（自然地理学专业论文）南亚季风海洋型冰川区水体中稳定同位素研究.pdf

揍要 南甄季风是个典型附海一陆吃耦合系统，攀风水循环系统具有结构复杂、 承循环活跃、时空变率大等特点。在南亚攀风气候经铺下，我国毒藏高原衮南部 简山地区发育了众多海洋型冰川( 也称季风温冰川) ，这类冰川具肖高消融、赢 积累、冰温高、庶部有滑渤、对气候变化艨应敏感簿特点。位于青藏高原永南缘 横断山南端韵玉恁雪山，怒歇亚大砖距赤i 麓最近的冰川区，是海洋型冰川发育最 为典型的代表区乏一。在本区进行海洋型冰川冰芯研究对予认识过去南亚攀风演 化援律、撼示热带海洋地嚣吉气候环境变化缤息具骞独特熬优势穰发震潜力。但 是，季风温冰川商消融的特点，使沉积后过程( 特别是融水渗浸) 对冰芯记录产 黛显著“予撬0 绘零区滠冰j | | 冰罄记录气候巧境臻患豹饿复增加了墨难。承律 稳定同位素示踪法是研究水循环过程的一种有力工具，同时稳定同位素也悬冰芯 磷究孛酶瑗重要指标。零文选耩簿受季菇海洋型苏援嚣承俸孛稳定露篷素透器 研究，意义在于；系统揭示南亚零风区水体中稳定同位素系统的复杂变化过程， 鸯动予南薤季菇系统结 鸯及其永耩环过程遴解，为蒜滂融攀风海洋凌球锺嚣溶葱 的深入开展奠定纂础。 本文穰据南戏季风区主要i a e a w m o 站点簿承中稳定简位索浚辩、孤龙雪 出白水l 号冰川酝不同水体中稳慰同位索观测资料以及白水l 号冰川区1 8 3 米 必然冰雪断面( 袋似冰芯) 资料。深入研究南亚季风区降水中稳定间位素系统的 变诧及其影响因豢、季风水汽来源器踪、沉积后过禊对季风海洋型浓j | i 系统内稳 定同位素比率的影响以及拳风温冰川冰芯稳定同彼索记录。通过以上研究得出如 结论； ( ”首次分析了西南季风区降水中稳定同位索比率与i 茼空大气风速之间的 哭系，发糯秀者之藏存在摄著黪愿攘关荚系，在嚣寿季风嚣狳涅壤髑簿永爨羚， 黼空风速也是影响季风降水中6 埔0 变化的个主要因子同时研究了季风区降 承荐锤环避程露辫零孛稳定溺霞豢毙率熬影靖，发骥季最酶承豹弄键垮过纛鼯季 风非活跃期以及攀风末期降水中稳定同位索比率具肯显著的影响。另外，对季风 送降承串稳定簿像素所祷霸懿“降承量效纛”进行y 研究，发现洽攀箴承汽输送 通道上( 从沿海向内陆) “降水量效应”的强度具有显著的增加趋势。以上研究 缀桑有助于加深我们对季麟区降水中稳定黼位素系统交纯的认识和了解。 i t ( 2 ) 利用大尺度n c e p n c a r 樽分析赘料和南驻季风隧典型i a e a w m o 站 点终承孛稳定弼嫂豢鼹测资料，鬏攒蹲承串i 建萋氖承汽示黥瑷理以及稳定霹像素 瑞利分馏规律对季风水汽来源进行了示踪：证实了利用水汽源区相对湿度变化与 酶农孛遂繁氖之闯戆关系德学季最承汽来嚣苯茨豹霹蠢毪；檄据稳定瓣经素璇秘 分馏模型，利用季风区可降水量与源区可降水量的比率与季风降水中6 ”o z 问的 关系，提文了一秘确定季风承汽来深戆蔟方法臻主麟究缮莱辫子季藏农汽寒源 的承踪研究具有重要意义。 ( 3 ) 檄据玉宠雪出鑫承l 号球弼区不麟承俸审稳定同钕素资耱，全瑶分析 沉积后过稷对冰川腥不同水体中稳定同位素比率的影响。主瓣结论如下：1 ) 沉 积艏过程辩冰川区不同东俸中稳定闻位素“岗度效皮”产生鼹著的影躺，使海洋 型冰j | 区水体中稳定同位豢“高度效应”的强度显簧增强：2 ) 沉积厝过程对海 洋跫冰川区不同水体中稳定同位素比率的影响程度存在显著盼季节蓑异，即夏季 海洋型冰川区不同水髂串稳定嗣位索“毫度效应”盼强度显著大于冬零；3 ) 苓 论憝冬季避是夏季，从表面积雪到融水再到由融水补给的河流5 幻礁直变化梯 凌褒次增大，髂瑷了淀积爱避程对海洋垄改残医冠搜索记录熟影响具蠢空鲳嫠异 性。 ( 4 ) 缀撰2 0 0 4 年7 秀差茏雪痰鑫拳l 号涿镬嚣一令攮3 岽天然承雪瑟瑟 资料，讨论分析了海洋型冰川区冰麟定年问蹶。并对剖面6 培0 记录的保存及其所 己黎豹气谈环境信戆送行了研究。戮究发现，在离瀵融海洋蘩港j l l 嚣o o 记蒙苓 适会冰苍定牟；但熄，海洋型冰川商消融，搿积累的特点使g s o _ i e 录的信息能得 欧徕存，刮黼5 ”0 记录反应了西南攀菇活动静信怠。举研究结果为商消融海洋垄 冰川区冰芯记录进行古气候恢复的首r 行性提供了新的证据。 关键词；南溅季风海洋型冰j i i 孤龙雪山稳定弼位素 a b s t r a c t s o u t h a s i a nm o n s o o n ( s a m ) i ss u c has y s t e mt h a tc o u p l e dw i t ha i r - l a n d - o c e a n i n t e r a c t i o n s t h ec o m p l e xs t r u c t u r e ，a c t i v ew a t e rc y c l ea n dh i g hv a r i a t i o nr a t ei n t e m p o r a l l ya n ds p a t i a l l yc h a r a c t e r i z et h