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。      

石笋的荧光特征及其高分辨率气候环境记录

在分析石笋荧光特征的基础上，综述了石笋荧光应用于高分辨率气候环境记录的研究进展。石笋荧光强度反映了石笋中的有机酸含量，荧光波长特征受石笋中有机酸类型的控制，石笋中的有机酸由地表有机质经土壤水、洞穴滴水运移随碳酸盐而淀积，荧光强度与波长特征都是对地表气候环境信息的响应。通过提高荧光谱扫描精度，可得到高分辨率(1～10a)的气候环境变迁记录。分析了目前研究中存在的问题，并对发展趋势和进一步研究方向提出看法。     

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。     

石笋矿物类型、成因及其对气候和环境的指示

洞穴石笋的矿物组成分为方解石、文石和文石-方解石三种类型。本文总结了国内外已有的研究成果,并结合野外观测现象和数据,讨论了影响石笋矿物形成和转变的因素,分析了利用石笋矿物类型特征研究古气候和古环境变化的可行性。洞内滴水饱和度和滴水中Mg/Ca比值是影响石笋矿物类型的主要因素:当滴水Mg/Ca 比值较低（Mg/Ca＜1或<<1）时,滴水饱和度较低易形成方解石,而文石沉积则需要更高的滴水饱和度;当滴水Mg/Ca 比值较高（Mg/Ca≥1）时,方解石相对文石沉积需要更高的滴水饱和度。洞穴围岩镁含量高且滴水多而稳定的洞内环境是我国南方大量文石笋发育的主要原因。长期处于滴水淋滤环境的文石笋容易向方解石转变,但若滴水中Mg2+浓度较大,此转变过程会受到抑制。在围岩镁含量较低的洞穴中,干旱时期渗流水滞留时间长、滴水速率变慢,会造成滴水中Mg/Ca比值升高并引起文石沉积。因此,石笋矿物类型及矿物相转变可指示气候和环境的变化。      

石笋中稀土元素含量的测定及气候环境意义

首次采用经过改良的外标法校正数据的ICP-MS方法对石笋中的稀土元素含量进行了测定。结果表明,该方法可以用于测定石笋中含量很低的稀土元素,尤其是对含量相对较高的轻稀土元素如La、Ce可以获得较精确的数据。对采集于四川东北部诺水河溶洞群的石笋SJ3的分析结果显示,在相对温暖湿润时期的石笋沉积中稀土元素含量明显增加。可能的原因包括:(1)温暖湿润的气候条件有利于土壤和岩石的化学风化及稀土元素的活化;(2)温暖湿润的气候条件下地下水动力加强,使得地下水中稀土元素的载体(有机质、铁锰胶体和颗粒物质等)增多。因此,石笋沉积中的稀土元素可以用于研究上覆土壤和岩石的化学风化和地下水水文演化。     

石笋中的环境替代指标及其蕴含的古气候和古环境信息

在古气候和古环境的研究中,洞穴石笋已成为一种重要的研究载体.分别对其中的石笋微层厚度(即石笋的生长速度),石笋的断裂、坍塌和沉积间断,石笋中磁化率等物理替代指标以及石笋微层荧光性和灰度,稳定同位素,微量元素分布等化学替代指标进行了综述,其中化学替代指标分为有机地球化学指标和无机地球化学指标.对各指标存在的问题进行了探讨,同时对石笋在古气候变化中的研究前景进行了展望.     

EPR在南京石笋气候代用指标研究中的初步应用

应用电子顺磁共振( EPR)方法,对生长于73～40kaB. P. 期间的南京葫芦洞石笋M SL的Mn2+和Fe3+含量变化特征的研究,并与同时段δ18O变化曲线对比,发现M n2+与δ18O大致呈负相关关系,而Fe3+与δ18O呈正相关关系。在相对温暖潮湿的环境中,洞穴上覆土壤表现为还原环境,使得M n2+升高和Fe3+降低,对应于δ18O的负偏;而在相对干冷的条件下,δ18O表现为正偏,相应的Mn2+表现为低值, Fe3+表现为高值。在此基础上,我们检出了72kaB. P. 左右的极端干冷事件,大致对应于印度尼西亚最年轻的To ba 火山喷发事件。      

岩溶石笋的古环境研究进展

全球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。岩溶石笋因期诸多优点，将在古环境研究中发挥越来越重要的作用，本文从当前研究的现状出发，在石笋微层年层对比，微层形成机制，稳定同位素记录，灰度，生长度，微量元素以及紫外激光诱发荧光等方面的研究进行了综述这，并结俣自身研究成果，提出了自己的看法。     

