湖泊年纹层研究进展与展望

[意义]湖泊年纹层是季节—年际尺度的超高分辨率地质记录,对发展高精度地质年代学和研究古气候与古环境具有重要意义。[进展]综合前人研究成果,对湖泊年纹层的形成和保存、识别和分类、纹层年代学以及湖泊年纹层对古气候和古环境的指示等方面进行了总结:(1)湖泊年纹层的形成和保存受季节性气候和环境变化的影响,在北半球中高纬地区分布较广;(2)对湖泊年纹层的鉴定需结合其物理、化学和生物特征,并通过放射性同位素定年手段进行交叉验证;(3)湖泊年纹层可用于建立精确的或浮动的年代学标尺;(4)湖泊年纹层普遍用于重建年际古气候与古环境,但是研究程度不均衡,时间上主要集中于第四纪,空间上主要集中于欧美地区。[结论与展望]结合目前湖泊年纹层的研究现状和不足,未来应加强现代沉积过程监测,优化湖泊年纹层识别标准。同时利用多种研究手段,系统构建并完善湖泊年纹层研究体系。深入挖掘深时湖泊年纹层的研究价值,聚焦深时年际古气候变化等科学前沿。

中全新世持续近600年的湖北神农架石笋年纹层

根据湖北神农架青天洞QT9石笋ICP—MS测年和纹层计数结果，建立了约6．7～6．1kaB．P．期间连续发育近600年石笋年纹层时间序列。年纹层厚度平均300μm，在数十年尺度上，变幅达350μm。在紫外、透射和反射3种光照条件下，年纹层呈现基本对应的季节性反差特征。年纹层厚度与原始灰度序列在数十年尺度旋回上呈现较为一致变化规律，表明暗色物质与年层生长速率共同响应于某一洞穴气候环境因子。基于中国东部不同气候期洞穴石笋年层具有的显微结构共性研究，推测这一共性是洞穴外部气候要素与洞穴内部环境耦合作用的结果。年层厚度与原始灰度两个序列的功率谱分析揭示50a，24a，9．1a以及2～7a等周期成分，其中，5．9a，4．2a和3．3a共同周期的存在，暗示中全新世存在不同频率的ENSO事件。

坝上高原安固里淖粒度年纹层与环境变化

在安固里淖湖心区获取一未扰动沉积物样柱 ,分析发现了由冬季风搬运物与湖心沉积共同形成的粒度年纹层 ,建立了纹层年表 ,恢复了安固里淖湖区 85 0 7aB .P .以来的环境变化过程。 85 0 7～ 5 4 2 9aB .P .冬季风活动较弱 ,后期有所波动 ;5 4 2 9～ 32 4 4aB .P .冬季风活动较强 ,32 4 4～ 2 4 94aB .P .冬季风活动减弱 ;2 4 94～ 116 5aB .P .冬季风活动略有增强 ;116 5aB .P .以来 ,冬季风活动减弱。

青藏高原北部可可西里库赛湖年纹层微区分析及形成机理

湖泊年纹层是进行高分辨率古气候环境研究的重要载体之一,其形成机理的研究能够为高分辨率古气候环境信息的提取提供重要的依据。本文以青藏高原北部可可西里库赛湖沉积的年纹层为研究对象,通过纹层薄片显微镜观察,以及纹层的扫描电镜、X衍射和同步辐射X射线荧光等微区分析,对库赛湖沉积年纹层的形态、沉积和成分特征进行了研究,以探讨库赛湖年纹层形成过程和机理。结果表明:年纹层层偶由深浅相间的微层组成,深色层主要由灰褐色—黑褐色的粗颗粒物质组成,磨圆中等、分选性差,矿物以石英、长石、白云母、黏土矿物等为主,其中石英含量占73%左右,且具有明显的风力搬运特征;浅色层呈灰白色,矿物颗粒较细,除石英、长石、白云母、黏土外,还有自生的文石,同时浅色层中含有大量的枝角类碎片和半月形介形类生物壳体。研究认为,库赛湖冬季温度低、风力强劲,风的机械搬运作用使大量的陆源物质在冰面堆积,等到春季湖泊开封,冰面上粗颗粒物质沉积到湖底形成库赛湖年纹层的深色层(粗颗粒层);夏季温度升高,冰雪融化,降水增加,河流搬运的陆源粗颗粒物质由于重力作用先在湖泊边缘沉积,而黏土矿物等细颗粒物质则在湖泊中心沉积,同时夏季湖水温度升高,蒸发作用加强,生物活动增强,湖泊自身的生物、化学作用加强,从而形成以细碎屑矿物、生物残体、自生碳酸盐沉积为主的浅色层(细颗粒层)。因此,库赛湖的年纹层层偶是由冬季冰面风成物质形成的粗颗粒深色层(冰融化后,风成物质沉降至湖底堆积)和夏季沉积的细颗粒浅色层两者交替而形成的。

