石笋生长直径的测定及其在古气候重建中的应用

石笋是第四纪陆地气候重建的良好信息载体,对了解过去气候和环境的演变十分重要。中国石笋具有生长相对连续,年代准确,信息丰富等特点,为全球季风及其长期演化提供了不可多得的视窗。基于石笋而开发了一系列气候替代指标,如δ18O、δ13C、微量元素及其同位素组成、有机化合物及其同位素组成、生长速率等,在石笋古气候重建中得到广泛的应用。但是,作为石笋形貌学的基本特征,对石笋的生长直径及其对气候变化的指示意义却鲜有报道。本研究中,作者首先提出一种测定石笋生长直径的方法,然后利用该方法测定了湖北清江和尚洞HS4石笋顶部35 cm的石笋生长直径,并与研究区的气温和洪涝频率记录进行比较,探讨石笋生长直径对气候变化的响应。研究表明,通过纹层的识别和不同深度上纹层宽度的测定而建立的指数回归法较好地表征了石笋的生长直径,适合于一些具有明显纹层的石笋直径测定。HS4石笋的实际生长直径比理论计算值偏小,可能与洞穴结构有关;高的落差增加了岩溶滴水的冲力,水滴飞溅而导致有效水量的损失,即滴水的有效体积减少,石笋直径偏小。与温度相比,降水对石笋直径的影响更加显著,因而石笋直径是一个有效降水的替代指标,有望在石笋古气候的研究中得到应用。      

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。     

长江中游和尚洞石笋的高分辨率同位素、微量元素记录及古气候研究

通过对长江中游和尚洞HS-2号石笋的沉积特征及C、O同位素Mg、Sr微量元素相结合分析,利用U系法定年,获取了长江中游19.0ka～6.9ka的古气候、古环境信息(平均分辨率为17a,局部分辨率达到7a).得出如下结论(1)19.0～16.6ka, C、O同位素偏轻,气候冷湿;(2)16.6～11.1ka, C、O同位素偏重, 气温上升,降水偏少;(3)11.1～10.3ka 干热时期中的突然回冷事件对应于新仙女木事件(Younger Dryas Event);(4)10.3～6.9 ka B.P δ18O及δ13C值逐渐变轻,而Mg/Sr比继续增大,表现为气温上升,降雨量较大.反映了历史时期湿冷、干热、湿暖交替变化的气候趋势,得出了长江中游千年级和百年级的一些气候变化趋势,特别是发现了新仙女木事件在长江中游洞穴石笋中完整的记录,说明新仙女木事件是全球性气候突变与环境灾变事件     

中国石笋生长速率时空变化特征的初步分析

近年来,随着现代监测研究以及铀系定年技术的发展,石笋生长速率研究日趋得到了重视。本研究主要收集了我国大陆地区已发表的17个洞穴的70支石笋的年代数据,计算并分析了冰期/间冰期尺度和全新世期间石笋生长速率的时空变化特征,发现规律如下：1)内陆干旱区科桑洞和东部季风区长江以北的3个洞穴(分别为珍珠洞、 Buddha洞和三宝洞)的石笋呈现间冰期生长速率快,冰期生长速率较慢,甚至出现沉积间断;2)我国北方的琉璃洞、马沟洞、莲花洞(山西)、乌鸦洞、九仙洞和南方的莲花洞(湖南)、 Dark洞和董哥洞表现为中全新世石笋生长速率较快,而早/晚全新世相对较慢;长江中下游地区的三宝洞和落水洞在早全新世期间生长速率较快,中/晚全新世较稳定;3)大多数洞穴石笋生长速率在近2 ka B. P.以来呈现上升趋势,这些特征可能暗示了气候条件对石笋生长速率的影响。同时也发现：1)我国南部湿润区以及沿海地区的洞穴石笋生长速率在冰期/间冰期尺度呈现复杂多变的特征;2)不同洞穴之间或同一洞穴不同石笋之间,石笋生长速率均存在一定差异;这些结果表明洞穴系统内部的差异性会对石笋生长产生复杂影响。上述分析结果为认识我国石笋生长速率...     

