黄土微钙体氧同位素记录与亚洲夏季风演化

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亚洲季风是全球季风系统中最活跃的子系统,青藏高原和欧亚大陆的加热效应使得亚洲季风可以到达北纬50~60°。亚洲季风这种热带季风与副热带季风耦合的气候系统在驱动机制上比其它热带季风显得更为复杂。同时,亚洲季风区居住的人口高达世界总人口的近三分之二,季风的演化直接影响着当地的农业、经济、文化的发展。因此,了解亚洲季风过去的演化以及对未来的预测不仅是科学家关心的问题,也是人类发展的需求。  前人的研究极大地促进了对亚洲季风演化的理解,然而也存在着一些未解决的争议,例如第四纪以来轨道尺度上亚洲夏季风的主要控制因子,构造尺度上亚洲夏季风演化的长趋势。这些争议主要来自长尺度连续记录的缺乏以及反映季风强度指标的多解性。这些记录采用的代用指标除了受到季风降水的影响外,也会受到温度和冬季风等其它因素的影响,因此建立指示意义明确的代用指标尤为重要。  降水氧同位素被广泛用作水汽示踪的代用指标,在季风区降水从水汽云团中不断被分离的过程中,18O重同位素会优先从水汽中分离,从而导致下游降水氧同位素组成逐渐偏负。当季风降水越强的时候,下游降水氧同位素值越负。有研究认为石笋氧同位素记录更多反映的是低纬热带印度-太平洋地区的水汽过程。黄土高原位于亚洲季风北缘,因此,黄土高原降水氧同位素可能更能代表整个季风区的累积降水。而黄土-古土壤序列中的碳酸盐大多是原生碎屑碳酸盐和次生碳酸盐的混合物。因此,利用黄土碳酸盐建立降水氧同位素的研究也相对较少,缺乏系统的研究。本论文首次利用黄土中的纯次生碳酸盐微钙体建立了黄土高原夏季降水指标,并基于该新指标分别重建了黄土高原过去350kyr(高分辨率)和过去3Ma的夏季降水氧同位素记录,反演了第四纪以来亚洲夏季风在轨道尺度和构造尺度的变化,并探讨了不同尺度夏季风可能的驱动因子。研究取得的主要进展如下:  第一,首次地利用黄土纯次生碳酸盐微钙体建立夏季降水氧同位素代用指标,具有反应亚洲夏季风强度的潜力。研究系统分析了黄土沉积中的不同种类的次生碳酸盐的氧同位素组成,发现微钙体是其中最纯净的碳酸盐,氧同位素值最负,揭示微钙体是最能反映降水氧同位素的载体且受到蒸发作用最小。微钙体碳、氧同位素相关性分析表明微钙体氧同位素为平衡分馏。通过将现代表土微钙体氧同位素与土壤碳酸盐氧同位素理论值对比发现微钙体可能形成于夏季且其氧同位素是夏季降水氧同位素和温度的综合信号。进一步研究发现黄土高原微钙体氧同位素在空间上变化不大,与当地的降雨量和温度无明显相关性,说明微钙体氧同位素不是受控于当地温度或者降雨量,而主要记录了降水氧同位素信号,可能反映了上游大尺度水汽过程,所以微钙体氧同位素是潜在的亚洲夏季风强度新指标。末次间冰期以来的微钙体氧同位素记录与传统指标的相似性进一步验证了微钙体氧同位素作为夏季风强度指标的潜力。  第二,重建了黄土高原过去350kyr以来夏季降水氧同位素记录,为探讨亚洲夏季风轨道尺度动力学机制提供新的可能。西峰剖面和镇原剖面微钙体氧同位素记录表现出较好的一致性。频谱分析表明,微钙体氧同位素记录的夏季风强度与石笋氧同位素记录一样含有显著的岁差周期。微钙体氧同位素记录的岁差周期可能继承了石笋氧同位素记录,主要反映地纬热带印度-太平洋地区的水文过程。微钙体氧同位素与石笋记录最大的差别在于斜率周期,微钙体氧同位素的斜率周期表明斜率对东亚夏季风起着重要的调节作用,认为斜率周期可能来自经向太阳辐射梯度。高斜度导致高低纬之间太阳辐射差异加大,从而使得内陆低压中心与海洋高压中心气压梯度增大,使东亚南风加强。微钙体氧同位素记录在冰期具有明显的岁差峰,说明比黄土磁化率等传统指标敏感,而间冰期变化与冰量、黄土磁化率十分相似,且长尺度记录频谱分析具有显著的~1OOkyr周期,表明除了太阳辐射对夏季风的影响,冰量、二氧化碳浓度等的影响可能也十分重要。  第三,重建了黄土高原过去3Ma以来夏季降水氧同位素记录,为探讨第四纪以来亚洲夏季风构造尺度动力学机制提供新的地质证据。微钙体氧同位素记录的亚洲夏季风显示在过去3Ma夏季风演化呈现显著的冰期-间冰期循环,而且变化幅度随着冰量逐渐增大。然而在长趋势上去表现为逐渐增强,尤其在2.6-1.3Ma,这与过去研究结论相反,过去研究认为第四纪以来全球冰量增加、温度和二氧化碳浓度降低等因素会减弱夏季风强度。微钙体氧同位素记录可以和赤道东西太平洋温度梯度较好地对比起来,因此在构造尺度上低纬沃克环流的演化可能对亚洲夏季风长趋势演化起着重要作用。
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