es a ms y s t e m u n d e rt h ed o m i n a n c eo f s a m ， c h i n a st e m p e r a t eg l a c i e r sf a l s oc a l l e dm o n s o o n a lt e m p e r a t e w g l a c i e r ) a r ed i s t r i b u t e d i nt h es o u t h e a s t e r nt i b e t a np l a t e a u t h et e m p e r a t eg l a c i e ri sc h a r a c t e r i z e d 舔h i g h g l a c i e rt e m p e r a t u r e ，i n t e n s em e l t i n g ，r a p i dm o v e m e n ta sw e l la sh i g hs e n s i t i v l t yt o c l i m a t ec h a n g e m o u n t a i ny u l o n g , l o c a t e di nt h eh e n g d u a nm o u n t a i no ft h e s o u t h e a s t e r nt i b e t a np l a t e a u ，i st h es o u t h e m m o s tg l a c i e r i z e da r e ai nm a i n l a n de u r a s i a t h er e g i o no fm o u n m i ny u l o n gi st h em o s tt y p i c a lt e m p e r a t e - g l a c i e ra r e a 。i th a st h e a d v a n t a g ea n dp o t e n t i a lt or e c o n s t r u c tt h ep a s te v o l u t i o no fs a ma n dt oe l u c i d a t e p a l e o e l i m a t ei nt h et r o p i c a lo c e a n i c8 黻姆i c ec o r c sd r i l l e di nt h et e m p e r a t e g l a c i e r a r e a ，h o w e v e r , s o m ed i f f i c u l t i e si nr e c o n s t r u c t i n gp a l e o - e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n b yt e m p e r a t e - g l a c i e ri c ec o r e so c 苍l l rb e c a u s et h ei n f l u e n c eo fp o s t - d e p o s i t i o n a l p r o c e s s e s ，e s p e c i a l l yt h em e l t w a t e rp e r c o l a t i o n 。o ni c ec o r er e c o r d si so b v i o u s 。a sa r e s u l to ft h eh i g hm e l t i n gi nt h et e m p e r a t e - g l a c i e rr e g i o n 。t h em e t h o do fs t a b l e i s o t o p e si sn o to n l yap o w e r f u lt o o li ns t u d y i n gp r o c e s s e so fw a t e rc y c l eb u ta l s oa l l i m p o r t a n tp a r a m e t e ro f i c ec o r es t u d y i nt h ep a p e r , s t a b l ei s o t o p e so f w a t e r so v e rt h e t e m p e r a t eg l a c i e ra r e ai ns o u t ha s i aw e r es t u d i e d , w h i c hi sh e l p f u lt ou n c o v e rt h e c o m p l e xs y s t e m a t i cv a r i a t i o n so fs t a b l ei s o t o p e si nt h et e m p e r a t e - g l a c i e ra r e a , t o u n d e r