川东北宋家洞高分辨率石笋δ~(13)C记录与D/O事件5-1

基于川东北宋家洞石笋SJ1的399个稳定碳同位素组成(δ13C)数据建立了末次冰期中晚期(14~43 ka)高分辨率δ13C时间序列。SJ1的δ13C变化与已发表的该石笋稳定氧同位素组成(δ18O)变化趋势非常一致,清晰地记录了该地区植被对D/O事件5-10的敏感响应。东亚夏季风气候控制的地表植被(包括C3和C4植被比例C3/C4变化和植被密度变化)和土壤微生物活动变化可能是影响SJ1的δ13C变化的主要因素。在这些D/O事件发生时δ13C变轻,指示了C3/C4植被比例上升和植被密度增加。此外,受降水控制的岩溶地下水流速影响的水-岩相互作用,石笋表面滴水时间间隔、洞穴空气的CO2分压和洞穴通风效应等因素影响的CO2脱气作用和先期碳酸盐沉积也可能对SJ1的δ13C变化产生了影响。     

川东北狮子洞石笋54～46ka高分辨率δ~(13)C变化与影响因素

对采自川东北狮子洞的编号SI3石笋(发育时间在54~46 ka)进行了高分辨率碳同位素(δ~(13)C)测试。石笋SI3的δ~(13)C与δ~(18)O变化趋势基本一致,表明夏季风气候控制的地表植被和其他因素如水-岩相互作用、滴水时间间隔和洞穴通风作用等是影响SI3的δ~(13)C变化的主要因素。在寒冷事件H5发生时SI3的δ~(13)C与δ~(18)O的变化存在显著差异。推测δ~(13)C更早变轻与先期碳酸盐沉积作用减弱有关,可能指示洞穴通风作用和洞外冬季风在H5发生早期就开始减弱,即冬、夏季风在这一时期可能发生了脱耦现象。     

石笋记录的百年尺度水文、土壤过程及其与太阳活动的关系

基于黔西南雾露洞高分辨率石笋同位素记录,重建了62.0～58.2 ka BP和20.9～15.5 ka BP期间亚洲夏季风水文历史和洞穴岩溶环境变化过程。两支石笋(Wu58和Wu60)实测16个~(230)Th年龄和966组氧、碳同位素数据。结果显示,深海氧同位素3阶段(MIS 3)早期和2阶段(MIS 2)期间,千年尺度δ~(18)O变化非常显著,而δ~(13)C则在稳定的背景值下,呈百年尺度波动。去趋势发现,δ~(18)O指示的百年尺度弱季风事件与δ~(13)C指示的土壤CO_2产率衰减过程变化一致。两组同位素变化呈相似的百年尺度波动,共同周期约300 a,说明本区域土壤CO_2产率变化与百年尺度亚洲夏季风变化密切相关。在变化幅度上,δ~(13)C的振幅远大于δ~(18)O(约1.5～3.5倍),表明碳同位素变化对于气候响应具有放大效应,或者δ~(13)C与δ~(18)O变化具有不同的地球化学行为。通过与大气~(14)C、冰芯~(10)Be记录对比,发现百年尺度季风强弱及岩溶过程变化与太阳活动指标具有相似性,说明太阳活动对百年尺度季风强弱和土壤CO_2产率起到主控作用。可能的途径是,太阳活动通过海-陆热力差,影响夏季风强度和当地土壤湿度水平,并经生态效应进一步放大。然而,在百年尺度上,δ~(18)O振幅仅为0.4‰,远小于千年尺度变化(1.5‰)。因此,千年尺度亚洲夏季风突变的诱发因子可能不直接受控于太阳活动,需要其他驱动因素或者气候系统内部放大机制来解释。     

