洞穴石笋代用指标的古气候意义初探

现代全球气候变化是当前人类社会普遍关注的一个热门问题。全球气候变化研究的热点问题是获得十年到百年甚至年月分辨的气候变化规律。洞穴石笋作为恢复古气候、研究古环境演变的一把钥匙,因其诸多优点,将在古环境研究中发挥越来越重要的作用。从当前研究现状出发,对石笋中微层年层对比、微层形成机制、稳定同位素记录、微量元素记录、生长速率及微层发光等方面进行一个简单的回顾。     

湖北三宝洞石笋生长速率及其古气候意义

石笋生长速率通常被作为反映古气候或古环境变化的有效代用指标。本文以湖北三宝洞22万年以来17支石笋为材料,实测了190个230Th年龄,其生长曲线显示MIS 1和MIS 5 阶段平均生长速率较大,超过70μm/a; MIS 2,MIS 3,MIS 4和MIS 6阶段生长速率较慢,均低于25μm/a,甚至停止生长。间冰期平均生长速率比冰期增加了1~2倍以上,且具有"爆发式"快速生长的特点。以5000年为步长的同一洞穴17支石笋生长频率支持平均生长速率的研究结果,说明在轨道尺度上较大的石笋生长速率能够有效地指示暖湿的气候条件。研究结果表明,间冰期高海平面和强太阳辐射增强了研究区季风环流,提高了地表植被覆盖率,有利于洞穴岩溶水过饱和,从而导致间冰期多支石笋连续高速生长。     

桂林水南洞1号石笋的年龄与稳定同位素测定及其古气候意义

本文通过对桂林水南洞１号石笋进行α能谱铀系测年及碳氧同位纱分析,获得了距今２０～８万年的古气候信息。石笋大于２０万年前开始生长,８．０７万年后停止生长,属中更新世的产物。其年龄与δ＾１８Ｏ的变化可与深海岩芯Ｖ２８－２３８同位素记录所揭示的第五和第六阶段进行对比。它反映比阶段区内经历了寒冷（间夹短暂的小温期）和温暖（间夹短暂的小冷期）等气候变化,与全球古的气候变化波动基本一致,同时也存在地区性的气候     

重庆地区石笋记录中Mg/Ca比值及古气候意义

在重庆梁天湾洞石笋LT14 31.9~15.02ka.B.P.古气候重建成果已发表的此基础上,本文选取Mg/Ca比值这一新的替代指标,探讨其在重庆地区独特的水热组合模式下的古气候指示意义,从而进一步探讨了该时段的气候变化.研究结果发现,重庆地区Mg/Ca比值与碳同位素的正相关关系较好(R2=0.60),可能与碳酸钙溶液在到达洞顶之前提前沉淀或滴率减小机制有关,它间接响应了降水的变化.运用Mg/Ca值变化对古气候的重建结果与以前的研究基本相符,说明Mg/Ca比值可以作为古降水的指标,但需同碳氧稳定同位素结合起来讨论,以便相互验证,提高古环境解译的准确性.     

中晚全新世湘西莲花洞石笋旋回沉积速率变化及其古气候意义

石笋旋回沉积速率是按照石笋沉积旋回测年得到的沉积速率,是石笋沉积过程的重要参数和反演古气候变化的有效代用指标。旋回沉积速率的波动可能反应了地表温度和降雨量的变化,与夏季风强度存在关联。文章以湖南湘西莲花洞LH2石笋为材料,利用42个230Th年龄获得的石笋旋回沉积速率序列重建了8.6 ka BP以来湖南湘西地区温度和降雨雨量的变化历史: 8.6-4.2 ka BP期间,气候以高温多雨为特征,夏季风强,石笋生长率高,但气候并不稳定,存在一系列千年-百年尺度的波动;4.2-0.05 ka BP期间,气候整体偏冷干,旋回沉积速率偏低。总体上,在轨道尺度上,LH2石笋的旋回沉积速率与该石笋的δ18O值之间存在负相关关系。旋回沉积速率的重复性检验证明了旋回沉积速率古气候记录的有效性。石笋旋回沉积速率变化主要受北半球夏季太阳辐射量的控制和ITCZ的直接影响,在百年尺度上,旋回沉积速率的波动可能与中晚全新世的弱季风事件存在关联。      

