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2012 , Vol. 32 >Issue 9: 1136 - 1141

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.09.1136

黄土高原东缘晚全新世高精度高分辨率石笋古环境记录

  • 董进国 , 1 ,
  • 沈川洲 2 ,
  • 姜修洋 3
展开
  • 1. 南通大学地理科学学院, 江苏 南通 226007
  • 2. 台湾大学地质科学系, 台湾 台北10617
  • 3.福建师范大学地理科学学院, 福建 福州350007

作者简介：董进国(1978-),男,山西阳高人,讲师,博士研究生,主要从事第四纪年代学与环境演变研究。E-mail：

收稿日期: 2011-11-15

  要求修回日期: 2012-02-09

  网络出版日期: 2012-09-20

基金资助

国家自然科学基金项目(41102216、41002061)、HISPEC研究课题(NSC 100-2116-M-002-009)资助

收起

An Absolute-dated High-resolution Palaeoclimate Record Between 4 400 and 150 a B.P. from Dragon Cave, Eastern Loess Plateau, China

  • DONG Jin-guo , 1 ,
  • SHEN Chuan-zhou 2 ,
  • JIANG Xiu-yang 3
Expand
  • 1.College of Geography Science, Nantong University, Nantong,Jiangsu 226007, China
  • 2. Department of Geosciences, National Taiwan University, Taipei, 10617, China
  • 3.College of Geography Science ,Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350007, China

Received date: 2011-11-15

  Request revised date: 2012-02-09

  Online published: 2012-09-20

Copyright

本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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摘要

基于山西武乡太行龙洞一支石笋5个230Th年龄和190个氧同位素数据重建4 400~150 a B.P.高分辨率δ18O序列。石笋δ18O值逐渐增加,除最近约600 a外,在千年尺度长期趋势变化上与中国南部其它洞穴记录相一致,表明晚全新世亚洲夏季风强度持续减弱响应于同一驱动机制。一次显著的气候突变事件发生在2 550~2 000 a B.P.,与史料记载的干旱期大致相对应。功率谱分析揭示出106 a周期,与树轮Δ14C太阳活动周期大体一致,说明百年尺度上太阳活动与东亚季风变化有一定关联性。

关键词： 晚全新世; 石笋; 东亚季风; 突变事件; 黄土高原东缘; 太阳活动

本文引用格式

董进国 , 沈川洲 , 姜修洋 . 黄土高原东缘晚全新世高精度高分辨率石笋古环境记录[J]. 地理科学, 2012 , 32(9) : 1136 -1141 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.09.1136

Abstract

The Dragon Cave (38°46´N, 113°16´E) is located at transition between semi-humid and semi-arid areas in the middle temperature zone of China. Here, mean annual temperature is 8ºC. Mean annual rainfall is 530mm and about 87% of annual precipitation falls in May-October. Dragon Cave is >600m long with an elevation of 1400m on the western slope of Taihang Mountain, near the eastern edge of Chinese Loess Plateau. Stalagmite L1 was collected 200m from the cave entrance in December 2010. It is about 200mm like a candle. A total of 5 sub-samples were measured by an inductively Multi-collection coupled plasma mass spectrometry on a Finnigan-NEPTUNE in the High-precision Mass Spectrometry and Environment Chang Laboratory, Department of Geosciences, National Taiwan University. The uncertainty of reported age is ± 2σ. A high-resolution oxygen isotope profile established with 190 oxygen isotope data, provides a continuous history of East Asian summer monsoon intensity for the period of 4400-150a B.P. (before AD1950). With a relatively stable boundary condition, we interpret the δ18O of speleothem calcite as most indicative of the amount of summer monsoon precipitation, although temperature and other factors might have some minor impact. Comparison of the record with previous published contemporaneous China stalagmite records shows that all δ18O records, characterized with increasing δ18O and declining summer monsoon precipitation trends over the late Holocene, generally follow insolation changes on millennial timescale. This long-term agreement supports that the solar insolation is the primary factor driving Asian summer monsoon. An unusual abrupt weak summer monsoon at 2550-2000a B.P. indicates a mega-drought event, supported by historic archives. The spectral analysis of δ18O time series yields a solar activity-related 106-yr periodicity. However, comparing to a weak solar activity at 2.7ka B.P., a 100-200-yr lag of the cave-inferred mega-drought event implies a complicated mechanism of short-term solar forcing on monsoon system.

