（第四纪地质学专业论文）重庆地区末次冰期的石笋记录及环境演变.pdf

重庆地区末次冰期的石笋记录及环境演变 学科专业：第四纪地质学 指导教师：王建力教授 研究方向：地貌与第四纪环境变迁 研究生：王丽( 2 0 0 2 4 4 3 ) 中文摘要 洞穴次生碳酸盐堆积是保存过去气候变化和环境变迁的良好载体，随着测 年技术的发展，尤其是高精度热电离质谱t i m s u 系测年技术的迅速发展，利用 洞穴沉积物进行古气候恢复的研究已经取得了较为满意的成果。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的重要发展方向之一。处于西 南季风和东亚季风双重影响下的重庆地区岩溶发育，广泛分布着岩溶洞穴堆积 物，又处于长江中游和我国地貌的二、三级阶梯转折处，是探讨和研究西南季 风演化的良好场所，也是全球变化研究的敏感区，同时该地区古气候研究比较 薄弱。开展对该地区的石笋古气候记录研究对发挥我国地域优势、认识西南季 风和东亚季风的关系和空间格局是十分有益的。 对采自重庆金佛山粱天弯洞一根长2 9 0 m m 的石笋进行了t i m s u 系测年和 碳氧同位素分析，重建了末次冰期中晚期( 3 2 1 5 k ab p ) 重庆及周边地区的高 分辨率吉气候变化序列，相当于深海氧同位素2 阶段到3 阶段后期。讨论了末 次冰期晚期以来东亚季风和西南季风对该地区气候的影响。根据石笋剖面的沉 积旋回和氧同位素曲线将该研究时段分为如下四个阶段： 3 1 9 9 3 i 4 4 k ab , p 期间稳定的温暖干旱期：位于石笋剖瑟的o 一3 0 跚处。 碳氧同位素的变化趋势致，都是先变重后变轻。61 8 0 平均值为一8 8 6 6 0 ，6 1 3 c 平均值为一2 9 5 5 ，与整个阶段的石笋同位素平均值相比，6m o 偏负1 4 5 6 ，而6n c 偏正1 1 4 5 o ，处于v 2 8 2 3 8 深海岩芯氧同位索3 阶段的后期，显 示西南季风和东亚夏季风在这一时期相对较强，为温暖偏干旱的环境，西南季 风降水对该区降水的贡献较大，但由于研究区位于云贵高原的岩溶区，生态系 统脆弱a 因此，该区植被易受气候波动影响，植被以c 4 为主。该阶段逐渐向氧 同位素2 阶段过度。从湿度指标61 3 c 来看，洞穴湿度处于整个阶段的最低值， 在这一时期，洞穴湿度与温度变化呈相反演化趋势，其主要原因可能是由于温 度升高导致地表雨水蒸发量增大，从而降低了进入洞穴的渗水量。 3 1 4 4 1 8 2 9 k ab p 期间冷干的气候配置：位于石笋剖面的3 0 1 3 0 姗。 气候首先迅速变冷，经历了从冷干到暖湿的变化。61 8 0 平均值为一7 3 8 2 ，6 ”c 平均值为一3 9 3 2 o ，与整个阶段的石笋同位素平均值相比均偏正，表明在 这一时期，西南季风较弱，东巫季风控制该区的气候变化。该阶段气温较低， 降水减少，为凉干的气候环境。进一步研究同位素曲线的变化特征，该时期气 候可以划分为以下几个气候亚期：a 、3 1 4 4 3 0 2 4 k ab p 期间的突变降温期；b 、 3 0 。2 4 - 2 3 6 8k ab 。p 。期间波动的千凉期；c 、2 3 6 8 1 8 2 9 k ab p 期闻的凉偏冷 的半湿润阶段。 1 8 2 9 - 1 6 9 6 k ab p 的气候突变期：位于石笋剖面的1 3 0 2 4 0 m m 段。6 1 8 0 平均值为7 7 0 1 o ，51 3 c 值为5 0 7 o ，与整个阶段石笋的6 ”0 、61 3 c 平 均值相比均偏负，显示气候环境为暖湿，是2 3 6 8 1 8 2 9 k ab p 阶段的延续，其 暖湿程度比上个阶段更明显。与第一个阶段即3 1 9 9 3 1 4 4 k ab p 的温暖干旱期 ( 61 8 0 平均值为一8 8 6 6 0 ，6 ”c 平均值为2 9 5 5 o ) 相比，其湿润程度要大 的多，但温度却比较低。短短的1 3 0 0 年，石笋生长了1 1 0 m m ，6 ”o 由一8 3 6 7 迅速变为一6 4 2 6 o 。61 8 0 值偏重近2 ，而61 3 c 值则由- 6 4 8 0 o 变为一1 8 3 2 ，短期内气温变化不可能引起洞穴化学沉积物6 ”0 值有如此大的波动，该变 化主要是由降水类型的变化引起的，是夏季风降水发生了变化，西南季风和东 亚夏季风在这一时期都很强盛，这是一个季风气候盛行期，温度和降水都持续 增多，地表植被较好，该时期的气候演化可以分为两个时段来讨论。 1 6 9 6 1 5 0 2 k ab p 为气候强干冷期：位于石笋剖面2 4 0 - 2 9 0 m m 层段， 是整个阶段的最冷期，61 8 0 平均值为一5 7 5 4 o ，6 。3 c 平均值为一3 3 3 1 o ，与整 个研究时段的稳定同位素平均值和现代碳酸钙的6 ”o 、6b c 相比均偏正，而 且差值很大，81 8 0 偏重近2 ，6 ”c 偏重近1 ，表明该时期气候一环境比平 均气候水平差，温度很低，植被以草本为主。这一降温期是以一个升温期为开 端的，接着是一个连续降温的过程。总体上继承了上个阶段的温度和降水持续 走低的趋势。