全新世早期石笋灰度序列记录的气候环境信息分析——以重庆羊口洞石笋为例

以采自重庆南川地区金佛山羊口洞中一支石笋YK719为研究对象,利用精确的230Th测年数据、δ18O数据和灰度数据重建了重庆地区早全新世古气候变化序列。将石笋YK719灰度序列和δ18O记录进行对比后发现,在弱季风时段,石笋δ18O值偏重,石笋灰度值较高,灰度序列表现出“谷”构造;反之亦然。分析显示羊口洞石笋灰度序列与树轮Δ14C数据、太阳黑子数据具有较高的相关性,说明太阳活动是驱动石笋灰度序列变化的一个重要因素。太阳活动可能通过温度和季风降水两方面来影响石笋灰度的变化:温度升高促使土壤微生物活动量增加,土壤中可溶性有机碳和CO2含量增加,从而形成较为纯净的方解石沉积物,石笋颜色暗而透明,反之,石笋表现为不透明乳白色;北大西洋浮冰变化在早全新世可能通过季风－欧亚大陆雪盖耦合来间接地影响亚洲季风降水变化,从而影响石笋灰度的变化。      

末次冰消期亚洲季风强度变化的黄土高原西部万象洞石笋灰度记录

基于对石笋扫描图像灰度值的提取和10个230Th年代数据,建立了末次冰消期万象洞石笋灰度变化时间序列.在17.6～12.8kaB.P.期间,石笋灰度值在千年-亚千年尺度上呈现出明显的9次增大(峰)和9次减小(谷)交替变化的特征.对比分析发现,万象洞石笋灰度与密度指数在高频变化上呈显著的负相关关系,石笋灰度值的减小对应于...     

基于裂隙形状函数的自然环境高温下花岗岩裂隙尖部非线性温度场

高温环境下,南方地区隧道洞口段岩体温度波动剧烈,长期累积作用引起隧道热病害。针对岩体裂隙尖部热传导性质非线性,应用格林函数法和镜像法建立裂隙岩体三角形热源函数表达式,计算裂隙尖部温度场,并分析裂隙形状参数和裂隙间相互作用的影响。计算表明,太阳辐射时段内裂隙岩体内部较不含裂隙岩体内部温度高;相同长度的三角形裂隙,顶角越大岩体温度变化幅度越大;对于平行裂隙与共面裂隙,间距越小裂隙尖部温度场叠加效应越强,间距越大温度值越趋于单裂隙温度值。裂隙岩体比不含裂隙岩体温度传递快,温度等值线围绕裂隙呈现,裂隙周围温度明显升高。研究结果为高温环境下隧道洞口裂隙岩体热应力分析提供理论依据。     

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。      

桂林地区4万年来石笋高分辨率古生态变化记录

在洞穴次生化学沉积物的形成过程中,碳同位素的演化较氧同位素更复杂,一是来源的复杂,二是分馏机制复杂。但在一定条件下,即假设岩溶动力系统是开放的,CO²供应充分,岩溶水与母岩的作用时间不长,且洞穴碳酸钙是在同位素平衡分馏条件下形成的,那么,其δ１１Ｃ值可以作为地表生态环境指标,即δ_１３Ｃ值越负,地表植被中Ｃ３植物的比例就越大,代表降水颇丰的气候条件;相反则可能代表地表植被中以Ｃ４植物为主,或为植被破坏的“石漠化”环境(由于气候的原因或人为原因所致)。通过盘龙洞１号和响水岩１号石笋的氧碳同位素记录的研究表明,石笋中的碳同位素记录与氧同位素记录有很好的一致性,当夏季风盛行、降水量较大时,石笋的δ_１３     

