洞穴石笋代用指标的古气候意义初探

熊 波

(西南大学地理科学学院，重庆 400715)

洞穴石笋代用指标的古气候意义初探

熊 波

(西南大学地理科学学院，重庆 400715)

现代全球气候变化是当前人类社会普遍关注的一个热门问题。全球气候变化研究的热点问题是获得十年到百年甚至年月分辨的气候变化规律。洞穴石笋作为恢复古气候、研究古环境演变的一把钥匙，因其诸多优点，将在古环境研究中发挥越来越重要的作用。从当前研究现状出发，对石笋中微层年层对比、微层形成机制、稳定同位素记录、微量元素记录、生长速率及微层发光等方面进行一个简单的回顾。

石笋;古气候;微层;稳定同位素

0 引言

在当前全球变暖背景下，人类社会对全球气候变化问题越来越关注。全球气候变化也成为现代人类社会的一个热门话题。人们迫切需要知道过去的全球气候是如何变化的，未来将会如何变化?而当前人们对全球变化研究更关心的问题是获得十年到百年甚至年月分辨的气候变化规律。但是，历史器测资料仅有几百年历史，科学家们迫切需要能记录长时间的古气候记录的地质载体。而在各种环境信息载体中，岩溶石笋因其分布广泛、可记录时间范围较宽、敏感地记录了区域甚至全球环境的变迁、可以提供时间分辨率从年到十年的高精度环境信息，将在全球变化研究中发挥重要作用。G M Henderson(2006)在《Science》上就撰文写道:过去20年是冰岩心研究辉煌时期，今后20年将进入洞穴石笋研究的盛期!

1 岩溶石笋古气候研究的优势

目前，极地冰心、珊瑚、树轮、湖泊纹泥和洞穴石笋都可以提供高分辨率的古气候信息，然而，冰心、珊瑚的发育受地域条件限制，树木生长受生命周期限制，湖泊纹泥又可能受到自然、生物活动的扰动。因此洞穴石笋以其自身的优势受到普遍重视。石笋是古气候信息的有效载体。

石笋能成为古气候研究的最重要地质载体之一，主要原因有以下几点(王建力等，2009)。(1)分布比较广泛。全球陆地岩溶面积约为2 200万km2，我国有300余万km2，按碳酸盐岩出露面积计算，也有90余万km2。而在岩溶发育的地方就有可能有岩溶石笋的分布。事实上，从滨海到内陆、从热带到寒带均能较容易地找到石笋。(2)可确定高精度的时标。石笋中的U/Th比值一般都较大，U含量一般可以达到0.05μg/g以上，适合于铀系定年。而TIMS-铀系技术的使用，更提高了石笋的年代测试精度和分辨率。(3)时间跨度较大。在岩溶发育区的溶洞中，一般可以找到各个时段的石笋，从现代到数十万年。(4)记录比较连续完整。单个石笋本身就可连续记录很长时间尺度的古环境信息，而多个石笋的拼接可获得数十万年来比较连续的古环境信息。(5)外界干扰因素小。适用于古环境信息研究用的石笋一般处于封闭的溶洞体系中，风化侵蚀等外动力地质作用一般不会发生或者可以忽略，因而石笋可完整地记录古环境信息。(6)代用指标丰富。现今在石笋中用于古环境信息研究的代用指标已经很多，如生长率、微层厚度、灰度、稳定同位素、微量元素、荧光强度、结晶学岩石学特征，等等，表明石笋的生长机制对环境的变化非常敏感，可以用于古环境信息研究。此外，还可以利用多指标对比是否一致来判定古环境信息记录的准确性。(7)可对比性强。多个同时代石笋的对比，不仅可以消除不确定因素造成的古环境信息失真，还可以弥补个别石笋因沉积间断所造成的古环境信息缺失。石笋同其他环境信息载体进行古环境信息的对比将丰富过去全球变化研究的内容，而不同地区相同时段石笋的相互比较在过去全球变化研究中更具有新的意义。(8)采样成本较低。和珊瑚、湖泊沉积物、冰心等相比较，石笋的采样成本相对较低。

