晚更新世60～90 kaBP气候变化探讨

2014-07-21黄帆杨勋林张银环张月明

湖北农业科学 2014年3期

黄帆+杨勋林+张银环+张月明

摘要：60～90 kaBP是末次间冰期向末次冰期转换时期，此时段经历了许多重要的气候事件。对此进行深入研究有助于了解这些气候突变事件，为理解气候驱动机制提供新的视角。通过系统回顾60～90 kaBP洞穴石笋、极地冰芯等古气候载体的研究成果，探讨72 kaBP气候突变事件与Toba火山喷发的关系，提出72 kaBP的Toba火山喷发并不是导致72 kaBP气候事件的主导因素；MIS4/5a的转换时间不能以72 kaBP气候事件为界，应以Dansgaard/Oeschger（D/O）20事件为界；石笋记录在晚更新世变化趋势与太阳辐射曲线基本一致，但D/O18事件在不同地区、不同古气候载体中存在差异性，说明全球气候在长时间尺度下受太阳辐射影响，而在短时间尺度上受控于多种因素，尤其是区域因素的影响。

关键词：石笋；氧同位素；MIS4/5a；Dansgaard/Oeschger（D/O）事件；晚更新世

中图分类号：P532 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）03-0544-05

末次间冰期以来的气候变化由于沉积记录大多保存良好、沉积期后的次生变化小，而且相当多的沉积记录具有高分辨率的特征，适合高分辨率的古气候研究，是古气候研究中的重点[1-3]。特别是末次间冰期以来气候变化很复杂，存在着一系列的百年、千年以及万年尺度重复发生的气候突变事件而成为全球气候变化研究焦点[4]。对该时段内高分辨率气候演化历史的重建及变化机制和表现形式等的研究，有可能为研究近现代气候变化机制、气候突变事件以及预测未来气候变化速率、幅度、持续时间及趋势提供重要的科学依据。

对于MIS4/5a转换时间有学者认为是70～74 kaBP[5]。早期研究发现阿拉伯海钻孔岩芯记录的Toba火山灰层分布于MIS4/5a界限附近[6]，Rampino等[7]认为Toba火山的喷发是导致气候变化的主导因素，并将其喷发时间作为MIS4/5a转型时间。但有研究表明，Toba火山的喷发前后气候并没有显著变化[8]，特别是低纬度地区的气候变化幅度并不大。古生物研究同时显示Toba火山喷发并未对生物的生存环境产生毁灭性的影响[9，10]。因此，Toba火山喷发对末次间冰期到末次冰期气候转换是否起到决定性作用有不同的观点。通过系统回顾60～90 kaBP洞穴石笋、极地冰芯等古气候载体的研究成果，探讨72 kaBP气候突变事件与Toba火山喷发的关系，提出72 kaBP的Toba火山喷发并不是导致72 kaBP气候事件的主导因素；MIS4/5a的转换时间不能以72 kaBP气候事件为界，应以D/O20事件为界；石笋记录在晚更新世变化趋势与太阳辐射曲线基本一致，但D/O18事件在不同地区、不同古气候载体中存在差异性，说明全球气候在长时间尺度下受太阳辐射影响，而在短时间尺度上受控于多种因素，尤其是区域因素的影响。

1 晚更新世气候波动

从格陵兰冰芯记录GISP2和洞穴石笋记录中能够清晰地看到末次间冰期向末次冰期转换的60～90 kaBP时段里气候存在着不同幅度的振荡[11-15]。末次间冰期气侯整体比末次冰期气候温和湿润，但气候很不稳定，发生了一系列全球性或区域性的气候突变事件。在60～90 kaBP时段发生了D/O18～22等事件。其中区域性差异突出的有D/O18事件和72 kaBP左右的气候突变事件。MIS5a作为末次间冰期中最后一个时期（关于末次间冰期的定义存在两种意见，一种是只相当于海洋氧同位素期MIS5e，持续时间约20 ka，另一种是指整个氧同位素5期，持续时间约57 ka，这里采用后者的定义），其向末次冰期变化的研究对未来气候变化趋势的预测有重要意义。目前人类正处于间冰期，下一个冰期何时到来，间冰期向冰期如何转化的问题都引起了人们的关注。

