洞穴滴水、石笋中元素及元素比值对气候环境变化响应的研究进展

滴水/石笋元素是除δ18O和δ13C,研究气候环境变化的又一重要代用指标。外界气候环境变化通过改变表层岩溶带和岩溶含水层中的水文环境,甚至洞穴环境,进而影响元素的溶解、运移和沉淀过程,从而使得滴水/石笋中元素表现一定的变化规律。本文通过分析影响洞穴滴水元素及元素比值变化的因素：元素来源、水—岩相互作用和滞留时间、差异性淋滤、先期碳酸盐沉淀及分配系数的基础上,从元素对岩溶区“二元结构”和极端天气/气候事件响应的角度,探讨了滴水/石笋中元素的气候环境指示意义。取得了以下认识：① 强降水带来的冲刷作用和溶解作用,促进土壤和基岩中元素、胶体和天然有机质（NOM：Natural Organic Matter）等物质在短时间内快速溶解和运移,使滴水中元素含量增加;但随着降水增多带来的稀释作用,使得滴水/石笋中Mg,Sr和Ba等元素含量降低,因此,单一元素的解译较为复杂;② 但基岩/溶液中元素溶解和沉积的差异,导致元素相对含量的变化,使得元素X/Ca比值对外界环境的响应具有同一性,尤其是Mg/Ca和Sr/Ca比值：在干旱条件下,降水减少导致方解石先期沉积（PCP：Prior Calcite precipitation）作用增强,使Mg/Ca和Sr/Ca比值增大。但目前存在着一些问题：① Mg/Ca和Sr/Ca比值变化对强降水事件的响应并不明显,可能与新、老水混合及元素溶解过程中的溶解比例差别不大有关;② 多源、多期混合水源会导致洞穴滴水元素对极端事件响应减弱;③ Mg/Ca和Sr/Ca的变化为解释δ18O的“雨量效应”及“源效应”提供了见解,但元素变化能否反映季风强度的变化,仍有待进一步的研究。基于以上认识,笔者提出开展更加系统的大气—土壤—包气带—洞穴的监测;开展更高分辨率、更长时间尺度的洞穴监测;开展多区域、多洞穴系统对比研究来更加深入地开展洞穴石笋元素研究。     

洞穴次生碳酸盐沉积的Mg/Ca与Sr/Ca比值研究进展——兼论洞穴次生沉积物Mg/Ca与Sr/Ca的影响机制

微量元素是岩溶洞穴沉积中非常重要的一类古气候环境替代指标,为近20年来国内外的一个研究热点。总结前人的研究,主要取得了以下一些重要认识:（1）洞穴上覆土壤 和围岩是洞穴次生碳酸盐沉积Mg、Sr的主要来源;（2）Mg/Ca与Sr/Ca能够指示气候环境变化,但需结合其它指标综合考虑。（3）洞穴次生碳酸盐沉积Mg/Ca与Sr/Ca受多种气候环境因素（包括土壤和围岩的组成和性质、水-岩相互作用、先期碳酸盐沉积、分配系数等）影响,其古气候环境指示意义具有多解性;（4）矿物结晶作用对Mg/Ca与Sr/Ca有一定的影响,特别是文石在向方解石转变的过程中容易丢失Mg、Sr,此外,杂质的混入也将抑制Mg、Sr进入方解石,从而引起洞穴次生碳酸盐沉积Mg/Ca与Sr/Ca比值的变化。今后应进一步加强对石笋中这些微量元素的影响机制研究,尤其是对一些影响因素与微量元素含量变化之间的定量关系进行探讨。      

重庆地区石笋记录中Mg/Ca比值及古气候意义

在重庆梁天湾洞石笋LT14 31.9~15.02ka.B.P.古气候重建成果已发表的此基础上,本文选取Mg/Ca比值这一新的替代指标,探讨其在重庆地区独特的水热组合模式下的古气候指示意义,从而进一步探讨了该时段的气候变化.研究结果发现,重庆地区Mg/Ca比值与碳同位素的正相关关系较好(R2=0.60),可能与碳酸钙溶液在到达洞顶之前提前沉淀或滴率减小机制有关,它间接响应了降水的变化.运用Mg/Ca值变化对古气候的重建结果与以前的研究基本相符,说明Mg/Ca比值可以作为古降水的指标,但需同碳氧稳定同位素结合起来讨论,以便相互验证,提高古环境解译的准确性.     

