近500年来黄土高原西部降水变化的高分辨率石笋记录及其与历史文献记载的对比研究

摘要

重建高分辨率的历史时期气候序列是全球变化研究领域的热点，对短时间尺度气候变化形成原因及其影响进行探讨更成为地球科学研究中最为活跃的领域。洞穴化学沉积物的沉积特征及其所蕴含丰富的同位素、微量元素组成和年龄信息，是陆地环境中极为重要的古气候信息库，由于对气候变化的高度敏感性和适于精确定年等优势，洞穴石笋现已成为研究古气候记录与古生态环境变化极佳的环境信息载体，目前被广泛应用于季风气候的研究并取得了重要成果。万象洞位于青藏高原东缘与黄土高原西南的过渡带，靠近现代夏季风降水区的边缘，是典型季风系统交互作用的边缘地带，对亚洲季风系统的进退消长十分敏感，是研究石笋沉积记录与季风变化关系和古气候重建的理想区域；万象洞所在地——武都地区古代文明源远流长，各种史书典籍丰富，便于收集整理各类历史文献资料。 本文基于万象洞石笋WX42-B高精度230Th测年结果和石笋方解石δ18O测试数据，定量重建了武都地区过去500多年来高分辨率的季风降水变化历史，同时在评价史料可靠性的基础上，建立了研究区内近500多年的旱涝变化序列，在两条序列相互校验和综合分析的基础上，获得如下认识： 1.万象洞现代洞穴碳酸盐—水同位素体系研究表明，洞穴滴水主要来自于当地的大气降水，滴水的氧同位素组成特征反映了当地大气降水的同位素组成变化，且洞内次生碳酸盐沉积时与滴水达到了同位素平衡；根据Hendy检验，万象洞石笋氧同位素过去沉积记录也表明石笋在沉积过程中并没有明显的动力分馏效应。现代沉积过程分析和过去平衡检验结果，可知万象洞石笋氧同位素是在平衡分馏条件下沉积的，可以反映过去气候环境信息，指示了当时降水的同位素组成和洞穴温度的变化，适于古气候重建。 2.通过与武都地区现代器测数据、亚洲季风指数的对比分析以及季节洞穴滴水氧同位素的研究表明，在短时间尺度上本研究区内季风强弱带来的降水量多寡是影响洞穴石笋δ18O值的最主要因素，万象洞石笋δ18O灵敏地记录了亚洲季风强弱变化以及季风带来的降水量信息，这与亚洲季风区其它地区石笋δ18O受雨量效应影响的研究结果一致。 3.在评价史料可靠性的基础上，利用旱涝史料和现代器测气象数据建立了青藏高原东部较高海拔地区近500多年的旱涝指数变化序列，该序列与我国东部和全国旱涝灾害等级(或干湿指数)相似度很高，显示出最近500多年内存在一系列的10～100a等短时间尺度的降水波动，而且这些事件在发生和持续的时间上具有很好的一致性，表明靠近夏季风降水区边缘的武都地区旱涝指数序列同样能够代表我国季风区的旱涝变化。 4.利用万象洞石笋WX42-B顶部的氧同位素记录重建的武都地区近100多年来的亚洲季风降水序列显示，近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期、季风降水减弱期和季风降水再次增强期三个气候段，这三个季风变化阶段与通过历史文献记载建立的旱涝指数变化相似。同时，利用230Th方法得到的测年结果与历史文献记载的饥荒事件的时间在定年误差范围内一致，表明通过石笋δ18O值恢复历史时期气候变化具有可靠性和准确性，利用高分辨率的石笋氧同位素来延长器测资料并重建本研究区季风降水是可行的。 5.利用石笋δ18O重建了近500多年来亚洲季风降水演化历史，在1470～1875AD小冰期气候阶段内，亚洲季风降水在经历高频波动后稳定在季风降水相对较强的水平上，1875AD进入当代暖期后，季风降水开始增强，而且降水的变化幅度明显增大。近500多年亚洲季风降水与旱涝指数变化相似，重建降水量指示的季风降水加强/减弱与旱涝指数指示的洪涝/干旱相位比较一致，近500多年来季风降水演化历史的三个阶段与旱涝指数序列具有同步性，季风降水减弱造成的饥荒对人类文明产生了不容忽视的影响。对亚洲季风降水的变化机制初步分析表明，短时间尺度上亚洲季风降水变化与太阳活动有关，并且与高纬度地区温度变化遥相关，功率谱分析显示，亚洲季风降水变化周期与太阳活动周期相近。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节石笋氧同位素记录研究进展

1.轨道与千年时间尺度石笋氧同位素研究进展

2.近千年来石笋氧同位素研究进展

第二节近500年中国降水变化与历史文献记载研究

1.近500年中国降水变化研究进展

2.历史文献资料研究进展

第三节选题依据及研究意义

第二章研究区概况及石笋沉积特征

第一节陇南地区自然地理和地质概况

1.地质与地貌

2.气候与水文

3.土壤与植被

第二节万象洞洞穴概况及石笋样品沉积特征

1.洞穴概况

2.石笋样品及其沉积特征

第三章石笋WX42-B年代模型与同位素测试分析

第一节石笋测年原理和年代模型的建立

1.测年原理和测年样品的采集

2.石笋年代模型的建立

第二节石笋稳定同位素样品处理与分析

1.石笋稳定同位素分析样品的采集(预处理)

2.磷酸法制备CO2试验过程(前处理)

3.稳定同位素的分析测试与表示方法

第三节石笋氧同位素平衡沉积检验

1.现代洞穴碳酸盐—水同位素体系研究

2.化石石笋Hendy准则检验

第四章武都地区旱涝指数的建立

第一节利用历史资料旱涝变化的研究

1.中国历史气候记录概况

2.我国旱涝史料的整理和定量化工作

3.西北地区史料记载的旱涝灾害的基本特征

第二节研究区建立旱涝指数的方法和步骤

1.史料收集范围

2.资料来源及简介

3.旱涝指数的确立

第三节近500年来武都地区旱涝指数序列及其与其它地区旱涝指数对比

第五章近500年石笋氧同位素降水记录重建

第一节石笋氧同位素重建古气候的理论基础

1.洞穴石笋沉积形成过程

2.洞穴石笋氧同位素地球化学理论

第二节研究区石笋氧同位素气候指代意义

1.近50多年来石笋氧同位素记录与器测数据的关系

2.近50多年来石笋氧同位素记录与季风指数的对比

3.万象洞石笋氧同位素的气候指代意义

第三节近百年来石笋WX42-B记录的季风降水变化及其对比

1.1875～2003AD期间石笋WX42-B记录的季风降水变化趋势

2.近100多年石笋WX42-B与同时期亚洲石笋记录的对比

3.1875～2003AD期间WX42-B记录的季风降水变化与历史文献记载的关系

4.小结

第四节近500年石笋记录的亚洲季风降水变化及与旱涝指数的对比

1.近500年亚洲季风降水历史的重建

2.近500年来亚洲季风降水与旱涝指数的对比

3.历史时期季风降水变化对人类文明的影响

第五节亚洲季风降水变化原因的初步分析

1.近百年来季风降水变化与太平洋海气系统的联系

2.近500年来季风降水记录与太阳活动的关系

3.季风降水周期性特征

第六章结论与展望

第一节主要结论

第二节问题与展望

参考文献

在学期间发表论文：

附录

致谢

附录：近500年陇南地区旱涝等级表