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。     

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      

青藏高原表土孢粉定量重建的气候参数探讨

孢粉在古环境研究中具有重要价值,尤其是在重建古气候方面,既可以定性地恢复过去的植被类型变化,也能定量地重建气候变化规律,是古气候研究中最常用、较可靠和较成熟的环境代用指标。现代类比法是探讨表土孢粉与气候定量关系的方法之一,适用性较为广泛。本文利用青藏高原及其毗邻地区495个现代表土样点的孢粉谱,及现代气象站点器测资料,采用现代类比法得到气候参数的模拟值,并分析模拟值与气候参数观测值之间的关系。结果表明:相关性最高的气候因子是年均降水(r=0.894),其次为年均相对湿度(r=0.863)和年均蒸发量(r=0.801),最低的是干燥度(r=0.18)。因此在重建古气候时降水的可信度较高,相对湿度和蒸发量也具有一定的可信度。并选用相关性较好的年均降水指标,分析其与11个孢粉类型之间的相关性,然后将相关性较高的孢粉组合与降水之间建立孢粉-气候函数模型,用以重建该地区过去气候变化。     

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。     

石笋年层的影像特征

近年来,石笋微层作为高分辨率古气候研究代用指标已有较好的研究,众多研究者也都认为石笋中具有年层。石笋年层和树轮具有相似的性质,它们都有年层缺失（沉积间断）和伪年层（包括亚层、多年层和假象层）等现象,如何正确计数石笋年层是微层计数年代学的研究基础所在,也是利用石笋微层作为近2000年来高分辨率（分辨率到年）古气候研究代用指标的基础。 如果石笋纵剖面上没有明显沉积间断,一般可断定其没有年层缺失,这样可用通过计数石笋的年层来确定石笋的年龄,以满足高分辨率古气候研究的需要。中国南方型石笋微层和北方型石笋微层具有不同的矿物组成光性特征和微层型式,其显微镜下影像特征不同,所以其计数方式又有所差别。     

石笋记录年际、年代际极端天气/气候事件研究进展

近年来随着极端天气/气候事件的频发,应对极端天气/气候事件的要求极其紧迫。目前气象资料对极端天气/气候事件的研究相对较短,由此作者提出利用石笋记录重建历史年际、年代际极端天气/气候事件的构想。通过对目前已有的石笋极端天气/气候事件研究实例分析总结,认为洞穴石笋沉积速率相对较快,石笋中标志性结构构造特征的存在,有利于石笋记录到极端天气/气候事件。同时就目前的研究现状,作者提出建立准确年代标尺、选择生长速率相对较快和存在标志性结构构造特征、能记录到极端气候的石笋,以及提高采样分辨率和与其他记录相互验证等作为石笋极端气候研究的工作要求,同时就文石笋研究极端天气/气候事件提出文石笋可能更加容易记录到极端天气/气候事件的个人新认识。     

基于孢粉数据的珠江三角洲QZK6孔全新世气候定量重建

依据珠江三角洲QZK6钻孔孢粉组合特征及AMS14C测年结果,基于CONISS软件对剖面孢粉组合进行分带分析,其结果分为A、B、C和D四个孢粉带。根据10981a cal BP以来的孢粉组合特点,结合东亚孢粉数据库中位于广东的122个天然植被下的表层土壤样点的孢粉组成特征,利用软件Polygon 1.5定量重建了QZK6孔的全新世古气候参数。结果显示,全新世气候基本以暖湿为主,总体趋势为凉干—热湿—温凉;D带(10981~8500a cal BP)年均温度为21.7~22.1°C,年降水量1778~1888mm,年均温度和年降水量均比较高;C带(8500~8105a cal BP)年均温度为21.9~22.3°C,年降水量为1845~1929mm,达到各带中最高值;B带(8105~4343a cal BP)年均温度和年降水量开始降低,年均温度为20.8~21.7°C,年降水量为1595~1806mm。人类活动从B带开始增强(在A带达到最强);A带(4343a cal BP至今)年均温度为20.3~21.5°C,年降水量为1587~1765 mm,为各带中年均温度最低、年降水量最少的阶段。     

石笋的ESR和 U系年龄及古气候研究

对北京周口店第四地点洞穴的石笋进行了ＥＳＲ测定，用封闭平衡模式计算了它们的ＥＳＲ年龄，并与Ｕ系年龄地对比，它们的平均年龄十分一致，测定了石笋的氧和碳同位素，获得了北京地区（１．５￣０．５）×１０＾５ａ间古气候变化的信息。     

石笋碳酸盐热释光古温度计

利用湖北清江和尚洞的两支具有精确年代的年层石笋,建立了20世纪逐年石笋碳酸盐热释光积分强度序列,调查石笋热释光对气温的响应。通过石笋热释光与现代仪器记录的气温观测资料的对比,发现和尚洞石笋保存的气候信息存在11~12年的滞后。HS4和HS6石笋热释光具有相似的变化特征,且分别与宜昌年均气温具有显著的正相关性(rHS4=0.41,rHS6=0.49; P<0.01); 将热释光与气温进行11年的滑动平均,两者的相关性分别提高到0.84(HS4)和0.93(HS6)。基于以上观察,我们提出了一个新的古温度计。该温度计精度高(±0.2℃),使用简便,对定量重建过去气温变化历史具有潜在的应用价值。     

