湖北神农架年纹层石笋记录的YD与8.2 ka事件转型模式研究①

王 权 刘殿兵 汪永进 邓 朝

(南京师范大学地理科学学院 南京 210023)

0 引言

Younger Dryas(YD)和8.2 ka事件是末次冰消期以来最受关注的两个气候突变事件，两者对比研究为认识百年—千年尺度气候突变细节过程提供了重要途径［1-2］。在格陵兰冰芯记录中，YD和8.2 ka事件表现出很多相似之处，如冰芯δ18O值、冰雪累积速率和甲烷浓度等指标均显著降低［2］，但8.2 ka期间上述指标变幅仅为YD事件的一半［1］。最近，高分辨率格陵兰冰芯多指标分析结果显示，8.2 ka期间仅δ18O和CH4指标变化显著，其他指标如Ca2+和Cl-浓度变幅很小，表明大气环流对8.2 ka事件响应相对较弱［3］。Broecker等［4］进一步指出格陵兰冰芯记录的YD和8.2 ka事件的转型模式存在显著差异，尽管格陵兰冰芯δD在YD开始变化极为迅速［5］，但其他指标显示该转型过程持续约 200～250 a［5-8］，与 8.2 ka开始期间极地气候迅速变化显著不同［9］。

在低纬地区，亚洲季风在 YD结束时迅速增强［10-12］，与极地气温变化相似。这些洞穴记录显示，在YD开始季风衰减似乎比极地气温变化更为缓慢。来自中国东部及北部年纹层石笋记录的Allerød/YD转换比格陵兰冰芯δ18O记录至少长100 a［11-13］，这种转型模式差异也得到了同区多个石笋记录的支持［10，14-16］。与 YD 事件不同，8.2 ka 事件在北高纬地区异常显著，而在低纬季风区并不突出，仅表现为持续约400～600 a的气候异常，这种差异被认为与太阳活动周期性变化有关［17］。然而，最新高分辨率洞穴石笋研究表明，8.2 ka事件在低纬季风记录中广泛存在［18-20］。在机制上，由于亚洲洞穴石笋揭示的8.2 ka事件与南美季风变化呈反相位关系［19］，并且在内部细节上与格陵兰冰芯记录一致［20］，因此该事件可能与北大西洋温盐环流变化有关。但是，Alley等［2］指出阿曼洞石笋记录的8.2 ka事件转型方式与格陵兰冰芯存在显著差异，即阿曼洞石笋记录的该事件开始过程比格陵兰冰芯记录更为缓慢，而结束过程则更为迅速，可能反映显著的区域响应模式或驱动机制差异。

目前，由于高精度时标不足和高分辨率材料匮缺等原因，YD和8.2 ka事件转型模式对比研究仍较为薄弱。这些研究的深入开展，将有利于认识不同气候背景下的季风突变行为，并理解其驱动机制。如Broecker等［4］已经注意到格陵兰冰芯δ18O记录的8.2 ka事件比YD事件开始更为迅速，可能暗示其具有不同的响应模式或驱动机制。然而，已有研究主要集中于单一气候突变事件细节过程及驱动机制诊断，本文依据湖北神农架青天洞的两支年纹层石笋，建立了完整覆盖YD和8.2 ka事件的亚洲季风演化序列。基于这两支石笋的早期研究成果［12，21］，本文对 8.2 ka期间石笋数据进一步加密，进而通过对比两事件转型模式，以期重新认识末次冰消期以来亚洲季风百年—千年尺度突变事件的驱动机制。

1 研究区域、材料与方法

QT16和QT40两支石笋采自湖北神农架青天洞(110°22'E，31°20'N)，洞口海拔约1 630 m。该区域平均年降水量在1 500～2 000 mm之间，80%的降水集中在6～9月，平均年气温约为7.4℃。青天洞长约50 m，上覆60～90 m厚的二叠系灰岩。由于洞口狭窄，洞内空气与外界空气交流不畅，洞内相对湿度接近100%。

石笋QT16和QT40分别高242 mm和179 mm，沿生长轴切开并抛光，用直径为0.9 mm的牙钻共采集17个样品用于230Th定年。该测试在美国明尼苏达大学地质与地球物理系同位素实验室完成，测试仪器为ICP-MS，流程见Shen等［22］的描述，年龄误差为±2σ。

稳定同位素样品采集采用刀削法，分别获取了881组(QT16)和521组(QT40)氧、碳同位素数据。测试工作在南京师范大学地理科学学院同位素实验室完成，VPDB标准，采用碳酸盐自动进样装置与Finnigan MAT-253联机测试，每9个样加测一个标样(NBS-19)进行监控，δ18O分析误差优于±0.06‰。

