来自突尼斯中部的Mine洞穴的连续洞穴沉积物记录揭示了过去27000年的气候事件

《Quaternary Science Reviews》:Continuous speleothem record from central Tunisia (the Mine cave) reveals climatic events for the last 27 ka

【字体: 时间:2026年04月27日 来源:Quaternary Science Reviews 3.3

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  本研究利用突尼斯 Mine 洞穴新获取的石笋 Min-stm2,通过铀-钍测年与稳定同位素分析,重建了末次冰期至全新世的地中海气候序列。结果显示气候事件如末次冰期-全新世过渡期(12.8ka BP)的快速降温、7ka BP 后的湿润化趋势,以及与北大西洋振荡(NAO)和非洲-亚洲季风系统的关联性。该研究填补了北非地区石笋气候记录的空白,为地中海气候模式提供了高分辨率数据支撑。

  
萨哈尔·本·哈米达(Sahar Ben Hamida)|切迪亚·扎拉·本·莫斯巴赫(Chedia Zaara Ben Mosbah)|瓦利德·乌斯拉蒂(Walid Oueslati)|多米尼克·布拉马尔(Dominique Blamart)|海成(Hai Cheng)|R·劳伦斯·爱德华兹(R. Lawrence Edwards)|马蒂厄·福尼埃(Matthieu Fournier)|多米尼克·詹蒂(Dominique Genty)
突尼斯埃尔马纳尔大学(El Manar University)理学院矿产资源与环境实验室(Laboratory of Mineral Resources and Environment, LRME)

