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.     

黄土高原西缘在AD 1875~2003期间石笋氧同位素记录的季风降水变化与海气系统的联系

基于黄土高原西部甘肃武都万象洞中一根石笋0~16 mm之间的5个高精度²³⁰Th年代和103个δ¹⁸O数据, 重建了亚洲季风边缘区过去100多年来高分辨率的季风降水变化历史. 通过与武都器测降水数据对比发现, 最近50多年来石笋氧同位素组成受降雨量效应的影响, 指示了亚洲季风的强弱变化及其带来的降水量信息. 近100多年来亚洲季风的变化历史可分为季风降水增强期(AD 1875~1900)、季风降水减弱期(AD 1901~1946)和季风降水再次增强期(AD 1947~2003) 3个气候段, 而且这3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. 近100多年来万象洞石笋氧同位素记录的季风强度变化与太平洋年代际振荡(PDO)密切相关, 年代际时间尺度上PDO暖(冷)相位与季风降水的减少(增加)对应; 但在1977年之后出现了季风降水变化和PDO的反相位关系, 很可能是北太平洋在1976/1977年前后发生的年代际气候跃变的反映. 说明现代亚洲季风强度及季风降水变化通过海气相互作用与太平洋密切相关. 这种关系将有助于亚洲季风区水循环的预测, 而且可以利用洞穴观测数据来提高气候模型的预测能力.     

贵州凉风洞大气降水-土壤水-滴水的δ18O信号传递及其意义

通过对贵州荔波凉风洞(LFD)大气降水、土壤水、土壤气、洞穴滴水以及滴水对应的现代化学沉积物氧(氢)同位素组成的系统监测,发现LFD土壤水和滴水主要来源于当地大气降水;3种水(大气降水、土壤水和滴水)氧同位素值的变化幅度在年内依次减小,分别在0～-10‰,-2‰～-9‰和-6‰～-8‰之间;3种水氧同位素值之间存在大致协调同步的季节变化规律:雨季偏轻,旱季偏重;地表蒸发作用导致滴水氧同位素年算术平均值相对于大气降水值偏重约0.3‰以上.计算结果验证了LFD系统中洞穴次生化学沉积物形成过程基本达到了氧同位素平衡,利用洞穴沉积物氧同位素值恢复和重建古气温和降水量是可行的,但应注意研究区地表蒸发作用对氧同位素值的调节作用。     

石笋密度蕴含的过去气候变化信息: 以末次冰消期黄土高原西部武都万象洞石笋为例

亚洲季风区边缘甘肃武都万象洞一根石笋(WX42A)在末次冰消期不同生长时期密度变化表现出有规律的波动. 高精度²³⁰Th测年和高分辨率的石笋密度结果表明, 生长于17644~12758 a BP之间石笋密度变化时间序列在长时间尺度上与反映亚洲季风强度变化的石笋δ¹⁸O记录变化趋势非常一致, 显示出季风强度增强/减弱(δ¹⁸O值偏轻/偏重), 石笋密度随之增大/减小的特征; 在短时间尺度上石笋密度的降低也对应于一些季风减弱事件如Inter-Allerød Cold Period (IACP)、Older Dryas (OD)和Inter-Bølling Cold Period (IBCP). 总体上, 石笋密度的降低是对季风减弱、降水量减少造成洞穴滴水速率降低、结晶核减少和晶体增大、生物活动强度减弱和土壤CO₂分压降低、碎屑杂质物质增多的反映. 然而在季风极端减弱、降水量大幅度减少和生物活动强度减弱时期, 温度的变化将主导石笋密度的变化, 如在北大西洋H-1事件温度突然降低时, 石笋密度却突然增大, 这是由环境温度的突然降低使得少量下渗水在低温下溶解的碳酸氢钙浓度升高、溶液过饱和度升高而形成晶体规则紧密排列且密度较大的石笋矿物所造成的. 这种灵敏记录石笋生长历史和外界环境变化的过去石笋密度随着时间波动, 说明石笋密度在过去气候变化研究中具有极大的潜力.     

