贵州荔波第四纪晚近期石笋地质年表与气候事件

南方岩溶区大型石笋年代地层学研究表明石笋是第四纪 (系 )研究的主要对象之一 ,石笋比其他第四纪沉积物更易高精度定年。贵州荔波地区以 6 8个TIMS U系正序平行测年 ,建立了第四纪晚近期 16 2 .3ka以来的地质年表 ,确定全新世与晚更新世以 9.36 3ka分界 ,而晚更新世与中更新世以12 8.5ka分界 ,提出距今 35 0年、2 30 0年……和新仙女木、类Heinrich等一系列冷事件的跃变年代 ,事件的冷暖转 (突 )变时限具区域对比意义。认定应以大型石笋系统测年建立第四纪地质年表 ,不宜用少数测年值按 2～ 3个沉积速率推算建年表 ,亦不宜以小型石笋“系统”测年建年表 ,以免因间断沉积造成自然的、人为的缺层和漏测 ,使年表失实。

MC-ICP-MS测定铀系定年标样的^230Th年龄

本研究利用Neptune Plus型多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)测定了U和Th标准溶液的同位素比值及U系定年标样的^(230)Th年龄。结果显示:CRM 112A和Harwell Uraninite-1(HU-1)的234 U/238 U原子比值分别为(52.860±0.042)×10^(-6)(δ234 U=(-38.36±0.77)‰,n=17)和(54.911±0.007)×10-6(δ234 U=(-1.04±0.13)‰,n=27),实验数据在2σ不确定范围内与国际同类实验室一致;NBS Th标准,0.6pg ^(230)Th测试精度优于3‰;5个碳酸盐标准样品76001、GBW04412、RKM-6、RKM-5和RKM-4的230 Th年龄分别为(47 520±220)y、(86 880±340)y、(130 830±550)y、(129 380±480)y和(197 970±1 590)y,与美国明尼苏达大学、西安交通大学同类实验室测定的数据具有良好的重复性。上述数据表明,本实验建立的MC-ICP-MS法230 Th定年技术可应用于中晚更新世以来碳酸盐的U-Th定年与示踪研究。

南京三台溶洞地貌形成与长江古水面关系初探

据洞穴分布位置与形态分析,南京幕府山临长江一侧水平发育的三大溶洞(头台洞、二台洞和三台洞)及附近不同高程洞穴均为短浅的袋状脚洞,系由长江侧蚀山壁而形成,不具排水功能。同时于山壁发现大量不同于基岩的钙板-角砾混杂堆积,由此推测长江在南京幕府山一段活动历史久远,相应有不同时代的洞穴发育:老一代洞穴是具有排水功能的地下管道,但已经崩塌并为大量钙板充填;而崩塌角砾和钙板组成的混杂岩在一些地貌部位构成了新一代洞穴的围岩。对钙板做铀系定年确认,已消亡洞穴的年代至少老于40～50万年;高位脚洞很可能也老于这个年代,而低位脚洞经长江水流长期侵蚀改造直至最近历史时期。

末次冰期贵州七星洞石笋高分辨率气候记录与Heinrich事件

通过对贵州都匀七星洞Q4、Q6石笋进行高精度的TIMS U系测年和氧同位素分析 ,建立了末次冰期 6 0 .5kaBP以来都匀凯酉地区高分辨率的古气候变化时间序列。通过与格陵兰GISP2冰心的δ18O曲线对比分析 ,初步揭示并探讨了末次冰期以来反映的短时间尺度气候快速变化的D O旋回事件 1～ 18和Heinrich事件H1～H5在黔南七星洞中的石笋记录 ,并对冷事件发生的年代给出了界定。研究表明 ,黔南 6 0 .5kaBP以来石笋记录冷暖事件所反映出的古季风环流变化 ,明显受北大西洋气候振荡的影响 ,显示与北极地区存在着古气候的遥相关。石笋δ18O记录表明 ,在 6 0 .5～ 11.2 9kaBP间的末次冰期 ,δ18O值由负偏逐渐向正偏方向变化 ,反映东亚夏季风由强变弱 ,降雨由多变少 ,气温由高变低的变化趋势。

