130 kaBP左右东亚季风突变过程的洞穴石笋记录

基于湖北神农架地区石笋(SB25)6个²³⁰Th年龄和472个氧同位素分析, 获得了133~127 ka时期十年际分辨率的δ¹⁸O时间序列. 该石笋δ¹⁸O时间序列记录了倒二冰期向末次间冰期转换时东亚夏季风降水强度变化的详细过程. 通过对石笋的精确定年, 确定终止点Ⅱ的年龄为129.5±1.0 ka, 证实了北半球太阳辐射是东亚季风冰期/间冰期转换的主要驱动力. 该石笋δ¹⁸O值在冰期/间冰期旋回中振荡幅度达4‰左右, 这在亚洲季风区洞穴记录中具有普遍性. 分辨率为十年际的δ¹⁸O曲线显示东亚季风在倒二冰期向末次间冰期转换时表现为4个阶梯式阶段, 其中“终止点Ⅱ停滞”后的季风降水突增与全球CH₄浓度突变同步.     

贵州董哥洞近1000 a来高分辨率洞穴石笋δ18O记录

基于贵州董哥洞两支石笋16个²³⁰Th年龄和486个δ¹⁸O测试数据, 建立了过去1000 a来洞穴石笋高分辨率δ¹⁸O的时间序列. 该洞穴近1000 a来δ¹⁸O变化曲线指示了云贵高原东南部西南季风降水变化过程. 与太阳辐射曲线对比表明, 百年尺度西南季风降水变化响应于太阳活动周期. 洞穴石笋δ¹⁸O记录揭示了自1720 AD年以来西南季风强度突增现象, 反映了热带印度洋海-气耦合作用对过去一个世纪北半球温度上升起着重要作用.     

甘肃武都万象洞滴水与现代石笋同位素的环境意义

初步研究了青藏高原与黄土高原过渡带的甘肃武都万象洞中滴水的氢氧同位素和洞穴现代石笋碳酸钙的氧同位素组成, 发现万象洞内滴水的δ¹⁸O_dw和δ D_dw位于全球降水同位素网数据建立的地方性大气降水线范围之内, 说明滴水δ¹⁸O_dw与降水δ¹⁸O有密切关系. 利用δ¹⁸O_dw和洞内中部到距洞口较远处的现代管状钟乳石下部的δ¹⁸O_mc数据和碳酸盐古温度等式计算的温度范围在8.9~12.4℃之间, 平均值为10.7℃, 其中计算出距洞口较远处8个位置的温度在10.1~12.4℃的范围之内, 平均值为11.5℃, 这个值与洞穴内的观测值(10.99℃)一致, 略低于当地年平均气温(14.4℃), 说明现代石笋形成在同位素平衡条件下, 它们的同位素组成可以近似地反映其洞外大气年均温度.     

天气尺度下丽江季风降水中δ18O变化

根据丽江2003年夏季日降水中δ¹⁸O资料, 结合日平均NCEP/NCAR再分析资料, 研究天气尺度下季风降水中δ¹⁸O变化. 研究发现, 丽江夏季日降水中δ¹⁸O变化具有显著的“降水量效应”, 而“温度效应”不存在. 季风活跃期和不活跃期的交替出现可能对天气尺度下δ¹⁸O的变化具有显著的影响, 同时季风降水的再循环过程可能对季风末期降水中δ¹⁸O变化具有显著的影响. 这些影响对季风降水中稳定同位素所特有的“降水量效应”产生严重干扰. 另外, 研究表明丽江夏季天气尺度下δ¹⁸O变化主要受大尺度印度低压系统控制. 研究结果对于季风区稳定同位素“降水量效应”以及本区古气候的研究具有重要意义.     

