朱宗敏副教授团队在石笋磁学与古水文变化研究领域取得新进展
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2017年1月17日美国国家科学院学报Proceedings of the National Academy of Sciences, USA (PNAS)刊登了我校地球科学学院地理系、生物地质与环境地质国家重点实验室朱宗敏副教授为第一作者和通讯作者的论文——全新世以来中国中部与ENSO活动相关的周期性暴雨事件的石笋磁学记录(Holocene ENSO-related cyclic storms recorded by magnetic minerals in speleothems of central China)。这是以我校为第一单位发表的第一篇PNAS论文。

该成果基于对湖北省长阳县境内和尚洞石笋的环境磁学研究,发现该石笋中来自于洞顶土壤的软磁组分通量(IRMsoft_flux)能够反映降雨量变化,以此重建的长江中游地区过去9000年以来降雨量曲线与湖北神农架大九湖泥炭中藿烷通量所指示的泥炭地水位变化曲线(图1c)十分吻合,揭示出该区全新世以来的古水文表现出千年尺度的三段式变化:6.7-3.4kaBP是相对比较干的时期,而在这之前和之后都表现出相对潮湿的气候(图1c),并与千年尺度的ENSO活动强度相关。更为重要的是,这一参数还表现出许多更短时间尺度的变化,而且其峰值与已知的该区古洪水事件(图1a中的数字)在时间上基本吻合,证实该参数响应了短时间尺度的区域强降雨(暴雨)事件。这些强降雨事件呈现显著的500年周期变化(置信度大于99%),并与ENSO变化和太阳活动周期存在显著相关性,表现为暴雨事件主要发生在强ENSO活动(图1 d,e)和弱太阳活动时期。本成果是依据石笋记录,第一次报道了暴雨事件及其驱动机制。石笋虽然是当前全球变化研究的最重要载体之一,但因磁学信号很弱,很难开展研究。本团队成员是国际上最早开展石笋磁学与全球变化研究的集体。

此前,地理系的这个研究团队分别从地球生物学与地球化学角度以第一单位已经在Nature Geoscience (Liu et al., 2013)、Geology(Xie et al., 2013)、Earth and Planetary Science Letters(Hu et al., 2008)和Geochimica et Cosmochimica Acta(Huang et al., 2013, 2015)上发表了本地区的古水文研究成果,而本研究则是从地球物理学这一新视角取得的创新成果。这些成果集中反映了我校地理系具有多样化的研究手段,也显示了团队成员在长江中游古水文研究方面的突出地位。地理系聚焦在长江中游,依托清江和尚洞洞穴系统和神农架大九湖泥炭地,进行了长达十余年的长期野外监测,已经成为我校重要的科学研究和人才培养的野外基地。这一成果的发表反映了我校地理学研究又迈上了一个新台阶。

图1 中国中部的水文条件与ENSO强度。

a. 和尚洞石笋的IRMsoft-flux 参数,峰值代表强降雨事件,峰值上的数字1-10代表研究区报道的洪水事件,峰值顶部的红色横线代表石笋U-Th定年误差(Hu et al., 2008)。b. 同一根石笋的土壤酸溶有机质的碳同位素 (δ13CASOM),负偏的数值处于相对干的气候时期(Li et al., 2014)。c. 神农架大九湖反映干湿变化的细菌藿类堆积通量,高值对应干的时期(Xie et al., 2013)。d. 依据观察数据模拟出来的ENSO记录(Liu et al., 2014)。 e. 根据石笋和海洋有孔虫δ18O(Chen et al., 2016; Koutavas et al., 2012)观察到的西太暖池区和赤道太平洋东部的ENSO记录。 灰色竖条框代表石笋的IRMsoft-flux 参数和ENSO的峰值区。黄色区域代表研究区相对比较干的时期(6.7-3.4 ka)和赤道太平洋地区ENSO活动较弱的时期。

论文信息:

Zhu Z. *, Feinberg J. M., Xie S., Bourne M., Huang J., Hu C., Cheng H., Holocene ENSO-related cyclic storms recorded by magnetic minerals in speleothems of central China, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 2017, 114(5) 852-857, doi/10.1073/pnas.1610930114

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