2 ka来苏干湖沉积碳酸盐稳定同位素记录的气候变化

选择位于柴达木盆地北缘的苏干湖作为研究对象. 利用²¹⁰Pb, AMS ¹⁴C以及常规¹⁴C等测年手段, 建立了苏干湖沉积岩芯2 ka以来的时间序列. 对湖泊沉积细颗粒中的碳酸盐进行碳、氧同位素分析. 结合流域地表水δ¹⁸O值的变化以及气温观测资料, 认为碳酸盐δ¹⁸O值指示了流域有效湿度的变化; δ¹³C值的变化与湖泊年内冰封湖面时期的长短有关, 间接指示了区域冬半年气温的变化. 在此基础上, 建立了2 ka来苏干湖地区气候变化序列, 其气候变化过程经历了5个阶段: 0~190 AD, 暖干; 190~580 AD, 冷干; 580~1200 AD(MWP), 暖干; 1200~1880 AD(LIA), 冷湿; 1880~1950 AD期间为冷干气候, 20世纪50年代以来, 气候变暖. 碳同位素反映的2 ka以来冬半年气温的变化与历史文献记录以及其他地质记录有很好的一致性, 表明苏干湖同位素记录的2 ka来气候变化具有普遍意义.     

晚冰期以来青海湖地区气候变迁受西南季风控制的介形类壳体氧同位素证据

晚冰期以来青海湖QH-2000孔沉积物介形类壳体δ¹⁸O记录可以作为季风强度变化的一项很好的指标. 17.5~11 cal.kaBP期间, δ¹⁸O偏正, 平均为2.37‰, 季风带来的降水较少; 11~10 cal. kaBP期间, δ¹⁸O快速由偏正转为偏负, 季风强度快速增强; 10~6.0 cal.kaBP期间, δ¹⁸O整体偏负, 平均为-2.15‰, 季风强度达到了最大; 6.0~2.5 cal.kaBP期间, δ¹⁸O值波动增加, 2.5 cal.kaBP以来, δ¹⁸O波动维持在3.0‰左右, 季风强度减弱. 区域对比研究表明, 青海湖地区晚冰期以来的气候并非受东南季风的影响, 而主要受西南季风的控制.     

近50 a来青藏高原东部高海拔洞穴现代石笋氧同位素组成及其含义

基于²¹⁰Pb和²³⁰Th两种定年方法, 并结合黄龙洞石笋d ¹⁸O测试数据建立了青藏高原东部近半个世纪以来平均分辨率达到年际的亚洲季风变化序列. 通过对黄龙洞石笋氧同位素体系的研究, 表明现代洞穴滴水与洞穴周围大气降水的氧同位素具有一致性, 石笋方解石与洞穴滴水是在同位素平衡分馏状态下沉积的. 与器测数据对比分析发现, 黄龙洞石笋δ¹⁸O的轻重变化主要受西南季风(印度季风)带来的降水量效应所控制, 受温度的影响比较弱. 石笋δ ¹⁸O在短时间尺度上的轻重变化主要反映了季风降水δ ¹⁸O的信息, 指示了西南季风的年际变化. 最近50 a来, 四川黄龙洞石笋的氧同位素组成具有逐渐变重的趋势, 即逐渐变得相对富集¹⁸O, 与亚洲季风区其他石笋δ ¹⁸O具有相同的变化趋势, 而且也与东亚、南亚季风指数所指示的季风减弱趋势相一致, 与全球季风指数密切相关. 这种亚洲季风的减弱趋势主要受太阳辐射变化的影响, 并紧密地匹配于高空平流层的温度变化.     

甘肃西峰黄土-古土壤剖面的碳酸盐与有机碳的碳同位素差值(Δδ13C)的变化及其古环境意义

选取位于黄土高原中部的甘肃西峰剖面作为研究对象, 分析了该剖面末次间冰期以来土壤有机碳和全岩碳酸盐的碳同位素组成变化. 该剖面的土壤有机碳同位素组成(δ¹³C_SOM)变化范围为−23.8‰~−20.2‰, 间冰期偏高, 冰期偏低. 全岩碳酸盐的碳同位素组成(δ¹³C_TC)变化范围为−8.5‰~−3.6‰, 但总体显示出与δ¹³C_SOM值相反的变化趋势, 即δ¹³C_TC值在冰期偏高, 而在间冰期偏低. 土壤无机碳酸盐碳同位素与有机碳同位素的差值(Δδ¹³C)的变化范围为14.1‰~19.4‰, Δδ¹³C值的大小反映了源区原生碳酸盐物质在全岩碳酸盐中所占相对比例的多少. 据此, 计算了西峰剖面源区碳酸盐的贡献: 在黄土沉积阶段, Δδ¹³C值较大, 源区碳酸盐与次生碳酸盐的相对比例最高可达6:4; 而在古土壤(弱古土壤)阶段, Δδ¹³C值较小, 原生碳酸盐物质的相对比例低. 同时, 由于风尘颗粒包含了原生碳酸盐物质, 研究认为黄土沉积中的Δδ¹³C值变化指示了粉尘对黄土高原的贡献程度.     