季风降水中δ18O与高空风速关系

统计分析了西南季风区IAEA/WMO降水观测站曼谷、孟买、新德里、昆明及拉萨夏季降水中δ¹⁸O资料及各站高空大气风速资料发现, 高空风速与δ¹⁸O之间存在显著的正相关关系. 分析表明, 季风期间季风区上空存在一个季风水汽层, 雨滴在下落过程中通过这一水汽层并与季风水汽发生稳定同位素交换, 是导致高空风速和δ¹⁸O正相关的主要原因. 在西南季风区除温度和降水量外, 高空风速也是影响季风降水中δ¹⁸O变化的一个主要因子.     

全新世季风气候演化与干旱事件的湖北神农架石笋记录

基于湖北神农架山宝洞SB10石笋的14个²³⁰Th年龄和266个氧同位素数据, 建立了11.5~2.1 kaBP时段东亚季风降水序列. 该记录表明: 11.5~9.3 kaBP, 季风降水处于持续增长期; 9.3~4.4 kaBP, 该时段为降雨丰沛的湿润期, 4.4~2.1 kaBP, 该时段为降水较少的干旱期, 其长期演化趋势大体类似于北纬33°夏季日辐射能量曲线. SB10石笋δ¹⁸O记录揭示了4.3 kaBP前后季风降水突然减少, 反映了植被-大气-气溶胶对太阳辐射减少的正反馈效应, 该事件与4 ka左右中国新石器文化断层基本同步. 从早全新世平均分辨率20年的石笋降水记录中识别出8.2, 8.6, 9.3, 10.2和11.0 ka显著干旱事件, 可与格陵兰冰芯δ¹⁸O记录的降温事件进行对比, 反映了早全新世北半球低纬季风与极地气候受同一机制的驱动.     

晚冰期以来青海湖地区气候变迁受西南季风控制的介形类壳体氧同位素证据

晚冰期以来青海湖QH-2000孔沉积物介形类壳体δ¹⁸O记录可以作为季风强度变化的一项很好的指标. 17.5~11 cal.kaBP期间, δ¹⁸O偏正, 平均为2.37‰, 季风带来的降水较少; 11~10 cal. kaBP期间, δ¹⁸O快速由偏正转为偏负, 季风强度快速增强; 10~6.0 cal.kaBP期间, δ¹⁸O整体偏负, 平均为-2.15‰, 季风强度达到了最大; 6.0~2.5 cal.kaBP期间, δ¹⁸O值波动增加, 2.5 cal.kaBP以来, δ¹⁸O波动维持在3.0‰左右, 季风强度减弱. 区域对比研究表明, 青海湖地区晚冰期以来的气候并非受东南季风的影响, 而主要受西南季风的控制.     

那曲河流域季风结束前后大气水汽中δ 18O变化特征

在青藏高原中部那曲河流域2004年8~10月收集了大气水汽样品. 研究结果表明, 该流域大气水汽中 δ ¹⁸O值存在一定的波动, 尤其在季风撤退前后, 波动最为显著. 而且大气水汽中δ ¹⁸O与露点温度的波动趋势是明显反向的. 降水事件对该流域大气水汽中δ ¹⁸O波动具有绝对的影响. 在整个大气水汽样品收集时段, 降水发生时, 大气水汽中δ ¹⁸O都为低值. 不同的水汽来源对该流域大气水汽中δ ¹⁸O具有一定的影响, 特别是强烈的西南季风活动带来的海洋性水汽导致该流域大气水汽中δ ¹⁸O出现相对低值, 而当该流域主要受大陆性水汽影响时, 大气水汽中δ ¹⁸O相对较高.     