2 石笋中各代用指标研究状况

2.1 石笋微层

石笋微层是由于气候年季旋回和相应的土壤地球化学旋回，造成了滴水化学行为的规律性变化，从而造成的碳酸盐沉积不连续边界。国内洞穴石笋微层的研究开始于刘东生院士。后续学者的研究方向主要侧重于探讨微层灰度特征、物质组成、微量元素组分以及纹层环境机理等方面，同时，通过研究也获得了对全新世京津地区气候演化的初步认识。就我国而言，一般南方石笋中微层发育较差，而北方石笋微层发育较好。关于石笋微层的形成机制，一般认为生长层内的明暗条纹变化是季节性变化造成的，具体因素包括土壤有机质含量、降水量，等等。在考虑石笋微层形成机制时必须重点考虑以下3个方面的问题(张兆峰等，2001):(1)形成石笋微层物质的来源。(2)微层形成的可连续性。(3)已成微层的可保存性。石笋微层物质的来源，直接关系到明暗条带的形成，一年中雨季的长短和温度的变化幅度是很重要的一面，但是还必须考虑滴水途径的变迁。上覆土壤的厚薄也会直接影响滴水到达基岩时CO2以及各种矿物质的饱和度。滴水在基岩到鹅管这一段距离运移的时间同样也有类似作用。石笋微层形成的可连续性和可保存性主要应考虑连续年间的微层形成和消融。长期干旱可能造成微层记录的中断，长期多雨可能造成原先记录的消失。

2.2 石笋中稳定同位素记录

石笋古气候研究中利用最广泛的稳定同位素是氧碳稳定同位素。一般认为，石笋中氧同位素最重要的来源是当地大气降水，滴水的δ18O值代表了当地大气降水的重量加权年平均同位素值。这一平均值是受年平均气温、年降雨量以及降水气团的δ18O值所决定的。降水气团在迁移过程中雨水凝聚时所产生的同位素分馏作用受大气温度和降水速率的影响(李红春等，1996)。因而石笋的氧同位素记录可以揭示出过去年平均温度以及大气降水的变化过程。但是应该注意的是，用石笋中的氧同位素组成变化来推断古环境需谨慎，在将岩溶石笋的δ18O值作为代用指标进行古环境重建时，必须综合考虑多方面的因素。

岩溶洞穴一般属于较封闭的体系，洞穴深部往往温度稳定，并与该地区的地表年平均温度一致。因此，在一定的时间尺度内，由于温度变化引起的氧同位素的变化是很小的。但实际情况中我国众多洞穴内石笋的氧同位素变化是很明显的，显然在我国季风区石笋主要是受到降水因素所致。值得注意的是，在非季风影响的高纬度地区，石笋氧稳定同位素主要受温度控制。

李红春等(1997)详细讨论了中国石笋中氧同位素的影响因素及其气候意义。雨水的δ18O值受降雨量和降水气团的δ18O值影响。降雨量越大，δ18O越负(越小)，称之为降水量效应。降水气团的δ18O则与气团的来源密切相关。一种是近距离内陆地表水的蒸发而来，另一种来源是海洋蒸发的水气经远距离迁移而来。后者是夏季风的直接反映。降水气团在迁移过程会不断地冷凝降雨，产生多次水－气之间的同位素分镏。在气－液分镏时，18O偏向于液相。因此，分镏的结果使得残留气团的δ18O变负。这也就是为什么雨水δ18O值的分布会有纬度效应和高程效应的原因之一。就我国北方地区而言，夏季风强盛时，降雨量增加，带来的海洋性气流增强，雨水的δ18O值变负。由此看来，石笋的δ18O值的变化反映当地年降雨量受夏季风影响的变化。δ18O值越轻(越负)，指示年降雨量增加，海洋性气流增强，为夏季风强盛时期，气候湿润，反之，则表明夏季风减弱，气候干旱。这一理论不仅适宜于中国北方地区，同样使用于中国南方地区。桂林地区和重庆地区的实际观测数据已经表明，中国南方地区夏季降水量远大于冬季降水量，可占到全年降水量的70% ～80%;而且夏季降水中的δ18O值显著偏轻于冬季降水。因此，夏季降水量的多少及其所占全年降水量的相对比例，决定了该地区年均降水中的δ18O值。又因为季风影响区的夏季降水受季风强度所决定，因此从理论上证实了石笋δ18O值反映季风强度的变化。