Key words： late Holocene; stalagmite; weak monsoon event; Eastern Loess Plateau; solar activity

黄土高原位于中国东南部典型季风区和西部内陆干旱区的过渡地带,对东亚夏季风北界的进退变化非常敏感。东亚夏季风环流是黄土区水汽的主要携带者,其演化过程对黄土区水热平均状况有着最直接的影响,很大程度上决定了黄土的成壤过程、地表植被的更替和古文明的变迁。尽管黄土区第四纪古环境、古气候重建已取得显著进展[1~9],但全新世古气候记录结果却显得非常复杂。鉴于黄土高原古气候记录大都基于黄土–古土壤沉积序列,测年材料的缺乏和不确定性,加上数千年人类活动对表土的干扰,使得全新世黄土高原气候变化研究难以建立可靠的时间标尺和高分辨率的地质记录,也无法详实的重建百年–数十年尺度的快速气候变化。为此,重建高分辨率的、精确独立定年的黄土高原全新世气候变化过程,获得快速气候突变的可靠记录,对探索中国季风边缘区气候演化的规律、黄土–古土壤的成壤时间以及古文化的断代有着重要意义。

1 研究区域、材料与方法

武乡县位于山西省东南部,地跨太行、太岳两山之间,地势呈东西高、中间低特点,有利于东亚夏季风的入侵。冬季来自西伯利亚冷空气显著影响,气候寒冷干燥;夏季来自低纬热带海洋暖湿气团的影响,气候炎热多雨。该区平均海拔在1 400 m左右。太行龙洞（113º16′E,38º46′N）位于武乡县东部石泉村东南10 km处（图1）,洞口海拔为1 600 m。洞外植被覆盖较好,洞长约1 000 m,洞内碳酸盐景观丰富,于2008年开始对游人开放。洞内有滴水、湿度接近100%。距离该洞最近的榆社气象站过去30 a（图2）器测数据显示该区年平均气温均在8℃左右,年平均降雨量约为530 mm,集中分布在5~10月,占全年降雨量的87%。
石笋样品L1采自2010年10月,距离洞口约200 m的一个支洞底部。石笋高约200 mm,外表光滑、颜色淡黄、呈蜡质平顶状。取一半打磨剖光,日光下可见清晰水平纹层。该石笋由纯净碳酸盐组成,岩性致密无明显变化。在抛光面上,用直径为0.9 mm牙钻沿石笋地层顺序钻取5个年代样,在台湾大学高精度质谱与环境变迁实验室(HISPEC) 进行化学处理[10],利用一台多接收头电感耦合质谱仪(MC-ICP-MS, Neptune),完成铀钍同位素及元素分析[11]（表1）。沿石笋生长中心轴采用0.3 mm钻头,以1 mm为间距获取190个氧同位素数据,在南京师范大学同位素实验室进行分析,量测值以相对于VPDB 标准表示,长期仪器分析误差小于±0.06‰。
Fig.1 The location of Dragon Cave (solid square) and other Chinese caves

图1 山西太行龙洞（黑色正方形）和其它研究点

2 结果与讨论

2.1 时标序列的建立

表1中,L1主要生长在晚全新世。由于石笋238U含量相对较高,而232Th含量相对较低,因此测年精度整体较高。除了距离石笋顶部48 mm处测年样点年龄误差为±57 a外,其余样点测年误差均在±4~28 a之间。较高的测年精度确保我们能准确地标定黄土高原晚全新世百年尺度气候突变事件的起、止时间。所测样品年龄均按沉积先后序列正常排列,本文通过对相邻实测年龄点进行线性等间距内插与外延,建立石笋剖面4 400~150 a B.P.年龄框架。通过计算,石笋年生长速率在19 ~109 mm之间变化。在2 800~1 600 a B.P.,生长速率达到最大。