s t a n dt h es t r u c t u r ea n dw a t e rc y c l ep r o c e s s e so fs a ma n dt ol a yt h ef o u n d a t i o n f o rf u r t h e r s t u d y i n gi c eg o r e sd r i l l e di nt h et e m p e r a t e - g l a c i e ra r e a b a s e do nt h ei s o t o p i cd a t ao f p r e c i p i t a t i o na tt h em a i n l yi a e a w m os t a t i o n si n s o u t ha s i a , t h es t a b l ei s o t o p i cd a t ao f d i f f e r e n tw a t e r sw i t h i nt h eb a i s h u ig l a c i e rn o 1 国g 1 ) s y s t e mo nm t y u l o n ga n dt h ed a t ao fan a t u r a lf ；mp r o f i l e ；n 1 8 。3m l o n g ( s i m i l a rt oas h a l l o wi c ec o r e ) r e c o v e r e di nj u l y2 0 0 4f r o mb g i ，t h ei s o t o p i c s y s t e m a t i cv a r i a t i o n si np r e c i p i t a t i o no v e rs o u t ha s i a ，t r a c i n gt h eo r i g i no fs a m ，t h e i n f l u e n c eo fp o s t m d e p o s i t i o n a l p r o c e s s e s o n i s o t o p i cr a t i o s i nw a t e r sw i t h i nt h e t e m p e r a t e - g l a c i e rs y s t e ma n dt h ei s o t o p i cr e c o r d si nt h ef i r np r o f i l ew e r es t u d i e d 。 r e s p e c t i v e l y t h ef o l l o w i n ga t et h em a j o rr e s u l t so f t h es t u d y ： 1 ) t h ec o r r e l a t i o n & t 孵鞠t h ea t m o s p h e r i cw i n ds p e e da n ds t a b l ei s o t o p i cr a t i o i nt h es o u t h w e s tm o n s o o nr e g i o nw a sf i r s t l ya n a l y z e da n dt h es i g n i f i c a n tp o s i t i v e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e mw a sf o u n d 。i ts u g g e s t st h a tw i n ds p e e di sp r o b a b l yo n eo f k e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h e 61 8 0v a r i a t i o nb e s i d e sa i rt e m p e r a t u r ea n dr a i n f a l li nt h e s o u t h w e s tm o n s o o nr e g i o n m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c eo fm o n s o o np r e c i p i t a t i o n r e c y c l i n gp r o c e s so nt h ei s o t o p i cr a t i oi np r e c i p i t a t i o nd u d n gt h ep e r i o d so fb r e a k p h a s eo fs u n a m e rm o n s o o na n dt h el a t em o n s o o np e r i o di ss i g n i f i c a n t a d d i t i o n a l l y , i t w a sf o u n dt h a tt h