大别-苏鲁变质岩锆石微区氧同位素特征初探:离子探针原位分析

对大别-苏鲁高压-超高压变质岩地区包括榴辉岩等8个不同岩性的变质岩石中锆石进行了151次微区原位氧同位素分析, 结果表明存在明显的氧同位素不均一性, 不同岩石中锆石的δ ¹⁸O值变化范围从 -8.5‰到+ 9.7‰, 同一岩石不同锆石颗粒间δ ¹⁸O值差异达2‰~12‰, 在离子探针测定精度范围内, 没有观察到原岩岩浆(残留)锆石和变质增生(重结晶)锆石之间明显的氧同位素组成差异, 表明在高压-超高压变质作用中变质锆石基本上继承了原岩锆石的氧同位素组成. 研究发现, 根据变质岩的原岩时代, 可以把锆石氧同位素分成2组, 一组原岩年龄在19~27亿年, δ ¹⁸O值约为6‰~7‰, 另一组原岩年龄为7~8亿年, δ ¹⁸O值在0~2‰. 后者明显偏低的氧同位素组成表明, 在形成高级变质岩的原岩岩浆中有明显的大气降水氧同位素组成的卷入, 它可能和晚前寒武纪我国华南和全球范围雪球事件有关.     

大别-苏鲁造山带超高压变质岩原岩性质:锆石氧同位素和U-Pb年龄证据

对大别-苏鲁造山带榴辉岩和花岗片麻岩中的锆石进行了激光氧同位素分析、单颗粒U-Pb年龄测定以及阴极发光观察, 其中氧同位素分析样品覆盖面积达到大约20000 km². 结果表明, 大多数锆石具有大的岩浆成因核和窄的变质增生边, 岩浆成因核具有新元古代年龄(700 ~ 800 Ma); 氧同位素比值变化较大 (-10.9‰ ~ +8.5‰), 但是大多数具有比地幔锆石低的δ¹⁸O值. 由于锆石的氧同位素组成不受亚固相高温热液蚀变和麻粒岩相变质作用的影响, 因此这些低δ¹⁸O榴辉岩和花岗片麻岩的原岩分别为低δ¹⁸O的基性和酸性岩浆, 对应于扬子板块北缘与新元古代裂谷构造有关的双模式岩浆活动. 这种大面积新元古代低δ¹⁸O岩浆活动与Rodinia超大陆裂解和全球性冰川作用(雪球地球事件)具有准同时性, 因此具有一定的成因联系. 早期基性岩浆沿扬子板块北缘裂谷构造带侵位, 岩浆作为热源引起冰川融化并引起裂谷带内部地表水深循环和热液蚀变, 导致深部地壳酸性围岩和基性岩的氧同位素比值发生显著降低. 而水化岩石由于其熔点降低出现重熔, 结果产生了新元古代时期的扬子板块北缘的大面积双模式低δ¹⁸O岩浆活动, 然后从中结晶出低δ¹⁸O锆石. 因此, 大别-苏鲁造山带超高压变质岩中的大规模氧同位素负异常是从其原岩新元古代低 δ¹⁸O岩浆继承过来的, 其成因与Rodinia超大陆裂解、雪球地球事件和裂谷岩浆活动相耦合的高温大气降水热液蚀变有关.     

黄土高原西缘在AD 1875~2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0~16 mm之间的5个高精度²³⁰Th年代和103个δ¹⁸O数据, 重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史. 通过与武都器测降水数据对比发现, 最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响, 指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息. 近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD 1875~1900)、季风降水减弱期(AD 1901~1946)和季风降水再次增强期(AD 1947~2003) 3个气候段, 而且这3个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似. 近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关, 年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应; 但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系, 很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映. 说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关. 这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测, 而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力.     

