北京石花洞全新世石笋微生长层与稳定同位素气候意义初步研究

在北京石花洞全新世石笋中发现分辨率很高的微层韵律。通过绝对年代测定和降水记录校订,初步确定石笋微层的年层时标含义和层厚变化响应降水变化的关系。通过对石笋稳定同位素气候意义的分析,提出在季风气候条件下,由于石笋氧同位素主要反映水源氧同位素的变化,因而也反映了季风强弱的变化。碳同位素反映了土壤有机环境的变化。微层层厚与氧同位素主要是自然环境变化信息载体,而碳同位素是自然环境变化叠加人类活动影响的综合信息载体      

第四纪石笋剖面的初步建立——以北京石花洞为例

北京石花洞位于房山花岗岩体边缘向形带的东北扬起端,与北京猿人遗址南北相望,地层均为奥陶系马家沟组石灰岩.洞内石笋记录了中更新世以来北京西山古环境的变化,可以建立第四纪石笋剖面.钙板的铀系年龄为334.99~366.74 ka,定名钙板组(Qp2g).粗犷石笋的铀系年龄为169 ~ 235 ka,粗犷石笋的电子自旋共振年龄为130~518ka,属中更新世沉积,定名云水洞组(Qp2y).杆状石笋的铀系年龄为14.9±2.1 ~ 100.3±11.1 ka,属晚更新世沉积,定名石花洞组(Qp3sh).在全新世石笋中,微层与微层之间存在厚约1μm的条带状纹线,是划分微层层数的标志,具有微层理的石笋14C年龄为0.58~ 2.50 ka,定名守备支洞组(Qhsh).     

北京石花洞石笋中有机质的赋存状态

选取北京石花洞石笋磨制成光薄片,对它进行了显微镜透射光、反射光和荧光观测.镜下见有两类有机质:一是发黄绿色荧光以富啡酸为主的腐殖酸类有机质,主要赋存在碳酸盐结晶程度差、溶孔发育的暗层或裂隙中;二是粒径小于30 μm的碎屑状固态有机质,它们不发荧光,不均匀地聚集在暗层溶孔周边、暗层与亮层过渡区或亮层内的溶解裂隙中.碎屑状固态有机质的反射率R°为6.72%～6.82%,拉曼光谱为典型石墨类单峰,分析表明,碎屑状固态有机质可能主要来自洞穴上覆土壤或已风化的煤系地层,被较强水流携带进入洞穴,与碳酸钙一同沉积,从而保存在石笋中.石笋微层中暗层与雨期、亮层与干期相对应,石笋中固态有机质的富集带可作为水动力突然变强或"事件"的标志.有机质常为金属离子或金属化合物的载体,不同地区石笋中有机质的研究也将有助于对气候变化多指标研究获得共识.     

北京石花洞岩溶学研究进展

全面介绍北京石花洞发现与研究的历史、取得的重大成果,以及在岩溶学研究领域所起的作用。石花洞位于北京西山,发现于明朝正统十一年,开发于20世纪80年代。岩溶学研究表明,石花洞洞层多（8层）,石盾多（200多个）,为世界罕见。在全国范围内,首次发现月奶石,首次发现碳酸钙微层理,首次发现膜足硬肢马陆穴居动物。笔者从地质学、气象学和环境学全面研究了石花洞,测绘精度达到1：200,进行了氡浓度研究。从溶蚀形态来看,石花洞8层溶洞展示北京西山的8次隆升;从沉积形态来看,石花洞中的粗犷石笋代表中更新世沉积,杆状石笋代表晚更新世沉积,微层理石笋代表全球转暖以来的全新世沉积,奠定了首次建立第四纪石笋剖面的基础。     

石笋与环境— — 石笋纹层形成的环境机理初探

石笋沉积的生长条带从剖面图式可分为两大类: 一类没有明确的沉积旋回界面,难以按层计数,称为“生长纹理” ; 另一类具有确定的沉积旋回界面,可以按层计数,称为“生长层理”。石笋生长层理可以发展成为一类重要的断代工具。中国北方型微层的形成可能主要与干湿季变化明显的气候条件、以及富含有机质和碱性交换态离子的土壤类型密切相关。而南方型微层的形成可能主要与较长时间的降水和有机质淋滤以及盛夏高温-少降水的配置有关。如果沉积物中某种要素对物源或水流通过路径的环境变化能够灵敏反应,并按一定的时间单元将这些变化记录下来,就能成为高分辨的气候— 环境变化信息库。      