陕南石笋稳定同位素记录中的古气候和古季风信息

采自陕西省柞水县的石笋给出了过去 750a来的高分辨率气候记录以及全新世和80～ 330ka之间的低分辨率的气候变化。定年方法使用了石笋生长纹层计数法、2 10 Pb法和TIMS2 30 Th法。分析了石笋中δ18O和δ13C的气候含义 ,认为当δ18O和δ13C值变重时 ,指示干热的气候组合 ,当δ18O和δ13C值同时变轻时 ,指示湿冷的气候组合。在长时间尺度δ18O值的变化以反映温度变化为主 ,δ13C值的变化反映湿度变化为主。当δ18O变轻 ,而δ13C变重时 ,指示干冷气候。这时期的夏季风很弱而冬季风很强 ,相反 ,当δ18O变重 ,而δ13C变轻时 ,指示湿热气候 ,表明夏季风很强 ,冬季风很弱。过去 750a的记录中分为 :公元 12 50～ 152 0年的温暖中世纪 (MedievalWarmPeriod) ,公元 152 0～ 182 0年的湿冷小冰期 (LittleIceAge)和公元 182 0年以来的温热期。全新世的气候在 4 0 0 0a左右有一显著的变化。在此时之前的温度低于全新世的平均气温 ,而在此之后的温度高于全新世的平均气温。全新世气候记录可细分为 18个不同的时期。

桂林响水洞6.00 ka B P以来石笋高分辨率的气候记录

通过对桂林响水洞的石笋进行高精度的TIMS U系测年和C、O同位素分析 ,建立了中全新世 6 .0 0kaBP以来桂林地区高分辨率的古气候变化时间序列。石笋剖面的C、O同位素记录揭示 ,桂林地区中全新世 (6 .0 0kaBP)以来的季风气候变化 ,大致可分为 2个气候期 :6 .0 0～ 3.5 7kaBP为气候适宜期 ,显示东亚夏季风由强盛逐渐变为减弱的趋势 ,为气候温暖湿润期 ;3.5 7～ 0 .37kaBP为降温期 ,显示东亚夏季风减弱 ,冬季风增强以及气候的大幅度波动。在这一降温期 ,间夹多次短暂的温暖期。石笋同位素记录的研究结果表明 ,在 6 .0 0～ 0 .37kaBP间的中全新世———气候适宜期 ,δ18O值由偏负逐渐向偏正的变化趋势 ,反映东亚夏季风由强变弱 ,降雨由多变少 ,气温由高变低的变化趋势。

再论洞穴石笋的沉积速率

通过对滇、黔、湘、桂洞穴石笋大型剖面的综合研究,以代表性剖面和典型时(笋)段系统测年和沉积速率研究为例,初步认为,石笋沉积速率大小是气候演变、暖气候、冷气候的识别指标之一,沉积速率为10mm/100a 以上是冰后(间冰)期温暖气候的沉积,趋于10 mm/100a或以下者,是温暖期气候的冷转变,或冷期(阶)的沉积; 1mm/100a左右是冰期寒冷气候的沉积,趋于1 mm/100a或以上者是冰期寒冷气候的暖转变或间冰期的沉积;沉积速率极小,往往是冷气候显示,甚至是沉积间断,或是气候和地质、灾害事件的突变点。沉积速率具多变性,引用和识别时应避免以单一速率推算长时(笋)段年序和确定气候或地质事件的年代,不宜跨旋回计速,以避免遗漏沉积间断和气候、地质、灾害事件。石笋沉积间断很普遍,特别是寒冷的冰期气候间断更频繁,观测和测年表明,沉积间断时间累计占成笋期的28.92%-76.26%,全新世温暖气候的沉积间断时间累计,只占成笋期的13.80%以上。

