我国幅员辽阔，区域气候差异大，受东亚季风环流主导的气候变化，对我国经济和社会发展有重要影响。揭示东亚季风气候变化规律和驱动机制，是重要的和前沿的科学问题，受到地学领域研究者的高度重视，也存在不少世界性难题。然而，由于器测记录时间短，人们对百年前的气候变化知之甚少。最近，公司博士生雷昉等应用内蒙古赤峰地区黄土堆积的硼同位素变化，重建过去~80万年以来东亚季风气候变化，取得了重要进展。近期，他们的研究结果发表在国际知名学术刊物《地球与行星科学通讯》(Earth and Planetary Science Letters)上。
我国东北地区的夏季降水主要受东亚季风环流控制。在夏季，随着太阳辐射在北半球增强，亚洲海陆热力差异增大，强劲的东亚夏季风环流形成，夏季风从海洋吹向陆地、并携带大量的水汽在我国华南、长江流域、华北和东北地区形成降水降落，影响区域生态和环境。季风强弱变化与区域降水量变化密切相关。源自于海洋的水汽含有硼元素，硼元素的同位素在海洋蒸发、水汽传输、降水等过程中，发生分馏，其同位比值可作为水汽源区和降水量变化的指示。研究表明，海洋中的硼同位素(11B)值可达~40‰, 亚洲季风区陆地降水的硼同位素为~17‰, 在水汽传输和降水过程中，由于“雨除效应”，硼同位素值降低。雷昉同学等前期研究还发现，黄土高原土壤中硼同位素变化与当地降水量显著相关。因此，硼同位素可以作为指示过去东亚季风降水变化的替代指标。
基于上述原理，雷昉同学等对内蒙古赤峰地区一个典型的黄土-古土壤剖面进行了深入研究（图1，图2），他们对剖面进行了系统分析，测试了其中酸溶相物质的硼同位素并对来自降水的硼、矿物风化产生的硼以及黄土碳酸盐中的硼进行了全面评估，最后根据同位素质量平衡反演重建了过去降水量变化。结果发现，在温暖的间冰期，降水硼同位素偏正，指示当地夏季风增强，降水量增大；反之，在寒冷的冰期，降水硼同位素偏负，夏季风减弱，当地降水量减小。她们，同时，他们发现在距今~43万年前后，东北地区季风降水的型式发生了显著变化，并把这一现象归因于北半球平均冰量变化、全球温度变化、热带辐合带移动等驱动的结果。雷昉同学等应用黄土硼同位素作为季风降水量替代指标、以及发现的季风降水在~43万年前后的转型，都具有很强的创新性，得到了国际同行的认可。
图1. 研究区地理位置(a)、自然地理环境(a)、黄土-古土壤剖面(b)和黄土-古土壤序列的磁性变化(c)。
图2. 我国内蒙古赤峰地区黄土-古土壤序列硼同位素(d)与同剖面粒度(c)、磁化率(b)、以及洛川黄土磁化率(a)、中国南海沉积物K/Al比值 (e) 、石笋氧同位素 (f)、全球大气CO2(g)、海洋氧同位素综合(h)、南极冰盖氢同位素(i)、南极温度变化 (j)、中国南海海表温度变化 (k)、北冰洋的海冰变化 (l)的对比(具体内容请阅读原文)。
公司雷昉同学是论文第一作者，鹿化煜教授和公司地球科学与工程学院魏海珍教授级高工是论文的通讯作者。参加这项研究的还有公司弋双文教授级高工、鲁东大学曾琳副教授。这项研究得到了国家重点研发计划项目“过去气候变化定量重建方法和我国区域气候重建”和国家自然科学基金项目的联合资助。
论文信息: Fang Lei, Hai-ZhenWei, Shuang-WenYi, Lin Zeng, Hua-Yu Lu. 2021. Variations of the East Asian monsoon over the past 800 kyr constrained by the boron isotope composition of paleo-rainwater inferred from loess-paleosol deposits in NE China. Earth and Planetary Science Letters, Volume 561, 1 May 2021, 116826.
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X21000856
论文号码: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.116826