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.     

哈达贺休盐湖卤水氢氧同位素特征及成因分析

内蒙古哈达贺休盐湖蕴藏着较为丰富的地下卤水资源,但对其成因和演化机制尚缺乏充分的认识。采用稳定同位素方法,研究了哈达贺休盐湖地下卤水及其周边水体的氢氧同位素组成特征,并对卤水的成因进行了分析。结果表明:哈达贺休盐湖地下卤水的δD和δ~(18)O值平均值分别为-0.53 ‰和4.01 ‰,黑河河水的δD和δ~(18)O值平均值分别为-36.73 ‰和-5.51 ‰,居延海湖水的δD和δ1~8O值平均值分别为1.26 ‰和2.73 ‰,当地大气降水的δD和δ1~8O值平均值分别为-5.30 ‰和-1.20 ‰。研究区水体的蒸发趋势线方程为δD=5.32δ1~8O-20.08,该蒸发线偏离全球大气降水线。黑河河水的氘盈余值(d)最大,湖水和地下卤水d的最小,而且湖水和卤水的d值与TDS呈负相关关系。偏正的δD和δ~(18)O值以及较小的d值表明研究区卤水经历了强烈的蒸发,同时还存在与含氧类矿物的同位素交换反应。卤水和居延海湖水氢氧同位素值分布比较集中,并且接近,二者都由黑河河水演化而来。     

介形虫碳氧同位素测定样品处理方法对比研究

介形虫化石壳体被认为是反映古湖泊沉积环境的理想对象。在过去的30年,介形虫壳体的δ13C和δ18O测定已经被广泛应用到湖泊沉积古气候及古环境的重建。由于湖泊生物碳酸盐样品不同的前处理方法可能会影响到稳定同位素测试结果的重现性和辨析率以及实验室之间数据的可比性,采用有效的方法对介形虫壳体进行预处理是保证介壳稳定同位素测试的一个关键环节。在总结目前常用的湖泊生物碳酸盐稳定同位素测试样品处理方法的基础上,通过对青海湖现代和古代沉积物中介形虫的测定,讨论各种处理方法对介形虫壳体稳定同位素测试结果(δ13C和δ18O)的影响。实验表明:不同处理方法对所测介壳样品的δ13C值和δ18O值不会产生大的影响,在介壳样品的稳定同位素测试之前不需要对介壳样品进行处理。     

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.     

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。     

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。     

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。     

哈达贺休盐湖卤水氢氧同位素特征及成因分析

内蒙古哈达贺休盐湖蕴藏着较为丰富的地下卤水资源，但人们对其成因和演化机制尚缺乏充分的认识。本文采用稳定同位素方法，研究了哈达贺休盐湖地下卤水及其周边水体的氢氧同位素组成特征，并对卤水的成因进行了分析。结果表明：哈达贺休盐湖地下卤水的?D和?18O值平均值分别为-0.53 ‰和4.01 ‰，黑河河水的?D和?18O值平均值分别为-36.73 ‰和-5.51 ‰，居延海湖水的?D和?18O值平均值分别为1.26 ‰和2.73 ‰，当地大气降水的?D和?18O值平均值分别为-5.30 ‰和-1.20 ‰。研究区水体的蒸发趋势线方程为δD=5.32δ18O-20.08，该蒸发线偏离全球大气降水线。黑河河水的氘盈余值（d）最大，湖水和地下卤水的最小，而且湖水和卤水的d值与TDS呈负相关关系。偏正的?D和?18O值以及较小的d值，表明研究区卤水经历了强烈的蒸发，同时还存在与含氧类矿物的同位素交换反应。卤水和居延海湖水氢氧同位素值分布比较集中并且接近，二者都由黑河河水演化而来。     