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。     

湖北永兴洞降水对2015年厄尔尼诺的响应

通过对湖北永兴洞为期3年（2013年6月至2016年7月）的地表降水δ¹⁸O观测,发现该地点降水δ¹⁸O在2015夏季显著偏正。利用HYSPLIT后向轨迹方法对永兴洞降水水汽来源进行分析,结果表明在厄尔尼诺事件的影响下2015年夏季来自远源印度洋的水汽显著减少,而近源太平洋水汽相对增多,即降水δ¹⁸O因"环流效应"而偏正。本研究提供的观测证据表明永兴洞石笋δ¹⁸O记录在重建ENSO主导下的亚洲季风大气环流方面具有重要潜力。

     

中晚全新世湘西莲花洞石笋旋回沉积速率变化及其古气候意义

石笋旋回沉积速率是按照石笋沉积旋回测年得到的沉积速率,是石笋沉积过程的重要参数和反演古气候变化的有效代用指标。旋回沉积速率的波动可能反应了地表温度和降雨量的变化,与夏季风强度存在关联。文章以湖南湘西莲花洞LH2石笋为材料,利用42个230Th年龄获得的石笋旋回沉积速率序列重建了8.6 ka BP以来湖南湘西地区温度和降雨雨量的变化历史: 8.6-4.2 ka BP期间,气候以高温多雨为特征,夏季风强,石笋生长率高,但气候并不稳定,存在一系列千年-百年尺度的波动;4.2-0.05 ka BP期间,气候整体偏冷干,旋回沉积速率偏低。总体上,在轨道尺度上,LH2石笋的旋回沉积速率与该石笋的δ18O值之间存在负相关关系。旋回沉积速率的重复性检验证明了旋回沉积速率古气候记录的有效性。石笋旋回沉积速率变化主要受北半球夏季太阳辐射量的控制和ITCZ的直接影响,在百年尺度上,旋回沉积速率的波动可能与中晚全新世的弱季风事件存在关联。      

石笋流体包裹体中的惰性气体及其在重建长江中游古温度变化中的作用

文中讨论了一种评估古气温变化的新方法。我们成功地利用石笋流体包裹体所捕获的Xe/Ar比值,重建了末次冰盛期以来盛行东亚季风的长江中游地区的气候演化。一种表达成ln(CXe/CAr)的对数式被证明与冷暖周期变化具有密切的关系。从研究的石笋中所提出的δ13C与Mg/Ca曲线一般随区域古气温波动而变化,但不能排除其中有另类气候信号的叠加。我们的工作则明确地指出,流体包裹体所记录的Xe/Ar在各种反映温度变化的替代指标中可能是最好的一种。整体而言,ln(CXe/CAr)曲线与那些基本随暖期和冷期振荡的曲线保持一致。将稀有气体曲线与δ13C和Mg/Ca信号整合对比之后,我们在研究区划分出末次冰盛期以来8组暖/冷旋回。整合后的气温变化模式合理地解释了过去20000年里的区域环境变化。     

小冰期十年际尺度亚洲季风变化的四川黑竹沟洞石笋记录

基于四川省黑竹沟洞一支石笋（编号：EB1）高精度²³⁰Th年龄和氧同位素数据,建立小冰期时期（1375~1810A.D.）气候变化时间序列。该序列δ¹⁸O值变化范围为-10.37‰~-8.58‰,敏感响应于区域气候变化过程。高分辨率δ¹⁸O变化序列能清晰地捕捉到10年际尺度振荡旋回。该石笋记录根据δ¹⁸O值变化可分为4个阶段：1375~1540A.D.和1680~1780A.D.时段,δ¹⁸O值整体偏负,指示季风增强时期;1540~1680A.D.和1780~1810A.D.时段,δ¹⁸O值整体偏正,处于弱季风阶段。与贵州董哥洞、甘肃万象洞和印度Jhumar洞石笋记录对比发现在小冰期时期δ¹⁸O变化特征具有一定的相似性,表明上述区域降水可能共同受控于印度季风水汽输送影响,反映了区域性夏季风经向环流及其降水变化特征。通过EB1石笋记录与北半球温度曲线的对比发现,两者在百年尺度上同相位变化,可能指示北高纬气候的控制作用。而该石笋与秘鲁东北部Cascayunga洞石笋记录的进一步对比结果显示亚洲季风与南半球季风记录呈反相位关系,证实了ITCZ位置的南北移动在半球间能量传递和交换过程中的重要作用。功率谱分析结果显示小冰期季风波动具有显著的25a和9a周期旋回,接近太阳黑子22a和11a周期频率,表明太阳活动变化可能是小冰期十年际尺度亚洲季风波动的重要驱动因素。