湖泊沉积物年纹层的研究方法及其意义

文章总结了前人对湖泊沉积物年纹层类型的划分,并根据年纹层的形成过程和组分特征分为3个大类,即碎屑年纹层、生物成因年纹层(如硅藻年纹层等)和化学成因年纹层(如方解石年纹层、菱铁矿年纹层、黄铁矿年纹层、蒸发盐年纹层等)。介绍了目前应用于湖泊沉积物年纹层研究的主要方法和技术包括:1)新鲜沉积物表面照相、X射线照相技术;2)光学显微镜观察;3)数字化图像分析;4)扫描电子显微镜技术等。而岩相学大薄片是目前年纹层研究工作中应用非常广泛的材料,对目前制作大薄片比较普遍采用的快速冷冻-冷冻干燥和水-丙酮-环氧树脂交换这两种方法进行了介绍并比较了各自的优劣。湖泊沉积物年纹层研究的古环境意义主要体现在两个方面,一是提供了高精度的纹层年代学时间标尺,在诸如气候突变事件的时限、大气14C浓度变化、火山灰层定年、古地磁场长期变化主曲线重建等方面有重要意义;二是年纹层性质研究如年纹层厚度和年纹层微相变化本身所蕴藏的高分辨率古气候环境变化信息,在太阳活动周期、ENSO等气候事件的研究中也有重要意义。最后,文章简单介绍了我国东北龙岗火山区四海龙湾玛珥湖沉积物中年纹层的特征并展望了其研究潜力。

湖北神农架年纹层石笋记录的YD与8.2ka事件转型模式研究

基于青天洞两支年纹层石笋QT16和QT40高分辨率δ18O序列,重建了Younger Dryas（YD）和8.2 ka期间季风突变细节过程。结果显示,亚洲季风强度在YD和8.2 ka事件内部并不稳定。在年层时标控制下,季风强度在YD早期最弱,随后缓慢上升,其间叠加三次百年尺度次级振荡;在8.2 ka期间,季风强度整体较弱,内部出现一次持续40 a左右的强季风事件,曲线形态类似＂W＂结构。运用＂方差法＂和＂RAMPFIT＂法分析显示,在两事件开始,季风衰减均表现出缓慢特征（转型时间占据事件整体历时的40%~50%）,但在结束期间季风迅速增强,相似变化模式得到了同区其他石笋记录的支持。与格陵兰冰芯记录对比发现,尽管高、低纬气候在两事件结束时段变化特征基本类似,但在两事件开始,亚洲季风衰减过程却显著长于北高纬气温变化。与低纬记录对比显示,热带水文变化在两事件开始阶段均表现出与亚洲季风基本一致的演化趋势,表明亚洲季风的突变过程可能具有鲜明的低纬特色。这些细节差异若得到更多高分辨率地质记录验证,将有利于进一步认识亚洲季风对突变事件的响应方式及其动力学机制。

东北四海龙湾玛珥湖年纹层的研究方法及初步成果

位于东北龙岗火山区的四海龙湾玛珥湖沉积物保存有清晰的年纹层,为进行高精度的纹层年代学研究和高分辨率的古气候重建提供了良好的材料。本文对四海龙湾玛珥湖岩芯钻取进行了简要的介绍,详细描述了进行纹层研究的岩相学大薄片的制备过程,并对这些过程中可能出现的操作失误进行了探讨。最后,介绍了四海龙湾玛珥湖年纹层的研究内容和方法以及已经取得的初步成果。

湖泊沉积物年纹层研究的古地磁学意义综述

年纹层发育的湖泊沉积物可以提供独立的、绝对定年的时间标尺,为重建高分辨率的区域古地磁场长期变化主曲线提供了难得的条件;基于长而连续的湖泊沉积物年纹层时间标尺建立的区域磁偏角和磁倾角长期变化参考曲线大大增强了岩芯对比和古地磁定年结果的精确性。此外,满足特定条件的湖泊沉积物还可以提供古地磁场强度长期变化的记录并有助于反映宇宙成因核素(如14C、10Be等)产生速率的变化、太阳活动等信息;目前,湖泊沉积物纹层年代学时间标尺及古地磁研究程度较高的主要是瑞典、芬兰和北美一些地区,区域古地磁场长期变化主曲线的地理分布并不均匀,因此在全球范围内寻找长序列的、连续的年纹层发育的湖泊进行古地磁研究可以更好地理解仪器观测记录以前的地磁场行为。

