洞穴石筍代用指標(biāo)的古氣候意義初探

熊 波

(西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

洞穴石筍代用指標(biāo)的古氣候意義初探

熊 波

(西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

現(xiàn)代全球氣候變化是當(dāng)前人類社會普遍關(guān)注的一個熱門問題。全球氣候變化研究的熱點問題是獲得十年到百年甚至年月分辨的氣候變化規(guī)律。洞穴石筍作為恢復(fù)古氣候、研究古環(huán)境演變的一把鑰匙，因其諸多優(yōu)點，將在古環(huán)境研究中發(fā)揮越來越重要的作用。從當(dāng)前研究現(xiàn)狀出發(fā)，對石筍中微層年層對比、微層形成機制、穩(wěn)定同位素記錄、微量元素記錄、生長速率及微層發(fā)光等方面進行一個簡單的回顧。

石筍;古氣候;微層;穩(wěn)定同位素

0 引言

在當(dāng)前全球變暖背景下，人類社會對全球氣候變化問題越來越關(guān)注。全球氣候變化也成為現(xiàn)代人類社會的一個熱門話題。人們迫切需要知道過去的全球氣候是如何變化的，未來將會如何變化?而當(dāng)前人們對全球變化研究更關(guān)心的問題是獲得十年到百年甚至年月分辨的氣候變化規(guī)律。但是，歷史器測資料僅有幾百年歷史，科學(xué)家們迫切需要能記錄長時間的古氣候記錄的地質(zhì)載體。而在各種環(huán)境信息載體中，巖溶石筍因其分布廣泛、可記錄時間范圍較寬、敏感地記錄了區(qū)域甚至全球環(huán)境的變遷、可以提供時間分辨率從年到十年的高精度環(huán)境信息，將在全球變化研究中發(fā)揮重要作用。G M Henderson(2006)在《Science》上就撰文寫道:過去20年是冰巖心研究輝煌時期，今后20年將進入洞穴石筍研究的盛期!

1 巖溶石筍古氣候研究的優(yōu)勢

目前，極地冰心、珊瑚、樹輪、湖泊紋泥和洞穴石筍都可以提供高分辨率的古氣候信息，然而，冰心、珊瑚的發(fā)育受地域條件限制，樹木生長受生命周期限制，湖泊紋泥又可能受到自然、生物活動的擾動。因此洞穴石筍以其自身的優(yōu)勢受到普遍重視。石筍是古氣候信息的有效載體。

石筍能成為古氣候研究的最重要地質(zhì)載體之一，主要原因有以下幾點(王建力等，2009)。(1)分布比較廣泛。全球陸地巖溶面積約為2 200萬km2，我國有300余萬km2，按碳酸鹽巖出露面積計算，也有90余萬km2。而在巖溶發(fā)育的地方就有可能有巖溶石筍的分布。事實上，從濱海到內(nèi)陸、從熱帶到寒帶均能較容易地找到石筍。(2)可確定高精度的時標(biāo)。石筍中的U/Th比值一般都較大，U含量一般可以達到0.05μg/g以上，適合于鈾系定年。而TIMS-鈾系技術(shù)的使用，更提高了石筍的年代測試精度和分辨率。(3)時間跨度較大。在巖溶發(fā)育區(qū)的溶洞中，一般可以找到各個時段的石筍，從現(xiàn)代到數(shù)十萬年。(4)記錄比較連續(xù)完整。單個石筍本身就可連續(xù)記錄很長時間尺度的古環(huán)境信息，而多個石筍的拼接可獲得數(shù)十萬年來比較連續(xù)的古環(huán)境信息。(5)外界干擾因素小。適用于古環(huán)境信息研究用的石筍一般處于封閉的溶洞體系中，風(fēng)化侵蝕等外動力地質(zhì)作用一般不會發(fā)生或者可以忽略，因而石筍可完整地記錄古環(huán)境信息。(6)代用指標(biāo)豐富。現(xiàn)今在石筍中用于古環(huán)境信息研究的代用指標(biāo)已經(jīng)很多，如生長率、微層厚度、灰度、穩(wěn)定同位素、微量元素、熒光強度、結(jié)晶學(xué)巖石學(xué)特征，等等，表明石筍的生長機制對環(huán)境的變化非常敏感，可以用于古環(huán)境信息研究。此外，還可以利用多指標(biāo)對比是否一致來判定古環(huán)境信息記錄的準(zhǔn)確性。(7)可對比性強。多個同時代石筍的對比，不僅可以消除不確定因素造成的古環(huán)境信息失真，還可以彌補個別石筍因沉積間斷所造成的古環(huán)境信息缺失。石筍同其他環(huán)境信息載體進行古環(huán)境信息的對比將豐富過去全球變化研究的內(nèi)容，而不同地區(qū)相同時段石筍的相互比較在過去全球變化研究中更具有新的意義。(8)采樣成本較低。和珊瑚、湖泊沉積物、冰心等相比較，石筍的采樣成本相對較低。

