科學家通過石筍記錄揭示華北倒二冰消期的時間和結構特徵

20世紀50年代，Emiliani首次將δ18O分析方法應用到海洋沉積物中，並根據海洋沉積物有孔蟲δ18O記錄率先提出第四紀存在多次冰期旋迴。隨後，越來越多的深海岩芯、黃土沉積以及冰芯等古氣候記錄證實了這種「鋸齒狀」冰期-間冰期旋迴：從間冰期向冰期轉換的過程是緩慢的，而從冰期向間冰期轉換的過程卻是迅速的（圖1）。因此，研究冰期終止期發生的氣候事件和機理對了解氣候突變及全球變暖有重要的啟示意義。

過去數年，具有高精度年代控制的中國南方石筍記錄為冰期終止機理的分析和探討提供了新的年代框架，但值得注意的是不同石筍記錄之間，以及石筍記錄與其他樣品的記錄之間在倒二冰消期（倒數第二個盛冰期向末次間冰期轉換的時段）時仍然存在較大差異。因此，在東亞季風區的關鍵區域——緯度更高的華北獲得新記錄，將有助於進一步認識冰消期時高、低緯氣候變化的關聯性。

中國科學院地質與地球物理研究所新生代地質與環境重點實驗室第四紀氣候突變學科組副研究員段武輝、研究員譚明，與西安交通大學教授程海等合作，對河北興隆洞的石筍樣品XL-4進行了高精度的鈾系年代（精度優於3‰）和高解析度的氧碳同位素比值分析（平均解析度38年），重建了華北倒二冰消期的古氣候演化歷史。

通過與其他記錄對比，他們發現：華北末次間冰期開始於129.4±0.3 ka BP，與東亞季風區其它石筍記錄一致（圖2），進一步說明北半球高緯夏季太陽輻射是冰期終止的關鍵驅動因子（圖3）。華北石筍記錄的末次間冰期開始之前和之後的千年尺度氣候事件比中國南方石筍記錄中相對應的氣候事件更加顯著，表現為持續時間更長，波動幅度更大（圖2），可能是由於華北處於東亞季風區的北部邊緣對氣候變化更加敏感的緣故。與中國南方石筍不同，華北石筍記錄的深海氧同位素5e階段（MIS 5e）很可能是末次間冰期以來歲差旋迴的最高峰，可能是由於冰量即全球溫度變化對華北石筍記錄的影響大於中國南方石筍。

末次冰消期氣候持續回暖過程中發生了一個千年尺度的氣候快速轉冷事件，即新仙女木事件，中國南方石筍記錄顯示倒三冰消期也發生了類似的降溫事件，但倒二冰消期到底有沒類似的氣候轉冷事件仍然存在較大爭議。他們研究發現華北石筍XL-4記錄在末次間冰期開始後，出現了一個千年尺度的δ18O波動事件，對應於中國南方石筍δ18O負偏變率減緩事件（圖2，圖3）。一些北大西洋記錄在該時段也出現了一個類似的增溫暫停事件（圖3）。不過，他們認為由於該事件變化幅度較小且發生於末次間冰期開始後，因此並不能類比於末次冰消期時的新仙女木事件。與末次冰消期和倒三冰消期相比，倒二冰消期時，北半球高緯夏季太陽輻射更強（圖4），大氣二氧化碳濃度更高，從而引起冰蓋更早更快的消融，使更多的淡水注入北大西洋，進而嚴重抑制了溫鹽環流，甚至在末次間冰期剛開始時仍然沒有完全恢復。因此，他們推測末次間冰期開始後的淡水注入並不能引起沒有完全恢復的溫鹽環流顯著減弱，所以沒有形成像新仙女木事件這種大的降溫事件，而是僅僅引起了短暫的增溫減緩或停滯。

研究成果發表於Earth and Planetary Science Letters。

圖1 深海沉積、冰芯、黃土記錄的冰期-間冰期旋迴（田軍，2010）

圖2 石筍XL-4和中國南方同時段石筍δ18O記錄對比。（a）XL-4石筍記錄（本研究）；（b）南京葫蘆洞石筍記錄；（c）湖北三寶洞石筍記錄；（d）貴州董哥洞石筍記錄。箐色柱：倒二冰消期內的弱東亞夏季風時段；黃色柱：弱東亞夏季風內的間冰段事件。紅色虛線：末次間冰期開始後的δ18O負偏停滯「Pause」和負偏速率減緩「Slowdown」事件

圖3 倒二冰消期時全球古氣候記錄對比。（a）北緯65度夏季太陽輻射。（b）北大西洋深海鑽孔ODP976浮游有孔蟲殼體Mg/Ca重建的海表溫度記錄。（c）以色列洞穴石筍記錄。（d）河北興隆洞石筍記錄（本研究）。（e）湖北三寶洞（淺綠，深綠）和南京葫蘆洞（黑色）記錄。（g）（h）（i）分別為南極冰芯Vostok（年代標尺為AICC2012）甲烷濃度，二氧化碳濃度和氘同位素記錄。（j）北大西洋深海鑽孔980冰筏記錄，調諧於三寶洞石筍年代。（k）北大西洋埃里克鑽孔MD03-2664冰筏記錄，調諧於義大利Corchia洞穴石筍年代。箐色柱（WMI）：倒二冰消期內的弱東亞夏季風時段。黑色虛線：末次間冰期開始後的增溫暫停「Pause」和氣候改善速度減緩「Slowdown」事件

圖4 最近三個冰消期氣候記錄對比。（a）末次冰消期格陵蘭冰芯δ18O記錄。YD：新仙女木事件，BA：Bolling/Allerod暖事件。（b）倒二冰消期河北興隆洞石筍XL-4δ18O記錄（本研究）。Weak Monson Interval：弱季風時段，Interstadial：間冰段事件。「Pause」：增溫暫停事件。（c）倒三冰消期湖北三寶洞石筍δ18O記錄。YD-III：類新仙女木事件，BA-III：類Bolling/Allerod暖事件

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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