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。     

东亚季风MIS 3早期DO事件的亚旋回及全球意义

根据湖北永兴洞石笋(YX51)10个U/Th年龄,470组氧、碳同位素数据建立了深海氧同位素3阶段(MIS3)早期57.7~35.6kaB.P.期间东亚夏季风演化时间序列。在发育时段,千年尺度δ18O峰谷变化与高纬冰芯记录的Dansgaard-Oeschger(DO)事件一致;δ13C呈现出与δ18O正相关同步演化特征,但受区域环境影响,在事件内部细节上存在差异。区域对比表明,同一季风区的永兴洞和葫芦洞石笋δ18O指示的季风降水同位素组成具有本质上一致性;高低纬记录对比显示,千年尺度的峰谷变化一一对应,反映热带辐合带(ITCZ)水汽传输能力、平均位置变化对东亚季风和高北纬气候具有重要影响。在DO13至DO15事件内部,永兴洞石笋δ18O记录了显著的双峰特征,说明低纬季风强度变化和格陵兰冰芯δ18O揭示的次级暖峰具有一致对应关系,指示大气快速传输机制在高低纬环境突变中起着重要作用。     

洞穴石笋δ~(13)C在古气候重建研究中的现状与进展

由于受气候、复杂岩溶过程等影响,石笋碳同位素(δ~(13)C)研究相对于其他代用指标甚少,甚至被忽略。从影响石笋δ~(13)C的气候与非气候因子入手,结合全球数十个洞穴记录及现代观测试验,分析碳同位素信号在岩溶系统内部的传递方式和路径,探讨不同时间尺度下δ~(13)C与气候变化之间的关系。指出石笋δ~(13)C虽然在百年—年代际尺度上表现出的噪音强度明显上升,但从轨道至千年尺度上看,温度、湿度(降水)等气候要素在不同区域所充当的主控因子角色直接或间接地影响上覆土壤植被状况、土壤CO2产率等当地生态环境变化。未来研究应深入挖掘δ~(13)C信号在岩溶系统中的传输共性及其气候、环境控制因子,注重石笋δ~(13)C季节变化特征研究,充分发挥其在揭示当地环境或灾害性事件方面的独特优势,并运用多指标、多种方法手段理解岩溶过程、全球碳循环与气候变化之间的联系。     

小冰期多尺度气候波动:贵州董哥洞高分辨率石笋记录

具有精准年代控制的高分辨率气候记录对于深入研究小冰期气候变化规律具有重要意义。文章基于黔南荔波县董哥洞D41石笋(研究部分长约11.7 cm)的24个U-Th绝对定年和1165组碳、氧稳定同位素测试数据,得到明清小冰期期间(公元1400~1880年)平均分辨率高于0.5年的洞穴上游水汽传输路径的空间集成降雨量变化记录。重建记录表明小冰期内部气候变化存在着多年代际-百年尺度变化趋势和年际-年代际波动;次级波动与干旱事件、火山活动的响应表明石笋δ^18O能够反映一定的大尺度气候信号。D41石笋的δ^18O序列功率谱分析结果显示出160年、11.5年、9年以及14~16、4~7年周期,可能反映了太阳活动和ENSO等地球气候系统内部变率的影响。中国南北方多根石笋氧同位素记录的对比表明崇祯大旱期间(公元1628~1643年)石笋记录显示出与历史文献资料类似的干旱边界,从南方至北方水汽传输路径上,干旱状态反映的空间集成降雨量减少可能是引起北方石笋氧同位素偏重的主要原因。另外,石笋氧同位素记录在年际-年代际尺度上明显的区域差异表明在短尺度上将单个洞穴石笋氧同位素记录用作亚洲季风强度指标时需要谨慎。     

桂林地区44 ka洞穴石笋碳酸钙(盐)δ13C的同位素组成与大气CO2浓度估算

洞穴石笋碳酸钙(盐)δ13C的同位素记录表明,其与δ18O同位素记录一样,均能反映气候环境的冷暖旋回变化,也具有急速的突变事件记录.本文利用近期或古老的洞穴石笋碳酸钙(盐)δ13C的同位素组成,对桂林地区44 ka以来的大气CO2浓度进行了尝试性的估算,估算结果表明,它可与近期所测量的以及冰岩芯气泡组分分析和北方黄土碳酸盐δ13C估算的大气CO2浓度值基本接近,可以进行相互对比,说明利用洞穴石笋碳酸盐δ¨C同位素组成对大气CO2浓度进行估算的方法是可行的.研究表明,洞穴石笋碳酸盐δ13C同位素的记录,对地质时期的冷事件具有独特的敏感性,特别是对新仙女木冷事件和北大西洋Heinrich的H1至H5冷事件反映较为明显,在干冷期δ13C同位素快速升高,总体上与大气CO2浓度的变化呈反比,大气CO2浓度的变化与全球性的气候波动大体一致,但存在明显的区域性变化特征.     

