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。     

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      

洞穴碳酸钙微层理在中国的首次发现及其对全球变化研究的意义

研究我国北部季风气候区石笋的微生长层及其气候意义，在北京石花洞石笋中发现微生长层。通过年代测定、气候事件控制分析，初步提出了石笋微层的年层时标含义及层厚变化主要响应降水变化的气候意义。试图利用微层的层厚－降水响应关系，重建北京地区最近1130年来干湿变化的年分辨率趋势，通过功率谱分析发现136年、50年、16～18年、11年、5．8年的降水周期变化。     

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。     

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.     

洞穴滴石石笋与陆地古环境记录研究进展

洞穴碳酸盐沉积与其它自然材料相比 ,具有分布广 ,时间跨度大 ,生长机制对环境敏感 ,保存信息完整 ,适合于 U系测年等特点。可与海洋沉积物、冰芯、树轮相媲美。尤其是洞穴滴石石笋为大陆气候替代指标提供了一类独特的数据源。从稳定同位素地球化学、石笋微层、微量元素地球化学、洞穴碳酸盐结晶学和岩石学等方面论述了该领域的最新研究进展。如利用洞穴碳酸盐δ函数定量地分离出纯的温度信号 ;利用石笋碳同位素变化及草原与森林生态系统光合作用的差异特征 ,恢复草原 -森林间的演变过程 ,显示了其在全球变化研究中的重要地位和作用。     

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。     

中全新世持续近600年的湖北神农架石笋年纹层*

根据湖北神农架青天洞QT9石笋ICP-MS测年和纹层计数结果,建立了约6.7~6.1kaB.P.期间连续发育近600年石笋年纹层时间序列。年纹层厚度平均300μm,在数十年尺度上,变幅达350μm。在紫外、透射和反射3种光照条件下,年纹层呈现基本对应的季节性反差特征。年纹层厚度与原始灰度序列在数十年尺度旋回上呈现较为一致变化规律,表明暗色物质与年层生长速率共同响应于某一洞穴气候环境因子。基于中国东部不同气候期洞穴石笋年层具有的显微结构共性研究,推测这一共性是洞穴外部气候要素与洞穴内部环境耦合作用的结果。年层厚度与原始灰度两个序列的功率谱分析揭示50a,24a,9.1a以及2~7a等周期成分,其中,5.9a,4.2a和3.3a共同周期的存在,暗示中全新世存在不同频率的ENSO事件。     

洞穴石笋代用指标的古气候意义初探

现代全球气候变化是当前人类社会普遍关注的一个热门问题。全球气候变化研究的热点问题是获得十年到百年甚至年月分辨的气候变化规律。洞穴石笋作为恢复古气候、研究古环境演变的一把钥匙,因其诸多优点,将在古环境研究中发挥越来越重要的作用。从当前研究现状出发,对石笋中微层年层对比、微层形成机制、稳定同位素记录、微量元素记录、生长速率及微层发光等方面进行一个简单的回顾。     

贵州七星洞石笋记录的一次强降水事件的探讨

全球变暖、极端事件频发背景下,研究极端事件发生规律,并准确预测未来极端事件的发生,已经成为目前极端事件研究的现实而紧迫的任务。利用地质载体重建过去极端事件的发生规律是极端事件研究的重要手段。本研究以贵州七星洞两个具有相似沉积特征的文石-方解石石笋对过去发生的一次强降水事件进行了探讨。主要认识有:(1)七星洞QX1和QX6石笋分别记录的黄褐色纹(微)层具有相似的沉积特征,为强降水携带粘土沉积形成;(2)两个石笋黄褐色纹(微)层发生的时间经推算在误差范围内一致,发生在公元(1868±1)年;(3)此次强降水事件发生的气候背景为:长时间的干旱导致洞顶植被覆盖和土壤湿度减小,而1869年的雨季多雨,在强降水携带下粘土沉积于石笋表面形成纹(微)层。此次事件的研究为东亚季风区极端降水事件研究提供了新的思路。     

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。     

Intra‐annual variation of the calcite deposition rate of drip water in Shihua Cave,Beijing, China and its implications for palaeoclimatic reconstructions

Cai, B., Zhu, J., Ban, F. & Tan, M. 2011: Intra‐annual variation of the calcite deposition rate of drip water in Shihua Cave, Beijing, China and its implications for palaeoclimatic reconstructions. Boreas, Vol. 40, pp. 525–535. 10.1111/j.1502‐3885.2010.00201.x. ISSN 0300‐9483. Monthly in situ monitoring of the calcite deposition rate, drip‐water chemistry and surrounding cave environment was carried out at Shihua Cave, Beijing, China, through two hydrological years (from January 2006 to February 2008) to determine the seasonal variability and mechanisms of stalagmite growth in Shihua Cave. Calcite deposition rates exhibit significant intra‐annual variation, with the lowest values during the summer monsoonal rainy season (July–August) and peak values from autumn to spring. The temporal change in the calcite deposition rate is negatively correlated with the drip rate, cave‐air PCO₂ (CO₂ partial pressure) and Ca concentration, and positively correlated with the pH of the feeding drip water. The seasonal recharge regime of drip water is likely to be the primary control on the drip‐water quality and quantity, which, in turn, control the calcite deposition rate in Shihua Cave. During the summer rainy season, periodic and intense rainstorms increase the drip rate and cave‐air PCO₂, leading to drip water with a lower pH and saturation index of calcite, thereby reducing the calcite precipitation. It seems that the high cave‐air PCO₂ is the dominant control on the calcite deposition rate during the rainy season. Our previous study on the dissolved organic carbon of drip water concluded that the thin luminescent bands in stalagmite laminae from Shihua Cave form during the rainy season. The lower calcite deposition rate during the rainy season further supports this suggestion. The significant intra‐seasonal variability of the calcite deposition rate implies that the seasonal bias of δ¹⁸O of stalagmites should be considered when stalagmite δ¹⁸O is used as a high‐resolution palaeoclimatic archive.     