北京石花洞第四纪钟乳石剖面的年代学研究

北京石花洞位于房山花岗岩体边缘向形带的东北扬起端,与北京猿人遗址南北相望。地层为460Ma前形成的中奥陶统马家沟组石灰岩,洞穴大形态从25Ma前的上新世开始形成,洞内钟乳石从0.37Ma前的中更新世开始形成。在中国岩溶洞穴中,北京石花洞的层数最多,洞穴钟乳石种类齐全,裂隙渗透水沉积的石盾多、体积大,滴水沉积的石笋叠置关系明显,池水沉积的月奶石发育好,全新世石笋微层理发育清晰。该洞的大形态反映了北京西山新构造运动的期次,可以同华北地文期和永定河阶地对比,洞内钟乳石记录了中更新世以来北京西山古环境的变化,可以建立第四纪剖面,与周口店洞穴群碎屑沉积物剖面进行对比。钙板的铀系年龄为334.99～366.74ka,可定名钙板组。粗犷石笋的铀系年龄为169～235ka,粗犷石笋的电子自旋共振年龄为130～518ka,为中更新世沉积,可定名云水洞组。杆状石笋的铀系年龄为14.9±2.1～100.3±11.1ka,为晚更新世沉积,可定名石花洞组。在全新世石笋中,微层与微层之间存在厚约1μm的条带状纹线,是划分微层层数的标志,具有微层理的石笋14C年龄为为0.58～2.50ka,AMS14C年龄为为130±100～670±130a,可定名守备支洞组。     

北京石花洞洞穴滴水中硫酸根浓度的时空变化及其意义

硫是环境地球化学循环中重要的元素之一,是区域及全球性环境变化的重要驱动因子。本文通过对石花洞洞穴4个滴水点（JG,SH,PL1和PL2）硫酸根浓度近3个水文年的分析测定（BL点观测近两年）,结果表明:响应降雨快的滴水点（SH和JG点）滴水SO42-浓度升高幅度最明显,且滴水SO42-浓度与滴率成指数关系;滞后响应降雨的观测点滴水SO42-浓度雨季升高幅度不明显,但在长期观测期间有明显增加的趋势;对降雨没有响应的滴水点,其SO42-浓度低且雨季没有明显变化。通过分析表明,在快速响应降水的滴水点,滴水硫酸根浓度大幅升高可能在一定程度上影响滴水pH值,这也可能是导致雨季时,快速下渗进入洞穴的滴水碳酸钙饱和度降低,从而抑制滴水沉积的一个不可忽略的因素。      

石笋微层研究及其气候意义

在分析石笋微层形成机理的基础上,介绍了石笋微层厚度测量的主要方法及影响因素.结合U-Th系定年与显微镜镜下计数,对采自长江中游清江和尚洞的一支正在生长的年轻石笋进行了初步的微层厚度测量,结果显示生长于该地区的石笋非常适合于微层研究,并就石笋微层研究对古气候重建的重要意义及该领域的发展趋势进行了探讨.     

石笋微层气候学的几个重要问题

气候动力和土壤过程的年季旋回造成石笋碳酸盐沉积不连续界面(如有机质)或矿物(如文石与方解石)、结构(如舒松层和致密层)交替转换从而形成了石笋微生长层,石笋微层不但为古气候时间序列提供了高分辨率的时间标尺,而且其本身的厚度变化在一定条件下也记录了气候变化,成为高分辨率的气候代用指标。石笋微层气候学就是在研究石笋微层与气候变化关系的基础上,采用石笋微层定年、利用石笋微层厚度变化定量重建气候历史的科学方法。现在国内外已经公布了数个石笋层厚时间序列,但序列的构成差距很大,而且有的序列已经受到质疑,因此有必要建立一个获取和提供数据的科学规范,以增加石笋微层重建气候工作的可信度,这是石笋微层气候学方法得以顺利发展首先要解决的问题。而在何种条件下气候能够成为影响石笋微层层厚变化的主导因素,可能是石笋微层气候学需要解决的基本问题。此外,文章还讨论了微层界面形成及碳酸盐沉积的时间、层厚曲线平底、层内虚假的灰度、伪年层和年层缺失、平行样品交叉定年的困难原因等石笋微层气候学必须回答的问题。     

江西峨嵋洞石笋微层特征及其形成机制

生长快速、具有年纹层的洞穴石笋是研究过去季节-年际尺度气候变化的重要地质载体之一。本研究对江西峨嵋洞长度为60 mm的现代石笋EM1进行微层分析、高分辨率的氧、碳同位素测试分析,研究了石笋微层特征及其形成机制。研究表明峨嵋洞石笋微层具有典型的"南方型"微层特征：肉眼可见的暗褐色致密亚层,在透射光下为透光层,在紫外光下为不发光层;肉眼可见的乳白色疏松亚层,在透射光下为不透光层,在紫外光下为发荧光层。暗褐色致密亚层的方解石δ18O值由年内最小变为最大而δ13C值为年内偏正峰值,乳白色疏松亚层的方解石δ18O值由年内最大变为最小而δ13C值为年内偏负峰值。月-季节分辨率的δ18O和δ13C记录为反相关关系,δ18O滞后于δ13C变化约3~4个月。研究认为峨嵋洞石笋微层的形成可能主要与春季-早夏较多降水和有机质淋滤（形成乳白色疏松亚层）以及盛夏高温干旱（形成暗褐色致密亚层）的配置有关。部分乳白色疏松亚层内还发育有极细的荧光层,被证实为年内层（伪年层）,其成因很可能与春季至早夏多次强降水造成的数次有机质脉冲沉积有关。     

