（自然地理学专业论文）重庆地区末次冰期以来石笋的微量元素及古气候记录研究.pdf

摘要 重庆地区末次冰期以来石笋的微量元素 及古气候记录研究 摘要 全球气候变化及其影响是当今科学研究的热点之一。2 0 世纪以来，全球气候 和环境正以前所未有的速度发生变化，一系列全球性重大环境问题己经对人类的 生存和发展构成严重威胁。科学地分析这些全球性环境问题的性质、形成的原因、 变化的规律，预测其发展趋势，评估其社会经济影响，提出合理的适应对策，是 2 1 世纪全球变化研究必须回答的问题。要提高对未来气候变化的预测能力，人类 必须充分认识和了解过去气候变化的历史，了解其变化的幅度、机制，作为制定 应对全球变化策略的基础，最终实现人与自然协调可持续发展。 高分辨率洞穴石笋记录研究已成为当前国际古气候研究领域中重要发展方向 之一。重庆地区地处东亚季风与西南季风系统交汇处，是探讨和研究西南季风演 化的良好场所；再加上岩溶面积约占整个地区的4 0 ，岩溶洞穴广泛发育，洞穴内 沉积物丰富多样，为当地的研究提供了良好的物质基础。洞穴石笋中蕴藏了丰富 的有可能记录古气候变化的物理和化学指标，由于时空差异性使得各种指标的解 译存在较大分歧，目前以碳氧稳定同位素指标的研究较为成熟，利用这一指标进 行重庆地区古气候重建工作已取得初步成果，在此基础上开展微量元素指标的研 究工作，识别其受气候环境变化控制的影响，进一步筛选气候变化的替代指标， 以便多种指标相互验证，为重建重庆地区的古气候和古环境提供新的思路。 本文研究的内容主要包括两个方面：洞穴滴水监测和石笋古气候记录。选取 重庆武隆芙蓉洞和丰都雪玉洞作为长期监测点，按周或月采集大气降水、土壤、 现代洞穴滴水、洞穴池水、洞顶泉水、基岩等，并同步测定洞温、水温建立起滴 水中的微量元素指标与当地降水和气温的关系。通过多次野外考察采样，主要选 取南川金佛山梁天湾洞、丰都水鸣洞以及奉节新崖洞的四根石笋作为研究对象， 用高精度的t i m s - - u 系测年、沉积学特征和多种气候替代指标重建重庆及周边地 区末次冰期及全新世以来气候变化的时标序列，捕捉环境变化的特殊事件，揭示 在这一时期该区气候一环境的变化规律。经初步研究得出以下几点结论： ( 1 ) 受地下水干扰作用小，主要由大气降水较快渗入洞内形成的滴水所携带 的地球化学信息能较好地响应外界气候条件变化，相应沉淀的洞穴次生沉积物才 两南大学博十学何论文 有可能记录准确的气候信息。雪玉洞滴水的元素变化就可以快速、准确地反映外 界降水变化，因此其洞穴沉积物保存的古气候信息准确率较高：而芙蓉洞滴水对 降水变化响应的时间较为滞后，并且多为当季雨水与古地下水的混合水，元素变 化较为复杂，反映外界气候变化的精确性明显不如雪玉洞滴水。 ( 2 ) 洞穴滴水的微量元素( b a 2 + 除外) 含量及比值都呈现出一定的季节性变化， 主要与两方面因素有关：1 ) 土壤淋漓和基岩溶蚀程度；2 ) 水岩作用时间长短。 这两种作用的结果是相互抵消的，但在不同的时段可能由其中一种因素作为主导 作用，仍可以推断出微量元素含量变化所透漏的气候信息。芙蓉洞和雪玉洞洞穴 沉积物的m g c a 比值应该可以直接反映滴水中m g c a l l 值的变化，从而可以直接用 于反映洞穴外界气候干湿条件的改变，即降水增多，岩溶水在母岩中滞留时间短， m c a 比值降低；反之则升高。 ( 3 ) 重庆地区石笋微量元素记录是可以作为反映气候环境变化的指标，m c a 比值为首选，与碳氧稳定同位素的对比研究发现，m 班a 比值变化与6 1 3 c 值的相关 性更好，暗示m c a 可能作为古降水变化的气候指标。与洞穴滴水的微量元素研究 结果也相符。然而，温度变化对m g 的分配系数影响，以及地表植被、土壤微生物 对母液中m 孑+ 浓度的改变等干扰因素也是不可忽略的，因此在利用m c a 比值恢复 古气候变化应结合碳氧同位素进行对比验证，以摒除错误的气候信息。 ( 4 ) 同一石笋不同元素比值之间的相关性可以反映控制元素比值的因素是否 相同。总体来看，石笋中m g c a 与b a c a 值的相关性很弱，可以认为分别受到降水 和土壤微生物作用的影响，而s f f c a l l 值却可以与两者同时保持一定的正相关关系， 表明其至少受到以上两种因素共同制约。综合而言，m c a l e 值作为气候干湿变化 的指标相对比较可靠，受外来干扰较小，而s r c a 和b 们a 值易受到植被、土壤微生 物活动及降水等多重因素影响，作为某一气候替代指标的稳定性较差。 ( 5 ) 当石笋中碳氧同位素出现同向变化时，微量元素变化( 尤其是m g c a 比, 值) 与6 1 8 0 、6 1 3 c 趋于一致，两者所反映的古气候信息也基本相符，如梁天湾洞石笋 l t l 4 、新崖洞石笋x y 6 ；当碳氧同位素出现反向变化或是不同步变化时，两者所 所反映的古气候信息差异较大，如水鸣洞石笋s m l 、新崖洞石笋x y 2 。是否只有在 “暖湿”“冷干”的水热组合模式条件下微量元素所记录的气候信息才是正确的? 还 需通过进一步研究工作来证实。 ( 6 ) 重庆地区石笋中m g s r 与m g c a 比值变化一致，主要受m 9 2 + 变化的影响， 可以作为古降水指标，而不能反映温度的变化。只有当石笋中的微量元素在岩溶 水中的含量或者比值，在所研究时段内不变或者变化很小时，m s r 变化才可能作 摘要 为古温度变化的代用指标。否则，就需要综合考虑影响微量元素含量或者比值变 化的各个因素，以确定其代表的真实环境信息。 ( 7 ) 重庆地区石笋m g c a l 匕值可以作为气候干湿指标。