定量重建气候历史的石笋年层方法

用放射性同位素定年方法结合微层计数了解石笋微层的计时特性 ;确定年层的显微图像标志 ;提出矫正石笋层厚时间序列中所包含的沉积趋势的方法 ;建立符合统计要求的层厚量测规则。将石笋年层厚度序列与当地仪器记录的气候要素时间序列进行对比 ,作信号波形分析和统计相关分析 ,找出石笋层厚能够敏感反映的气候要素。如果石笋年层记录的气候信号远强于噪音水平 ,则可利用层厚时间序列重建所敏感反映的气候要素变化历史。利用所建立的方法 ,对北京石花洞石笋进行了实例分析。

重庆地区石笋沉积速率与古气候意义初探

选取了重庆南川市梁天湾洞、丰都县水鸣洞相对沉积较快的两根石笋,通过TIMS-U测年数据进行平均生长速率计算,再结合其氧、碳稳定同位素数据进行分析,发现重庆地区末次冰期晚期以来石笋沉积速率与沉积特征、稳定同位素存在一定联系:氧同位素偏轻,降水较多,石笋沉积颜色较浅,沉积速率较快;反之亦反。但石笋生长速率最快的时期并非总是氧同位素最偏轻、气候最为湿润的时期,可能因为除了温度、降水、植被的影响外,还受到其它因素的干扰,如洞穴岩层滴水管道条件的变化等。因此,石笋生长速率与稳定同位素的关系极为复杂,不能简单地一一对应,且以石笋生长速率作为古气候研究的替代指标还需谨慎。

黔南七星洞石笋古气候变化记录及末次间冰期终止点的确定

当前在全球气候变化预测研究中 ,洞穴石笋的高分辨定年和碳、氧同位素组成的变化规律研究 ,为这个领域的突破和填补空白做出了巨大贡献。通过对贵州都匀七星洞 1号石笋进行 11件TIMS U系测年和 79件碳、氧同位素分析 ,获得了距今 10 9.0 0kaB .P .至 6 5 .90kaB .P .的高分辨率古气候记录。石笋在大于 10 9.0 0kaB .P .前开始生长 ,于 6 5 .90kaB .P .后停止生长 ,平均沉积速率为 4 .5 8mm/ 10 0a,属晚更新世的沉积产物。七星洞 1号石笋剖面的研究揭示 ,其年龄和δ18O同位素的变化 ,可以与深海岩芯氧同位素记录所揭示的第五阶段中的 5a、5b、5c和第四阶段的早期进行对比。它的碳、氧同位素记录揭示 ,在 10 9.0～ 10 2 .5kaB .P .和 86 .6～ 78.92kaB .P .时段 ,显示受东亚夏季风影响较强 ,气温升高 ,降水增多 ,δ18O偏负 ,表现为温暖湿润的气候环境。在 10 2 .5～ 86 .6kaB .P .时段 ,显示受东亚夏季风影响强度减弱 ,受东亚冬季风影响强度增加 ,气温降低 ,大气降水减少 ,δ18O稍趋向偏正 ,表现为冷凉半湿润—温凉湿润的气候环境 ;而在 78.92～ 6 5 .6kaB .P .时段 ,显示东亚冬季风强盛和受西北风影响较强 ,海表温度下降 ,大气温度降低 ,降水量较少 ,δ18O偏重 ,δ13 C偏正 (C4植物占 95 % ) 。

