末次冰消期及早全新世台湾南部古环境及东亚夏季季风演化

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末次冰消期一直以来是古气候研究的热点,这一时期地球气候系统发生了一系列剧烈的快速气候变化事件(H1冰阶-H1,B(?)lling-Aller(?)d暖期-BA和新仙女木事件-YD),研究这些气候事件有助于我们认识全球气候系统的演变及其驱动机制。东亚季风是全球气候系统的重要一环,在全球和区域水汽循环中都扮演着重要作用。东亚季风的盛衰影响着东亚地区降水分布与生态环境演化,进而影响着季风区社会经济发展和文明演替。因此研究东亚季风的演化还具有重大的现实意义。台湾位于东亚季风的前缘区,属于典型的季风气候,年均降水量约2000毫米,其中90%的降水主要集中5-9月份。此外,该地区常常遭遇台风袭击,夏季近一半的降水来自台风。但是该区域目前仍然缺乏末次冰消期定年准确的高分辨率气候记录。本文以台湾南部恒春半岛上的东源湖一根沉积岩芯为研究对象,进行高精度14C年代学分析(全部基于植物残体),高分辨率取样(共460个样品),利用地球化学指标(有机质及其堆积速率、碳同位素化学蚀变指数和磁化率等)重建分辨率达5-40年末次冰消期及早全新世(17-9 ka BP)台湾南部气候环境变化以及东亚夏季季风降水的变化历史,并将东源湖沉积记录与其他北半球区域地质记录进行比较,探讨台湾南部东亚夏季季风降水变率的驱动机制。结果发现:末次冰消期东亚夏季季风降水在千年尺度上(H1、BA、YD)和百年尺度(OD、IACP)的振荡与北高纬气候变化有紧密的联系,表明北高纬冰川融水注入大西洋引起AMOC的减弱通过ITCZ对东亚夏季季风有重要的调控作用。但是在千年尺度事件内部,东亚夏季季风记录与格陵兰冰芯温度记录的变化有着明显的差异。如在整个H1事件当中,格陵兰冰芯温度记录显示北高纬气候寒冷但相对稳定,但是东亚季风记录则在H1事件当中分为前后两个阶段,东亚季风降水在H1晚期(16-14.7ka)较早期(17-16ka)显著减弱,表明ITCZ在16ka进一步向南移动。而在BA时期,格陵兰冰芯温度记录显示为逐渐变冷,而东亚季风记录则表现为逐渐变强,表明有其他因素如穿赤道气流或太阳辐射驱动东亚季风在BA时期逐渐变强。东源湖沉积记录的东亚夏季季风降水在YD期间十分干旱,但是发生比格陵兰冰芯晚500-800年左右。通过东源湖沉积记录与赤道西太平洋温度记录的对比发现东源湖沉积记录中一系列百年尺度的异常事件(强降雨事件)与赤道西太平洋的温度异常事件有很好对应关系,当赤道西太平洋表层海温升高时,上空大气对流活动加强,往北输送水汽通量增加,表明赤道西太平洋的热力学状态对东亚夏季季风在百年尺度上有着重要调控作用。通过对比东源湖沉积记录与台湾古山体滑坡记录结果发现,在早全新世东源湖的一些高沉积速率事件(10.5和9.4 ka)伴随着高有机质含量及木屑等植物残体,这些事件与台湾冲积阶地上的最大的古山体滑坡记录发生时间十分吻合,表明这些时期,台湾南部遭受到更多台风的侵袭,可能是由于早全新世西太平洋温度较高引起台风频次增加。木质素主要来自陆生维管束植物组织,具有较高的化学稳定性和抗降解能力,可以作为一种良好的地球化学示踪剂,其含量、单体组成及比值在古环境研究中可以反映植被变化,有机质降解程度等,继而可以反映气候环境信息。我们分析了东源湖沉积岩心中的木质素含量与组成,结果发现在12.2 ka以前东源湖流域植被主要由裸子植物和被子植物混合组成,而12.2ka之后则转变为被子植物主导。木质素降解参数显示沉积物中木质素已经历了中等程度的氧化降解,去甲基/去甲氧基是最主要的木质素降解过程。结合其他地球化学参数发现东源湖流域在YD期间是整个冰消期最干旱时期。有机质保存显著降低,碳同位素变重,木质素降解参数显著升高,一方面由于气候干旱,有机质在陆地上停留时间较长,降解程度较高,另一方面,极端干旱的气候导致地下水水流路径变深,使得深层土壤中降解程度更高,年龄较老的有机碳进入到湖泊沉积物中被埋藏下来。东源湖沉积物的环境参数在YD期间较格陵兰冰芯和中国石笋记录的变化时间大概晚500到800年左右。通过与其他区域地质记录对比发现,低纬地区的水文环境变化在YD开始和结束的发生时间相同,但是相对于北高纬地区要缓慢的多,平均慢300至500年左右。东源湖沉积物中环境参数发生变化的时间正好在Cariaco盆地沉积物反射率和石笋氧同位素发生变化的最低点,恢复的时间则在Cariaco盆地沉积物反射率和石笋氧同位素值恢复到YD发生前的水平,这可能由于区域气候变化达到一定临界值,从而引起当地环境发生突变。此外碳同位素、木质素及其降解参数等都与植被演替和土壤微生物活动息息相关,而这些过程对快速气候变化的响应可能有一定的延迟现象。在本论文中我们分析了东源湖沉积物岩芯末次冰消期及早全新世期间硫元素的地球化学特征。结果发现东源湖沉积物在10.5 ka时硫含量异常高(4.8%)并伴随有硫铁矿形成,这在淡水湖泊中非常少见。东源湖沉积物中硫同位素变化范围为+9.5‰到+17.1‰,在10.5 ka和9.4 ka有两次显著的正偏事件。我们讨论了引起硫同位素变化的来源及其相关过程包括硫酸盐还原作用、火山释放、流域内矿物化学风化以及海岩输入的影响。碳-铁-硫化学计量关系表明硫酸盐还原作用发生在沉积物中,但该湖泊为封闭系统,不会影响同位素的变化。此外,火山释放、流域内矿物化学风化都不能解释东源湖沉积物硫同位素的变化。只有海洋源硫酸盐的输入是最为合理的解释。东源湖两次硫同位素正偏事件与台湾冲积阶地股山体滑坡记录最大的山体滑坡事件发生时间十分吻合,结合东源湖沉积记录在10.5 ka和9.4 ka有大量的有机质及木屑等植物残体的存在,以及较高的沉积速率,表明在10.5ka和9.4ka很有可能有频繁的高强度的台风侵袭台湾,引起山体滑坡,而强台风也携带大量的海洋源硫酸盐(同位素值为+20.3‰)到陆地上,因此导致沉积物中硫同位素正偏。
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