湖北落水洞石笋记录对同位素11阶段与1阶段相似性的启示

论文摘要

依据米兰科维奇冰期理论,太阳辐射变化是冰期-间冰期气候旋回的主要驱动力。因此,要预测自然条件下当前间冰期何时结束,过去具有相似太阳辐射背景的间冰期具有很大的参考价值。深海氧同位素（MIS）11期（约420-360ka）与全新世（MIS1）及未来具有高度相似的太阳辐射特征,但两者类比关系一直是学术界争议问题。目前提出的各种“相似型”方案大多基于轨道背景下的太阳辐射特征、冰消期倾斜率控制和区域性气候变化特征,导致了对未来气候变化的不同认识。本研究拟采用中国洞穴记录为MIS11与MIS1对比提供新的解决方案。所用石笋样品采自中国湖北省咸丰县落水洞（29°44’N,109°7’E）,洞穴所在区域受副热带季风气候控制。洞穴石笋记录具有分辨率高和可绝对定年等特点,获取跨越MIS11的石笋记录有利于加深对MIS11轨道-千年尺度气候变化的认识。基于230Th定年和年代调谐（调谐至三宝洞记录）,本研究建立了跨越中布容事件前后（MIS12-10）和末次冰期以来（MIS4-1）两个时段的石笋δ180和δ13C序列。洞穴的监测是解释石笋气候代用指标的基础。本文对湖北永兴洞（距离落水洞约300km）进行了为期3年的降水、洞穴水文过程和沉积的现场监测。观测数据显示中国季风区石笋δ18O主要继承夏季降水δ18O信号,并反映了大尺度季风环流变化,因此可以作为亚洲季风强度指标。在年际-年代际尺度,石笋δ180值主要受厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）控制。此外,落水洞石笋δ13C主要反映洞穴上覆土壤CO2产率,因此可以作为当地生态系统生物量指标。研究结果显示落水洞附近生物量轨道-千年尺度变化主要受北半球温度控制。这些结论为研究落水洞的石笋记录提供了扎实基础。落水洞记录显示MIS12-10存在一系列千年尺度季风突变事件,在MIS12中晚期可识别出4个弱季风事件,在MIS11-10可识别出7个弱季风事件。这些千年尺度事件在年代误差范围内与北大西洋海表温度变化一一对应,表明北高纬气候与亚洲季风气候的紧密联系。基于两极“跷跷板”（bipolar seesaw）机制以及亚洲季风与南半球气候的气候动力学联系,这些千年尺度事件可与南极冰芯记录的暖事件相联系。亚洲季风与两半球气候的联系表明石笋记录在同步南北半球突变事件上具有重要作用。此外,记录对比和频谱分析表明MIS11-10与末次冰期的千年尺度事件具有相似的频率。与末次冰消期（T-I）相比,倒五冰消期（T-V）不存在与BA-YD（B（?）lling/Aller（?）d-Younger Dryas）类似的事件组合。但是落水洞石笋δ13C指示的生物量变化在MIS11c与MIS1具有一致的轨道变化趋势,这一区域环境变化特征为两个间冰期的对比提供了一个新的视角。晚全新世CO2浓度提高（工业革命前已达到280ppm）是否完全可归因于自然变化似乎是预测自然条件下当前间冰期长度的关键。模拟结果显示在280ppm的CO2浓度下,即使没有人类影响,当前间冰期也还将持续5万年。而如果“早期人类驱动假说”成立,自然条件下工业革命前的CO2只会稍高于240ppm,那么下一次冰期将会在几千年之内到来或已经到来。然而,完全处于自然条件下的MIS11冰期开始时CO2浓度却接近280ppm,这一结果可能表明CO2浓度并非是影响下次冰期到来的决定性因素。岁差与地轴倾斜率变化的特殊相位关系导致了一些间冰期（如MIS11c）跨越了两个太阳辐射峰值。在MIS11c期间,地轴倾斜率与太阳辐射呈现反相位关系,增强的温盐环流阻碍了冰期在第一个太阳辐射峰值结束后发生,从而延长了间冰期持续时间。由于当前间冰期太阳辐射与地轴倾斜率不存在类似关系,因此当前间冰期在自然条件下只会跨越1个太阳辐射峰值。此外,过去80万年里的间冰期长度从未超过1个地轴倾斜率周期,而冰期开始总是发生在地轴倾斜率减小期间,而我们目前即处于这一阶段。根据这些经验证据,自然条件下当前间冰期会在1万年内结束。千年尺度事件的两极“跷跷板”现象是冰期气候的重要特征,间冰期之后第一个“跷跷板”事件的发生可能暗示着气候已经进入冰期状态。发生于MIS11c之后的第一个弱季风事件（约392ka）振幅与末次冰期典型的“跷跷板”事件（Heinrich事件）振幅类似（约29‰）,与之对应的南极暖事件振幅也与末次冰期相当。因此该事件可看作是MIS11c之后第一个两极“跷跷板”事件。