1.1 Toba火山喷发事件及其影响

火山喷发会对地球气候产生重要的影响，其改变气候的方式主要是通过增加空气中CO2的含量、火山喷发过程中产生的硫酸盐气溶胶以及进入平流层的尘埃[16]。火山喷发后产生的大量火山灰物质进入平流层，削弱到达地表的太阳辐射，从而对气候产生强烈的影响。72 kaBP左右的Toba火山喷发是第四纪以来最猛烈的火山喷发[17]，其喷发后产生的火山灰物质总体积超过800 000 m3，覆盖了整个地球表面积的1%[18，19]。Toba火山喷发产生数量如此巨大的火山灰物质是否会引起地球气候从间冰期转变为冰期？不同学者的研究有不同的结论。从图1神农架山宝洞石笋记录[11]、南京葫芦洞记录[15]与格陵兰冰芯记录[13，14]对比可以看出，山宝洞、葫芦洞以及巴西洞穴石笋记录在72 kaBP左右气候发生变化，格陵兰冰芯记录在70 kaBP左右也存在一个大幅度的变化。格陵兰冰芯记录GRIP和GISP2氧同位素剧烈偏轻，山宝洞石笋SB22记录的氧同位素显著偏重，这些指示了北半球气温降低，亚洲季风减弱，降水减少。印尼Toba火山喷发也在72 kaBP左右。因此，Schulz等[20]推测发生于D/O19和D/O20之间的Toba火山喷发是导致氧同位素剧烈波动的主导因子并称其为“Toba事件”。在格陵兰冰芯GRIP和GISP2记录中D/O20暖峰之后氧同位素是处于一个偏轻的过程，而随后72 kaBP左右Toba火山开始喷发，其加剧了氧同位素的变化，使得气候发生更强烈的改变。这指示了氧同位素的变化先于Toba火山的喷发，Toba火山喷发加强了氧同位素的变化程度而非主导氧同位素变化的驱动因子。Zielinski等[17]也认为Toba火山喷发并没有驱动气候进入MIS4冰期时代。

由葫芦洞石笋碳、氧稳定同位素记录[15]可知，73 kaBP左右碳、氧同位素曲线存在着差异。δ18O曲线在72.5 kaBP存在一个气候突变事件，而δ13C曲线的气候突变事件时间更早。由于碳、氧同位素是采自同一石笋样品，因此两者表现出的差异应与定年误差无关。按照MSL石笋记录，在Toba火山喷发前δ13C曲线就开始发生偏轻的变化，且偏轻变化的时间远比δ18O曲线在72.5 kaBP左右变化的时间长。说明了Toba火山喷发可能不是72 kaBP左右的冷事件发生的主导因子，也说明了碳稳定同位素或上覆植被对气候变化更为敏感，对Toba火山喷发前S-SO42-的反应比较剧烈。这些假设还有待进一步研究证明。格陵兰冰芯记录与石笋记录的72 kaBP左右气候变化也存在差异。从图1可以看出，格陵兰冰芯记录在D/O20事件之后氧同位素就开始偏轻随后开始剧烈偏轻，这不同于石笋记录在D/O20事件之后的直接变化，Toba火山喷发若是导致“72 ka气候事件”的主导因子，为什么同一事件会引起变化的不同模式？另外，Toba火山喷发前后多项记录无实质性变化。例如，阿拉伯海的SO90-93KL岩芯记录在Toba火山喷发前后SST均处于稳定下降状态[21]。东海MD97-2151岩芯记录了在Toba火山喷发后SST并未有大幅波动[22]。苏门答腊岛的猩猩数量在Toba火山喷发后不减反增[9，10]。这些变化不大的记录使得人们对Toba火山喷发是否能引起全球性的气候变化产生了疑问。因此，作者认为Toba火山喷发并不是72 kaBP气候突变事件的主导因子。

1.2 MIS4/5a转型时间

对MIS4/5a的转型时间有学者建议是70～74 kaBP[5]，但由于代用指标的差异、定年误差等原因，不同学者对MIS4/5a的转型时间还存在不同的划分。覃嘉铭等[23]通过研究贵州七星洞石笋认为MIS4/5a为78.5 kaBP；在SPECMAP年代标尺中MIS5a结束的时间约为70 kaBP[5]；在格陵兰GRIP冰芯记录中则为75～80 kaBP[5]。早期的研究发现，阿拉伯海钻孔岩芯记录的Toba火山灰层分布于MIS4/5a的界线附近，以Toba火山喷发的时间为MIS4/5a转型时期，是MIS4冰期的起点[7]。而从图1格陵兰冰芯记录GRIP和GISP2曲线的变化趋势可知，冰芯记录的氧同位素早于Toba火山喷发时间（在D/O20事件暖峰之后）开始偏轻，因此传统的将Toba火山喷发作为MIS4/5a的转型时间不准确。由于D/O20事件氧同位素的振幅与MIS5c相当，且D/O20暖峰后气候总体维持在一个长达12 ka左右的相对较冷时段。因此，MIS4/5a的转型时间应以D/O20事件为分界。

