中国洞穴石笋年代学和古气候研究

我国学者用高精度、高灵敏度热电离质谱(TIMS)铀系法测定第四纪地质年龄,并已在古气候、古环境、古海洋的研究中取得了一系列重要成果.本文介绍目前我们用MAT-262质谱仪对洞穴石笋的TIMS铀系定年法对贵州荔波董歌洞、龙泉洞、衙门洞以及贵州都匀七星洞洞穴的次生碳酸岩石笋进行年代学研究的一些成果.     

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。     

洞穴石笋年生长层研究的新进展

具有年、季旋回界面因而能够自我记年,同时能对气候或环境变化信息按年记录的自然材料称为“自然时钟”.洞穴石笋是继树轮、珊瑚、纹泥和冰芯之后较晚发现的一种自然时钟.石笋微生长层的韵律变化反映了短尺度高频率的气候振动.石笋发光强度变化是古环境变化的重要记录.从滴水中带来的地表土壤有机物质是导致微层发光的主要原因.1960年Ｂｒｏｅｃｋｅｒ等人[1]用14Ｃ方法确定在温带气候区一些快速生长纹层为年轮之后,1993年ＡｎｄｙＢａｋｅｒ等人采用热电离质谱铀系定年方法首次证实英国一个石笋的发光微生长层为年生长层后[2],世界上陆续报…     

南京汤山溶洞石笋连续200ka古气候记录

对南京东郊汤山镇喀斯特溶洞(猿人头骨发现点)内的一支石笋进行了年代学、同位素地球化学和岩相学研究,获得了距今381～166 ka高分辨率古气候演变信息,为确定南京汤山猿人的生存时代和环境提供了基础资料.     

石笋铀同位素组成对土壤环境变化的指示

通过测定南京葫芦洞两支石笋41个样品的铀、钍同位素组成,发现距今 75～18 ka期间洞穴石笋238U和δ234U0的变化与33°N夏季太阳辐射曲线、石笋δ18O曲线具良好的对比关系.洞穴上覆土壤带有机质丰度变化是控制石笋238U含量变化的主要因素,由此解释了石笋238U变化曲线与δ18O,同纬度太阳辐射曲线之间相位一致的原因,但水-土-岩之间238U迁移富集过程的复杂性导致238U与气候曲线在振幅上不完全一致;δ234U0指示了洞穴上覆土壤剖面成壤作用强度变化,较敏感地反映了本区下蜀黄土成壤作用与风成堆积过程.因此,洞穴石笋铀浓度及其同位素比率可作为新的洞穴气候环境替代指标.     

青海湖沉积物的沉积速率及古气候演变的初步研究

青海湖是我国最大的高原微咸水湖。1981年平均水位为3193.92m,最大水深约27m,湖水面积4340km~2。从距今几十万年以来,青海湖一直处于连续沉积,这对于研究晚更新世以来古气候演变是十分有益的。在前人研究的基础上,开展了~(210)Pb,~(14)C和铀系年代学、钻孔的岩性、有机地球化学和孢粉等方面的研究。本文讨论了距今2万年以来的沉积速率和古气候变化,这对于研究和预测未来气候的变化将是有益的背景资料。     

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.     

距今3 ka来京东地区的古温度变化: 石笋Mg/Sr记录

通过分析石笋和其上方滴水中的Mg/Ca与Sr/Ca比值，并用Sr含量来校正Mg在初始溶液中的变化，获得Mg的固液相分配系数DMg/Ca，它与Mg/Sr比值呈线性正比，即Mg/Sr比值代表DMg/Ca值，亦即反映碳酸盐沉积时的温度变化。采自北京平谷大溶洞石笋ZFFS－1的Mg/Sr记录表明，距今3ka来京东地区的古温度变化可分为两大时期：3－2kaBP为凉湿气候，平均气温约为9．8℃；2kaBP至现今，气候以热干为特征，气温比3ka的平均值（11．7℃）升高约1℃。其中在0．5－0．2kaBP，气温比现今低约1．2℃，可能是欧洲小冰期在研究区的响应。自大约0．2kaBP开始，Mg/Sr比值与δ^18O和δ^13C同向正偏，表明气温逐渐回升，这种格局一直持续到现今。     

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.     

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.     

贵州龙泉洞石笋在距今1600至250年间的古气候古环境重建

对贵州龙泉洞2号石笋进行了高分辨率的碳氧同位素分析和TIMS铀系测年,建立了从公元400-1750年间的δ18O和δ13C值的变化序列,重建了中国西南地区距今1 600年以来到距今250年之间的古气候和古环境演化.根据δ18O值,以1 600年为界,之前处于中世纪暖期,其后是小冰期事件.其间讨论了δ13C变化所指示的环境变化,并与其他研究成果进行对比分析.     

亚洲古季风变率和机制的洞穴石笋档案

洞穴石笋气候档案具有深海沉积等长尺度记录和树轮日历年两种不同气候载体的特征,开启了研究轨道尺度、千年尺度和年际气候变化三者联系的新窗口.本文主要回顾了近20年来亚洲季风区石笋的高精度定年和气候代用指标等研究进展.精确定年的石笋气候序列为米兰科维奇"轨道假说"解释低纬气候变化奠定了基础,并有可能深入了解突变气候事件的驱动机制.在此基础上,讨论了目前学术界普遍关心的"中国石笋d~(18)O信号解释"问题,认为在千年尺度以上,石笋同位素序列反映了季风气候控制下的干/湿变化过程.跨越中布容事件的石笋记录有可能联系低纬岁差尺度水文循环与高纬冰盖过程,将冰盖、季风、温室气体和生物地球化学过程置于高精度年代框架下,研究其驱动与响应关系.最后指出,精确定年的石笋气候序列有可能成为大陆同位素气候层型,并在解决当代全球变暖机制问题上发挥重要作用.     