辽宁暖和洞石笋δ13C记录的古气候环境意义初探

基于辽宁暖和洞石笋NH33铀系测年结果,利用900条年纹层及302个碳、氧同位素和灰度数据,建立全新世大暖期内近1000年的石笋δ13C与灰度序列(8638±60 - 7748±53 aBP)。碳同位素与灰度序列细节特征变化趋势上的一致性,证实了δ13C所指示的古气候意义。在百年尺度上,石笋δ13C主要响应于温度变化,由地表生物量的变化驱动。石笋δ13C序列可进一步划分为3个气候段:(1)8655 – 8366 aBP,气候偏热;(2)8366 – 8048 aBP,气候转冷;(3)8048 – 7756 aBP,气候相对温暖。这与同时段孢粉记录具有很好的一致性。其中,8366-8048aBP的冷期与北大西洋地区“8.2 kaBP冷事件”相吻合。石笋δ13C记录中也包含一定的非气候因素,主要由渗水速率变化引起围岩CaCO3溶解量的变化造成。将石笋δ13C和灰度数据进行回归分析,可有效地剔除这一水动力因素的影响。      

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.     

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.     

晚更新世东亚季风气候不稳定性的洞穴石笋同位素证据

据南京汤山葫芦洞石笋的23个热电离质谱测年结果和分辨率达100-200a的氧、碳稳定同位素测试数据，讨论了75-35kaBP期间东亚季风气候的高频振荡特征。石笋氧同位素值的波动范围介于-9.165‰～5.456‰之间，相邻峰谷的变幅可达2‰～3‰，由其构成的16个气候不稳定性事件与格陵兰冰心δ^18o记录中IS8-IS20和北大西洋冰漂碎屑事件H4-H6有良好的对比关系，揭示了东亚季风气候变化与高纬极地大气温度变化存在着动力机制上的联系。石笋碳同位素记录呈现类似于δ^18O记录的高频振荡形式，反映了洞穴了覆植被类型对存在着动力机制上的联系。石笋碳同位素记录呈现类似于δ^18O记录的高频振荡形式，反映了洞穴上覆植被类型对气候变化的快速响应。石笋稳定同位素曲线上72ka BP左右的快速降温事件与印度尼西亚Toba火山喷发事件基本一致。有可能说明是更新世全球气候事件的发生并非单一源于北大西洋深层水体的变化。     

山东半岛石笋记录的倒数第二次冰消期δ18O变化特征及其气候环境意义

文章基于山东半岛岩溶洞穴(上小峰洞)一根长约41 cm的石笋SD1的铀系测年和稳定同位素组成分析,获得138. 0~125. 8 ka B. P.平均分辨率为30年的石笋δ18O 和δ13C时间序列,并据此讨论了倒数第二次冰消期区域气候和环境变化的特征及与全球变化的联系.在倒数第二次冰消期,上小峰洞石笋( SD1)δ18O的变化与中国南方石笋δ18O的变化具有类似的阶段变化特征,进一步确认了冰消期北大西洋气候对亚洲季风的重要影响.通过对山东石笋高分辨δ18O记录进行时间序列分析,发现该记录存在显著的约60年、 75年和1620年周期,表明太阳活动和北大西洋涛动与该地区气候变化有紧密的联系.同时,通过对比东亚季风区高分辨率石笋记录,认为在倒数第二次冰消期为"两步冰消"的变化特征.除此之外,上小峰洞石笋碳酸盐δ18O冰期和间冰期平均值的差异仅为0. 7‰,远小于内陆洞穴石笋碳酸盐δ18O冰期和间冰期平均值的差异(羊口洞约为1. 4‰,董哥洞约为2. 2‰,三宝洞约为2. 4‰).这一显著差异可能主要源于海岸线迁移造成的海陆格局的变化对区域季风降水及降水氧同位素组成的重要影响;并且冰期-间冰期海平面变化对近海环境记录、大陆架下垫面、海洋沉积物气候指标等都可能产生影响.     