国内对石笋中氧同位素的研究较多。袁道先(1995)在对桂林盘龙洞一高1.2m的石笋作氧同位素分析中，发现在10 830a左右氧同位素比率突然下降了0.3%PDB，认为是新仙女木事件。李红春等(1999)用自动切样装置获取了分辨率为3年的北京石花洞石笋氧同位素变化曲线，得到京津地区500年来的气候变化信息，认为氧同位素长时间尺度上的变化反映气温变化，而短时间尺度上的变化主要反映降水量变化。汪永进等(2000，2001)对南京汤山洞穴一根长约40余cm的石笋进行了氧碳同位素分析，在TIMS-铀系年龄的基础上，建立了末次冰期中晚期中国东部高分辨率的古气候变化时间序列，不仅检出东亚夏季风降水史中的Heinrich事件，而且首次发现了末次冰期东亚夏季风活动区气候变化同样存在着DO旋回，与极地GRIP冰心记录有良好的对比关系。

而碳同位素方面的研究可反映土壤植被类型的变化。石笋碳同位素组成受控于土壤和大气CO2碳同位素组成，而C3、C4植物的比例影响土壤碳同位素组成。C3植物的13C值在－25‰左右，以木本植物为主;C4植物的13C值在－12‰左右，以草本植物为主。两者差异比较明显。一般情况下，C4植物相对增加，表示气候干旱，反之湿润。由于C3、C4植物的生长环境差异，这样就为认识古环境提供可能。

石笋稳定同位素研究的复杂性主要是由于碳氧均为质量数较小的元素，在自然界中可以产生较大的分馏作用。所以，了解稳定同位素在自然界不同环境下的分馏机制可能对解释其气候指标意义有帮助。

2.3 石笋中微量元素记录

尽管微量元素地球化学的研究早在20世纪初期便已开展，但相对于其他环境信息而言，岩溶石笋微量元素的研究还不够深入，有些机理问题尚有待进一步探索认识。直到20世纪末，对石笋微量元素分析采用的常规方法还是通过钻取石笋粉末，然后溶于酸，配置成溶液，利用原子吸收光谱(AAS)或电感耦合原子发射光谱(ICP-AES)进行分析测试。进入21世纪后，分析方法和手段主要改进为利用激光剥蚀技术进行原样固体微区分析，大大减少了样品的需要量并提高了分析测试的分辨率。现在，激光剥蚀－电感耦合等离子体质谱技术(LA－ICP-MS)也越来越广泛地应用于石笋微量元素的分析测试。石笋微量元素的研究主要有2个研究方向:一是元素含量和比值的研究，例如 Mg/Ca，Sr/Ca，Mg/Sr，Ba/Ca，U/Ca，Si等(王昕亚等，2007)。二是元素同位素的研究，如87Sr/86Sr等。

李彬等(2000)通过对中国南方的石笋分析，总结出以下认识:假设岩溶水径流途径不变，且土层和基岩中的微量元素相对稳定，那么，(1)洞穴次生化学沉积物中的Mg/Sr比值可以用来作为古气温的替代指标，即温度升高，比值增加。(2)Mg/Ca比值的变化不仅取决于温度(温度升高，Mg/Ca比值增加)，同时也取决于岩溶水在母岩中的滞留时间。而根据中国南方岩溶水的特征，岩溶水的滞留时间与降水量的大小有关，当降水丰富时，水的渗流加快，滞留时间较短，则Mg/Ca比较小;而降水减少时，岩溶水流动减慢，滞留时间相对增加，则Mg/Ca比值增大。

石笋微量元素研究的另一个重点是锶同位素比值(87Sr/86Sr)记录(张兆峰等，2001)。在1998年，Coede等利用二元混合模式讨论了锶同位素比值变化对应的古环境变化。设原地碳酸盐岩的锶同位素比值为一确定的端员，另一端员为异地来源的锶的同位素比值，发现1/Sr(Sr为混合浓度，即石笋中的锶含量)与87Sr/86Sr之间存在相关系数为0.930的线性相关关系。在此基础上认为，干冷不利于碳酸盐岩溶蚀，Sr主要来自外源;而暖湿有利于原岩溶蚀，Sr主要来自基岩。87Sr/86Sr比值作为古气候变化代用指标的成功运用意义深远，因为其二元混合模式的另一个单元可能是降水来源或者降水量变化的直接反映，这点相对于微量元素含量或者比值来说有很大的优越性。

总之，从石笋中提取元素指标并非难事，关键的问题是了解这些元素及其比值所代表的气候环境意义、其控制因素如何?只有将沉积机理弄清楚，才能给予这些代用指标合理的解释，最终实现多指标的高分辨率记录重建。因此，对石笋沉积机理及其元素迁移进行深入的实验研究是今后的重要方向。

