本溪水洞石笋微层年代学初步研究

对本溪水洞全新世石笋ＴＷ９８０１不同级次微层分别计数，结合该石笋的ＴＩＭＳ－２３０Ｔｈ年龄，指出石笋 ＴＷ９８０１某一级次的微层是年层。结合其他全新世北方型石 笋微层研究结果，总结出中国北方型石笋年层的镜下影像特征，并由此提出石笋微层 计数年代学的研究思路。     

北京石花洞石笋微层灰度变化特征及其气候意义——Ⅰ.微层显微特征

通过对北京石花洞石笋TS95 0 1薄片样品的微层灰度显微特征分析 ,初步归纳了亮度变化类型、暗色有机物分布规律和微层层内的亮度变化型式 ,探讨了微层的年层意义 ,建立了伪年层和多年层的基本区分标准 .为利用灰度信息研究古气候变化提供了理论依据     

倒数第三次冰消期亚洲季风气候可能的类Younger Dryas事件

对湖北省神农架两个高海拔洞穴(天鹅洞: 海拔1600 m; 永兴洞: 海拔1400 m)石笋实测了7个U-Th年龄、560个氧同位素以及年纹层厚度变化序列. 天鹅洞石笋十年际分辨率δ ¹⁸O曲线十分类似于江苏南京和贵州荔波石笋记录的波令暖期和新仙女木事件基本特征, 表明本区石笋δ ¹⁸O反映了区域性亚洲季风经向环流及其降水变化特征. 相距天鹅洞约70 km的永兴洞石笋高分辨率(平均30 a左右) δ ¹⁸O时间序列揭示了倒数第三次冰消期亚洲季风突变过程. 基于3个U-Th年龄和连续5000 a左右生长纹层计数结果, 在245±5 kaBP左右冰消期识别出一个千年级冷事件. 这一事件持续时间为1371±59 a, 并在74±4 a内快速向间冰期(MIS7e)突变, δ ¹⁸O的变幅达2.30‰, 相当于冰期/间冰期振幅的1/2强. 这些事件特征类似于亚洲季风区石笋δ ¹⁸O记录的新仙女木事件, 说明新仙女木事件不是末次冰消期的一次偶然事件, 很可能是第四纪冰盖、大尺度海洋/大气环流耦合作用的产物.     

北京石花洞石笋微层灰度变化特征及其气候意义--Ⅱ. 灰度的年际变化

通过对北京石花洞石笋ＴＳ９５０１薄片样品微层灰度特征的研究,分析了影响灰度变化的各种环境因素,归纳了适于灰度测量石笋样品的条件是：（１）当地气候有明显的季节性差异;（２）溶洞埋深不宜过大,洞穴上方岩石中无横向水流,渗水为垂向运动;（３）渗水通道的调蓄能力能够保证季节性环境差异不会被破坏;（４）石笋样品含较多的有机杂质,不宜过于纯净,并在样品生长方向上有明显变化．通过与现代器测记录对比,发现石笋薄片透光条件下测得的灰度主要受地表气温（尤其是夏季气温）的影响,可以作为气温的替代性指标．并以此分析了北京地区一千多年来的气温变化,揭示出北京地区也存在几次明显的小冰期,与历史记录基本一致．而且在１４００ＡＤ前后气温型式有明显变化,此前的气温变化幅度小、波动较弱,而此后的气温波动剧烈、变化幅度大,出现了几次明显的小冰期．这种变化在世界其他地区的地质记录中也有表现,可能指示一次全球性的气候型式变化。     