中国南方石笋氧同位素记录的重要意义

中国南部石笋氧同位素记录记载了重要的气候变化信息。应用石笋氧同位素记录时首先需要考虑检验石笋的平衡结晶生长,特别是重复性检验,以排除可能的偶然性或地方因素。中国南部重复性很好的南京葫芦洞和贵州董歌洞石笋氧同位素记录主要代表了当时的降水氧同位素信息。两洞的记录都显示,在冰期或冰段时期降水的氧同位素比间冰期或间冰段时期明显偏重。受夏季风强弱变化的控制,与目前亚洲季风降水氧同位素的季节变化相对应,在间冰期或间冰段时,ITCZ偏北,降水以夏季风的大规模大气环流下的对流降水为主,其氧同位素较轻;相反地,在冰期或冰段时,ITCZ偏南,降水以夏季风爆发前的锋面降水为主,其氧同位素较重。虽然尚有其他许多影响因素,亚洲季风的变化应是影响中国南部石笋氧同位素在冰期/间冰期或冰段/间冰段的尺度上变化的主导因素。但在更小的尺度上(例如小冰期),石笋氧同位素记录的解释则需要谨慎。虽然下最终结论为时尚早,但作为亚洲季风的两个组成部分的东亚季风和印度季风很可能是同步的,至少在冰期/间冰期或冰段/间冰段的尺度上是如此。     

黔桂地区最近16万年高分辨率石笋记录的气候事件

全球变化研究是当今地球科学最前沿的课题。要了解地球系统长期演变的动力过程 ,预测未来气候变化 ,就必须首先研究和重建最后 2次冰期高分辨率的气候变化历史。本项研究选择中国南方广西、贵州地区几个大型石笋 ,在沉积学研究的基础上 ,采用碳氧稳定同位素、α谱U系法、TIMSU系 (2 3 0 Th/2 3 4U)法等方法提取高分辨率的气候记录。本区 16万年来石笋气候记录可以与海洋记录的16阶段进行对比。末次冰期的起始点及终止点通过石笋记录分别确定为 (130 1± 1 0 )kaB P 及(11 2± 0 1)kaB P ,其准确性大大高于目前其它记录。所揭示的Heinrich型气候波动事件 ,其时限分别为 :H114～ 15kaB P ,H2 2 1～ 2 3kaB P ,H32 5～ 2 7kaB P ,H44 1～ 42kaB P ,另外在 35～ 37kaB P 也存在振幅很大的冷事件 ,与北大西洋沉积及格陵兰冰芯记录可以逐一对比。长周期的气候旋回以及短期的突变事件 ,在时限上所谓存在几千年以上滞后或超前 ,可能是测试方法和测试对象的不同带来的差错 (包括测试误差 ) ;具有全球意义的一些气候突变事件 ,在发生的时间上可能都具有同时性。这种短期突变事件发生的动力机制问题 ,可能也是目前人类尚未识别出来的天文因素的驱动所致。     

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。     

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。

     

贵州都匀七星洞石笋剖面晚更新世高分辨率的气候地层学

通过对贵州都匀七星洞4根石笋42件系统的TIMS230Th测年及694件稳定同位素分析,揭示的气候变化记录时限范围连续1～15万年,稳定同位素样品平均分辨率晚期达150～220a,早期达440～530a。研究表明,石笋δ18O曲线,相当于海洋记录的终止点Ⅰ及终止点Ⅱ具有特别明显的突变,其年龄分别为11.3kaB.P.及129.3kaB.P.,应为晚更新世顶、底界线的准确年代。晚更新世与深海氧同位素记录MIS2～MIS5e相对应的气候地层单元,其界限年代也分别得到了明确的界定。相当于格陵兰冰芯记录、北大西洋沉积记录的YD事件、Heinrich气候突变事件,几个石笋记录取得了一致的准确定位及定年。其中YD事件为12.76～11.52kaB.P.;Heinrich事件的H1～H6分别为17～15kaB.P.,24.6kaB.P.,30.5kaB.P.,39.3kaB.P.,47.8～46.8kaB.P.以及60.4kaB.P.。对其与北大西洋沉积及格陵兰冰芯记录所揭示的短尺度气候突变事件的可比性,表明东亚季风气候变化,与高纬度地区的气候变化呈遥相关响应,对研究东亚季风气候驱动机制及其与全球气候变化的响应关系和对晚更新世的地层学研究,均具有特别重要的意义。     

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。     

由我国历史飞蝗北界记录得到的古气候推断

本文利用我国古代有关飞蝗的文献记录,整理出近1000年来飞蝗记录地域北界变动资料,根据飞蝗的生态习性,推断出飞蝗发生在我国北纬41°以北地区的年份的气温条件指出1162～1177年、1265～1280年和1763～1773年是我国东北地区气候温暖的时段,这分别为南宋气候、中世纪温暖期和小冰期的回暖期提出新的佐证。     

湖北清江榨洞石笋双波长反射光谱特征及其古气候意义

本文提出一种表征洞穴石笋纹层颜色的新方法———双波长分光光度法,用于研究湖北清江榨洞2号石笋的反射光谱特征并探讨其古气候的替代意义。双波长分光光度法能消除因样品表面性质等差异而引起的测量误差,提高分析测试的精密度和准确性,有利于真实反映石笋沉积纹层的颜色特征并揭示其内在机制。研究结果表明,石笋纹层450nm/700nm的反射光谱特征能较好地反映洞穴碳酸盐中痕量铁。由于铁是气候控制下地球表层各种作用的产物,可灵敏指示气候条件,因而石笋纹层的反射光谱是一个潜在的高分辨率古气候替代指标。