引言

西地中海盆地被认为是受气候变化影响最严重的地区之一(MedECC等人,2020年;IPCC,2022年)。该地区的温度已经比工业化前(1861-1890年)高出1.5°C,而同期全球平均温度上升了1.1°C。自1950年以来,年降水量减少了20%,尤其是在地中海南部和东部。
如今,西地中海的气候在冬季受到北大西洋涛动(NAO)的强烈影响(Hurrell,1995年;Trigo等人,2004年),而在夏季,由于哈德莱环流(Hadley cell circulation)向北移动,形成了该地区的典型干旱季节。另一方面,由于热带辐合带(ITCZ)的迁移,亚热带地区通过季风对地中海气候也产生了重要影响(Collins等人,2017年;Lionello等人,2012年;Lionello等人,2006年;Toucanne等人,2015年)。
突尼斯位于温带和热带地区之间,因此对气候变化极为敏感。它将地中海分为西部和东部两个流域,形成了受多种因素影响的复杂气候。了解从末次冰盛期(Last Glacial Maximum,LGM)至今自然机制对地中海气候的影响,对于改进未来气候预测至关重要。
来自海洋岩芯(Collins等人,2017年;Essallami等人,2007年;Kallel等人,1997年,2004年;Magny等人,2013a年;Rouis-Zargouni等人,2010年)、湖泊水位(Magny等人,2011年;Tinner等人,2009年;Vegas等人,2010年)以及洞穴沉积物(Ait Brahim等人,2017年,2018年,2019年,2023年;Bernal-Wormull等人,2023年;Couchoud等人,2009年;Genty等人,2005年,2006年,2014年;Hoffmann等人,2016年;Moreno等人,2010年;Ruan等人,2016年;Sha等人,2019年)的古气候研究表明,自末次冰盛期以来,地中海的气候和植被一直受到大西洋、亚热带地区以及地中海内部动态相互作用的影响。
在过去的3万年中,西地中海的海洋同位素阶段2(MIS 2;约29-11.7万年前)以干燥和寒冷的条件为特征,半沙漠植被占主导地位(Fletcher和Sánchez Go?i,2008年;Penaud等人,2010年;Stambouli-Essassi等人,2007年)。末次冰盛期(LGM,约29-18万年前)对应了一次重大的全球气候变化,全球冰盖体积达到最大,海平面降至最低。地中海在LGM时期的温度比现在低约6至7°C(Beghin等人,2016年;Essallami等人,2007年)。
来自阿尔博兰海(Combourieu Nebout等人,2002年;Fletcher和Sánchez Go?i,2008年)、亚得里亚海(Combourieu-Nebout等人,1998年;Giunta等人,2003年)和塔尔赫尼安海(Kallel等人,1997b)的花粉、浮游有孔虫、甲藻囊和烯酮数据表明,海因里希事件H1(约17.5-16万年前;相当于最古老干旱期(Oldest Dryas)期间,地中海的气候干燥且寒冷。这一时期西地中海的降温幅度比东地中海更剧烈(Desprat等人,2013年;Essallami等人,2007年;Fletcher和Sánchez Go?i,2008年;Jedoui等人,2001年;Magny等人,2013b;Rouis-Zargouni等人,2010年)。此外,从西西里-突尼斯海峡采集的海洋岩芯中的花粉记录显示,在GI-1时期(14.6万至13.1万年前),特别是突尼斯中南部地区的植被以半沙漠植物为主,表明在末次冰消期的一部分时间里气候非常干燥(Desprat等人,2013年)。这项后续研究指出,在YD(Younger Dryas)-全新世过渡期间,尽管温度有所上升,但由于缺乏水分,树木和灌木的扩张受到显著限制,直到大约10.1万年前才有所改善。10.1万至6.6万年前植被覆盖的变化表明,地中海中南部的气候较为湿润,这与Sapropel 1时期有关,而在全新世中期至晚期则变得更加干燥(Desprat等人,2013年)。
欧洲的石笋记录显示,在末次冰消期期间存在明显的气候对比。在西班牙的梅拉维尔洞穴(Meravelle Cave,40°56′N),18.13万至16.17万年前经历了湿润阶段,对应于最古老干旱期(Oldest Dryas,OD)(Pérez-Mejiás等人,2021年)。更北边的肖韦洞穴(Chauvet,44°23′N)和维拉尔斯洞穴(Villars,45°26′N)的洞穴沉积物在16万年前后才开始生长,标志着在寒冷干燥的LGM条件后的气候改善(Genty等人,2006年;Rozanski等人,1993年)。这一16万年的分界线也出现在高分辨率的西班牙记录中,对应于OD/GS 2-1a第二阶段气候改善的开始(Bernal-Wormull等人,2021年;Pérez-Mejiás等人,2021年)。
更南边的米内洞穴(Mine Cave,35°56′N,突尼斯)的连续记录不仅涵盖了冰消期和OD时期,还包括LGM时期,表明当时的条件足够湿润,足以维持滴水渗透和洞穴沉积物的生长(Genty等人,2006年)。这些发现凸显了BA(Boreal Age)期间的南北梯度:格陵兰岛降温而地中海升温。相比之下,位于大西洋附近的奥斯托洛洞穴(Ostolo Cave,西班牙西北部)的记录与NGRIP记录高度同步,在整个BA期间显示出稳定的同位素信号(Bernal-Wormull等人,2023年)。最后,在许多记录中,YD时期的过渡非常突然。在米内洞穴和维拉尔斯洞穴的石笋中,降温可能发生在12.7万至12.9万年前(Genty等人,2006年)。其他西班牙洞穴也观察到了类似的快速过渡:埃尔平达尔洞穴(El Pindal,Moreno等人,2010年)、拉加玛洞穴(La Garma,Baldini等人,2019年)、奥斯托洛洞穴(Bernal-Wormull等人,2021年;Moreno等人,2014年)以及霍洛赫洞穴(H?lloch Cave,阿尔卑斯山),其记录与格陵兰岛的记录非常相似(Li等人,2020年)。然而,在受大西洋环流影响较小的地区,这种过渡的突然性仍不确定。
YD时期之后,地中海的全新世气候趋势存在争议。一些记录表明西西里和北突尼斯等地区的气候较为湿润,而其他记录则显示全新世早期较为干燥,尤其是在法国西南部和西西里,大约从7千年前开始转为更湿润的条件(Desprat等人,2013年;Magny等人,2011年;Peyron等人,2012年;Sadori和Narcisi,2001年)。在西班牙,洞穴沉积物显示全新世早期的夏季干燥,冬季有降雨,7千年前至5千年前降雨量逐渐偏向夏季。总体而言,西地中海的全新世气候演变可以分为三个阶段:最初湿润的时期(直到7.0千年前),7.0千年前至5.5千年前的过渡期,以及从5.5千年前至今的逐渐干燥化(Finné等人,2011年;Jalut等人,2009年;Pérez-Obiol等人,2011年)。
在欧洲,利用洞穴沉积物进行古气候重建的方法已经相当成熟,但在北非仍然较为罕见(Ait Brahim等人,2017年,2023年;Ruan等人,2016年;Sha等人,2019年;Wassenburg等人,2013年)。一项关于米内洞穴(Min-stm1)石笋的开创性研究表明,该石笋在22.4万至5.6万年前持续生长,记录了BA期间的逐渐升温,YD开始时(约12.8万年前)的突然降温,以及随后直到9.8万年的气候改善(Genty等人,2006年)。然而,这一早期记录的平滑同位素趋势需要更高分辨率的数据来验证。
在本文中,我们提供了来自同一洞穴(Min-stm2)的新记录,通过28U-Th年龄测定,并进行了高分辨率的稳定同位素分析。该记录提供了关于LGM、末次冰消期和全新世期间气候事件的更详细描述。结果与Min-stm1以及西地中海地区的陆地和海洋档案进行了比较。最后,我们讨论了太阳辐射、冰盖强迫以及低至中纬度大气环流的作用,包括可能与非洲和亚洲季风动态的潜在联系。

