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湖北清江和尚洞位于亚热带北缘地带的长江中游地区,深受副热带高压迁移活动的影响,对气候变化非常敏感,和尚洞石笋中的碳氧同位素、微量元素、纹层厚度、分子化石等气候指标已经探索和重建了近2万年来的气候变化。
本文利用和尚洞内生长于晚更新世冰期间冰阶的石笋HS-7,研究深海氧同位素3晚期(MIS3)的气候变化。MIS3期为气候周期性波动变化活跃的时段,Dansgaard-Ochesger(DO)事件非常典型,其周期性气候变化及其驱动机制一直备受关注,HS-7石笋以其高分辨率高精度定年的优势,成为研究MIS3晚期气候波动变化的良好载体。
本文以7个U-Th精确定年为前提,综合HS-7石笋的纹层及沉积结构特征、碳氧同位素组成变化情况、时间序列的功率谱分析和序列周期重建的结果,得到以下结论:
1) HS-7石笋纹层由疏松暗色亚层与紧实亮色亚层构成一个年纹层,纹层中的有机质主要来源于上覆土壤。紧实厚亚层生长于准平衡分馏条件下,可用来指示季风降水变化情况。纹层结构特点表明MIS3晚期DO8暖湿期,长江中游的气候季节性差异较小,降水多且季节分配相对均匀;而在冷干期,温度与降水的季节性差异非常显著。
2) HS-7氧同位素时间序列验证了GISP2时标的准确性,并以其高精度高分辨率的优势确定,在MIS3晚期,由DO8开始向DO7过渡起始时间在36.24ka B.P.,到达最干冷状态后,开始迅速向DO7回升的起始时间在35.13ka B.P.,完成整个过渡期用了936年,冷干状态维持了约220年,结束过渡快速回升用了173年。在这半个DO旋回里,除冷干气候段外,DO8和过渡时段都显示较强的百年尺度气候波动。
3)碳氧同位素功率谱分析检测到的百年尺度以上的强周期值有100年、201年、262年、428年、500年、731等都对应于太阳活动的变化周期,百年尺度以下周期值21.6、10.8和7.2亦分别对应太阳活动周期22年,11年和厄尔尼诺事件活动周期的7年。证明太阳活动是长江中游MIS3晚期DO旋回的主要驱动力,在十年,百年际尺度上,HS-7石笋记录了太阳活动对长江中游亚洲季风和降水的影响,也记录了海气作用过程在太阳活动变化大背景下对季风气候的调节作用,在DO8向D(O)7过渡时段,长江中游的气候受海气作用的调节显著。这些支持了海气活动,如厄尔尼诺和拉尼娜,沃克环流,在气候强烈波动变化期对太阳活动驱动机制有一定的调节能力,使向冷干气候的转变过程阶梯状过渡。
4)综合石笋沉积结构特征、氧同位素记录及气候波动的周期信号,将长江中游MIS3晚期的DO8向DO7过渡时段的气候演化分为7个阶段:
①37.3~36.74ka B.P.,δ18O平均值为-9.82‰,气候主要受太阳活动影响,气候暖湿较稳定。
②36.74~36.43ka B.P.,δ18O平均值为-9.77‰,气候亦主要由太阳活动驱动,气候波动开始增加,整个阶段,气候暖湿。
③36.43~36.2ka B.P.,δ18O平均值为-9.77‰,石笋沉积速率快,气候波动进一步加强,厄尔尼诺事件频繁,在太阳活动及海气作用共同影响下,达到DO8事件期的最暖湿阶段。
④36.2~35.78ka B.P.,δ18O平均值增加到-9.07‰,石笋沉积速率快,气候受太阳活动与海气作用的共同影响,但拉尼娜活动表现得更为频繁。气温下降,海气活动带来了较多的夏半年降水,气候冷湿。
⑤35.78~35.5ka B.P.,δ18O平均值-9.11‰,此期为气候波动变冷中的气温回升段,氧同位素记录的海气作用开始消失,太阳辐射变化为气候变化的主要影响因子,气候冷湿。
⑥35.5~35.28ka B.P.,δ18O平均值为增加到-8.37‰,气候在此阶段进入最干冷状态,处于DO8事件过渡的末期。
⑦35.28~35.1ka B.P.,持续173年的时间,气候迅速结束过渡,向暖湿气候转变,开始DO7事件。