1.College of Geography Science, Nantong University, Nantong,Jiangsu 226007, China2. Department of Geosciences, National Taiwan University, Taipei, 10617, China3.College of Geography Science ,Fujian Normal University, Fuzhou, Fujian 350007, China
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
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.
DONGJin-guo, SHENChuan-zhou, JIANGXiu-yang. An Absolute-dated High-resolution Palaeoclimate Record Between 4 400 and 150 a B.P. from Dragon Cave, Eastern Loess Plateau, China[J]. Scientia Geographica Sinica, 2012, 32(9): 1136-1141 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.09.1136
Fig.1 The location of Dragon Cave (solid square) and other Chinese caves
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。
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
表2
表2 公元前7~2世纪旱涝记录[26,27]
Table 2 Dry-wet records in the period of 7-2 B.C.[26,27]
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。
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])
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]
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。
Measurement of attogram quantities of 231Pa in dissolved and particulate fractions of seawater by isotope dilution thermal ionization mass spectroscopy
The isotopic geochemistry of speleothems: The calculation of the effects of different modes of formation on the isotopic composition of speleothems and their applicability as paleoclimatic indicators
[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta,1971,35:801-824.
Centennial- to decadal-scale monsoon precipitation variability in the semi-humid region northern China during the last 1860 years:Records from stalagmites in Huangye Cave
A high resolution record of Holocene rainfall variations from the western Chinese Loess Plateau:Antiphase behaviour of the African/Indian and East Asian summer monsoons
... 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]) ...
13 ka B.P.以来黄土高原西部的植被与环境演化
1
2008
... 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. ...
黄土高原西部 4 万多年以来植被与环境变化的孢粉记录
1
2007
... 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. ...
Synchronism of Holocene East Asian monsoon variations and North Atlantic drift-ice tracers
1
2006
... 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. ...
Measurement of attogram quantities of 231Pa in dissolved and particulate fractions of seawater by isotope dilution thermal ionization mass spectroscopy
The isotopic geochemistry of speleothems: The calculation of the effects of different modes of formation on the isotopic composition of speleothems and their applicability as paleoclimatic indicators
Centennial- to decadal-scale monsoon precipitation variability in the semi-humid region northern China during the last 1860 years:Records from stalagmites in Huangye Cave
A high resolution record of Holocene rainfall variations from the western Chinese Loess Plateau:Antiphase behaviour of the African/Indian and East Asian summer monsoons
2
2006
... 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. ...
... 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. ...
... [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. ...
... [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. ...
... 公元前7~2世纪旱涝记录[26,27] ...
... Dry-wet records in the period of 7-2 B.C.[26,27] ...
3
2004
... 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. ...
... 公元前7~2世纪旱涝记录[26,27] ...
... Dry-wet records in the period of 7-2 B.C.[26,27] ...
Persistent solar influence on North Atlantic climate during the Holocene
2
2001
... 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. ...
The GISP2 δ18O climate record of the past 16500 years and the role of the sun,ocean and volcanoes
2
1995
... 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. ...
, 沈川洲