大气中碳酸盐的碳同位素分析及其来源指示意义

建立了Kiel碳酸盐装置Ⅲ和MAT 252气体质谱仪联机测量大气中微量碳酸盐样品碳同位素组成的测试方法, 并应用这一方法对2002年3~4月在西安采集的正常和沙尘暴大气样品中碳酸盐碳同位素组成进行了测定. 结果表明, 基于我国西北沙漠-黄土-古土壤体系中碳酸盐δ¹³C的演化原理, 对比两种不同天气下碳酸盐的δ¹³C值可以推知其来源和成因特征, 即沙尘暴大气碳酸盐δ¹³C约为-1.4‰~-4.2‰, 主要与粉尘源区风成砂物质有关; 而正常天气下碳酸盐δ¹³C约为-7.5‰~-9.3‰, 主要与局地表土细粒子释放有关. 对3月20日在西安采集的沙尘暴样品与源区沙漠物质以及下风区气溶胶样品的碳酸盐稳定碳同位素的对比分析表明, 大气碳酸盐δ¹³C在长距离输送中变化不明显, 因此它是一个比碳酸盐含量更好的指示来源物质的指标, 可为确定沙尘暴源区提供一个新的示踪工具.     

天气尺度下丽江季风降水中δ18O变化

根据丽江2003年夏季日降水中δ¹⁸O资料, 结合日平均NCEP/NCAR再分析资料, 研究天气尺度下季风降水中δ¹⁸O变化. 研究发现, 丽江夏季日降水中δ¹⁸O变化具有显著的“降水量效应”, 而“温度效应”不存在. 季风活跃期和不活跃期的交替出现可能对天气尺度下δ¹⁸O的变化具有显著的影响, 同时季风降水的再循环过程可能对季风末期降水中δ¹⁸O变化具有显著的影响. 这些影响对季风降水中稳定同位素所特有的“降水量效应”产生严重干扰. 另外, 研究表明丽江夏季天气尺度下δ¹⁸O变化主要受大尺度印度低压系统控制. 研究结果对于季风区稳定同位素“降水量效应”以及本区古气候的研究具有重要意义.     

山西宁武公海湖泊岩芯的环境磁学特征及中世纪暖期湿润气候探讨

对山西宁武公海GH09B1孔2.8m长岩芯进行的磁化率、非磁滞剩磁、等温(饱和)剩磁、J-T 曲线、磁滞回线和XRD 等测试结果表明, GH09B1 孔岩芯磁性矿物以磁铁矿为主, 磁性矿物含量高的岩芯段, 磁性颗粒也较细, 形成于湖盆流域土壤发育较强、降水量较多的时期, 而磁性矿物含量低的时期则相反. 公海湖泊沉积物环境磁学参数变化主要受控于湖盆流域土壤发育程度, 进而指示亚洲夏季风强弱, 尤其是χ与S_-300 参数清晰地记录了近1200 年来宁武公海地区夏季风的变化历史, 发现中世纪暖期(910~1220 AD)显著湿润, 夏季风强盛, 这一结果得到同岩芯孢粉记录的支持. 3~6 年分辨率的环境磁学参数记录还显示, 中世纪暖期内部存在980~1050 AD 的次级干旱阶段. 公海沉积物磁学参数记录的近千年夏季风变化与历史文献记载、万象洞石笋氧同位素和气候模拟结果一致, 共同指示了中世纪暖期季风强盛的湿润气候环境且内部存在百年尺度的气候干湿波动. 环境磁学参数可作为高分辨率湖泊沉积记录的季风气候变化的有效参数.     