西南季风和东亚季风在这一时期都持续衰退，这是一个季风气候 衰退期，温度和降永都持续减少，地表植被持续恶化。 总的气候变化趋势，自3 2 k ab p 至1 5 k ab p ，8 博o 值由偏轻逐渐向偏重 方向变化反映东亚夏季风和西南季风由强变弱，降雨由多变少，气温由高变 低，同时变化幅度也由小到大。根据氧同位素变化曲线，结合区域对比，可以 将h 事件定为：h 1 事件为1 5 7 9 3 k ab p ，h 2 事件为2 4 8 6 3k ab p 左右，h 3 事件为3 0 2 4 4 k ab p 。根据氧同位素曲线可以将本区深海氧同位素m i s 2 3 的分 界点定为2 8 4 5 1 k ab p 。 选择南京葫芦洞和贵州七星洞的石笋进行区域对比，选择g i s p 2 进行全球 对比，揭示了h 事件发生的同步性，得出：大西洋环流的终止和产生，可以通 过大气内部的动力过程，影响到亚洲季风控制区：东亚季风气候的百年至千年 尺度的气候演变，与北大西洋及格陵兰高纬度地区的气候变化具有非常协调的 对应关系，也和米兰柯维奇轨道参数旋回( 1 0 5 年，4 x 1 o | 年及2 1 0 4 年) 一样， 与全球气候变化具有非常协调的响应关系。可能东亚夏季风百年一千年尺度以上 的强弱变化。也是和轨道参数影响下北半球太阳辐射能量的变化有关。 微层 关键词：t i m s u 系年代氧同位素 古气候变化高分辨率石笋 p a l e o c l i m a t i c c h a n g ed u r i n g t h el a s tg l a c i a t i o n b a s e do i ls t a l a g m i t e sf r o m c h o n g q i n g j i n f um t s m a j o r ：q u a t e r n a r yg e o l o g y d i r e c t i o n ：g e o m o r p h o l o g y a n d q u a t e r n a r ye n v i r o n m e n tc h a n g e t u t o r ：p r o f e s s o r w a n g j i a n l i p o s t g r a d u a t e ：w a n gl i ( 2 0 0 2 4 4 3 ) a b s t r a c t o nt h eb a s i so fm e a s u r e m e n tb yu s i n gt 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 yu s e r i e s m e t h o d ，t h ea g e s o ft h e s t a l a g m i t e f r o m c h o n g q i n g j i n f om o u n t a i n l i a n g t i a n w a nc a v er a n g e d3 1 9 0 _ + 0 2 0 - 1 5 2 1 士o 0 8 k ab p w h i c hc o r r e s p o n d st o m i s 2t ot h e1 a t eo fm i s 3 t h ei n f l u e n c eo fe a s ta s i a na n ds o u t h - w e s tm o n s o o nt o t h i sa r e ah a sb e e nd i s c u s s e dd u r i n gt h el a t ep e r i o do f t h el a s tg l a c i a t i o n t h eo x y g e n i s o t o p i cv a r i a b i l i t yo f t h es t a l a g m i t er e v e a lt h a tt h e p a l e o - c l i m a t ec h a n g e sc a nb e d i v i d e di n t os e v e r a ls t a g e s ：i nt h ef i r s ts t a g e ( 3 2 3 1 4 4 k ab p ) ，c o r r e s p o n d i n gt ot h e l a t eo fm i s 3w h i c hw a sw a r ma n dd r y t h e 61 8ov a l u e g e n e r a l l yi sl o w e r t h a i lt h e a v e r a g e ，w h i c hi m p l i e ds t r o n g s o u t h - w e s tm o n s o o n i nt h es e c o n ds t a g e ( 3 1 4 4 - 1 8 2 9 k a b p ) ，t h e 6 ”ov a l u e h i g b e r t h a nt h ea v e r