贵州荔波地区2000年来石笋高分辨率的气候记录

通过对荔波董哥洞石笋进行高精度的ICP-MS或TIMS-U系测年和碳、氧同位素分析，建立了荔波地区2 300a B.P.来高分辨率的古气候变化的时间序列。研究结果表明，贵州荔波地区2 300a B.P.以来石笋记录的季风气候变化，大致可分为8个气候（亚）期：①2300～1 800a B.P.为降温期，显示东亚夏季风减弱，东亚冬季风增强，气候干旱寒冷；②1 800～1 080a B.P.气温有所回升，显示东亚冬季风缓慢减弱，东亚夏季风有所回升，表现为半湿润的温凉气候期；③1 080～680a B.P.为降温期，气温再次下降，显示东亚冬季风再次增强，但降水相对增大，表现为寒冷湿润的气候期，是气候变化的关键转折时期；④680～550a B.P.温暖期，显示东亚夏季风再次增强，气温升高，降水增大，表现为温暖湿润的气候期。⑤550～400a B.P.寒冷期，显示东亚冬季风快速增强，气温下降，表现为寒冷湿润的气候环境，是近1 000年以来最冷的时期；⑥400～364a B.P.温凉期，显示东亚夏季风有所增强，气温有所回升，表现为温凉湿润气候环境；⑦364～324a B.P.冷凉期，显示东亚夏季风有所减弱，气温有所下降，表现为冷凉湿润气候环境；⑧324a B.P.至今，气候相对波动期，同位素记录曲线呈锯齿状波动，在其内包括若干个冷凉半湿润、冷湿的气候变化亚阶段。根据荔波董哥洞石笋的高分辨率的古气候变化的连续记录，揭示了荔波地区2 300a B.P.以来的一些百年尺度的重大气候事件——干旱寒冷期、隋唐温暖期（或小温暖期）、小寒冷期以及一些十年尺度的降水、温度变化。石笋记录的这种百年、十年尺度的突发性气候变化事件，与冰芯记录极为相似，反映低纬度地区石笋记录的季风气候与高纬度及北极地区的气候具有极好的相关性，这对于认识现代气候系统变化以及对未来十年一百年尺度的气候预测和演化的驱动机制，具有重要的科学意义。

贵州荔波1200年来石笋高分辨率的古气候环境记录

通过笔者对荔波龙泉洞L2石笋进行高精度的ICP-MS-230Th测年和碳、氧同位素分析,建立了荔波地区1200aBP来高分辨率的古气候变化的时间序列。研究结果表明,荔波地区1200aBP以来石笋记录的季风气候经历了1200～1100aBP(暖)、1100～940aBP(冷)、940～840aBP(暖)、840～700aBP(冷)、700～450aBP(暖)、450～300aBP(冷)、300～200aBP(暖)以及200～70aBP(冷)等8个阶段百年尺度的干湿、冷暖波动,并在这些百年尺度的波动上又叠加了一系列数十年尺度的气候变化。石笋记录揭示了1200a以来东亚季风气候的不稳定性,呈百年尺度(Gleissberg)的周期性变化。这些气候变化事件,与冰芯记录极为相似,反映低纬度地区百年尺度石笋记录的季风气候变化与高纬度及北极地区的气候变化具有极好的相关性,反映百年尺度石笋记录的季风降水主要受太阳辐射驱动、控制,而东亚季风的降水事件(或干旱事件)与太阳的辐射强度密切相关。石笋记录的百年尺度季风降水事件对于认识现代气候系统变化以及对未来十年—百年尺度的气候预测和演化的驱动机制,具有重要的科学意义。

