洞穴次生碳酸盐稳定同位素古气候重建研究进展

近年来,洞穴次生碳酸盐沉积物因其有着湖泊沉积物、泥炭等无法比拟的测年优势,日渐成为陆地古气候重建的良好研究材料.通过铀系定年,可以获得过去60万年来精确的日历年时间序列,突破了其他陆地沉积物14C定年(5万年)的瓶颈.氧碳同位素作为洞穴石笋的古气候待用指标具有全球对比性,由于其高精度独立的时间标尺和无需校正同位素信号日渐成为其他气候记录对比的基石.在同位素平衡分馏条件下,石笋δ18O反映了当地气候的变化,在季风区一般反映降雨的变化,在欧洲则更多反映温度的变化.通过石笋1δ8O与北大西洋冰漂碎屑事件以及甲烷的对比关系,可以将海洋钻孔和两极冰芯的记录调谐到独立时间标尺的石笋记录上,进而可以探讨全球联系及其驱动机制.影响石笋1δ3C变化的因素比较复杂,一般在轨道尺度上指示了植被类型C3/C4比率的变化,而在更短时间尺度内主要受到土壤CO2活力的影响,进而可以反映当地降水和温度的变化.尽管洞穴石笋研究工作取得了较大进展,但仍然有诸多机理问题尚未解决,在介绍洞穴沉积物稳定同位素古气候重建研究现状的基础上,对今后的研究方向进行一定的探讨.     

洞穴石笋δ^18O与δ^13C气候意义研究

利用洞穴次生化学沉积物进行古环境重建是第四纪全球变化研究的一个热点,而碳氧稳定同位素是最重要的气候替代性指标.不少研究者利用洞穴次生沉积物如石笋中碳氧稳定同位素的记录已恢复了部分地区不同时间尺度古气候.同时,研究人员也面临着合理解释一系列机理性问题的挑战,如氧稳定同位素气候意义的多解性、碳氧稳定同位素在定量重建古气候方面存在一定程度失真现象等诸多问题.文中全面论述碳氧稳定同位素在古气候重建中定性与定量研究上存在的局限性,并在此基础上指出:要分别探究石笋中δ18O与δ13C各种来源进入洞穴石笋的地球物理化学全过程及其控制机制;研究现代大气降水同位素组成的各种效应在不同时空的组合规律;尽快建立更为科学的大陆矿物-水地质温标.     

基于EEMD方法的全新世亚洲季风石笋氧碳同位素对比研究

采用集合经验模态分解方法(EEMD),对贵州省董哥洞全新世石笋δ~(18)O、δ~(13)C记录进行多尺度分解,分别获得8、9个本征模分量。在254 a以下尺度上,石笋δ~(13)C和δ~(18)O的本征模分量基本一致,其中254 a和116 a两个周期都类似于大气Δ~(14)C表征的太阳活动周期,表明植被生产力和低纬水汽都受控于太阳活动。同一周期对应的δ~(13)C振幅几乎是δ~(18)O的2倍,说明洞穴地点的土壤生产率放大了太阳活动的初始信号。526 a周期对石笋δ~(13)C贡献最大(~20%),与北大西洋深层水体550 a周期一致,可能的机制是北半球高纬气候通过西风带影响了东亚大陆的环境变化。石笋δ~(13)C的趋势分量变化平稳,明显不同于δ~(18)O的趋势分量,表明洞穴地点的土壤生产率并不直接响应于轨道尺度的太阳辐射变化。     

湖泊无机碳酸盐矿物氧同位素组成差值及其单矿物同位素组成的确定

湖积物中不同无机碳酸盐矿物常常混杂在一起,其氧同位素组成(δ18O)差异会影响碳酸盐δ18O环境信息提取的可靠性。不同矿物之间δ18O差值明显且幅度不一。20~25℃时生成的白云石比共生的方解石富集18O可能为0‰~9‰不等,亦或方解石比白云石可能更富集18O达0‰~12.3‰。常温状态,相同条件下形成的文石δ18O值较方解石高出0‰~1‰,或者方解石较文石δ18O值高出0‰~4.47‰。镁方解石中MgCO3的mol百分含量每增加1%,其δ18O值相对于纯方解石δ18O值增加0.06‰~0.17‰。在利用碳酸盐δ18O进行气候及环境研究时,不能根据某种差值进行校正,而应进行单矿物测试。由此,对不同无机碳酸盐矿物的分离及同位素测试、推算方法进行了归纳和述评。     