2 石筍中各代用指標(biāo)研究狀況

2.1 石筍微層

石筍微層是由于氣候年季旋回和相應(yīng)的土壤地球化學(xué)旋回，造成了滴水化學(xué)行為的規(guī)律性變化，從而造成的碳酸鹽沉積不連續(xù)邊界。國內(nèi)洞穴石筍微層的研究開始于劉東生院士。后續(xù)學(xué)者的研究方向主要側(cè)重于探討微層灰度特征、物質(zhì)組成、微量元素組分以及紋層環(huán)境機理等方面，同時，通過研究也獲得了對全新世京津地區(qū)氣候演化的初步認(rèn)識。就我國而言，一般南方石筍中微層發(fā)育較差，而北方石筍微層發(fā)育較好。關(guān)于石筍微層的形成機制，一般認(rèn)為生長層內(nèi)的明暗條紋變化是季節(jié)性變化造成的，具體因素包括土壤有機質(zhì)含量、降水量，等等。在考慮石筍微層形成機制時必須重點考慮以下3個方面的問題(張兆峰等，2001):(1)形成石筍微層物質(zhì)的來源。(2)微層形成的可連續(xù)性。(3)已成微層的可保存性。石筍微層物質(zhì)的來源，直接關(guān)系到明暗條帶的形成，一年中雨季的長短和溫度的變化幅度是很重要的一面，但是還必須考慮滴水途徑的變遷。上覆土壤的厚薄也會直接影響滴水到達基巖時CO2以及各種礦物質(zhì)的飽和度。滴水在基巖到鵝管這一段距離運移的時間同樣也有類似作用。石筍微層形成的可連續(xù)性和可保存性主要應(yīng)考慮連續(xù)年間的微層形成和消融。長期干旱可能造成微層記錄的中斷，長期多雨可能造成原先記錄的消失。

2.2 石筍中穩(wěn)定同位素記錄

石筍古氣候研究中利用最廣泛的穩(wěn)定同位素是氧碳穩(wěn)定同位素。一般認(rèn)為，石筍中氧同位素最重要的來源是當(dāng)?shù)卮髿饨邓?，滴水的?8O值代表了當(dāng)?shù)卮髿饨邓闹亓考訖?quán)年平均同位素值。這一平均值是受年平均氣溫、年降雨量以及降水氣團的δ18O值所決定的。降水氣團在遷移過程中雨水凝聚時所產(chǎn)生的同位素分餾作用受大氣溫度和降水速率的影響(李紅春等，1996)。因而石筍的氧同位素記錄可以揭示出過去年平均溫度以及大氣降水的變化過程。但是應(yīng)該注意的是，用石筍中的氧同位素組成變化來推斷古環(huán)境需謹(jǐn)慎，在將巖溶石筍的δ18O值作為代用指標(biāo)進行古環(huán)境重建時，必須綜合考慮多方面的因素。

巖溶洞穴一般屬于較封閉的體系，洞穴深部往往溫度穩(wěn)定，并與該地區(qū)的地表年平均溫度一致。因此，在一定的時間尺度內(nèi)，由于溫度變化引起的氧同位素的變化是很小的。但實際情況中我國眾多洞穴內(nèi)石筍的氧同位素變化是很明顯的，顯然在我國季風(fēng)區(qū)石筍主要是受到降水因素所致。值得注意的是，在非季風(fēng)影響的高緯度地區(qū)，石筍氧穩(wěn)定同位素主要受溫度控制。

