ONE OF THE IMPORTANT CAUSES OF LACK OF ACTIVE SPELEOTHEM IN NANJING HULU CAVE: SALTING-IN EFFECT?——A COMPARATIVE STUDY WITH PENGLAIXIAN CAVE,ANHUI UNDER THE SAME CLIMATE CONDITIONS

南京葫芦洞石笋末次冰期气候记录闻名于世,但至今葫芦洞未见全新世石笋,且缺失现代碳酸盐沉积,这个问题多次被同行提起.通过与同一气候条件下现代沉积作用旺盛的安徽蓬莱仙洞进行了近一个水文年的水文地球化学对比研究,从监测数据分析获知,两洞穴滴水中阳离子浓度以及其他许多地球化学指标的差异并不大,但葫芦洞滴水的SO42-和Cl-含量均比蓬莱仙洞的高一个数量级.室内模拟实验也表明,滴水中加入SO42-和Cl-将使碳酸钙溶解度显著增加.综合这些结果,提出“盐效应”很可能就是南京葫芦洞缺失现代碳酸盐沉积的一个重要原因,并由此进一步分析了葫芦洞缺失全新世石笋的可能机理.目前中国许多洞穴由于缺乏现代沉积致使沉积景观逐渐老化,本文报道的分析方法对认识其中的原因机理具有一定意义,但其结论仍需接受更加严谨的观测和实验的验证.     

“蒸发效应”对洞穴滴水氧同位素信号传递的影响——以广东宝晶宫现代观测为例

21世纪初Wang等[1]获得葫芦洞记录以来,我国石笋氧同位素序列陆续发表并得到古气候学界的广泛引用,同时我国季风区石笋氧同位素的气候意义也备受关注,这就需要加强对降水-滴水-石笋δ18O信号传递过程的观测和研究.以往对石笋δ18O信号的解译是基于洞穴滴水δ18O继承了大气降水δ18O的假设,然而在地中海地区发现表层岩溶带存在强烈蒸发过程[2],因此干旱地区的洞穴滴水δ18O并没有直接反映降水δ18O.Li等[3]指出在我国喀斯特地区的水体中也存在明显蒸发作用,表现在洞穴水δ18O-δD落在蒸发线上,但未对洞穴滴水进行单独评估和系统观测.我国过去的洞穴现代观测发现滴水δ18O-δD落在地方性大气降水线上[4]、滴水g18O算数平均值与降水δ18O加权年均值较为接近[5]以及滴水与降水δ18O具有"雨季偏轻,旱季偏重"的一致变化规律[6],这些观测结果表明洞穴滴水δ18O继承了降水δ18O信号.     

不同植被条件下岩溶地下水δ13CDIC的差异研究——以贵州夜郎洞、天钟洞和普定岩溶水碳通量模拟试验场为例

影响石笋δ13C的因素众多,且其中一些影响机制未知,从而导致利用石笋δ13C准确重建古环境仍存在一定的困难.作为形成石笋母液的洞穴滴水,其δ13CDIC变化必然会导致石笋δ13C的变化,因而只有对影响洞穴滴水δ13CDIC的各种因素进行细致的研究才能更好地利用石笋δ13C重建古气候环境.对贵州夜郎洞、天钟洞和普定岩溶模拟试验场的研究均表明,雨季上覆植被生物量的大小以及植被类型(C3和C4)是控制岩溶地下水δ13CDIC变化的主要因素.而对于夜郎洞的研究还得出旱季先期CO2脱气作用对岩溶地下水δ13CDIC的影响较大,如夜郎洞C3植被下雨季δ13CDIC值在-10.94‰～-12.15‰之间,旱季为-3.66‰～-5.50‰,夜郎洞C3植被下滴水点雨季旱季之间差异最大达到-8.49‰,这些不仅仅是由生物量的变化而引起的,先期CO2脱气对滴水碳同位素的影响也是不可忽略的.不同于夜郎洞旱季滴水δ13CDIC,先期CO2脱气作用对天钟洞滴水δ13CDIC的影响较小,天钟洞滴水δ13CDIC总体上能够反映上覆植被发育状况,因而先期CO2脱气作用等过程对滴水δ13CDIC影响因洞穴而异,可能反映了洞穴顶部包气带不同水文地质条件的影响.     