然而当地的水热条件变 化并不一定完全同步，在某些极端气候事件发生的降温过程中若未伴随降水条件 的改变，那_ _ , m g c a l , 值可能对极端气候事件的响应不太敏感。 关键词：岩溶洞穴石笋微量元素稳定同位素重庆 i i i a b s t r a c t t h es t u d yo nt r a c ee l e m e n to fs t a l a g m i t ea n d p a l e o c l i m a t er e c o n s t r u c t i o ni nc h o n g q i n gs i n c et h e l a s tg l a c i a lp e r i o d a b s t r a c t t h eg l o b a lc l i m a t ec h a n g ea n di t si m p a c ta r et h em a i nc o n c e r no fq u a t e r n a r y r e s e a r c h t h eg l o b a lc l i m a t ea n de n v i r o n m e n th a v ec h a n g e do fr a p i d l ys i n c et h e t w e n t i e t hc e n t u r y , a n das e r i e so fc r u c i a le n v i r o n m e n tp r o b l e m sh a v es e r i o u s l y e n d a n g e r dt oh u m a nl i v i n ga n dd e v e l o p m e n t s or e s o l v i n gi t sc h a r a c t e r s ，f o r m a t i o n ， c h a n g em e c h a n i s mo f t h e s ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m ss c i e n t i f i c a l l yi sa l lu r g e n ti s s u eo f t h ee n t i r ew o r l d ，i no r d e rt of o r e c a s tt h e i rd e v e l o p m e n tt r e n d ，e v a l u a t et h e i rs o c i a la n d e c o n o m i ci m p a c ea n dp u tf o r w a r ds o m er a t i o n a lc o u n t e r m e a s u r e t oi m p r o v et h e a b i l i t yo ff o r e c a s t i n gc i m a t ec h a n g ei nt h ef u t u r e ，w es h o u l dh a v eg o o dk n o w l e d g e o f t h eh i s t o r y , r a n g ea n dm e c h a n i s mo fp a s tg l o b a lc l i m a t ec h a n g ea saf o u n d a t i o no f e n a c t i n gs t r a t e g yt oa c c o m m o d a t et h eg l o b a lc h a n g e w ec a n r e c o n s t r u c tp a l e o c l i m a t e a n dp a l e o e n v i r o n m e n tc h a n g em o d eb ys t u d y i n gs p e l e o t h e mr e c o r d s ，w h i c h c a l l p r o v i d et h es c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o r s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tb e t w e e nh u m a na n d n a t u r ei nt h ek a r s tr e g i o n h i g hr e s o l u t i o nc a v es p e l e o t h e ms t u d yh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o n si ni n t e r n a t i o n a lp a l e o c l i m a t er e s e a r c hc u r r e n t l y c h o n g q i n gi s e x a c t l yl o c a t e di nt h ec r o s sa r e ao fe a s t a s i a nm o n s o o na n ds o u t h w e s tm o n s o o n s y s t e m ，w h i c hi sat y p i c a ls i t et od i s c u s sa n ds t u d yo fa s i a n m o n s o o n t h e r ea r el a r g e d i