李紅春等(1997)詳細討論了中國石筍中氧同位素的影響因素及其氣候意義。雨水的δ18O值受降雨量和降水氣團的δ18O值影響。降雨量越大，δ18O越負(越小)，稱之為降水量效應(yīng)。降水氣團的δ18O則與氣團的來源密切相關(guān)。一種是近距離內(nèi)陸地表水的蒸發(fā)而來，另一種來源是海洋蒸發(fā)的水氣經(jīng)遠距離遷移而來。后者是夏季風(fēng)的直接反映。降水氣團在遷移過程會不斷地冷凝降雨，產(chǎn)生多次水－氣之間的同位素分鎦。在氣－液分鎦時，18O偏向于液相。因此，分鎦的結(jié)果使得殘留氣團的δ18O變負。這也就是為什么雨水δ18O值的分布會有緯度效應(yīng)和高程效應(yīng)的原因之一。就我國北方地區(qū)而言，夏季風(fēng)強盛時，降雨量增加，帶來的海洋性氣流增強，雨水的δ18O值變負。由此看來，石筍的δ18O值的變化反映當(dāng)?shù)啬杲涤炅渴芟募撅L(fēng)影響的變化。δ18O值越輕(越負)，指示年降雨量增加，海洋性氣流增強，為夏季風(fēng)強盛時期，氣候濕潤，反之，則表明夏季風(fēng)減弱，氣候干旱。這一理論不僅適宜于中國北方地區(qū)，同樣使用于中國南方地區(qū)。桂林地區(qū)和重慶地區(qū)的實際觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，中國南方地區(qū)夏季降水量遠大于冬季降水量，可占到全年降水量的70% ～80%;而且夏季降水中的δ18O值顯著偏輕于冬季降水。因此，夏季降水量的多少及其所占全年降水量的相對比例，決定了該地區(qū)年均降水中的δ18O值。又因為季風(fēng)影響區(qū)的夏季降水受季風(fēng)強度所決定，因此從理論上證實了石筍δ18O值反映季風(fēng)強度的變化。

國內(nèi)對石筍中氧同位素的研究較多。袁道先(1995)在對桂林盤龍洞一高1.2m的石筍作氧同位素分析中，發(fā)現(xiàn)在10 830a左右氧同位素比率突然下降了0.3%PDB，認(rèn)為是新仙女木事件。李紅春等(1999)用自動切樣裝置獲取了分辨率為3年的北京石花洞石筍氧同位素變化曲線，得到京津地區(qū)500年來的氣候變化信息，認(rèn)為氧同位素長時間尺度上的變化反映氣溫變化，而短時間尺度上的變化主要反映降水量變化。汪永進等(2000，2001)對南京湯山洞穴一根長約40余cm的石筍進行了氧碳同位素分析，在TIMS-鈾系年齡的基礎(chǔ)上，建立了末次冰期中晚期中國東部高分辨率的古氣候變化時間序列，不僅檢出東亞夏季風(fēng)降水史中的Heinrich事件，而且首次發(fā)現(xiàn)了末次冰期東亞夏季風(fēng)活動區(qū)氣候變化同樣存在著DO旋回，與極地GRIP冰心記錄有良好的對比關(guān)系。

而碳同位素方面的研究可反映土壤植被類型的變化。石筍碳同位素組成受控于土壤和大氣CO2碳同位素組成，而C3、C4植物的比例影響土壤碳同位素組成。C3植物的13C值在－25‰左右，以木本植物為主;C4植物的13C值在－12‰左右，以草本植物為主。兩者差異比較明顯。一般情況下，C4植物相對增加，表示氣候干旱，反之濕潤。由于C3、C4植物的生長環(huán)境差異，這樣就為認(rèn)識古環(huán)境提供可能。

石筍穩(wěn)定同位素研究的復(fù)雜性主要是由于碳氧均為質(zhì)量數(shù)較小的元素，在自然界中可以產(chǎn)生較大的分餾作用。所以，了解穩(wěn)定同位素在自然界不同環(huán)境下的分餾機制可能對解釋其氣候指標(biāo)意義有幫助。