贵州凉风洞大气降水-土壤水-滴水的δ18O信号传递及其意义

通过对贵州荔波凉风洞(LFD)大气降水、土壤水、土壤气、洞穴滴水以及滴水对应的现代化学沉积物氧(氢)同位素组成的系统监测, 发现LFD土壤水和滴水主要来源于当地大气降水; 3种水(大气降水、土壤水和滴水)氧同位素值的变化幅度在年内依次减小, 分别在0~-10‰, -2‰~-9‰和-6‰~-8‰之间; 3种水氧同位素值之间存在大致协调同步的季节变化规律: 雨季偏轻, 旱季偏重; 地表蒸发作用导致滴水氧同位素年算术平均值相对于大气降水值偏重约0.3‰以上. 计算结果验证了LFD系统中洞穴次生化学沉积物形成过程基本达到了氧同位素平衡, 利用洞穴沉积物氧同位素值恢复和重建古气温和降水量是可行的, 但应注意研究区地表蒸发作用对氧同位素值的调节作用.     

洞穴次生沉积物石笋的稳定同位素古气候的研究

用稳定同位素地球化学古温度的方法,对洞穴次生沉积物石笋进行碳、氧稳定同位素的测定,并对石笋进行铀系地质年龄和~(14)C地质年龄测定,可以获得第四纪以来的古气候演化规律。     

贵州七星洞洞穴系统中锶同位素特征及其意义

系统分析了贵州都匀七星洞(QXD)洞穴系统中各组分(土壤水、滴水及其化学沉积物与土壤、基岩等)的锶同位素组成(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr), 结果显示, 各组分的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 比值特征差异显著. QXD-1#, 4#和9#滴水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 平均值分别为0.709568, 0.709139 和 0.708761, 其比值差异可能是由不同滴水点相应的渗流水运移路径、滞留时间和其他水文地质过程等因素不同所造成的. 两端员模式计算表明, 基岩(碳酸盐岩)溶解对1#, 4#和9#滴水的贡献率分别为40.8%, 57.6%和72.4%. 基岩溶解贡献率与之前研究的各滴水δ¹³CDIC 值没有正相关关系(基岩δ¹³C 值为1.8‰), 相反, 基岩贡献率相对较低的1#,其δ¹³CDIC 值最重(平均值?4.5‰), 而贡献率相对较高的9#, 其δ ¹³CDIC 值最轻(平均值?9.3‰), QXD-4#基岩贡献率高于1#低于9#, 其δ¹³CDIC 平均值(?8.6‰)却低于1#高于9#. 由此可见, 基岩的溶解对滴水稳定碳同位素的影响不是该洞穴不同滴水点间碳同位素巨大差异的主要原因, 水体运移路径中, 可能前期方解石沉积(PCP)过程的发生才是滴水δ¹³CDIC 偏重的主导因素. 此外, 本研究还发现, 1#和4#滴水对应次生化学沉积物⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 比值特征主要反映了上覆土壤系统(土壤水)与基岩溶解相对贡献变化,利用本地洞穴次生化学沉积物⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 指标表征上覆土壤风化强度及其变化是可行的,进而反映本区域季风气候信息.     

贵州4个洞穴滴水对大气降雨响应的动力学及其意义

在雨季, 采用NaCl示踪的方法, 对贵州珠江水系的4个岩溶洞穴(荔波凉风洞、都匀七星洞、安顺将军洞和镇宁犀牛洞)滴水点水的来源、滴水对大气降雨的响应尺度、水动力学过程等进行研究, 揭示出由于岩溶洞穴环境、水运移路径的联通性、水动力学过程等的不一致, 4个洞穴的不同滴水点滴水对大气降雨响应的时间尺度为0~40天. 根据水在洞穴顶板的运移特性、水的运行方式、水头类型等水文学特性的差异, 将这4个洞穴的滴水点划分成5种水动力学类型. 由于不同洞穴不同滴水点水-土、水-岩作用的时间尺度、作用方式、水运移路径等的差异, 影响到岩溶次生沉积物的物质来源及量度标准, 加之不同洞穴各滴水点水动力条件的极大差异, 岩溶次生沉积物过去环境变化指标的解译应该有洞穴滴水水动力条件的结果作为支撑. 根据目前对这4个洞穴众多滴水点滴水电导率的监测, 电导率与大气降雨量的一致变化, 意味着洞穴滴水形成的岩溶次生沉积物的元素含量具有记录岩溶环境过去变化的意义, 但应以多个点的研究结果来保证解译的正确性.     

