洞穴次生碳酸盐沉积的Mg/Ca与Sr/Ca比值研究进展--兼论洞穴次生沉积物Mg/Ca与Sr/Ca的影响机制

微量元素是岩溶洞穴沉积中非常重要的一类古气候环境替代指标,为近20年来国内外的一个研究热点。总结前人的研究,主要取得了以下一些重要认识:(1)洞穴上覆土壤和围岩是洞穴次生碳酸盐沉积Mg、Sr的主要来源;(2)Mg/Ca与Sr/Ca能够指示气候环境变化,但需结合其它指标综合考虑。(3)洞穴次生碳酸盐沉积Mg/Ca与Sr/Ca受多种气候环境因素(包括土壤和围岩的组成和性质、水-岩相互作用、先期碳酸盐沉积、分配系数等)影响,其古气候环境指示意义具有多解性;(4)矿物结晶作用对Mg/Ca与Sr/Ca有一定的影响,特别是文石在向方解石转变的过程中容易丢失Mg、Sr,此外,杂质的混入也将抑制Mg、Sr进入方解石,从而引起洞穴次生碳酸盐沉积Mg/Ca与Sr/Ca比值的变化。今后应进一步加强对石笋中这些微量元素的影响机制研究,尤其是对一些影响因素与微量元素含量变化之间的定量关系进行探讨。

桂林地区近150年来的气候变化——基于^(210)Pb计年的洞穴碳酸盐沉积物记录

采用 ^(210)Pb定年和碳、氧稳定同位素分析方法对盘龙洞内的洞穴次生碳酸盐沉积物进行了系统研究,重建桂林地区近150年来的气候变化。本文采用的次生碳酸盐沉积物是采自桂林盘龙洞中的P001石笋和P007流石,分别获得9个和12个 ^(210)Pb测年数据;以及41个和46个碳、氧同位素数据。P001石笋碳、氧同位素记录年代跨度为公元1869～2002年,δ^(18)O平均值为-6.28‰,δ^(13)C平均值为-7.59‰;P007流石碳、氧同位素记录跨度为公元1854～2004年,δ^(18)O平均值为-5.27‰,δ^(13)C平均值为-6.68‰。P001石笋和P007流石碳、氧同位素记录的低频信号显示出一致的变化趋势,而且二者的δ^(13)C曲线相对δ^(18)O曲线一致性更强,说明它们受同样环境条件所制约,同时也说明了其 ^(210)Pb年代系列的建立是可靠的。盘龙洞石笋和流石的δ^(18)O和δ^(13)C记录在公元1930～1965年都出现一个低谷,表明该时段植被生产力相对减弱,亦即降水相对减少。通过P001石笋和P007流石的碳、氧同位素记录与现代降雨记录的比较可知,在年际至10年际尺度上,氧同位素反映的为降水或者季风的强弱。由此,公元1854年到2005年的151年内,盘龙洞碳酸盐沉积物氧同位素所反映的气候变化信息为3个阶段:1)1854年至1900年的相对较强季风期,降水量较丰,δ ^(18)O平均值为-6.3‰;2)1900年至1960年的较弱季风期,降水量较少,δ ^(18)O平均值为-5.1‰;3)1960年至2005年的较强季风期,降水量较丰富,δ ^(18)O平均值为-6.1‰。

洞穴次生碳酸盐沉积稳定碳同位素研究

对国内外有关洞穴次生碳酸盐沉积(石笋)稳定碳同位素值(δ^(13)C)的研究成果进行了梳理和归纳总结,介绍了影响石笋δ^(13)C值变化的因素(如植被(包括植被类型和生物量效应)、土壤过程、大气CO_2、岩溶地下水水文(包括地下水的水动力条件、水-岩相互作用和先期碳酸盐沉积等)),同时介绍了一些模型研究中对影响石笋δ^(13)C值的某些具体气候环境因素(如滴水快慢或时间间隔、通风强度、地下水流动路径等)进行的定量评估.综合1992—2017年对洞穴石笋δ^(13)C值的研究成果,指出洞穴内滴水的CO_2去气作用可能是影响石笋δ^(13)C值变化的关键机制,建议在今后的研究中对此给予高度关注.