s t r i b u t i o no fc a r b o n a t er o c ka n da b u n d a n ts p e l e o t h e m si nc a v e so fc h o n g q i n ga r e a c a v es t a l a g m i t eh a sc o n t a i n e dp l e n t i f u lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o x i e st h a t h a v e p o s s i b i l i t yo fr e c o r d i n gc l i m a t ec h a n g e ，b u tt h ec l i m a t ee x p l a i n a t i o nb a s e do ne a c h p r o x ym a y h a v es o m ed i f f e r e n c eb e c a u s eo fs p a t i o t e m p o r a ld i v e r s i t y t h ec a r b o na n d o x y g e ns t a b l ei s o t o p e sh a v eb e e nc o n s i d e r e da sam o r em a t u r ep r o x yc u r r e n t l y , b y w h i c hp a l e o c l i m a t er e c o n s t r u c t i o nw o r ki nc h o n g q i n gh a sb e e no b t a i n e dp r i m a r y a c h i e v e m e n t s u b s e q u e n t l yw es t a r t e d t od e v e l o pt r a c ee l e m e n t sr e s e a r c ha n dt o r e c o g n i s ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha r ec o n t r o l l e db yc l i m a t ea n de n v i r o n m e n tc h a n g e s oa st oc h o o s es o m ef u n g i b l ec l i m a t ep r o x yo ft r a c ee l e m e n t i th a sv e r yi m p o r t a n t v s l g n i l i c a n c eo ft r a c ee l e m e n t sr e s e a r c hf o r v a l i d a t i n ge a c ho t h e ra m o n gm u l t i p r o x i e s i ta l s oc a l lp r o v i d ean e w w a y f o rr e c o n s t r u c t i n gp a l e o c l i m a t ea n d p l a e o e n v i r o i m l e n ti n c h o n g q i n g a e r aa n da l s os u p p l ya g a po ft r a c ee l e m e n tr e s e a r c hi nc h o n g q i n ga r e a 1 h em a i nc o n t e n t si no u rr e s e a r c hc a nb es e p a r a t e di n t o t w op a r t s ，i n c l u d i n 2 o b s e r v a t i o no fk a r s tc a v e d r i pw a t e ra n dp a l e o c l i m a t er e c o r d sa c h i e v e d肋m s t a l a g m i t e t h r o u g ht h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c hi np a p e r , w ec a l l g e tt h ef o i l o w i n g c o n c l u s i o n s ： ( 1 ) g e o c h e m i s t r yi n f o r m a t i o n h ef r o mc a v ed r i pw a t e rw h i c hh a s1 e s sd i s t u r b a n c e o fg r o u n d w a t e ra n di sm a i n l ym a d eo f p r e c i p i t a t i o ni n f i l t r a t i n gk a r s tc a v ec a l li e f l e c t c n m a t ec h a n g eo u t s i d ea n dc a v es p e l e o t h e m sf o r m e db yi t h a v em o r ep o s s i b i l i t yt o r e c o r de x a c tc l i m a