ei n t e n s i t yo f a m o u n te f f e c t o fs t a b l ei s o t o p e si ns o u t ha s i a i n c r e a s e sa l o n gt h et r a j e c t o r yo fs a m a b o v er e s u l t sa r ev e r yu s e f u lf o ru st ob e t t e r u n d e r s t a n dt h ei s o t o p i cs y s t e m a t i cv a r i a t i o n si nt h es a m r e g i o n ( 2 ) b a s e do nt h el a r g e s c a l en c e p n c a rr e a n a l y s i sd a t aa n dt h es t a b l ei s o t o p i c d a t ai np r e c i p i t a t i o na tt h et y p i c a li a e a w m os t a t i o n si ns o u t ha s i a ，t h eo r i g i no f m o n s o o np r e c i p i t a t i o nw a st r a c e db yb o t hd e u t e r i u me x c e s sa n dt h er a y l e i g hm o d e l t h ef e a s i b i l i t yo f t r a c i n go r i g i no f p r e c i p i t a t i o nb yt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nd e u t e r i u m e x c e s si np r e c i p i t a t i o na n dt h er e l a t i v eh u m i d i t yo v e rt h ev a p o rs o u r c ea r e aw a s v a l i d a t e d i na d d i t i o n ，u s i n gt h er a y l e i g hm o d e l ，an e wm e t h o df o ri d e n t i f y i n go r i g i n o fs u m m e rm o n s o o nr a i n f a nw a sd e v e l o p e db a s e do nt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e n6 1 8 0i n m o n s o o np r e c i p i t a t i o na n dt h er a t i oo fp r e c i p i t a b l ew a t e ri nm o n s o o nr e g i o nt ot h a ti n w a t e rs o u r c ea r e a t h er e s u l t sa r es i g n i f i c a n t l yi m p o r t a n tf o rt r a c i n go d g i no fs u m m e r m o n s o o np r e c i p i t a t i o n ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo fp o s t - d e p o s i t i o n a lp r o c e s s e so ni s o t o p i cr a t i o si nw a t e r s w i t h i nb g is y s t e mw a ss t u d i e d t h e a l t i t u d ee f f e c t o fs t a b l ei s o t o p e sw i t h i nt h e t e m p e r a t e - g l a c i e rs y s t e mi sa m p l i f i e db yt h ep o s t - d e p o s i t i o n a lp r o c e s s e s i na d d i t i o n , t h eg r a d i e n t so f 8 1 8 0i nw a t e r sw i t h i nb g is y s t e mi ns u m m e ra r em u c hl a r g e rt h a ni n w i n t e r , i n d i c a t i n gt h a tm o d i f i c a t i o no fs t a b l ei