在两支石笋剖面上可见垂直于生长轴的水平纹层，由透明纹层与暗色纹层构成季节沉积旋回。微层统计在Olympus岩相显微镜下进行，通过CCD与计算机系统进行联机统计。QT16的纹层总数为2 388±82条，QT40为890±14条，统计误差可能由透明纹层与暗色纹层边界不清以及纹层在石笋边缘产生弯曲造成。

样品细节及测试结果见 Liu等［12］和邓朝等［21］的描述。为提高8.2 ka事件分辨率，本文对QT40进一步加密，其平均分辨率达2年。YD数据见Liu等［12］。

2 结果

2.1 年层时标的建立

实测年龄显示，QT16发育于 13 420～10 850 a B.P.期间，QT40 发育于8 840～7 960 a B.P.期间，测试误差最大为85 a，最小为30 a。纹层统计获取的累计速率曲线与230Th实测年龄确立的累计速率曲线基本一致［12，21］。因此，可将独立定年和纹层计数获取的累积速率曲线进行最大相关性匹配(相关系数r=0.99)，从而获得两支石笋的年层时标。考虑到测年样平均跨1～2 mm宽度，QT16年层时标的最大误差约为110 a，QT40最大误差约为115 a，其误差评估包括测年误差和年层统计误差。尽管两支石笋的年层时标误差均超过100 a，但通过纹层计数确定的相对年龄误差较小，可以用来精确诊断YD和8.2 ka事件内部细节以及转型过程。年层时标研建细节参见Liu 等［12］和邓朝等［21］。

2.2 石笋δ18O序列

石笋QT16生长于Allerød暖期至早全新世阶段(图1A)，完整覆盖YD事件。在石笋发育期间，δ18O在-9.6‰～-6.2‰之间波动，平均分辨率约为3 a。其中，δ18O序列显示了三次显著偏正时期，分别对应于 Allerød 冷阶(IACP，约 13 250 a B.P.)、新仙女木事件(YD，约12 970～11 530 a B.P.)和前北方期涛动(PBO，约11 340 a B.P.)。IACP和PBO的振幅均超过1‰，而YD的振幅则超过2.5‰。YD开始时，δ18O缓慢偏正，在约12 290 a B.P.达到最大值，然后呈现逐渐负偏趋势(图1A中黑色箭头所示)，其间叠加三次持续约200 a的次级振荡(图1A灰色区域和数字所示)，振幅均超过0.8‰，接近YD事件振幅的1/3。在约11 540 a B.P.，δ18O迅速偏负，呈突变结束。

石笋QT40生长于早全新世阶段(图1B)，δ18O在-9.9‰～-8.1‰之间波动，平均分辨率约为2 a。在序列早期，δ18O呈现高频振荡。在约8 250～8 050 a B.P.，δ18O显著偏正，振幅达到了1.3‰，反映亚洲季风对8.2 ka事件的响应。在事件开始时，δ18O总体呈现缓慢偏正特点。在8.2 ka事件内部，δ18O值在8 160～8 140 a B.P.和 8 100～8 080 a B.P.期间显著增大，而在8 140～8 100 a B.P.期间相对减小，曲线总体特征表现为两谷一峰，类似“W”型结构。在约8 080 a B.P.，δ18O 突然偏负，标志 8.2 ka事件结束。

图1 QT16和QT40石笋δ18O序列IACP、YD和PBO分别指Allerød冷阶、新仙女木事件和前北方期涛动;灰色区域表示YD和8.2 ka事件内部夏季风增强时段。Fig.1 δ18O records of Samples QT16 and QT40

2.3 YD与8.2 ka事件的起止时间和转型特征

气候突变表现为两种显著不同气候态之间的转换，如果该过程是线性的，那么，可依据转换前后气候变率的不同，确定突变事件的起止时间。基于该假设建立的“RAMPFIT”法在古气候研究中已得到广泛应用［23］，如 Fleitmann 等［18］运用此方法证明阿曼 Qunf洞石笋记录的早全新世印度季风降水与格陵兰气温同步变化。姜修洋等［24］用此方法证明了全新世适宜期结束时间在亚洲季风区的不等时性。本文使用该方法分别对石笋QT16和QT40的δ18O序列进行分析，分析结果见表1和图2。结果显示，QT16石笋δ18O序列在约13 059 a B.P.发生突变，暗示YD事件开始。随后，δ18O缓慢正偏，在约12 353 a B.P.进入相对稳定时期(即mid-YD)。mid-YD结束后，δ18O在约11 568 a B.P.快速负偏，并在11 526 a B.P.完成转换，指示YD事件结束。对于石笋QT40，δ18O约在8 262 a B.P.发生突变，指示8.2 ka事件开始。随后，δ18O缓慢正偏，在约8 147 a B.P.进入相对稳定时期，一直持续到8 089 a B.P.。此后，δ18O迅速负偏，并在8 073 a B.P.完成转换。