a g e ，t h ec l i m a t ei sc o l da n d d r y i nt h e t 1 1 i r ds t a g e ( 18 2 9 - 16 9 6k ab p ) ，t h ec l i m a t ec h a n g e do b v i o u s l ya n dt h ee a s ta s i a n a n ds o u t h w e s tm o n s o o nw e r ev e r ys t r o n g i nt h ef o u r t hs t a g e ( 1 6 9 6 - 1 5 0 2k ab p ) ， t h ec l i m a t ei sv e r yc o l d - d r y g e n e r a l l y s p e a k i n g i nt h ew h o l e s t a g e ( 3 2 1 5 k ab p ) ，t h e6 ”0 v a l u e c h a n g e df r o ml o w e rt oh i g h e r , a n dt h et e m p e r a t u r ec h a n g e df r o mh i g h e rt o l o w e r h e i n r i c he v e n t s1 , 2 ，3c a r lb er e c o r d e di n1 5 7 9 3 k ab p ，2 4 8 6 3k ab p ，3 0 2 4 4 k ab p - ， r e s p e c t i v e l y a sc o m p a r e d t ot h er e c o r do f n a n j i n gh u l uc a v ea n dg u i z h o uq i x m g c a v e t h e6 1 8o c h a n g e si sv e r yc o n s i s t e n t , w h i c hc o i n c i d e sw i t ht h ef l u c t u a t i o no f g l o b a lp a l e o c l i m a t ec h a n g e m e a n w h i l e t h eo b v i o u sd i f f e r e n t i a t i o ni st h a tt h e p a l e o c l i m a t eo fc h o n g q i n gr e g i o i l ，e v e na t t h em i d d l er e a c h e so fy a n g t zr i v e r , i s c o n f i n e db yb o t l lt h ei n f l u e n c e so fi n d i a ns u m m e rm o n s o o na n de a s ta s i as u m m e r m o n s o o n k e y w o r d s ：t i m s us e r i e s a g e s ，o x y g e ni s o t o p e ，p a l e o c l i m a t ec h a n g e ， l l i g h - r e s o l u t i o n ， s t a l a g m i t e ，m i c r o b a n d i n g 4 第一章绪论 第一节选题背景 气候变化是全球变化的重要组成部分，与人类的生存环境密切相关。人类 必须了解气候变化的历史，了解其变化的幅度、机制，才能预测未来的气候变 化趋势。为人类社会发展服务。由于石笋分辨率高、可提取的信息参数多，时 间跨度较长，它在重建年际及季节时间尺度的气候和环境变化上，具有其他地 质记录无法替代的优势，目前已经成为全球变化研究中的重要信息库。近年来， 从京津地区到秦岭山区，从南京到云贵高原，特别是在广西地区，一批高分辨 率的石笋记录为我们展示了晚更新世以来区域和全球古环境变化的详细档案。 然而要深入了解末次冰期以来亚轨道尺度变化的真正原因和机制。需要依赖予 全球气候系统中各类型区域的高分辨率气候变化研究。 1 重建末次间冰期一冰期旋回的气候和环境变化史 开始于2 4 8 m ab p 的第四纪，全球气候发生了大规模的剧烈的波动。“。黄 土的堆积和古土壤的发育、北美大冰盖的出现与消融等是冰期一问冰期循环的表 现0 1 。地球上各个地区留下了丰富的气候变化的记录。通过对黄土一古土壤序列 0 1 、深海沉积“一、极地冰芯”1 等的分析研究，人们已经恢复了第四纪以来的气 候变化轮廓。开始于大约1 2 5 k ab p 的末次间冰期一冰期是第四纪一系列冰期一 间冰期循环中的最近一次。过去的全球变化( p a g e s ) 的一个重点阶段就是：重建 末次问冰期一冰期旋回的气候和环境变化史，以改进我们对全球变化自然过程的 认识。本文的研究时段是末次冰期的后期阶段。 2 全球各地寻找各类的气候变化信息已成为近年来的研究热点 自从末次冰期中千年级的气候波动现象在格陵兰冰芯中得到辨认以来，在 全球各地寻找各类的气候变化信息己成为近年来的研究热点。