激光剥蚀电感耦合等离子体质谱分析石笋样品中多元素比值及45种元素含量

石笋样品的微量元素含量及Mg/Ca、Sr/Ca比值为高分辨的古气候重建提供重要指标。针对现有溶液分析技术易混合多个石笋微层、误差大的缺点,本文利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱技术(LA-ICP-MS)原位线扫描和点剥蚀方式对比分析了石笋生长轴方向的Mg/Ca和Sr/Ca空间分布趋势,研究表明二者均展现出显著的周期性变化特征,且周期性变化一致,其中40 μm束斑线扫描更具有稳定性强、分辨率高、快速简便的优点。通过探讨碳酸盐标准样品MASC-3与玻璃标准样品NIST 610、NIST 612、KL2G、ATHO-G的相对灵敏度系数关系和元素分馏行为,确定基体效应是造成相对灵敏度系数变化的主要原因。同时建立了以MASC-3、NIST 610和NIST 612多外标结合内标Ca归一定量分析石笋中45种元素方法,针对石笋碳酸盐样品,将主量元素Ca、Mg变形为碳酸盐形式,与其他元素加和归一,不仅改变了国内外研究中需要预先采用其他分析技术来测定内标元素含量的计算方法,而且有效地避免了C元素无法准确检测的问题,能够实现与Ca内标法校正结果的吻合。     

万年尺度下钙华的古环境重建检验——以青海冰凌山为例

采用钙华中微量元素进行古气候环境重建为近年来国内外研究热点。前人研究成果主要为小时间尺度古气候环境重建,因微量元素的影响机制及地区间差异性问题,可能存在未知因素影响稀土元素含量及Mg/Ca、Mg/Sr比值,从而导致解译的古气候环境意义失真。以位于青海省格尔木地区的达布逊湖达1井孢粉谱图与青藏高原湖区变化谱图为参照对象,对青海省平安县三合镇东北冰凌山万年尺度下钙华的古环境重建方法进行了检验,结果表明：1）冰凌山泉华台地沉积环境相对稳定,提供冰凌山钙华物质来源的地下水长期处于接受来自地壳深部CO₂补给的偏酸性条件下;2）所采集钙华样品除P04点外,均具有相同的物质来源和形成过程;3）万年尺度下,用钙华中的稀有元素总量重建古气温方法可行,且稀有元素总量与古气温呈负相关关系;4）采用Mg/Ca、Mg/Sr比值重建古降水环境应区分钙华成因类型,表生钙华Mg/Ca、Mg/Sr比值与古降水呈现负相关,而内生钙华Mg/Ca、Mg/Sr比值与古降水呈现正相关

     

华北中元古代浅海碳酸盐沉淀方式变化:海水氧化还原条件波动的响应?

海相碳酸盐的沉淀方式被认为与水体氧化还原条件密切相关,即太古宙至古元古代缺氧的铁化海水中碳酸盐沉淀抑制剂Fe2+和Mn2+强力抑制灰泥在水柱中成核,但允许文石直接在海底生长,从而导致大量文石以海底沉淀方式产出,而新元古代适度的氧化海水则有利于灰泥以水柱沉淀方式形成.然而,碳酸盐沉淀方式的长期变化还可能受控于其他因素,其...     

洞穴文石石笋古气候环境变化研究进展、存在问题及研究方向

在全球变暖、极端事件频发的背景下,利用地质载体重建过去2 000年来气候变化规律、研究极端事件发生机制是未来气候变化,特别是极端天气/气候事件预测的重要手段。文章综述了高U含量、能够高精度测定年龄的洞穴文石石笋在古气候环境重建的应用:用于研究气候变化与人类文明的关系、反演区域气候差异性、准确重建区域气候变化及极端事件的发生;并针对洞穴文石石笋古气候环境重建中存在的问题提出以下研究方向:综合87Sr/86Sr、δ26Mg、δ18O和δ13C等同位素技术追寻洞穴文石的物源、利用Mg/Ca、Sr/Ca和δ13C、△47综合分析洞穴文石形成的环境及水文过程,加强洞穴文石的结晶学、物理化学研究,查明其形成及转化为方解石的条件。      