当气候突变发生时，各地质记录的数据同时表现为不同程度的偏离背景值，这种偏离程度也可以作为判定突变发生的依据。Thomas等［3］在分析8.2 ka事件时，将四支冰芯的δ18O数据合成，以 GRIP冰芯8 300～9 300 a B.P.期间δ18O的平均值为基准，将偏离该背景值时段作为8.2 ka事件。Liu Y等［20］在利用和尚洞HS-4石笋δ18O分析8.2 ka事件时，计算了5 000～9 000 a B.P.期间该石笋δ18O的平均值和标准差，将超过1倍标准差的时期作为整个8.2 ka事件的发育时段，并且发现与Thomas等［3］的分析结果十分吻合。这类“方差法”的运用可进一步检验“RAMPFIT”法分析结果，从而实现两种方法优势互补。对QT16和QT40石笋δ18O序列进行“方差法”分析，分析结果见表2和图2。结果显示，YD跨越的时段约为12 750～11 530 a B.P.，8.2 ka事件跨越的时段约为8 200～8 080 a B.P.。

对比发现(表2、图2)，两种方法获得的YD和8.2 ka事件的结束时间几乎一致，仅相差4 a和7 a。然而，两种方法获得的事件开始时间分歧较大。对于YD事件，“RAMPFIT”分析结果比“方差法”结果早309 a;而对于8.2 ka事件，“RAMPFIT”分析结果比“方差法”结果早62 a。为了客观评估YD和8.2 ka事件的开始时间，本文对两种分析结果取平均值(表2、图2)。结果显示，YD所跨的时段约为12 905～11 528 a B.P.，8.2 ka事件所跨的时段约为8 231～8 077 a B.P.。据此，本文评估的8.2 ka事件开始及结束时间与 Thomas等［3］和 Liu等［20］结果基本吻合。QT40记录的8.2 ka事件持续时间为155 a，与两者的分析结果几乎一致(格陵兰冰芯显示8.2 ka事件持续了 160.5 a［3］，而和尚洞石笋显示为 150 a［20］)，表明“RAMPFIT”法和“方差法”可以可靠地判断突变事件的起止时间。

图2 青天洞石笋QT16和QT40记录的YD与8.2 ka事件转型模式对比灰色实线表示“RAMPFIT”方法分析结果;红色点线表示“RAMPFIT”方法给出的事件开始时间;灰色点线表示δ18O序列平均值;绿色点线表示“方差法”给出的事件开始时间;蓝色实线表示两种方法的均值。Fig.2 Comparison of the transitional pattern of the YD and 8.2 ka event recorded by Samples QT16 and QT40

表2 YD和8.2 ka事件转型过程两种方法对比(a B.P.)Table 2 Comparison of the onsetting and ending time of YD and 8.2 ka event

基于上述分析，YD开始转型过程持续约550 a，占事件整体历时的40%，而8.2 ka事件开始季风衰减历时约为84年，占事件整体历时的50%。尽管YD和8.2 ka事件是不同时间尺度的气候突变事件，但是其开始过程却均表现出缓变趋势，几乎占据了事件总历时的一半。然而，在两事件结束期间，石笋δ18O却均表现为“跳跃式”变化(图2)，即两支石笋记录的YD和8.2 ka事件均表现出相似的开始缓慢而结束迅速特征。考虑到QT16和QT40石笋δ18O序列均基于年层时标，其相对年龄可靠，这种转型模式可能是对真实气候信号的响应。

3 讨论

3.1 区域对比

已有的亚洲季风区石笋研究显示，YD结束时间在数十年误差范围内几乎一致，主要集中于11 500 a B.P.(图3)。而在YD开始阶段，由于年龄模式、记录分辨率及缺乏显著突变等原因，使得其开始时间难以界定。目前，石笋记录的YD开始时间主要集中于13 000～12 900 a B.P.。8.2 ka事件在不同石笋记录中持续约150～170 a，由于采样分辨率等原因，其起止时间及内部振荡存在显著差异。青天洞记录的YD和8.2 ka事件起止时间分别约为12 900～11 530 a B.P.和8 230～8 080 a B.P.，在测年误差范围内与同区石笋记录一致(图3)，说明青天洞QT16和QT40石笋的年层时标及本文分析方法基本可靠。