1 。特别是最近十多 年来，通过高分辨率的深海沉积、冰芯、树轮、珊瑚、黄土、洞穴沉积和历史 文献及近代气候记录的研究，对于短时间尺度的快速的气候突变事件有了较为 清晰的认识，建立起了高分辨率的短期气候事件记录，如新仙女木 ( y o u n g e r d r y a s ) 事件、h e i n r i c h 事件“”及d a n s g a a r d o e s c h g e r 事件“。这 些古气候变化突变事件的发现，说明冰期气候的不稳定性。目前用洞穴沉积物 的61 8 0 和6 3 c 以及微层等代用指标所提供的信息重建古气候，已成为高分辨 5 率记录体的研究热点。 我国地处西伯利亚高压、青藏高原和西太平洋热池相互影响的季风地带， 具有雨热同季、气温差异较大、气候类型多样的特点，在全球变化的研究中处 于较重要的地位。在研究我国气候变化的过程中，北方的黄土、青藏高原的冰 芯和湖泊沉积物等已做了大量的工作，获得了重要进展。但在西南岩溶区由于 缺乏类似的地质记录，开展全球变化研究工作相对较困难，对该领域的研究仍 比较薄弱。但在西南地区分布着大面积的岩溶，通过岩溶发育与环境的关系研 究发现，岩溶发育过程及其产物对环境的变化相当敏感，通过岩溶记录可以恢 复和重建古气候。通过近几十年的研究和探索，已经形成了一套用洞穴化学沉 积物重建古环境的方法。有不少学者用岩溶区洞穴化学沉积物成功重建西南地 区的古环境，并发现和证实了西南地区过去气候变化中的一系列冷事件及其相 关的环境变化过程，初步建立了南方古气候一环境的变化模式，初步探讨了东亚 季风和印度季风的演化对环境的影响。 第= 节选题依据 人类为了更好地预测未来的环境变化，自上个世纪六十年代以来，环境变 迁史的研究在世界各地广泛展开，大规模的深海岩芯的研究、中国北方黄土的 系统研究、大型湖泊岩芯的研究，都为重建古环境提供了大量的资料。但仍存 在分辨率不高、研究区域分布不均、系统研究不够等问题。因此，应针对这些 不足，并结合我国的特殊地域优势和气候形成机制，对一些重点地段和时间段 加强研究，以便加深对青藏高原抬升对东亚气候的影响和东亚季风的演化规律 等问题的认识。同时我国北方黄土沉积发育于冰期，南方岩溶沉积广泛发育于 间冰期。利用它们的互补关系，研究我国陆域第四纪古气候变化，对过去全球 变化研究具有特别重要的意义。 1 选择的研究地区是气候变化的敏感区和古气候研究的薄弱区 我国对黄土、湖泊沉积物、冰芯、海洋沉积物等信息载体的研究已取得了 大量的成果，但仍存在分辨率不高、研究区域分布不均、系统研究不够等问题。 尤其是有关千年尺度气候变化的研究，主要集中在高纬地区，而低纬地区气候 是否也具有类似的变化则知之甚少。因此，应针对这些不足，并结合我国的特 殊地域优势和气候形成机制，对一些重点地段和时间段加强研究，以便加深对 青藏高原抬升对东亚气候的影响和东亚季风的演化规律等问题的认识，古季风 气候的形成、演变过程及其动力机制，至今仍是全球变化研究的前沿课题。 6 为此我们选择了重庆地区。研究地区为重庆的金佛山岩溶区，该区是东亚 季风与西南季风系统交互作用的特殊区域，又处于长江中游和我国地貌的二、 三级阶梯转折处，是探讨和研究西南季风演化的良好场所，也是全球变化研究 的敏感区，同时该地区古气候研究十分薄弱。这对填补我国在这一地区的空白、 发挥我国地域优势是十分有益的。因此，在该地区开展过去全球变化记录研究 十分必要。 2 选择的对象是国际研究的热点 洞穴石笋是岩溶系统中c 0 2 一有机碳一碳酸盐体系的产物，灵敏地记录了大 气、土壤传递到洞穴( 岩溶) 沉积物中的环境信息，如大气中c o , 浓度、水圈中的 p h 值、h c 0 3 一浓度、地表c 3 c 4 植物、有机物的存在形式等。因此，它是气候变 化的灵敏指示剂，对环境变化具有较强的敏感性。 自同位素技术发展以来，人们在应用放射性同位素测年、应用稳定同位素 测温方面取得了很大的成就。据国内外研究现状可知，近十年来，由于高精度 的测试技术及其对气候与环境理论的深入认识，使得利用石笋的微纹层特征、 洞穴次生碳酸盐的6 ”c 和6 ”o 分析等，为商分辨率地进行古气候及古植被重 建成为可能。岩溶沉积物作为研究过去全球变化的重要信息载体，同时可用 2 1 h 2 “u 热电离或等离子质谱测年、用样量少、准确度高。现代分析技术对石笋 可提取高分辨的年代及气候信息，特别是年代学研究，较其他沉积物的记录更理 想。目前石笋已成为继海洋、冰芯、湖泊及黄土之后，当今地学界最为关注的 研究课题之一，它不但可以恢复长时间尺度的古气候、古环境信息，而且可以 以很高的分辨率( 达到年级) 来揭示短时间尺度上的气候变化，成为目前国内 外全球变化研究的新热点。 3 研究时限是目前过去全球变化研究的重要时段 末次冰期的气候是异常不稳定的，特别是近年来北大西洋深海沉积物中发 现的h e i n r i c h 事件、格陵兰冰芯中记录的d a n s g a a r d o e s c h g e r 气候快速振荡 事件、以及后来的新仙女木事件。