湖北清江石笋的碳氧同位素组成及其古气候意义

测定经铀系法和1 4 C法精确定年的石笋 (Z 2 )的碳氧同位素组成 ,探讨它们对古气候的指示意义。研究结果表明 ,研究区石笋碳酸盐氧同位素主要组成反映了地表水的氧同位素组成 ,受气候的两要素———气温和湿度控制 ;碳同位素组成则反映当地的植被面貌 ,即C3和C4植物的比例 ,间接指示古湿度。洞穴石笋稳定同位素的定量解译尚需进一步研究。     

石笋氧碳同位素古气候代用指标研究进展

洞穴石笋以其独立的绝对年龄和稳定的古气候代用指标而成为很好的陆地古气候研究材料。应用U 系定年,可以获得独立精确的日历年时间序列,结合年纹层统计,可以获得年际甚至是季节性变化古气候记录。作为古气候代用指标,石笋氧同位素具有全球可对比性,现已建立了氧同位素的全球气候变化曲线,显示了比深海氧同位素及极地冰芯氧同位素记录更多的优势。石笋δ18O 的影响因素很多,在东亚季风控制区和其它季风控制区,石笋的δ18O 反映了夏季风的强度或者是季风降雨的变化。这些全球可对比的具有高精度绝对定年的石笋δ18O 记录,突破了早期的单一温度控制机理,不仅为古气候学家提供了坚实的古气候变化时间序列,而且使古气候研究能从机理上探讨其变化规律。δ13C不如δ18O 具有全球可对比性,在同位素平衡的开放体系,石笋δ13C 主要反映了洞穴上覆土壤CO2 的同位素特征。因此,一般认为石笋δ13C可直接反映当地植被的特征,包括植被类型C3/C4 比率的变化及植被的茂盛与衰退,在一些地区也可作为大气降水和温度变化的指标。石笋δ13C 很易受到蒸发作用、滴水的快速去气、动力分馏、碳酸盐的先期沉积等影响而使得其数值偏正,应该予以重视。通过介绍石笋氧碳同位素的研究现状,使得读者对石笋的稳定同位素指标有一个初步认识。同时,对今后的研究方向给与一定的探讨。     

杭州地区石笋稳定同位素古气候探索

用１４Ｃ测年技术和稳定同位素地球化学古温度方法，对浙江省临安瑞晶洞穴的石笋进行了１４Ｃ的测年和碳、氢、氧同位素测试，获得５～１万年间杭州地区古气候演化记录、该记录表明，在５～１万年间有三次较明显的周期性古温度变化，最高温度为１４。９℃，最低温度为６。６℃，最大温差为８℃左右，平均温差３～５℃。这段时期正处在大理冰期后期，但大理冰期并不是一个持续的低温阶段，它至少有３次温度波动。与我们获得的石笋同位素古温度相一致。另外，我们将５～１万年间杭州地区古气候变化与同期东南沿海的海平面变化进行了对比，在时间上也较为吻合，也就是温度上升、海平面也上升，温度下降、海平面也随之下降。     

北京石花洞全新世石笋微生长层与稳定同位素气候意义初步研究

在北京石花洞全新世石笋中发现分辨率很高的微层韵律。通过绝对年代测定和降水记录校订,初步确定石笋微层的年层时标含义和层厚变化响应降水变化的关系。通过对石笋稳定同位素气候意义的分析,提出在季风气候条件下,由于石笋氧同位素主要反映水源氧同位素的变化,因而也反映了季风强弱的变化。碳同位素反映了土壤有机环境的变化。微层层厚与氧同位素主要是自然环境变化信息载体,而碳同位素是自然环境变化叠加人类活动影响的综合信息载体      