温度影响东北地区更新世植被变化的黄土记录

温度、降水(湿度)和大气CO2含量被认为是影响C3植物生长的主要因素.大量的现代植物和土壤有机质碳稳定同位素(δ13C)研究表明,温度升高可使C3植物的碳同位素变重(正),降水增多(湿度增大)和大气CO2含量升高可使C3植物的碳同位素偏轻(负);同时,C4植物可明显地影响土壤的有机碳同位素组成.基于这些认识,以前对黄土高原的黄土-古土壤序列有机质碳同位素和植被组成变化进行过不少研究.但是,相关的研究在我国东北地区的黄土中还未开展.本文对我国东北地区厚度36m的喀喇沁旗牛样子沟黄土-古土壤剖面进行了间隔10cm的采样和总有机碳含量(TOC)、有机质稳定碳同位素的测试分析.结果表明,在间冰期发育的古土壤有机质含量高、δ13C值偏正;反之,在冰期堆积的黄土有机质含量低、δ13C值偏负.通过分析表明,研究区的植被类型是以C3植物占主导地位,C4植物对土壤有机质δ13C变化的贡献有限,并且气候变化具有冰期-间冰期季风气候变化的特点,据此推断温度是决定东北地区植被碳同位素组成变化的主要因素,超过了降水(湿度)和大气CO2含量对植被(植物碳同位素组成)变化的反向影响.这一发现揭示了温度对我国东北地区长时间尺度植被变化的控制作用.这些认识对于在未来全球变暖背景下,东北地区的林木和小麦、大豆、水稻等C3作物的种植有借鉴意义.     

辽西凌源雾迷山组碳酸盐岩碳氧同位素特征研究

辽西凌源雾迷山组碳酸盐岩碳氧同位素和Mn/Sr比值数据反映了碳酸盐岩的原始沉积特征.δ13CPDB数值范围-2‰～2‰,δ18OPDB数值范围为-10‰～-4‰,其平均值分别为0.15‰,-6.2‰,碳同位素组成具有旋回性变化特征.在雾迷山组一段中上部,δ13C表现出明显的正漂移,可能为藻类的大量繁殖、有机碳增加所引起.δ18O的增加为气候变冷和冰川作用的结果.在δ13C为负值的层段,δ18O数值较高.碳氧同位素组成的这种特征可能与海平面变化有关.     

高分辨率洞穴石笋中稳定同位素应用——北京元大都建立后对森林资源的破坏—δ~(13)C记录

对采自北京西山石花洞内的石笋进行了δ~(18)O,δ~(13)C和Mg/Sr分析,获得分辨率为25a的北京地区3000a以来的古气候和古环境信息。以δ~(18)O和D_(Mg/Ca)作为气候变化信息,证实石笋δ~(13)C反映了古气候变化对植被的影响。当石笋δ~(13)C值增大时,表示C_3/C_4植物比值降低,气候变干热;当石笋δ~(13)C值减小时,表示C_3/C_4植物比值升高,气候变湿冷。同时,笔者也发现了北京元大都建立以来对森林资源的破坏。在650B P至360B P,从元大都建立到明代晚期北京外城的增筑,北京西山林木被砍伐用于建筑和烧制木炭,使得这一地区的植被遭受重大改变。C_3/C_4植物的比值大幅度降低,石笋的δ~(13)C值增大3‰。尽管在此之后的气候条件有利于C_3植物的发育,但这一地区的植被没有恢复到受人类破坏前的水平。通过与历史资料对比,证明石笋中的δ~(13)C记录的确能反映C_3/C_4植物比值的分配变化,从而可以间接地反演古气候和人类活动的影响。     

