研究冰消期季風(fēng)和溫度的演化過程對理解全球變暖背景下冰川融化對東亞季風(fēng)和溫度的影響有重要啟示意義。目前，關(guān)于倒二冰消期（大約136-129ka BP）東亞季風(fēng)演化的古氣候記錄已經(jīng)非常豐富（例如黃土磁化率、石筍氧同位素記錄等）。然而，由于溫度指標(biāo)相對匱乏，并且已有古溫度記錄之間存在一定程度的不一致性，因此關(guān)于倒二冰消期東亞季風(fēng)和溫度之間的相位關(guān)系仍不清晰。

石筍是洞穴內(nèi)沉積的次生碳酸鹽，鈾系不平衡定年為其提供了高精度的絕對年代控制，使之成為古氣候研究的一種重要材料。團(tuán)簇同位素（Clumped Isotopes）是指含有兩種或兩種以上稀有同位素（重同位素）的同位素體。碳酸鹽團(tuán)簇同位素用Δ47表示，用以定量描述碳酸鹽中分子量為47的同位素體（¹³C¹⁸O¹⁶O）的豐度偏離隨機(jī)分布的程度。在同位素平衡分餾條件下，碳酸鹽晶格中¹³C-¹⁸O鍵的豐度僅與溫度有關(guān)，與其沉積的水體同位素組成無關(guān)，較高的Δ₄₇值指示較低的沉積溫度。因此，石筍Δ₄₇是一種非常有前景的古溫度指標(biāo)。

中科院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室段武輝副研究員、王旭研究員與譚明研究員等對河北興隆洞的石筍（XL-4）進(jìn)行了Δ₄₇測試分析（前期重建工作見《石筍記錄的華北倒二冰消期的時間和結(jié)構(gòu)特征》）。為了選取合適的Δ₄₇-溫度轉(zhuǎn)換方程，他們測試了興隆洞現(xiàn)代沉積方解石樣品的Δ₄₇，然后對比了由不同轉(zhuǎn)換方程計算的Δ₄₇-溫度和實(shí)測洞穴溫度之間的差異，發(fā)現(xiàn)利用薄膜脫氣沉積模式（考慮了動力分餾）計算的Δ₄₇-溫度與實(shí)測洞穴溫度最為接近（差異小于0.5 ）。因此，在假設(shè)動力分餾程度不隨時間變化的前期下，他們利用薄膜脫氣沉積模式的Δ₄₇-溫度轉(zhuǎn)換方程對倒二冰消期石筍（XL-4）Δ₄₇值進(jìn)行了古溫度計算，重建了倒二冰消期興隆洞洞穴溫度變化。洞穴現(xiàn)代觀測表明（觀測時段：2013年12月至2019年11月）：興隆洞洞穴溫度變幅非常小，均值為12.4 0.4 ，比洞外年均氣溫高約3.6 。因此，他們將由興隆洞石筍（XL-4）Δ₄₇計算的洞穴溫度減去3.6 重建了當(dāng)?shù)氐苟诮^對年均溫度變化。

圖1 興隆洞石筍重建的倒二冰消期溫度和季風(fēng)的演化過程。 (a)石筍Δ₄₇重建的年均大氣溫度，紅線為局部加權(quán)回歸平滑曲線（窗口為600年），虛線為當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代年均溫；(b)石筍方解石δ¹⁸O_c；(c)由δ¹⁸O_c和Δ47-溫度計算的洞穴滴水δ¹⁸O_d

結(jié)果如圖1顯示：末次間冰期興隆洞地區(qū)最高年均氣溫比現(xiàn)在高1.8 1.5 （與全球古溫度重建的平均結(jié)果一致），倒二冰期最低年均氣溫比現(xiàn)在低6.8 1.3 。在石筍（XL-4）剛開始生長的2100年（133.4-131.3ka BP）, 石筍δ¹⁸O揭示的東亞季風(fēng)呈減弱趨勢，而同時期年均氣溫卻呈升高趨勢，二者反相變化。相反地，自131.3ka BP至末次間冰期初期，東亞季風(fēng)與溫度卻呈同步變化。例如在Heinrich Stadial （冰階）11最冷時段，東亞季風(fēng)顯著減弱，氣溫也顯著降低。此外，在129.3 ka BP時，東亞季風(fēng)快速增強(qiáng)，氣溫也迅速回升，兩者同步進(jìn)入間冰期狀態(tài)（末次間冰期）（圖2）。

圖2 興隆洞石筍記錄與全球古氣候記錄對比。(a)北緯65 夏季太陽輻射；(b)南極冰芯記錄的大氣溫度；(c)南極冰芯記錄的大氣CO₂濃度；(d)南大洋海表溫度記錄；(e)興隆洞石筍Δ47重建的年均大氣溫度（本研究）；(f)興隆洞石筍方解石δ¹⁸O_c；(g) 由興隆洞石筍δ¹⁸O_c和Δ₄₇-溫度計算的洞穴滴水δ¹⁸O_d；(h)三寶洞石筍δ¹⁸O；(i)將軍洞石筍δ¹⁸O；(j)將軍洞石筍TEX₈₆-溫度；(k)北大西洋海水^εNd；(l)北大西洋夏季海表溫度；(m)北大西洋冰筏記錄。虛線表示弱季風(fēng)時段，黃色柱表示倒二冰消期內(nèi)的冷事件和對應(yīng)的季風(fēng)最弱期，藍(lán)色柱表示冰期/間冰期快速轉(zhuǎn)換

倒二盛冰期時歐亞大陸存在巨大的冰蓋，冰蓋在冰消期時發(fā)生消融，大量淡水注入北大西洋，引起溫鹽環(huán)流減弱，使北半球高緯溫度降低。當(dāng)溫度降低到一定閾值，其不僅可以通過海氣相互作用使東亞季風(fēng)減弱，同時也會使東亞大陸變冷（圖2）。由此推測東亞季風(fēng)與大氣溫度之間的相位關(guān)系受北大西洋冷事件強(qiáng)度的調(diào)制。該研究為全球變暖背景下東亞季風(fēng)和大氣溫度的變化提供了地質(zhì)依據(jù)，未來全球變暖如果引發(fā)冰蓋消融或許將使東亞季風(fēng)減弱、東亞大陸變冷。

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters（段武輝*，王旭*，譚明，崔琳琳，王學(xué)鋒，肖正逸. Variable Phase Relationship Between Monsoon and Temperature in East Asia During Termination II Revealed by Oxygen and Clumped Isotopes of a Northern Chinese Stalagmite [J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49, e2022GL098296. DOI: 10.1029/2022GL098296）

美編：陳菲菲

校對：萬鵬