     

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。     

湖北清江和尚洞洞穴温度对气候变化的响应

对湖北清江流域和尚洞内、洞外气温进行同步高频监测,发现洞穴温度响应洞外气温的变化,但由于受到洞穴的“缓冲作用” ,由外及里的温度变化幅度变小,时间滞后,且响应的快慢具有明显的季节性。2003- 2008年度监测的数据统计表明,在150m 洞深处,洞内日温度的变化幅度仅0. 2℃ ,明显低于洞外气温变化幅度( 6. 9℃ ) ;同样,洞内夏、冬季节温差变化( 6. 9℃ )也小于洞外( 31. 8℃ )。比较洞内外温度的时间序列,发现日尺度上,洞内气温滞后洞外0～ 2小时,而在季节尺度上则滞后10～ 40天,其中降温阶段滞后小,升温阶段滞后大。此外,一年四季中,洞内温度对外界气温变化的响应呈现慢( 2- 4月)→快( 5- 7月)→较快( 8- 10月)→较慢( 11- 1月)的特点,可能与不同季节下洞穴“缓冲作用”的强弱变化有关。      

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.     

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。     

Historical changes of the regional and global hydrological cycles

The gradual accumulation of the Earth's hydrosphere, the land-to-water ratio, the periodic change of orogenesis and peneplanization stages, the timely and spatial change of the incoming solar energy determined the periodic changes of the major global hydrological cycles with the development of continental glaciations and permafrost of great pluvial epochs of a global warming in the geological past.Within a relatively short historical period various reasons for periodic and non-periodic heat and water transfer have led to changes in the hydrological cycle and to land moisture fluctuations.At present global hydrological processes are going through quite drastic changes as a result of the fluctuations of a number of geophysical processes (natural energy factors, in the first place). The global warming of the climate has resulted in the increase in the intensity of surface water exchange, in the drying up of continents and in the filling of the World Ocean. These changes are accompanied by an increase in the anthropogenic impact on water balance by the strenghthening of hydrologic exchange and the slowing down of river water exchange.     

湖北神农架西部南华纪地层序列及其区域对比

新元古代是地质历史时期气候变化最为剧烈的时期之一,在全球范围内留下了多次明显的冰川活动记录。以峡东地区为代表的鄂西地区新元古界是国际研究的经典和热点。然而,峡东地区新元古代地层序列并不完整,其毗邻的神农架西部地层序列更具代表性。位于鄂西神农架西部的高桥河剖面,其南华系超覆于中元古界神农架群基底之上,从下而上依次为莲沱组、古城组、大塘坡组和南沱组,上覆震旦系陡山沱组。通过与鄂西峡东地区、长阳地区的代表性剖面的区域地层对比,发现高桥河剖面的南华纪沉积地层序列最为连续,是鄂西地区新元古代最完整和最具代表性的地层序列之一,能够作为该区域新元古代地层划分和对比的参照标准,并为研究这一重大关键地质时期的极端古气候演变提供基础材料。     

The growth mechanism of the aragonitic stalagmite laminae from Yunnan Xianren Cave,SW China revealed by cave monitoring

Duan, W., Cai, B., Tan, M., Liu, H. & Zhang, Y. 2012 (January): The growth mechanism of the aragonitic stalagmite laminae from Yunnan Xianren Cave, SW China revealed by cave monitoring. Boreas, Vol. 41, pp. 113–123. 10.1111/j.1502‐3885.2011.00226.x. ISSN 0300‐9483. Stalagmites from Xianren Cave in Yunnan Province, SW China have visible bands of alternating compact and porous sub‐layers, which have recently been demonstrated to be annual: the compact sub‐layer consists of elongated columnar aragonites with a general longitudinal orientation (parallel to the vertical growth axis), while the porous sub‐layer is composed mainly of needle aragonites forming radiating masses. In order to understand the growth mechanism of this type of stalagmite laminae, factors that could determine the growth rate and crystal structures of modern carbonates, such as cave‐air temperature, CO₂ concentration, drip rate and the hydrochemical parameters of drip water, have been monitored systematically. In this study, we selected five active drip sites to monitor for two years at a monthly frequency. Based on the monitoring results and the analyses of stalagmite laminae, we conclude that the compact sub‐layer forms in winter, when the drip rate is moderate and the degassing is slow, continuous and prolonged. The porous sub‐layer forms in early spring, when the drip rate is lower and Mg/Ca is higher than that during the formation of the compact sub‐layer. We also found exceptionally some calcite laminae. Furthermore, we discovered modern calcites precipitating at all study sites in the first hydrologic year when the rainfall was very abundant. Therefore, it is suggested that the occurrence of localized calcites in an aragonitic stalagmite indicates an interval of higher rainfall.     