2.2 石笋δ18O记录与气候意义

图3是石笋L1δ18O随时间变化的序列,其变化范围在-8.4‰~ -10.1‰。石笋的样点分辨率在1 600~130 a B.P.时段为32a、2 400~1 600 a B.P.时段为11 a、2 850~2 400 a B.P.时段为9 a和4 400~2 850 a B.P.时段为53 a。在千年尺度长期趋势变化上,石笋δ18O值呈现出逐渐增加的特征。在4 400~2 580 a B.P.,δ18O值相对集中负偏,在平均值-9.8‰上下波动;大约从2 580 a B.P.开始,δ18O值在<80 a内突然从-10.1‰增加至-9.0‰,随后尽管有所减小,但一直维持在一个较高水平,在2 100 a B.P.达到最大值（-8.7‰）,而后的δ18O值在<100 a内快速减少。2 000 a B.P.以来,δ18O相对振幅变化不大,但呈现出持续增加的趋势变化。
根据Hendy准则[13],我们对石笋样品进行同位素平衡分馏检验。在平行生长轴向上,石笋δ18O与δ13C序列之间的相关系数较低（r2=0.2）,这表明动力分馏作用可能很小,石笋δ18O主要反映的是原始外界气候信号。如图3所示,石笋L1 δ18O记录与湖北三宝洞石笋记录呈现出较好的相似性进一步说明石笋L1是在同位素平衡分馏状态下沉积的。
已有洞穴古气候研究表明[14~16],石笋氧同位素在轨道至百年尺度上主要反映夏季风降水δ18O值变化的信息。最近,来自内陆季风边缘区甘肃万象洞、黄爷洞[17,18]近2 000 a石笋δ18O记录与当地历史文献资料重建的旱涝指数、器测记录具有较高的相关性,表明夏季风强弱波动带来的降雨量变化是影响东亚季风区石笋氧同位素组成的主要因素。依据前人估算全新世中国北方地区温度变化一般不超过2~3℃[19],若按O’Neil等[20]人提供方解石与水之间的同位素分馏公式计算（-0.23‰/ºC）,晚全新世石笋L1δ18O的相对振幅为0.46‰~0.69‰,远小于其真实振幅1.7‰。进一步分析距离研究点较近的石家庄站（1970~2000年）器测降水资料表明：冬半年温度（11月至次年4月）主要控制着降水δ18O,而夏半年降水量却控制着降水δ18O的变化（图2)。尽管冬半年温度变化控制着大气降水δ18O的组分,但其对洞穴滴水δ18O的影响并不大,因为冬春季降水量仅占年总降水量的13%,夏季降水量却占87%。而且,温度控制下的洞穴岩溶水–碳酸盐分馏作用大体上抵消大气温度对降水δ18O的影响[21]。因此,温度变化对次生碳酸盐δ18O值的贡献很小。这样,夏季风强弱带来的降水量变化是影响太行龙洞δ18O组分的主要因素,即夏季风越强,δ18O值越负,反之亦然。
Table 1 Uranium and Thorium isotopic compositions and 230Th ages for L1 stalagmite from Dragon Cave by MC-ICP-MS

表1 龙洞石笋L1的MC-ICP-MS 测年结果

样品号 232Th 238U 230Th/232Th δ234U 230Th/238U 未校正年龄 校正年龄 δ234Uinitial
(×10-12) (×10-9) (×10-12)d 测量值a 活度比c (a B.P.) (a B.P.)c,e 校正初始值b
L1-3 191±8 393.4±0.7 196±9 1478±6 0.0058±0.0001 192±3 187±4 1479±6
L1-48 4288±17 452.6±0.8 68±1 1419±5 0.0391±0.0005 1715±24 1612±57 1426±5
L1-120 262±9 415.3±0.8 1530±55 1600±5 0.0584±0.0002 2415±11 2408±11 1611±5
L1-169 356±8 430.6±0.9 1368±31 1584±6 0.0685±0.0003 2865±13 2856 ±14 1597±6
L1-191 883±7 400.2±0.9 711±7 1572±9 0.0949±0.0005 4029±26 4006±28 1590±9

注：a.δ234U = ([234U/238U]activity-1) x 1 000; b.δ234Uinitial校正初始值计算是依据公式δ234Uinitial = δ234Umeasured × eλ234*T; T 是校正年龄; c.[230Th/238U]活度计算为[230Th/238U]activity = 1-e-λ230T + (δ234Umeasured/1 000)[λ230/(λ230-λ234)](1-e-(λ230-λ234) T); 230Th,234U,及238U半衰期沿用Shen et al.的使用值[12]; d.标本[230Th/232Th] 测量值以原子数比值表示; e.校正年龄假设的初始230Th/232Th原子数比值为4±2×10-6; 年龄(a B.P.) 以相对公元1950年表示