130 kaBP左右东亚季风突变过程的洞穴石笋记录

基于湖北神农架地区石笋(SB25)6个²³⁰Th年龄和472个氧同位素分析, 获得了133~127 ka时期十年际分辨率的δ¹⁸O时间序列. 该石笋δ¹⁸O时间序列记录了倒二冰期向末次间冰期转换时东亚夏季风降水强度变化的详细过程. 通过对石笋的精确定年, 确定终止点Ⅱ的年龄为129.5±1.0 ka, 证实了北半球太阳辐射是东亚季风冰期/间冰期转换的主要驱动力. 该石笋δ¹⁸O值在冰期/间冰期旋回中振荡幅度达4‰左右, 这在亚洲季风区洞穴记录中具有普遍性. 分辨率为十年际的δ¹⁸O曲线显示东亚季风在倒二冰期向末次间冰期转换时表现为4个阶梯式阶段, 其中“终止点Ⅱ停滞”后的季风降水突增与全球CH₄浓度突变同步.     

末次冰消期印度尼西亚多岛海热传输通道之演变

通过对印度尼西亚多岛海3支深水活塞岩芯的AMS ¹⁴C年龄、氧同位素、浮游有孔虫组合和沉积速率等的研究, 认为末次冰消期印尼多岛海热传输通道的变化呈现阶段性, 冰消期终止期Ⅰ_A(约12.5 kaBP前后)海平面在短时间内快速上升, 望加锡海峡和龙目海峡突然变宽, 温暖的低盐水迅速涌入爪哇海和东印度洋; 终止期Ⅰ_B((9.5 kaBP前后)海平面再次快速上升, 南海与爪哇海开始联通, 南海陆架区低盐水在季风环流的作用下大量涌入印尼海区.     

季风降水中δ18O与高空风速关系

统计分析了西南季风区IAEA/WMO降水观测站曼谷、孟买、新德里、昆明及拉萨夏季降水中δ¹⁸O资料及各站高空大气风速资料发现, 高空风速与δ¹⁸O之间存在显著的正相关关系. 分析表明, 季风期间季风区上空存在一个季风水汽层, 雨滴在下落过程中通过这一水汽层并与季风水汽发生稳定同位素交换, 是导致高空风速和δ¹⁸O正相关的主要原因. 在西南季风区除温度和降水量外, 高空风速也是影响季风降水中δ¹⁸O变化的一个主要因子.     

食物控制的陆生蜗牛碳同位素组成

陆生蜗牛壳体化石碳酸盐(文石, CaCO₃)稳定碳同位素组成已被用于解释过去古植被C₃/C₄光合作用类型的变化, 但是蜗牛壳体碳同位素组成是否取决于其食物碳同位素组成一直是争议的问题. 对黄土高原等地现生蜗牛软体躯干有机碳和壳体文石无机碳同位素组成测量表明, 壳体文石无机碳同位素δ¹³C_a分布范围为-13.1‰ ~ -4.3‰; 对应的软体躯干有机碳同位素δ¹³Corg分布范围为-26.8‰ ~ -18.0‰, 两者之间存在显著的相关关系(δ¹³C_a = 1.021 δ¹³C_org + 14.38; R = 0.965; N = 31), 壳体文石¹³C相对于躯干平均富集(14.2 ± 0.8)‰. 由于蜗牛软体和食物碳同位素组成一致, 这样结果表明黄土高原陆生蜗牛壳体碳同位素组成可以反映其食物的同位素特征和潜在生态背景. 进而认为: (1)蜗牛碳酸盐壳体中的碳主要来自于蜗牛代谢(呼吸)作用产生的CO₂; (2) 蜗牛休眠、壳体封闭时期壳内CO₂与体液HCO₃^-之间碳同位素处于平衡分馏状态; 蜗牛活动时期CO₂的释放, 壳体文石形成, 碳同位素动力分馏作用发生, 导致壳体文石¹³C富集程度显著高于同位素平衡分馏值.     

中国干旱-半干旱区风尘物质的Sr, Nd同位素地球化学: 对黄土来源和季风演变的指示

不同的岩石和矿物有不同的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd比值, 在大气迁移或沉积过程中这些比值比元素组分更难被改变, 因而Sr和Nd同位素作为物质来源和迁移的示踪剂具有很大的潜能. 在地表过程中, 沉积物Sr同位素比值受母岩特征、粒度变化和化学风化的制约. 一般地, 母岩Sr同位素比值高, 和/或细颗粒组分多, 和/或化学风化作用强, 沉积物Sr同位素比值就高; 反之, 则低. Nd同位素比值不受粒度和化学风化的控制, 而仅与母岩同位素特征相关. 关于黄土高原物质来源, 利用Sr-Nd同位素示踪方法, 不同的学者获得不一致甚至相反的结论. 综合已有的Nd同位素资料, 我们认为塔里木盆地、内蒙古中西部沙漠、青藏高原是黄土高原的主要源区, 而这些源区以及黄土高原又是远东地区风尘的生产地. 黄土高原风尘物质组成均一, 其Sr同位素比值仅受风力分选作用和风化成壤作用的制约. 风力分选作用与东亚冬季风有关, 而风化成壤作用主要与夏季风相关联. 黄土-古土壤序列中Sr同位素的研究表明, 酸溶物⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值是黄土高原化学风化程度的指标, 可指示东亚夏季风的变化; 酸不溶物⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值的变化明显受粒度的制约, 可作为反映东亚冬季风强弱变化的替代指标, 并表明自第四纪以来东亚冬季风逐渐加强, 这与第四纪大冰期以来气候逐渐变冷的观点一致.     

