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.     

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。     

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.     

中晚全新世湘西莲花洞石笋灰度变化特征 及其古气候意义

以湖南湘西莲花洞LH2石笋为研究对象,在高精度铀系定年的基础上,构建了湘西地区中晚全新世文石石笋灰度序列。中晚全新世,LH2石笋灰度值与δ18O值呈负相关同步变化,与旋回沉积速率呈正相关关系。LH2石笋的剖面灰度与文石的结晶形态有关,受降雨量和温度的控制。LH2石笋灰度显示,中晚全新世（8.6—0.03 ka B.P.）湘西地区气候变化可以划分为3个阶段：8.6—5.7 ka B.P.期间,夏季风强盛,气候暖湿,灰度值整体偏高;5.7—2.8 ka B.P.期间,灰度值逐渐降低,指示夏季风持续减弱,气候从暖湿向冷干过渡;2.8—0.03 ka B.P.期间,灰度值整体偏低,且存在较大幅度的波动,表明该时段气候整体偏冷干,但其间存在明显的温湿波动。在轨道尺度上,LH2石笋灰度值主要受北半球夏季太阳辐射量和热带辐合带（ITCZ）位置的控制。在百年尺度上LH2石笋灰度值的突变可能与北大西洋冰筏事件存在关联;年代际尺度上,LH2石笋灰度的变化受太阳活动和太平洋年代际涛动（PDO）的调控。在年际尺度上LH2石笋灰度的波动可能受厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）活动驱动。     

中国季风区石笋氧同位素气候指示意义:主要争议与几个重要问题

对近些年来国内外广泛争议的话题——中国季风区岩溶洞穴沉积氧同位素组成(δ~(18)O)的气候指示意义进行了梳理,简要介绍了有关争议各方的主要观点。同时针对中国季风区洞穴沉积δ~(18)O的研究提出了几个重要问题:同位素平衡分馏的检验问题、洞穴沉积δ~(18)O记录的相似性(重复性)与差异性,以及洞穴通风可能对洞穴沉积δ~(18)O记录的影响等。这些问题涉及到洞穴沉积δ~(18)O记录与气候指标之间的联系机制,对其探讨可能有助于解决有关争议。因此,建议在今后的研究中应该重点关注这些问题,因为洞穴沉积δ~(18)O与气候环境指标之间的联系机制是中国季风区内应用洞穴沉积δ~(18)O进行古气候古环境研究的基础。     

南京猿人洞石笋年代学研究及其古气候记录

铀系测年和石笋同位素曲线调谐年代表明,位于南京直立人头骨化石层位上之的一支石笋发育年代为３８１￣１６６ｋａ Ｂ．Ｐ．这一结果反映南京直立人生存时代早于３８１ｋａＢ．Ｐ．。从石笋方解石晶体液相包裹体δＤ测试结果定量计算了该时段内各冷、暖期的古气温,石笋显微剖面中方解石结晶习性和生长条带的特征揭示了洞穴干湿度的变化。     

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。     

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。     

重庆地区末次冰期气候变化的石笋记录研究

对采自重庆金佛山梁天湾洞穴的1 根长达295 mm的石笋进行了高精度的TIMS-U系定年和碳氧同位素测试分析,建立了末次冰期晚期(31.90~15.21 ka B.P.)长江中游较高分辨率(平均为280 a/mm)的古气候变化序列。从石笋的氧同位素曲线中明显地检出Heinrich事件,并且氧同位素曲线与南京葫芦洞和贵州董歌洞的石笋记录有着良好的对比关系。但明显的差别是,重庆地区石笋的同位素记录表明,该地区末次冰期晚期古气候是受西南季风和东南季风双重影响的。     

