贵州七星洞石笋记录的最近2300年气候和环境变化

马 乐，蔡演军，秦世江

doi：10.7515/JEE201503001

贵州七星洞石笋记录的最近2300年气候和环境变化

马 乐1，2，蔡演军1，3，秦世江1

（1.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061；2.中国科学院大学，北京 100049；3.西安交通大学 全球环境变化研究院，西安 710054）

基于贵州都匀七星洞石笋（QX-3）8个230Th年代数据和414个δ18O数据建立了研究区过去2360年、分辨率约为5年的石笋氧同位素时间序列。七星洞石笋QX-3 δ18O记录与灰度记录高度相关，表明石笋灰度值的变化亦可作为重建古气候和古环境的一个替代指标。功率谱分析显示石笋QX-3 δ18O序列具有显著的24～20 a和12～10 a周期，与树轮Δ14C周期有很好对应，为太阳辐射驱动气候变化假说提供又一重要证据。亚洲季风区万象洞、黄爷洞、和尚洞、七星洞和董哥洞的δ18O年代序列曲线对比显示，在长时间尺度上各洞穴的δ18O记录均表现出较一致的气候环境变化特征；但在百年到数十年尺度上存在一定差异，这可能指示了区域降水对亚洲季风变化的响应差异。

七星洞；石笋；灰度；δ18O；气候变化

洞穴次生碳酸盐是陆地环境中一种重要的古气候信息库。经过近几十年来的研究，科学家们已认识到诸如洞穴石笋、流石、鹅管等洞穴次生碳酸盐沉积物同树轮、冰芯、珊瑚、黄土及湖泊沉积物一样，因其对环境变化的高敏感性，高分辨地记录了过去气候环境变化的信息，已成为古气候和古环境重建中重要的地质档案。在当代不平衡铀系测年技术快速发展的推动下，洞穴石笋的高精度和绝对年代时标，使得中国南部石笋记录逐渐成为全球古气候对比的标尺，对晚第四纪气候的时空变化研究有着极为重要的科学意义（程海等，2005）。亚洲季风区已有洞穴石笋研究表明，不同区域石笋碳酸盐δ18O值的变化，都具有显著的近2万年的岁差周期，并一致响应北半球高纬千年尺度的气候事件。然而在百年乃至更短时间尺度上，石笋碳酸盐δ18O值的变化则具有较为显著的区域差异。最近2000年不同区域高分辨率石笋δ18O记录的对比，有助于查明不同区域百年乃至十年尺度环境变化过程和特点，深刻认识区域环境对亚洲夏季风变化的响应特征和规律，进而为未来气候变化背景下的区域变化趋势估测提供机制的理解。本文基于贵州都匀七星洞石笋230Th定年结果和δ18O测试数据，建立了该地区2312 BP—-50 BP时段石笋δ18O的高分辨率时间序列，结合已有石笋δ18O记录，探讨过去2360年亚洲夏季风变化的特点和规律，分析不同区域石笋δ18O记录的异同点，特别是与邻近的贵州荔波董哥洞石笋δ18O曲线（Wang et al，2005）进行对比，讨论不同区域石笋氧同位素记录在百年至数十年尺度上差异的成因。另外，本文运用传统的矿物结构和构造分析，分析矿物结构构造对古气候、古环境变化的响应，指出了石笋碳酸盐矿物结构构造在古气候、古环境变化研究中的重要指示意义。

1 研究洞穴与石笋样品

本文所用石笋采自于贵州省都匀市凯口镇凯酉村七星洞（107°16′E，26°4′N，图1），洞穴围岩为二叠系泥晶灰岩，洞长约400 m，上覆灰岩厚约80～90 m。该洞穴位于亚洲季风系统作用的西南地区，同时受东亚夏季风与印度季风的控制和影响（蔡演军等，2001）。区域气候属于亚热带高原季风湿润气候，多年平均降雨量为1107 mm，年均气温为15.3℃（覃嘉铭等，2004）。本文所用的石笋样品采于2000年，编号为QX-3。采取时表面新鲜，仍有滴水。样品呈柱状，总长227 mm，直径约120 mm。将石笋沿生长轴切开并抛光，剖面为灰白色，质地较为致密，抛光面显示了明显的生长韵律层，且韵律层较平直，生长轴方向保持不变，适合开展高分辨率的古气候研究。