洞穴滴水溶解有机碳三维荧光光谱特征及其对环境的响应: 以贵州4个洞穴系统为例

荧光光谱是洞穴次生沉积物古环境、古气候重建的重要指标之一, 充分理解产生洞穴次生沉积物的滴水的荧光变化对现代环境、气候的响应关系, 是较好利用该指标的关键. 利用三维荧光光谱分析4个岩溶洞穴系统溶解有机碳(DOC)荧光特征, 结果表明洞穴系统中土壤水及洞穴滴水中的DOC荧光类型主要以类富里酸荧光和类蛋白荧光为主; 类富里酸荧光强度与DOC浓度有很好的线性关系, 指示了洞穴滴水DOC来自洞穴上覆土壤层. 洞穴滴水类富里酸荧光在林地覆盖下的凉风洞激发发射波长变化较小, 激发波长相对于其他3个洞穴滴水的稍长, 而荧光强度变化较大; 灌草丛覆盖的将军洞激发发射波长及荧光强度变化最大, 激发波长较短, 揭示洞穴系统上覆植被的变化明显地影响到滴水的荧光光谱特征.     

黄土高原现代植物-土壤氮同位素组成及对环境变化的响应

由于土壤氮同位素组成被认为是气候环境变化和自然生态系统氮循环过程的可能指示, 开展全球不同区域、不同生态系统氮同位素组成的研究将有助于对这个可能性的认识. 对中国黄土高原中西部不同环境条件下的现代植物和相应的土壤氮同位素进行了调查, 氮同位素组成变化范围分别为: 植物根: -5.1‰ ~ 1.9‰; 植物残体: -6.6‰ ~ 2.9‰; 土壤: -1.2‰ ~ 5.8‰. 结果表明: (1) 土壤与植物有相近的变化趋势, 但土壤的氮同位素组成较植物根的氮同位素要偏正, 其Δδ¹⁵N值变化范围为: 0.3‰ ~ 7.2‰, 平均值为: 4.1‰, 表明植物分解过程氮同位素存在分馏; (2) 该地区现代生态系统的氮同位素对降水和温度变化有明显的响应, 沿西北到东南方向, 年平均降水每增加100 mm可能导致土壤氮同位素组成偏负约1.31‰, 随温度的增加, 土壤氮同位素也趋向偏负; (3) 在降水和温度共同增加的影响下, 植物根系、植物残体和土壤的氮同位素偏负, 这个现象可能归因于降水是该地区植物-土壤氮同位素变化的主要控制因素. 尽管目前对植物-土壤氮同位素组成变化与降水和温度关系的机制尚不清楚, 但初步的研究结果表明土壤的氮同位素组成可能为黄土高原环境变化示踪提供指示.     

青藏高原现代食草动物牙齿珐琅质稳定同位素特征及古高度重建意义

食草动物牙齿珐琅质具有非常强的抗成岩改造特征, 被认为是研究生态环境变化和重建古高度的理想载体之一. 对青藏高原腹地现代食草动物(牦牛、藏野驴、藏羚羊)牙齿珐琅质的稳定同位素进行了分析, 拉萨地块和羌塘南部地区食草动物牙齿珐琅质δ¹³C(PDB)平均值为－11.3‰ ± 1.1‰, 羌塘北部和可可西里地区为－10.2‰ ± 1.4‰, 与高原以C3植物为主的植被景观是一致的; δ¹⁸O(PDB)值也同样表现出从南向北逐渐升高的趋势, 喜马拉雅山地区吉隆盆地平均值最低, 为－11.8‰ ± 3.4‰, 拉萨地块和羌塘南部地区平均值为－11.1‰ ± 1.1‰, 羌塘北部和可可西里地区最高, 为－9.0‰ ± 1.1‰. 食草动物牙齿珐琅质氧同位素是河水(或降水)与食物(植物)氧同位素的混合, 不适合直接用来进行高度预测. 建立了高原现代食草动物牙齿珐琅质氧同位素对降水、植被及高度的响应关系, 为利用食草动物牙齿化石氧同位素重建青藏高原古高度提供了依据.     