中国石笋古气候研究的回顾与展望

石笋是洞穴次生碳酸盐的一种,是由含Ca2+和HCO3的洞穴滴水滴到洞穴地面后,水中碳酸钙在一定条件下过饱和析出,经年复一年沉积形成.石笋是古气候研究的重要地质材料之一,其优势在于空间分布广、适合UTh和U-Pb精确定年、气候代用指标丰富、记录较连续、时间跨度较大、相互对比性强和采样成本低等.以上有利因素使得洞穴石笋在全球气候变化研究领域有着不可替代的重要作用.石笋古气候研究于20世纪60～70年代在欧美等西方国家起步,中国的相关研究是在改革开放后80～90年代中期逐步发展起来的.这一时期虽然总体研究水平与国际水平有较大差距,但打下了良好的研究基础、培养了多个人才队伍.进入21世纪,以2001年发表南京葫芦洞石笋记录为起点,中国石笋古气候研究在开放合作的基础上,迎来了蓬勃发展和真正意义上的飞跃,产生了重大国际影响,在多个相关技术和研究领域迈向了国际前沿.标志性成果包括建立了目前世界最长的东亚季风(64万年)石笋记录,以及印度季风(28万年)、南美季风(25万年)、北美西风区(33万年)、中亚西风带(13.5万年)和中国西部西风带(50万年)最长的石笋记录,奠定了这些气候系统石笋古气候研究的里程碑;揭示了轨道-亚轨道尺度上亚洲季风与太阳辐射、南-北极地气候变化的关联,以及与南美季风的反相位关系,为发展轨道-亚轨道气候变化理论提供了新的内涵和证据;阐述了亚洲季风与西风带气候模态之间的耦合和分异关系;精细刻画了全新世亚洲季风变化历史、提供了中国和印度文明-文化演化的水文气候变化背景;建立了大量的2000年以来的高分辨率石笋记录,对理解短尺度气候变率、幅度、事件、周期及预测未来气候变化具有重要意义;改进或发展了包括U-Th测年技术在内的多项重要技术和新的水文气候学指标;为精准重建大气14C做出了重要贡献.展望未来,中国石笋界将继续发展关键技术、进一步厘清石笋指标的水文气候学意义、注重与相关学科的融合交叉、聚焦全球气候变化的前沿科学问题和重大社会需求,做出新的更大的科学贡献.     

二次离子质谱技术在季节分辨石笋δ~(18)O分析中的应用

尝试利用二次离子质谱(SIMS)技术,采用国家一级标样(GBW04481)Oka方解石和美国威斯康星大学标样UWC-3方解石,对长江中游清江和尚洞洞穴碳酸盐沉积物HS4石笋的8.3ka BP时段(236.3~235.6 cm)进行了季节分辨率的?18O原位分析,探讨了利用季节分辨SIMS?18O所呈现出的年际旋回对石笋进行相对定年的可能性;并通过SIMS法与常规法?18O值的比较,分析了两者间偏差产生的可能原因.以Oka作外标,利用Cameca IMS 1280离子探针在3个工作日内对UWC-3进行了氧同位素分析,获得的测量结果(?18OVPDB=?17.85‰±0.22‰,1SD)与其推荐值(?18OVPDB=?17.83‰?0.08‰)在误差范围内一致,说明仪器稳定性良好、测试方法可靠.用SIMS法获得的HS4石笋?18O季节分辨率记录,则呈现出较为显著的年际旋回特征,其旋回总数与同段石笋Mg/Ca比及石笋反光微层图像中所呈现出的年层总数一致,有望为不具备清晰年纹层石笋的相对定年提供一个新的方法.与常规法?18O分析结果相比,HS4石笋SIMS法?18O值系统偏负0.90‰,且季节性差异增大,其主要原因可能是缘于样品中细微裂隙、孔洞和包裹体的存在,同时亦不排除石笋中有机质的存在对SIMS?18O值可能造成的影响,说明要获得与常规法?18O值相符的SIMS?18O值记录,石笋样品的致密度和纯净度均至关重要.     