环境同位素记录中共生碳酸盐氧同位素分馏差值的影响

湖泊化学沉积碳酸盐δ18O是研究区域气候演变的重要环境指标之一。青海湖等闭流湖泊的研究结果证实,在对δ18O环境记录进行共生碳酸盐氧同位素分馏效应校正时,应依据具体情况,采用0-1‰的分馏差值。由高温实验结果推断出的常温分馏差值(4‰-7‰)不能被应用到自然条件下湖泊共生碳酸盐氧同位素分馏效应的校正。     

湖泊自生碳酸盐氧同位素环境记录研究：（一）环境解释模型

湖泊自生碳酸盐氧同位素组成(δ18OC)在区域气候与环境变化方面的应用研究近年来发展迅速,成果令人瞩目,保存在各类湖泊沉积物柱芯中的δ18OC记录揭示了湖泊水温乃至汇水区域气温,湖泊不同水深处的水温差异、湖泊水位、降水δ18O、冰川融水δ18O、湖水盐度等重要的气候和环境信息。对前人通过研究来自不同类型湖泊、具不同曲线形态的δ18OC记录提出的多种环境解释模型进行了归纳。     

过量氘新的定义及其在极地地区的应用综述

水汽中过量氘主要受蒸发过程中非平衡动力分馏控制,而水汽冷凝过程一般认为同位素发生平衡分馏,平衡分馏过程对降水及水汽中过量氘影响较小,因此理论上可以利用冰芯过量氘记录进行水汽源区环境条件的定量重建。在极地地区,较低的温度导致水汽的冷凝程度较高,氢(δD)与氧(δ~(18)O)稳定同位素的斜率受与温度有关的平衡分馏系数显著影响,因此极地降水中过量氘实际上还受平衡分馏系数影响;此外,随着水汽冷凝程度的升高,水汽中δD/δ~(18)O值越来越低,δD和δ~(18)O之间的非线性关系越来越明显,这导致传统线性过量氘(定义为d_(excess)=δD-8δ~(18)O)的值还受同位素值本身的影响。因此,上述线性过量氘定义的不足使得利用极地冰芯过量氘记录进行水汽源区环境条件定量重建的精度受到了很大的限制。为了弥补传统线性过量氘定义的不足,近年来一些研究者提出了过量氘的对数定义和指数定义。本文旨在说明传统线性过量氘定义的不足,详细介绍两种过量氘新定义的基本原理与优势、最新研究进展及其在极地地区的应用前景。     

黄土高原东缘晚全新世高精度高分辨率石笋古环境记录

基于山西武乡太行龙洞一支石笋5个230Th年龄和190个氧同位素数据重建4 400~150 a B.P.高分辨率δ18O序列。石笋δ18O值逐渐增加,除最近约600 a外,在千年尺度长期趋势变化上与中国南部其它洞穴记录相一致,表明晚全新世亚洲夏季风强度持续减弱响应于同一驱动机制。一次显著的气候突变事件发生在2 550~2 000 aB.P.,与史料记载的干旱期大致相对应。功率谱分析揭示出106 a周期,与树轮Δ14C太阳活动周期大体一致,说明百年尺度上太阳活动与东亚季风变化有一定关联性。     

南极雪冰中硝酸根稳定同位素研究进展

硝酸根(NO_3~–)是南极雪冰中主要的化学离子之一,过去对雪冰NO_3~–记录与气候环境信息的关联开展了广泛研究。然而,不同于雪冰中其他化学离子,NO_3~–沉积进入雪层中会发生一系列复杂的沉积后过程,给定量解读雪冰NO_3~–的气候环境信息带来了严峻挑战。NO_3~–的稳定同位素构成则为定量解译大气氮的来源、氧化剂的相对丰度等提供了有力工具,受样品量(尤其是冰芯)和含量所限,目前对南极雪冰中NO_3~–稳定同位素研究仍非常薄弱。本文综述了目前南极雪冰中NO_3~–稳定同位素的空间分布特征和主要影响因素、NO_3~–的沉积后过程和相关机制及南极雪冰中NO_3~–稳定同位素记录,并指出了目前研究存在的主要问题,探讨了未来南极雪冰中NO_3~–稳定同位素可能的研究重点和方向。     