桂林地区44ka洞穴石笋碳酸钙（盐）δ^13C的同位素组成与大气CO2浓度估算

洞穴石笋碳酸钙（盐）δ^13C的同位素记录表明，其与δ^18O同位素记录一样，均能反映气候环境的冷暖旋回变化，也具有急速的突变事件记录。本文利用近期或古老的洞穴石笋碳酸钙（盐）δ^13C的同位素组成，对桂林地区44ka以来的大气CO2浓度进行了尝试性的估算，估算结果表明，它可与近期所测量的以及冰岩芯气泡组分分析和北方黄土碳酸盐δ^13C估算的大气CO2浓度值基本接近，可以进行相互对比，说明利用洞穴石笋碳酸盐δ^13C同位素组成对大气CO2浓度进行估算的方法是可行的。研究表明，洞穴石笋碳酸盐δ^13C同位素的记录，对地质时期的冷事件具有独特的敏感性，特别是对新仙女木冷事件和北大西洋Heinrich的H1至H5冷事件反映较为明显，在干冷期δ^13C同位素快速升高，总体上与大气CO2浓度的变化呈反比，大气CO2浓度的变化与全球性的气候波动大体一致，但存在明显的区域性变化特征。     

桂林茅茅头大岩近50年来石笋δ18O记录与局地气候/大尺度环流关系探讨

石笋记录是第四纪研究的重要力量,但是近年来中国季风区石笋δ~(18)O指示意义受到一定的质疑,关键问题是尚未通过石笋记录很好的衔接古气候与现代气候。基于此认识,选择桂林茅茅头大岩一个1968年以来连续生长的石笋记录。通过解译其δ~(18)O的气候指示意义,并进行局地和区域对比,发现桂林茅茅头大岩石笋δ~(18)O能很好的指示当地的夏季降水变化,同时响应了区域一致性的信号。在年代际尺度上表现为夏季风减弱,石笋δ~(18)O变重,夏季风增强,石笋δ~(18)O变轻。而通过比较东南水汽通道和西南水汽通道水汽来源比例变化,并未发现水汽来源变化与中国季风区石笋δ~(18)O的明显相关关系。而除桂林地区外,其他记录如湖北和尚洞、福建玉华洞石笋δ~(18)O虽然一致变化,但是与当地降水并无明显相关。因此夏季风强弱变化可能导致了中国季风区石笋δ~(18)O的一致变化,但是由于局地降水影响因素更加复杂,中国季风区并不是所有石笋δ~(18)O记录均指示当地降水量的变化。     

新疆柯坪地区寒武纪-奥陶纪碳酸盐岩沉积旋回的碳氧同位素研究

野外观测发现,在新疆柯坪地区蓬莱坝剖面,中寒武统阿瓦塔格组(C2a)至下奥陶统蓬莱坝组(O1p)的碳酸盐岩在剖面上存在不同尺度的沉积旋回:体系域级、米级旋回级、藻纹层级.对49件样品进行微区取样,共得到98件样品,对其进行了精细的不同尺度沉积旋回碳氧同位素组成的分析研究.结果表明,碳酸盐岩样品的δ13C值(PDB)分布在-1.6‰～1.6‰之间,平均为-0.5‰,δ18O值(PDB)为-12.7‰～-4.3‰,平均-6.2‰,因此,除了明显受到后期成岩蚀变作用(退白云岩化)的藻碳酸盐岩外,其余样品的碳氧同位素组成总体位于正常的海相碳酸盐岩沉积范围内.在体系域尺度上,对于Ⅲ2旋回层序高水位体系域(C2a1),海平面变化是控制碳酸盐岩碳氧同位素组成的主要因素;对于Ⅲ3旋回层序(C2a2-O1p),伴随海平面的升降变化,岩石沉积微环境复杂多变.在米级旋回尺度上,米级旋回的形成除了受高频海平面变化影响外,还受到古构造、古气候的叠加影响.在藻纹层旋回尺度上,δ13C值比δ18O值更能反映藻纹层的旋回性变化特征,藻纹层的形成受控于有机质沉积速率的季节性变化.     

南岭东部水源洞过去700年石笋氧同位素变化与气候意义

亚洲季风区内石笋氧同位素组成(δ18O)的气候环境意义解读近年来在国内外引起了广泛争议。通过比较近期石笋δ18O记录与历史文献记载的气候变化信息,可以为解决这一问题提供一些参考信息。本文高分辨率重建了南岭东部石笋δ18O记录。该记录变化趋势与历史文献记载的我国南方地区小冰期以来旱涝灾害频率变化趋势基本一致,说明该石笋δ18O记录变化可能与夏季风强度和季风降水变化密切相关。根据该记录,对南岭东部地区最近700年以来的夏季风变化特征进行了分析。