研究地点和样本描述

米内洞穴位于突尼斯北部(35°56′49.2″N;9°34′48″E),距离乌斯拉蒂亚(Oueslatia)以北11公里,距离突尼斯以南110公里(图1a,b,c)。该洞穴于1901年在采矿作业(锌矿)过程中被发现。其入口位于海拔930米处,位于海拔1340米的杰贝尔塞尔杰(Jebel Serdj)的东侧。
对该地区的构造研究表明,洞穴的形成

U-Th分析和年代测定

从米内洞穴的石笋Min-stm2中钻取了28个粉末样本(图1e),并使用多收集器电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS,Thermo-Scientific NEPTUNE)进行了年代测定(表1)。分离铀和钍的程序参考了Lawrence Edwards等人(1987年)和Cheng等人(2013年)的研究。年代测定工作在中国西安交通大学进行(海成教授及其团队)。相对较高的铀浓度结合较高的230Th/232Th比值表明

年代学和生长速率结果

沿生长轴的28个U/Th年龄数据显示,这根石笋大约在12万年前开始生长,在2017年采集时仍然活跃。铀(238U)浓度范围为17.6至180 ng/g,平均值为98.1 ng/g(表1)。最高的232Th浓度出现在石笋的底部和顶部。230Th/232Th比值范围为5至6065(表1)。这一比值在底部较低

Min-stm2 δ13C

洞穴沉积物的δ13C值受多个参数影响:(1)土壤CO2的δ13C值,受大气CO2、植物呼吸作用和有机物质降解以及洞穴上方植被类型的影响;(2)渗滤过程中溶解的基岩碳酸盐(CaCO3)的δ13C值;(3)动力学分馏作用。
多位学者将洞穴沉积物的δ13C信号解释为植被类型变化的结果(C4/C3植物比例)(Denniston等人,2000年;Dorale等人,1992年)

结论

通过对来自突尼斯北部米内洞穴的Min-stm2石笋进行详细的同位素分析,我们获得了覆盖末次冰盛期(LGM)、冰消期和全新世的罕见大陆古气候记录。
碳和氧同位素信号结合精确的U-Th年代测定,使我们能够识别以下气候事件:
  • -
    在27549 ± 88年前观察到的生长速率的重大变化,表明发生了重要的水文变化
  • 作者贡献

    萨哈尔·本·哈米达(Sahar Ben Hamida):采样、地球化学分析、数据解释和撰写(第一作者);切迪亚·扎拉·本·莫斯巴赫(Chedia Zaara Ben Mosbah):采样、地球化学分析、数据解释和撰写;瓦利德·乌斯拉蒂(Walid Oueslati):突尼斯协调和管理、数据解释和审阅;多米尼克·布拉马尔(Dominique Blamart):稳定同位素测量和协调、数据解释和撰写;海成(Hai Cheng)和R·劳伦斯·爱德华兹(R. Lawrence Edwards):MC-ICPMS铀系列年代测定;马蒂厄·福尼埃(Matthieu Fournier):数据解释、图表制作和审阅;新(New)

    利益冲突声明

    作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

    致谢

    本项工作得到了PHC-Utique计划(CMCU项目,代码:18/G1004)和INSU/CNRS的PALEOMEX计划的资助。我们感谢比泽尔特洞穴学协会(ASB)在米内洞穴采样方面的帮助。我们也感谢ARTEMIS(CNRS,吉夫-苏尔-伊维特,Gif-sur-Yvette)提供的14C分析支持。所有稳定同位素测量都在PANOPLY材料上进行。UPS和CEA提供了技术支持。
    最后,我们将这篇文章献给已故的切迪亚·扎拉·本·莫斯巴赫(Chedia Zaara Ben Mosbah)女士。
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