过去64万年以来湖北三宝洞石笋生长速率变化及其古气候意义.pdf

过去 64 万年以来湖北三宝洞石笋生长速率变化及其古气候意义蒋莹1,2，韦唯1，冯小艺1，张晗1，朱和1，董进国1（1.南通大学地理科学学院,江苏南通226006；2.南京师范大学地理科学学院，江苏南京210023）摘要：利用石笋平均生长速率变化来重建古气候环境变迁已成为洞穴古气候研究的重要领域。文章以湖北三宝洞横跨 2264万年的 5 支石笋 167 个230Th 年龄数据为材料，结合过去的工作，重建了晚更新世 64 万年以来长江中下游地区东亚夏季风降水变化过程。结果表明：深海氧同位素（MIS）1,5.3,5.5,7.3,7.5，9,15.1,15.5 阶段石笋生长速率显著增大，指示东亚夏季风强度增强，降水增多；相反，冰期阶段生长速率缓慢或者不发育，指示夏季风强度减弱，降水明显减少，但平均生长速率指标并不能定量指示夏季风强度变化。当石笋生长速率低于 10ma1时，不能有效地指示冰期间冰期旋回变化。在轨道尺度上，平均生长速率所揭示的冰期间冰期波动可能归因于全球冰量和太阳辐射共同作用的结果。关键词：石笋；生长速率；冰期间冰期；东亚夏季风；三宝洞；湖北中图分类号：P532；P931文献标识码：A文章编号:10014810（2023）03058208开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0引言近年来，石笋平均生长速率常被作为反映古气候、古环境变化的有效代用指标13，用来描述石笋发育特征，恢复不同区域环境气候变化历程4。例如杨琰等5对贵州荔波董歌洞较老（250ka）石笋的135 个230Th 年龄数据及生长速率研究得出，石笋生长速率在间冰期处于高值，在冰期处于低值，在间冰期和冰期转化阶段呈现跳跃式变化；张美良等6对广西桂林盘龙洞石笋沉积速率动态监测发现，新碳酸盐的主要沉积时段发生在夏半年，旱季（或冬季）平均沉积量最小，表现出雨热同季的季节变化和年际变化的特点；董进国7利用湖北三宝洞 17 支石笋190 个年代测试点统计分析了过去 22 万年以来石笋平均生长速率的变化过程，结果发现：在冰期，石笋平均生长速率缓慢；相反在间冰期，石笋平均生长速率快。石笋平均生长速率在轨道尺度上可以反映东亚夏季风强度的变化78。然而，在不同时间尺度上，石笋生长速率变化控制因素较为复杂，洞穴内部环境差异所产生的噪音有可能掩盖或削弱洞穴外部气候信号在洞穴内部的表达。例如，何潇等9利用重庆地区梁天湾洞和水鸣洞石笋生长速率数据，结合氧同位素数据，分析发现石笋生长速率最快的时期并不总是氧同位素最偏轻、气候最湿润的阶段；南京葫芦洞3石笋生长速率数据显示，在深海洋同位素（MIS）2 阶段与 3 阶段，生长速率明显增加，而同期湖北三宝洞7的石笋生长速率则明显降低，甚至停止生长。因此，利用石笋平均生长速率重建古环境基金项目：国家自然科学基金项目（41877287，41472317，41102216）；江苏省大学生创新项目（201910304116Y）第一作者简介：蒋莹（2000），女，硕士，研究方向为第四纪环境演变。E-mail：。通信作者：董进国（1978），男，博士，教授，主要从事第四纪年代学与环境演变专业。E-mail：。收稿日期：20210320第42卷第3期中国岩溶Vol.42No.32023年6月CARSOLOGICASINICAJun.2023蒋莹，韦唯，冯小艺，等.过去 64 万年以来湖北三宝洞石笋生长速率变化及其古气候意义J.中国岩溶，2023，42（3）：582-589.DOI：10.11932/karst2021y31较为复杂，需谨慎对待。考虑到湖北三宝洞在末次冰期期间石笋生长并不连续，本文利用湖北三宝洞最近发表的 5 支石笋样品10，结合过去的工作7，将石笋生长时间序列从过去 22 万年延伸至 64 万年，进一步评估石笋平均生长速率在轨道尺度上的变化特征及其所指示的古气候意义。1研究区域概况湖北神农架自然保护区位于长江三峡段北岸，与黄土高原南缘相邻，主要受东亚夏季风的影响。该区域年均温为 89，年均降水量为 2000mm。夏季，来自赤道大洋的暖湿气流进入大陆腹地，带来约 60%的年降水量；冬季，来自西伯利亚的干冷气团控制了神农架地区的气候。因此，该地区对东亚季风 的 季 节 性 进 退 变 化 特 别 敏 感。三 宝 洞 海 拔1900m，位于湖北神农架山脉的北坡上，覆盖着厚约 300m 的石灰岩层。表层土壤层厚 23m，主要生长着乔木、灌木和杂草等。