鲕粒原生矿物识别及对海水化学成分变化的指示意义

鲕粒是碳酸盐沉积过程中一类非常特殊的颗粒类型, 为研究当时的沉积背景、水动力条件、气候环境, 甚至储层特征提供了重要线索。然而, 鲕粒的矿物组成及控制因素问题, 长期受到忽视。组成鲕粒的原生矿物类型在地质历史时期呈周期性变化, 在显生宙表现为三个以文石和高镁方解石占主导的时期以及两个以低镁方解石占主导的时期, 这也被称作“文石海”和“方解石海”时期。原生矿物的组成, 制约着鲕粒的纹层结构、保存程度以及成岩特征, 还蕴含着海水化学成分变化的线索。鲕粒原生矿物识别主要依据:①原生纹层结构;②保存程度;③微量元素浓度, 尤其是Sr-Mg的浓度。文石质鲕粒受文石不稳定性的影响, 原生结构保存程度较差;一般保存有典型的文石残余纹层结构(例如砖砌结构、溶解变形结构以及偏心结构等);在封闭成岩环境下原生矿物为文石质的鲕粒Sr浓度往往大于2 000 ppm;纹层结构主要为切线状(占主导)和放射状。方解石质鲕粒包括低镁方解石和高镁方解石两种类型:低镁方解石为稳定矿物, 原生结构一般保存良好。尽管高镁方解石也为亚稳定矿物, 但成岩转换后的保存程度好于文石。两者Sr含量一般均低于1 000 ppm, Mg含量一般在0~20 mol % MgCO₃(两者以4 mol % MgCO₃为界)。高镁方解石受成岩作用影响, 在纹层中往往保留有微粒白云石包裹体;海相地层中保存的方解石质鲕粒为放射状或同心-放射状结构。另外还存在一类由两种矿物共同构成的双矿物鲕粒, 可以通过分析两类纹层在结构和保存特征上的差异进行区分。鲕粒原生矿物成分随时间的波动变化受到海水化学条件, 尤其是Mg/Ca比值, 大气二氧化碳分压以及碳酸盐饱和度的控制。Mg/Ca比值的波动决定着鲕粒原生矿物类型的长期变化规律。一些突发性事件可能会扰动(区域)短时间尺度下鲕粒原生矿物的组成, 造成鲕粒原生矿物的转换。通过研究碳酸盐鲕粒原生矿物特征以及控制因素进而了解海水的化学特征, 是独立于古生物学和地球化学分析之外的一种较为可靠的沉积学方法。     

华北中元古代浅海碳酸盐沉淀方式变化:海水氧化还原条件波动的响应?*

海相碳酸盐的沉淀方式被认为与水体氧化还原条件密切相关,即太古宙至古元古代缺氧的铁化海水中碳酸盐沉淀抑制剂Fe²⁺和Mn²⁺强力抑制灰泥在水柱中成核,但允许文石直接在海底生长,从而导致大量文石以海底沉淀方式产出,而新元古代适度的氧化海水则有利于灰泥以水柱沉淀方式形成。然而,碳酸盐沉淀方式的长期变化还可能受控于其他因素,其与海水氧化还原条件之间的关系还需要通过大量具体实例来验证。针对上述科学问题,笔者选择碳酸盐沉淀方式尚处于过渡时期的华北中元古界碳酸盐岩为研究对象,开展碳酸盐沉淀方式及与之对应的氧化还原条件研究。结果表明,华北高于庄组三段(约1.56 Ga)、雾迷山组四段下部(约1.48 Ga)和铁岭组二段(约1.44 Ga)发育大量灰泥水柱沉淀,其Ⅰ/(Ca+Mg)值较高(普遍大于0.5 μmol/mol)、Ce负异常(低至0.8),指示适度氧化的条件;而高于庄组四段下部(约1.55 Ga)和雾迷山组二段中部(约1.50 Ga)则发育大量纤维状文石海底沉淀,其Ⅰ/(Ca+Mg)值约为0,指示次氧化至缺氧的环境。因此,本研究首次用大量实例证实了前寒武纪海水氧化还原条件对碳酸盐沉淀方式的重要调控作用,并且后者可作为海水氧化还原条件分析的重要指标,适用于高效开展长序列、多剖面的低氧背景下前寒武纪碳酸盐岩地层的氧化还原条件分析。     