洞穴石笋沉积旋回主要特征的古气候环境研究

通过对我国南方大型石笋组分、结构构造的观测和董哥洞10号(D10)石笋210件碳、氧同位素组成、20个U系测年数据,以及部分微(痕)量元素的分析对比,概述了石笋沉积旋回性特征、旋回界面类型和相关的气候、环境、地质意义.以组成D10石笋的碳酸盐含碳质、黏土矿物,呈黑灰、灰黄、灰白、灰等色泽匹配、纹层厚及组合、层面呈拱形或平直分别组合或转变、构造类型、碳氧同位素组成及其组合,呈协调平行、不协调同向、不协调反向变化三类型若干亚类等,旋回性特征,确定了19个沉积旋回.根据δ13C平均值为-3.91 ‰PDB、δ18O为-6.97 ‰PDB分别为冷暖气候演变的临界(阀)值,δ13C或δ18O＞临界值者的偏重是冷,＜临界值的偏轻是热.以δ13C、δ18O组成(表1)和组合变化类型和上述旋回性特征,结合层面构造呈渐变过渡或突变,以及20个同位素年龄数据,初步认定荔波地区352 930～99 410年间沉积的19旋回,是一个较完整的冰期气候演化过程,属我国第四纪冰期系列的第五冰期,10旋回顶180 695年(推算)～15旋回顶129 890年,约5万多年是连续严寒的盛冰期,①、16分别可能是冰期早、晚时段相对温暖的间冰期.期间冷暖变化有5万年级的、10万年级的气候旋回.论证了荔波地区35～10万年间是冰期气候环境,前期17万年寒冷的气候环境,期间35万年、25万年前后更严寒,但生态基本保持正常演变的面貌,中期5万多年为极寒冷的气候环境,生态向适应冷气候环境演化,晚期3万多年为冷暖频繁突(跃)变的恶劣气候,期间生态面貌复杂,正常演替与残存、突变演替并存.     

文石石笋发生矿物重结晶的影响因素及其古气候意义

洞穴沉积物—石笋已成为研究岩溶区环境气候变化历史的重要载体。在我国湘西地区,某些洞穴石笋原始沉积多为不稳定的文石矿物,极易发生重结晶,可能使石笋中相关化学元素含量最终偏离原生矿物的特征,限制了文石石笋某些代用指标在古气候研究中的应用。文章以前人研究成果为基础,总结梳理了文石石笋发生重结晶的影响因素及其对石笋记录古气候的影响：（1）石笋剖面特征、XRD结果、显微镜观察和地球化学元素特征等可作为石笋发生重结晶的判别依据;（2）洞穴滴水和石笋孔隙水饱和度、文石晶体缺陷和晶体之间的方解石胶结物以及岩溶水体中Mg²⁺浓度等均会影响文石石笋的矿物转变;（3）在文石向方解石转变过程中,石笋铀含量会有一定程度的流失,可导致放射性铀系定年的异常或年代倒序;（4）矿物重结晶可导致δ¹⁸O、δ¹³C及石笋微量元素浓度（或比值）等指标发生改变,其变化特征因洞穴而异,从而影响其作为环境指示器的可靠性;（5）湖南龙山惹迷洞石笋（RM2）发生了不均一的矿物重结晶,自顶部至20.3 cm以放射状为主,20.3 cm至底部主要为糖粒状,并结合年代结果发现文石重结晶对石笋铀系定年产生了影响,而重结晶作用对该石笋其他指标的影响还有待进一步研究。     

北京平原区中更新世以来的孢粉组合及其古气候意义

通过对北京平原区3个孔（顺义高丽营GZK1孔、昌平马池口CHZK1孔及大兴DZK1孔）的孢粉资料进行研究和对比,分析了北京平原区中更新世以来的气候变化,并将其划分为8个阶段：第1阶段气候较寒冷干旱,第2阶段气候温暖湿润,第3阶段气候温凉较湿,第4阶段气候温暖较干旱,第5阶段气候较寒冷干旱,第6阶段气候特征为早期暖湿,晚期温凉干旱,第7阶段气候较寒冷干旱,第8阶段气候温和湿润。     