温度-渗流-应力耦合作用下岩石损伤及声发射特征研究

深部地下围岩常常处于复杂的地质环境下,这些复杂的地质环境造就了岩石多变的物理力学行为,本文对取自某矿井的黏土岩开展温度-渗流-应力耦合特性及声发射试验研究,对黏土岩在不同地质环境下的变形特征、渗透特性、损伤及声发射演化特征进行分析。研究结果表明:温度和围压对试件的变形具有明显的损伤劣化和抑制作用,温度越高,围压越大,试件逐渐由脆性断裂向脆延性破坏转变;渗透率的变化对应于岩石体积变化出现降低-平衡-上升-回落四个阶段,体变和环向应变突变点为渗透性加速增大分界点;高围压和温度作用下,岩石的声发射呈高能高幅值特征,渐变特征不明显,最活跃值越滞后,低温和低围压下,声发射具有明显的渐变特征,最大值出现在峰值附近;同等围压下,渗透损伤值随温度的升高而增加,围压越大,渗透损伤值越小,温度越高围压越大,损伤发展越均匀。     

硫酸钠盐渍土冻结温度计算模型构建及验证

土的冻结温度是使土体物理力学性质发生显著变化的关键温度,盐渍土中由于盐分存在使冻结温度的预测变得困难。本文提出了一种适用于硫酸盐渍土有盐分析出时的冻结温度计算模型,分别对硫酸钠自由溶液、硫酸钠盐渍土及石英砂的冻结温度变化规律展开了研究。首先,依据固液两相平衡时化学势的规律、冰晶表面曲率影响以及盐分结晶析出对溶液浓度的影响,构建了自由溶液、盐渍土及石英砂的冻结温度预测模型;然后,开展室内冻结试验得到了冻结温度测量值,通过计算测量值与计算值二者的均方根误差(RMSE)、显著性水平(α)及一致性系数(LA),验证了本文模型的精度与适用性。结果表明:土样中初始含水率越小,土样表面的毛细作用和吸附作用越强,使土样冻结温度越低。在土样孔隙中盐溶液有效浓度越大,冻结温度越小。由于盐分结晶的影响,有效浓度随盐浓度增大先增大后减小,然后保持不变。土样孔隙半径越小,冰晶表面曲率影响越大,冻结温度越低。该研究成果能为盐渍土盐冻胀变形及人工冻结中的温度参数分析提供一种新的方法。     

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。      

海河流域河川径流对气候变化的响应机理

利用可变下渗容量(Variable Infiltration Capacity,VIC)模型,在海河流域选取了6个典型流域来率定VIC模型的参数。通过模型参数移植技术,建立了全流域的径流模拟平台。根据假定的气候变化情景,分析了海河流域河川径流对气候变化的响应机理。结果表明:在年平均气温升高2℃时,海河流域的径流量将减少6.5%;当年降水量增加或者减少10%时,海河流域的径流量将分别增加26%和减少23%;当汛期降水占年降水量的比例分别增加或者减少10%时,全流域的径流量将会增加12%或者减少7%;在空间上,在年平均气温升高和年降水量变化的情景下,海河流域西北部的河川径流比东南部更敏感;在降水年内分配变化的情景下,海河流域东南部的河川径流比西北部更敏感。总体上,年降水量越大,径流量对降水量的敏感性越小,对平均气温的敏感性也越小,而对降水年内分配的敏感性越大。     

鄂西清江下游主要活动断层分段、分形与地震活动

在地质调查的基础上,初步厘定了清江下游主要活动断层的现今几何轨迹结构,并从几何形态、结构特性和现今活动性三方面对其进行自然段划分;进而利用分形分维分析,估算活动断层不同区段轨迹结构的分维值。计算结果表明：每一个断层段具有一个特征性的分维值,轨迹结构越复杂,分维值越高,现今活动性越强;其中,仙女山断层带中段分维值最高, Ｄ＝ １２５７,而松园坪断层北段最低, Ｄ＝ １０１８。结合地震活动分析发现：仙女山断层带是清江下游现今活动最强的活动断裂;仙女山断层带的中小地震活动,具有间歇式 分段振荡迁移的特性;时间上地震活动期为１～５ａ,相对平静期为１０ａ 左右;空间上地震活动从南段开始,振荡迁移到北段,然后又向中段迁移,目前地震活动似乎正在向中南段边界迁移;并且,中南段断裂轨迹结构比北段复杂,分维值也高,地震活动强度相对较大,因此,未来仙女山断层带可能发生的中强地震（ Ｍｓ＝ ５０ 级左右）将主要集中于中南段,而不是北段。     