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。     

南京汤山洞穴石笋稳定同位素指示的气候与环境意义

对南京汤山葫芦洞南壁钙板上一支长８２ｍｍ石笋进行了高精度热电离质谱（ＴＩＭＳ）定年及氧碳同位素分析。结果表明,该支短石笋生长时段长达３００ｋａ左或（距今４６３～１５９ｋａ）,其底部年龄进一步证实南京直立人生存时代早于４５０ｋａＢＰ。δ＾１３Ｃ值在ＭＩＳ６／７界线上的显著漂移揭示了一次土壤侵蚀事件,结束了洞穴文化层的堆积历史。     

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。

     

桂林44kaB.P.石笋同位素记录及其环境解译

通过大气降水多种因素的相关性 ,以及平均温差较大的 2个时段生长的石笋C、O同位素的明显差异性 ,论证了本区石笋碳酸盐的C、O同位素与全球气温变化呈明显的负相关。Pl 1和X 1石笋高分辨率的同位素记录取得了完全一致的结果 ,C、O同位素确定了冰期旋回冰消期的终止点“I” ,其时限为 10 .7kaB .P .。自 4 4kaB .P .以来桂林地区的气候变化可划分为 3个阶段 :4 4～ 2 5.6kaB .P .的冰期 ,寒冷 ,但比盛冰期暖和 ;2 5.6～ 10 .7kaB .P .的盛冰期 ,气     

贵州七星洞晚更新世晚期石笋的古气候环境记录

用热电离质谱(TIMS)-铀系法高精度地测定了贵州七星洞石笋的年龄,其生长年限为43020±960～12650±290aB.P.,相当于深海氧同位素2阶段到3阶段后期。石笋的生长率变化反映了当时气候从暖湿多雨和印度洋季风强劲的环境,逐渐转化为冷干少雨、东亚冬季风强劲的环境。石笋的氧同位素变化表明:43000～29600aB.P.相当于深海氧同位素3阶段后期。该阶段δ18O平均值负于全阶段的平均值,气候暖湿多雨,此青藏高原夏季出现强的低气压,有利于印度洋季风携带孟加拉湾大量水汽进入青藏高原;29600～14600aB.P.相当于深海氧同位素2阶段,该阶段δ18O平均值高于全阶段的平均值,气候冷干少雨,对应于末次盛冰期;14600～12650aB.P.阶段δ18O平均值略负于全阶段的平均值,气候向温湿趋势发展。石笋氧同位素曲线还显示了HeinrichH1,H2,H3和H4的突冷事件和DansgaardOeschger(DO)IS1～IS11的暖事件旋回,这表明北大西洋发生的气候突发事件,在低纬度的贵州地区找到了印记。大西洋环流的终止和产生,可以通过大气内部的动力过程,影响到亚洲季风控制区。对于表征全球变化的事件是否具有同时性,还有待我们思考和研究。     

洞穴石笋沉积特征研究--以贵州荔波董歌洞4号石笋为例

在综合研究南方20多个大型石笋纵剖面的基础上,以董歌洞4号石笋为代表,论述石笋沉积特征与气候演化的对应性.4号石笋从距今147.838±2.6 ka开始沉积以来,形成了53个沉积纹(壳)层组,组成24个亚旋回,构成9个旋回,呈现韵律式旋回性沉积特征.石笋纹(壳)层组分、结构、叠复构造呈多级次旋回性很突出,其中沉积间断具普遍性、沉积速率具多变性,间断和速率变化级次亦明显.以系统测试和测年引证沉积特征的同时揭示:①~⑨旋回间沉积间断时间累积达75.804 ka,占石笋形成时间的51.21%,①~⑨旋回实际沉积时间仅72.222 ka,占形成时间的48.79%;④旋回之前,沉积速率很小,最小仅0.36 mm/100a,比最大速率小22~24倍,自⑤旋回起,沉积速率很大,最大达39.03 mm/100a,是最小速率的3.8倍.石笋沉积特征与气候环境演化的成生关系表明,石笋沉积多旋回性的纹(壳)层组、亚旋回、旋回与气候演化的气候期、阶段和旋回彼此对应,石笋沉积的多级次旋回及其变化就是气候演化的级次及旋回性转(跃)变时间,彼此同时显示.论证了石笋沉积的多旋回性与气候演化的不稳定性,及其彼此协调的宏观、微观综合表现特征.     