沙漠/黄土过渡带6 ka B.P.以来气候环境变化及其对人类活动的影响

文章选择沙漠/黄土过渡带的榆林市白河庙村钻孔（38°35'9.89″N,109°24'0.71″E）泥炭沉积,通过建立良好的年代序列和高分辨率花粉记录分析,重建研究区内植被演替和气候环境变化过程。在此基础上,结合考古学资料,探讨适宜的气候环境阶段和极端气候事件对人类活动的影响。结果表明,6 ka B.P.以来研究区植被类型经历典型草原、荒漠草原、干草原、荒漠草原4个阶段,指示6.0~4.2 ka B.P.气候较为暖湿,为全新世适宜期;4.2 ka B.P.时发生极端干旱事件,之后（4.2~1.1 ka B.P.）气候向干旱化发展;1.1~0.5 ka B.P.,气候经历短暂的湿润期;0.5 ka B.P.之后,气候再次转干。另外,通过统计沙漠/黄土过渡带6~3 ka B.P.考古遗址数量及其空间分布变化信息,发现史前人类活动与气候、生态系统变化紧密相关。东亚夏季风带来的降水量控制干旱/半干旱地区水资源变化,从而影响依赖水资源的旱作农业发展、人类活动强弱和考古学文化兴衰。6.0~4.2 ka B.P.降水较多,植被盖度高,毛乌素沙地固定,沙漠/黄土过渡带发育古土壤,并向西北移动。适宜的气候环境和良好的生态条件有利于旱作农业生产,导致人口增加,遗址点数量增多,人类活动范围扩大,仰韶时期和龙山时期的考古学文化繁荣发展。而4.2~3.0 ka B.P.遗址点大幅减少,人类活动规模减小,考古学文化衰退。4.2 ka B.P.极端干旱事件及之后持续的干旱,导致植被退化,毛乌素沙地沙丘活化,沙漠/黄土过渡带向东南方向摆动。水资源短缺和生态环境破坏,对以粟为主的旱作农业生产和人类生存造成严重影响,可能是导致该地区史前考古学文化大范围衰退的重要原因。

     

Constraints on paleowater dissolved loads and on catchment weathering over the past 16 ka from Sr/Sr ratios and Ca/Mg/Sr chemistry of freshwater ostracode tests in sediments of Lake Constance, Central Europe

Sr isotope and Ca/Mg/Sr chemical compositions of freshwater ostracode tests separated from a sediment core represent the last 16 ka of sedimentation in Lake Constance, Central Europe. The chemical evolution of the paleowater's dissolved load of Lake Constance was estimated by correcting the ostracode data for Ca/Mg/Sr fractionation due to biogenic calcification. Since the Late Pleistocene deglaciation, the Ca/Sr molar ratios of paleowaters increased systematically from about 100 (a near marine signature) to about 200. Ca/Mg molar ratios varied in the range of 1–25. The ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios indicate Late Pleistocene paleowater compositions of 0.7086–0.7091, significantly more radiogenic than present day waters (0.7085). Sr isotopes and Ca/Mg/Sr chemical data together show that weathering of Mesozoic evaporites consistently dominated the dissolved Sr load (80–90%). Carbonate and silicate weathering were less important (1–10%). Trends of Sr dissolved loads were therefore not related to Mg which was mainly mobilized by carbonate weathering. Biotite weathering was an important source of radiogenic Sr in the paleowaters. The short-term release (duration about 600–800 years) of radiogenic Sr during glacier retreat started 15.2 ka ago and was due to enhanced biotite weathering at the glacier base. Long-term release of radiogenic Sr was due to biotite weathering in glacial soils and silicate rocks, and has gradually declined since the Late Pleistocene/Holocene transition.     

内蒙古岱海地区小冰期气候演化特征的地球化学记录

通过对地处气候敏感带的岱海湖泊岩芯介形类壳体丰度、Sr/Ca和Mg/Ca摩尔比值，以及自生碳酸盐氧同位素组成等地球化学指标的综合分析，结合岩芯的岩性特征和^210Pb、^14C测年，重建了岱海小冰期以来气候环境演化过程，揭示小冰期前期本区以冷湿气候为主，在中后期，气候寒冷干旱，间有气候转温和的冷湿、湿干气候。本区小冰期气温变化与华北其他地区具有一致性，但降水与气温组合状况复杂，反映了明显的区域特征，其原因可能是气候转型期经向环流加强，气旋活动加强所致。     

延河泉岩溶水系统Sr/Mg、Sr/Ca分布特征及其应用

山西省延河泉岩溶水系统是我国北方岩溶大泉之一。依据碱土金属比值Sr Mg、Sr Ca与矿化度关系,分析了延河泉岩溶水系统Sr Mg、Sr Ca分布规律及形成条件。从补给区到径流区、排泄区,Sr Mg、Sr Ca值逐渐增高;径流条件好,Sr Mg、Sr Ca值低;径流条件差,其值高;径流滞缓区最高。并且Sr Mg、Sr Ca值主要受径流条件控制,不受人为作用的影响。因此,Sr Mg、Sr Ca是比较理想的天然示踪剂。根据Sr Mg、Sr Ca值将延河泉岩溶水系统划分为三个子系统,即下河泉子系统(泉1、2、3、5),延河泉子系统(泉4、6),南部散泉子系统(泉7、8、9)。     

A 1000-year record of Mg/Li and Li/Ca ratios of ostracod shells in Lake Qinghai,NE Tibetan Plateau

