石筍多指標(biāo)記錄研究進展

王海川，李新虎，王 鵬，高 濤，賈 偉，張磊磊

（1.蘭州大學(xué) 地質(zhì)科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

當(dāng)前，全球氣候問題愈發(fā)受到人類的關(guān)注。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC）的最新特別報告中建議：相較于工業(yè)化前水平，全球升溫幅度應(yīng)控制在1.5℃內(nèi)，否則將會對整個地球產(chǎn)生諸多負面影響。因此，人們更加希望通過理解過去全球氣候變化來為未來氣候變化趨勢提供參考。石筍作為繼深海沉積物、冰芯、黃土之后的又一古氣候研究支柱性材料，其形成是大氣降水、洞穴上覆植被和土壤、巖溶滲流系統(tǒng)，甚至微生物參與下的多種地球表生過程的綜合產(chǎn)物，與區(qū)域水文、生物地球化學(xué)過程、巖溶系統(tǒng)過程及礦物結(jié)晶機理等有著緊密聯(lián)系，蘊含了豐富的古氣候信息。由于具有沉積連續(xù)、時間跨度大，后期蝕變小，且絕對年齡時標(biāo)精準(zhǔn)，代理記錄分辨率高、全球?qū)Ρ刃詮姷忍攸c，石筍在全球古氣候研究中有著獨特優(yōu)勢，挖掘石筍各種代理指標(biāo)記錄的物理及氣候意義，從石筍的不同記錄來說明過去氣候變化既是充分利用石筍這一良好古氣候載體的應(yīng)有之義，同時也是為從不同視野觀察過去氣候變化，透過記錄間的相互比對增強氣候變化的信服力。

石筍古氣候研究經(jīng)過幾十年的探索，已發(fā)展出了豐富的水文氣候?qū)W代用指標(biāo)。依據(jù)代用指標(biāo)自身性質(zhì)，可將它們分為物理指標(biāo)、化學(xué)元素指標(biāo)與生物指標(biāo)三大類。物理指標(biāo)中有紋層灰度、微層厚度、有機質(zhì)熒光強度、磁學(xué)特征、生長速率及沉積學(xué)特征等。化學(xué)元素指標(biāo)主要為碳氧穩(wěn)定同位素與微量元素記錄，此外，硫與硫同位素亦有所報道。生物指標(biāo)上有脂類生物標(biāo)志物等。常涉及的代用指標(biāo)有灰度、氧同位素、微量元素等，下面就這三類指標(biāo)的研究情況進行說明。

1 石筍灰度研究進展

廣義的灰度是指樣品表面所測的光線強度，在使用不同測量方法時灰度的物理意義也有差異[1]。紫外光照射樣品表面測的激發(fā)光強度稱為熒光，石筍熒光物質(zhì)主要來源于上覆土壤，反映了土壤中部分分解的有機質(zhì)豐度[2]。熒光強度的長周期波動受控于土壤中的有機質(zhì)活動[3]，熒光波長可以指上覆植被類型的變化[4]。透射光灰度反映了暗色顆粒的含量，石筍微層的暗色部分，鋇、鐵以及黏土含量較高，亮色部分，鎂、鍶以及小分子有機質(zhì)較高[5]，主要受溫度控制[1]。而反射光光面測量與上述方法相比具有成本低、不破壞樣品、操作簡單等優(yōu)勢[6]，逐漸應(yīng)用于石筍灰度測量之中。對南京葫蘆洞石筍的掃描圖像灰度分析，認為灰度值代表了生長過程中雜質(zhì)的參與度，反映了洞穴的干濕變化[7-8]。張德忠等[9]發(fā)現(xiàn)萬象洞石筍灰度與葫蘆洞石筍δ18O呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，并將其作為亞洲夏季風(fēng)強度的指標(biāo)。楊勛林等[10]將仙女山隧洞石筍灰度序列與氣測氣象數(shù)據(jù)對比，認為灰度蘊含了降水與溫度信息，與二者均表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。馬樂等[11]對七星洞石筍灰度解釋為反映了晶體空隙和雜質(zhì)的多少，與沉積環(huán)境有關(guān)，可間接反映環(huán)境的變化，另外對來自西南地區(qū)的其他洞穴石筍灰度分析表明，灰度響應(yīng)了太陽活動變化，也可以反映東亞夏季風(fēng)變化[12-13]。張會領(lǐng)等[14]對蓮花洞石筍灰度序列分析認為其受控于太陽輻射變化，與石筍δ18O呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系，反映了降水與溫度的變化。張瑞等[15]將天坑洞石筍灰度與氣測氣象數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)灰度與溫度表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，而與降水量關(guān)系不顯著，但卻是當(dāng)?shù)赝寥罎穸认嚓P(guān)的重要因素：年平均濕度和降雨天數(shù)呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