2 ka来苏干湖沉积碳酸盐稳定同位素记录的气候变化

选择位于柴达木盆地北缘的苏干湖作为研究对象. 利用²¹⁰Pb, AMS ¹⁴C以及常规¹⁴C等测年手段, 建立了苏干湖沉积岩芯2 ka以来的时间序列. 对湖泊沉积细颗粒中的碳酸盐进行碳、氧同位素分析. 结合流域地表水δ¹⁸O值的变化以及气温观测资料, 认为碳酸盐δ¹⁸O值指示了流域有效湿度的变化; δ¹³C值的变化与湖泊年内冰封湖面时期的长短有关, 间接指示了区域冬半年气温的变化. 在此基础上, 建立了2 ka来苏干湖地区气候变化序列, 其气候变化过程经历了5个阶段: 0~190 AD, 暖干; 190~580 AD, 冷干; 580~1200 AD(MWP), 暖干; 1200~1880 AD(LIA), 冷湿; 1880~1950 AD期间为冷干气候, 20世纪50年代以来, 气候变暖. 碳同位素反映的2 ka以来冬半年气温的变化与历史文献记录以及其他地质记录有很好的一致性, 表明苏干湖同位素记录的2 ka来气候变化具有普遍意义.     

季风降水中δ18O与季风水汽来源

利用稳定同位素瑞利分馏模型, 根据季风区可降水量与源区可降水量的比率f与季风降水中δ¹⁸O之间存在反相关关系这一基本假设, 提出了一种确定季风水汽来源的新方法. 应用西南季风区典型代表站新德里和东南季风区典型代表站香港夏季同位素资料, 对此方法的可行性进行了实例分析验证. 结果表明, 利用此方法确定的两站点季风降水的水汽来源与基本大气环流背景相吻合. 研究结果对于追踪季风水汽来源具有重要意义.     

食物控制的陆生蜗牛碳同位素组成

陆生蜗牛壳体化石碳酸盐(文石, CaCO₃)稳定碳同位素组成已被用于解释过去古植被C₃/C₄光合作用类型的变化, 但是蜗牛壳体碳同位素组成是否取决于其食物碳同位素组成一直是争议的问题. 对黄土高原等地现生蜗牛软体躯干有机碳和壳体文石无机碳同位素组成测量表明, 壳体文石无机碳同位素δ¹³C_a分布范围为-13.1‰ ~ -4.3‰; 对应的软体躯干有机碳同位素δ¹³Corg分布范围为-26.8‰ ~ -18.0‰, 两者之间存在显著的相关关系(δ¹³C_a = 1.021 δ¹³C_org + 14.38; R = 0.965; N = 31), 壳体文石¹³C相对于躯干平均富集(14.2 ± 0.8)‰. 由于蜗牛软体和食物碳同位素组成一致, 这样结果表明黄土高原陆生蜗牛壳体碳同位素组成可以反映其食物的同位素特征和潜在生态背景. 进而认为: (1)蜗牛碳酸盐壳体中的碳主要来自于蜗牛代谢(呼吸)作用产生的CO₂; (2) 蜗牛休眠、壳体封闭时期壳内CO₂与体液HCO₃^-之间碳同位素处于平衡分馏状态; 蜗牛活动时期CO₂的释放, 壳体文石形成, 碳同位素动力分馏作用发生, 导致壳体文石¹³C富集程度显著高于同位素平衡分馏值.     

荣城榴辉岩的氧同位素组成

荣城3类经历过超高压变质的榴辉岩具有明显不同的氧同位素组成. 产于区域片麻岩和超镁铁岩中的榴辉岩具有通常榴辉岩的氧同位素组成, 而产于大理岩中的榴辉岩特别富集¹⁸O. 各类榴辉岩的石英-石榴石氧同位素温度大体指示榴辉岩的形成温度, 由此估计榴辉岩的峰期变质温度平均略高于800℃, 与其他地质温度计估计的温度基本一致. 荣城杨官屯大理岩中榴辉岩包体的δ¹⁸O值远比大别山和苏鲁地体其他地区的榴辉岩(包括大理岩中的榴辉岩包体)都高. 矿物的氧同位素分析结果表明荣城的榴辉岩形成温度总体上高于大别山和苏鲁西南部地区, 而不同矿物对估计的同位素温度数据分散反映该地区超高压榴辉岩抬升期间普遍遭受过叠加变质作用.     

