洞穴碳酸盐微层研究及其发展方向

近几年，在高分辨率气候－环境变化研究中，洞穴碳酸盐微层逐渐受到人们重视。洞穴碳酸盐微层的类型较多，主要为年层。微层是在沉积条件发生高频率的周期性改变时形成的，要受到供水条件和碳酸钙浓度等多因素的控制。洞穴碳酸盐微层的稳定同位素组成、生长速率、微层结构与物质组分、微层厚度与灰度和光学特征等可以反映降水、温度、土壤成分及植被变化等信息。应用微层进行古气候重建需要测年技术。

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。

桂林地区降水、洞穴滴水及现代洞穴碳酸盐氧碳同位素研究及其环境意义

桂林地区降水及盘龙洞滴水和现代碳酸盐的氧碳同位素研究表明 :( 1 )从年内和年际的总体特征看 ,桂林地区降雨的δ18O值随着气温的升高和降雨量的增加而减小 ,就相关关系来看 ,与月均气温的相关关系更好 .但夏季风降雨的δ18O值要比冬季风降雨的δ18O值小得多 ;( 2 )洞穴滴水的δ18O明显与同期降雨的δ18O值成很好的相关关系 ;( 3)条件适宜时 ,δ13 C可以作为环境替代指标 ,即δ13 C值越负 ,C3 植物的比例就越大 ,降雨可能较丰沛 ,相反则可能以C4植物为主或为植被被破坏(由于气候原因或人为原因所导致 )后的石漠化环境 .

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.

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。

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.

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。

MC-ICPMS高精度测定晚第四纪碳酸盐U-Th年龄

洞穴碳酸盐包括石笋、石钟乳和钙华，其形成和发育具有明显的沉积年轮，记录着珍贵的古环境和古气候信息。精确测定碳酸盐的年龄，建立可靠的时间标尺一直是全球变化研究的核心内容。

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。

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。

再论南京汤山直立人生存时代问题

采用国际上最先进的高精度热电离质谱测年技术,测定了南京汤山葫芦洞钙板和石笋的年龄。并根据洞穴碳酸盐相与洞穴文化堆积层的地层关系,确定南京直立人化石时代在距今50 万年左右。

古人类遗址湖北郧西黄龙洞的铀系年代

湖北郧西黄龙洞为近年来发现的晚期智人遗址。本文报道该地点具明确层位意义的洞穴次生碳酸盐岩和骨化石样铀系测年的结果。含文化堆积下伏一局部钙板的年代为约100ka BP,其中部偏上一局部钙板为约77ka BP,表层钙板形成于27—57ka BP间。人类化石和石制品出土于文化堆积的底部,其年代应在57—100ka BP,并很可能在77—100ka BP间。与人牙化石同层的四枚犀牛牙化石在35—72ka BP间,与基于次生碳酸盐岩的年代框架没有冲突。本文结果为中国现代人类的早期出现和距今40—100ka BP间有人类活动提供了有力证据。