s o t o p e sb yp o s t - d e p o s i t i o n a lp r o c e s s e s d i f f e r si nd i f f e r e n ts e a s o n d u r i n gt h et r a n s f o r m a t i o no fs n o w p a c kt og l a c i a l - f i v e r w a t e r , t h eg r a d i e n to f8 t s og r a d u a l l yi n c r e a s e sw h e n e v e ri nw i n t e ro rs u m m e r , s u g g e s t i n gt h a tt h ei n f l u e n c eo f p o s t - d e p o s i t i o n a lp r o c e s s e so ni s o t o p i c r e c o r d sw i t h i n t h et e m p e r a t e g l a c i e rs y s t e md i f f e r ss p a t i a l l y ( 4 ) b a s eo nt h ed a t ao f t h e2 0 0 4t i mp r o f i l er e c o v e r e df r o mb g io nm t y u l o n g , t h ei s s u eo ft h ei c ec o r ed a t i n gi nt h et e m p e r a t e g l a c i e ra r e aw a sa n a l y z e da n d d i s c u s s e d a tt h es a m et i m et h ep r e s e r v a t i o no f 8 1 8 0r e c o r di nt h ef i r np r o f i l ea n dt h e c l i m a t i ca n de n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o nr e d u c e df r o mi tw e r ea l s oa n a l y z e d i t s u g g e s t st h a tt h e6 1 s or e c o r di nt i m i c ec o r e si nt h et e m p e r a t e g l a c i e r a r e ai sn o t s u i t a b l ef o ri c ec o r ed a t i n g ；h o w e v e r , t h e8 1 s or e c o r dc a nb ep r e s e r v e dd u et ot h e f e a t u r e so f t e m p e r a t eg l a c i e r ( h i 曲a c c u m u l a t i o na n dm e l t i n g ) t h ei n f o r m a t i o no f t h e s o u t h w e s tm o l l s o o na c t i v i t yc a l lb eo b t a i n e db yt h e8 i s 0r e c o r di nt h e2 0 0 4t i m p r o f i l e ，w h i c hg i v e sh e we v i d e n c et h a tt h ep a l c o - c l i m a t i cr e c o n s t r u c t i o n sf r o mi c e c o r e sd r i l l e di na r e a so f h i g hm e l ti sf e a s i b l e k e y w o r d s ：s o u t ha s i a nm o n s o o n , t e m p e r a t eg l a c i e r , m t y u l o n g ，s t a b l ei s o t o p e s 原创性声明 本人声贸所莹交的学健论文，蹩在导筛的指鼯下独立进行磁究所取褥的成 果。学位论文孛冠辱| 翅她入墨_ 经发表或未发表豹成鬃、数攥、理点等，均熙骥确 注明出处。除文中穗经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表 或撰写过的科研成聚。对本文的研究成果做出重要贯献的个人和集体，均已在文 中良瞬确方式标臻。 本声明的法律资任由本人承担。 研究生签名：莩汹虹 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所究成的论文及相关的职务作品，知识产权归属中凿科 学院寒区举医环凌麓工程磁究繇。