 女9 6 0 ，6 m s p _ 2 1 7 25 5 1 3 1 19 6 4 053 5 2810 4 1 0 1 4 4 ，8 6 5 5 1 4 4 351 4 3 , 4 5 8 1 士l j 9 0 1 m s p _ 3 1 7 95 511 662 2 2 363 5 6710 4 2 2 1 4 4 ，2 7 35 9 3 871 4 3 ，9 1 1 5 - 1 9 5 3 0 m s p - 4 2 4 35 51 4 848 2 0 3 23 5 1910 6 5 8 1 5 1 9 4 47 i 2 7 511 5 0 、8 9 4 6 1 , 3 6 s 6 m s p - 5 3 4 75 51 5 815 6 3 6 53 4 1710 5 6 51 5 1 ，8 9 19 1 ，1 0 73 1 5 1 ，2 0 9 3 1 1 5 2 5 m s p _ 6 3 5 05 52 8 951 9 052 8 61i 0 1 7 2 1 5 5 ，1 0 07 8 8 171 5 5 ，0 8 7 5 女8 8 1 6 x - 】95 51 5 06 o45 5 8 91 1 5 7 2 20 8 0 2 l i o0 0 4 7 1 3 3 ，8 0 0 1 ，6 0 01 3 3 , 7 0 0 1 ，6 0 0 1 6 89 33 x - 25 7 5 57 4 8 士21 0 1 01 2 2 0 1408 2 6 l 士0 0 0 4 21 4 0 0 0 0 1 5 0 0 1 4 0 , 0 0 0 1 5 0 0 1 8 ii 22 x 39 35 52 2 02 士o66 6 91 1 2i 2008 2 9 8 ：1 00 0 4 0 1 4 4 ，1 0 0 1 ，5 0 01 4 4 ，1 0 0 1 , 5 0 01 6 8 5 士31 x _ 41 2 00 51 5 7 29 8 799 8 60 8 3 5 3 1 5 0 , 3 5 67 2 5 3 031 5 0 1 9 7 7 - + - 2 , 5 2 7 6 斑要竺拶驴“2 土罐出“”“之淄然“r a t i o c o r 。c t e da g e s 。u l - n et h ei n i t i a l a t o m i cr a t i oo f 。她：。0 - 6t h o s e 。 2 n f 2 x e 2 ” 。户4 “2 2 x 1mt h 。 v a l u e sf o ram a t e r i a la ts e c u l a re q u i l i b r i u m w i t ht h ec r l l s t a l2 3 叶i 俨”uv 缸u eo f3 8t h ee 肿ha r ca r b i t r a r i l ya s s u m e dt ob e5 0 经测年发现，在距顶9 6 m m 处存在大约1 0 万年左右的沉积间断，以上层断生长 于末次冰期，本文不作研究，以下层断生长于倒数第二次冰期，是本文研究的重 点，在这一层段，共测得6 个年龄数据，同样发育于倒数第二次冰期的石笋x 共测得4 个年龄数据。根据校正年龄，年龄测年误差最大达至l j + 2 5 2 7 a ( x 4 ) ，最 小为士8 8 l a ( m s p - 6 ) ，平均测年误差要大于同一洞穴的末次冰期的石笋( 汪永进， 2 0 0 0 ) ，为研究m i s 6 阶段高频振荡气候事件的定年形成困难，由校正年龄数据 可以看出：m s p 覆盖时段为1 3 5 2 土0 9 6 1 5 5 0 8 7 5 士0 8 8 k a b p ，石笋x 年龄范围 约为1 3 3 7 士1 6 一1 5 0 9 + 2 5 3 k a b p 。所幸，两支石笋提供的生长重叠时段大部分覆 盖了倒数第二次冰期晚期，可以对气候信息进行相互检验。 2 生长速率 2 1 石笋m s p 年龄与生长速率 据年龄深度关系图( 图3 - 1 ) ，可以清楚的看出石笋m s p 生长过程中沉积速率的 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 变化，明显分为两个阶段：( 1 ) 距顶1 0 5 5 5 ，2 4 7 5 5 m m 层段生长速率慢，平均沉 积速率仅为8 9 m m k a ，岩性以透明的黄褐色为主，并在该层段有两条明显黄土 色的条带，为鉴定是否存在沉积间断，便分别在这两个条带的上下分别取了4 个 测年样，测年结果显示，无法在测年精度范围内判别此两处是否存在沉积间断。 ( 2 ) 距顶2 4 7 5 5 3 5 0 5 5 m m 层段生长速率较快，平均生长速率达到2 6 5 6 m m k a ， 岩性明显比上一段疏松，透明纹层与白色纹层相间生长。 图3 1 南京石笋m s p 平均沉积速率变化图 ( 图中数字表示两测年点之间的平均生长速率) 2 2 石笋x 年龄与生长速率 从石笋x 中采取了4 个样品进行了2 3 0 t h 年龄测定，其顶部年龄为 1 3 3 7 4 - 1 6 k a ，底部年龄为1 5 0 2 士2 5 3 k a b p ，从图3 2 显示石笋x 的沉积速率可分 为两段：( 1 ) 距顶0 - 9 4 r a m 平均沉积速率为8 0 8 m m k a ，岩性为致密的透明黄褐 色。( 2 ) 距顶9 4 ，1 2 3 m m 层段平均沉积速率非常缓慢，为4 7 6 m r r d k a ，岩性变化 明显，呈现深棕色纹层与致密的透明纹层相间生长。 硕士论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 图3 - 2 南京石笋x 平均沉积速率变化图 ( 图中数字表示两测年点之间的生长速率) 第二节石笋时标的建立 高精度石笋时标的建立是高分辨率古气候研究的基础，首先精确的t i m s u 系测年方法使建立高分辨率的气候记录成为可能。通常采用四种方法建立高精度 石笋时标：采用年龄内插法( 汪永进等，2 0 0 0 ) 。该方法要求由足够的测年样 点和精度，从而减少因沉积间断引起的年龄偏差，本文研究石笋m s p 和x 均主 要采用这种方法；通过实测年龄对生长高度进行线性或指数函数拟合，该方法 要求石笋生长连续，基本无沉积间断，从而通过函数拟合消除由测年方法本身带 来的误差。以绝对年龄为框架，通过年纹层计数，建立高精度时标( 汪永进等， 2 0 0 2 ) ，其前提条件是年纹层沉积连续，绝对测年精度较高。采用这种方法建立 的时标不但精度高，而且可检验测年方法本身的系统偏差，但由于本文研究的两 支石笋的无法连续计层，只能作为参考；交叉定年法。是指利用高精度的代用 指标为对比标准，然后根据气候曲线记录的气候记录变化特征对研究石笋的时标 在绝对测年误差范围内进行对比矫正，优点是在绝对测年误差范围内矫正气候事 件发生的相对年龄。由于本文研究的石笋时段凡乎完全重叠，因此在内插时标的 基础上也兼用了此种方法。 1 石笋m s p 和x 建立内插时标 由图3 1 、图3 2 石笋沉积速率图显示，石笋生长速率不均匀，在显微镜下观 察，生长纹层时断时续，无法利用纹层连续计年，因此，我们主要采用了年龄内 插法建立了两支石笋的内插时标( 图3 3 、图3 - 4 ) ，即根据石笋平均沉积速率年 9 硕士论文：初探m 1 s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 年龄( k a b p ) 年龄( k a b p ) 图3 - 3 南京石笋m s p 内插时标图 图3 - 4 南京石笋x 内插时标图 一凸山a)篡p9d=酶悼 (i山。袅。鼍ds毫酶嶂 量)世黠抓悼 o山v袋p一黄讯博 一o舢v杂o!)(辕悼 1)|魁噬泳悼 0 硕十论文：初探m i s 6 东亚夏季风亚轨道尺度气候变化 龄推算出不同氧同位素深度的年龄。但由于取样密度不同，每一个测年层段氧同 位素分辨率不同： 石笋m s p 距顶9 6 , - , 1 7 2 5 5 m m 氧同位素分辨率平均为6 0 年左右；距顶 1 7 2 5 5 1 7 9 ，5 5 m m 氧同位素分辨率平均为3 0 年左右；距顶1 7 9 5 5 2 4 3 5 5 m m 氧 同位素分辨率平均为5 5 年左右；距顶2 4 3 5 5 2 4 7 5 5 m m 氧同位素分辨率平均为 3 9 年：距顶2 4 7 5 5 3 4 1 5 5 r a m 氧同位素分辨率平均为4 0 年左右。 石笋x 距顶o 5 7 5 5 m m 氧同位素分辨率平均为6 5 年左右；距顶 5 7 5 5 9 3 5 5 m m 氧同位素分辨率平均为6 0 年左右；距顶9 3 5 5 1 2 0 5 5 m m 氧