甘肃西峰黄土-古土壤剖面的碳酸盐与有机碳的碳同位素差值(Δδ13C)的变化及其古环境意义

选取位于黄土高原中部的甘肃西峰剖面作为研究对象, 分析了该剖面末次间冰期以来土壤有机碳和全岩碳酸盐的碳同位素组成变化. 该剖面的土壤有机碳同位素组成(δ¹³C_SOM)变化范围为−23.8‰~−20.2‰, 间冰期偏高, 冰期偏低. 全岩碳酸盐的碳同位素组成(δ¹³C_TC)变化范围为−8.5‰~−3.6‰, 但总体显示出与δ¹³C_SOM值相反的变化趋势, 即δ¹³C_TC值在冰期偏高, 而在间冰期偏低. 土壤无机碳酸盐碳同位素与有机碳同位素的差值(Δδ¹³C)的变化范围为14.1‰~19.4‰, Δδ¹³C值的大小反映了源区原生碳酸盐物质在全岩碳酸盐中所占相对比例的多少. 据此, 计算了西峰剖面源区碳酸盐的贡献: 在黄土沉积阶段, Δδ¹³C值较大, 源区碳酸盐与次生碳酸盐的相对比例最高可达6:4; 而在古土壤(弱古土壤)阶段, Δδ¹³C值较小, 原生碳酸盐物质的相对比例低. 同时, 由于风尘颗粒包含了原生碳酸盐物质, 研究认为黄土沉积中的Δδ¹³C值变化指示了粉尘对黄土高原的贡献程度.     

祁连山七一冰川积雪和大气降水中的氢氧稳定同位素变化

报道祁连山七一冰川夏季降水和冰川表层积雪中氢氧稳定同位素的观测资料, 并分析其与气象要素的关系. 在事件尺度上, 七一冰川夏季降水中δ¹⁸O的变化不存在温度效应, 但显示出明显的降水量效应. 水汽输送过程追踪与降水及降水中稳定同位素对比研究显示, 这种降水量效应既反映了水汽来源的差异, 与季风活动相关, 也与云中水汽冷却程度、水滴在降落过程中的蒸发及和周围水汽的交换相关. 由于冬季降水极少, 积雪剖面主要体现夏、春、秋三季的降水状况. 夏季降水的δ¹⁸O值低, 而春、秋季降水的δ¹⁸O高. 夏季降水的大气水线为δD= 7.6 δ¹⁸O + 13.3, 与祁连山南麓德令哈的大气水线相近. 积雪的大气水线为δD = 10.4 δ¹⁸O + 41.4, 显示出异常高的斜率和截距. 积雪剖面的过量氘(d)值与δ¹⁸O存在明显的正相关, 说明从春到夏, 随着降水同位素比率的降低, d值降低, 反之, 从初秋至早春, d值增加, 从而导致大气水线的高斜率和高截距. d的变化指示春秋季水汽可能来源于附近的内陆蒸发或干燥的西风气流在经过相对温暖的水体时的快速蒸发, 而夏季水汽则由季风带来. 同时, 这也表明季风的影响范围可达祁连山西段.     

陡山沱期古海水的硫和碳同位素变化

利用从碳酸盐岩中提取微量硫酸盐的方法, 实现了扬子地区陡山沱组海相碳酸盐岩地层连续的硫和碳同位素组成测定. 未受成岩作用改造的同一样品的硫和碳同位素分析结果能够同时给出扬子地区陡山沱期古海水的硫和碳同位素组成. 获得的高分辨率陡山沱期硫酸盐的硫同位素年代曲线可能反映了“雪球地球”事件之后全球古海洋的硫同位素变化趋势, 它与同时期的碳同位素年代曲线变化相似. 陡山沱期早期古海水的δ³⁴S值出现超过20‰的正漂移, 同期δ¹³C值也出现高达10‰的正漂移, 使古海水的δ³⁴S值和δ¹³C值分别达到+46.4‰和+6.9‰的高值. 在陡山沱期中期古海水的δ³⁴S值的变化幅度相对较小, 对应于较高的δ¹³C值. 随后, 古海水的δ³⁴S值呈现较强烈的振荡, δ¹³C值也有类似表现. 在陡山沱期末期海水的硫和碳同位素都出现了大幅度的负漂移, δ值分别降到-10.1‰和-5.7‰. 扬子地区陡山沱期古海水的硫和碳同位素组成与变化意味着南沱冰期之后的海洋环境发生了急剧变化, 环境十分有利于生物繁衍与活动, 那时的生物产率和有机碳埋藏速率曾达到很高的水平. 不过, “雪球地球”之后的环境并不稳定, 全球的气候与环境可能都曾发生过波动与反复. 发生在陡山沱末期海水的硫和碳同位素的负漂移是一次全球性事件, 可能与深部海水氧化有关.     