图1 七星洞地理位置示意图Fig.1 Geographical location map of Qixing Cave

2 实验方法和年代标尺

在石笋抛光面上沿着生长轴方向用0.5 mm牙钻取得8个测年样品，单个样品质量约为40～50 mg，样品在石笋中的位置见图2。采用人工刮磨的方法高分辨率获取石笋碳、氧同位素组成分析样品：首先沿着石笋生长轴的中心将石笋切成横截面为1 cm×1 cm长条，然后使用刻刀平行于生长纹层刮磨，每毫米刮磨24个样品，每隔10个样品选取一个进行碳、氧同位素组成分析。

图2 石笋QX-3年代模式（注：黑点表示测年点位置；蓝色竖线为误差）Fig.2 The age model of the stalagm ite QX-3

年代样品在西安交通大学全球环境变化研究院U-系年代学实验室测试完成，测试仪器为MC-ICP-MS Neptune，铀钍化学分离使用Edwards et al（1987）建立的化学流程，仪器测试使用Cheng et al（2013）建立的测试方法，年龄误差≤1％（2σ），测试结果见表1。氧同位素分析测试在中国科学院地球环境研究所稳定同位素实验室完成。在分析测试时每十个氧同位素样品测试一个标准，分析仪器为Finngan MAT 252质谱仪，使用已知同位素组成的高纯CO2气体为参考气，δ=（ Rsample/Rstd-1） ×1000，其中R =18O/16O，δ值相对于PDB标准给出，分析误差≤ ± 0.08‰。

本文对石笋QX-3样品进行灰度分析，具体步骤为：使用抛光机由粗至细将切开的剖面抛至光滑，用清水清洗以后自然干燥，然后使用扫描仪对抛光剖面进行灰度扫描；最后截取生长轴附近没有孔洞和裂纹区域的图像，提取其灰度值，得到其灰度矩阵，矩阵中的每一个数值对应图像上相应像元的灰度值，其值介于0～255，值越大表示反光越强，亮度越大（袁野，2011）。将矩阵每一行的数据进行平均，就得到石笋沿生长轴的灰度变化序列。

除此之外，本文还对石笋样品顶部约6 cm具有代表性的沉积层位进行矿物晶体结构和构造的分析。切取此处块状样品，在中国地质调查局西安地质调查中心磨制三块常规的岩石薄片后，使用中国科学院地球环境研究所洞穴实验室OLYMPUS BX-60荧光-偏光显微镜对矿物组成和结构进行镜下观察和分析（图3红色方框内指示制作石笋岩石薄片的位置）。

表1 七星洞石笋QX-3230Th测年结果Table 1 230Th dating results of stalagm ite QX-3 in Qixing Cave

3 结果与讨论

3.1 石笋QX-3灰度记录

石笋灰度是指样品在透光或直射光线照射下，样品的明暗程度。一般情况下，灰度值就是样品照片的灰阶值，在0～255变化。如图4所示，七星洞石笋QX-3抛光面显示了明显的生长韵律层，且韵律层较平直，生长轴方向基本保持不变。将抛光面扫描成灰度照片后，QX-3石笋的韵律层可大致分为两类：一种为颜色较深灰度值小的暗层，一种为颜色较浅灰度值大的亮层。由于是石笋样品扫描的灰度照片，暗色层对应的是反光性差（透光性好）的层位，而亮层对应的是反光性好（透光性差）的层位。

图3 石笋QX-3剖面图、年代采样点及岩石薄片位置Fig.3 The section，sampling sites and slides of sites stalagmite QX-3，Qixing Cave

如图5所示，石笋灰度变化与δ18O的变化表现出高度的一致性，暗色层中δ18O值偏负，而亮色层中δ18O值偏正。将灰度值与δ18O的深度序列平滑处理到相同的深度上，计算相关性系数（n=150，r=0.53，置信度为：99.9％），证明二者具有很高的相关性。在显微镜下透光观察石笋顶部2 cm灰度值变化最明显的岩石薄片（如图5所示，由于拍摄区域不如目镜下视域广，这里将连续拍摄的特征照片拼接在同一图片内进行观察分析），扫描照片中亮色层内分布有大量的微小空隙，并填充有透光较弱的杂质；而暗色层中则与之相反。这说明扫描照片中的亮色层是由于微小空隙和弱透光物质的存在，导致反光增强所致。

在透光情况下，石笋年层内暗色物质至少有三种来源，分别为洞穴滴水携带、洞穴滴水断流期间灰尘沉积和原地生长有机质（Lauritzen and Kihle，1996；李彬等，1997；秦小光等，1998；王先锋等，1999）。北京石花洞石笋的研究表明，透光年层灰度的变化主要是由于有机微粒分布密度的不同引起（秦小光等，2000）。刘启明等（2002）也认为影响石笋微层灰度的因素主要有：微层内部物质影响因素；气候与生态环境因素；水体下渗过程影响因素。由于QX-3样品中这种暗色物质的增多并不是年层内的季节性变化，因此可能指示其形成于滴水减少的时期，石笋生长过程中由于供水量不连续，洞穴空气中尘埃或有机质颗粒对方解石晶体生长产生干扰，造成该时期所形成方解石的孔隙度大并富含杂质。