d - o 事件中气候可以在几十年甚至更短的时间 内发生向冰期一间冰期气候那样的波动，h e i n r i c h 事件也不过发生在几千年至百 年甚至更短的时间内，这些气候突变是是很难用冰期气候的米兰科维奇理论来 解释，因为迄今为止天文气候理论还未发现比2 1 0 0 0 年( 或1 9 0 0 0 年) 岁差周 期更短的记录。究竟是什么机制触发了这些短期的气候快速振荡事件? 目前的 解释是大气一海洋一陆面反馈的自调节作用，但这只是一种设想，至今仍没有一 7 个清晰而准确的理论对此做出合理的解释。然而，气候不稳定性对于我们深刻 认识短周期的气候变化，预测未来5 0 1 0 0 年的气候环境是至关重要的。 第三节研究现状 由于测年和同位素测试技术上的问题，洞穴化学沉积物古环境重建的研究 未能深入开展。直到近十几年，由于精确测年技术的发展以及一些新的气候替 代指标的引用，这一研究又重新受到关注。尤其是1 9 9 2 年，w i n o g r a d 等通过对 美国内华达州南部d e v i l s 洞地下水中的方解石脉研究，发现了末次冰期在方解 石脉的记录至少比海洋记录提前1 7 0 万年，比南极冰芯记录提前0 7 万年，由 此认为：轨道控制的日照变化并非是引起冰消的主要因素“”。这一成果在第四 纪地质界引起轰动( 图1 1 ) 。从此，利用洞穴化学沉积物进行古气候研究成为众 多研究方法中颇受重视的一种，成为继树木年轮、冰芯、黄土和湖泊沉积物之 后，陆地环境中的又一种重要的古环境信息源“。用洞穴化学沉积物进行古气 候研究，已经在世界范围内开展，在理论和应用方面都取得了丰硕的研究成果。 图1 1n e v a d a d e v i l s 洞方解石脉( d h 1 1 ) 6 “o 记录与海洋s p e c m a p 、南极v o s t o d 冰 盖6d 记录、北半球6 0 。太阳辐射对比( 据i s a a cj w i n o g r a d ，1 9 9 2 ) f i g 1 1t l l e c o m p a r i s o no f 61 3 0f r o mc a l c i t ed h 一1 1 ，n e v a d ad e v i l sc a v e ， s p e c m a p , 5 df r o mv o s t o d i c e c a p s o u t h p o l ea n ds o l a rr a d i a t i o i lo f n 6 0 。( i s a a cj w i n o g r a d ，1 9 9 2 ) 一 薹p 曷 i i ；矗：，r 矗一i - 孟i，一诺j r 1 - 。 i 一 a ： ， 一 一ni v v v w w v v v vv v旷7vv v v v v u ，一v 诎 l i 一一一 叫， 於 d i h ： h 一 胛 ：产弋、， s p e c 忡： 矾 夕飞州弋，氓沪 1 ：一! 1 1 国外研究现状 国外从洞穴沉积物中提取古环境信息，开始于上个世纪6 0 7 0 年代，主要 代表成果如下：上个世纪6 0 7 0 年代，加拿大m a n a s t e r 大学首先建立了对洞穴 沉积物同时进行铀系年代及稳定同位素分析的第一个实验室，并陆续发表了许 多重要成果，其中h e n d y a ，c h “”建立的洞穴碳酸钙同位素沉积平衡的判别式， 至今仍为各国研究者广泛使用。 到了9 0 年代，由于测年和其它测试技术的迅速发展，利用洞穴沉积物进行 古环境的研究取得了广泛和深入的进展。t a l a m 等“”对南非c a n g o 洞2 7 c m 长石 笋的研究、w m o g r a n d o ”等对内华达州戴维斯洞长3 6 c m 长方解石的研究、 h o l m g r e n 等“”对博茨瓦纳一3 5 c m 长石笋的研究、b a r - m a t t h e w s 掣”1 对以色列 s o r e q 洞的两个小型石笋和钟乳石的研究等都取得了较为满意的成果。 另一方面，8 0 年代以来，以c e r l i n g 为代表的土壤同位素学家，系统地论 证了土壤c 0 2 的6 ”c 值主要反映不同的气候条件下c 3 和c 4 植物的分配。1 9 9 8 年，w i n o g a r d 等“”研究了美国内华达州d e v i i s h o l e 的一段长约3 6 c m 的水下方 解石脉( d h l1 ) ，在年龄数据的基础上，结合碳氧同位素分析，利用t i m s u 系 定年，获得了该区5 6 6 - 6 0 k ab p 以来的古气候变化曲线及古植被的生态演变历 史，因其对m i l a n k o v i t c h 理论提出挑战倍受关注。 1 9 9 8 年，明尼苏达大学的d o r a l e 。1 等对美国密苏里州c r e v i c e 洞石笋的研 究，发现4 支石笋的氧同位素变化曲线在热顶时段内变化趋势几乎一致，说明 了石笋氧同位素记录的可比性，揭示了7 5 2 5 k ab p 该地区的生态历史。 2 国内最新研究进展 国内用石笋恢复古环境研究开始于上个世纪8 0 年代，到了9 0 年代达到了 空前的高潮。研究区遍及全国，其中以北京、长江中下游( 南京、湖北) 、西南 岩溶区( 广西、贵州和云南) 最为突出。 