2.4 石笋生长速率

石笋是可溶性碳酸盐岩的产物。石笋受外界气候环境变化或洞穴内滴水路径变化等因素的影响，会在某些时期造成沉积间断。但是，如果能判断石笋是连续生长，那么石笋的生长速率也可以作为气候的代用指标(邵晓华等，2003)。

因为石笋的生长(即碳酸盐的沉淀)最终决定于滴水以及滴水下落后的饱和程度。当滴水相对于CaCO3(或MgCO3)达到过饱和时，则发生沉积作用，石笋生长。而影响石笋生长率的因素很多，主要有:碳酸盐岩的可溶解性、降水量、温度、土壤CO2浓度、地区水文地质条件，等等。

目前，石笋生长率方面的研究报道很多，主要认为石笋年层中方解石沉积厚度与年降水量有很好的相关性。石笋生长率的研究常常和石笋微层研究相关联。对有微层的石笋来讲，可以在确定年龄的基础上，通过对微层厚度的度量来获得生长率变化的信息。对于没有微层或者微层不够清晰的石笋，则可以用TIMS-铀系技术或者其他高精度的测年技术定出不同部位的年龄，估算不同年龄阶段的生长率。对有微层的石笋样品还可以用这两种方法相互验证。

2.5 石笋微层发光

洞穴石笋生长的源泉是洞穴滴水，而洞穴滴水来自洞外的大气降水，经过表层土壤后进入洞穴。当地大气降水与土壤经历了复杂的生物地球化学过程，最终形成洞穴滴水。因此洞穴滴水必定保留了来自土壤的信息，土壤有机物由此也可保存在石笋当中。

早在20世纪中叶就有人指出，洞穴碳酸盐中存在有机质，它们是一种激活剂，受紫外线照射后能变成发光体。后来证明，洞穴碳酸钙条纹的颜色其实就是其中存在的粘土和有机质。研究表明:洞穴次生化学沉积物的发光波长与土壤腐殖质化的速率和程度有关，而土壤腐殖质化的速率则受控于气候因素。

石笋中的有机酸源自洞穴滴水所带来的上覆土壤层的有机质组分。地表植被的变迁、土壤层成分对外界的响应以及受大气降水补充的洞穴滴水的动态变化等气候环境信息，理论上都可以通过石笋中有机质的荧光特征得到反映(贾蓉芬等，2007)。

3 结语

综上所述，洞穴石笋作为一种环境信息载体在过去全球变化研究中起着极重要的作用。随着分析

技术的进一步提高，岩溶石笋的高精度的定年特点以及多指标的获取的优点将更加体现出来，也必将以它为基础建立起全球气候变化的高分辨率记录。同时，洞穴石笋不仅可以建立全球各地区的气候变化序列，还可以据此与冰心等其他地质材料获取的气候记录进行对比。可以说，这对于全球气候的相互对比，探讨全球各地区气候系统的联系机制等具有重大的科学意义。因而如何深刻理解各项代用指标的真实意义，通过对比全球突发事件的演化规律，并建立起可与其他代用指标相关联的石笋古环境研究格局，准确地重建古气候并预测未来气候变化趋势，是未来岩溶石笋研究的重点。有理由相信，岩溶石笋的诸多优点，必将在以后的古环境研究中发挥越来越重要的作用。

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Discussions on cave stalagmite as substituting index of paleoclimate significance

XIONG Bo

(School of Geographical Sciences，Southwest University，Chongqing 400715，China)

Modern global climate change became a hot issue of universal concern.A hot issue of global change research was to obtain one hundred year or even decades to obtain and distinguish the rules on climate change.As a key to restore the ancient climate，study the evolution of ancient environment，the cave stalagmite was characteristic of many advantages，and would play an increasingly important role in the study of paleoenvironment.In lights of current research situation，the authors reviewed the micro-layer contrast on laminated layer of stalagmite，the formation mechanism of micro-level，stable isotope record，trace element record，the growth rate and other aspects of micro-layer light-emitting.

Stalagmite;Paleoclimate;Micro-layer;Stable isotope

P467

A

1674－3636(2011)01－0033－05

10.3969/j.issn.1674-3636.2011.01.33

2010－12－09;编辑:陆李萍

熊波(1988—)，男，硕士研究生，主要从事岩溶学与环境变化方向研究，E-mail:cqzk123@163.com