t ei n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , e l e m e n t sc h a n g eo fd r i pw a t e r 舶m x u e y uc a v ec a nr e f l e c tr a i n f a l lc o n d i t i o nc h a n g eo u t s i d eq u i c k l ya n de x a c t l v w h i l e d r i pw a t e r sf r o mf u r o n gc a v el a g g e da n dm o s to fw h i c hw c r em i x e dw i t ho l d g r o u n d w a t e r t h ee l e m e n tc h a n g e sf r o mf u r o n gc a v ew a t e ra r em o r ec o m p l e x a n d r e f l e c tc l i m a t ec h a n g el e s se x a c t l yt h a nt h a tf r o m x u e y uc a v e ( 2 ) t h ec o n t e n ta n dr a t i oo ft r a c ee l e m e n t sf r o mc a v ed r i pw a t e rh a v ed e f i n i t e s e a s o n a lc h a n g e ti sm a i n l yr a l a t e dw i t ht w of a c t o r s ：( 1 ) t h ed e g r e eo fs o i le l u v i a t i o n a n dr o c ke r o d e ；( 2 ) t h eg r o u n d w a t e rr e s i d e n c et i m e t h ee f r e c t so ft w of a c t o r s a r e o p p o s l t e ，b u to n eo ft h e mm a yb e c o m eal e a d i n gf a c t o ra td i 脆r c n tt i m e a c o o r d i n g t h a tw ec a na l s od e d u c ec l i m a t ei n f o r m a t i o nf r o mt r a c ee l e m e n t s c h a n g e s p e l e o m e m s m g c ac o m p o s i t i o nf r o mf u r o n gc a v ea n dx u e y uc a v ea r er e l a t e dt o d r i pw a t e r m g c ac o m p o s i t i o n ，w h i c hc a nb eu s e dt or e f l e c tr a i n f a l lc o n d i t i o nc h a n g e ( 3 ) t h et r a c ee l e m e n tr e c o r d so fs t a l a g m i t ei nc h o n g q i n gc a nb eu s e d 嬲c l i m a t e a n de n v l r o f 1 i n e n tp r o x y m g c ar a t i om a yb et h eb e s to n e c o m p a r e d w i t hc a r b o na n d 0 x y g e ns t a b l ei s o t o p er e s e a r c h ，w ef i n dt h a tm g c ar a t i oh a sb e t t e rc o r r e l a t i o nw i t h c a r b o ns t a b l ei s o t o p e ，w h i c hi n d i c a t et h a ti tm a 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a saw h o l e ， m c ar a t i oh a sl o wr e l a t i v i t yw i t hb a c ar a t i o ，a n dw em a yc o n s i d e rt h a tt h e ya r e r e s p e c t i v e l yc o n t r o l l e db yr a i n f a l la n ds o i lm i c r o b e o nt h eo t h e rh a n d ，s r c ar a t i oc a n k e e pp o s i t i v er e l a t i v i t yw i t ht h ef o r m e rt w or a t i o s ，s oi t i n d i c a t e st h a ts t c ar a t i om a y b ec o n t r o l l e db yt h ef o r m e rt w of a c t o r s i naw o r d ，i ti sm o r ec r e d