正1 Introduction Lake Qinghai,famous as the largest inland saline lake in China,located on the high-altitude northeastern Tibetan Plateau,and four junctional zones of the East Asian summer monsoon(EASM),Indian summer monsoon(ISM),East Asian winter monsoon and the westerly jet stream prevail,making it sensitive to global climate change     

天山南坡黄水沟与清水河寒区流域极端水文事件对气候变化的响应

冰川、积雪和冻土变化产生的水文效应对下游水资源供给具有重要影响,近几十年来新疆区域洪水呈显著加重趋势,尤其是南疆区域洪水明显加剧. 以天山南坡黄水沟与清水河寒区流域为研究区域,通过分析水文站极端水文事件,结合流域上游山区巴伦台气象站资料,研究了高寒山地流域在气候变化背景下极端水文过程出现时间、年最大和最小径流的响应特征. 结果表明：1986年是水文过程的突变点,从1986年开始随着降水、气温的增加,河流径流量呈增加趋势;最大年径流出现时间从6月中下旬推迟到7月下旬;最大径流和最小径流与年径流量呈正相关关系,最大径流与夏季降水关系密切,而最小年径流与冬春季的气温关系密切. 随着1986年以来的气温升高,冻土退化产生的水文效应使冬季径流增加明显,也使年最小径流明显增大;1986年以来降水变化决定着年径流量增加,使年最大径流集中出现在夏季且量级增大. 总体来讲,20世纪80年代中期以后山区河流年极端洪峰量增大,洪水量增多,年际间变化幅度明显增大,从而对下游造成更严重的灾害. 因此,加强气候变化对寒区流域水资源和洪水灾害的影响评估,使科学技术在减灾方面发挥主导作用.     

16ka以来青海湖湖相自生碳酸盐沉积记录的古气候

研究了青海湖沉积物碳酸盐的组成、来源及其同湖水物理化学性质的关系,建立了文石饱和指数同温度和湖水Mg/Ca比值（可指示盐度）的关系,利用碳酸盐的组成探讨了青海湖16ka B.P.以来的古气候环境演化过程。结果表明,青海湖沉积碳酸盐大都是自生的,16ka B.P.以来沉积碳酸盐以文石为主。文石的高含量时段同暖湿气候相对应,低含量则同冷干气候相对应。15.2ka B.P.为末次冰期盛冰阶进入晚冰期的界限,晚冰期气候的冷暖波动频繁,幅度较小,13.4-13ka B.P.,11.6-12ka B.P.和11-10.4ka B.P.之间的冷颤动分别相当于老仙女木、中仙女木和新仙女木事件,12－13ka B.P.和11.6-11ka B.P.之间的暖期则分别对应于博令和阿勒罗得暖期。全新世初期（10.4-10ka B.P.)白云石含量的突然增高和文石的消失,可能同淡水快速补给前期盐度较高的湖水有关,反映了全新世开始时气温和降水的增加具有突变性的特点。全新世大暖期的鼎盛期,即6.7ka B.P.左右时湖水的盐度较低。6.7-4ka B.P.为气候转型过程中的冷暖和干湿的快速波动期。4ka B.P.以后碳酸盐含量急剧降低,气候逐步向冷干化方向发展。     

贵州纳朵洞洞穴滴水、现代沉积物δ18O特征及其环境意义

为了研究洞穴滴水及其对应的现代沉积物氧同位素的变化特征和对外界气候环境的指示意义,文章对贵州纳朵洞洞外大气降水、洞穴池水、6处滴水点及其对应的现代沉积物氧同位素进行了近2年的监测。结果显示纳朵洞外大气降水和洞穴池水δ18O值均呈现旱季偏重,雨季偏轻的季节特征,基本能反映洞穴所在区域的气候变化。而滴水沉积物δ18O值和滴水δ18O值自身存在协调同步的季节特征,但二者δ18O值与大气降水δ18 O值却呈现反向的季节变化,这可能是区域地形、岩溶表层带的调节和大气环流共同作用的结果。      

南海北部珊瑚Ba/Ca比值的季节变化及其环境意义

利用等离子体普技术分析了取自海南岛南部沿岸的现代演珊瑚高分辨率的Ｂａ／Ｃａ。结果表明,该珊瑚的Ｂａ／Ｃａ比值具有明显的双峰态的季节变化,其中春季和秋季Ｂａ／Ｃａ比值较镐,而冬、夏两季则较低。海南岛南部及邻近地区季节降雨的变化所控制的原Ｂａ输入是这些珊瑚Ｂａ／Ｃａ比值变化的重要控制因素,而该区夏季相对较镐的表层海水生产力可能也对其有重要影响。