岩溶洞穴次生碳酸盐沉积铀及其同位素组成古气候环境研究进展

洞穴沉积铀含量及其同位素初始^(234)U/^(238)U[(^(234)U/^(238)U)_0)]变化均与过去气候环境变化关系密切。文章分别对石笋中U含量和(^(234)U/^(238)U)_0,的气候意义进行统计分析发现,多数研究认为洞穴沉积U含量和(^(234)U/^(238)U)_0可能指示土壤湿度和有效降水变化。然而,不管是对洞穴沉积的U含量还是(^(234)U/^(238)U)_0,其气候环境意义解读还存在两种观点。但无论如何,这些研究成果都显示了洞穴沉积的U含量和(^(234)U/^(238)U)_0是研究过去气候环境变化的重要替代指标。在未来的研究中,除了土壤环境和过程,还应关注U来源的相对贡献变化和其他微量元素与U元素的关系。这一指标可能在对东亚地区的大气粉尘活动和冬季风演化、地表生物量的变化研究等方面发挥重要作用。

洞穴次生碳酸盐沉积的Sr同位素组成研究:历史与前景

对洞穴次生碳酸盐沉积87Sr/86Sr比值的研究进行了回顾,对其潜在的应用前景作了展望。87Sr/86Sr是进行沉积物来源示踪的重要地球化学指标之一。在以往的研究中,根据洞穴次生碳酸盐沉积87Sr/86Sr的变化对一些可能的Sr来源的相对贡献进行了研究,并进一步对其蕴涵的气候环境演化意义进行了探讨。在未来的研究中,示踪物源仍然将是洞穴沉积87Sr/86Sr研究的主要功能。这一指标可能在对地表土壤的化学风化强度及其变化、东亚地区的大气粉尘活动和冬季风演化、岩溶地下水古水文演化研究等方面发挥重要作用。

洞穴次生化学沉积物中Mg、Sr、Ca及其比值的环境指代意义

通过桂林地区盘龙洞 1号石笋和丰鱼岩 4号石笋的 Ca、Mg、Sr及其比值的研究 ,并通过与氧同位素记录的对比分析 ,初步认为洞穴次生化学沉积物中的 Sr、Mg、Ca及其比值的形成既取决于环境温度的变化 ,又取决于水文条件的变化。当大气环流系统未发生显著变化时 ,岩溶水文地质条件较相似 ,这时 ,Mg/ Ca和 Mg/ Sr比值的变化主要取决于环境温度的变化 ;而当大气环流系统发生显著变化时 (如出现冰期和间冰期的显著变化 ) ,Mg/ Ca和 Mg/ Sr比值则主要取决于水文地质条件 ,即降水条件的变化。尽管在一定的条件下利用 Mg、Sr、Ca指标可以获得很高分辨率的信息 ,但由于 Mg、 Sr、 Ca地球化学习性的复杂性 ,以及其影响因素的多元化 ,这种指标作为单独指标应用就会十分危险。

洞穴水Ca^(2+),Mg^(2+)含量特征及其对次生化学沉积物发育影响——以重庆武隆芙蓉洞为例

洞穴水C a2+,M g2+含量及其变化量是洞穴次生化学沉积物发育程度的最直接和最基础的反演载体。通过对芙蓉洞地表水、基岩水及洞穴水进行采样对比分析认为:(1)芙蓉洞洞穴水C a2+,M g2+含量总体变化不大,C a2+离子含量为44~52 m g/L,M g2+离子含量为32~45 m g/L。洞穴次生化学沉积物的主要物质来源是C a2+离子,正处于C a2+离子沉淀较为完全,而M g2+离子还没来得及甚至没有开始沉淀阶段。(2)碳酸盐岩地区次生化学沉积物C a2+/M g2+比值在一定程度上反映了其景观发育成熟度。不同岩溶地区的岩石渗透性在很大程度上影响岩溶洞穴次生化学沉积物的发育程度及速率。(3)洞穴水C a2+,M g2+离子含量与洞穴次生化学沉积物发育特征关系不大。(4)10年来,芙蓉洞洞穴水C a2+离子含量变化,在很大程度上影响次生化学沉积物发育度,和M g2+离子关系不大。外界能量输入引起的温度升高对次生化学沉积物发育程度影响较小,而pH值的改变对它影响较明显。