1.3 MIS5a间冰阶结构

通过图2、图3可见，不同地区的石笋氧同位素记录在MIS5a阶段都具有相似性，并能很好地与太阳辐射变化进行对应，说明全球气候主要受控于太阳辐射[24]。此外，万象洞等氧同位素曲线与南半球巴西BT洞氧同位素曲线存在反相位关系，说明南、北半球气候存在跷跷板效应（“seesaw”效应）[25，26]。MIS5a阶段的气候也存在差异性。图2中MIS5b向5a转换时，不同的记录转换快慢不同。SB22记录中转换是缓慢进行的，而在万象洞记录、NGRIP冰芯记录[27]和巴西BT洞记录中却是迅速转换。安春雷等[25]认为这可能是由于万象洞的地理位置决定了其对季风变化较山宝洞更加敏感。

2 晚更新世D/O事件

气候变化受到了许多因素的影响。辛普森假说指出由于太阳辐射量的改变引起气候的变化，最终导致冰期、间冰期的出现，米兰科维奇假说指出由于地球轨道参数的变化引起地球冷暖的变化，导致冰期、间冰期的出现，主要的驱动机制有400 ka和100 ka的公转轨道偏心率周期、41 ka地轴倾斜率周期和21 ka岁差周期[28]，但这些地球外部因素并不能完全解释长时间尺度背景下的短时间气候突变事件，其他因子也会影响地球的气候，例如温盐环流、火山活动、人类活动等都会对气候产生深远的影响。在60～90 kaBP的气候变化过程中，D/O17～22事件呈现出明显的千年尺度变化。图1中D/O19、20事件在不同气候代用指标记录中都有很好的对应关系，而D/O18事件在不同地区却不能很好地重现。

D/O18事件在格陵兰冰芯记录GRIP和GISP2中表现得很显著；巴西石笋BT2005在D/O18事件处也有大幅振荡；神农架天鹅洞石笋SW12中D/O18事件峰型显著，强度同MIS3阶段[29]；重庆新崖洞石笋XY2的D/O18事件也表现明显[30]，而在高分辨率的葫芦洞石笋MSL、董哥洞石笋D4、山宝洞石笋SB22中却并不突出。同样都是在亚洲季风区，为什么几个洞穴对同一气候事件的记录却有如此大的区别？图3中60～90 kaBP气候变化的不同地质记录曲线具有很好的相似性，在长时间尺度背景下与65°N太阳辐射线能够很好地吻合，说明太阳辐射是长时间尺度全球气候变化的主导因素，但在短时间尺度内还存在着其他影响气候变化的因素。由于区域性差异导致不同气候代用指标对一些短时间尺度气候变化事件响应存在一定的差异。D/O18事件是由多种驱动因子引起的。山宝洞石笋SB22记录缺少D/O18事件是由于分辨率低导致其没有体现[11]，而葫芦洞、董哥洞石笋记录中D/O18事件不显著说明存在其他影响因素。不同地区石笋对D/O18事件记录的差异性表明，D/O18事件可能受到太阳辐射、温盐环流等多因子综合影响，导致不同地区对D/O18事件的记录不同。

3 结论与展望

通过对比60～90 kaBP石笋、极地冰芯等古气候载体的研究成果得出以下结论：

1）60～90 kaBP是末次间冰期向末次冰期转型的阶段，在长时间尺度上石笋氧同位素记录曲线、格陵兰冰芯氧同位素曲线等都与65°N太阳辐射曲线具有高度的相似性，说明气候变化在长时间尺度受太阳辐射影响，符合米兰科维奇假说。

2）60～90 kaBP时段不同的古气候载体研究成果在短时间尺度上表现出差异性，如D/O18事件在不同记录中存在明显差异，这与古气候载体自身特点和影响气候变化的区域性因素有关。

3）Toba火山喷发并不是引起72 kaBP气候突变事件的主导因子，其对气候变化起到了加强作用。

为了更好地了解60～90 kaBP的气候变化，应加强60～90 kaBP时段气候突变事件的研究，提高古气候记录的分辨率和定年的精度。对Toba火山喷发与72 kaBP气候突变事件的关系，应提高古气候记录的分辨率，为进一步判断两者的关系提供有力证据。为了确定MIS4/5a转型时间，需要获取更多不同地区的气候代用指标，通过对比来达成统一的共识。要确认导致D/O18事件差异的因素，需要比较与之相类似的气候突变事件，加强短时间尺度气候突变因素的研究。

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