末次冰消期东亚夏季风突变性的石笋年纹层记录

从两支石笋年纹层的交叉定年,可确定年生长速率变化时间序列,本文结合氧同位素分析结果,讨论了新仙女木事件、阿弗罗德波令暖期等百年至千年级全球性气候突变事件的转型方式、内部振荡旋回及冷暖/干湿组合特征,并且发现石笋年层厚度反映的气候变化过程与格陵兰GISP2冰芯具有相似的变化规律,证明石笋年纹层可以作为气候变化的代用指标.

湖北神农架石笋年纹层与氧碳同位素关系

基于湖北神农架青天洞石笋U系测年和年纹层统计结果,分别建立了末次盛冰期(17474±174～16105±151aB.P.)和全新世大暖期(6935.4±33.8～6137±48aB.P.)长达1000余年的两个石笋年纹层生长序列。全新世大暖期年纹层平均厚度(265μm)约为末次盛冰期(102μm)的2.5倍,说明在间冰期东亚季风增强时石笋沉积速率较大,冰期时则相反。两支分辨率为4～8年的石笋年纹层厚度与δ13C变化曲线对比显示:在百年尺度上,石笋年纹层厚度与δ13C变化曲线均呈良好的相关性(相关系数分别为-0.53和-0.60),说明两指标可能受洞穴上覆土壤带CO2产率这一主控因素的影响。当上覆土壤层生物活动增强,CO2分压较高时,导致石笋δ13C值偏负、生长速率增大。然而,在相同尺度上,两支石笋δ18O变化与对应的δ13C及年纹层厚度之间的相关性较弱,反映研究地点上覆土壤层CO2产率对东亚夏季风强弱变化响应关系比较复杂。

岩芯XRF扫描在湖泊年纹层研究中的应用——以青藏高原东南缘新路海为例

湖泊年纹层以其精确到年乃至季节尺度的高分辨率优势,成为研究古气候环境变化的重要载体.X射线荧光(XRF)岩芯扫描由于其有分辨率高、分析快速等特点,在湖泊年纹层研究中发挥了重要的作用.本文以青藏高原东南缘新路海年纹层为研究对象,采用X射线荧光(XRF)岩芯扫描,对新路海湖泊纹层计年、纹层形成机理及古气候重建进行了研究.结果表明:利用X射线图像明暗层、Rad峰值、Zr和Fe元素峰值标记法获得的年代序列基本一致,并且与独立的放射性测年(Pb/Cs)结果吻合,证实了上述各种纹层计年方法的可行性和可靠性.新路海年纹层层偶是由粗颗粒碎屑层和细颗粒碎屑层交互组成的,较厚且Zr和Si元素高的粗颗粒层形成于春、夏季,而较薄且Fe元素含量高的细颗粒层形成于秋、冬季.纹层的厚度能够指示西南季风降水量的大小,近100年以来新路海纹层厚度反映的西南季风演化,与利用昆明地区历史文献重建的湿度记录(干旱/洪水指数)、树轮δO重建的尼泊尔喜马拉雅地区的季风降水基本一致.近100年来新路海的纹层厚度具有7~8、4~5和2年的周期,表明新路海纹层厚度记录的近100年的西南季风演化可能与厄尔尼诺-南方涛动、太平洋年代际振荡、印度洋偶极子和准两年周期震荡有关.

云南赤土仙人洞石笋黑碳年纹层的发现及其意义

早在1926年,Allison[1]就报道了美国宾州Bears 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,首次验证了英国石笋荧光微层是年纹层,其发光强度可能与太阳黑子周期有关,并指出显微发光层可能是由上覆土壤的腐殖酸和富里酸的激发引起的。

东北二龙湾玛珥湖13 ka BP以来的沉积年纹层研究

对东北二龙湾玛珥湖的沉积物(0～700cm)进行研究,发现该湖既含有生物年纹层(0～632cm)又含有碎屑年纹层(632～700cm),其中生物年纹层又可按照藻类种类及含量的多少划分为以甲藻为主的生物年纹层(0～63cm)和甲藻与硅藻混合的生物年纹层(214～632cm).对这3种年纹层的详细组成与结构特征进行了描述,讨论了沉积序列中年纹层类型变化的原因,并建立了13kaBP以来高分辨率的纹层年代学标尺.这为今后继续年纹层计数、误差评价及高分辨率古气候记录研究奠定了很好的基础.