全球气候变化的成因初探

温室效应不是气候变化的唯一因素,温室气体的主体不是二氧化碳而是水汽.当水汽凝聚为云,就会遮蔽阳光,起到降温作用.太阳辐射量变化不足以解释气候变化的振幅,关键在于存在太阳能量积累和释放的多种效应,其中“海底藏冷效应”和“海洋锅炉效应”最为显著.太阳能在地球各圈层的不同分配也是地表气候变化的原因之一,其中“地磁层漏能效应”和“臭氧洞漏能效应”最为显著.气候变化周期是天文周期微力激发的结果,其能量来自太阳能量的长期积累.目前处于1500～1800年气候周期的变暖高峰,200年气候周期的变冷初期,60年气候周期的变冷阶段.本文通过历史资料反复核对,证实太阳黑子延长极小期、太阳黑子周期长度大于11年时期、潮汐极大期、低温有明显的对应关系,已经查出重复出现两个连续周期,除太阳活动变化外,强潮汐是其形成的原因.全球气候有准60年、200年、18000年等周期,这些周期与潮汐周期有很好的对应关系.特别是179～200年周期,在太阳黑子活动、潮汐变化和冷暖变化中都有明显的表现,形成对应的周期规律.分析结果显示,气候冷暖变化的原因不只限于大气层本身,而确有可用于气候预测的星体运行的变化信息.规律表明,2007年开始的太阳黑子延长极小期和潮汐极大期使我国可能进入严重低温冻害时期,并将在2020年达到高潮,必须做好预防准备.     

末次冰消期亚洲季风突变事件的精确定年: 以贵州衙门洞石笋为例

通过贵州衙门洞Y1石笋33个U/Th年龄和1020个氧同位素数据的分析, 重建了西南地区末次冰消期至全新世早期(16.2~7.3 ka BP)平均分辨率达9 a的亚洲夏季风演化特征. 该时段发生的气候突变事件, 在Y1石笋记录中得到明显揭示, 类似格陵兰冰芯记录的GI-1e~GI-1a事件(GIS)可以定义末次冰消期亚洲季风突变事件的中国基准(CIS)为A.1e~A.1a, Y1石笋d ¹⁸O值记录这些事件的开始时限分别为: (14750±50), (14100±60), (13870±80), (13370±80) 和(12990±80) a BP; A.1a结束进入YD事件为(12850±50) a BP, YD结束进入全新世为(11500±40) a BP, 其中BA转换(A.1e开始)和YD转换前后d ¹⁸O值有3‰的变幅. Y1记录区域对比表明亚洲季风在早全新世期间总体增强的趋势在各地区并没有显著的相位差异, 因而不支持东亚和印度季风在轨道尺度上的反相位关系. Y1记录支持近10年来石笋研究的结果, 即亚洲季风气候变化的驱动机制除了主导的太阳辐射、大西洋径向环流(MOC)及热带辐合带 (ITCZ) 运移外, 短尺度上的季风变化和太阳活动密切相关.     

石笋记录的东亚季风气候H1事件突变性特征

据TIMS-U系测年和年纹层计数, 建立了南京汤山葫芦洞一支石笋年际分辨率时间标尺(纹层计数年17451~14417 aBP). 石笋高分辨率氧同位素曲线揭示末次盛冰期东亚季风气候十年至百年尺度高频气温振荡特征, 从中识别出响应于北大西洋最后一个Heinrich(H1)事件的特强寒冷事件. 该事件开始于16140±100 aBP, 并在此后36年内降温7~8℃. 研究表明, 事件所呈现的突发性降温形式以及跌宕式回暖过程(事件内部有10个冷暖旋回, 并持续793 a)主要受北半球中纬地区日辐照能背景、北大西洋冰漂碎屑带的扩张以及低纬太平洋海表温度变化诸因素的控制.     