长江中游石笋年层厚度作为东亚夏季风强度代用指标的研究

利用Olympus偏光显微镜,直接在光学薄片上对长江中游和尚洞HS4石笋进行微层计数,并测量微层厚度。微层计数结果与其对应的UTh定年结果相吻合,证明该支石笋微层为年层;统计分析说明,该石笋的年层厚度变化响应近百年来东亚夏季风强度变化,两者呈负相关,说明长江中游石笋生长受东亚夏季风制约。因而,长江中游石笋年层厚度可以作为高分辨率的东亚夏季风强度代用指标。     

石花洞8层溶洞展示北京西山新构造运动的隆升

北京大石河南岸从上游至下游依次分布鸡毛洞、银狐洞、石花洞、清风洞和孔水洞,由一条地下暗河将其连为一体,称为石花洞系。石花洞系为多层溶洞,可分为上下8层,即洞外山顶穿洞（唐县期）和洞穴上下7层。多层溶洞的每一层形成于岩溶水的水平流动带,新近纪以来,随着北京西山间歇性隆升,形成上下不同海拔高度的8层溶洞,可以和北京西山永定河的8级阶地对比,也可以和G．B．Barbour划分的8次华北地文期对比。石花洞的8层溶洞显示北京西山的8次抬升。     

北京石花洞的区域地质意义

在全国范围内，北京石花洞的层数最多，次生化学沉积物的叠置关系明显。该洞的大形态反映了北京西山新构造运动的历史，可以同华北地文斯和永定河阶地对比。洞内次生化学沉积物记录了中更新世以来，西山地区古环境变化的信息，可以和周口店洞穴中碎屑堆积物进行对比。     

北京石花洞石笋微层层面有机物质的形成时间及机理初探

通过对北京石花洞滴水水溶性有机碳(DOC)近一个水文年的观测,发现不同点滴水DOC浓度均表现出明显的季节性变化,7月中旬均有一个大的主峰出现。初步说明中国北方石笋微层的层面物质沉积于7月雨季,主要来源于大的雨量对土壤中有机质的淋溶;洞穴顶板较薄的滴水点在5月和8月有明显的DOC次峰,可能与石笋亚年层形成有关。     

Speleothems as high-resolution paleoenvironment archives: Records from northeastern China

The isotopic compositions of oxygen and carbon and trace concentrations of magnesium and strontium in speleothems formed in limestone caves respond to climate changes outside the caves. Measurements of these properties on a stalagmite from Shihua Cave near Beijing, China, allowed reconstruction of the regional changes in precipitation, temperature and nature of vegetation. Over the last ∼ 500 years, there were fourteen precipitation cycles with a periodicity of 30–40 years, which may well reflect fluctuations in the strength of the East Asian summer monsoons reaching northeastern China. Relative to the mean temperature of this time interval, the period 1620–1900 AD was cold and periods 1520–1620 and 1900–1994 were warm. Over the last ∼ 3000-years, about eight wet/cool-dry/warm climatic cycles of 300–400 years duration occurred, the latest wet/cool half cycle corresponding to the Little Ice Age. The δ¹³C record registers the anthropogenic activities of fossil fuel CO₂ combustion in recent decades and regional deforestation between 13 and 16 centuries when Beijing was bustling with palatial constructions and being developed into the world’s most populated city.     

末次盛冰期百年尺度气候变化的南京石笋记录

据年层计数和TIMSU系测年结果,建立了南京汤山葫芦洞YT石笋年际精度时间标尺(18000～14000aB.P.)。除石笋顶部5mm层段外,高分辨率的^δ18O、灰度和年层厚度3种指标在百年尺度上具有相当一致的对应关系,表明这3种指标对气候因素变化响应比较敏感。综合石笋^δ18O和本区古植被资料,估计末次盛冰期和波令暖期年均温分别达7℃和15℃。石笋揭示的末次盛冰期气候可进一步划分为4个阶段:1)18150～16900aB.P.,年均温和洞穴湿度逐步下降;2)16900～16100aB.P.,年均温和洞穴湿度相对稳定,可进一步划分为3个暖峰和两个冷谷;3)16100～15600aB.P.,年均温快速下降,按氧同位素平衡方程计算,其冷谷可能接近于0℃,但洞穴湿度比前期下降幅度并不大;4)15600～14750aB.P.,年均温和洞穴湿度比较稳定。这种气候演化的阶段性和突变性与北大西洋地区气候记录可以对比,反映极地与东亚季风气候受共同的驱动机制支配。从石笋4种指标(^δ18O、^δ13C、灰度和年层厚度)的功率谱图中识别出不同尺度的太阳活动周期成分,其中80aGleissberg周期特别显著,表明末次盛冰期边界条件下太阳活动仍是短尺度气候变化的主要驱动力。