利用石笋δ13C重建岩溶石漠化研究进展

岩溶石漠化的形成演化机制是被关注的科学问题,对脆弱的岩溶区生态环境恢复具有重要的现实意义。洞穴石笋δ13C受到多种因素影响,能敏感响应地表生态环境以及岩溶水文条件的变化。因此,利用石笋δ13C研究岩溶地区生态环境演变历史成为一个重要方向。本文从地表环境和洞穴沉积两个方面梳理了影响石笋δ13C的主要因素。结合现代洞穴监测及模型模拟研究,分析整理了影响洞穴滴水和沉积物中δ13C的主要因素和机理。在多重因素的影响下,石笋δ13C的环境意义具有多解性,文章从时间尺度、空间分布、沉积环境三方面归纳了石笋δ13C的指示意义。为了准确解释石笋δ13C环境意义,提出了综合分析、现代监测以及模型模拟的解决方案。通过对岩溶石漠化概念、成因、发展过程、以及环境效应的讨论,分析了地表石漠化与石笋δ13C记录的密切联系。总结了已经发表的利用石笋δ13C重建区域石漠化的研究成果,讨论了目前研究中面临的主要问题:(1) 如何正确解译石笋δ13C的指示意义？这是石笋δ13C能够用于重建区域石漠化历史的前提;(2) 在空间上,石笋δ13C记录反映上覆地表的面积是有限的,需考虑石笋能否代表目标研究区域的环境变迁;(3) 石漠化可在年—十年际时间尺度上快速发展,而石笋测年存在一定的年龄误差,石笋δ13C是否能够敏感记录地表的石漠化过程？为了准确重建区域岩溶环境以及石漠化演变历史,提出以下主要建议:(1) 为了避免石笋δ13C重建古环境的不确定性,可加强石笋δ13C与δ18O、微量元素、矿物结构等指标的综合对比分析,与现代监测以及模型模拟的解决方案综合集成,能更加准确重建研究区岩溶水文变化过程,判定石漠化的演化历史;(2) 通过区域和同一洞穴的多根石笋记录对比,减少单一石笋记录的区域代表性问题;(3) 高精度年代控制的高分辨率多指标石笋记录,有助于捕捉快速发生的石漠化过程。      

桂林盘龙洞石笋发光性特征及其古环境记录的初步研究

洞穴次生化学沉积物的发光性的研究可以提供分辨率更高的古环境变化信息。桂林盘龙洞一石笋发光性的研究表明，该地区在３．２～１．１万ａ之间普遍处于干冷条件下，而且微层发光谱线表明在此阶段仍存在多次次一级气候变化。在１．１３万ａ左右，谱线值突然由低升高，在１．１０万ａ后，在不断变化中逐渐上升，这可能是新仙女木事件（１．１３～１．１万ａ）在该地区的记录。此外，通过发光性记录与稳定同位素记录和微量元素记录的对比，其变化趋势基本一致，且具更高的分辨率。因此，洞穴次生化学沉积物发光性的研究可能会提供一个地区分辨率更高的古     

洞穴石笋沉积旋回主要特征的古气候环境研究

通过对我国南方大型石笋组分、结构构造的观测和董哥洞10号(D10)石笋210件碳、氧同位素组成、20个U系测年数据,以及部分微(痕)量元素的分析对比,概述了石笋沉积旋回性特征、旋回界面类型和相关的气候、环境、地质意义.以组成D10石笋的碳酸盐含碳质、黏土矿物,呈黑灰、灰黄、灰白、灰等色泽匹配、纹层厚及组合、层面呈拱形或平直分别组合或转变、构造类型、碳氧同位素组成及其组合,呈协调平行、不协调同向、不协调反向变化三类型若干亚类等,旋回性特征,确定了19个沉积旋回.根据δ13C平均值为-3.91 ‰PDB、δ18O为-6.97 ‰PDB分别为冷暖气候演变的临界(阀)值,δ13C或δ18O＞临界值者的偏重是冷,＜临界值的偏轻是热.以δ13C、δ18O组成(表1)和组合变化类型和上述旋回性特征,结合层面构造呈渐变过渡或突变,以及20个同位素年龄数据,初步认定荔波地区352 930～99 410年间沉积的19旋回,是一个较完整的冰期气候演化过程,属我国第四纪冰期系列的第五冰期,10旋回顶180 695年(推算)～15旋回顶129 890年,约5万多年是连续严寒的盛冰期,①、16分别可能是冰期早、晚时段相对温暖的间冰期.期间冷暖变化有5万年级的、10万年级的气候旋回.论证了荔波地区35～10万年间是冰期气候环境,前期17万年寒冷的气候环境,期间35万年、25万年前后更严寒,但生态基本保持正常演变的面貌,中期5万多年为极寒冷的气候环境,生态向适应冷气候环境演化,晚期3万多年为冷暖频繁突(跃)变的恶劣气候,期间生态面貌复杂,正常演替与残存、突变演替并存.     