楚科奇海表层海水颗粒物组成与来源

对研究区内第五次北极科学考察所取的表层海水颗粒物的浓度、显微组成、有机碳、氮含量及其同位素组成进行了分析。结果表明,楚科奇海域表层海水颗粒物浓度介于0.56—4.01 mg·L-1,具有冰区边缘高于开阔水域的特点。陆架区颗粒有机质相对含量高(TOC:9.78%—20.24%;TN:0.91%—2.31%),有机碳、氮同位素值相对重(δ13C:-23.29‰—-26.33‰PDB;δ15N:6.14‰—7.78‰),有机质主要来源于海洋生物,含有部分陆源有机质;陆坡及北冰洋核心区的颗粒有机质含量,除SR15站外,相对低(TOC:8.06%—8.96%;TN:0.46%—0.72%),有机碳、氮同位素值轻(δ13C:-26.93‰—-27.78‰PDB;δ15N:4.13‰—4.84‰),颗粒物有机质以陆源为主。陆坡区SR15站表层海水颗粒物中异常高的陆源有机质(TOC:27.94%,TN:1.16%;δ13C:-27.43;δ15N:3.81)可能来自源于东西伯利亚的穿极洋流。海冰携带的颗粒物(包括冰藻)是冰区边缘表层海水颗粒物的重要来源,在陆架区海冰融化,向水体中释放了大量生物体;而陆坡区和北冰洋核心区,海冰对颗粒物的贡献以碎屑矿物和黏土矿物为主。     

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。     

白令海盆17ka以来的古海洋与古气候记录

通过白令海盆08BR02钻孔(57°0.06'N,174°29.97'E,水深3 805 m)的AMS14C测年数据、颜色反射率b*与NGRIP(North Greenland Ice Core Project)氧同位素曲线及白令海4个钻孔颜色反射率b*记录作对比,建立该孔的地层年代框架,顶、底部沉积物年龄分别为4.2 ka和17.0 ka。该孔自17 ka以来,IRD(ice-rafted detritus:冰筏碎屑)、粒度的砂组分以及敏感组分中的33—63μm组分百分含量在全球性冷事件H1(Heinrich event 1)、B/A(Blling/Allerd)中期和YD(Younger Dryas)期间明显增加。IRD和有孔虫丰度在H1、B/A和YD期间同步增加,可能反映海冰融化为表层水提供营养物质,促使表层钙质生产力勃发并将有机质进一步输送至海底,为底栖生物提供营养物质。     

雅鲁藏布大峡谷羚牛牙齿珐琅质碳、氧同位素组成及其环境意义

以雅鲁藏布大峡谷的羚牛为主要研究对象,讨论其牙齿珐琅质羟基磷灰石结构碳酸盐的碳、氧同位素组成与生活环境之间的关系。羚牛牙齿的碳同位素组成分布范围相当宽,且随着栖息地海拔高度的增加而变重,反映了食谱中C₄植物从无到有、由少到多的变化趋势。C₄植物含量最高可能达到70％。这一变化与当地自然带的划分相吻合。羚牛牙齿珐琅质结构碳酸盐的δ¹⁸O值分布范围较窄,与海拔高度之间没有明显的相关性。氧同位素分馏可能与水源和物种均有关。     

北冰洋阿尔法脊晚第四纪沉积有机质的来源变化及其古环境意义

为探讨晚第四纪有机碳埋藏情况变化与海冰覆盖和环流等变化之间的关系,分析了北冰洋阿尔法脊08B85-D孔沉积物的Mn和Ca含量、粒度组成、有机碳含量和有机碳δ13C组成。结果表明有机碳含量并不具备冰期-间冰期旋回性,有机碳来源具有4种不同模式,海冰覆盖程度和波弗特环流的强度共同决定了阿尔法脊处有机碳来源的构成,在MIS7内若干时段海冰覆盖极少,极盛的波弗特环流可将陆源有机质直接输送至阿尔法脊处,使沉积有机质中陆地来源占主导,形成了具有地层对比意义的独特信号。在MIS6-MIS1,08B85-D孔有机碳始终以海洋源贡献占主导,与海冰覆盖程度维持在较高水平,限制了陆源有机碳的输送有关,特别是在MIS6和MIS4-MIS3时,海冰很盛,波弗特环流有可能消亡。     