在末次冰期,海平面下降提前第一个“跷跷板”事件约3ka,据此可以判断MIS11冰期开始时间大约为395ka。冰期气候条件下北半球夏季太阳辐射发挥着千年尺度事件的“节拍器”作用,即7月65°N太阳辐射的上升支均会伴随着弱季风事件的发生。未来太阳辐射变化与MIS11太阳辐射变化非常相似,因此MIS11c之后第一个“跷跷板”事件对未来的冰期开始时间具有重要的暗示作用。本研究综合了太阳辐射、千年尺度事件和区域性气候等在MIS 11 c和MIS 1两个阶段的变化特征,提出了一个新的对比两阶段的方案。该对比方案显示,自然条件下下一次冰期将在未来3ka左右到来。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究进展与论文选题意义
•     1.1.1 80万年以来的间冰期
•     1.1.2 “11期之谜”与全新世相似型
•   1.2 研究内容、方案及创新性
•     1.2.1 研究内容
•     1.2.2 研究方案与技术路线
•     1.2.3 论文工作量
•     1.2.4 创新性
• 18O解译—永兴洞观测视角'>第2章 石笋δ¹⁸O解译—永兴洞观测视角
•   2.1 洞穴观测的意义
•   2.2 永兴洞概况
•   2.3 研究方法
•     2.3.1 野外观测和同位素测试
•     2.3.2 HYSPLIT后向轨迹模拟
•   2.4 分析结果
• 18O解译'>  2.5 石笋δ¹⁸O解译
•   2.6 小结
• 第3章 跨越MIS11的落水洞石笋记录
•   3.1 落水洞概况
•   3.2 样品与方法
• 18O、δ¹³C序列'>  3.3 年龄模式与δ¹⁸O、δ¹³C序列
•   3.4 记录的可靠性
•   3.5 小结
• 第4章 来自同一洞穴末次冰期以来气候记录的启示
• 13C研究进展'>  4.1 末次冰期石笋δ¹³C研究进展
• 13C的影响因素'>    4.1.1 石笋δ¹³C的影响因素
• 2对石笋δ¹³C的影响'>      4.1.1.1 土壤CO₂对石笋δ¹³C的影响
• 13C的影响'>      4.1.1.2 基岩对石笋δ¹³C的影响
• 13C的影响'>      4.1.1.3 洞穴内部环境对石笋δ¹³C的影响
•     4.1.2 石笋记录
•       4.1.2.1 轨道尺度变化
•       4.1.2.2 末次冰期千年尺度变化
• 18O、δ¹³C序列'>  4.2 年龄模式与δ¹⁸O、δ¹³C序列
• 13C的解译'>  4.3 落水洞石笋δ¹³C的解译
• 18O与δ¹³C关系'>  4.4 末次冰期以来落水洞石笋δ¹⁸O与δ¹³C关系
•   4.5 小结
• 第5章 MIS12-10季风演化规律及事件基本特征
•   5.1 MIS12-10亚洲季风千年尺度变化的全球联系
•   5.2 不同冰期旋回千年尺度事件对比
• 13C)变化'>  5.3 陆地生态系统(石笋δ¹³C)变化
•   5.4 T-V与T-I对比
•   5.5 小结
• 第6章 MIS11c与MIS1对比及其对自然条件下未来气候变化的启示
•   6.1 MIS11c与MIS1对比方案与“早期人类驱动假说”
• 2浓度与未来冰期的发生'>  6.2 CO₂浓度与未来冰期的发生
•   6.3 倒数第四次冰期开始时间
•   6.4 自然条件下未来冰期开始时间
•   6.5 小结
• 第7章 主要结论、不足与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 论文存在的不足
•   7.3 未来研究展望
• 附录A
• 附录B
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王权

导师: 汪永进

关键词: 太阳辐射特征,同位素阶段,全新世相似型,中国石笋记录,千年尺度事件

来源: 南京师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地质学

单位: 南京师范大学

分类号: P532;P597

DOI: 10.27245/d.cnki.gnjsu.2019.000758

总页数: 133

文件大小: 14663K

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