通过与亚洲季风区其他石笋记录对比发现(图3)，青天洞石笋QT16、葫芦洞石笋H82、衙门洞石笋Y1和苦栗树洞石笋BW-1记录的YD事件振幅均在2.5‰～3‰之间［10-11，16］。在 8.2 ka 事件期间，和尚洞石笋 HS-4最新研究结果显示，该事件振幅约为1.7‰［20］，而青天洞石笋QT40、董哥洞石笋 D4和 DA记录的该事件振幅约为1‰［19］。由此可知不同洞穴石笋δ18O记录的YD和8.2 ka事件振幅仍存在0.5‰～0.7‰的差异，这可能由分辨率、测年误差和不同洞穴岩溶系统差异等造成。相比而言，在同一洞穴中，石笋δ18O记录的8.2 ka事件振幅约为YD的1/3～1/2，与格陵兰冰芯对比结果类似［1］。

“RAMPFIT”分析结果显示(图2)，在YD和8.2 ka事件开始，QT16和QT40石笋记录的季风强度变化均呈现出缓慢衰减特征，而在两事件的结束呈现快速增强特征。这种变化模式在同区其他石笋记录中也均有体现。图3显示，葫芦洞H82石笋、苦栗树洞BW-1石笋和衙门洞Y1石笋在YD开始转型过程均超过300 a［10-11，16］。其他石笋如青天洞 QT 石笋和董哥洞D4石笋对该过程的评估将近400 a［13-14］。最近两支年纹层石笋显示，YD结束期间，季风突变完成最长不超过20 a［11-12］。同样，石笋QT40记录的季风8.2 ka事件“开始缓慢减弱，结束迅速增强”的特点也可以在同区其他石笋记录中得到证实，如来自和尚洞石笋HS-4以及董哥洞两支石笋DA和D4均显示了与 QT40 相类似的转型方式［19-20］(图 3b，c，d)。这些对比说明，亚洲石笋记录的YD和8.2 ka“开始缓慢减弱，结束迅速增强”的转型模式具有区域普遍性。

图3 亚洲季风区石笋记录的YD和8.2 ka事件a.湖北青天洞 QT40;b.湖北和尚洞 HS-4［20］;c，d.贵州董哥洞 DA 和 D4［19］;e.湖北青天洞 QT16;f.南京葫芦洞 H82［10］;g.北京苦栗树洞 BW-1［11］;h.贵州衙门洞 Y1［16］Fig.3 YD and 8.2 ka event from speleothem δ18O records in Asian monsoon area

3.2 高、低纬记录对比及季风突变驱动机制

Allerød/YD转换在格陵兰冰芯 δ18O中表现为200～250 a［5-8］，但是，在 YD 结束时，冰芯 δ18O 显示格陵兰地区在仅仅60 a内升温超过10℃［5］，其结束之快速在早期冰芯记录中已经得到证实［25-26］。与YD不同，8.2 ka事件的开始在格陵兰地区非常迅速，如GISP2冰芯记录显示，格陵兰气温在不到20 a内降低了(3.3±1.1)℃［9］。将亚洲季风区石笋记录(图4c，f)与格陵兰冰芯记录(图4a，d)对比发现，两地记录的YD和8.2 ka事件在转型模式上表现出如下差异:冰芯δ18O记录的YD开始转型过程显著慢于8.2 ka期间变化，尽管如此，与季风YD开始相比，低纬气候在YD开始变化显得更为缓慢。其次，在8.2 ka开始，极地气温表现为快速突变，而同期季风衰减表现出缓慢特征，且相对历时与YD开始季风变化具有极强的可比性。

从洞穴石笋同位素机理来看，石笋δ18O信号对雨水同位素组成具有继承性。洞穴岩溶带和上覆土壤可能对雨水具有调蓄作用，因此，“库效应”可能对洞穴滴水δ18O信号起到平滑作用［27］，从而导致不同洞穴的洞内滴水对大气降水的响应时间可能不同。亚洲季风区已有洞穴观测显示，不同滴水点对大气降雨的响应时间很短，约为 0～40天［28］。罗维均等［29］对贵州荔波凉风洞的观测表明，洞穴上覆土壤可能会削弱洞穴滴水δ18O值变化幅度，但两者之间存在大致协调同步的季节变化。尽管本文缺乏连续野外观测研究支撑，但距离青天洞约100 km的和尚洞滴水δ18O监测结果表明，洞穴滴水δ18O变化滞后大气降水约1个月，且两者均呈现出明显的季节旋回［30］。因此，洞穴“库效应”应该不是导致石笋记录的YD和8.2 ka事件开始过程缓变的主要原因。其次，本文对于两事件转型时间的评估是基于年层时标，其年层统计误差分别为±82年(QT16)和±14年(QT40)，对缓慢转型评估结果贡献很小。第三，从数十年尺度突变事件看，尽管图3中各支石笋记录存在细节差异，但IACP、PBO及8.2 ka内部季风增强等事件在青天洞两支石笋中均有体现，说明本文采用的两支石笋信/噪比较高，可精细捕捉季风突变细节过程。