图4 七星洞石笋岩石薄片镜下观察图（a.石笋样品QX-3的剖面；b.岩石薄片对应区的灰度照片；c.单偏光镜下岩石薄片照片；d.QX-3顶部2 cm灰度的深度曲线；e.QX-3顶部2 cm δ18O的深度曲线；f.正交偏光镜下岩石薄片照片）Fig.4 The m icroscopic observation f gure of stalagm ite slides of Qixing Cave

图5 七星洞QX-3灰度与氧同位素对比Fig.5 Comparison of QX-3 between gray scale and δ18O series

在正交偏光下观察岩石薄片，可见组成石笋QX-3的方解石晶体均呈{4041}和{1010}聚形，其长轴方向垂直于基质生长面，大部分晶粒0.5～3 mm，其中暗色层方解石晶体多呈{4041}聚形，方解石晶粒长宽比较大，而亮色层方解石晶体多呈{1010}聚形，长宽比较小，存在较多晶体缺陷。Frisia et al（2000）的研究表明，长宽比较大的方解石晶粒形成于供水量大、利于方解石持续生长的条件下，而长宽比较小、缺陷较多的微晶形成于滴水变化较大，限制晶体生长物质较多的环境下。这与灰度值的变化基本一致，指示了亮色层相对较为干旱，暗色层较为湿润的环境特征。

因此，石笋QX-3的灰度变化和晶体组构都反映了石笋生长过程中气候及环境的变化，并且与石笋碳酸盐δ18O的变化相一致。这也与杨勋林等（2012）发现石笋灰度和当地降水量以及温度在变化趋势上均呈正相关相类似，表明石笋灰度和矿物晶体的组构也可作为气候和环境变化研究的一个代用指标，可为氧同位素组成等气候代用指标提供佐证。

3.2 石笋QX-3氧同位素记录

中国南方石笋碳酸盐氧同位素组成的气候意义目前有多种不同的认识。Wang et al（2001）在解释葫芦洞石笋氧同位素组成记录时，认为其反映了与夏季风强弱变化相联系的冬夏季降水的比率；Yuan et al（2004）认为石笋δ18O主要反映了水汽由源区向内陆移动过程中，水汽冷凝比率的多寡，进而反映了夏季风强度的变化。Maher（2008）提出中国南方石笋δ18O反映了降水水汽源的同位素组成变化，主要反映影响水汽源同位素组成的印度季风的强弱变化，而非区域降水强度，也就是东亚夏季风强度的变化。Dayem et al（2010）和Pausata et al（2011）根据现代降水观测和模拟结果，也提出了水汽来源及其同位素组成对中国南方石笋δ18O的重要影响。Cai et al（2010）提出，影响石笋碳酸盐δ18O的因素有多种，不同时间尺度上影响δ18O值变化的主导因素不同，不同气候边界条件下，石笋碳酸盐δ18O值与气候要素值的关系也存在较大差异。虽然学界对亚洲季风区石笋碳酸盐δ18O所指示的气候意义还存在争议，但正如最近模拟研究（Liu et al，2014）所指出，在轨道和千年时间尺度上季风环流强弱应该是影响石笋氧同位素组成的主要因素，这也与亚洲季风区石笋18O值变化在轨道和千年时间尺度上的一致性相吻合。然而，在百年甚至更短时间尺度上，石笋碳酸盐δ18O的解译仍需谨慎（程海等，2005），不同环境单元的气候特点，特别是降水对季风变化的区域响应可能更为重要（Tan et al，2009）。蔡演军等（2001）认为七星洞石笋碳酸盐δ18O值自早全新世以来长期增加的趋势指示了亚洲夏季风的逐渐减弱，而晚全新世的大幅波动可能与源于不同降水云团对该地区降雨贡献的变化有关，也就是与东亚季风和西南季风对该地区的降水影响有关。

在十年乃至百年时间尺度上，虽然水汽来源的变化对降水的氧同位素组成有一定影响，但区域降水量的多寡可能是影响降水氧同位素组成的主要因素，这是因为亚洲季风区邻近区域的δ18O记录都在部分时段表现出不同的变化特征。这与具有一致的水汽源，也就是应该具有相同的变化特征相矛盾。为此，本文认为七星洞最近2360年石笋碳酸盐的δ18O值在百年至数十年尺度上的波动，主要指示了降雨量的变化。