2.3 晚全新世季风气候记录对比

全新世黄土高原西部高分辨率黄土–古土壤记录表明晚全新世东亚季风显著增强,与西南季风（印度季风）、非洲季风显著减弱形成鲜明对比[22]。然而,最近,来自季风区洞穴石笋和其它沉积记录表明6 000 a B.P.以来该区域夏季风强度逐渐减弱[16]。为进一步调查亚洲季风环流在中国内陆区的时空变化特征及其成因机制,我们把山西龙洞与陕西Jiuxian洞、湖北三宝洞、贵州董哥洞石笋记录进行区域对比。图3看出,晚全新世以来,除最近约600 a外,所有石笋δ18O记录都呈现出千年尺度上一致趋势,即δ18O值逐渐增加,并伴随着北半球夏季太阳辐射能量的减弱而变化。通过对部分原始数据进行等间距50 a内插,龙洞与三宝洞季风降水记录的相关系数r为0.790（n=90）,与董哥洞西南季风降水记录的相关系数r为0.52（n=90）。尽管阿曼Qunf洞石笋[14]晚全新世存在沉积间断,但其δ18O序列长期增加趋势表明印度季风强度逐渐减弱。这种较好的洞穴记录一致性进一步揭示晚全新世东亚季风与印度季风同相位变化[16],季风降水明显减弱主要响应于北半球夏季太阳辐射逐渐减弱诱导下的热带辐合带位置的南移。这一结果也得到黄土高原内部及邻近区域古环境记录的支持。唐领余与安成帮[5]综合对比了陇中地区多个黄土剖面孢粉记录,指出研究区全新世经历“草原–疏林草原–温度森林–荒漠草原”的演化过程。孙爱芝等人[4]对黄土高原西部三个剖面孢粉记录进行分析,指出晚全新世以来气候总体变干,表现为草原和荒漠草原交替出现,与六盘山天池孢粉等指标记录的结果一样。同样,孟宪刚等人[19]与范淑贤等人[23]分别对山西宁武、大同地区湖泊与黄土剖面孢粉等指标进行研究[11],指出晚全新世以来气候转向干凉且存在次级波动,主要植被为蒿、藜和黄麻等。
Fig. 3 Comparison of stalagmite δ18O records from Dragon Cave in Shanxi, Jiuxian Cave in Shaanxi, Sanbao Cave in Hubei and Dongge Cave in Guizhou

图3 晚全新世山西石笋δ18O与陕西Jiuxian洞[24]、湖北三宝洞[16]、贵州董哥洞[15]石笋δ18O记录对比

Fig. 2 Monthly average precipitation, temperature and precipitation δ18O in 1970-2000 in Shijiazhuang (a) and Yushe (b)

图2 石家庄市、榆社市1970~2000年月均降水量、气温与大汽降水δ18O值对比

上述古环境地质记录表明黄土高原晚全新世以来季风降水显著减少,与Maher等人[22]重建结果截然不同。如考虑到DuoWa研究点位于黄土高原西部的干旱区（图1）,可能更多受到西风环流的影响,就不难理解它们之间的差异,因为Cheng 等人[25]对西风环流控制下的内陆多个湖泊记录进行综合对比研究,指出西风区全新世气候变化格局与季风区确实存在错相位关系。
当前,黄土高原内部非常缺乏有较好年代学控制的全新世剖面。山西武乡龙洞高精度、高分辨石笋序列的重建为人们理解晚全新世黄土区千年尺度气候突变事件及其驱动机制提供了可能。大约在2 580 a B.P.,石笋L1 δ18O在<80 a内突然从-10.1‰增加至-9.0‰,随后一直维持一个较高水平,直到2 100 a B.P.达到最大值（-8.7‰）,此后δ18O在<100 a内快速的从-8.7‰减少至-10.0‰。这次特大干旱事件持续超过500 a,可能是近4 000 a以来黄土区最为显著的一次干旱事件（图4c）。该时段大致对应于春秋–战国战乱期。据史料《竹书记年》晋定公二十年（492 a B.C.）至晋幽公七年（423 a B.C.,当时晋国国都位于山西南部）共记载6条不同河流水绝的记录[26]。根据《中国三千年气象记录总集》[27],公元前7~2世纪600 a间共有干旱事件51次,洪涝记录42次,分别记为D和F。一般认为D/（D+F）比值可以较好的反映干旱占优势的情况[26]。由表2[26]可见,公元前7~5世纪比值最高,2世纪次之,3世纪最低,表明699~400 a B.C.气候严重干旱,而299~200 a B.C.气候相对湿润,随后气候再次变干。该特大干旱事件中次级季风增强过程在石笋L1δ18O序列中也有记录,如2 250~2 130 a B.P. δ18O值有所降低。
Table 2 Dry-wet records in the period of 7-2 B.C.[26,27]