洞穴次生碳酸盐稳定同位素古气候重建研究进展

近年来,洞穴次生碳酸盐沉积物因其有着湖泊沉积物、泥炭等无法比拟的测年优势,日渐成为陆地古气候重建的良好研究材料.通过铀系定年,可以获得过去60万年来精确的日历年时间序列,突破了其他陆地沉积物14C定年(<5万年)的瓶颈.氧碳同位素作为洞穴石笋的古气候待用指标具有全球对比性,由于其高精度独立的时间标尺和无需校正同位素信号日渐成为其他气候记录对比的基石.在同位素平衡分馏条件下,石笋δ18O反映了当地气候的变化,在季风区一般反映降雨的变化,在欧洲则更多反映温度的变化.通过石笋1δ8O与北大西洋冰漂碎屑事件以及甲烷的对比关系,可以将海洋钻孔和两极冰芯的记录调谐到独立时间标尺的石笋记录上,进而可以探讨全球联系及其驱动机制.影响石笋1δ3C变化的因素比较复杂,一般在轨道尺度上指示了植被类型C3/C4比率的变化,而在更短时间尺度内主要受到土壤CO2活力的影响,进而可以反映当地降水和温度的变化.尽管洞穴石笋研究工作取得了较大进展,但仍然有诸多机理问题尚未解决,在介绍洞穴沉积物稳定同位素古气候重建研究现状的基础上,对今后的研究方向进行一定的探讨.

桂林茅茅头大岩现代碳酸盐沉积物210Pb分布特征

^210Pb技术已经广泛应用到冰芯（Kehrwald et al.,2008）、海洋（ Sternberg et al., 1979）和湖泊沉积物（Wu Yanhong et al., 2010）、以及洞穴沉积物（Baskaran et al., 1993 ）定年研究中。

洞穴次生沉积物石笋的稳定同位素古气候的研究

用稳定同位素地球化学古温度的方法,对洞穴次生沉积物石笋进行碳、氧稳定同位素的测定,并对石笋进行铀系地质年龄和^(14)C地质年龄测定,可以获得第四纪以来的古气候演化规律。

利用岩溶洞穴次生化学沉积物研究地球古环境

岩溶洞穴次生化学沉积物(以下省略为次生化学沉积物)是由洞穴脱离地下水面升入包气带后,在渗流水作用下形成的。从类型上看,可分为钟乳石、石笋、石柱以及钙板等几种。 岩溶洞穴次生化学沉积物中所存在的各种矿物,是在洞穴环境条件下表生作用的产物。矿物的组成元素主要来自由地表进行元素补给的地下水以及地下水所渗透的可溶性岩层。这些元素被带到洞穴后,在常温、常压和开放系统的条件下。

洞穴碳酸盐^(230)Th-^(234)U-^(238)U测年初始钍校正的等时线研究

初始钍的校正是不纯沉积碳酸盐230Th 234U 238U测年的一个重要方面,洞穴石笋初始Th校正通常采用230Th/232Th的原子比值为(4. 4±2. 2)×10-6。多年来4种不同的等时线方法应用到不纯碳酸盐测年初始Th的校正中,其中全样品的等时线方法是目前公认的较为完善的一种方法。通过测定云南同一石笋2个不同层位的9个样品的U、Th同位素组成,并进行等时线分析,结果表明2层样品初始钍230Th/232Th原子比值分别为(3. 5±2. 8)×10-6和(10. 6±2. 2)×10-6,这说明即使在同一地区,由于其混入Th来源的复杂性,230Th/232Th初始比值在同一样品不同层位仍可能有较大的差异,因此不能够完全采用单一层位等时线获得的初始值对整个样品进行校正。考虑到在实验测量过程中,232Th含量的过高对于230Th的准确测定也有很大的影响,应尽量选择纯净石笋样品进行测年研究,在样品的选择和前处理过程中就减少初始钍的影响,这对获得高精度的测年结果有着重要的意义。