富钴结壳高分辨率定年:地球轨道周期印记法与~(230)Th_(ex)/~(232)Th测年法对比研究

由于海山富钴结壳的生长速率十分缓慢,长期以来,对其年代和生长速率的高分辨率准确测定一直是个难题.利用电子探针原位提取中太平洋海山富钴结壳(样品号:CB14)的元素含量变化剖面,运用功率谱分析方法识别结壳第一亚层(0～3mm)Al元素含量变化曲线中存在的显著周期,通过与米兰柯维奇周期的匹配,获得结壳的高分辨率生长速率.同时,利用数控微钻对该结壳的第一亚层以0.1mm为间隔进行高分辨率连续取样,并利用230Thex/232Th法对其进行测年.结果表明利用地球轨道周期印记法得到结壳的第一亚层生长速率为2.14mm/Ma,与利用230Thex/232Th测年法获得的结壳的生长速率(2.15mm·Ma?1)相吻合,同时得到结壳第一亚层(0～3mm)底界的年龄约为1.4Ma.认为地球轨道的周期性变化所引起的气候与环境效应在结壳的生长剖面上打下了烙印,利用地球轨道周期印记法确定富钴结壳的生长速率是一个有效而且可靠的新方法,可应用于为世界海域富钴结壳建立高分辨率长序列的年代框架.     

末次冰期南京石笋高分辨率气候记录与GRIP冰芯对比

对采自南京汤山洞穴一支长400余mm的石笋进行了高精度TIMS-U系定年和氧碳同位素测试,建立了末次冰期中晚期(54000～19000aBP)中国东部高分辨率的古气候变化时间序列.从石笋氧同位素变化曲线中,不仅检出东亚夏季风降水史中的Heinrich事件,而且首次发现了末次冰期东亚夏季风活动区气候变化同样存在着Dansgaard-Oeschger旋回,与极地GRIP冰芯记录有良好的对比关系.但明显的差别主要有(1)中国东部气候变化的干冷化趋势十分明显,由石笋氧同位素曲线构成的连续4个Bond旋回,迭覆在末次冰期长期变冷的气候背景上,可能与青藏高原MIS3阶段特强夏季风事件有关;(2)石笋气候曲线反映的干冷事件与GRIP冰芯中的对应事件存在1000～2000a的相位差,似有必要考虑不同测年方法相互校正问题.     

轨道尺度的亚洲夏季风演变:“困惑”与探索

亚洲夏季风影响着亚洲大陆数十亿人口.半个世纪以来,亚洲夏季风研究取得了许多重要成就,但一些科学问题依然有待深入探索.这其中包括轨道时间尺度的两个难题:(1)中国黄土的磁化率序列显示亚洲夏季风变化以冰期-间冰期~100kyr周期为主,而中国石笋氧同位素(δ18O)序列则以~20kyr岁差周期为主,两者主导周期的差异成为了悬而未决的"中国的100kyr周期问题";(2)亚洲大陆石笋δ18O序列与许多海洋沉积记录在岁差波段上的显著相位差异,是争议已久的"海-陆岁差相位的困惑".应当如何解答这些难题呢?首先,伴随着轨道尺度数值模拟的不断发展,岁差波段上降水量和风场变化在亚洲夏季风广大区域中的不均匀性及其区域模态差异逐渐明朗,不同气候记录的分歧在很大程度上可能只是这种降水和风场空间不均一性的体现.其次,不同记录载体有其固有的优势和局限,而此间差异则部分反映了这些局限性.总体而言,亚洲夏季风的黄土、海洋和石笋记录之间并不存在相互否定的关系,而是具有互补性;它们各自刻画了亚洲夏季风动力学系统的不同方面.因此,从整体季风系统的视角审视这些记录,能够基本解释亚洲季风的"中国的100kyr周期问题"和"海-陆岁差相位的困惑"这两个科学难题.     

过去640ka亚洲季风变化的多尺度分析

高分辨率、高精度定年的石笋δ~(18)O记录现已扩展到640ka,这为研究亚洲季风多尺度特征与驱动机制提供了新的契机.基于经验模态分解法(EMD),文章分析了该序列的轨道和千年尺度的特征、贡献及其控制因素.在轨道尺度上,四个主要周期(11.6、23.3、42.4和95.5ka)对石笋δ~(18)O记录的贡献率为76.3%,其中岁差和半岁差周期的贡献率分别为31.1%和30.7%.交叉谱分析显示,显著的半岁差周期信号与南北半球30°太阳辐射极大值变化(BHI)的半岁差周期基本吻合,由此认为低纬降雨和温度变率对半球间低纬太阳辐射放大响应,进而影响亚洲季风的强度变化.在千年尺度上,分别有5ka和1～2ka的显著周期,大致对应于经典的Bond和Dansgaard-Oeschger旋回.海洋沉积和石笋记录交叉谱分析显示,二者在千年尺度上的变化呈现出强烈的相关性,特别是5ka周期稳定贯穿两个记录始终且信号明显,说明5ka周期是中晚更新世以来冰期-间冰期旋回的特征周期,可能是全球冰盖和太阳辐射共同作用的结果.     