贵州荔波董哥洞3号石笋的同位素年龄及古气候信息

石笋是岩溶记录中最全面、最系统的古气候环境信息库,研究表明,洞穴内、外环境变化,都不同程度地显示在石笋的组成、结构构造、沉积 (生长 )纹层及其层面构造、沉积速率和古气候环境变化等方面。利用洞穴石笋保存的信息重建古环境,是近 2 0年来的热门课题之一。当前全球气候变化预测研究中,洞穴石笋的高分辨率定年和碳、氧同位素组成的变化规律,为这个领域的突破和填补空白作出了重大贡献。本文通过对荔波董哥洞 3号石笋进行热电离质谱 (TIMS)U-系测年及碳氧同位素分析,获得了距今 16.33万年至 9.13万年的古气候信息。石笋在大于 16.33万年前开始生长,9.13万年后停止生长,平均沉积速率为 2.87mm/ 100a(未扣出间断时间 ),属中更新世的产物。其年龄与δ18O的变化可与深海岩芯V2 8～ 2 38同位素记录所揭示的第五和第六阶段以及与北方离石黄土层 (L2 )和下马兰黄土第一古土壤层 (S1)进行对比。它反映此阶段区内经历了寒冷和温暖 (间夹冷期 )等气候变化,与全球古气候变化波动基本一致,同时也存在地区性的气候变化。     

磁山地区黄土-古土壤微形态特征及其古气候意义

为了探究磁山地区历史时期的古气候特点,本研究以河北省武安市磁山文化遗址区的黄土-古土壤为研究对象,该地区分布的黄土主要为晚更新世的马兰黄土和次生黄土,利用土壤切片图像处理分析系统和image-pro plus 6.0等软件对图像进行处理和分析,主要从微结构、孔隙特征及矿物成分这3个方面分析黄土和古土壤的微形态特征,并研究该地区黄土及古土壤的粒度和磁化率特征。得出结论如下：1）磁山地区的马兰黄土主要是粒状结构,孔隙度低,矿物以石英和长石为主;次生黄土主要有镶嵌微结构,还有典型的"斑状"微结构,孔隙度比马兰黄土小,粗颗粒仍然主要为石英、长石。2）马兰黄土中古土壤的粗颗粒主要为石英,孔隙壁沉淀较多方解石,存在发育良好的淀积粘粒胶膜,反映当时该地区气候温暖湿润,古土壤形成后,马兰黄土中的微形态特征、磁化率和粒度特征显示气候逐渐变得干冷,且冬季风强;次生黄土的微形态特点及磁化率特征,反映出次生黄土形成的后期比前期相对湿润。3）根据微形态和磁化率特征可知：磁山地区在晚更新世中期,气候从温湿逐渐变为干冷,晚更新世晚期则从干冷向相对温湿发展。     

石笋中稀土元素含量的测定及气候环境意义

首次采用经过改良的外标法校正数据的ICP-MS方法对石笋中的稀土元素含量进行了测定。结果表明,该方法可以用于测定石笋中含量很低的稀土元素,尤其是对含量相对较高的轻稀土元素如La、Ce可以获得较精确的数据。对采集于四川东北部诺水河溶洞群的石笋SJ3的分析结果显示,在相对温暖湿润时期的石笋沉积中稀土元素含量明显增加。可能的原因包括:(1)温暖湿润的气候条件有利于土壤和岩石的化学风化及稀土元素的活化;(2)温暖湿润的气候条件下地下水动力加强,使得地下水中稀土元素的载体(有机质、铁锰胶体和颗粒物质等)增多。因此,石笋沉积中的稀土元素可以用于研究上覆土壤和岩石的化学风化和地下水水文演化。     