需要注意的是，盡管石筍灰度的變化與地表氣候有著十分密切的關(guān)系，但其意義并不能一概而論。在某些洞穴石筍中，灰度與δ18O呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，與夏季風(fēng)強度表現(xiàn)出正相關(guān)性[7-9，14]。對此可能的解釋為：夏季風(fēng)強度增強（溫度高、降雨量大）使得洞穴上覆土壤有機物分解程度加大，滴水中小分子有機質(zhì)增加，易形成暗色透明物質(zhì)，造成石筍剖面灰度值減小，反之滴水中的大分子有機質(zhì)增多，造成石筍剖面灰度值的增大。這也解釋了石筍灰度與洞穴地溫度、降雨呈現(xiàn)正相關(guān)性的現(xiàn)象[10]。而在西南地區(qū)洞穴石筍中，灰度與δ18O呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為與東亞夏季風(fēng)的負相關(guān)性[11-13]。

2 石筍化學(xué)元素指標(biāo)研究進展

2.1 石筍δ18O研究進展

δ18O是石筍中最早研究的代理指標(biāo)之一。受海洋CO2-H2O-CaCO3系統(tǒng)中氧同位分餾與海水溫度之間存在聯(lián)系的啟發(fā)[16]，早在上世紀(jì)60年代歐美學(xué)者便對石筍中δ18O與溫度聯(lián)系起來并做出了初步探索[17-18]。O'Neil等[19]更是直接通過實驗確定了平衡分餾狀態(tài)下碳酸鹽δ18O與溫度之間的關(guān)系式，對石筍古氣候重建產(chǎn)生重要影響。然而在對這一關(guān)系式進行實際應(yīng)用時，卻不得不考慮兩個問題：一是如何判斷石筍形成時是否為平衡分餾狀態(tài)？二是如何獲取同位素分餾時洞穴系統(tǒng)中的介質(zhì)水δ18O？Fantidis等[20]通過研究石筍中氧同位素組成變化探討了石筍中的非平衡分餾，隨后Hendy[21]又提出了石筍δ18O是否為平衡分餾下形成的判斷條件。盡管后來的研究對平衡分餾檢驗提出了新的看法——重現(xiàn)性檢驗[22]，但總的來說石筍形成時是否為平衡分餾的問題已是可以解決的。對于第二個問題的解決則較為困難，海洋中新生代以來海水δ18O可近似認為保持不變，但在洞穴系統(tǒng)中，介質(zhì)水δ18O是會隨著水文環(huán)境變化而改變的[23]。為此，有學(xué)者提出用現(xiàn)代大氣降水δ18O來代替介質(zhì)水中δ18O，這一方法操作簡單，但理論基礎(chǔ)值得商榷；也有一些學(xué)者認為可以用石筍包裹體水中的δ18O來代替，這忽略了包裹體形成后會與碳酸鹽礦物本身發(fā)生同位素交換[24]；另外還有學(xué)者提出用非含氧礦物包裹體δ18O替代，這一想法可以避開后期發(fā)生的同位素交換，通過對食鹽包體水組成的研究還原了古介質(zhì)水δ18O[25]，但洞穴中類似的非含氧礦物數(shù)量極為稀少，并不能大范圍解決問題。于是有學(xué)者提出先測石筍包裹體中δD，然后利用Craig提出的大氣降水中δD與δ18O關(guān)系計算出古降水δ18O來作為介質(zhì)水δ18O，這一方案被很多學(xué)者引用，但也有學(xué)者認為該方案忽略了不同時代背景對大氣降水中δD與δ18O的影響[26]，在現(xiàn)有條件下無法定量重建古溫度?；谑Sδ18O是當(dāng)?shù)販囟扰c大氣降水δ18O共同影響的結(jié)果這一事實，學(xué)者逐漸傾向于用石筍δ18O值來討論當(dāng)?shù)販囟燃按髿饨邓再|(zhì)的定性變化[27]。