重庆羊子洞MIS5a/MIS4转换时期石笋微量元素记录及其气候意义

利用重庆丰都羊子洞石笋Y02 ICP-MS测年数据、微量元素数据和石笋氧同位素数据重建了三峡库区76~69 ka B.P.时段的古气候环境信息。将石笋Y02测试数据与太阳辐射曲线、格陵兰NGRIP冰芯和南海海表温度进行对比分析,结果显示石笋Mg/Ca主要响应降水变化,而Sr/Ca、Ba/Ca和U/Ca更多地响应地表土壤状况和当地大气粉尘活动,间接响应降水变化;石笋Y02 δ18O记录出现偏重的趋势比微量元素比值增大时间晚1 ka多,表明石笋微量元素比值可能还受到温度影响。     

神农架石笋氧同位素的海拔效应

作为古气候代用指标,石笋氧同位素为亚洲季风演化研究提供了一系列可靠的证据。然而,关于石笋氧同位素指示的气候意义一直存在争论。本文选取了位于神农架地区海拔1250～2250m的黑龙洞、青天洞和三宝洞3个洞穴进行对比分析,发现不同海拔洞穴石笋δ18O在波动形式上相同,但绝对值存在约-0.1‰/100m的系统差,而大气降水的在该地的海拔效应约为-0.2‰/100m。为此,我们认为,石笋δ18O除了受季风降雨的影响外,不同海拔的温度梯度也对石笋δ18O具有较大的贡献。结合洞穴年均温度,初步估算石笋δ18O的温度效应约为-0.25‰/℃,与O’Neil的同位素平衡分馏计算结果相同。      

中国近2000年来气候变化石笋记录研究进展

哥本哈根气候大会的召开,使得近2 000年来的气候变化研究倍受关注。本文对气候变化石笋记录,尤其是我国近2 000年来气候变化石笋记录取得的主要成果进行了总结。已有研究的进展主要在于:发现在中国季风区石笋记录中存在近2 000年来的一系列气候事件,并对其进行了高分辨率重建;对地区热月温度进行了年分辨率的重建,以及通过集成研究发现了"环流效应"等等。但以往的研究仍存在石笋古环境代用指标机理、年代学以及区域代表性石笋记录研究不够等问题。为此,文中提出了加强年际分辨率氧同位素古环境机理,特别是大气降水到石笋的一整套迁移变化过程的研究,以及与其他古环境代用指标的响应机理进行综合研究,加强近2 000年来石笋年代学研究和加强区域性代表性石笋记录研究等建议。     

环流效应： 中国季风区石笋氧同位素短尺度变化的气候意义——古气候记录与现代气候研究的一次对话

根据最近的研究结果,中国季风区同一洞穴或同一区域的晚全新世石笋氧同位素序列具有较好的重复性,表明中国季风区的石笋氧同位素短尺度(10～100年尺度,后同)变率所具有的信号强于噪音。通过进一步比较分析发现,一些石笋氧同位素记录虽然来自距离上千公里之遥的不同区域,但它们的波动形式在年代际至世纪尺度极其相似,说明它们是一致的大区域信号,但多数石笋氧同位素序列未能校准到本区器测的降水或温度记录上。通过与中国气候学家建立的各类季风指数比较,发现这些具有一致大区信号的中国石笋氧同位素序列与海平面气压差指数或海陆温差指数关系最好。再通过与印度洋－太平洋海域海平面气压差、以及许多海、气环流观测记录对比,发现中国季风区石笋氧同位素序列记录了20世纪后期最强的一次全球海、气环流年代际均值突变,由此初步确认了中国季风区石笋氧同位素短尺度变化的环流意义： 当印度洋海水和中东太平洋海水温度偏低时,西太平洋副热带高压偏北东缩而弱,中国季风区内来自印度洋的水汽份额增大,由于这些水汽的输送路程很远,导致中国季风区的雨水氧同位素及石笋氧同位素较轻; 而当印度洋海水和中东太平洋海水温度偏高时,西太平洋副热带高压偏南西伸而强,中国季风区内来自印度洋的远源水汽份额减少,而来自西太平洋的水汽份额增大,由于后者输送路程较近,导致中国季风区的雨水氧同位素及石笋氧同位素较重。由此命名瑞利分馏原理所决定、反映印度洋/太平洋海、气环流转变且大区域一致的中国季风区石笋氧同位素10～100年尺度变化为“环流效应”。     