i b l et ou s em g c a r a t i oa sc l i m a t ep s y c h r o m e t e rw h i c hh a sl e s se x t e r n a li n f l u e n c ea n di ti sq u e s t i o n a b l e t ou s es r c aa n db a c ar a t i o sa so n ec l i m a t ep r o x yb e c a u s et h e ya r es e n s i t i v et om a n y f a c t o r sj u s tl i k ev e g e t a t i o n ，s o i lm i c r o b ea c t i v i t y ( 5 ) w h e nt h eo x y g e ni s o t o p ec h a n g ei si nc o n s i s t e n tw i t hc a r b o ni s o t o p e ，t r a c e e l e m e n tc h a n g e ( m g c ar a t i o ) a r ea l s ot h es a m ea ss t a b l ei s t o p e sa n dp a l e o c l i m a t e i n f o r m a t i o nr e c o r d e db yt h e ma r ei na c c o r d a n c e r e v e r s e l y , t r a c ee l e m e n ta n ds t a b l e i s o t o p er e c o r dm a yh a v ed i f f e r e n tp a l e o c l i m a t ei n f o r m a t i o n w ew o n d e rt h a tw h e t h e r c l i m a t ei n f o r m a t i o no ft r a c ee l e m e n tr e c o r di st r u eo n l yi nt h ec o n d i t i o no ft y p i c a l m o n s o o nc l i m a t em o d e l ? w es t i l lh a v em o r ee v i d e n c et oc o n f i r mi t ( 6 ) m s rr a t i oc h a n g e i si na c c o r dw i t hm g c ao fs t a l a g m i t er e c o r di n c h o n g q i n g ，w h i c hm a i n l ya f f e c t e db ym 9 2 + c o n t e n tc h a n g ea n di tc a nb eu s e da sa n p r o x y o fp a s tr a i n f a l ln o tt e m p e r a t u r e o n l yw h e nt h eo r i g i n a lt r a c ee l e m e n tc o n t e n to r r a t i oi nk a r s tw a t e rh a sn oo rl i t t l e c h a n g e c a n m g s r r a t i ob eu s e da s p a l e o t e m p e r a t u r ep r o x y o t h e r w i s ew es h o u l dc o n s i d e rf u l l yv a r i o u sf a c t o r sw h i c h h a v ea l le f f e c to nt r a c ee l e m e n tc h a n g ei no r d e rt om a k es u r et h a tt h e s ec l i m a t e i n f o r m a t i o nr e c o r d so f 仃a c ee l e m e n ta r et r u e ( 7 ) t h em g c ar a t i oo fs t a l a g m i t er e c o r di nc h o n g q i n gc a nb eu s e da sap r o x y o f p a s tr a i n f a l l h o w e v e rt h ep r e c i p i t a t i o na n dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sn o ta l w a y sh a v e i s o c h r o n o u sc h a n g e i fs o m ee x t r e m ec l i m a t ee v e n th a p p e n e di nf a l l i n gt e m p e r a t u r e b u tw i t ho nr a i n f a l lc h a n g e ，a n di ti s p o s s i b l et h a tt h em g c ar a t i om a yh a v en o s e n s i t i v et ot h