8 0 年代，汪训一等。”结合桂林洞穴发育特征的研究，对桂林洞穴沉积物的 碳氧同位素特征进行了初步的研究，指出有望通过洞穴沉积物的同位素记录来 揭示过去气候的变化过程。此后，陈跃等通过对北京周口店和桂林地区的石 笋的研究，对石笋的同位素记录进行了进一步的研究，提供了7 6 5 5 k ab p 北京 地区古温度的变化过程。 9 0 年代，各地工作均开展起来。如李平等“”通过对福建宁化天鹅洞一石笋 的研究显示，从2 5 0 1 3 5 k ab p ，该地区与海洋沉积物氧同位素7 、6 阶段相对 9 应，温度交化的幅度不大；从1 3 3 6 0 k ab p 前，有5 个高温期；从6 0 3 2 k ab p 为该地区2 5 0 k ab p 来最高温期，石笋生长速度最快；3 0 k ab p 前后，气温下降， 石笋逐渐停止生长，冰期来临。 刘东生等在北京石花洞通过a m s 一“c 方法对北京石花洞石笋微层理发光性 的研究，恢复了北京地区最近1 ，1 3 0 年以来的气候演变特征，尤其降水的变化 过程，与历史记录( 干旱期、湿润期、小冰期) 十分吻合m 1 。 秦小光、刘东生等对北京地区1 千年来的石笋微层进行了谱分析，得出结 论：夏季风加强时，降水增多，温度升高，促使微层厚度加大，夏季风相应对 碳酸钙沉淀产生了较大影响，留下了较强的波动变化印迹。反之则反。该研 究重建了北京地区过去1 ，0 0 0 年中6 次降温期和5 0 0 年来有1 3 次降雨增加期。 此外，秦小光、谭明等人对北京石兹洞石笋进行了微层灰度显微特征分析， 初步归纳了亮度变化类型、暗色有机物分布规律和微层层内的亮度变化形式， 为利用灰度信息研究古气候变化提供了依据滔。 1 9 9 8 年，李红春等用”p b 、“c 法获取了分辨率为3 年的北京石花洞氧同位 素变化曲线，得到了京津地区5 0 0 年来的气候变化信息，认为在较短时间尺度 上，石笋的61 8 0 值取决于大气降水同位素组成，在较长时间尺度上主要反映洞 穴古温度变化，这一结论可推广至东亚季风区3 ，并对这一时期以来的古气候、 古环境和古植被的变化做了报告。 近年来，这种工作得到了较深入的进行，一些新技术和新方法，如a m s 一1 测年、热电离质谱( t i m s ) 铀系测年、发光技术等的应用使分辨率得到了大大 的提高。 b r o o k 等提出在e n s o ( 厄尔尼诺一南方涛动) 核心区域或强烈影响区的石笋 可能保留有e n s o 信息，并证明了年层厚度可以来解释e n s o 事件4 1 。近期，汪 永进等对南京汤山五笋研究表明：末次盛冰期晚期洞穴石笋3 ，0 0 0 年纹层厚度 记录反映了2 7 年的e n s o 周期，并指出，属于赤道太平洋e n s o 循环海一汽耦合 作用在中国东部地区降水的遥相关啪1 。这一发现为热带、亚热带古气候重建开 辟了道路。 2 0 0 2 年，胡超涌、黄俊华等用湖北清江洞穴石笋记录揭示了长江中游2 万 年来的气候变化规律，认为石笋碳酸盐岩6 ”0 与地表均温呈正相关1 。 1 9 9 9 年，袁道先等。”对桂林地区几个大型石笋的系统研究，重建了桂林2 0 万年以来的古环境。2 0 0 2 年，张美良等。2 1 利用贵州董哥洞石笋确定了倒数第二 次冰期终止点“i i ”的最终分界年龄值为1 2 9 2 8 1 1 k ab p 。2 0 0 0 年，覃嘉铭 等 3 3 3 通过研究桂林地区降水资料和洞穴沉积物气候记录研究，认为在该区洞穴 化学沉积物中的61 8 0 值与温度呈负相关关系。同年，汪永进等【3 6 1 对南京汤山 l o 洞穴的石笋进行氧碳同位紊分析在t i m s u 系年龄的基础上建立了未次冰期中晚 期中国东部高分辨率的古气候变化时间序列，不仅检出了东亚夏季风降水历史 巾的h e i n r i c h 事件，而且首次发现了束次冰期东亚夏季风活动区同样存在着 d - o 旋回，石笋8 ”o 记录与格陵兰冰芯有很好的对应关系，并且与北半球3 3 6 太阳辐射变化相一致。( 图1 2 ) 。 田1 2 南京沩山葫芦涧石笋61 8 0 记录与g r e e n l a n d 冰芯和北半球3 3 6 6 、7 、8r q 份太阳辐 射平均值对比( 据汪采进2 0 0 3 ) f i g 1 2t h ec o m p a r i s o no f8 ”of r o ms t a l a g m i t e ，n a m i n gh u l uc a v e ， g r e e n l a n di c e c o r e ，a n dt h ea v e r a g eo fs o l a rr a d i a t i o no fn 3 3 0i nj u l l e ，j u l y , a u g u s t ( w a n gy o n g j i n ，2 0 0 3 ) 2 0 0 4 年1 月，覃嘉铭等“”对贵州茂兰董哥洞石笋进行高分辨率6 “o 的研 究，揭示了新仙女木及全新世气候突变事件。