云南赤土仙人洞石笋黑碳年纹层的发现及其意义

<正>早在1926年, Allison^[1]就报道了美国宾州Bear’s Cave石笋的层状生长特征; 1960年,Broecker等^[2]报道了美国加州Moaning Cave一个覆盖了人类股骨的钙华,该样品有1206个可识别的和200个被掩盖的环状韵律层,经放射性碳同位素定年,被认为这些韵律层为年层,可能反映了沉积方式的季节性变化; 1993年,Baker等^[3]通过微层计数与铀-钍定年,发现二者在误差范围内一致,     

Sedimentology and stratigraphy in the cave Hamnsundhelleren,western Norway

The stratigraphy in Hamnsundhelleren is as follows. A basal weathered rock bed of unknown age is followed by laminated clay deposited under stadial conditions and correlated with palaeomagnetism to the Laschamp excursion (43–47 000 yr BP). Angular blocks, bones and clay above this are ¹⁴C dated to the Ålesund Interstadial (28–38 000 yr BP). Another stadial laminated clay following the Ålesund Interstadial includes a palaeomagnetic excursion correlated with Lake Mungo (28 000 yr BP). The newly discovered Hamnsund Interstadial above this consists of frost-weathered clay and scattered angular blocks. It is ¹⁴C dated to 24 500 yr BP on bones mixed into the Ålesund Interstadial. The Hamnsund Interstadial is succeeded by another stadial laminated clay and then a Late-glacial–Holocene mixture of bones and blocks. In Hamnsundhelleren and other similar caves four successive phases of sedimentary environments for each ice-free–ice-covered cycle have been identified: (i) ice-free phase (deposition of bones and frost-weathered blocks); (ii) subaerial ice-dammed lake phase (sand or silt deposited in a lateral glacial lake); (iii) subglacial ice-dammed lake phase (cave closed by ice, deposition of till, debris flows and laminated clay); (d) ice-plugged phase (cave is plugged by frozen lake water and/or glacial ice, no deposition).     

Contrasting patterns of hydrological changes in Europe in response to Holocene climate cooling phases

The quantitative reconstruction of climatic parameters from pollen and lake-level data obtained at Saint-Jorioz, Lake Annecy (eastern France), gives evidence for cooler and wetter conditions during the 8.2 ka cold event. A comparison of these regional data with other hydrological records reconstructed in Europe for the same period suggests, as a working hypothesis, that mid-latitudes between ca 50° and 43° underwent wetter conditions in response to the cooling, whereas northern and southern Europe were marked by drier climate, in the latter case leading to an interruption of the sapropel 1 formation in the Mediterranean. A similar hydrological tri-partition of Europe can be observed during other Holocene cooling phases associated with North Atlantic IRD events. Data indicate, that the middle zone characterised by wetter climate conditions could have had a more extended latitudinal amplitude during phases of climate cooling weaker than the 8.2 ka event. The differences in expansion of the wet mid-European zone depending on Holocene climate cooling phases could reflect variations in the strength of the Atlantic Westerly Jet in relation with the thermal gradient between high and low latitudes.     

鄂西新滩二叠纪腕足类的群落演变与环境关系

系统研究了湖北省西部新滩剖面亚丁斯克阶至长兴阶的腕足动物群落演替过程.通过研究区与华南地区及特提斯区域进行比对分析,结合前人对碳、氧同位素的研究结果,分析了二叠纪腕足类群落演替的规律和区域差异.结果表明:除二叠纪末的灭绝事件,在乌拉尔统与瓜德鲁普统界限附近及乐平统中共识别出两次腕足类种群的显著分异度变化,且其演替时间都...