e s ee v e n t s k e yw o r d s ：k a r s tc a v e ；s t a l a g m i t e ；t r a c ee l e m e n t ；s t a b l ei s o t o p e ；c h o n g q i n g i 独创性声明 学位论文题目：重鏖地区塞达鲨塑丛塞歪笸鲍邀量丞盍区直氢堡迢 丞盈盔 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中己加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：龙漾 签字日期： 凇呷年尹月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：瑾i r 氟 导师签名： 签字日期：矽芬( f 年牛月矽日签字日期：d c 彳年牛月矽日 第一章综述 第一章综述 1 1 古气候研究概述 现代全球气候变化是当今人类社会关注的焦点问题之一，事关人类的生存与 发展。工业社会以来，特别是2 0 世纪以来，全球气候整体明显变暖。全球大气 c 0 2 浓度持续上升、海平面上升、各种自然灾害层出不穷。人类社会从来没 有像今天这样，关心自己对自然环境的影响，关注全球气候未来的变化及其对人 类社会的可能影响。现代全球气候变化到底是受人类控制，还是受自然因素本身 的影响? 或者两者兼而有之，但有各自占多大比例? 虽然各种模型计算了在不同 c 0 2 排放标准下未来几十年全球的气候变化形式；但是人们始终关心一个问题： 过去的全球气候是如何变化的，受哪些因素影响，变化的幅度、模式，全球各地 区气候的联系又是如何? 由于历史器测资料仅延续了两三百年，科学家们迫切需要从各种地质记录中 找寻长时间的古气候记录。古气候记录需要解决两个关键问题：一个是指标的选 择，即所选取的气候代用指标应该有明确的气候环境意义，能说明当地的气候变 化：另一个是年代的精确测定，只有获得“绝对年代，降低测年误差，才能真 正了解气候的变化历史，并能对这些记录进行全球对比。由此，从2 0 世纪开始， 随着大洋钻探技术的进步以及仪器分析技术的发展，人们从深海沉积( l a m yfe t a l ，2 0 0 7 ：b a r r o nj a e ta l ，2 0 0 4 ；汪品先等，2 0 0 3 ) 、极地冰芯( l o w ejj ，2 0 0 8 ； n g r i pm e m b e r s ，2 0 0 4 ；王宁练等，2 0 0 3 ) 、黄土( z h o uwje ta l ，2 0 0 1 ；何勇， 2 0 0 4 ) 、湖泊沉积( j u y a le ta l ，2 0 0 9 ；g a r c i ny e ta l ，2 0 0 7 ：c h e nfhe ta l ，2 0 0 8 ； n ) 、树轮( s c h a u bm ，2 0 0 8 ；邵雪梅，2 0 0 4 ) 等地质载体中通过对一系列地球化 学指标、物理化学指标以及生物化学指标的分析，建立了不同时间段、不同时间 分辨率的全球或区域气候变化记录。例如利用深海沉积物底栖有孔虫的同位素指 标，建立了长时间的全球环境演化序列( 如s p e c m a p ) ：利用南极v o s t o c k 以及格 陵兰冰芯记录，高分辨率的建立了近6 0 万年以来的极地气候变化历史；利用中国 黄土的磁化率和粒度指标，建立了更新世以来亚洲季风演化的完整序列。而各地 区的湖泊、树轮、珊瑚等的记录则提供了高达季节分辨率的高分辨率记录。 不同的地质载体采用不同的测年方法：例如对新冰芯的数年层方法，对较老 冰芯则采取冰流动模型的方法计算年龄，误差较大；对黄土和深海沉积物则通过 古地磁测年；对珊瑚采用u 系绝对年龄测试等。不同的方法导致不同的年代精度 和误差范围，但是获得高精度“绝对年代”一直是古气候研究的追求。 两南大学博十学何论文 1 2 石笋古气候记录研究的优势 虽然早在2 0 世纪4 0 年代即有人对洞穴次生沉积物进行地球化学指标的分 析，但是真正利用洞穴次生沉积物进行古气候研究始于2 0 世纪8 0 年代。特别是 2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，一些学者利用对美国d e v i l 洞穴方解石石脉的氧 碳稳定同位素分析及t i m s u 系年代测试等进行了5 0 万年以来的古气候和古植被 的重建工作，连续在n a t u r e 和s c i e n c e 等重要刊物上发表数篇文章，引起重大反 响。自此之后，利用洞穴石笋进行古气候重建研究在全球各地蓬勃开展。 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：1 ) 精 确年代的确定。虽然石笋测年最初采用热电离质谱( t 蹦s ) 方法，后来采用电感 耦合等离子质谱( i c p m s ) 的方法( 又可分为单接收杯s f i c p m s 和多接收杯 m c i c p m s ) ，利用的始终是u 系测年的原理。绝对年代的获取是石笋作为古气 候研究载体的最突出优势。2 ) 代用指标的丰富。洞穴石笋由洞穴滴水脱气形成， 岩溶水由洞外流入洞中，在一系列过程中记录了洞穴外部环境的变化信息，并且 传递到洞穴石笋中。常用的石笋古气候替代指标有氧碳稳定同位素、微量元素、 元素比值、微层厚度、灰度、微层发光、生长速率、分子化石等。3 1 形成后受干 扰小。洞穴石笋形成后即处于封闭环境中，受外界干扰小，能很好的保存最初的 信息。4 ) 记录连续。虽然石笋也会有沉积间断等，造成一根石笋记录的缺失。