Sources and paleoclimatic significance of Holocene Bignell Loess, central Great Plains, USA

This paper reexamines the stratigraphy, sources, and paleoclimatic significance of Holocene Bignell Loess in the central Great Plains. A broadly similar sequence of loess depositional units and paleosols was observed in thick Bignell Loess sections up to 300 km apart, suggesting that these sections record major regional changes in the balance between dust deposition and pedogenesis. New optical ages, together with previously reported radiocarbon ages, indicate Bignell Loess deposition began 9000–11,000 yr ago and continued into the late Holocene; some Bignell Loess is <1000 yr old. There is little evidence that Holocene Loess was derived from flood plain sources, as previously proposed. Instead, thick Bignell Loess occurs mainly near the downwind margins of inactive dune fields, particularly atop escarpments facing the dunes. Thus, the immediate loess source was dust produced when the dunes were active. Previous work indicates that widespread episodes of dune activity are likely to have resulted from drier-than-present climatic conditions. The regionally coherent stratigraphy of Bignell Loess can be interpreted as a near-continuous record of climatically driven variation in dune field activity throughout the Holocene.     

Origin and palaeoenvironmental significance of lamination in stalagmites from Katerloch Cave,Austria

The origin and environmental dependencies of lamination in stalagmites from Katerloch, common in speleothems from other cave sites, are examined in detail. Petrographic observations and chemical analyses (including isotopes) of stalagmites and modern calcite were combined with multi‐annual cave monitoring. All investigated stalagmites are composed of low‐Mg calcite and show white, porous laminae and typically thinner, translucent dense laminae. The binary lamination pattern results from changes in the calcite fabric: white, porous laminae are characterized by a high porosity and abundant fluid inclusions and also by enhanced vertical growth and thinning towards the flanks. Translucent, dense laminae exhibit a compact fabric and constant thickness of individual growth layers. U‐Th dating supports an annual origin of the lamination and the seasonally changing intensity of cave ventilation provides a robust explanation for the observed relationships between lamination, stable C isotopic compositions and trace elements (Mg, Sr and Ba). The seasonally variable air exchange, driven by temperature contrasts between the cave interior and outside atmosphere, modulates the rate and amount of CO₂ degassing from the drip water and affects the hydrochemistry and consequently the fabric of the precipitating calcite. Although cave air composition and drip rate are both major variables in controlling CO₂ degassing from the drip water, the seasonally changing ventilation in Katerloch exerts the primary control and the results suggest a secondary (amplifying/attenuating) influence of the drip rate. Drip rate, however, might be the controlling parameter for lamina development at cave sites experiencing only small seasonal cave air exchange. Importantly, the seasonally variable composition of drip water does not reflect the seasonal cycle of processes in the soil zone, but results from exchange with the cave atmosphere. The alternating porous and dense calcite fabric is the expression of a variable degree of lateral coalescence of smaller crystallites forming large columnar crystals. The white, porous laminae represent partial coalescence and form during the warm season: low calcite δ¹³C values are linked to low δ¹³C values of cave air and drip water during that time. This observation corresponds to times of reduced cave ventilation, high pCO₂ of cave air, low drip water pH, lower calcite supersaturation and typically high drip rates. In contrast, the translucent, dense laminae represent more or less complete lateral coalescence (inclusion‐free) during the cold season (high calcite, drip water and cave air δ¹³C values), i.e. times of enhanced cave ventilation, low cave air pCO₂, increased drip water pH, relatively high calcite supersaturation and typically low drip rates. In essence, the relative development of the two lamina types reflects changes in the seasonality of external air temperature and precipitation, with a strong control of the winter air temperature on the intensity of cave‐air exchange. Thick translucent, dense laminae are favoured by long, cold and wet winters and such conditions may be related closely to the North Atlantic Oscillation mode (weak westerlies) and enhanced Mediterranean cyclone activity during the cold season. Studies of speleothem lamination can thus help to better understand (and quantify) the role of seasonality changes, for example, during rapid climate events.