2.3 石筍中微量元素記錄

盡管微量元素地球化學(xué)的研究早在20世紀(jì)初期便已開展，但相對于其他環(huán)境信息而言，巖溶石筍微量元素的研究還不夠深入，有些機理問題尚有待進一步探索認(rèn)識。直到20世紀(jì)末，對石筍微量元素分析采用的常規(guī)方法還是通過鉆取石筍粉末，然后溶于酸，配置成溶液，利用原子吸收光譜(AAS)或電感耦合原子發(fā)射光譜(ICP-AES)進行分析測試。進入21世紀(jì)后，分析方法和手段主要改進為利用激光剝蝕技術(shù)進行原樣固體微區(qū)分析，大大減少了樣品的需要量并提高了分析測試的分辨率?，F(xiàn)在，激光剝蝕－電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)(LA－ICP-MS)也越來越廣泛地應(yīng)用于石筍微量元素的分析測試。石筍微量元素的研究主要有2個研究方向:一是元素含量和比值的研究，例如 Mg/Ca，Sr/Ca，Mg/Sr，Ba/Ca，U/Ca，Si等(王昕亞等，2007)。二是元素同位素的研究，如87Sr/86Sr等。

李彬等(2000)通過對中國南方的石筍分析，總結(jié)出以下認(rèn)識:假設(shè)巖溶水徑流途徑不變，且土層和基巖中的微量元素相對穩(wěn)定，那么，(1)洞穴次生化學(xué)沉積物中的Mg/Sr比值可以用來作為古氣溫的替代指標(biāo)，即溫度升高，比值增加。(2)Mg/Ca比值的變化不僅取決于溫度(溫度升高，Mg/Ca比值增加)，同時也取決于巖溶水在母巖中的滯留時間。而根據(jù)中國南方巖溶水的特征，巖溶水的滯留時間與降水量的大小有關(guān)，當(dāng)降水豐富時，水的滲流加快，滯留時間較短，則Mg/Ca比較小;而降水減少時，巖溶水流動減慢，滯留時間相對增加，則Mg/Ca比值增大。

石筍微量元素研究的另一個重點是鍶同位素比值(87Sr/86Sr)記錄(張兆峰等，2001)。在1998年，Coede等利用二元混合模式討論了鍶同位素比值變化對應(yīng)的古環(huán)境變化。設(shè)原地碳酸鹽巖的鍶同位素比值為一確定的端員，另一端員為異地來源的鍶的同位素比值，發(fā)現(xiàn)1/Sr(Sr為混合濃度，即石筍中的鍶含量)與87Sr/86Sr之間存在相關(guān)系數(shù)為0.930的線性相關(guān)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上認(rèn)為，干冷不利于碳酸鹽巖溶蝕，Sr主要來自外源;而暖濕有利于原巖溶蝕，Sr主要來自基巖。87Sr/86Sr比值作為古氣候變化代用指標(biāo)的成功運用意義深遠，因為其二元混合模式的另一個單元可能是降水來源或者降水量變化的直接反映，這點相對于微量元素含量或者比值來說有很大的優(yōu)越性。

總之，從石筍中提取元素指標(biāo)并非難事，關(guān)鍵的問題是了解這些元素及其比值所代表的氣候環(huán)境意義、其控制因素如何?只有將沉積機理弄清楚，才能給予這些代用指標(biāo)合理的解釋，最終實現(xiàn)多指標(biāo)的高分辨率記錄重建。因此，對石筍沉積機理及其元素遷移進行深入的實驗研究是今后的重要方向。

2.4 石筍生長速率

石筍是可溶性碳酸鹽巖的產(chǎn)物。石筍受外界氣候環(huán)境變化或洞穴內(nèi)滴水路徑變化等因素的影響，會在某些時期造成沉積間斷。但是，如果能判斷石筍是連續(xù)生長，那么石筍的生長速率也可以作為氣候的代用指標(biāo)(邵曉華等，2003)。

因為石筍的生長(即碳酸鹽的沉淀)最終決定于滴水以及滴水下落后的飽和程度。當(dāng)?shù)嗡鄬τ贑aCO3(或MgCO3)達到過飽和時，則發(fā)生沉積作用，石筍生長。而影響石筍生長率的因素很多，主要有:碳酸鹽巖的可溶解性、降水量、溫度、土壤CO2濃度、地區(qū)水文地質(zhì)條件，等等。