H1事件时长江下游地区季风降水变化特征的石笋铀元素记录

Heinrich 1（H1）事件是末次冰期向全新世转变过程中,北高纬大冰盖快速崩塌的冰盖不稳定事件,其气候环境影响深远。东亚地区石笋δ18O记录在H1事件时,普遍正偏至冰期的较大值,此正偏值通常指示东亚季风整体减弱。然而,在长江中游地区反映局地水文变化的石笋微量元素和碳同位素记录,显示在H1事件时梅雨量增加。梅雨与东亚季风强度的反相关关系是否存在,这有待更多记录的验证与支持。基于长江下游梅雨区南京葫芦洞石笋铀元素的水文变化特征,发现在H1事件时,梅雨整体增多。在H1事件内部结构特征上,高分辨率石笋δ18O记录显示,以~16.1 ka B.P.为界,东亚季风强度存在两个不同状态,类似的转变过程在铀元素记录中有所体现,表现为梅雨量由低到高的转变特征。石笋δ18O记录的这一季风强度变化过程在20年内完成,铀元素记录尽管分辨率不高,但也表现为快速转变的特征。这种对应的快速转变过程,表明石笋铀元素对东亚季风大气环流变化的积极响应;另一方面,也证实了铀元素对气候环境变化的有效记录。南京葫芦洞石笋铀元素记录了梅雨在长江下游地区H1事件期间增强的特征,进一步支持了梅雨与季风强度变化的反相关关系,提供了中国季风区降水空间差异的东部记录。     

MIS 3晚期东亚季风强度和DO事件年龄

基于神农架山宝洞石笋(SB46)的9个230Th年龄和326个氧同位素数据,建立了末次冰期32.2～26.7kaB.P.和17.0～15.4kaB.P.的东亚季风降水序列。该序列和同一洞穴全新世石笋记录的对比发现,在MIS3晚期东亚季风区可能存在极强夏季风降水事件,相当于全新世季风强度,可能与岁差旋回太阳辐射及海陆水汽潜热释放增强有关。与葫芦洞石笋δ18O记录和格陵兰冰芯δ18O记录对比表明,东亚夏季风千年尺度气候振荡与高北纬地区海-气快速重组存在遥相关效应。山宝洞石笋年龄与葫芦洞石笋和格陵兰冰芯时标(SS09sea)在定年误差范围内基本一致,但山宝洞石笋与冰芯记录在DO事件的年龄、波形和持续时间上更为一致,不仅进一步说明了低纬季风气候与极地气温同步变化,而且有效地弥补了葫芦洞记录在这一时段的不足。     

岩溶洞穴现代沉积间断的影响因素研究--以河南鸡冠洞为例

岩溶洞穴次生沉积物--石笋因其独有的高精度测年和高分辨率记录的优势已越来越成为过去全球变化研究中重要的支柱。进行洞穴碳酸盐沉积机理研究对于理解石笋沉积速率,结晶形态、准确解译气候替代指标和现代洞穴合理保护具有重要意义。以我国南北交汇带亚洲季风敏感区河南鸡冠洞为例,通过对2010-2015年连续6个水文年对鸡冠洞滴水和碳酸盐沉积的监测发现:①洞内滴水水化学指标与沉积速率表现出很好的一致性,雨季大气降水增加,气温升高,生物活动加强,土壤CO₂含量增加,滴水滴速、Ca2+、HCO₃-、电导率（EC）和沉积速率同时增加,旱季反之;洞内CO₂对方解石沉积的抑制作用被滴水饱和度掩盖。②受2012-2013年年降雨量显著减少的影响,水岩作用减弱,2014年滴水饱和度降至最低,出现为期一年的沉积间断,直至2014年下半年降水增加,于11月重新接收到方解石沉积。③自2013年下半年开始,受人为淋滤洞穴影响,滴水NO₃-上升数十倍,模拟实验显示其对CaCO₃溶解的能力较之前提高约60%,表明NO₃-对方解石沉积存在抑制作用,这可能是个别月份滴水饱和度高却没有回收到CaCO₃沉积的原因,建议景区在进行补水的同时要考虑水质对岩溶作用的影响。     