漓江流域末次冰期以来气候环境变化研究进展

为更好地认识漓江流域过去气候环境变化,更好服务于漓江流域未来气候环境预测、生态环境建设及资源环境可持续发展,本文对漓江流域末次冰期以来的气候环境研究现状进行了总结和综述。总结了年代学、现代过程研究、古气候环境重建和古人类演化方面的进展及存在的问题,并对下一步的研究方向进行了分析和探讨。希望能促进华南地区过去气候环境变化研究,并对经济社会可持续发展提供借鉴和参考,助力桂林可持续发展创新示范区建设。     

高分辨率气候环境变化研究中的石笋微层

在全球变化研究领域，高分辨率重建 2000年来的气候环境变化是近期工作的主要内容之一。石笋微层由于其沉积界面完整，微层明显和组分构造有序，从而成为综合研究气候环境变化的理想载体。详细分析了石笋微层灰度和石笋微层厚度的成因、类型和影响因素，对石笋微层在高分辨率气候环境变化研究中的应用现状及目前所存在的问题作了简要介绍，并对该领域今后的发展方向提出了一些看法。     

湖北清江石笋的碳氧同位素组成及其古气候意义

测定经铀系法和1 4 C法精确定年的石笋 (Z 2 )的碳氧同位素组成 ,探讨它们对古气候的指示意义。研究结果表明 ,研究区石笋碳酸盐氧同位素主要组成反映了地表水的氧同位素组成 ,受气候的两要素———气温和湿度控制 ;碳同位素组成则反映当地的植被面貌 ,即C3和C4植物的比例 ,间接指示古湿度。洞穴石笋稳定同位素的定量解译尚需进一步研究。     

中国南方发现大型文石笋

中国南方大量石笋剖面研究表明,石笋矿物组成有方解石、文石、方解石-文石三种类型。石笋沉积纹(微)层结构构造特征大同小异,但是文石石笋的放射状纹(微)层构造更显著。文石石笋沉积生长的气候环境是滴水多而稳定,水温低、气温略高的冷、湿的洞穴气候条件。文石转变为方解石常保留文石的针状、柱状晶形,并存在于石笋沉积生长的始终。文石结构构造转化在常温或低温、常压或低压下自调整作用的成晶成岩环境进行,其强度取决于所在洞穴气候环境、滴水在石笋的渗流和石笋的含水度。转化作用不影响同位素分馏,石笋同时全面记录古气候环境信息。研究文石石笋对重建古气候环境、成岩成矿作用都有重要理论和实践意义。     

A paleoclimate record of the last 17,600 years in stalagmites from the B7 cave,Sauerland, Germany

Petrographical and geochemical parameters of stalagmites from the B7 cave in Iserlohn–Letmathe (Northern Rhenish Massif, NW Germany) record Late- and postglacial climate changes (temperature and/or precipitation). Fabrics and microfacies of the stalagmite profiles lead to a differentiation of four hierarchies of rhythms. Clastic layers in the stalagmites are caused by flooding events and are time markers. Twenty-four TIMS Th/U-age-dates provide a time calibration of stalagmite growth phases. One stalagmite reveals an early growth period between 17.6 and 16.7 ka BP. Between 9.6 and 5.5 ka BP (Atlantic episode of the Holocene) the growth rate of the stalagmites was higher than before and after this time, with dominant light-porous microfacial laminae and high δ¹⁸O and δ¹³C values representing partly kinetic fractionation effects. This part of the Holocene is interpreted as a mainly warm episode with frequent interruptions of dripping. Within the past 4 ka the profiles with predominant dark compact facies reveal low isotopic values which may be interpreted as a temperature proxy record. The stalagmite records resemble records from an Irish stalagmite. Correlation with the Δ¹⁴C record from European tree rings suggests that colder periods in the North Atlantic were accompanied by drier winters in central Europe.