目前，石筍生長率方面的研究報道很多，主要認(rèn)為石筍年層中方解石沉積厚度與年降水量有很好的相關(guān)性。石筍生長率的研究常常和石筍微層研究相關(guān)聯(lián)。對有微層的石筍來講，可以在確定年齡的基礎(chǔ)上，通過對微層厚度的度量來獲得生長率變化的信息。對于沒有微層或者微層不夠清晰的石筍，則可以用TIMS-鈾系技術(shù)或者其他高精度的測年技術(shù)定出不同部位的年齡，估算不同年齡階段的生長率。對有微層的石筍樣品還可以用這兩種方法相互驗證。

2.5 石筍微層發(fā)光

洞穴石筍生長的源泉是洞穴滴水，而洞穴滴水來自洞外的大氣降水，經(jīng)過表層土壤后進入洞穴。當(dāng)?shù)卮髿饨邓c土壤經(jīng)歷了復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程，最終形成洞穴滴水。因此洞穴滴水必定保留了來自土壤的信息，土壤有機物由此也可保存在石筍當(dāng)中。

早在20世紀(jì)中葉就有人指出，洞穴碳酸鹽中存在有機質(zhì)，它們是一種激活劑，受紫外線照射后能變成發(fā)光體。后來證明，洞穴碳酸鈣條紋的顏色其實就是其中存在的粘土和有機質(zhì)。研究表明:洞穴次生化學(xué)沉積物的發(fā)光波長與土壤腐殖質(zhì)化的速率和程度有關(guān)，而土壤腐殖質(zhì)化的速率則受控于氣候因素。

石筍中的有機酸源自洞穴滴水所帶來的上覆土壤層的有機質(zhì)組分。地表植被的變遷、土壤層成分對外界的響應(yīng)以及受大氣降水補充的洞穴滴水的動態(tài)變化等氣候環(huán)境信息，理論上都可以通過石筍中有機質(zhì)的熒光特征得到反映(賈蓉芬等，2007)。

3 結(jié)語

綜上所述，洞穴石筍作為一種環(huán)境信息載體在過去全球變化研究中起著極重要的作用。隨著分析

技術(shù)的進一步提高，巖溶石筍的高精度的定年特點以及多指標(biāo)的獲取的優(yōu)點將更加體現(xiàn)出來，也必將以它為基礎(chǔ)建立起全球氣候變化的高分辨率記錄。同時，洞穴石筍不僅可以建立全球各地區(qū)的氣候變化序列，還可以據(jù)此與冰心等其他地質(zhì)材料獲取的氣候記錄進行對比。可以說，這對于全球氣候的相互對比，探討全球各地區(qū)氣候系統(tǒng)的聯(lián)系機制等具有重大的科學(xué)意義。因而如何深刻理解各項代用指標(biāo)的真實意義，通過對比全球突發(fā)事件的演化規(guī)律，并建立起可與其他代用指標(biāo)相關(guān)聯(lián)的石筍古環(huán)境研究格局，準(zhǔn)確地重建古氣候并預(yù)測未來氣候變化趨勢，是未來巖溶石筍研究的重點。有理由相信，巖溶石筍的諸多優(yōu)點，必將在以后的古環(huán)境研究中發(fā)揮越來越重要的作用。

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Discussions on cave stalagmite as substituting index of paleoclimate significance

XIONG Bo

(School of Geographical Sciences，Southwest University，Chongqing 400715，China)

Modern global climate change became a hot issue of universal concern.A hot issue of global change research was to obtain one hundred year or even decades to obtain and distinguish the rules on climate change.As a key to restore the ancient climate，study the evolution of ancient environment，the cave stalagmite was characteristic of many advantages，and would play an increasingly important role in the study of paleoenvironment.In lights of current research situation，the authors reviewed the micro-layer contrast on laminated layer of stalagmite，the formation mechanism of micro-level，stable isotope record，trace element record，the growth rate and other aspects of micro-layer light-emitting.

Stalagmite;Paleoclimate;Micro-layer;Stable isotope

P467

A

1674－3636(2011)01－0033－05

10.3969/j.issn.1674-3636.2011.01.33

2010－12－09;編輯:陸李萍

熊波(1988—)，男，碩士研究生，主要從事巖溶學(xué)與環(huán)境變化方向研究，E-mail:cqzk123@163.com