青海湖介壳与无机碳酸盐氧同位素组成差异的环境意义

青海湖Q14B沉积物柱芯560~415 cm(约14.0~10.5 ka B.P.)段,介壳1δ8O高于无机碳酸盐1δ8O可能反映了此时青海湖表层水温高于底层水温;介壳1δ8O与无机碳酸盐1δ8O之间的较小差值可能揭示了此时青海湖水位很浅,气候干冷;介壳1δ8O变幅大于无机碳酸盐1δ8O变幅,则可能源于此时青海湖水位大幅度波动导致的底层水温变幅超过表层,以及无机碳酸盐1δ8O测自全碳酸盐所致。在利用湖泊碳酸盐1δ8O进行气候及环境变化研究时,有必要分别测试不同种属介形虫及不同无机碳酸盐矿物的同位素值。     

西北冰洋楚科奇海台08P23孔氧同位素3期以来的古海洋与古气候记录

通过中国第三次北极科学考察在北冰洋楚科奇海台采集的08P23孔样品的多项指标分析以及与其他孔的沉积记录综合对比,将08P23孔沉积物初步分为氧同位素3期(MIS 3)-MIS 1的沉积序列。MIS 3以来,楚科奇海台08P23孔可以识别出5个显著的冰筏碎屑(Ice-Rafted Detritus,IRD)事件,分别出现在MIS 2和MIS 3。其中,MIS 3的IRD事件中碎屑碳酸盐岩主要来自于加拿大北极群岛分布广泛的古生代碳酸盐岩露头,MIS 2的IRD事件中碎屑石英可能来源于欧亚大陆边缘。该孔大部分层位浮游有孔虫左旋厚壁新方球虫Neogloboquadrina pachyderma(sinistral)(Nps)的δ18O和δ13C都轻于表层沉积物中的平均值。MIS 3中两个褐色层中偏轻的Nps-δ18O和Nps-δ13C值是由冰融水造成;MIS 1和MIS 3灰色层中偏轻的Nps的δ18O和δ13C值指示海冰形成速率的提高,导致轻同位素卤水的生产和下沉。MIS 2的Nps的δ18O和δ13C值变化趋势相反,是因为温度急剧降低导致Nps-δ18O变重,海水冻结成冰,海气交换明显降低使得Nps-δ13C偏轻。MIS 1和MIS 3的Nps的δ18O和δ13C受到融冰水或轻同位素卤水影响导致同时偏轻。     

湖泊自生碳酸盐氧同位素环境记录研究：（二）问题

对前人提出的湖泊自生碳酸盐氧同位素组成（δ18Oc）多种环境解释模型作了评述,指出了各种模型存在的局限性。提出在利用δ18Oc变化进行气候和环境变化研究时,需注意气温对湖泊δ18Oc的影响机制,湖水不同深度层的水温差异对化学沉积和介壳碳酸盐δ18Oc的影响δ18Oc和湖泊水位、降水δ18Oc、湖水盐度的关系,碎屑和自生碳酸盐矿物的分离,湖泊不同碳酸盐矿物间δ18Oc差值的确定,单矿物同位素组成的测试,不同前处理方法对δ18Oc测定的影响,以及碳酸盐沉积时的不平衡效应等问题。     