东北四海龙湾玛珥湖沉积物纹层计年与^(137)Cs、^(210)Pb测年

对东北四海龙湾玛珥湖SHL F6孔纹层沉积物的137Cs放射性测量表明:137Cs比活度的最大值出现在 5 5cm处,对应于 1963年世界原子弹试爆高峰期。纹层计年表明 0~6cm共有 35个纹层层偶。从 7 5cm到 6 5cm, 137Cs比活度从 2 56±0 09dpm/g急剧增加到 18 68±0 17dpm/g,可能 6 5cm对应于 1954年。通过测量 226Ra子核214Pb和214Bi(能量为 295keV, 352keV和 609keV)放射的光子数获得226Ra比活度数据,然后求得过剩210Pb比活度(210Pbuns)。210Pbuns比活度随深度增加而呈指数衰减,其异常波动可能与人类活动以及沉积速率变化有关,例如5 5cm处210Pb比活度较高,与137Cs的峰值对应,这可能与 1963年前后人工核实验的高峰有关,因为核试验不仅产生137Cs,而且可以产生208Pb和210Pb; 4 5cm处210Pb比活度较低,而226Ra较高,可能与人类活动加剧,导致沉积速率增加有关。根据210PbunsCRS模式, SHL F6孔 0~19cm的平均沉积速率为 20mg/cm2·a,或约为 0 11cm/a。210Pb测年数据与137Cs时标及纹层计年均有很好的一致性。四海龙湾玛珥湖发育的纹层为年纹层,可以建立高分辨率时间序列。

DO3事件的湖北神农架高分辨率年纹层石笋记录

基于湖北神农架青天洞一支年纹层石笋（编号：QT15）高分辨 δ^18O序列，重建了29.4-27.4ka B.P.亚洲夏季风演化历史。QT15石笋 δ^18O在约27.9ka B.P.和28.7ka B.P.显著偏负，指示亚洲夏季风增强事件，分别对应于格陵兰冰芯记录的DO3事件和DO4事件。基于年层和高分辨率 δ^18O记录分析，石笋QT15记录的DO3事件具有3个阶段演化过程：第一阶段（28.04-28.01ka B.P.），亚洲夏季风在约30a内突然增强，对应于格陵兰地区该事件开始时的突然增温，揭示了北半球高、低纬突变气候事件的内在机制联系；第二阶段（28.01-27.91ka B.P.），亚洲夏季风呈现持续增强趋势，与格陵兰地区逐渐降温趋势相反，表明亚洲夏季风与格陵兰温度存在显著的区域差异；第三阶段（27.91-27.74ka B.P.），亚洲夏季风强度和格陵兰地区温度均显著降低，指示DO3事件结束。DO3事件确立后的季风持续缓慢增强与大西洋Cariaco海盆岩芯反射率记录基本一致，但明显不同于对应的格陵兰缓慢降温趋势。由此推断，在北半球突变事件诱发后，亚洲夏季风持续增强与赤道辐合带（ITCZ）北移以及越赤道气流增强高度耦合，与对应的格陵兰温度变化机制不同。

“8.2ka”事件的湖北神农架高分辨率年纹层石笋记录

基于湖北神农架青天洞1支长179mm石笋的8个^(230)Th年龄、890条纹层和445个氧同位素数据,建立了早全新世8.8~7.9kaB.P.时段平均分辨率为2a的亚洲季风气候记录。结果显示,8.34~8.10kaB.P.期间石笋δ^(18)O明显正偏,指示了一次持续约240a的弱夏季风事件。该弱夏季风事件与同期格陵兰冰芯记录的中心事件(在8.21kaB.P.,持续70a)及淡水注入模拟结果基本一致,表明"8.2ka"事件与淡水注入导致的大西洋经向翻转流减弱或关闭有关。然而,"8.2ka"事件发生前约120a,亚洲季风已开始逐渐减弱,与太阳活动明显减弱时间相对应,据此推测太阳活动可能对"8.2ka"事件具有一定的触发作用。

苏干湖沉积物纹层计年和^(210)Pb，^(137)Cs测年对比

通过对西北干旱区苏干湖表层沉积物的年纹层计数定年和^(210)Pb,^(137)Cs测年结果对比发现:^(137)Cs测年结果在8.5 cm出现最高蓄积峰,对应1963年世界核爆高峰期,但在同一层位^(210)Pb测年结果则是1972年,存在较大的偏差.年纹层沉积速率达0.31 cm/a,而根据CRS模式建立的^(210)Pb沉积速率为0.30 cm/a.年纹层反映的沉积速率和^(210)Pb测年结果基本一致,互相验证了两者测年的可靠性.^(137)Cs测年则存在蓄积峰向上迁移的现象,在西北干旱区湖泊使用^(137)Cs测年过程中需引起注意.