七星洞石笋QX-3研究的2360年内共测试碳氧同位素414个，平均分辨率约5年。整个δ18O序列没有明显的变化趋势，δ18O值的变化范围为-8.1‰ ～ - 4.5‰，平均值为-6.3‰，波动幅度达到3.6‰。其中在公元80 —160年和650—800年两个阶段，石笋碳酸盐δ18O值显著增加，且自公元1500年以来，δ18O值在波动中持续增加，指示了这些时段研究洞穴区域降水减少和相对较为干旱的环境特征。

3.3 功率谱

本文采用REDFIT38功率谱分析软件对七星洞QX-3石笋的δ18O序列进行周期分析，在95％置信度水平下通过红噪声检验的周期有24 ～20 a和12～10 a（图6）。24 ～22 a和12 ～10 a周期成分与树轮Δ14C检测出来的周期一致，对应于太阳黑子活动的22 a和11 a周期（Kurths et al，1993），也与亚洲季风区其他高分辨率季风记录中（洪业汤等，1999；Fleitmann et al，2003；Dykoski et al，2005；Wang et al，2005；Cai et al，2012）检测出的太阳活动周期相一致，揭示了太阳黑子活动引起的辐照强度的变化可能通过季风气候系统的响应，影响了区域降水的变化，并记录在洞穴次生碳酸盐的氧同位素组成中。这也验证了由大气环流模型（GCM）得出的结论：太阳黑子活动微小变化就能导致地表气候系统发生变化（Haigh，1996；Shindell et al，1999）。然而，太阳活动引起的太阳辐照强度在全新世的最大变化幅度仅为其总强度的0.09％（Vieira et al，2011），因此很难使用太阳辐照强度的直接驱动来解释季风在这些周期上的变化（Cai et al，2012），气候系统内部的相互作用很可能放大太阳活动引起的辐照量的变化。目前，这些相互作用和放大机制并不清楚，还需要深入的研究。

图6 七星洞石笋QX-3氧同位素序列功率谱分析结果Fig.6 Power spectral analysis of the stalagmite QX-3 δ18O sequence from Qixing Cave

3.4 不同洞穴石笋δ18O年代序列曲线的对比

在全新世，亚洲季风区不同洞穴石笋的δ18O记录均表现出逐渐增加的趋势，与北半球夏季太阳辐射逐渐减少的趋势相同，且北半球高纬千年—数百年的冷事件在不同洞穴石笋δ18O序列中也都有表现，揭示了季风环流对太阳辐射和北半球温度变化的响应（Cai et al，2010）。然而最近2000年不同洞穴石笋δ18O记录（Wang et al，2005；Hu et al，2008；Zhang et al，2008；Tan et al，2011）的对比表明，不同区域石笋δ18O值的变化，既有较为一致的变化，也存在明显的区域差异（如图7，粗线条为原始序列的滑动平均曲线）。

例如，万象洞和黄爷洞两个洞穴均位于我国西北的甘肃武都县，相距不足30公里。两个洞穴最近1800 年石笋δ18O年代序列曲线在整体趋势上具有较好的一致性，尤其是在公元1000—2000 年时段内，变化细节都十分相似；但在公元600—900年时段内则具有明显差异：该时段内万象洞δ18O值变化特征为先增大后减小，而黄爷洞的δ18O值则是先减小后增大（图7a）。我国南方和尚洞和董哥洞石笋记录的δ18O值变化在整体上也具有很高的一致性。但在公元500—1000 年时段内也显示出一定的区域差异性：该时段内和尚洞石笋δ18O值变幅较大，显示增大—减小—增大—减小的变化特征，曲线呈“w”型；而该时段内董哥洞石笋δ18O值变化幅度则较为平缓，显示先减小后增大的平缓“n”型（图7b）。

董哥洞（108°5′E，25°17′N）地处贵州荔波县垌塘乡老场村东约3 km处（张美良，2001，2009），位于本文研究洞穴七星洞东南方120 公里。对比最近2300年石笋δ18O的时间序列，可以发现两个洞穴石笋δ18O值的变化趋势具有较好的一致性，但在公元600—900 年与公元1600—1900 年两个时段内具有明显的差异：即七星洞δ18O值在公元600—900 年有一个显著增加的变化，而董哥洞δ18O的变化仅有微弱的减少，没有明显的波动；在公元1600—1900年，七星洞δ18O值在波动中增加，而董哥洞δ18O则持续减少，表现为相反的变化趋势。除此之外，与董哥洞δ18O值1.5‰的变化幅度相比，七星洞石笋碳酸盐δ18O值的变化幅度显著增大，达到3.6‰。这一方面表明了七星洞洞穴系统对降水变化响应非常敏感，另一方面也可能暗示了与外界气候变化相联系的洞穴内环境变化对七星洞石笋碳酸盐δ18O值的影响。