甘肃武都万象洞方解石现代沉积控制因素分析

对洞穴次生碳酸盐沉积机理的认识是解释洞穴石笋气候环境指示意义的关键.近两个水文年的洞穴现代过程监测结果显示,万象洞内温湿度全年基本保持恒定;洞穴滴水的pH值夏季偏低、冬季偏高,呈现出一定的季节变化特征,电导率和HCO3-浓度及主要阴阳离子含量年内变化不显著;洞内CO2分压夏季偏高,冬季降低接近于当地大气的CO2分压水平.对不同滴水点的对比研究表明,滴水中Ca2+达到一定浓度是方解石沉积的必要条件.此外,万象洞夏季CO2分压的升高对方解石形成产生明显的抑制作用.万象洞石笋沉积的主要受控于滴水饱和度以及洞穴CO2分压.     

54～46 ka川东北石笋的氧同位素记录及其气候环境意义探讨

对采集于川东北诺水河溶洞群狮子洞的石笋SI3进行了TIMS U-Th定年和高精度氧稳定同位素(δ18O)分析,对其气候环境意义及与东亚夏季风演化之间的关系进行了研究.在54～46 ka之间,SI3的δ18O记录相对变化趋势与同样位于东亚季风区的葫芦洞和董哥洞石笋δ18O记录、与极地冰芯GISP2和中东以色列Soreq洞次生碳酸盐沉积的δ18O记录具有很好的可比性,显示了其与东亚夏季风气候演化和全球气候变化的密切关系.但与其他石笋数据的对比显示SI3的δ18O记录明显偏重,可能与SI3生长地点接近洞口的环境有关,SI3发生了18O富集.对SI3的δ18O记录与气候环境密切相关的机制进行了探讨.     

湖北清江和尚洞石笋古环境研究的回顾和展望

从1997年开始对湖北清江和尚洞开展了系统的现代过程监测和地质记录的综合研究,以了解气候和生物信息的传输、转化和记录过程,并由此重建长江中游末次冰期以来的气候和生态环境。通过对和尚洞的大气、植被、土壤、围岩、滴水和沉积碳酸盐开展年代学、水文学、地球化学、地球物理学、地球生物学等多学科的调查,已经积累了许多现代过程的基础资料,为进一步进行石笋记录的研究奠定了很好的基础。同时,研究发现该洞穴石笋具有年代准确、环境和生态信息丰富、分辨率高、记录时间长等众多优点,是重建过去气候和生态变化历史的优质载体。下一步研究应该充分利用这些特点,力争在季风的年际和年代际变化以及不同气候态下环境与生物的相互作用两个方向取得进展。     

重庆丰都雪玉洞群洞穴现代监测与古环境研究回顾和展望

重庆丰都雪玉洞群包括羊子洞、雪玉洞和水鸣洞,西南大学的研究团队从2008年开始对雪玉洞群开展了系统的现代过程监测,以了解洞穴系统气候和环境信息的传输、转化和记录过程。通过对雪玉洞洞穴内外的大气、植被、土壤、基岩、滴水和洞穴沉积物等的动态监测,研究了碳酸盐沉积过程的水化学指标变化,揭示了现代洞穴滴水的影响因素和变化过程,以及碳酸盐沉积物对现代气候环境变化的响应,也为古气候的定量化研究提供了基础支撑。现代过程监测记录表明:雪玉洞CO₂主要来源于上覆土壤,其季节变化受降水的影响较大;在短时间尺度上受到游客旅游活动的影响明显,但幅度远远小于自然过程引起的变化。雪玉洞内次生沉积物的沉积速率具有明显的旱季、雨季特征,不同滴水点下方沉积物的沉积速率变化较大。雪玉洞群三个洞穴的石笋古环境记录研究表明,本区石笋的230Th/232Th比值较适合高精度铀系测年;部分石笋沉积速率较快,平均沉积速率达到0.25 mm·a?1,可以开展高分辨率的气候和环境变化研究。羊子洞YZ1石笋的年龄范围在116~3 ka B.P.之间（平均测年精度2σ,269年）,覆盖了整个末次冰期,δ18O和δ13C的变化曲线和东亚季风区的其他记录具有明显的一致性。同位素测试的时间分辨率平均为88年,成功记录了一些百年－千年尺度的气候突变事件,如Heinrich事件、7.2 ka事件、小冰期等。在精确年代学的基础上,雪玉洞群石笋具有重建高分辨率气候环境变化的潜力。      