2材料和方法本文研究的 5 支石笋（编号为：SB12、SB14、SB32、SB58、SB61）均来自湖北三宝洞，累计高度约为 2.991m，其中，SB61 沉积于 229.4384kaB.P.，对应于 MIS8MIS10；SB14 生长发育于 299.6622.8kaB.P.，从 MIS9 横跨至 MIS15；SB12、SB58 分别沉积于 425.1462.7kaB.P.与 426.7464.7kaB.P.，对应于 MIS12；SB32 生 长 于 514.3638.2 ka B.P.，从MIS13 横跨至 MIS15。5 支石笋共获得 167 个230Th年 龄 数 据（表 1），分 析 仪 器 为 Thermo-FinniganElement 和 Thermo-FinniganNeptune，由美国明尼苏达同位素实验室完成，年龄分析误差为2 测量统计误差，误差精度在 0.52.0ka。计算石笋平均生长速率，首先剔除地层学中石笋年龄倒转的数据；然后建立石笋实测年龄点及相应的生长深度曲线（图 1），新的结果与原始文献中生长速率10曲线基本一致；最后由相邻两点深度差除以实测年龄差得出石笋平均生长速率。3结果与分析从图 1石笋年龄深度曲线曲线来看，石笋SB61 发育并不连续，存在一个明显的沉积间断。在229.4260kaB.P.和 317.7384.2kaB.P.两个连续生长段，其生长速率在 632ma1之间波动，平均约为 14ma1；石笋 SB14 持续生长时间最长，跨越了约 300ka，但其平均生长速率极其缓慢，尤其是在540kaB.P.之后，其平均生长速率低于 1ma1。在此之前生长速率有所增加，但绝大多数（约占 86%）在 1.59ma1之间波动。2 支石笋（SB12、SB58）沉积于相同生长时段（表 1），其生长速率大体相近，在 446ma1之间波动，平均生长速率分别为 18ma1和 16 ma1。石 笋 SB32 在 514.3638.2 kaB.P.期间连续沉积，在 575kaB.P.之前，其生长速率变化较大，在 1.460ma1之间波动，平均生长速率为 21ma1。之后生长速率较慢，在 111ma1之间波动，平均生长速率为 4.6ma1。利用 220640kaB.P.发育的 5 支石笋年龄数据，结合湖北三宝洞过去 22 万年以来的石笋生长速率数据7，可以获得 640kaB.P.以来三宝洞石笋生长速率变化曲线（图 2，图 3）。新的结果显示：（1）在深海氧同位素（MIS）1，5.5，7.5，9，15.5 间冰期阶段，石笋生长速率显著增大；相反，冰期阶段石笋生长速率缓慢或者不发育；（2）在最近两个间冰期，统计的石笋样本平均生长速率最大，尤其是 MIS5 阶段，最高达约 600ma1；（3）石笋生长速率低于 10ma1时不能有效地指示冰期间冰期旋回变化，如 MIS11 和 MIS13 期（图 3）。1 6001 4001 200MIS 7891011121314151 000800距顶深度/cm6004002002000200 250 300 350 400年龄/ka.B.P.450 500 550 600 650SB12SB14SB32SB58SB61图1石笋年龄深度曲线图图中数字代表深海氧同位素阶段，灰色条带表示间冰期，白色条带代表冰期Fig.1Curveoftheage-depthmodelsforfivestalagmitesinSanbaocave(Thenumberreferstomarineisotopestages;thegraystripreferstointerglacialstage;thewhitestripreferstoglacialstage)第42卷第3期蒋莹等：过去 64 万年以来湖北三宝洞石笋生长速率变化及其古气候意义583表 1三宝洞 5 支石笋年龄深度数据*Table1Age-depthdataof5stalagmitesinSanbaocave样号深度/mm年龄/kaB.P.年龄误差/ka样号深度/mm年龄/kaB.P.年龄误差/ka样号深度/mm年龄/kaB.P.