北京石花洞氡浓度的研究

通过对石花洞为各层氡浓度的测定，发现石花洞的氡浓度比广西岩溶洞穴的氡浓度要高，只是 与其周围的银狐洞、云水洞和国外洞穴相比要低。并根据国际放射防护委员会１９９０年建议书的规定，制定了石花洞内工作人员工作时间上限。     

湖北三宝洞石笋生长速率及其古气候意义

石笋生长速率通常被作为反映古气候或古环境变化的有效代用指标。本文以湖北三宝洞22万年以来17支石笋为材料,实测了190个230Th年龄,其生长曲线显示MIS 1和MIS 5 阶段平均生长速率较大,超过70μm/a; MIS 2,MIS 3,MIS 4和MIS 6阶段生长速率较慢,均低于25μm/a,甚至停止生长。间冰期平均生长速率比冰期增加了1~2倍以上,且具有"爆发式"快速生长的特点。以5000年为步长的同一洞穴17支石笋生长频率支持平均生长速率的研究结果,说明在轨道尺度上较大的石笋生长速率能够有效地指示暖湿的气候条件。研究结果表明,间冰期高海平面和强太阳辐射增强了研究区季风环流,提高了地表植被覆盖率,有利于洞穴岩溶水过饱和,从而导致间冰期多支石笋连续高速生长。     

洞穴滴水地球化学的空间和时间变化及其控制因素——以北京石花洞为例

通过对北京石花洞滴水地球化学一个水文年的观测,揭示了洞穴滴水水文地球化学季节变化与外界气候变化的关系,3个滴水点的滴率随降雨量的增加都有明显的变化,但不同滴水点滞后时间不同。滴水滴率、Mg2+和SO24含量的季节变化数据显示,雨季洞穴滴水主要来源于当季降水,但也存在岩层滞留水的混入。滴水中Mg/Ca比值存在明显季节变化,旱季较低而雨季较高,但在雨季初期出现较大的波动。分析洞穴上覆土壤和洞内裂隙土壤数据,认为雨季初期滴水中Mg/Ca比值的波动是由土壤中Mg2+的快速淋溶造成的,上覆土壤结构性质和组分变化均影响滴水地球化学特征。     

湖北清江和尚洞石笋GDGTs来源:5、6-甲基支链GDGTs和brGMGTs新证据

岩溶关键带是地球各圈层相互作用的场所,具有较为独特的生物地球化学过程。洞穴沉积物石笋是各圈层相互作用的产物,也是记录古气候的良好载体。目前,石笋中多种古气候代用指标已经被应用于古气候重建。来自于微生物细胞膜的甘油二烷基甘油四醚化合物（Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers,即GDGTs）也在石笋中被发现,拓展了GDGTs相关指标的应用范围。然而,石笋GDGTs来源尚不明确,查明石笋中GDGTs来源是其相关指标得以准确应用的前提。本文以湖北清江和尚洞为例,对喀斯特洞穴关键带中古菌和细菌GDGTs的垂直分布进行了详细调查,发现表层土壤和洞穴内部石笋中GDGTs分布存在显著差异,土壤中细菌支链GDGTs（brGDGTs）显著多于古菌类异戊二烯GDGTs（isoGDGTs）,而石笋与之相反。土壤中5-甲基brGDGTs多于6-甲基brGDGTs,而石笋中6-甲基brGDGTs为主要异构体类型,5-甲基brGDGTs几乎检测不到。包括5-和6-甲基brGDGTs的甲基化指数MBT、环化指数CBT和异构体指数IR在内的多种指标反映出的brGDGTs分布在土壤和石笋中均存在显著差异;此外,土壤中的甘油单烷基甘油四醚（GMGTs）相对含量远低于石笋中GMGTs的含量。洞穴滴水中GDGTs的检测也表明滴水GDGTs分布与洞顶土壤完全不同,其GDGTs组成以古菌isoGDGTs为主,且古菌isoGDGTs分布模式与石笋一致。这些证据都表明,石笋中GDGTs化合物不是来自于洞穴上层土壤;石笋中的GDGTs可能主要来自于石笋表面原位生长的菌群和岩溶裂隙中地下水系统的贡献,其记录的信号主要是地下水和洞穴内部的环境信息,而非土壤的环境信息。

