重庆羊口洞石笋记录的Heinrich event 4期间中国西南地区气候和环境的演变

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海因里希事件(Heinrich events,HE)是末次冰期气候变化的重要特征之一,由于海洋沉积物和冰芯年表的不确定性,迄今为止还无法精确标定每次HE发生的确切时间。HE期间冰山消融、低纬度气候变化,以及格陵兰温度变化之间的相位关系和影响机制也仍存争议,低纬度大气环流系统对HE的响应过程可能与新仙女木事件(Younger Dryas,YD)和Dansgaard/Oeschger(DO)事件有所不同。对这些问题的讨论需要得到来自低纬度地区更高分辨率的古气候记录支持。虽然高精度的U-Th定年为洞穴石笋提供了年代学的优势,但是,仅有少数研究对亚洲夏季风(Asian summer monsoon,ASM)强度在HE期间的突变过程和内部结构进行重建,并且受不同石笋测年误差和分辨率的影响,即使在亚洲季风区内部,HE的起止时间和内部结构也存在差异。HE4处于冰期边界条件较为稳定的Marine isotope stages(MIS)3期间,如果能精确地标定ASM在HE4期间发生突变的时间和结构,将有助于理解低纬度气候对北大西洋气候异常和海温度变化的响应过程和机制。本研究通过对取自中国西南地区羊口洞的YK1石笋的δ18O,δ13C和Mg,Ba,Sr,Ca进行分析,结合高精度U-Th和石笋荧光微层年代模型,高分辨率,多指标重建了37.14-42.00ka BP期间中国西南地区ASM强度和区域水文状况的变化过程。主要结论如下:(1)羊口洞石笋δ18O记录的ASM强度在HE4开始/结束时强度迅速减弱/增强,ASM强度在HE4开始和结束发生突变时间为39.44 ka BP(39.44-39.44 ka BP,100%置区间)和37.85 ka BP(37.86-37.84,100%置信区间),在39.34-38.27 ka BP期间达到最弱。在HE4开始/结束时,ASM以突变的形式大幅减弱/增强,并且在百年尺度上具有震荡变化的不稳定性。东亚季风区南北方石笋δ18O对HE4的响应在突变发生时间以及突变过程上存在差异。羊口洞和雾露洞等西南地区的石笋δ18O记录在HE4开始时发生突变时间明显均晚于中国北方地区。在突变过程方面,与中国西南低纬度地区的石笋δ18O记录相比,来自中国北方和中部地区的石笋δ18O记录突变持续时间更短,ASM减弱和增强的过程更为迅速。东亚季风区南北方地区的石笋δ18O记录在HE4期间的区域差异,主要归因于中国南北地区ASM强度对北大西洋气候突变事件响应过程的区别。中国北方地区受到西风带的影响,大气过程能够迅速传播气候突变信号,而中国南方地区气候变化主要受控于热带海洋水文和低纬度大气环流过程,北大西洋气候变化通过热带辐合带(Intertropical Convergence Zone,ITCZ)的南北移动,以及热带印度洋和西太平洋暖池的水文过程影响ASM变化,其气候转变相对于大气过程更为缓慢。(2)相对于格陵兰冰芯δ18O记录,HE4期间,包括羊口洞石笋δ18O在内的低纬度地区石笋,海洋岩芯等古气候记录的阶段性变化更明显。在HE4期间,格陵兰地区冰芯δ18O和d-excess除了在HE4开始和结束时呈现出突变特征,在HE4内部保持稳定,没有发生大幅的震荡。但是这种稳定的状态几乎没有在包括YK1石笋δ18O在内的全球其他不同纬度的古气候记录中观察到。HE4期间,在格陵兰地区温度保持稳定的情况下,ASM以及低纬度大气和水文循环发生了大规模的重组,与格陵兰地区温度变化存在解耦的情况。这种高低纬度气候记录之间的解耦意味着全球其他地区在HE4期间的气候变化并不能完全归因于北半球高纬度地区(格陵兰)的温度变化,高低纬之间对HE4的响应过程和方式存在显著的差异。在HE4发生时,中国北方石笋δ18O记录与格陵兰地区冰芯δ18O和尘埃浓度的变化模式具有一致性,但是包括热带西太平洋地区在内的低纬度海洋和水文循环过程在HE4开始时并没有迅速受到北大西洋地区气候突变的影响,大气过程可能会比海洋过程更快、更有效的传播大西洋经向翻转环流(Atlantic meridional overturning circulation,AMOC)变化产生的气候突变信号。由于HE4期间AMOC的减弱,大量的热量在南半球高纬度地区和热带海洋地区积累,南半球和热带地区增温会导致ITCZ逐渐向北移动,低纬度的海洋过程和季风系统,率先开始由HE4向Greenland Interstadials(GI)8的转变。(3)YK1石笋δ13C和元素比值(Mg/Ca,Ba/Ca,Sr/Ca)记录了地表水文环境状况和方解石先期沉淀(prior calcite precipitation,PCP)过程。YK1石笋δ18O,δ13C,与X/Ca主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)的PC1在40.25-42.00 ka BP期间具有强共变特征,表明ASM强度可以通过影响区域降水和水文条件、生态环境和生物活性,最终影响石笋δ13C和X/Ca的变化。但是在37.14-40.25 ka BP,类似的共变特征并未在石笋δ18O和X/Ca PC1中观察到。表明区域的水文环境变化与此时的ASM强度变化并不一致,可能与HE4期间羊口洞地区处于相对温和的地表水文环境和较弱的PCP过程有关。
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