零入完全了解串黧科学院寒区犟嚣环境与工程 研究赝有关保存、使用学位论文豹援定，同慧学校像存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中翻科学院寒区 早区环境与工程研究所可以将学位论文的会部或部分内容编入有关数据库迸行 检索，可繇采焉 ；壬傍复隶l 手段傈存秽汇编本学位论文。本入离所嚣发表、嫒雳论 文或与该论文壹接摆关的学零论文溅成果对，第一爨名单位仍然为中国科学院寒 区警区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。 研究生签名：超堑 导师签名：兰妻逮 弱期：丑烂= 塑二! 弱妫：塾僻一! ! 竺8 生里型丝堡! 壁凌堂垡鲶塞 第一章绪论 第一节选题依据及硬究惹义 季风足一种犬尺度环流现象( k r i s h n a r a u r t i ，1 9 8 9 2 ；k u t z b u e h ，1 9 8 7 ) ，它怒外 赛强遥( 辘形、海麓热力夔异彝太鞠辐射) 窝蠹帮大气壹爨振荡终掰熬绪鬃，南 亚季风区是世界上最显著的季风联( w e b s t e r , 1 9 8 7 ) ，它是每年五月中旬至九月 寒静一个失足度环流系绕，宅是全球天气臻流静耋簧缢成豁分，南驻季风产爱麓 降水对南她地区的社会和经济产生深刻的影响。研究南亚季风有助予了解季风水 缎环系统的绪褐及箕过程，葡对膏魏予揭承海碲气之闻的籀互俸糟关系在南 亚季风气候控制下，我国筲藏高原东南部的横断山、喜马挝雅山的零段和甫坡， 以及念青唐古拉函的东段酾中段，发育了众多海洋型冰 l ( 也称季风温冰j i f ) - 檄据中国冰川编目统计，中国境内肖季风潋冰川8 6 0 7 条，域j l l 覆盖氟积1 3 2 0 3 2 k m z ，分别占中国冰川总祭数和总颇积的1 8 6 和2 2 2 。这炎冰川最大特征是对 气候变化反映菲零敏感，小幅度气滋豹降 琏或舞高可默弓l 起敬j | | 大蠛度筑嚣逡或 后退。因为海洋型冰川区降水量犬，冰芯积累量大，因此冰巷记录分辨率更商。 毽是，季风瀑敬删懿瀵融熬特点，皴农渗浸俸愚黠塔芯爨记疑戆气鼷嚣壤售爨产 生鼎著“午扰”，缩本区溢冰川冰芯记录古气候信息的恢复增加了困难，这严重 藩褥了海洋登猿j | 送壤芯磷究豹深入拜震。 水体中埔o 和2 h 是自然界中两种天然示踪剂，由于水体程相变斑程中稳定同 像索发叟警筏努镶鹈动力分镶，不糯来源的承体曩商不同麓阕谴素缀成，戮就。 水体稳定阐位素示踪法是研究水循环过程的一种有力工具，同时稳定同位素也是 冰蕊研究串的一项震要搔标。本文嘉要弱璃稳定同位素工其，选择南驻季风嚣为 研究区域。以季风蹶不同水体中稳定同位素为研究对象。针对本区水体稳定阏位 綮研究中的几个关键问题谶行深入研究，揭承季风水循环过耩中水体稳定同 巅索 分馏变化缎律，为稳定同使索方法程季风水循环示踪、海洋戮冰川游芯等研究领 域奠定基础。本论文选题的主要依据如下： 第一，职究区受孛低纬度死种丈气环浚熬影响，爱季受磺瘩季风帮东南攀晟 的影响，冬季受西风环流南支和弧洲冬季风共同控制( 图1 1 ) 。大的环流条件决 定了率区求援琢异鬻活跃，螽俸表璇为季最熬遴逯、季苇农变纯( k d s h n a r r m r t h y 中国科学院博士学位论文 e ta 1 2 0 0 0 ) 以及年际变化( 王可丽等，2 0 0 1 ) 等。另外由于受地质历史时期 青藏高原的抬升以及河流下切作用的影响，本区地形垂直高差较大，垂直地带性 较为明显，这里也是沿海低海拔平原向内地山地、高原急剧过渡的地带，地形空 间差异较为明显。因此，复杂环流形势和地形条件，决定了本区大气降水中稳定 同位素的系统变化异常复杂。系统深入研究南亚季风区大气降水中稳定同位素的 系统变化，可以全面了解季风降水中稳定同位素变化的影响因素及其相互作用关 系，有望在更深层次上揭示季风区降水中稳定同位素的系统变化。 圈1 1 ；研究区大气环流形式 f i g 1 1 ：t h ea t m o s p h e r ec i r c u l a t i o n so v e rt h es t u d ya r e a 第二，丰富的季风水汽输送条件以及优越的高山低温环境，使我国青藏高原 东南部广大高海拔区域发育了众多以积累消融量大、对气候变化反应敏感、冰温 高、底部有滑动为特征的温冰川，是我国西部高山寒区的重要组成部分( 施雅风 等，2 0 0 0 ) 。本区是地球环境变化速率最快的季风气候区之一，其气候环境具有 空间上的复杂性、时间上的易变性、对全球变化的响应敏感和承受力脆弱等特点。 