但 是同一洞穴往往有许多的石笋，可以通过相互衔接，建立连续的古气候记录。5 ) 分布广泛、获取方便。极地冰川仅分布在高纬度地区，山地冰川分布在极高山的 寒冷环境中，同深海沉积一样，要获取冰芯或深海沉积物，需要动用大型的机械 设备，花费大量的人力物力和时间。洞穴石笋则分布广泛，获取方便。从挪威靠 近北极圈的地区一直到赤道地区均有分布。而且采集洞穴石笋非常方便，一人即 可。6 ) 前期处理简单，储存方便。石笋除了对微层的分析要求对样品进行一些较 精细的处理外，其他指标的获得对样品处理非常简单，切开后简单的抛光即可。 而且与冰芯需要保存在冷库中不同，石笋样品可以在室温下长期保存。7 ) 分辨率 高，记录的时间长。现代分析技术已经可以从石笋中提取旬际分辨率的环境记录。 虽然树轮和珊瑚的分辨率也可以达到季节，但是两者的记录时段有限。而石笋即 使受现代u 系测年范围的限制，仍可记录近6 0 万年以来的古气候记录，远远超 出树轮的可记录范围。8 ) 样品分析的需要量少，分析精度高。石笋稳定同位素的 分析需要的石笋粉末量已经可以少到只需1 0 5 0 肛g ，6 1 8 0 和6 1 3 c 的分析精度可以 达n o 1 o 的误差，这为获得高分辨率的记录创造了条件；而根据不同的u 浓度 以及分析技术，最少的石笋测年样品量仅需要约2 0 m g ，年龄误差可以控制在 0 3 l 以内。 2 第一章综述 1 3 研究现状 在我国广大的西南岩溶地区，由于缺乏类似北方黄土、湖泊沉积等地质记录， 洞穴石笋在该地区古气候和古亚洲季风演化历史的研究中是一种不可多得的陆地 古环境信息源。石笋古气候研究的现状及发展主要涉及到以下两个方面：1 ) 石笋 的定年技术；2 ) 多种替代指标的气候和环境指示意义。 1 3 1 石笋定年技术的研究进展 利用石笋记录进行古气候重建的首要条件就是有效时标的建立。早在上世纪 6 0 年代，b r o e c k e r 等( b r o e c k e r ，1 9 6 0 ) 为了证明石笋沉积纹层是年轮，首次用 1 3 记数1 4 c 法测定了洞穴碳酸钙的年代，但是受到测年精度及测定范围的限制， 以后发展了a m s ( a e c e l e r a t o rm a s ss p e c t r o m e t r y ) 1 4 c 法，使测年范围可扩展到 5 0 7 0 k a ，但结果可能受新或老碳的影响( 王兆荣，1 9 9 9 ) ，不平衡铀系方法始终 是洞穴碳酸钙年代测定中更为有效的方法。铀系法比1 4 c 法在测年跨度上要高1 个数量级( 谭明等，1 9 9 6 ) 。q 谱仪计数法2 3 0 t h 定年技术于上世纪6 0 到7 0 年代 广泛应用于各个领域，包括洞穴碳酸沉积物的定年。洞穴学家d e r e kf o r d 与地质 学家h e n r ys c h w a r c z 在加拿大麦克马斯特大学建立了第一个对洞穴碳酸钙同时进 行铀系年代测定和稳定同位素分析的实验室( 王兆荣，1 9 9 9 ) 。t h o m p s o n ( t h o m p s o np ，1 9 7 3 ) 在该实验室将2 3 0 t l 护3 4 u 方法从珊瑚礁年代测定发展到洞 穴碳酸钙年代测定。由于q 谱仪计数法存在取样量大( 约2 0 5 0 9 ) ，误差大( 误 差范围1 0 左右) 等难以克服的缺陷，难以满足现代高分辨率、高精度的研究需 要，直到8 0 年代e d w a r d s 等研究出的t i m s ( t h e r m a li o n i z a t i o nm a s ss p e c t r o m e t r y ) 铀系法定年使得所需样品和时间大大减少，且精度提高1 2 个数量级。t i m s - z 3 0 t h 方法解决了5 0 万年以来珊瑚、石笋、湖泊文石、年轻火山岩等样品的精确定年问 题，是第四纪年代学方面的革命性突破。随着质谱技术的发展，i c p m s 作为新 一代的测年技术比t i m s 方法具有更省时，样品用量更少和精度更高等优势，而 且有进行微区测年的前景，现在国外已出现i c p m s 2 3 0 t h 测年方法逐步替代t i m s 技术的趋势( 程海，2 0 0 2 ) 。l a m c i c p m s 技术是国际上近年来才开始研究的 新方向，国内这个领域的研究也较少，该技术以直径为1 0 - 3 0 微米的激光束剥蚀 样品离子化后进入质谱仪，可探测更精细的地质记录，促进了石笋原位微区测年 技术的突破，为将来建立更精确的石笋时标作出贡献( 杨琰，2 0 0 6 ) 。 我国从上世纪7 0 年代也开展b 记数1 4 c 法和q 谱仪计数法2 3 0 t h 法，9 0 年代 开始引入a m s _ 1 4 c 法，并对t i m s _ 2 3 0 1 1 1 测年技术做了大量探索性研究，但由于种 种原因国内t i m s 定年不能满足洞穴碳酸钙沉积物古环境研究者的要求，需要与 3 两南大学博十学何论文 国外铀系实验室合作。而m c i c p m s 和s c i c p m s 法定年技术研究在国内处于 刚起步阶段，国内石笋的精确时标建立还得主要依靠国外实验室完成，因此我国 尽快建立自己的高精度铀系年代学实验室对中国石笋古气候重建的研究工作具有 重大意义。 1 3 2 石笋气候环境指标意义的研究现状 目前对石笋的研究主要集中在利用各种环境代替指标来重建古气候并提取高 精度的古环境和古气候信息方面。虽然国内外学者对各种指标意义进行了大量的 研究并取得了一些成果，但时空差异性使得对各种指标的解译仍存在较大分歧， 而且在实