石笋生长直径的测定及其在古气候重建中的应用

石笋是第四纪陆地气候重建的良好信息载体,对了解过去气候和环境的演变十分重要。中国石笋具有生长相对连续,年代准确,信息丰富等特点,为全球季风及其长期演化提供了不可多得的视窗。基于石笋而开发了一系列气候替代指标,如δ18O、δ13C、微量元素及其同位素组成、有机化合物及其同位素组成、生长速率等,在石笋古气候重建中得到广泛的应用。但是,作为石笋形貌学的基本特征,对石笋的生长直径及其对气候变化的指示意义却鲜有报道。本研究中,作者首先提出一种测定石笋生长直径的方法,然后利用该方法测定了湖北清江和尚洞HS4石笋顶部35 cm的石笋生长直径,并与研究区的气温和洪涝频率记录进行比较,探讨石笋生长直径对气候变化的响应。研究表明,通过纹层的识别和不同深度上纹层宽度的测定而建立的指数回归法较好地表征了石笋的生长直径,适合于一些具有明显纹层的石笋直径测定。HS4石笋的实际生长直径比理论计算值偏小,可能与洞穴结构有关;高的落差增加了岩溶滴水的冲力,水滴飞溅而导致有效水量的损失,即滴水的有效体积减少,石笋直径偏小。与温度相比,降水对石笋直径的影响更加显著,因而石笋直径是一个有效降水的替代指标,有望在石笋古气候的研究中得到应用。      

重庆地区石笋沉积速率与古气候意义初探

选取了重庆南川市梁天湾洞、丰都县水鸣洞相对沉积较快的两根石笋,通过TIM S- U测年数据进行平均生长速率计算,再结合其氧、碳稳定同位素数据进行分析,发现重庆地区末次冰期晚期以来石笋沉积速率与沉积特征、稳定同位素存在一定联系: 氧同位素偏轻,降水较多,石笋沉积颜色较浅,沉积速率较快;反之亦反。但石笋生长速率最快的时期并非总是氧同位素最偏轻、气候最为湿润的时期,可能因为除了温度、降水、植被的影响外,还受到其它因素的干扰,如洞穴岩层滴水管道条件的变化等。因此,石笋生长速率与稳定同位素的关系极为复杂,不能简单地一一对应,且以石笋生长速率作为古气候研究的替代指标还需谨慎。      

石笋矿物类型、成因及其对气候和环境的指示

洞穴石笋的矿物组成分为方解石、文石和文石-方解石三种类型。本文总结了国内外已有的研究成果,并结合野外观测现象和数据,讨论了影响石笋矿物形成和转变的因素,分析了利用石笋矿物类型特征研究古气候和古环境变化的可行性。洞内滴水饱和度和滴水中Mg/Ca比值是影响石笋矿物类型的主要因素:当滴水Mg/Ca 比值较低（Mg/Ca＜1或<<1）时,滴水饱和度较低易形成方解石,而文石沉积则需要更高的滴水饱和度;当滴水Mg/Ca 比值较高（Mg/Ca≥1）时,方解石相对文石沉积需要更高的滴水饱和度。洞穴围岩镁含量高且滴水多而稳定的洞内环境是我国南方大量文石笋发育的主要原因。长期处于滴水淋滤环境的文石笋容易向方解石转变,但若滴水中Mg2+浓度较大,此转变过程会受到抑制。在围岩镁含量较低的洞穴中,干旱时期渗流水滞留时间长、滴水速率变慢,会造成滴水中Mg/Ca比值升高并引起文石沉积。因此,石笋矿物类型及矿物相转变可指示气候和环境的变化。      