单颗有孔虫化石Sr同位素测定及定年

有孔虫化石Sr同位素在地层年代学和沉积地球化学等方面有着重要的作用. 但取得未受后期作用改变的、满足高精度同位素比值测试所需的有孔虫化石样品量是比较困难的. 结合超低Sr本底流程, 实现了单颗有孔虫化石⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值高精度测定, 对今后的有孔虫Sr同位素研究与应用具有重要意义. 所测试的有孔虫化石取自西太平洋海山富钴结壳碳酸盐基岩, 壳径为250~400 μm, 平均87Sr/86Sr比值为0.709150 ± 0.000013, 测量内部精度为0.0004~0.0008 μg/g, 全流程Sr本底14 pg. 海山富钴结壳碳酸盐基岩中有孔虫化石定年具有重要的意义, 却颇具困难性. 利用获得的有孔虫化石⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值确定富钴结壳碳酸盐基岩中有孔虫化石年龄为(0.91 +0.33/-0.39) Ma.     

全新世季风气候演化与干旱事件的湖北神农架石笋记录

基于湖北神农架山宝洞SB10石笋的14个²³⁰Th年龄和266个氧同位素数据, 建立了11.5~2.1 kaBP时段东亚季风降水序列. 该记录表明: 11.5~9.3 kaBP, 季风降水处于持续增长期; 9.3~4.4 kaBP, 该时段为降雨丰沛的湿润期, 4.4~2.1 kaBP, 该时段为降水较少的干旱期, 其长期演化趋势大体类似于北纬33°夏季日辐射能量曲线. SB10石笋δ¹⁸O记录揭示了4.3 kaBP前后季风降水突然减少, 反映了植被-大气-气溶胶对太阳辐射减少的正反馈效应, 该事件与4 ka左右中国新石器文化断层基本同步. 从早全新世平均分辨率20年的石笋降水记录中识别出8.2, 8.6, 9.3, 10.2和11.0 ka显著干旱事件, 可与格陵兰冰芯δ¹⁸O记录的降温事件进行对比, 反映了早全新世北半球低纬季风与极地气候受同一机制的驱动.     

贵州红枫湖沉积物中有机质的降解与微生物作用

对红枫湖沉积物中有机碳, 孔隙水中的SO₄^2−, 以及沉积物中的DNA和类脂化合物的分布进行了研究. 红枫湖沉积物有机碳的含量(23.3~76.8 mg·g^−1)从上到下呈下降趋势, 0~8 cm含量最高. 沉积物孔隙水中SO₄^2−含量为0.89~40.50 mg·L^−1, 表层4 cm深度内迅速下降至12 mg·L^−1, 4 cm后基本不变. 硫酸盐还原指数代表硫酸盐还原细菌对硫酸盐的还原强度, 表征SO₄^2−作为一种电子受体在有机质降解过程中被利用的程度. 对硫酸盐还原指数SRI的计算表明有机质保留年限为14年, 与孔隙水中SO₄^2−含量相对应. 沉积物中微生物的总DNA凝胶图像显示, DNA在0~9 cm含量相对较高, 9 cm后相对较低, 与有机碳的变化规律和SRI值一致, 表明微生物在湖泊沉积物有机质降解过程中发挥了重要作用; 缺氧条件下, SO₄^2−是重要的电子受体被微生物利用; 沉积物中微生物的总DNA分析为分子生物地球化学研究能为湖泊营养元素循环及湖泊富营养盐化的研究提供重要手段.     

贵州董哥洞近1000 a来高分辨率洞穴石笋δ18O记录

基于贵州董哥洞两支石笋16个²³⁰Th年龄和486个δ¹⁸O测试数据, 建立了过去1000 a来洞穴石笋高分辨率δ¹⁸O的时间序列. 该洞穴近1000 a来δ¹⁸O变化曲线指示了云贵高原东南部西南季风降水变化过程. 与太阳辐射曲线对比表明, 百年尺度西南季风降水变化响应于太阳活动周期. 洞穴石笋δ¹⁸O记录揭示了自1720 AD年以来西南季风强度突增现象, 反映了热带印度洋海-气耦合作用对过去一个世纪北半球温度上升起着重要作用.     