桂林地区水南洞14～25万年石笋的碳氧同位素记录和古气候重建

通过对桂林水南洞石笋进行高精度的热电离质谱 (TIMS -U)测年和碳氧同位素分析 ,建立了桂林地区 2 4 5 2 0kaB P 至 14 7 90kaB P 间的古气候变化时间序列 ,确定了石笋记录的时段B与时段C分界的年龄为 2 4 2 5± 6 4kaB P (相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段 7与时段 8分界的年龄 )、时段A与时段B分界的年龄为 192 6± 3 9kaB P (相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段 6与时段 7分界的年龄 )。桂林地区2 4 5 2 0～ 14 7 90kaB P 石笋记录的冷暖事件所反映出的古气候变化 ,大致可分为 3个气候变化阶段 :(1) 2 4 5 2～ 2 4 2 6kaB P ,相当于深海岩芯氧同位素标准曲线阶段 8的末期 ;(2 ) 2 4 2 5～ 192 6kaB P ,相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段 7;(3) 192 6～ 14 7 9kaB P 间的倒数第 2次冰期 ,相当于深海岩芯氧同位素标准曲线时段 6的早中期。石笋的TIMS -U测年和碳氧同位素记录揭示 ,桂林地区 2 4 5 2～ 14 7 9kaB P 的古气候演变历史与深海岩芯时段 8末期、时段 7和时段 6的氧同位素 ,深海岩芯中记录的孢子花粉组合、CaCO3 含量、海平面的升降变化以及与中国北方黄土、古土壤中记录的孢子花粉组合、成壤程度、全铁富集程度、磁化率变化、原生碎屑CaCO3 含量和淋溶强度等所揭示的古气候?

洞穴石笋初始^234U/^238U值变化的古气候记录意义

通过对我国西南地区3个洞穴9根大型石笋272个初始234U/238U数据的分析研究,发现石笋初始234U/238U值长尺度变化与海洋沉积SPECMAP曲线δ18O记录有一定的正相关关系,与北纬25°夏季太阳辐射能量变化曲线呈一定的负相关关系,石笋初始234U/238U值的变化在冰期时波动强烈,而在间冰期波动相对平缓,在间冰期和冰期(间冰阶和冰阶)转化阶段该值呈跳跃状态变化。末次冰期及全新世阶段石笋初始234U/238U变化记录了该时段内的BA暖期和YD突变冷事件;全新世8200 a BP、7200 a BP、5200 a BP、4200 a BP、2800 a BP、1400 a BP发生的几次较强冷事件在石笋初始234U/238U值都有相应记录,并且和长尺度的变化规律一致,冷事件发生时石笋初始234U/238U值偏重,暖期偏轻。封闭系统形成的洞穴石笋初始234U/238U变化类似于同地区洞穴石笋的δ18O对气候变化的记录特征,在我国西南地区两者与夏季风变化的强弱呈现一种负相关的关系,洞穴石笋初始234U/238U值可以作为一个有用的古气候替代指标来研究古降水的变化。

洞穴石笋沉积特征研究——以贵州荔波董歌洞4号石笋为例

在综合研究南方 2 0多个大型石笋纵剖面的基础上 ,以董歌洞 4号石笋为代表 ,论述石笋沉积特征与气候演化的对应性。 4号石笋从距今 14 7.838± 2 .6ka开始沉积以来 ,形成了 5 3个沉积纹 (壳 )层组 ,组成 2 4个亚旋回 ,构成 9个旋回 ,呈现韵律式旋回性沉积特征。石笋纹 (壳 )层组分、结构、叠复构造呈多级次旋回性很突出 ,其中沉积间断具普遍性、沉积速率具多变性 ,间断和速率变化级次亦明显。以系统测试和测年引证沉积特征的同时揭示 :①～⑨旋回间沉积间断时间累积达 75 .80 4ka ,占石笋形成时间的 5 1.2 1% ,①～⑨旋回实际沉积时间仅 72 .2 2 2ka ,占形成时间的 4 8.79% ;④旋回之前 ,沉积速率很小 ,最小仅 0 .36mm/ 10 0a ,比最大速率小 2 2～ 2 4倍 ,自⑤旋回起 ,沉积速率很大 ,最大达 39.0 3mm/ 10 0a ,是最小速率的 3.8倍。石笋沉积特征与气候环境演化的成生关系表明 ,石笋沉积多旋回性的纹 (壳 )层组、亚旋回、旋回与气候演化的气候期、阶段和旋回彼此对应 ,石笋沉积的多级次旋回及其变化就是气候演化的级次及旋回性转 (跃 )变时间 ,彼此同时显示。论证了石笋沉积的多旋回性与气候演化的不稳定性 ,及其彼此协调的宏观、微观综合表现特征。