桂林洞穴滴水与现代碳酸钙δ18O记录的环境意义--以桂林七星岩NO.15支洞为例

现代洞穴动态监测的一个先决条件就是为洞穴碳酸盐(CaCO₃)沉积物-石笋的各种替代指标的解译提供可靠的依据,充分利用现代碳酸盐(CaCO₃)沉积物的各种替代指标,并与现代器测气象资料进行相互对比、并用以校正,是精确或定量解释石笋气候替代指标的关键.
经对桂林七星岩15号支洞的5个滴水点进行了长达四个水文年(2008~2011年)的大气降水、洞穴滴水、现代碳酸盐沉积物的动态监测和研究,并探讨了洞穴滴水和现代碳酸盐(CaCO₃)的δ18O与降水δ18O的相关关系.研究表明,洞穴滴水和现代碳酸盐(CaCO₃)的年平均δ18O值非常接近降水的δ18O平均值,并具有与地表降水δ18O相同的变化趋势,反映了洞穴滴水和现代碳酸盐(CaCO₃)的δ18O主要来自大气降水的δ18O,即明显受控于降水的δ18O.在4个水文年中,现代洞穴次生化学碳酸盐(CaCO₃)沉积物的δ18O值与滴水的δ18O值记录的年内(或年际)变化或多年的变化趋势基本相同,表现出明显的四高峰(δ18O低值区)四低谷(δ18O高值区)的波动变化特征,具有明显的年际、季节性变化规律,显示具有雨热同季的特点.研究结果表明洞穴滴水和洞穴现代碳酸盐(CaCO₃)沉积物的δ18O可以记录当地或洞穴上方的气候变化信号,即现代碳酸盐(CaCO₃)沉积物的δ18O主要作为夏季风强度或降雨量的替代指标.     

广西桂林凉风洞秋冬季滴水和沉积物氧同位素对极端降水的记录研究

近年来,全球环境变化导致的极端气候事件的发生频率剧增,引起了国内外学者的广泛关注。由于器测记录时间较短,因此需要通过精确连续记录古气候变化的石笋来解译极端气候事件的规律。本文针对桂林凉风洞2015年9月至2016年1月的大气降水、洞穴滴水和现代沉积物的氧同位素组成进行了高分辨率的监测。监测结果揭示了由于秋冬水汽源的改变,导致桂林地区大气降水δD、δ~(18)O同位素值显示逐渐偏正的季节性变化,并且建立了该区域大气降水线为:δD=8.8δ~(18)O+16.38。由于大气降水作为凉风洞水源补给唯一来源,使得洞穴滴水的δ~(18)O继承大气降水的δ~(18)O所蕴含的环境信息,进而记录在洞穴现代沉积物中。但是受到洞穴顶部岩溶表层带的平滑或者均一化的作用,使得洞穴滴水的δ~(18)O同位素值要偏正于大气降水的δ~(18)O同位素值。在极端降水信号输入岩溶表层带后由于存在不同的水文地球化学过程,从而导致洞穴沉积物对其极端降水事件的响应时间存在不同,并且在δ~(18)O同位素值也存在明显差异。因此,系统监测洞穴滴水、沉积物δ~(18)O同位素对外界环境信息的响应过程,能为量化或精确解译石笋δ~(18)O同位素记录所指代的古气候环境信息提供基础。     

南京汤山直立人遗址碳酸盐沉积的时标与高分辨率气候变化研究

为配合南京直立人生存时代和环境的研究,我们对南京汤山葫芦洞洞穴次生碳酸盐沉积物开展了年代学,同位素地球化学和显微岩相学等分析．６支石笋和５层钙板的ＴＩＭＳ铀系年龄测定结果表明,本区洞穴碳酸盐的发育时段几乎覆盖了０．５ＭａＢ．Ｐ．以来的地质时期。近３０...     