最近500年来福建玉华洞石笋氧同位素记录及气候意义

基于福建将乐玉华洞一支石笋(YH1)4个230Th年龄和370个氧同位素数据,并利用具有年层时标的湖北清江和尚洞石笋氧同位素记录的校正,重建了AD 1530以来1~3 a分辨率的石笋氧同位素序列。与当地现代器测气象资料对比发现,最近60 a来玉华洞石笋δ18O与当地夏半年降水量相关性最为显著(R=-0.35,n=55),而受温度的影响较弱,玉华洞石笋氧同位素较好的指示了当地夏半年降水量变化的信息。最近100 a来,福建玉华洞石笋的氧同位素组成具有逐渐变重的趋势,与其他地区高分辨率石笋δ18O具有相同的变化趋势,而且也与季风指数指示的季风减弱趋势相一致,进一步证实季风区石笋δ18O反映了东亚季风大尺度环流特征;在小冰期中后期(AD 1530~1850),玉华洞石笋δ18O在平均值-5.9‰高频振荡,存在一系列的数十年际尺度的季风增强和减弱事件,与亚洲—太平洋涛动(Asian Pacific Oscillation,APO)指数密切相关,说明玉华洞石笋δ18O所指示的降水信息受APO变化的影响。     

哈尼梯田区降水稳定氢氧同位素的旱雨季变化特征及其影响因素

水的稳定同位素(D和O)是水文过程的重要示踪剂。本文以哈尼梯田文化景观遗产核心区全福庄河扇形小流域为研究对象,通过采集流域内雨季和旱季的大气降水样品,并测定和分析氢氧同位素值(D和δ18O),得出以下结论:(1)研究区全年大气降水线方程为:δD=8.35δ~(18)O+22.41(R2=0.98,n=48),但年内旱季和雨季降水线方程的斜率和截距差异明显。(2)研究区大气降水中氢氧稳定同位素组成具有明显季节差异,雨季降水中氢氧同位素贫化,d值偏低;旱季降水氢氧同位素值相对偏正,d值偏高,这与我国季风区旱雨季水汽来源差异有关。(3)根据相关分析可知,温度、降水和相对湿度3个要素的变化是研究区降水同位素值变化的主要影响因素,但在不同的时间尺度下影响降水同位素变化的环境因素存在差异。(4)在年尺度下降水和相对湿度是主要的影响因素;在旱雨季尺度下,温度是雨季降水同位素值变化的主要因素,而温度、降水量和相对湿度对旱季降水同位素值变化的影响则不显著,旱季降水同位素δ18O值变化为三因素共同作用的结果。     

贵州SJJ-1石笋δ~(13)C与δ~(18)O的不同步性及原因

为研究石笋δ~(13)C与δ~(18)O在千年尺度随时间的变化关系,通过对比贵州石将军洞SJJ-1石笋的δ~(13)C与δ~(18)O变化发现二者之间既有相似性又不完全同步。千年尺度两者之间的相似性主要由δ~(13)C与δ~(18)O共同受太阳辐射驱动的东亚季风强度变化所致。通过中国地层孢粉反演的植被空间格局变化,碳氧同位素的滞后期与太阳辐射相对于植被变化的滞后时间一致。因植被中δ~(13)C随年降水量增加具有变轻趋势,因此,两者的不同步性更大可能是太阳辐射驱动的季风强度变化与植被变化的不同步性引起。     

年际―年代际尺度上南海北部SST与 东亚夏季风强度的负相关关系

选取南海北部珊瑚带宽-SST分别与甘肃万象洞WX42B石笋和贵州董哥洞DA石笋的δ18O记录在不同时段进行对比,揭示了南海北部SST变化与夏季风强度的关联。结果显示：在年际―年代际尺度上,南海北部珊瑚带宽-SST与石笋δ18O记录的夏季风强度存在负相关关系：南海北部SST升高,石笋δ18O偏重,夏季风强度减弱;反之亦然。南海北部器测SST与万象洞WX42B石笋δ18O记录的对比也证实了这一关系的存在。ENSO活动影响着季风区的降雨量,控制着南海北部的SST变化。ENSO的存在可能是造成这种负相关关系的直接原因。由于ENSO活动与季风区降雨量的关系存在区域性差异,南海北部SST与局部地区夏季风强度之间的关系仍需进一步的研究。     