甘肃武都万象洞滴水与现代石笋同位素的环境意义

初步研究了青藏高原与黄土高原过渡带的甘肃武都万象洞中滴水的氢氧同位素和洞穴现代石笋碳酸钙的氧同位素组成, 发现万象洞内滴水的δ¹⁸O_dw和δ D_dw位于全球降水同位素网数据建立的地方性大气降水线范围之内, 说明滴水δ¹⁸O_dw与降水δ¹⁸O有密切关系. 利用δ¹⁸O_dw和洞内中部到距洞口较远处的现代管状钟乳石下部的δ¹⁸O_mc数据和碳酸盐古温度等式计算的温度范围在8.9~12.4℃之间, 平均值为10.7℃, 其中计算出距洞口较远处8个位置的温度在10.1~12.4℃的范围之内, 平均值为11.5℃, 这个值与洞穴内的观测值(10.99℃)一致, 略低于当地年平均气温(14.4℃), 说明现代石笋形成在同位素平衡条件下, 它们的同位素组成可以近似地反映其洞外大气年均温度.     

南海西部陆源沉积粒度组成的控制动力及其反映的东亚季风演化

通过对南海西部越南岸外MD05-2901孔的有孔虫氧同位素测定, 建立了450 ka以来高分辨率的年代地层. 结合沉积物的密度、孔隙率和陆源碎屑含量, 计算了陆源碎屑的堆积速率, 结果显示在间冰期时堆积速率的平均值为4.9~6.0 g/(cm²·ka), 高于冰期的1.9~5.0 g/(cm²·ka), 与发表过的南海南、北部冰期高于间冰期的特点明显不同. 对陆源沉积物的粒度分布进行主成分因子分析, 获得了两个主控因子F1和F2, 它们控制了陆源沉积近80%的粒度变化特征. 对F1敏感的1.26~2.66 μm%¹⁾和10.8~14.3 μm%呈现高频的波动, 和北半球低纬夏季太阳辐射量吻合很好, 显示23 ka的岁差周期和13 ka的半岁差周期. 对F2敏感的4.24~7.42 μm%和30.1~43.7 μm%, 则显示强烈的100 ka的偏心率周期. 本区的陆源沉积物来源于南海西南和北部2个地区, 在动力上则分别由夏季风和冬季风驱动的不同方向的洋流搬运. 研究认为, 晚第四纪以来东亚夏季风受控于低纬区的夏季日射量的变化, 而冬季风主要受高纬冰盖变化驱动, 呈冰期/间冰期旋回尺度的波动, 这反映了东亚季风演化的双重驱动机制.     

大别-苏鲁变质岩锆石微区氧同位素特征初探:离子探针原位分析

对大别-苏鲁高压-超高压变质岩地区包括榴辉岩等8个不同岩性的变质岩石中锆石进行了151次微区原位氧同位素分析, 结果表明存在明显的氧同位素不均一性, 不同岩石中锆石的δ ¹⁸O值变化范围从 -8.5‰到+ 9.7‰, 同一岩石不同锆石颗粒间δ ¹⁸O值差异达2‰~12‰, 在离子探针测定精度范围内, 没有观察到原岩岩浆(残留)锆石和变质增生(重结晶)锆石之间明显的氧同位素组成差异, 表明在高压-超高压变质作用中变质锆石基本上继承了原岩锆石的氧同位素组成. 研究发现, 根据变质岩的原岩时代, 可以把锆石氧同位素分成2组, 一组原岩年龄在19~27亿年, δ ¹⁸O值约为6‰~7‰, 另一组原岩年龄为7~8亿年, δ ¹⁸O值在0~2‰. 后者明显偏低的氧同位素组成表明, 在形成高级变质岩的原岩岩浆中有明显的大气降水氧同位素组成的卷入, 它可能和晚前寒武纪我国华南和全球范围雪球事件有关.     

南海表层沉积中有孔虫壳体的碳同位素研究及其意义

对南海40个站位表层沉积中112个有孔虫样品的稳定同位素分析结果表明, δ¹³C值和不同属种间的同位素差值在东北和南部存在的两个低值区, 与研究区及周边的营养分布格局相关, 可能反映东北季风和西南季风对南海水流以及海水化学成分的影响. 季风一方面为南海上层水体带来丰富的营养, 另一方面也减少了上下水层之间的差异. 这种影响在南北两端最为明显, 向中部逐渐减弱. 碳同位素在南海表层沉积中的分布格局是东亚季风的反映.