内陆干旱区柴达木盆地苏干湖年纹层的发现及其意义

柴达木盆地北缘苏干湖若干钻孔岩芯发现,水深大于3.0m的沉积物均具有裸眼可分辩的由深色层和浅色层组成的纹层层理.以湖泊中心SG03I孔上部5.5m具有纹层结构的沉积岩芯为研究对象.基于沉积物收集装置的现代过程研究发现,苏干湖夏秋季以浅色的单水方解石为主,冬半年以深色有机质为主,现代湖泊能够形成冬半年深色层和夏半年浅色层的纹层沉积.岩芯中有四种类型的纹层沉积:单水方解石-有机质纹层、白云石-有机质纹层、碎屑-硅藻(碎屑)纹层与文石-有机质纹层,均具有季节特征,属可靠的年纹层,且顶部纹层计年与210Pb测年结果一致.根据纹层计年,年纹层沉积形成于距今2670a以来.苏干湖纹层沉积是中国西部干旱区发现的第一个能够确认为是年纹层的湖泊沉积,4种不同类型的年纹层指示了不同气候类型及其季节差异,具有重建高分辨率气候变化的重要意义.

缅甸Twintaung玛珥湖碳酸盐年纹层及100年来微区原位元素分析

报道了缅甸蒙育瓦地区发现的5个玛珥湖,通过对这些玛珥湖的纹层研究,发现深度最大的Twintaung玛珥湖发育了碳酸盐年纹层,纹层层偶由厚度约为50～400？m的碳酸盐微层以及厚度100～600μm的碎屑-有机质层组成,其中碳酸盐微层是鉴定年纹层的重要标志.Twintaung玛珥湖年纹层的形成与缅甸蒙育瓦地区特殊的气候环境密切相关,每年12～4月为“干-热季”,降水少、蒸发高、湖水过饱和,导致方解石微晶生成;同时,每年干旱季节也是蓝藻Spirulina的繁盛时期,藻类繁盛需要消耗大量的CO_2,也促使碳酸盐生成.5～11月为“湿-热季”,降水较多,形成碎屑、有机质混合层.独立的核素测年（137Cs,210Pb）数据与纹层计数基本一致,证明了纹层的年季特征.为了理解元素指标的气候意义,我们运用同步辐射原位分析方法获得高分辨率元素数据,并与气象观测记录对比.通过主成分分析及与气象记录的对比,认为第一主成分主要包括岩石成因的元素（K,Ti,Fe,Cu,Zn,Rb和Zr等）,可能主要与物理化学风化作用、降水以及粉尘输入有关,影响因素复杂;第二主成分主要包括元素Ca和Sr,主要赋存于碳酸盐颗粒中,可能主要与蒸发-降水关联.气候干旱时期,湖水中Ca离子呈过饱和,促使碳酸盐沉淀.缅甸Twintaung玛珥湖碳酸盐年纹层沉积中Ca元素可能是高分辨率古气候变化研究的重要替代指标.

中国湖泊沉积物纹层年代学研究进展

晚第四纪尤其是全新世是地球气候系统演化的一个关键地质时期,是探究全球及区域重大气候环境事件,揭示其内在演化规律,预测未来气候变化的关键时段.国内外发表的文献中,主要的年代学方法有:AMS14C年代学、石笋U系测年和纹层年代学等.其中纹层年代学被认为是比较精确的定年方法.近年来,国内外学者在中国的一些湖泊中发现了年纹层沉积,例如龙岗火山区的小龙湾、四海龙湾及二龙湾玛珥湖,柴达木盆地的苏干湖,青藏高原东部的新路海以及可可西里地区的库赛湖.本文概述我国近年来湖泊纹层年代学研究进展,总结中国湖泊年纹层类型、特征及纹层年代学研究方法、误差估计等方面的进展,并提出未来年纹层研究应注意的问题,以期促进中国湖泊沉积物年纹层研究的进一步发展.