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.     

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.     

氧同位素阶段5c~d 时期川东北石笋Mg, Sr 和Ba记录及其意义

采用等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)对采自川东北诺水河地区梭子洞的石笋SZ2(发育时代120~103 ka BP)的Mg, Sr, Ba 等微量元素地球化学指标进行了分析. 结果显示SZ2 的Mg/Ca 在(9500~14700)×10^-6 之间, Sr/Ca 在(54~123)×10^-6 之间, Ba/Ca 在(31~82)×10^-6 之间. 这3个元素比值均显示了显著的千年尺度变化, 并与气候环境之间具有良好的对应关系: 在相对寒冷干旱的氧同位素阶段(MIS)5d 时期Mg/Ca 表现为相对低值, 而Sr/Ca 和Ba/Ca 表现为相对高值; 在相对温暖湿润的MIS 5c 时期这3 个元素比值呈现相反的变化. 通过从分配系数和岩溶地下水微量元素含量两个角度的分析, 认为SZ2 的Mg/Ca 变化可能主要受到温度变化的控制, 而Sr/Ca 和Ba/Ca 的变化可能主要受到地表土壤和大气粉尘活动与洞穴内先期碳酸盐沉积等因素影响. Sr/Ca 和Ba/Ca 是否直接受到温度和石笋生长速率等因素的影响则有待以后对相关机制的更深入研究. 在从MIS 5d 向MIS 5c 转换的时期, 3 个元素比值均领先于氧同位素(δ¹⁸O)的变化. 这可能反映了: (1) 控制Sr/Ca 和Ba/Ca 的粉尘活动等机制与温度变化密切相关; (2) 主要受太阳辐射控制的温度变化超前受夏季风和冬季温度两者共同控制的δ¹⁸O 变化.     

贵州七星洞全新世石笋的氧同位素记录及其指示的季风气侯变化

对贵州七星洞的石笋进行了TIMS铀系测年和氧同位素组分分析,建立了最近7.7ka石笋δ^18O值的变化序列。重建了贵州地区7.7kaBP以来的季风气候变化：7.7-5.8kaBP,适宜期内的夏季风强盛期;5.8-3.8kaBP,夏季风的稳定减弱期;3.8-0.15kaBP,减弱的夏季风及 气候大幅波动期。并指出7.7kaBP以来石笋δ^18O值增加趋势既反映了北半球夏季太阳辐射减少引起的夏季风减弱,也反映了西南季风降雨对该地区的贡献相对减少,这与模拟结果所表明的西南季风强度变化相一致;δ^18O值大幅度的波动变化则可能表明与降雨量变化相联系的不同季风降水云团对该地区降雨贡献的剧烈变化。     

岩溶作用对环境变化的敏感性及其记录

自70年代以来逐步发展起来的现代岩溶学具有以下两个特点:一是引入了地球系统科学;二是从全球的角度研究岩溶.国际地质对比计划299项目“地质、气候、水文和岩溶形成”(1990～1994年)被认为是这一趋势的里程碑.通过现场测试,已清楚地认识到了碳循环与岩溶形成之间的相关关系.作为地球上最大碳贮库的全球碳酸盐岩,其总含碳量为10~(16)t.它们曾被认为只在地质历史时期是活跃的,而在人类时间尺度上并不重要,但已有的发现清楚     

南亚古季风的演变:西藏新的高分辨率古气候记录

西藏几个小湖钻孔剖面高分辨率花粉分析结果显示,研究区１６ｋａＢＰ以前为荒漠草原,气候寒冷干燥, 天气温比现今低７～１０℃,年降水量仅为现在的４０％?１２ｋａＢＰ以后气温逐渐升高,降水逐渐增加,出现木本植物,在９．２～６．３ｋａＢＰ期间,有时发育森林或森林草甸。在８～５ｋａＢＰ期间,１月和７月气温均高于现在２～３℃,年降水量比现在大２００ｍｍ左右。５ｋａＢＰ以后为草原植被,气温和降水呈非线性下降水呈     

古湖泊资料与古气候模拟的对比研究——以NCAR CCM 6 kaBP的古气候试验为例

无论是吞吐湖还是内陆湖,在排除了构造活动、冰川消融补给和人类活动等因子之后,湖泊水位变化反映的是该地区湿润状况的变化,特别是有效降水(降水减蒸发)的变化,大气环流模型的模拟研究是从动力成因的角度研究古气候,为过去地质时期可能发生的气候变化提供尽可能正确的成因解释.因此把模型模拟与地质观测资料结合起来进行对比研究正成为古气候学研究的一个重要途径.目前基本上已经结束工作的国际合作项目COHMAP(The Co-operative Holocene Mapping Project)及正在进行的更为广泛的国际间合作项目PMIP(Paleo-climate Modeling Intercomparison Project),都是旨在通过模型模拟与地质资料相比较,从而检验模拟试验的合理性及对古气候变化提供物理解释.     

北方季风边缘区洞穴石笋δ18O序列预测初步研究

基于时域组合模型建立了中国北方季风边缘区万象洞及黄爷洞石笋δ¹⁸O时间序列的动态模型, 并对未来20年的降水变化趋势进行了预测. 研究结果表明, 时域组合模型较好地提取了时间序列的周期信息, 用其拟合实测数据精度较高; 用其预测时间序列的变化情况, 和现代气象观测记录相吻合, 具有一定的可信度. 同时通过中国北方季风边缘区树轮的预测结果对比显示, 该地区在2012~2013年前后降水最少, 随后20年里将呈现先升后降的变化趋势.