南半球环状模与南极冰芯中气候信息关联研究综述

冰芯作为气候环境信息的良好载体,在研究过去大气环流异常中具有其他气候代用指标难以比拟的优势。本文重点综述了南极冰芯气候记录与南半球环状模(SAM-Southern Annular Mode)的关联特征:SAM与冰芯记录为同期变化,冰芯中NO-3、海盐组分(以Na+为代表)和水同位素比值δ18O同SAM指数具有较好的关联性;冰芯中SO2-4和MSA同SAM存在一定的关联,但相关性不显著;西南极冰芯记录的积累率同SAM具有较强的关联。需要说明的是,冰芯中各参数与SAM的相关性存在较大的空间差异。     

Holocene precipitation δ18O as an indicator of temperature history in arid central Asia: an overview of recent advances

Holocene δ¹⁸O records from various archives (ice cores, cave stalagmites, and peat sediments) from the Xinjiang region of northwestern China, in arid central Asia (ACA), are all derived ultimately from local precipitation δ¹⁸O (δ¹⁸O_p). Nevertheless, they have been proposed as indicators of different climatic parameters, such as wetness and temperature changes. This article summarizes previously reported records of moisture sources for the Xinjiang region and the results of modern observations conducted at an ice core site and a peat site in the Altai Mountains. The findings are used to propose that the overall positive trends in Holocene δ¹⁸O records from the various archives from the Xinjiang region primarily reflect the Holocene's long-term warming trend. It is concluded that more site-specific modern observations are needed to further elucidate the environmental significance of Holocene δ¹⁸O records from this region, especially for the separation of different seasonal temperature signals present within δ¹⁸O records.     

腾格里沙漠西南缘土门剖面微量元素记录的MIS3高分辨率季风环境变化

对位于腾格里沙漠西南边缘的土门剖面中时代为MIS3的TMS3层段进行序列分析与¹⁴C和释光测年,并在此基础上对沉积层进行系统的微量元素地球化学分析。结果表明：TMS3是由沙丘砂与其他5类沉积相（黄土状亚砂土、砂黄土、湖沼相、水成黄土和古土壤）构成的相互叠覆的沉积,形成14.5个“沉积旋回”。TMS3微量元素Mn、P、Sr、Rb、V、Zn、Cr、Ni、Cu和Nb在沙丘砂中含量低,在其他5类沉积相中含量高;Rb/Sr比值则呈现相反的变化趋势。在剖面上,随着沙丘砂与这5类沉积相的交替,元素含量、Rb/Sr比值表现出明显的峰（高值）谷（低值）波动,并形成基本上与沉积旋回数量一致的“元素旋回”——ECY1—ECY14.5。该层段14.5个元素旋回揭示了相同数量的腾格里沙漠东亚冬夏季风演变的“旋回”——MCY1—14.5,包括14次冬季风事件和15次夏季风事件,每个季风旋回的持续时间平均约2.48 ka;TMS3元素记录的15次夏季风事件与GRIP冰芯和葫芦洞石笋MIS3-δ¹⁸O曲线的间冰阶具有相同的发生次数,也与邻近的古浪黄土MIS3中的间冰阶可以进行很好的对比。土门剖面TMS3的地球化学迁聚行为和沉积相,在一定意义上诠释了MIS3北半球冷暖波动——腾格里沙漠东亚冬夏季风环境变化的响应过程。     

南沙群岛现代滨珊瑚骨骼Sr/Ca、δ18O和δ13C对极端高温事件响应

以南沙群岛永暑礁的现代滨珊瑚YSL24（生长时间为1985—1999年）与YSL2A（生长时间为1971—1999年）为材料,通过对其骨骼开展高分辨率的Sr/Ca、δ¹⁸O和δ¹³C分析,探讨其对极端高温事件的响应特征。有记录表明,1971—1999年,南海南部在1973、1983和1998年发生了极端高温事件,滨珊瑚骨骼Sr/Ca序列清楚地记录了这3次高温事件,其相应条带Sr/Ca周期数值显著低于序列其他年份。而δ¹⁸O对高温事件的响应不太明显,其原因可能与δ¹⁸O序列同时受温度和盐度变化的影响有关。δ¹³C在这3个高温年份均在夏季发生了异常负偏,应该是由高温胁迫下共生藻光合作用强度下降所致。因此,珊瑚骨骼的Sr/Ca和δ¹³C对南沙群岛高温胁迫具有明显的响应,可作为记录过去白化事件的可靠指标。     