高分辨率石笋记录的三峡库区小冰期气候变化

基于重庆水鸣洞石笋(NSM03)7个230Th年代数据和438个δ18O数据建立三峡库区1250~1750 A.D.时段分辨率约为1 a的δ18O记录。分析显示石笋δ18O值在1280 A.D.开始迅速偏重,在1300 A.D.附近偏到近500 a来最重,显示季风迅速减弱,库区进入小冰期。石笋记录显示小冰期存在明显的年代际尺度干湿波动,特别是在1400~1650 A.D.时段石笋δ18O值高频振荡,显示季风降水处于频繁波动期。功率谱分析显示石笋δ18O序列具有显著树轮Δ14C周期和ENSO准周期,揭示太阳活动是小冰期主要驱动因素,同时受到海气耦合作用影响。     

黔北洞穴石笋记录的末次冰消期至早全新世百年～十年际气候变化

通过黔北三星洞2支石笋(编号:SX3-a和SX14)的25个高精度230Th年龄(测年误差≤76 a)和740个氧同位素数据,重建了末次冰消期至早全新世(16.82±0.04~8.29±0.03 ka B.P.)平均分辨率达10 a的亚洲夏季风演变历史。无论在千年尺度还是百年尺度,甚至是十年际气候事件上,三星石笋δ18O记录的季风气候与北高纬气候都存在耦合关系。然而,在波令-阿勒罗德(B?lling-Aller?d)时期,与格陵兰冰芯所记录的温度逐渐回冷的趋势相反,亚洲夏季风表现出逐渐增强的过程。太阳辐射能量的增加和越赤道气流的增强有可能是引起此时期夏季风增强的主要原因。在前北方期(11.7~9 ka B.P.)时,南极温度、大气CO2浓度和CH4浓度等在新仙女木(Younger Dryas,YD)结束后均达到最大值,而石笋δ18O记录表明在YD冷事件结束后,直到9 ka B.P.左右亚洲夏季风才达到最盛期。冰消期结束后,虽然太阳辐射能量已经达到高值,但直到9 ka B.P.之前,北美大陆仍然残留较大的冰盖,有可能对夏季风的增强起到一定的限制作用。另外,早全新世南极变冷同样有可能通过加强越赤道气流来影响夏季风气候。     

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。     

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。     

晚更新世晚期以来雷州半岛北部泥炭腐殖化度的古气候意义

在14C测年的基础上,分析了雷州半岛北部湛江市屋山泥炭剖面和遂西县下录泥炭剖面的沉积特征及其腐殖化度、有机质含量变化,发现两个剖面在相同时段内的沉积特征和气候环境特征都比较吻合,充分证明了研究区区域的气候环境变化是控制两个地点泥炭发育的主要因素.研究表明:泥炭腐殖化度敏感地记录了古气候信息,其高值指示气候相对暖湿,低值指示气候相对冷干.50-30 cal ka BP期间雷州半岛北部气候暖湿,30-10calka BP期间气候则相对冷干.将其腐殖化度与格陵兰NGRIP冰芯δ18O对比发现:50-30 cal ka BP期间雷州半岛北部存在多次短尺度的气候冷干事件,其中千年尺度气候事件很好地响应了Heinrich事件H5-H3.     

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。     

基于石笋记录的云贵高原古气候变化研究进展

重建古气候、古环境已成为当今全球变化研究的热点.石笋作为岩溶洞穴次生化学沉积物的典型代表,是古气候研究的重要载体.基于近年来已报道的贵州荔波、茂兰、都匀凯口及云南寻甸、宣威、宁蒗等地11个洞穴30余根石笋的氧同位素数据的综合分析,认识云贵高原163 kaBP以来的古气候变化情况.结果表明,163kaBP以来,青藏高原隆升对全球气候格局的改变及季风系统的形成起到重大影响,在此大背景下,云贵高原气候演变体现了全球一致性,也呈现出其自身规律：（1）倒数第2次冰期的冰盛期（163.3～ 129.28 kaBP）,气候严寒干冷,期间伴随温凉向冷干的转变;（2）末次间冰期（129.28～78.92 kaBP）,气候温暖湿润,但期间冷暖波动变化幅度很大;（3）末次冰期（78.92～11.2 kaBP）,气候极不稳定,冷暖波动很大,总体呈现降雨由多变少,气温由高变低的变化趋势;（4）全新世（11.2 kaBP至今）,气候温暖,雨量充沛,气候呈现变暖—高温—稍变冷—恢复的变化趋势.云贵高原作为一个特殊区域,即东亚季风与印度季风的过渡带,对研究中国甚至于全球季风系统的演变发展有着重要意义.通过多指标多手段,提高研究区研究精度,拟建古气候变化曲线,应对全球变暖的区域性实证研究及未来气候模拟预测将是今后努力的方向.     