甘肃武都万象洞石笋双重光性微层特征

自1993年Baker等利用高精度TIM S-U系法对Tartair洞一根全新世石笋的发光条带进行年代测定,并通过计数证明其为年生长层之后,石笋微层以其明确的年代学意义和气候环境变化指示意义,逐渐被成功地应用于古气候的定量重建;1995年在北京石花洞国内首次发现石笋微层后,我国学者也开始逐渐关注石笋微层气候学,并对其进行了全面和系统的研究.我国已观测到的石笋微生长层大致可分为"北方型"和"南方型"两种,其中"北方型',微层主要分布在东部地区,在北京石花洞、银狐洞、本溪水洞、南京葫芦洞、山东开元洞等地均已发现,但在我国西部地区尚未见石笋微生长层的报道.最近,笔者在2007年3月采自中国西部青藏高原和黄土高原过渡带万象洞(33019'N,105000'E;海拔1200m)中的一根石笋中发现了典型的"北方型"微生长层.     

东亚季风区石笋δ13C是否记录植被变化:从川东北石笋记录的Heinrich事件说起

以往的研究中一般认为石笋δ13C变化的影响因素复杂,但在大多数报道中地表植被仍被认为是影响石笋δ13C变化的主要因素之一.本文综合国内外已发表的模拟试验研究结果及川东北地区已发表和未发表的石笋δ18O-δ13C数据,特别是Heinrich事件中石笋δ18O-δ13C的表现,指出地表植被不一定是影响石笋δ13C变化的主要因素,洞穴水文(如地下水流速、滴水速率、水文化学,等等)的变化可以解释通常观察到的石笋δ13C变化.植被变化的效应可以叠加在洞穴水文变化的效应上.洞穴系统的水文变化复杂性可能是造成石笋δ13C变化呈现较复杂特征的主要原因.     

小冰期东亚夏季风快速变化特征:湖北石笋记录

研究小冰期的结构特征及动力机理有助于理解全球增暖和极端气候事件的原因。基于湖北永兴洞总长为120 mm的YX275石笋7个高精度230Th年龄和120个氧同位素数据,重建了1361~1955 A.D.时段分辨率达5 a的东亚夏季风降水变化序列。该石笋δ^18O值在-7.8 ‰^-9.3 ‰范围内波动,长期趋势呈现出先缓慢增大后减小的变化特征,整体呈下凹形态。该记录与中国季风区北部和南部石笋记录变化大体一致,指示小冰期发生时东亚夏季风水循环发生减弱变化。在百年-数十年尺度上,YX275石笋记录的小冰期内5次显著季风降水减弱事件与南部贵州董哥洞、织金洞石笋记录变化一致,但不同于北方大鱼洞、九仙洞、黄爷洞和万象洞石笋记录的5次小幅度季风旋回特征,表明小冰期时中国南北部夏季风降水在短时间尺度上可能存在着区域差异。该记录与太阳总辐照度记录和北半球温度记录变化一致,表明太阳总辐照度和北半球温度变化对东亚夏季风水文变化有重要驱动作用。     

甘肃南部又发现一处天然大溶洞--黄爷洞

黄爷洞（33°05′N,105°00′E）位于甘肃省陇南市武都县安化镇马家沟村东北2km处,洞口海拔约1650m。初步探测洞长约2000m,洞穴顶板覆盖层厚约150m。洞穴发育受到山体EW向断裂控制,洞身整体为EW走向。洞内宽约1～9m,一般在2～3m之间;洞内高约0.5～10.0m,一般在3～5m之间。该洞是继武都万象洞^[1,2]之后发现的又一大型溶洞。洞内有各种类型的次生碳酸盐沉积物发育,主要有石笋、石钟乳、壁流石和石柱等,并且洞内流水和滴水充足,使得石灰岩被侵蚀成石槽、石窝等各种形状（图1）。根据考察,黄爷洞的石笋大部分乳白色,生长连续,提取的石笋气候信息将是研究万象洞石笋的有效补充。