已有研究表明，亚洲季风与北高纬气候在末次冰期千年尺度突变事件依然存在类似差异。云南小白龙洞石笋δ18O与格陵兰冰芯δ18O对比发现，中国间冰段12的开始过程比格陵兰气温变化显著缓慢，并认为南半球气候，特别是低纬越赤道气流起到了重要作用［31］。Liu等［12-13］认为南半球越赤道气流以及热带水文重组可能是亚洲季风YD事件开始过程缓慢的原因，而Ma等［11］认为YD缓慢的开始过程可能与此时北半球太阳辐射增强有关。

高、低纬记录对比显示(图4)，苏禄海δ18Owater反映的热带大洋表层海水盐度上升过程在YD开始极为缓慢［32］(图4e)。中美季风区哥斯达黎加Venado洞的石笋δ18O指示当地季风降水，在8.2 ka开始同样呈现缓慢衰减特征［33］(图4b)。尽管两记录已有的时标精度难以满足精细尺度气候变化研究，但这些低纬水文记录的变化过程与QT16和QT40石笋δ18O记录极为类似，而与高纬气温变化存在显著差异(图4)。低纬海洋作为亚洲季风降水的重要水汽来源，其水文状况的变化可能引起大气环流的改变，继而对亚洲季风产生重要影响［35-37］。如果青天洞记录与这些低纬记录的相似性得到更多记录的支持，那么，在YD或8.2 ka事件早期，青天洞记录的季风缓变行为可能具有广泛的区域意义，从而说明低纬气候突变事件可能具有其区域特殊性。

图4 YD和8.2 ka事件的高、低纬记录对比a.格陵兰冰芯 NGRIP［34］;b.哥斯达黎加 Venado 洞石笋 V1［33］;c.湖北青天洞 QT40;d.格陵兰冰芯 NGRIP［8］;e.苏禄海钻孔记录［32］;f.青天洞QT16;灰色区域表示YD和8.2 ka事件的开始过程。Fig.4 Comparison between high-and low-latitude records surrounding the YD and 8.2 ka event

本文利用同一洞穴石笋材料进行两事件对比研究显示，亚洲季风YD与8.2 ka事件的转型过程具有相似特征，事件开始季风强度均呈现缓慢衰减，而结束却共同表现为迅速增强。末次冰期以来亚洲季风突变事件的时频特征可能受北半球高纬控制［10，14］，但青天洞石笋记录的YD与8.2 ka事件对比表明，亚洲季风的突变过程具有鲜明的低纬特色。在此期间，全球大陆冰量开始消退，北半球夏季太阳辐射开始增强，但气候总体上尚处于高纬控制状态。如果青天洞记录揭示的季风缓变行为在冰期典型突变事件中得以证实，那么，石笋δ18O信号对高、低纬，甚至南北半球气候信号可能均有继承性。

4 结论

(1)青天洞两支年纹层石笋QT16和QT40高分辨率δ18O序列显示亚洲季风强度在YD和8.2 ka内部并不稳定。其中，季风强度在YD内部逐渐增强，并叠加三次百年尺度次级振荡;在8.2 ka事件内部则表现为一次40 a左右强季风段和两次20 a左右弱季风段，类似“W”型结构。

(2)数理分析研究发现，亚洲季风强度在YD和8.2 ka事件开始均表现为缓慢减弱，而在结束迅速增强，这与格陵兰冰芯记录差异明显，却与低纬水文记录具有相似性。因此，低纬水文变化可能对其产生重要影响。末次冰期以来亚洲季风突变事件的时频特征可能受北半球高纬控制，但青天洞石笋记录的YD与8.2 ka事件对比表明，亚洲季风的突变过程具有鲜明的低纬特色。

致谢 感谢南京师范大学地理科学学院孔兴功老师为本文测试大量U系年龄，感谢编辑部老师和审稿专家提出的宝贵意见。

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