年龄误差/kaSB-1265425.11.1209.5564.35.9870612.35.571426.21.1215.5566.04.7901614.65.2104427.30.9220.5566.93.9922619.95.7136428.41.2226.5568.94.9948620.75.6168431.11.3234.5573.94.6972623.75.7187432.01.0290.5580.94.8977623.96.5194432.31.2298.5584.25.8977625.69.9215434.41.5332.5586.04.51105630.36.8234434.81.1340.5588.35.41170638.27.4272437.11.5378.5598.36.2SB-583426.71.25299439.61.0404.5603.06.75427.23.0362442.51.3451.5604.06.310428.01.7372.5443.11.5459.5605.56.414428.81.0412444.71.2493.5611.67.140435.91.4416445.51.5509.5615.38.457439.32.1700462.74.6537.5620.310.094442.31.4SB-140.3299.63.0545.5621.26.2116443.01.26.2307.33.4572.5622.86.4182446.51.38.5311.31.0SB-328513.32.7265452.41.38.8313.13.613514.13.8316453.61.410.2326.93.420521.62.8370455.21.812.8331.83.627524.83.4465459.51.813.5334.80.743526.62.9625464.71.919.5356.81.350531.03.8SB-61102229.40.722.0364.82.956532.73.2141233.71.025.5370.00.959533.43.3161236.90.228.5375.12.962534.53.0193237.90.331.5385.61.268535.73.1243241.10.233.5391.52.772541.53.1291242.60.335.5396.92.882544.84.1311245.70.338.5402.33.5105548.74.6330247.10.339.5402.62.3110550.74.0366249.50.344.0403.93.9114554.64.3394251.10.545.0406.85.0125555.63.8413252.10.247.5409.56.0131560.84.3423252.80.255.0417.82.1153564.83.9495257.80.462.0422.62.0163567.73.7519260.00.364.0425.34.4168569.24.4553317.70.769.0432.32.1183570.63.6571319.00.876.0445.21.8227574.33.4623323.70.681.5462.93.3236575.73.8742329.20.888.5473.02.4334577.34.7847333.21.091.0478.97.8384579.84.0960336.30.794.5483.74.5442580.64.01023338.90.699.5509.57.3449582.84.51055341.81.0109.0531.86.2495589.35.01143350.40.9112.5532.97.0501590.94.21167351.91.0118.5542.95.6541593.65.11178354.00.8122.5548.74.3547597.45.01291366.01.0136.5551.04.4612598.55.41313369.51.0143.5554.34.2665605.15.61334372.61.2157.5556.04.2705606.35.21361375.00.9162.5556.34.5712607.04.51400378.81.1168.5558.83.5744607.55.11450383.11.3177.5561.03.8784609.46.61452384.21.4187.5561.55.4785610.18.9注：*年龄数值来自文献10。Note:*Agevalueisfromliterature10.584中国岩溶2023年4讨论过去二十年来，中国洞穴石笋研究取得了长足的进步，连续重建了过去 64 万年以来具有绝对年龄控制的古季风演化时间标尺1011，1517但其 18O 代用指标的指示意义却一直存在争议1824。