     

褒禅山华阳洞的形成机理及保护意义

褒禅山华阳洞主体发育于二叠系栖霞组灰岩中,是含山地区重要的地质遗迹之一。笔者从区域地质演化过程入手,针对岩溶洞穴发育的物质基础、局部构造条件、水流的定向溶蚀及新构造运动等方面进行综合研究,简要分析了华阳洞的形成机理,并从地学研究、旅游价值等方面阐述了对其保护的重要意义。     

北京猿人洞穴堆积气候地层的重新划分与对比

周口店第一地点洞穴四十余米厚的堆积层自下而上共分为 17层 ,新近测量的年代推前了近 2 0 0 ka。对堆积层所含哺乳动物化石和孢粉资料进行聚类统计和因子分析 ,结合风化系数和微量元素含量等古气候代用指标 ,重新定量地描绘它所记录的古气候波动旋回。根据第 2层 TIMS测年为 410 ka B.P.,第 14层上部是磁性地层测量的B/ M界线 ,可以将该洞穴堆积层 1— 14层对比于深海岩心 δ1 8O气候曲线的 11— 19段或中国黄土—古土壤序列S4— S7,并且古气候旋回内的次级波动也可进行一定程度的对比。     

贵州荔波董歌洞较老石笋ICP-MS~(230)Th测年研究及古气候应用

石笋记录研究的进展与测年技术的发展密不可分,测年新技术的突破不断推动利用石笋重建古气候研究的飞速前进。在利用石笋进行古气候重建过程中,建立精确的时标是首要条件。通过对较老(>250ka)石笋的ICP-MS230Th测年研究,发现贵州荔波董歌洞D6、D7、D9石笋具有比较连续的高分辨记录,最老年龄超过400ka,通过230Th测年数据的分析为建立我国西南地区500ka以来标准剖面打下基础;对董歌洞3根大型石笋135个230Th年龄数据及生长速率的分析研究,发现石笋生长速率在大尺度的变化上与海洋沉积SPECMAP曲线δ18O记录有很好的负相关关系,并与北纬25°夏季太阳辐射能量变化曲线呈一定的正相关关系,石笋生长速率的变化在间冰期处于高值,而在冰期时为低值,在间冰期和冰期转化阶段生长速率呈跳跃式变化。通过生长速率变化分析表明,石笋生长速率记录了过去突变冷暖事件的变化,因此可以作为一个有意义的环境记录替代指标来研究古降水及古气候变化。     

重庆金佛洞石笋灰度气候环境意义及全新世千年尺度事件

本文利用采自中国南方地区重庆市金佛洞的一支长228 mm石笋J119,通过9个高精度²³⁰Th测年数据和3241个灰度值数据,建立了该洞穴方解石石笋全新世灰度序列,并结合相邻地区黑风洞的石笋灰度数据,研究分析发现：石笋灰度高值对应于石笋表面颜色偏浅部分,杂质含量多,为不纯的方解石,透光性差;石笋灰度低值对应于石笋表面颜色较深部分,为致密且纯净的方解石,属石笋透明层段。石笋J119灰度值序列与其δ¹³C序列存在着相似的变化趋势,显示它们响应相同的驱动因素,主要反映的是洞穴上方土壤植被和水岩作用情况,间接反映当地季风降水和温度变化。黑风洞与金佛洞石笋灰度记录对比显示,石笋灰度在轨道时间尺度上存在着不同的变化趋势,但是对千年尺度气候突变事件具有相似响应,表明石笋灰度指示的是短时间、区域性的气候环境信息。

     

向源潜流侵蚀岩溶作用及其成因机理——以塔河油田早海西风化壳岩溶洞穴层为例

向源潜流侵蚀作用指在海(水)进环境中,由于盆地边缘岩溶斜坡带内陆区的潜水面上升后,潜水面以下地下潜流在相当长时间内仍然在原有的洞穴内流动,由此产生的连续向上(向着地下水流源头)侵蚀作用,其结果是在原有的洞穴层之上形成多旋回的具有`坍塌角砾- 暗河沉积’ 双层结构的塌积层序及纵向上呈加积方式产出的叠积洞穴层,以及由叠积洞穴与原有洞穴连成一体的复合洞穴层。本文以塔河油田早海西风化壳岩溶洞穴层为例,简要地介绍了古岩溶洞穴层的对比方法,展示了塔河地区早海西风化壳岩溶洞穴层对比成果,并通过典型井的洞穴层内部结构解剖分析,阐述了向源潜流侵蚀岩溶作用的成因机理,并探讨了一些相关的主要问题。