文石方解石化对文石石笋δ18O记录的影响

近年来,文石石笋成为古气候研究的新材料,但文石的方解石化对文石石笋氧同位素的影响问题仍未很好地解决。选取湖南湘西莲花洞方解石化文石石笋LH5为研究对象,基于18个TIMS-U系年龄和311个δ18O,探讨了方解石化对文石石笋古气候记录的影响。结果表明：1）文石的方解石化会引起文石矿物中所赋存的铀元素流失,造成铀系年龄的倒转,但LH5石笋中下部铀系衰变体系的开放程度较低（＜10%）,在剔除异常年龄后,仍可构建时间标尺。2）通过末次冰消期气候事件的对比发现：文石的方解石化会导致δ18O的异常波动,末次冰消期其他中国南方石笋记录的气候事件,如B?lling-Aller?d和新仙女木事件等在LH5石笋中都难以确认。而在LH5石笋的中上部文石层段,δ18O波动却能够很好地记录气候的变化。3）洞穴滴水的淋滤被认为是文石方解石化的主要原因之一。但对于LH5石笋而言,洞穴滴水的溅蚀作用可能在文石向方解石转变过程中起到了重要作用。由于在石笋的不同部位受到溅蚀淋滤的强度不同,以及石笋结构的非均一性等原因,导致文石的方解石化不均匀,这也最终造成LH5石笋文石-方解石层段δ18O的非线性变化,失去记录气候变化的能力。     

苦海沉积物有机质反映的过去840年来青藏高原东部环境变化

青藏高原对全球气候变暖响应敏感,研究青藏高原近千年来环境演化过程、规律与驱动机制对预测其未来气候变化有重要意义。本文通过位于青藏高原东部的苦海沉积物总有机质相关指标(总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总有机碳与总氮比值(TOC/TN)和总有机碳同位素(δ¹³Corg)的研究重建了该区域过去840年来环境演化过程。结果表明,苦海沉积物中的有机质主要来自于内源水生植物。由于暖期(冷期)时黄河上游径流量较高(低),苦海水位随之升高(降低),湖泊水动力增强(减弱),浅水区沉水植物对研究岩芯中的有机质贡献率提高(降低),导致沉积物TOC、TN、TOC/TN升高,δ¹³Corg值正(负)偏。人类活动导致的青藏高原近50年气候异常变暖可能是~1950 AD之后δ¹³Corg反映的黄河上游径流量变化与重建的中国温度记录之间的关系发生转变的原因。苦海沉积物δ¹³Corg记录与万象洞石笋δ¹⁸O记录和太阳总辐射强度记录变化特征的相似性说明青藏高原东部地区气候变化的控制因素为太阳辐射驱动下的季风降雨量变化。     

新疆木垒煤田区域地下水补给来源分析

查清煤矿区地下水的补给及流动模式是矿区安全开采的重要基础保障之一。通过环境同位素示踪剂(~2H和~(18)O)以及地下水~(14)C测年技术,识别出新疆木垒煤矿区地下水的补给来源。结果显示:该区中部平原区地下水的主要补给来源为高海拔山区降水,南部地区潜水的平均补给高程约为1 700~2 300 m。~(14)C测年结果与同位素δ~(18)O低值表明,第三系碎屑岩类孔隙裂隙水是晚更新世寒冷气候条件下补给形成的;侏罗系孔隙裂隙水、基岩裂隙水与现代潜水之间存在有一定程度的水力联系,地下水的补给流动途径是基岩裂隙水在出山口渗出地表后部分通过山前透水层渗入地下,进而补给潜水及第三系裂隙水或侏罗系孔隙裂隙水。     

河北坝上地区湖泊沉积物记录的中全新世干旱气候

根据位于典型草原带的河北坝上地区白诺尔及毗邻的内蒙古乌兰诺尔湖泊沉积物的K、Na、Ca、Mg等化学元素组成、总有机碳(TOC)与氧同位素(δ¹⁸O)的分析,以(K+Na+Ca+Mg)/(Fe+Mn)值指示干旱度,1δ8O值指示夏季风的强弱,TOC值指示湖区植被状况,探讨了该地区¹⁴C测年9.8~5.3 ka B.P.以来的气候变化与环境变迁。结果表明:两个剖面所记录的气候变化趋势相近,¹⁴C测年7.0~5.7 ka B.P.为偏干期。反映夏季风强弱的氧同位素指标与干旱程度的变化没有明显的对应关系,说明夏季风引起的降水量变化不是气候干湿变化的主要影响因子,温度升高导致的蒸发加强可能对气候干旱化的影响更加明显。