石笋密度蕴含的过去气候变化信息: 以末次冰消期黄土高原西部武都万象洞石笋为例

亚洲季风区边缘甘肃武都万象洞一根石笋(WX42A)在末次冰消期不同生长时期密度变化表现出有规律的波动. 高精度²³⁰Th测年和高分辨率的石笋密度结果表明, 生长于17644~12758 a BP之间石笋密度变化时间序列在长时间尺度上与反映亚洲季风强度变化的石笋δ¹⁸O记录变化趋势非常一致, 显示出季风强度增强/减弱(δ¹⁸O值偏轻/偏重), 石笋密度随之增大/减小的特征; 在短时间尺度上石笋密度的降低也对应于一些季风减弱事件如Inter-Allerød Cold Period (IACP)、Older Dryas (OD)和Inter-Bølling Cold Period (IBCP). 总体上, 石笋密度的降低是对季风减弱、降水量减少造成洞穴滴水速率降低、结晶核减少和晶体增大、生物活动强度减弱和土壤CO₂分压降低、碎屑杂质物质增多的反映. 然而在季风极端减弱、降水量大幅度减少和生物活动强度减弱时期, 温度的变化将主导石笋密度的变化, 如在北大西洋H-1事件温度突然降低时, 石笋密度却突然增大, 这是由环境温度的突然降低使得少量下渗水在低温下溶解的碳酸氢钙浓度升高、溶液过饱和度升高而形成晶体规则紧密排列且密度较大的石笋矿物所造成的. 这种灵敏记录石笋生长历史和外界环境变化的过去石笋密度随着时间波动, 说明石笋密度在过去气候变化研究中具有极大的潜力.     

全新世黔北降水特征的石笋记录及适宜期结束时间在亚洲季风区的不等时性

基于黔北石膏洞两支石笋(SG1 和SG2)的12 个高精度²³⁰Th 年龄(误差为±2.5~55 a)和479 个氧同位素数据, 建立了全新世9.9 ka BP (相对1950 AD) 至今较高分辨率的东亚季风和印度季风交汇区季风降水序列. 石膏洞δ¹⁸O 记录表明: 9.9~6.6 ka BP, 季风降水处于降水丰沛的湿润期; 6.6~1.6 ka BP, 该时段为降水逐渐减弱时期; 1.6 ka BP 至今石笋δ¹⁸O 最为偏正, 季风降水整体处于较弱期, 其长期演变趋势整体追随30°N 夏季太阳辐射能量变化曲线. 利用时序分析方法, 对石膏洞与已发表的高分辨率石笋δ¹⁸O 记录分析发现, 石笋所揭示的全新世适宜期结束时间在不同季风区存在显著差异: 统计分析结果显示印度季风区的阿曼为7.2~7.4 kaBP, 东亚季风下的华中地区为5.6~5.8 ka BP, 而地处于两季风交汇处的西南一带则介于其中约为6.6~7.0 ka BP. 我们认为供应东亚季风水汽来源的热带西太平洋海水表面温度变化, 是可能造成亚洲不同地区全新世适宜期结束时间不一致的原因.