中国湖泊沉积物纹层年代学研究进展

晚第四纪尤其是全新世是地球气候系统演化的一个关键地质时期,是探究全球及区域重大气候环境事件,揭示其内在演化规律,预测未来气候变化的关键时段.国内外发表的文献中,主要的年代学方法有:AMS14C年代学、石笋U系测年和纹层年代学等.其中纹层年代学被认为是比较精确的定年方法.近年来,国内外学者在中国的一些湖泊中发现了年纹层沉积,例如龙岗火山区的小龙湾、四海龙湾及二龙湾玛珥湖,柴达木盆地的苏干湖,青藏高原东部的新路海以及可可西里地区的库赛湖.本文概述我国近年来湖泊纹层年代学研究进展,总结中国湖泊年纹层类型、特征及纹层年代学研究方法、误差估计等方面的进展,并提出未来年纹层研究应注意的问题,以期促进中国湖泊沉积物年纹层研究的进一步发展.     

古今气候略论

自2009年入冬以来北半球经受了创记录的严寒侵袭,联合国IPCC报告的权威性受到质疑。地球气候变化趋向陷入纷争的境地。从地质学和考古学的视角,以更长的时间周期去认识和了解气候变化规律和成因机制,或许对将来气候的长期预报有所启示。地球在漫长的演化史中经历了以千万年计的＂地质气候旋回＂、千百年计的＂史前气候周期＂及近现代以百年计的＂世纪气候波动＂。不同级次的周期均为内在自然因素所制约,CO2含量在地球演化史中趋于波动下降过程,当代的CO2浓度和气温均处于地质史的低点。人类活动可能在百年尺度内存在对气候和生态环境的影响。自20世纪初开始至今近百年升温趋向中,令人关注的是在中国曾有1941年、1969年、2009~2010年之交极度低温的出现,＂低温节点＂时距约为30~40年,似与海洋存在数十年为变化周期之说相近。由此引发对人为因素导致持续增温的质疑。2009年入冬以来的严寒是否为近百年升温波动周期的终结抑或只是次级的突变因素所致,尚有待观察。但自然因素主导的周期波动规律不可逆转,不能被未经实证而被夸大了的＂人为因素＂所左右。     

陕南石笋稳定同位素记录中的古气候和古季风信息

采自陕西省柞水县的石笋给出了过去750a来的高分辨率气候记录以及全新世和80～330ka之间的低分辨率的气候变化。定年方法使用了石笋生长纹层计数法、^210Pb法和TIMS ^230Th法。分析了石笋中δ^18O和δ^13C的气候含义,认为当δ^18O和δ^13C值变重时,指示干热的气候组合,当δ^18O和δ^13C值同时变轻时,指示湿冷的气候组合。在长时间尺度δ^18O值的变化以反映温度变化为主,δ^13C值的变化反映湿度变化为主。当δ^18O变轻,而δ^13C变重时,指示干冷气候。这时期的夏季风很弱而冬季风很强,相反,当δ^18O变重,而δ^13C变轻时,指示湿热气候,表明夏季风很强,冬季风很弱。过去750a的记录中分为：公元1250～1520年的温暖中世纪(Medieval Warm Period),公元1520～1820年的湿冷小冰期(Little Ice Age)和公元1820年以来的温热期。全新世的气候在4000a左右有一显的变化。在此时之前的温度低于全新世的平均气温,而在此之后的温度高于全新世的平均气温。全新世气候记录可细分为18个不同的时期。     