基于现代观察资料、古气候记录以及模式模拟结果，石笋 18O代用指标在轨道千年尺度上更可能反映的是一种平均态夏季风强度的变化或者是水汽源洞穴地点600500400300200100500050100150200250平均生长速率/ma1300350400450500550600650年龄/ka.B.P.图2过去 64 万年三宝洞石笋平均生长速率图空心圈数据来自文献 7Fig.2AveragegrowthratesofstalagmitesinSanbaocaveoverthepast640kaB.P.Hollowringdataisfromliterature71215.3 5.57.37.59111315.115.510石笋氧同位素值/石笋平均生长速率/ma1海平面/m太阳辐射能量/wm28646004001005001601208040040050100150200250300350400450500550600650200440420400380360340磁化率/108m3kg110080604020年龄/ka.B.P.图3湖北三宝洞石笋氧同位记录10-11、北半球夏季太阳辐射（b）12、平均生长速率(c)、靖远黄土磁化率记录，其高值表示东亚夏季风强度增强，低值表示东亚夏季风强度减弱（d）13与海平面记录(e)14的综合对比(从上至下)，图中数字代表深海氧同位素阶段Fig.3Comparisonamongstalagmite18Orecord(a)10-11,insolationinJulyat65N(b)12,theaveragegrowthrateinHubeiSanbaocave(c),loessmagneticsusceptiblilityrecordfromJingyuan,Gansu(d)13andsealevel(e)14第42卷第3期蒋莹等：过去 64 万年以来湖北三宝洞石笋生长速率变化及其古气候意义585之间综合水汽输送的结果2528。换句话说，在轨道尺度上，石笋 18O 指标所指示地是一个广域性的夏季风强度变化，而不是当地降水量的变化。从这个角度来看，理解洞穴研究点古环境的变化需要结合其它代用指标去相互佐证。石笋沉积速率变化属于一个物理性的气候代用指标，与当地气候要素（尤其是降水和温度）和地下岩溶系统非气候因素密切相关6。理论上来说，在不考虑具体洞穴环境内部的差异，温暖、湿润的外界环境（类似于间冰期）可能更有利于石笋的沉积，反之亦然57。正如图 3 所示，我们把三宝洞石笋 18O 记录、全球海平面变化、黄土磁化率记录、北半球太阳辐射与统计的洞穴石笋生长速率曲线进行综合对比，结果显示：在过去 6 个间冰期或间冰段，当北半球夏季太阳辐射能量达到高值时，湖北三宝洞石笋生长速率明显增加。例如，在 MIS1，5.3，5.5，7.3，7.5，9，15.1 和 15.5 时期，石笋生长速率显著增加，恰好分别对应于其 18O 记录的偏负时段和黄土磁化率的高值期，指示了亚洲夏季风强度显著增强，当地降水明显增多。然而在过去 6 个冰期，石笋平均生长速率很低，甚至停止生长，对应于黄土磁化率和海平面的低值期。这一结果证实了间冰期暖湿的气候环境更适合石笋高速、连续发育，而冰期干冷的气候环境则抑制其生长发育。而且，在冰期间冰期转型时，石笋平均生长速率会呈现“爆发式”增长，这说明石笋平均生长速率指标能够敏感地响应不同气候态之间的转型7。与 18O 记录不同，统计的三宝洞石笋生长速率在过去几个冰期里呈现出平稳、少变的特点（图 3）。然而，一个例外的情况是：在冰期 MIS12 时段，石笋平均生长速率明显高频增加；相反在间冰期 MIS11时段，生长速率异常平稳缓慢（图 1）。作者注意到，在冰期 MIS12，三宝洞有 3 支石笋（SB12，SB14 和SB58）在沉积。与石笋 SB14 低沉积速率记录不同，SB12 和 SB58 在相同生长时段 425464kaB.P.内沉积速率较大，且平均生长速率均超过 14ma1。相反，在间冰期 MIS11，仅有石笋 SB14 在生长，但沉积速率异常低（低于 1ma1）。我们认为这种异常的沉积现象（间冰期生长慢，冰期生长快）与洞穴外界气候环境变化无关，可能更多地反映了洞穴内部局地环境的差异，如滴水通道的差异、滴水速率的快慢等因素29。因此，不难理解生长缓慢的 SB14 生长速率数据为何不能真实地反映冰期间冰期的变化，以及导致间冰期 MIS11 和 MIS13 缺失（图 2 和图 3）。从三宝洞 22 支石笋（覆盖过去 64 万年）来看，80%的石笋平均生长速率呈现出间冰期时期生长快，冰期时期生长慢的特征。