末次冰消期以来白令海盆的冰筏碎屑事件与古海洋学演变记录

通过对白令海盆中部BR02岩芯高分辨率的颜色、粒度和元素地球化学地层的研究发现:(1)该岩芯较为完整地记录了末次盛冰期结束以来(约16.3 ka BP)的多期冰筏碎屑事件,包括H1、OD、YD和北方2期,其中以H1和YD最为显著,反映了末次冰消期以来该地区海冰/冰山以及区域性冰川的消长变化;(2)BR02岩芯上部17—25 cm段出现富Mn、富Ba的氧化型沉积,说明在全新世高海面时期,白令海与北太平洋、北冰洋之间的水体交换达到极点,白令海环流加强,海盆底层水含氧状况明显改善,并引发海洋生产力增加;(3)CaO、Na2O、Sr、Zr及Na2O/K2O比值的分布说明,海盆冰筏碎屑主要来自富碳酸盐的育空河流域,其次为阿拉斯加半岛和阿留申群岛等火山岩区;岩芯上部Na2O/K2O比值的递增暗示10 ka BP以来与火山物质输运有关的北太平洋入流(阿拉斯加流)可能增加。     

Ice-rafted detritus events in the Arctic during the last glacial interval, and the timing of the Innuitian and Laurentide ice sheet calving events

Ice-rafted detritus (IRD) layers in the Arctic Ocean not only indicate the source of this detrital sediment, but give insights into the ice drift and ice sheet history. Detrital sand-sized Fe oxide mineral grains that are matched to precise sources using the microprobe chemical fingerprint of each grain, along with elevated coarse IRD abundance and radiocarbon ages, are used to define IRD peaks from the Innuitian and Arctic portions of the Laurentide ice sheets. Because grains from these two areas can be entrained by sea ice from the shelves just offshore of the calving areas, peaks in these grains must be correlated to coarse IRD to identify iceberg calving events, and to distinguish them from sea-ice rafting. The sequence of IRD peaks deposited by icebergs from these two ice sheets indicate that both ice sheets calved bergs at accelerated numbers, six or seven times, from 11 to 36 Kya. The relatively short times between most of these IRD events suggest that the ice sheets did not completely collapse with each IRD event, except the last event. Although there is some indication that one ice sheet may have begun calving bergs before the other, the resolution of the Arctic cores does not allow definitive determination of this. This emphasizes the need for higher resolution cores from the central Arctic, as well as from near the terminus of large Pleistocene ice sheets. Sea-ice rafting occurs throughout the last glacial stage, even during some glacial IRD events, as indicated by Fe grains from non-glacial sources.     

基于氢氧同位素和水化学的祁连山老虎沟冰川区径流过程分析

基于2012-2013年两个消融期在祁连山老虎沟冰川区连续2 a采集的冰川融水径流、雪冰以及降水样品,分析探讨了冰川区水体介质中氢氧同位素和水化学要素(主要化学离子、pH值、TDS和电导率等)在消融期的变化过程及特征。结果表明:祁连山老虎沟雪冰融水中的氢氧同位素值(δD和δ¹⁸O)表现出明显的消融期随月份波动,先升高再降低的趋势,在7月份表现出高值,反映了冰川消融强弱程度的变化过程。冰川径流中同位素含量与冰雪融水接近,且处于当地降水线上,其主要来自冰雪融水和降雨补给。老虎沟冰川融水径流水化学主要表现为Ca-Na-HCO₃-SO₄和Ca-Mg-HCO₃-SO₄型,其组成特征也表现出随消融过程而变化。对氢氧同位素和化学要素组成在消融期(6~9月)随时间的变化过程进行了分析,表明结合冰川区氢氧同位素和化学要素(包括化学离子、TDS、pH值和电导率等)的组成可以区分雪坑和新雪、河水的组分变化,可以反映冰川融水径流在消融期的变化过程。