并确定了新仙女木时间发生于 i i 5 8 k ab p 1 2 8 0 k ab p ，末次冰期的终止点“i ”为11 3 k ab p ，与格陵兰冰芯 记录有很好的对比关系( 图13 ) 。 圉1 3 新仙士木厦全新世气候突变事件在贵州董哥洞石笋的记录( 据草嘉铭，2 0 0 4 ) f i g1 3y o u n g c r d r y a sa n dc l i m a t ec h a n g ei nh o l o c a n ef r o mt 1 1 es t a l a g m i t e d o n g g ec a v e ，g u i z h o u 2 0 0 4 年4 月，袁道先等1 利用贵州荔波董哥洞2 根大型石笋，建立了贵州 荔波地区1 6 万年以来高分辨率古气候变化时间序列，并揭示了末次间冰期亚洲 季风的演化历史，同时确定了倒数第二次冰期中止点“i i ”和末次冰期终止点 “i ”的年龄。荔波地区的氧同位素曲线与北纬2 5 。太阳辐射变化盐线有很好 的对应关系，并且可以和葫芦洞石笋记录以及g i s p 2 进行对比。( 图1 ，4 ) 图1 4 贵州董哥洞d 3 、d 4 石笋61 8 0 记录与南京葫芦洞石笋61 8 0 记录以及g i s p 2 冰芯 和北半球2 5 。太阳辐射平均值对比( 据袁道先，2 0 0 4 ) f i g1 4t h ec o m p a r i s o no f6 ”of r o ms t a l a g m i t e ，d o n g g ec a v e ，g u i z h o u ，n a n j i n g h u l uc a v e ，g i s p 2i c e c o r ea n dt h ea v e r a g eo f s o l a rr a d i a t i o no f n 2 5 。( y u a n m g 啦 4 耳 j 埠 一一一一：豇只m一 喜0il c王己z船； ej置童ia， 第四节目前存在的关键问题 1 长期以来重庆及周边地区古气候研究相对薄弱 重庆是我国最新的直辖市，位于长江中游，是三块库区的所在地，也是我 国地貌第二级阶梯和第三级阶梯的转折处，渝东南( 如奉节、武隆、金佛山等) 分布有大量的碳酸盐岩地层，岩溶极为发育。这一地区的东部和东南部广泛分 布着岩溶洞穴及其岩溶沉积物。尽管有丰富的物源基础，但由于研究对象和研 究手段的限制，这个地区长期以来古气候环境方面的研究相对薄弱。目前，该 地区已经发现了我国最早的古人类活动遗迹，并且长江三峡河谷地貌的演化一 直受到许多地学家和政府部门的关注。更为重要的是，随着三峡水库的建设和 移民搬迁，考古工作成绩斐然，证明长江中游史前、历史时期一直是人类的居 住地，但却从未有人专门就这一地区全新世以来的气候变化和环境变迁散详细 的研究! 这些不足都对全面认识我国的气候变化过程，尤其东亚季风的变化规 律，以及不同地区对全球变化响应的差异性的认识产生较大的局限性。因此， 开展重庆及周边地区洞穴系统形成的古环境研究，对中国南部地区的古地理特 别是长江三峡的形成，具有重大意义。 由于青藏高原的强烈抬升，导致了亚洲季风的形成。重庆地区构造复杂， 受季风降水的影响，暴雨频率高，滑坡频繁，泥石流也较多，因此，探索西南 地区冬、夏季风的演变历史对于灾害的预防也有重要意义。所以，利用t i m s u 系测年对重庆及其周边地区( 湖北、广西、贵州、湖南等地) 的岩溶沉积物进 行高精度定年，利用岩溶洞穴沉积物记录识别或提取该地区第一条高分辨率的 气候变化标尺、识别古气候变化规律，是目前急待解决的关键问题。 2 古气候变化信息的提取不够全面。碳氧同位素的古环境解译出现分 歧 洞穴沉积物是新发现的古气候记录材料，所以对气候代用指标的提取还处 于初级阶段，仅仅有碳氧同位素、微层、微量元素等。( 湖泊沉积物的气候代用 指标有很多如，磁化率、粒度、碳氧同位素、总有机碳氮、碳氮比、碳酸盐含 量与r b s r 等) 。对洞穴沉积物稳定网位素信息的提取和解译，尽管在世界范围 内已有不少的研究成果，但对客观事实的认识，如同位素沉积平衡问题、古降 水稳定同位素的变化问题、稳定同位素在生物活动和岩溶水在土壤及岩石渗透 过程中的变化问题，以及次生化学沉积物沉积过程中同位素的变化问题等等一 系列基础理论问题仍缺乏充分的实验和观测数据，这些都给同位素信息的解译 带来一定困难。 例如s e 。l a u r it z e n 发现挪威某石笋61 8 0 与气温呈正相关。即温度愈离。 6 3 0 值愈大；而m b m a t t h e w s “”对以色列石笋的研究表明，6 8 0 与温度有 负相关关系。国内部分学者对京津1 、陕南“、湖北清江啪1 等地洞穴沉积碳酸 盐研究表明其6 “0 值的变化与地面温度里正相关关系；而另部分学者对 南京地区。”、广西池”1 和云贵高原“2 。”的研究表明。洞穴沉积碳酸盐的6 吣 值的变化则与地表温度呈负相关关系。同时两部分学者对于洞穴沉积碳酸盐 61 3 c 值变化的解释也相左。选择东亚季风和西南季风双重影响的重庆一带的洞 穴沉积石笋、现代洞穴滴水和正在沉积的碳酸盐，进行高分辨率、多指标的综 合研究，是解决上述分歧的最佳出路，弄清石笋碳酸盐氧同位素的替代意义。 是古气候定量解译的基础。 