尽管较大的年代误差可造成不同洞穴石笋δ18O在百年至数十年尺度上变化的差异，但上述5个洞穴石笋的测年误差都较小，因此，这些差异很难用年代测量误差来解释，应主要反映降水变化的区域差异。现代器测资料的分析表明，中国不同地区过去50 年降水量变化的趋势具有显著差异，如：中国北方和长江中下游地区的季风降水呈相反的变化趋势，中国西南地区的降水也与上述两个地区表现出不同的变化特点和趋势（Qian and Lin，2005；Ding et al，2008，2009）。本文研究的七星洞和已经报道的董哥洞虽相距不远，但却在最近2300年的部分时段，表现出不同的变化特征，这与早前发现的季风降水变化存在区域差异的认识一致（Tan et al，2009），可能指示了器测资料所揭示的降水分布模式，在历史时期存在一定的变化，且不同区域分布的范围以及区域降水变化趋势之间的关系也存在变化。

图7 亚洲季风区石笋δ18O记录对比Fig.7 Comparison of stalagmite δ18O records from the Asian monsoon region

4 结论

1）七星洞石笋QX-3的灰度变化主要反映了方解石晶体中孔隙和杂质的多寡，与石笋沉积环境的变化有关。δ18O序列与灰度序列的显著正相关，表明该洞穴石笋的灰度和氧同位素受控于相同的环境因子，石笋灰度值亦可作为一个替代指标对古气候和古环境进行重建，能够对其他代用指标进行佐证。

2）功率谱分析显示石笋QX-3的δ18O序列具有显著的24 ～20 a和12～10 a周期，与树轮Δ14C周期有很好对应，为太阳辐射驱动亚洲季风气候变化提供又一重要证据。

3）万象洞、黄爷洞、和尚洞、董哥洞和七星洞的δ18O年代序列曲线对比显示，邻近洞穴最近2000年δ18O记录均表现出较一致的长期变化趋势，且在百年至数十年尺度上的变化也大致相同，但在部分时段仍存在一定差异。即使洞穴所处地理位置相距不远（如万象洞与黄爷洞、七星洞与董哥洞），这种百年至数十年尺度上变化的差异仍然存在，表明季风气候影响下的降水分布模式，在历史时期存在一定的变化，不同区域分布的范围以及降水变化趋势的关系均存在变化，可能指示了降水对季风变化响应的区域差异。

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A high resolution paleoclimate record of the last 2300 years in stalagm ite QX-3 from the Qixing Cave，Guizhou Province

MA Le1，2，CAI Yan-jun1，3，QIN Shi-jiang1
（1.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China;
3.Institute of Global Environmental Change，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710054，China）

Based on 8 accurately dated230Th ages and 414 stable oxygen isotope compositions （δ18O） obtained from the stalagm ite QX-3 from Qixing Cave，Duyun City，Guizhou Province，a 5-year resolution oxygen isotope pro f le of the past 2300 years was established，which likely documented the precipitation changes at the cave site.Using the scanned image，the grayscale of the polished section of the stalagmite QX-3 was also attained.The grayscale pro f le of the stalagm ite was highly correlated w ith the δ18O series，indicating that the stalagm ites' grayscale could be used as a proxy index for paleoclimatic and paleoenvironmental reconstruction.The spectrum analysis of QX-3 δ18O sequence showed that the periods of 24～20 years and 12～10 years were signi f cant （above the 95％ con f dence level）.These periods corresponded well w ith that found in the tree-ring reconstructed Δ14C series，further con f rm ing the forcing of solar activity on the Asian monsoon climate.The comparison of QX-3 δ18O record and other speleothem δ18O records，i.e.，the records from Wanxiang Cave，Huangye Cave，Heshang Cave，and Dongge Cave，showed the general consistant characteristics of precipitation changes on the longterm.However，the differences on centennial to decadal time-scales were significant，implying the diverse responses of regional precipitation to the Asian monsoon changes on these time-scales.

Qixing Cave；stalagm ite；grayscale；δ18O；climate change

P532

A

1674-9901（2015）03-0135-10

2015-02-09

中国科学院重点部署项目（KZZD-EW-04-01）；国家自然科学基金项目（41271229）

蔡演军，E-mail：yanjun_cai@ieecas.cn