湖北清江和尚洞石笋古环境研究的回顾和展望

从1997年开始对湖北清江和尚洞开展了系统的现代过程监测和地质记录的综合研究,以了解气候和生物信息的传输、转化和记录过程,并由此重建长江中游末次冰期以来的气候和生态环境。通过对和尚洞的大气、植被、土壤、围岩、滴水和沉积碳酸盐开展年代学、水文学、地球化学、地球物理学、地球生物学等多学科的调查,已经积累了许多现代过程的基础资料,为进一步进行石笋记录的研究奠定了很好的基础。同时,研究发现该洞穴石笋具有年代准确、环境和生态信息丰富、分辨率高、记录时间长等众多优点,是重建过去气候和生态变化历史的优质载体。下一步研究应该充分利用这些特点,力争在季风的年际和年代际变化以及不同气候态下环境与生物的相互作用两个方向取得进展。     

洞穴石笋沉积间断类型研究

以广西桂林,贵州荔波、茂兰、都匀凯口及云南宣威、泸沽湖等地典型岩溶峰丛-峰林平原、岩溶斜坡和岩溶高原的大量大型石笋纵剖面研究为基础,依据石笋沉积旋回或纹层组的系统测年数据和碳氧同位素系统测试资料,确定石笋沉积间断面上、下的年龄,若以上、下纹层结构构造差异大、构造类型不同、结构构造突变或有间断沉积特征为前提,将上、下纹层的年龄差作为沉积间断时间:差值大,间断时间长,其间若有间歇性停、滴转变,则沉积纹层的测年值是此时段的正常年序;差值小,间断时间短;差值很小,又无宏观异常,为正常的连续沉积。本文从石笋沉积间断标志,间断面上、下的年代异常,间断类型和古气候环境意义,论述石笋沉积间断,阐明石笋纵剖面有丰富的古气候环境信息,是全球气候变化研究的重要领域之一。此外,根据石笋纹层的宏观、微观资料和测年统计,提出了年季和年际的短期性、10年际—万年际的长期性、瞬时性间断类型的分类方案,短期停滴,是常态气候条件下,年旱季或年际干旱停滴,形成年际和季节性沉积间断;长期停滴,是气候环境冷暖周期性变化,略呈小周期的干冷气候间歇性停、滴相间的演变,形成10年际—万年际沉积间断;瞬时性停滴,指地震、掉顶、坍塌等天然或人为事故,碰断石笋,引起瞬时或短暂停滴,形成灾害性沉积间断     

贵州荔波1.5万年以来石笋高分辨率古气候环境记录

通过对董哥洞石笋进行高精度的 TIMS- U系测年和 C、O同位素分析,建立了贵州省荔波地区 15 470 a以来高分辨率的古气候变化时间序列.研究结果表明,荔波地区 15 470 a以来石笋记录的冷暖事件所反映出的古季风变化,大致可分为 4个气候变化阶段 : (1) 15 470～ 11 350 a期间的晚更新世晚期-- Heinrich (H1)事件和新仙女木 (YD)事件期间,反映本阶段东亚冬季风强盛, 气温降低, 有效大气降水相对减少, 表现为干旱寒冷的气候环境; (2) 11 350～ 9 190 a期间的早全新世--干热期,反映东亚夏季风相对增强,气温升高,有效降水相对较少,表现为干热的气候环境; (3) 9 190～ 3 320 a期间的中全新世--稳定的气候适宜期,反映东亚夏季风相对强盛,气温升高,有效降水相对较大,表现为温暖湿润的气候环境; (4) 3 320～ 130 a期间的晚全新世降温期,反映本阶段东亚夏季风明显减弱,东亚冬季风相对增强,有效降水相对增大,而气候变化的波动频率却在增加 ,越至现代冷温变化时间渐趋缩短.石笋的 C、O同位素记录所揭示的末次冰期最后的 2次冷事件,其冷谷年龄分别为: (15 440± 130) a(H1事件 )和 (11 910± 70) a(YD事件),同时,还确定了终止点Ⅰ的界线年龄为 (11 350± 70) a,并证实了末次冰期在中国南方东亚季风气候区也存在有与北大西洋 H1事件和 YD事件相对应的冷事件.荔波地区的古季风环流变化,反映了东亚夏季风由弱-变强-再逐渐变弱的趋势,有效大气降水由少-增多-变少-再增多,气温由低-变高-再次变低的变化趋势,显示了与北极地区存在着古气候的遥相关关系.