雪玉洞母岩沉积地质特征及其对次生沉积物的影响

为了研究洞穴母岩对洞穴系统及次生沉积物产生的影响,以重庆丰都雪玉洞母岩为研究对象,对其沉积地质特征进行了详细的研究,同时还探讨母岩的沉积地质特征与洞穴发育及次生沉积物特征之间的关联。结果表明,雪玉洞的母岩层位为下三叠统飞仙关组第二段,其沉积相为颗粒滩。母岩的岩性为砂屑灰岩、鲕粒灰岩、砾屑灰岩,夹少量微晶灰岩。母岩和洞穴次生沉积物的主要矿物成分是低镁方解石(LMC,low magnesium calcite)。母岩较低的Mg/Ca导致洞穴滴水的Mg/Ca也较低,这使得组成次生沉积物的低镁方解石晶体快速侧向生长,并导致方解石晶体纯净、粗大且自形程度高。雪玉洞母岩顶底板岩层沉积期稳定的滩间海沉积环境有助于形成高强度的厚层微晶灰岩从而为洞穴系统的发育提供有效的支撑。这表明洞穴母岩的沉积地质特征会在物质基础的层面对洞穴系统的发育以及洞穴次生沉积物的特征产生显著影响。

南京汤山洞穴碳酸盐沉积物的电离质谱铀系年代

应用热电离质谱仪 (TIMS)技术 ,测定了南京汤山 2个溶洞数层钙板和石笋的年龄 ,其年代分布范围跨越了距今 5 0 0～ 2 0ka.根据这些洞穴碳酸盐的年代及其与堆积地层的关系 ,建立了该处第四纪洞穴沉积物的年代地层框架 .从南京直立人头骨化石赋存层位及其顶底板铀系年代分析 ,2具头骨化石分属于不同的地质时段 ,Ⅰ号头骨顶层钙板及其石笋的年龄说明其年代应大于 5 0 0kaBP ,Ⅱ号头骨年龄落于 5 0 0～ 2 40kaBP之间 .

洞穴次生化学沉积物与地质背景及洞穴环境的耦合关系——以广西巴马水晶宫为例

运用岩溶地貌及洞穴次生化学沉积物的成景机制和原理,结合动态耦合的方法和系统的观点,通过"洞穴"这一共同作用的对象,将洞穴的区域地质背景、洞穴外部环境、洞穴内部环境与洞穴次生化学沉积物成景过程进行有机联系,创立某一洞穴次生化学沉积物成景耦合系统,概括其内涵、特征和意义。同时通过对广西巴马水晶宫区域地质背景、洞穴外部环境、洞穴内部环境等系统分析和研究,全面系统探讨水晶宫洞穴次生化学沉积物的成景耦合过程,并按不同时期区域构造运动的程度及洞穴次生化学沉积物的形成特征,将该成景耦合过程划分为4个可往复循环的阶段:1区域构造平稳前期—洞穴次生化学沉积物形成发育阶段;2区域构造平稳中期—洞穴次生化学沉积物大规模发育阶段;3区域构造平稳后期—洞穴次生化学沉积物缓慢或停止发育阶段;4区域间歇性构造运动—洞穴次生化学沉积物崩塌阶段。

福建仙云洞现代次生碳酸盐团簇同位素特征与温度重建

碳酸盐团簇同位素(Δ47)是基于碳酸盐中13C-18O丰度相较于其随机分布状态的偏离程度对温度进行估算的新型测温技术。洞穴石笋沉积过程复杂,部分石笋受动力分馏作用影响导致其碳酸盐Δ47偏离平衡体系,这些因素增大了利用石笋碳酸盐Δ47定量重建古温度的难度。本研究以典型东亚夏季风影响区的福建仙云洞为研究对象,通过对该洞现代次生碳酸盐样品的采集和稳定同位素组成的测定,探讨研究区现代次生碳酸盐Δ47特征及其重建温度的可靠性。研究结果表明:1)仙云洞5个现代次生碳酸盐样品的Δ47和δ18O结果均较为集中,而δ13C差异较大,这种样品间差异与共性并存的特征表明本研究所选样品具有代表性;2)仙云洞5个现代次生碳酸盐样品的Δ47值在0.702‰~0.720‰范围内波动,实测温度与基于平衡体系下建立的团簇同位素温度转换方程计算的温度结果较为一致,揭示出该洞穴现代次生碳酸盐Δ47接近热力平衡,不存在显著的动力分馏;3)基于洞穴次生碳酸盐的团簇同位素温度和δ18O值,推算出对应的滴水δ18O值介于-8.0‰~-7.6‰之间,这与长期监测的仙云洞滴水δ18O结果较为吻合,表明仙云洞现代次生碳酸盐氧同位素接近同位素平衡。本文研究结果为重建区域古温度和古降水提供了证据支撑。