黄河中下游地区过去300年降水变化

基于清代雨雪档案记载、现代器测气象记录及农田土壤含水量观测资料, 根据降水入渗与水量平衡模型和田间试验验证, 定量复原了1736~1910年黄河中下游地区17个站点的降水量, 建立了黄河中下游地区及其4个子区1736年以来的降水变化序列. 通过对重建序列的分析发现: 黄河中下游地区在1915年前后存在降水由多变少的突变. 其中1791~1805年、1816~1830年及1886～1895年等3个时段降水明显偏多; 而1916~1945年及1981~2000年等2个时段降水则明显偏少. 另外, 功率谱分析显示黄河中下游地区降水变化存在22~25年、3.9年及2.7年等3个显著周期. 但在1915年的突变之后, 22~25年的周期信号开始减弱, 至20世纪40年代后期, 这一周期信号完全消失, 代之出现了35~40年的周期.     

洞穴石笋的^14C年代学研究——石花洞研究系列之二

由于受“死碳”的影响,年轻洞穴碳酸盐的＾１４Ｃ测年始终受到限制,为此,建立了＾１４Ｃ法测定石笋生长速率及校正“死碳”影响的理论模式,从而将石笋的测年时限和精度大大提高。这一理论成功地运用于北京石花洞年轻石笋的定年。利用＾１４Ｃ法与石笋生长光性年际纹层推算的平均生长速率十分吻合,表明石笋Ｓ３１２的生长速率为０．０４２ｍｍ／ａ。＾２１０Ｐｂ法测定石笋顶部的年龄小于１００ａ,与＾１４Ｃ结果的外推年龄基本     

高分辨率洞穴石笋稳定同位素应用之一——京津地区500a来的气候变化——δ~(18)O记录

气候变化可记录在洞穴石笋氧同位素值中 .当气候湿冷 ,降雨量越大 ,年平均气温越低时 ,δ18O值越负 ;当气候干热时 ,δ18O值越正 .北京石花洞年轻石笋的氧同位素记录显示了京津地区的降雨量有一个 30～ 40a的变化周期 .降雨量增加时期分别以 1 985 ,1 95 5 ,1 91 0 ,1 880 ,1 840 ,1 80 0 ,1 76 0 ,1 730 ,1 6 90 ,1 6 6 0 ,1 6 30 ,1 5 6 0 ,和1 5 30a为中心 .在 1 6 2 0～ 1 90 0a之间 ,京津地区的气温低于 5 0 0a以来的平均气温 ,对应于小冰期事件 .1 5 2 0～ 1 6 2 0a和 1 90 0a至今的两个时期 ,气温高于 5 0 0a来的平均气温 .     

新仙女木及全新世早中期气候突变事件: 贵州茂兰石笋氧同位素记录

在贵州荔波董歌洞D4石笋上部45~193.6 cm处, 通过系统的TIMS-U系测年及碳、氧稳定同位素分析, 取得了平均分辨率达90a的同位素记录, 其时限范围为3.9~15.7 kaBP. 研究表明, 末次冰期最后一次冷事件——YD(新仙女木)事件, 在D4记录得到明显的揭示, 其开始的时间为12.80 kaBP, 结束于11.58 kaBP, 降温幅度较大. 末次冰期的结束相当于海洋同位素记录的终止点Ⅰ, 其时限为11.3 kaBP. 早、中全新世最明显的3次冷事件分别发生于10.91, 8.27以及4.75 kaBP, 降温幅度可达2~5℃. 石笋δ¹⁸O记录的这些千年百年尺度气候突变事件, 在发生的时间及其延续年代范围上, 都可以与格陵兰GISP2冰芯进行对比. 8.27及4.75 kaBP冷事件, 也可以和爱尔兰CC3石笋记录进行对比, 说明中国季风区与西欧以及极地的短尺度气候变化可能源于同样的驱动因子, 它们可能具有全球意义. 另外, 一些时间段记录曲线的走向表现出明显的不同, 则可能是反映季风气候区与极地环境的差异所致.