在不同區(qū)域的氣候背景下，石筍δ18O值主控因素也會有差異。在低緯或典型的季風(fēng)控制區(qū)（以亞洲季風(fēng)區(qū)為例），溫度對石筍δ18O值影響機理較為復(fù)雜[27-29]，石筍δ18O主要繼承了當(dāng)?shù)卮髿饨邓再|(zhì)[30]，模擬和觀測資料也證實了這一觀點[31-33]，由此石筍δ18O的意義問題已轉(zhuǎn)變成為對洞穴地降水δ18Op控制因素的探索。以信號源-信號傳輸-信號最終表達的視野來看，就某一洞穴地的降水而言，其δ18O會受到以下3個方面的影響：水汽源區(qū)的變化，水汽運移過程中的變化和洞穴地某些效應(yīng)導(dǎo)致的變化。在對水汽源區(qū)理解時，我們首先必須明確的是除高緯度地區(qū)外，不同大洋或海區(qū)的海水δ18O差異并不大，水汽源的變化是指近源/遠源水汽的比例變化，這種變化導(dǎo)致的洞穴地δ18Op變化被命名為環(huán)流效應(yīng)[34]，由于海溫變化導(dǎo)致的大氣環(huán)流改變會使得水汽源發(fā)生變化，當(dāng)水汽源中的近（遠）源水汽占比更高時，則洞穴地δ18Op會偏重（輕）。而在水汽運移過程中，上游端利分餾是引起水汽δ18O變化的重要因素，分餾程度越高（低），則剩余水汽中的δ18O越輕（重）[35-37]，環(huán)流效應(yīng)本質(zhì)上也是上游分餾的體現(xiàn)。除上述兩個過程外，洞穴地降雨量效應(yīng)[28]、冬季溫度[38-39]、大氣對流活動強度[40]以及陸地循環(huán)水效應(yīng)[41]均可影響降水δ18Op。不難看出，δ18Op作為水汽環(huán)流的指標(biāo)，受到了多尺度時空因素的疊加影響[32]，故在對其意義進行討論時，應(yīng)當(dāng)首先明確其邊界條件。自2001著名的南京葫蘆洞石筍記錄顯示出巨大的氣候研究價值以來，眾多學(xué)者已經(jīng)提供了不同時間段、不同分辨率、不同地域下的石筍δ18O記錄，為研究者從不同視野下更加準(zhǔn)確全面探討其意義提供了依據(jù)。

在軌道及千年尺度上，整個季風(fēng)區(qū)石筍δ18O上表現(xiàn)出一致的變化趨勢，反映了大空間區(qū)域上的環(huán)流狀態(tài)，是從水汽源至洞穴點過程中平均夏季風(fēng)強度的指標(biāo)[42-43]，與其他反映季風(fēng)降雨量指標(biāo)如黃土、湖泊沉積物間的差異也逐漸明朗，即不同記錄指標(biāo)反映了夏季風(fēng)系統(tǒng)的不同方面[44-45]。夏季風(fēng)強度增強（減弱），意味著洞穴地有著更高比率的遠源（近源）水汽，季風(fēng)在路徑上降雨更多（更少），表現(xiàn)為石筍δ18O偏負（偏正）。而在高頻尺度上，石筍δ18O記錄表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異性[11，46-47]。