洞穴地点骨化石铀系年龄可信度的讨论

骨化石是铀不平衡系测年法广泛应用而又颇有争议的研究对象。文章通过对典型铀加入模式的计算,指出以α能谱的精度,二种铀系年龄差异的显著性表明近期内有较大量铀的迁移,但其在误差范围内的一致不能保证样品构成封闭体系。以往积累的数据表明,大多数洞穴地点骨化石给出了二法一致的铀系年龄,但钙板与下伏骨化石铀系年龄大多差异显著且与地层顺序矛盾,即使被次生碳酸盐岩包裹,多半骨化石的铀系年龄仍显著偏低于其包裹体。此外,相当一部分样品的U-Th同位素比难以用简单的铀后期加入或淋失来解释。基于对次生碳酸盐岩铀系年龄可信度的认识,骨化石总体上不构成封闭体系,所载铀系年代信息只具有限的分辨率。

第四纪洞穴次生碳酸盐激光及同位素稀释剂法U-Pb定年

碳酸盐U-Pb年代学具有广阔的应用价值与潜力。近些年同位素稀释剂法和激光原位法碳酸盐U-Pb定年迅速发展,但国内尚未报道利用激光原位法测试的第四纪以来碳酸盐U-Pb年代,碳酸盐U-Pb定年的同位素稀释剂法也亟待开发,在此背景下西安交通大学同位素实验室针对第四纪洞穴次生碳酸盐开展了激光和稀释剂法(LA&ID MC-ICPMS)U-Pb定年方法研究。本研究利用激光法对不同碳酸盐标样进行了测试,获得的U-Pb年代结果与标准值在误差范围内一致;首次报道了三宝洞第四纪洞穴次生碳酸盐的高精度激光U-Pb定年结果,与国外实验室稀释法所得年代可相互印证;讨论了第四纪碳酸盐U-Pb定年初始U系非平衡分馏校正的有关问题,强调了稀释剂法对于δ^(234)U和Pb同位素高精度测试的重要价值;稀释剂法方面,本实验室全流程Pb本底目前能够达到世界一流水平(约10 pg);对于第四纪洞穴次生碳酸盐的初步测试结果(1.14±0.04 Ma, 2σ, n=5, MSWD=1)与国外稀释剂法及本实验室激光法在误差范围内一致,更进一步完善有望提高年代精度。本实验室建立了可靠的较高精度激光法和初步的稀释剂碳酸盐U-Pb定年方法,除了较老的碳酸盐样品以外,还能够对老于64万年的第四纪洞穴次生碳酸盐进行较高精度U-Pb年代学测试,对于早第四纪以来的众多科学问题的进一步研究具有重要意义。

贵州黔西县水西洞洞穴成因及价值研究

黔西县水西洞主要呈NE-NEE向发育于下三叠统茅草铺组(T 1m)可溶岩层内,由五条主洞及三个洞厅组成,实测长度为10557.13 m,最低点高程762.12 m,最高点高程920 m,高差达157.88 m。洞道形态呈拱形、梯形、三角形等,洞穴次生碳酸钙沉积物充分发育,不同类型的沉积物通常相伴生,部分洞段分布较密集,规模体量较大,多沿层理、节理发育,造型较美观,具有极高的观赏价值和美学价值。冲积物主要为粘土及粉砂。水西洞形成经历了深潜期、渗流期及半悬托期三个阶段,是区域地质构造演化的反映,洞内广泛分布的石笋是了解古气候演变的重要载体,具有较高的科学价值。