高分辨率石笋记录的三峡库区小冰期气候变化

基于重庆水鸣洞石笋（NSM03）7个^230Th年代数据和438个δ^18O数据建立三峡库区1250～1750A．D．时段分辨率约为1a的δ^18O记录。分析显示石笋δ^18O值在1280A．D．开始迅速偏重，在1300A．D．附近偏到近500a来最重，显示季风迅速减弱，库区进入小冰期。石笋记录显示小冰期存在明显的年代际尺度干湿波动，特别是在1400～1650A．D．时段石笋δ^18O值高频振荡，显示季风降水处于频繁波动期。功率谱分析显示石笋δ^18O序列具有显著树轮△14^C周期和ENSO准周期，揭示太阳活动是小冰期主要驱动因素，同时受到海气耦合作用影响。

铁橄榄石高温高压流变性的实验研究

通过高温高压实验研究了铁橄榄石集合体的流变性。首先,利用高精度的Paterson气体介质变形装置对铁橄榄石集合体Fe_2SiO_4进行了高温三轴压缩蠕变试验。变形试验条件为:温度1273～1423K,围压300MPa,差应力10～250MPa,应变率10^(-7)～10^(-4)s^(-1),试件的最大变形量不超过20%。利用三维非线性拟合方法对蠕变试验数据进行分析,得到铁橄榄石集合体的微观变形机制为扩散域和位错域,扩散域的应力指数为1左右。位错蠕变域中,干燥铁橄榄石集合体的应力指数为5.4,活化能为781kJ/mol;含水铁橄榄石集合体的应力指数为3.4,活化能为516kJ/mol。实验结果表明,含水时铁橄榄石的流变强度比干燥时小一个数量级。将实验结果与铁橄榄石单晶的强度进行对比,发现铁橄榄石集合体的流变强度比铁橄榄石单晶的强度高。从而得到了铁橄榄石集合体高温高压流变性(强度)的初步试验结果。

洞穴石笋沉积旋回主要特征的古气候环境研究

通过对我国南方大型石笋组分、结构构造的观测和董哥洞10号（D10）石笋210件碳、氧同位素组成、20个U系测年数据,以及部分微（痕）量元素的分析对比,概述了石笋沉积旋回性特征、旋回界面类型和相关的气候、环境、地质意义。以组成D10石笋的碳酸盐含碳质、黏土矿物,呈黑灰、灰黄、灰白、灰等色泽匹配、纹层厚及组合、层面呈拱形或平直分别组合或转变、构造类型、碳氧同位素组成及其组合,呈协调平行、不协调同向、不协调反向变化三类型若干亚类等,旋回性特征,确定了19个沉积旋回。根据δ^13C平均值为-3.91‰PDB、δ18O为-6.97‰PDB分别为冷暖气候演变的临界（阀）值,δ^13C或δ^18O〉临界值者的偏重是冷,〈临界值的偏轻是热。以δ^13C、δ^18O组成（表1）和组合变化类型和上述旋回性特征,结合层面构造呈渐变过渡或突变,以及20个同位素年龄数据,初步认定荔波地区352 930-99 410年间沉积的19旋回,是一个较完整的冰期气候演化过程,属我国第四纪冰期系列的第五冰期,10旋回顶180 695年（推算）-15旋回顶129 890年,约5万多年是连续严寒的盛冰期,①、16分别可能是冰期早、晚时段相对温暖的间冰期。 期间冷暖变化有5万年级的、10万年级的气候旋回。论证了荔波地区35～10万年间是冰期气候环境，前期17万年寒冷的气候环境，期间35万年、25万年前后更严寒，但生态基本保持正常演变的面貌，中期5万多年为极寒冷的气候环境，生态向适应冷气候环境演化，晚期3万多年为冷暖频繁突（跃）变的恶劣气候，期间生态面貌复杂，正常演替与残存、突变演替并存。