表2 公元前7~2世纪旱涝记录[26,27]

公元前（世纪） 7 6 5 4 3 2
D 13 15 7 1 1 14
F 6 6 2 5 8 15
D/(D+F) 0.68 0.71 0.77 0.17 0.11 0.48
精确年代控制的地质证据结合史料进一步揭示出黄土区晚全新世确实存在一次特大干旱事件。除该特大干旱事件外,晋东南地区是否还存在类似的其它气候突变事件,待于进一步考究。前人已经提出晚更新世亚洲季风环流与北大西洋流冰事件存在密切关系[6]。然而,山西石笋记录的特大干旱事件与北大西洋“2.8 ka B.P.流冰事件”[28]在发生时间上并不对应。前者滞后后者约200~300 a。如图4所示,在2 700~2 100 a B.P.,2次弱太阳活动期,集中发生在2 700 a B.P.和2 300 a B.P.左右;与石笋L1记录的弱季风过程,集中发生在2 500 a B.P.和2 140 a B.P.,两者相差100~200 a。在3 000~1 500 a B.P.石笋L1有3个铀钍年代控制,测年误差均小于57 a,二者的年龄误差范围不能解释这一差异。但功率谱分析结果表明过去4 000 a B.P.东亚季风强度存在360和106 a周期变化,与树轮Δ14C所记录的百年尺度太阳活动周期基本一致[29]。这表明百年尺度东亚季风变化与太阳活动可能存在一定联系。
Fig.4 Paleoclimate proxy records over the past 4 000 years [(a) Holocene drift ice record of core 52-VM29-291core in the North Atlantic; (b) atmospheric Δ14C record, (c) Dragon Cave δ18O record and(d) lake sediment redness record from Liupanshan Mountain]

图4 北大西洋冰漂事件[28](a)与太阳活动[29](b)、山西龙洞记录(c)以及六盘山

天池记录的夏季风强度变化[3](d)对比 (点线方框表示2 600~2 000 a B.P.气候干旱事件; 灰色阴影区（上）表示北大西洋“2.8 ka冷事件”;图d灰色阴影表示季风降水变化,源于文献[3])

3 结 论

1） 高分辨率的山西武乡龙洞石笋L1δ18O序列重建了黄土高原东缘晚全新世东亚季风降水的长期演化过程。除最近约600 a外,长期趋势与中国东、南方其它洞穴记录一致,伴随着北半球夏季太阳辐射能量变化而变化,进一步表明东亚季风与印度季风在轨道尺度上同位相变化以及晚全新世低纬热带辐合带平均位置的逐步南移导致黄土高原季风降水逐渐减弱。
2） 龙洞石笋δ18O记录揭示晚全新世黄土高原经历一次特大干旱事件。该事件开始于2 550 a B.P.,结束于2 000 a B.P.,与史料记载的春秋–战国干旱期大致相对应。这次特大干旱事件与2.7 ka B.P.弱太阳活动期在发生时间上存在差异,前者滞后后者约100~200 a。而功率谱分析龙洞石笋δ18O序列发现却106 a的主周期波动,与树轮Δ14C百年尺度周期相一致。这表明百年尺度东亚季风变化与太阳活动存在着复杂的联系关系。
致 谢：感谢南京师范大学地理科学学院硕士研究生张伟、吴晟在野外采样的帮忙;感谢邓超同学对本文氧碳同位素测试的协助帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

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