云南寻甸地区全新世中期气候变化模式研究

通过对云南寻甸白石岩仙人洞1号石笋(XR1)进行TIMS-U系测年和氧碳同位素分析,揭示了该区全新世中期氧碳同位素气候演化的模式。依据石笋不同时段有机碳含量的变化,重建了基于石笋有机碳指标的气候变化模式。通过对比,发现这两种指标所记录的寻甸地区古气候变化过程几乎完全一致。云南寻甸地区全新世中期的气候演化可分为3个气候期:1)8 000—5 600 aBP为温暖湿润期,气温较高,降水丰沛,石笋的氧碳同位素偏负,有机碳含量偏高;2)5600—4500 aBP为气候突变期,气候由温湿变为冷干,石笋氧碳同位素持续偏正,有机碳含量持续降低;3)4500—2100 aBP为冷干气候期,该期气候稳定,氧同位素和有机碳含量变化不大,均维持在较低水平。     

南京年纹层石笋δ18O记录的冰期气候事件特征

根据南京葫芦洞一支石笋高精度²³⁰Th年龄及纹层计数建立24~21 ka B.P.时段平均分辨率3年的δ¹⁸O季风降水序列,精确标定了IS2事件的发生时间。通过与极地冰芯记录对比,发现G ISP2与石笋时标一致,而GR IP和NGR IP时标在相当事件上偏年轻800~2000年。结合洞内另一支不同时段的石笋年纹层记录,证实东亚季风降水与极地气候在反映气候事件特征上有所不同,季风气候在由干向湿的转型期(包括H2、H1)呈现阶梯式增长特征,其持续时间均超过600年,有可能说明除北大西洋温盐环流外,低纬太平洋海-气耦合也是东亚季风气候的重要触发源。     

柴达木地区近三百万年来古气候环境演化的初步研究

本文根据柴达木地区三口钻井岩心的湖相沉积矿物学分析、盐类矿物包裹水及介形类化石δD、δ~(18)O、δ~(13)C等分析,初步建立了长、短时间气候曲线。研究结果表明该地区近300万年来存在着5次较明显的气候冷暖波动,而干湿变化则更趋频繁。推测近5万年来湖泊水体经历了早期的相对稳定蒸发阶段、中期的低温干化阶段、晚期(冰后期)的前5千年在干化的基础上水体复苏和后5千年水体收缩的演化阶段。     

萨拉乌苏河流域末次间冰期全球变化区域响应的主元素记录

萨拉乌苏河流域米浪沟湾剖面末次间冰期层系记录了8．5个风成的古砂丘砂与河湖相或／和古土壤构成的沉积旋回。通过对该层系主元素含量分布规律的分析，认为所述沉积旋回主要是由干湿寒暖气候旋回波动所致。研究亦表明，末次间冰期层系60LS～82S可进一步划分为5个层段，它们在时间和气候的主要阶段上与氧同位素5阶段中之5a、5b、5c、5d、5e诸亚段相近。不仅如此，若干反映冷干气候的风成砂丘砂堆积层位与末次间冰期GRIP冰芯δ^18O及西太平洋暖池planktonic δ^18O记录的冷凉事件，特别是与黄土高原记录的9次粉尘事件在时间上具有很好的对应关系。