3 环境营建的定量化向题及古温度的计算问题 应用洞穴石笋来重建古环境的研究已经取得了可喜的成果，但是古气候的 重建工作还停留在定性讨论的层面上。因此，寻找更为有效的古气候替代指标 定量重建古环境是目前研究工作的关键。古温度计算一直是古气候领域备受关 注又主动回避的问题。能否用洞穴化学沉积物计算古温度，如何计算? 古温度 的计算结果能在多大程度上反映当时的真实情况? 等一系列问题都有待于解 决。 4 我国气候变化特点的研究较少。对气候跃变事件研究得还不够 我国的气候变化尽管与全球变化基本一致，但由于青藏高原的抬升、东亚季 风的影响、海水温度的变化等一些特殊的局部因素，气候变化模式可能又有一 些特殊性。此外，这一方面的缺陷还表现在对一些全球变化中的一些突变事件 在我国的反映还研究褥不够。尽管我们已通过黄土、洞穴次生化学沉积物和湖 泊沉积物中孢粉的研究，对新仙女木事件在我国的表现作了一些研究，但对其 它一些气候跃变事件( 如h e i n f i c h 事件、d 0 旋回等) 研究得还不够，而这些 跃变事件及发生机制对预测气候系统的非线性行为则更有价值a 1 4 第五节研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题 1 研究内容 岩溶洞穴沉积物( 石笋) 的年代学研究 利用高精度的t i ) “s u 系测年对洞穴石笋进行高分辨率测年，结合石笋微层 理研究，确定本区末次冰期晚期以来的重要时段如末次冰期极盛期、h 事件、 d - o 旋回的确切时间，建立重庆及周边地区末次冰期晚期以来石笋的时间时标 序列。 洞穴石笋的碳氧同位素研究 利用高精度或高密度的同位素取样仪，对洞穴石笋进行高分辨率的碳氧同 位素测试，揭示其气温、植被、降水量以及季风强度的环境信息，识别东亚季 风与印度季风的兴衰演变历史，确定各气候旋回间的长周期以及区域性短周期 突变事件的时段记录。 洞穴石笋的沉积学研究 主要研究石笋沉积纹层的岩性、形态、组合、厚度、沉积间断面或风化壳 层、结构构造、粒度和颜色等特征。 2 目标 利用t i m s u 系测年及碳氧同位素记录，建立重庆及周边地区末次冰期晚 期以来高分辨率古气候变化的时标序列，揭示该区气候及环境变化的特征，捕 捉一些环境变化的特殊事件，如( h 事件、n - 0 旋回) 。并对这些事件进行高分 辨率的年代标定或定位，识别或提取石笋各沉积阶段内的长周期及区域性短周 期突变事件的时段记录。同时利用现代洞穴滴水的稳定同位素分析，揭示其与 大气降水及当地气温变化之间的响应以来探讨东亚季风及西南季风的演变历史 及其驱动因素，为全球变化对比研究提供区域依据。 对黄土高原马兰黄土研究表明，在末次冰期中东亚冬季风有多次加强，它 与北大西洋沉积物中的h e i n r i c h 事件有很好的对应。汪永进对南京汤山石笋研 究表明末次冰期以来南京的石笋记录与d o 事件和h e i n r i c h 事件也有很好的对 应。东亚季风气候变化在大尺度范围受控于北半球冰量的变化和太阳辐射量的 变化，但哪个因子更直接地影响东亚季风气候变迁，现在还是一个没有解决的 问题。 3 拟解决的关键问题 通过对重庆东南进行洞穴调查，选取金佛山梁天弯洞石笋作为研究对象， 用高精度的t i m s u 系测年、沉积学特征和碳氧稳定同位素高分辨率重建该区 重庆及周边地区末次冰期晚期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。 利用洞穴石笋的碳氧同位素记录，揭示该区末次冰期晚期以来的气温、植 被、降水量以及季风强度的变化信息，并与深海岩芯、冰芯记录进行全球气候 对比，确定各气候旋回间的长周期以及区域性短周期突变事件的时段记录。 通过与考古、草海湖泊沉积物、广西、贵州、云南等地的石笋记录所揭示该 时段气候变化进行区域对比，研究不同地区古气候记录对季风气候的响应关系， 初步探讨西南季风气候在时空上的演化，努力探究重庆及周边地区末次冰期晚 期以来的生态环境变化规律。 第六节拟采取的研究方案和技术路线 以地球系统科学为指导，以岩溶作用对环境的敏感性为基础，对洞穴化学 沉积物记录的环境信息进行提取，从石笋的沉积特征、稳定同位素和微层等气 候环境指标入手，对重庆及周边地区3 2 1 5 k ab p 的气候一环境进行多指标解 译，重现环境的变化过程。 通过洞穴调查，认为金佛山梁天弯洞封闭条件交好，洞穴相对湿度大，达 到了同位素平衡分馏的条件。因此，选取l $ 1 4 号石笋作为研究对象。根据石笋 的形状、颜色等外部特征，初步断定石笋的形成年代。将石笋沿中心线剖开， 在详细的沉积学研究基础上，选取石笋的顶部和底部以及可能的间断部位采样， 进行t i m s u 系测年。同时沿石笋剖面中心线按一定的间距系统采集碳氧同位素 样品进行测试，并建立碳氧同位素旋回曲线。通过碳氧同位素曲线的变化趋势， 初步分析重庆及周边地区3 2 - 1 5 k ab p 发生的气候事件，针对可能发生气候事件 的部位进行加密采样。合理解释氧同位素与温度的相关关系、碳同位素变化与 湿度之间的对应关系。确定洞穴石笋和洞穴滴水的6 1 8 0 、51 3 c 所反映的气候 环境及其对气候、季风、植被格局