根据i p c c ( 2 0 0 1 ) 报告，2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代，北半球温度升高了0 4 ， 2 0 世纪9 0 年代上升了大约1 0 ；预测到2 1 0 0 年全球平均温度将上升1 3 5 8 d y u r g e r o v ( 2 0 0 3 ) 对1 9 6 1 1 9 9 8 年期间大约3 0 0 条山地冰川的物质平衡、平衡 中圈科学院博士学位论文 线海拔、面积积累比率以及面积变化进行了系统的研究，研究结果表明在气候交 暖的背景下，冰川面积和体积正在加剧减小、冰i t i 正在使水循环加快，而且这种 趋势在2 0 世纪8 0 年代以来更加显著青藏高原冰川变化研究表明，8 0 年代以 来青藏高原冰川后退显著，9 0 年代以来冰川退缩明显加剧，青藏高原冰川基本 上转入全面退缩状态( y a oc t a l ，2 0 0 4 ) 青藏高原东南缘的海洋型冰川区是长江 和南亚主要外流河( 澜沧江、怒江、雅鲁藏布江、印度河和恒河) 的源区，而且 这里往往也是人类社会经济活动比较活跃的地方，冰雪融水对南亚工农业生产和 发展具有重要作用。因此，全球变暖，本区海洋型冰i i 的显著退缩，对本区水循 环过程( 特别是河川径流) 将产生显著影响，进而对高山积雪冰川区水资源的供 给将会产生显著影响。因此，对本区不同水体中稳定同位素进行系统研究，为季 风海洋型冰川区水文过程的示踪提供理论依据，进而对本区未来水资源的开发 利用以及管理提供科学依据。 第三，在全球变化研究中，冰芯记录以分辨率高、保真度强、气候环境信息 丰富和时间序列长等独特优势占据了相当重要地位( 姚檀栋等，1 9 9 3 ，2 0 0 2 ；秦 大河，2 0 0 2 ) 。从6 0 年代以来，冰芯研究的方法已应用到南极和格陵兰两大冰盖 ( d a n s g a a r d , 1 9 6 9 ；j o h n s e ne ta 1 ，1 9 7 2 ；秦大河，1 9 9 5 ；j o u z e le ta 1 ，1 9 8 7 ) ，其中 最为世人瞩目的研究成果是南极v o s t o k 冰芯所揭示的过去4 2 万年以来地球气候 变化所经历的4 个完整的冰期一间冰期气候循环( p e t i te ta 1 ，1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 。自2 0 世纪7 0 年代中期，科学家们开始了对中低纬度山地冰川的冰芯研究，这些研究 比较准确地恢复了中长时间尺度的古气候环境演变史( t h o m p s o na n dh a s t e n r a t h ， 1 9 8 1 ；h o l d s w o r t ha n dp e a k , 1 9 8 5 ；t h o m p s o ne ta i ，1 9 8 9 ，1 9 9 0 ，1 9 9 7 ，2 0 0 0 ；姚檀栋 等，1 9 9 0 ，1 9 9 4 ，1 9 9 7 ，2 0 0 0 ，2 0 0 4 ；t h o m p s o n ，2 0 0 0 ) 目前，冰川学家开始 逐渐关注较低纬度( 特别是季风气候区) 海洋型冰川冰芯的研究工作( s e h o t t e r e r e ta 1 。1 9 7 7 ；s t i c h l e re ta 1 ，1 9 8 2 ；o e r t e re ta 1 。1 9 8 2 ，1 9 8 5 ；b a k e re ta 1 ，1 9 8 5 ； w a g e n b a e he ta 1 ，1 9 8 8 ；h ee ta 1 ，2 0 0 1 ，2 0 0 2 a 由子热带地区( 特别是广阔的海 洋) 气候变化是全球气候变化的关键区域，通过对海洋型冰川冰芯的研究有望揭 示热带海洋地区古气候变化信息为全球变化研究增添新的内容。但是，在南亚 季风气候区，由于气温相对较高，冰雪沉积后过程( 包括蒸发，升华、风吹雪、 消融、融水渗浸等) 对冰芯剖面稳定同位素以及可溶离子和微粒原始记录的干扰 再分配作用非常显著( k o e m e ra n df i s h e r , 1 9 9 0 ；k o e r n e r , 19 9 7 ；g t u r n e re ta 1 ， 中国科学院博士学位论文 1 9 9 8 ) ，这为本区冰芯记录的解释和恢复增加了难度，这是中低纬度季风海洋型 冰川区冰芯研究工作迟迟没有深入开展起来的主要原因。因此，对南亚季风海洋 型冰川区不同水体中稳定同位素进行深入研究，为季风海洋型冰川区冰芯研究的 深入开展奠定基础。 鉴此，本文研究内容可以分为两大部分第一部分( 第二章和第三章) 从区 域大尺度角度出发，研究季风降水中稳定同位素的系统变化，利用现有的稳定同 位素观测资料、结合同位索瑞利分馏过程进行大尺度季风水汽来源的示踪研究； 第二部分( 第四章和第五章) 基于野外定点观测资科，进行季风温冰川系统( 玉 龙雪山白水一号冰川) 中稳定同位素研究工作。本论文研究工作主要意义在于， 通过深入揭示季风区不同水体中稳定同位素的系统变化规律，利用同位素方法对 季风水文循环过程进行示踪，为本区海洋型冰川冰芯的研究提供数据支持和理论 依据，对本区古气候研究与古环境重建等具有重要意义。 第二节水体稳定同位素研究的理论基础 水是由氢和氧两种元素组成。氢有1 h 和2 h ( 或d ) 两种稳定同位素组成形式， 它们在自然晷里的平均丰度分别为9 9 9 8 4 4 和o 0 1 5 6 ；氧有1 6 0 、 o 和1 8 0 _ - - 种同位素组成形式，它们在自然界里的丰度分别为；9 9 7 5 9 、0 0 3 7 、和0 2 0 4 。