这一结果证实石笋平均生长速率代用指标仍能有效地指示外部气候环境变化。但是，正如图 3 所示，过去 64 万年以来，MIS5 时期石笋生长速率最快，接近 600ma1，MIS1 时期次之，其它间冰期时期石笋生长速率均在 100ma1以下。这一特点与石笋 18O 记录有所不同。在过去 6 个间冰期，石笋 18O 值明显偏负，均在-11上下小幅波动，没有显著差异。黄土古土壤记录13,30也表明在最近几个间冰期内，东亚夏季风强度或降水量没有显著差异（图 3d）。因此，考虑受到洞穴内部非气候因素的干扰，认为石笋平均生长速率代用指标仅能定性地指示东亚夏季风强弱的变化。图 3所示平均生长速率曲线呈现的冰期间冰期变化类似于全球海平面和黄土磁化率记录。这种一致性说明了在轨道尺度上，长江中下游地区与华北黄土高原都经历了相似的区域水文条件的变化，这与亚洲夏季风环流强弱变化密切相关31。在间冰期，高的太阳辐射强度有利于进一步增强海陆热力差异，导致亚洲夏季风强度明显增强；同时，高的海平面也缩短了水汽的传输距离，进一步放大了夏季风强度的变化，给长江中下游地区和华北地区带来了丰富的降水。这样，在雨热同期的间冰期或间冰段，暖湿的气候条件有利于地表植被的繁盛、土壤微生物活动增强，致使土壤岩溶水中 CO2和 Ca2+浓度增加，进而导致洞穴沉积物累积的增加29；相反，在冰期，减弱的太阳辐射可能导致亚洲夏季风强度的减弱；同时，低的海平面增加了水汽源区到研究点的距离，这样使得到达研究区的水汽明显减少，从而导致石笋在冰期沉积缓慢，甚至停止生长。这样，我们初步认为三宝洞沉积速率数据所显示的冰期间冰期的变化可能归因于全球冰量和太阳辐射共同作用的结果。但个别洞穴，如南京葫芦洞，寒冷的气候条件反而有利于石笋生长，这可能与洞穴的内部沉积环境有关3。因此，利用石笋生长速率重建古气候历史过程一定要谨慎，尤其是不同洞穴生长速率记录相互对比，获得区域气候变化的共识更需慎重。5结论（1）基于湖北三宝洞多支石笋平均生长速率数据重建了过去 64 万年以来长江中下游地区东亚夏586中国岩溶2023年季风演化的过程。在间冰期 MIS1，5.3，5.5，7.3，7.5，9，15.1，15.5 期间，石笋平均生长速率显著增大，指示夏季风增强，区域降水明显增多；相反，在冰期阶段（除了 MIS12 外）石笋生长速率缓慢或者不发育，指示夏季风减弱，降水明显减少。新研究结果进一步证实了石笋平均生长速率代用指标能够有效地指示外部气候环境的变化，尤其是在冰期间冰期旋回上；（2）在轨道尺度上，平均生长速率所揭示的冰期间冰期变化可能归因于全球冰量和太阳辐射共同作用的结果；（3）相对于更老的几个间冰期，最近两个间冰期石笋平均生长速率最大，尤其是 MIS5 阶段，这一特征与其它地质记录所重建的结果不同。考虑到洞穴内部非气候因素的影响，认为石笋生长速率代用指标并不能定量指示夏季风强弱变化。参考文献FleitmannD,BurnsSJ,NeffU,MudelseeM,ManginiA,Mat-ter A.Palaeoclimatic interpretation of high-resolution oxygenisotope profiles derived from annually laminated speleothemfrom Southern OmanJ.Quaternary Science Reviews,2003,23（7-8）：935-945.1KashiwayaK,AtkinsonT,SmartP.PeriodicvariationsinLatePleistocene speleothem abundance in BritainJ.QuaternaryResearch,1991,35（2）：190-196.2邵晓华,汪永进,孔兴功,吴江滢.南京葫芦洞石笋生长速率及其气候意义讨论J.地理科学,2003,23（3）：304-309.SHAO Xiaohua,WANG Yongjin,KONG Xinggong,WUJiangying.ApproachtothegrowthrateandclimaticsignificanceofstalagmitesinHuluCave,NanjingJ.ScientiaGeographicaSinica,2003,23（3）：304-309.3林玉石,张美良,覃嘉铭,朱晓燕，程海.再论洞穴石笋的沉积速率J.地质论评,2005,51（4）：435-442.LIN 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