2.2 石筍微量元素研究進展

在洞穴沉積物中，對微量元素的研究大多集中于在巖溶水中能形成+2價陽離子能夠在晶格中取代Ca2+的元素，尤其是Mg、Sr、Ba 3種元素，它們在石筍沉積過程中的含量受到溶液濃度和分配系數(shù)的控制[48]，反映了從基巖、上覆土壤中淋出至固定于石筍的整個過程，該過程中的復(fù)雜性條件變化決定了石筍中各微量元素的最終含量。大量的研究表明不同元素對同一條件變化的響應(yīng)是不一致的，同一元素對不同條件變化的響應(yīng)也并非一致，因此通過單一的Mg、Sr、Ba含量變化來探討環(huán)境變化較為困難，需要認真思考環(huán)境的特殊性才能保證氣候分析的準(zhǔn)確性，因此逐漸發(fā)展出通過多元素比值變化來反映氣候條件改變。Ca元素是石筍碳酸鹽礦物的主要組成元素，其含量較為恒定，常作為背景元素來與微量元素結(jié)合使用，它們的比值反映了石筍生長過程中的條件變化。

Mg的分配系數(shù)受溫度影響較大，溫度上升，石筍中Mg/Ca也上升[49]；另一方面，Mg/Ca受到降水的影響，在干旱條件下，降水減少，延長了巖溶水滯留時間，導(dǎo)致了Ca－CO3先期沉積，使得Mg/Ca增大[50]。而Sr含量受溫度影響較小，因此也有研究把Mg/Sr作為古溫度的代理指標(biāo)[51]。通常認為Sr/Ca與Ba/Ca的變化受溫度影響較小，主要與降水、地表土壤、大氣活動等有關(guān)，能夠反映局地降水與大氣環(huán)流狀況。當(dāng)Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca的比值變化一致，相關(guān)性較高時，意味著三者皆受相同的影響因素控制，比值越大時，表明CaCO3先期沉淀作用越強，水滯留時間也越長，反映了較為干旱的氣候狀態(tài)。同理，三者的值越低，則表明了CaCO3先期沉淀作用越弱，反映了較為濕潤的氣候狀態(tài)。而當(dāng)Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca的比值變化不一致，相關(guān)性較低時，說明了它們比值變化的控制因素應(yīng)當(dāng)是不同的，常常需要與其他指標(biāo)結(jié)合來說明各自的控制因素。

3 結(jié)束語

綜上所示，石筍中作為良好的古氣候地質(zhì)載體，其氣候代用指標(biāo)十分豐富，石筍中不同代理指標(biāo)變化是石筍生長過程多種條件制約后的結(jié)果，是能夠反映古氣候變化的良好依據(jù)。但在對這些指標(biāo)進行使用時，應(yīng)當(dāng)意識到其變化機制的復(fù)雜性，在不同時空狀態(tài)下影響因子對不同指標(biāo)的貢獻往往是不同的，這也是石筍氣候?qū)W復(fù)雜與吸引人之處。對此的對策是在使用氣候代理指標(biāo)時應(yīng)結(jié)合巖溶過程實際情況，對指標(biāo)進行綜合分析來使用，而不能機械套用他人研究成果，否則便很有可能陷入誤區(qū)?？梢酝ㄟ^多指標(biāo)的對比驗證，保證結(jié)果的真實性與可靠性。展望未來，我們應(yīng)當(dāng)在充分肯定石筍古氣候?qū)W的重要性的基礎(chǔ)之上，意識到石筍中的很多氣候指標(biāo)受到區(qū)域氣候的影響，尤其是在亞洲季風(fēng)區(qū)表現(xiàn)的尤為突出，在對氣候代理指標(biāo)進行解譯時應(yīng)當(dāng)多加小心。此外氣候指標(biāo)多為定性的氣候反映，這一定程度上也對指標(biāo)的氣候意義解譯帶來了一定的模糊性。若能把石筍氣候?qū)W與實驗室數(shù)據(jù)分析、數(shù)值模擬等多種手段結(jié)合，跨域?qū)W科屏障與物理、化學(xué)、生物、大氣等學(xué)科交叉融合，定量區(qū)分出不同影響因素對代理指標(biāo)變化的貢獻，必將把石筍氣候?qū)W推動到一個新的高度。