冰消期的石笋微量元素记录与驱动机制诊断

A high-resolution climatic and environmental time-series is helpful to understand deeply the impact of the external insolation forcing and carbon cycle inside the earth system on the deglaciation. This proposal aims to figure out which of them triggered the starting of the deglaciation, based on a 20-year-resolution trace element record, derived from several stalagmites from Sanbao Cave, China. The trace element record is compared with other proxies, such as the stable oxygen and carbon isotope compositions, initial 234U/238U, 87Sr/86Sr, and growth rate. This comparison, in combination with calcite crystallization studies, trace-element source tracing studies and cave monitoring data, contributes to interpret the intrinsic linkage between the trace element and δ18O records. Also, this comparison helps to know migration behaviors and climatic/environmental significance of the trace element. Explorations of a millennial correlation between the trace element, marine, ice core records can examine the sensitivity of variations of the trace element to global climatic events. A comparison is also made between the trace element record and the northern hemisphere summer insolation, Antarctica temperature and atmospheric carbon dioxide concentration records on orbital timescales. This comparison can examine and evaluate the triggering effect of external insolation forcing and positive feedbacks (carbon dioxide and cross-equatorial moisture associated with Antarctic temperatures) within the earth system on the melting of the global ice sheet.

东亚大陆冰消期气候环境的高分辨率重建有助于深刻认识太阳辐射外部强迫与地球系统内部碳循环对冰消期的驱动作用。本项目以湖北神农架三宝洞跨越最近四个冰消期的数支石笋为研究对象，依靠高精度U/Th年龄框架，采用微量元素气候环境代用指标，重建最近四个冰消期20年分辨率的气候环境演化序列。通过石笋微量元素与石笋氧碳同位素、初始234U/238U、87Sr/86Sr和生长速率等多指标对比，结合石笋结晶相的地球化学特征、现代物源示踪测试结果以及洞穴现代过程监测数据，分析石笋微量元素与氧同位素变化之间的内在联系，研究石笋微量元素的运移机理和指示的气候环境意义。考察石笋微量元素记录在千年尺度与海洋、冰芯记录的对应关系，评估微量元素对全球性事件的响应敏感性。通过石笋微量元素与北半球太阳辐射、南极温度和全球CO2浓度的对比研究，检验和评估地球外部驱动和地球内部正反馈作用对冰消期的触发作用。

东亚冰消期气候环境的高分辨率重建有助于深刻认识太阳辐射外部强迫与地球系统内部冰盖变化与碳循环对东亚季风区冰消期的驱动作用。在同一石笋中获得不同轨道周期信号指标对理解米兰科维奇理论和全球气候变化有重要意义。石笋氧同位素记录具有明显的 2 万年周期，而本项目发现石笋U元素有明显的10万年冰量周期信号。湖北三宝洞石笋初始234U /238U值在序列连续性较好的 640.3～299.6 ka BP时间段有强烈的10万年周期特征。初始234U/238U值的10万年周期与全球冰量、黄土磁化率、黄土平均粒度和大气CO2变化有良好的对应关系。在倒3和倒4两个冰消期同一石笋的微量元素(Sr与Ba)与氧同位素和黄土磁化率指标在千年尺度有较好的对比关系。石笋δ18O记录正偏时期与微量元素浓度(或比值) 减小时期呈一一对应的关系。在轨道尺度上，相对来说，微量元素与黄土磁化率的变化形态更为相似。微量元素和黄土磁化率记录在冰消期略微提前石笋δ18O和太阳辐射的变化。石笋δ18O的显著岁差周期独立于石笋微量元素、高纬冰量和全球温室气体变化，暗示了太阳辐射变化对中低纬水汽环流的直接影响。微量元素和黄土磁化率的提前变化强调了地球内部反馈如CO2的温室效应对冰消期的驱动作用。Heinrich 1 (H1)事件是末次冰期向全新世转变过程中，北高纬冰盖快速崩塌的不稳定事件。东亚石笋δ18O记录在H1事件正偏至冰期的最大值，指示东亚季风整体减弱，然而，在长江中游地区H1事件时降水量的增加。梅雨带与东亚季风的反相位关系是否存在，这有待更多记录的验证与支持。基于长江下游梅雨区南京葫芦洞石笋铀元素的水文变化特征，发现在H1事件时，梅雨整体增多，在H1事件内部结构特征上与石笋δ18O记录显示的两个不同状态的变化类似。南京葫芦洞石笋铀元素记录了梅雨在长江下游地区H1事件期间增强的特征，进一步支持了梅雨与季风强度变化的反相位关系，提供了中国季风区降水空间差异的东部记录。本研究不仅增进了对冰期-间冰期旋回的理解，还对季风降水的空间差异机理和石笋氧同位素的解译有启示意义。