沉积岩汞同位素的古环境指示意义

环境与生命的协同演化是地球科学的核心问题之一,而古环境的精确重建对于认识生命演化规律、机制以及预测地球宜居性的未来发展方向具有至关重要的意义.近年来,沉积岩中的汞及其同位素组成在重建地球古环境演化方面展现出巨大的潜力,获得了广泛的关注和应用,已发展成一个新的研究方向.其主要原因是汞及其同位素组成在记录古代火山活动和海洋氧化还原状态方面具有不可替代的优势,能为研究上述过程与重大环境和生命演化事件的关系提供新的证据.本文系统分析了古代沉积岩的汞同位素数据及其意义,总结了大型火山活动和海洋氧化还原状态改变引起汞同位素变化的特征与机制,深入探讨了火山类型及释放汞的方式、大气和海洋汞循环过程、沉积环境、岩性、成岩作用、汞赋存形态等因素对沉积岩汞同位素组成的影响,并对该领域当前存在的问题和发展前景作出了评述和展望.总体而言,这一研究领域仍处于起步阶段,对古环境演化事件中汞同位素组成的变化规律和分馏机理还缺乏系统和定量的认识,亟须深入研究.未来需要揭示古环境汞循环过程中的同位素分馏机理,进一步明确汞同位素指示古环境演化的原理和影响因素,拓展其在环境和生命协同演化领域的应用.     

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.     

甘肃西秦岭新生代钾霞橄黄长岩的40Ar/39Ar同位素定年及其地质意义

提供了从西秦岭6个钾霞橄黄长岩岩筒中分离出的金云母单矿物的⁴⁰Ar/³⁹Ar同位素定年数据, 确定甘肃西秦岭新生代钾霞橄黄长岩的喷发时限主体集中在22~23 Ma之间, 结合对青藏高原及其周边地区新生代火山岩同位素年代学资料的综合分析, 论证了金云母单矿物的⁴⁰Ar/³⁹Ar同位素定年的地质意义, 指出甘肃西秦岭钾霞橄黄长岩与高原及其周边地区其他新生代钾质-超钾质火山岩一样, 属于后碰撞火山作用产物. 西秦岭新生代火山岩的喷发时代与冈底斯带钾质火山岩的喷发时间有部分重叠, 因此西秦岭新生代火山作用是紧随高原腹地之后, 后碰撞火山作用向高原东北方向迁移的反映. 同位素定年数据不仅进一步证明青藏高原后碰撞火山作用具有时空迁移特征, 而且也为探讨和研究西秦岭地区自新近纪以来地质构造演化的深部动力学背景和机制提供了同位素年代学约束.     

介形类壳体δ~(18)O,δ~(13)C与Mg/Ca比值的灰色统计特征及环境意义

研究介形类壳体氧、碳稳定同位素组成和微量元素组成是探讨湖泊古环境的一个重要途径.目前的研究大都采用“系统白化(System whitenize)”的方法,这种方法目前尚有其局限性,首先,介形类壳体组成与环境因子的依赖关系仅建立在对个别属种测试的基础上,并且仍存在不同观点,这些经验公式的普遍意义尚需进一步证实;其次,大多数古湖盆不完全属于单一封闭体系,这种半开放型古湖盆更近似于一个“灰色系统(Grey system)”,由于内部机理不完全明确,用已有的知识进行简单的类比是困难的.本文尝试使用灰色统计的方法探讨介形