因此，自然界中水是由多种不同同位素组合形式的水分子构成。由于”o 同 位素丰度相对博o 较小，在实际应用过程中主要注重含有2 h 和瞎o 的水分子成分 h 2 1 6 0 、h d l 6 0 和h 2 i s o 这三种水分子在自然界中的含量较丰，平均丽言。h 2 1 6 0 、 h d l 6 0 0 h 2 1 8 0 浓度比值为： 9 9 7 6 8 0 ：3 2 0 ：2 0 0 0p p m ( p a r t sp e rm i l l i o n ) 由于同位素之间存在质量差异，不同同位素的物理和化学性质具有一定的差 异。水体在不同相变过程中同位素含量将会发生变化，这一过程称为同位素分馏。 热力化学反应过程中经常出现同位素分馏，分馏的结果导致反应物和生成物中同 一种同位素的浓度不成比例。同位素分馏可以用分馏系数值来表示，0 l 等于反应 物和生成物同位素比值r ( r 为菜一元素的重同位素原子丰度与轻同位素原子丰 度之比) 的比值。例如，水通过蒸发转化为水蒸汽的反应： h 2 0 。h2 0 w 。r 中国科学院博- j ：学位论文 r 黜| 扮 舻石 一 抛一芒= 高、 由于同位素在分馏过程中同位素比值r 变化很小；奁接测量r 的绝对值是一件很 困难的事情，需要相当精密的质谱仪，而且r 绝对值的测定，在不同实验室数据 对比方面会出现很多问题。我们所感兴趣的是对比稳定同位素浓度的变化而不是 实际浓度值。因此，为了表示同位素浓度的相对变化，实际工作中采用相对测量 法，即将待测样品同位素i f , 值( r 。d 。) 与一标准物质同位素比值( 心l a f d ) 进 行比较，比较结果成为样品的6 值，其定义为： 6 ：警o o 即样品的同位素比值相对于某一标准的同位索比值的千分差。例如对于氧同位 素： 怕( ) = f 黠- 1 】x 1 0 0 。( v s m o w ) 。 其中，v s m o w ( v i e n n as t a n d a r dm e a no c e a nw a t c r ) 为标准水样的名称，即维 也纳平均大洋水标准，目前已成为国际上通用的标准水样。v s m o w 标准水中氢、 氧稳定同位素比值分别为： ( 。d 1 6 d ) m2 ( 2 0 0 5 2 0 4 5 ) x 1 0 。( b a e r t s c h i ，1 9 7 6 ) ( 2 h 1 ) 随行r = ( 1 5 5 7 6 ：t ：0 0 5 ) x 1 0 。( h a g e m a ne t a l ，1 9 7 0 ) 但是，国际标准水特别昂贵，因此，在样品测试过程中，需要配制实验室标 准水，测定并参考国际标准水予以校正，以此作为自己实验室标准。根据不同实 验室标准测定的结果可以转化为以v s m o w 标准下的结果。目前，利用稳定同 位素气体质谱仪进行水样中稳定同位素的测定。质谱仪是利用离子光电和电磁原 理，按照质核比( m e ) 进行分离从而测定样品的同位素质量和相对含量。这种 仪器不能直接测量液体或固体中的稳定同位素成分，而是首先将样品间接转化成 气体成分，然后再测量该气体中的稳定同位素含量，故这种仪器又被称为气体质 谱仪 同位素分馏过程基本上足热力分馏过程，因此，分馏系数o t 主要受热力反应 中国科学院博- l - 学t - f f 论文 过程中的反应温度控制。不同温度条件下同位素平衡分馏系数可以通过实验测 定。由于分馏系数仅和绝对温度( t ) 之间可以用下面关系式表达； i n a j y = a t 4 + b t 。+ c 其中，x ，y 分别代表反应物和生成物，t 为绝对温度，a 、b 、c 为常数项。这样l n a 与绝对温度的倒数为线性关系。由于同位素分馏系数o 【的值一般非常接近l ，所 以i n a 的值非常接近0 因此，通常把i n a 乘以1 0 0 0 ( 即l o i n 口) ，这样1 0 3 i n a 的值与同位素含量的表达方式6 值在量级上相当，且均用表示。表i 1 为前人 通过实验测定的不同温度条件下，水体在相变过程中稳定同位素平衡分馏系数情 况从表1 1 可以看出，随着温度的升高，i n a 值逐渐减小，即分馏系数伍逐渐 减小，相应的同位素分馏程度也逐渐减小， 表1 1 ：不同温度条件下水水蒸气冰反应程中i o 和2 h 同位素分馏关系值 t a b l e1 i ：v a l u e sf o rf r a e t i o n a t i a nr e l a t i o n s h i p sf o r o oa n d2 hi nw a t e r - v a p o r - i c or e a c t i o n su n d e r d i f f e r e n tt e m p e r a t t c o n d i t i o n s ， “液汽( w a t e r v a p o r ) 液固( w a t g r - i c 2 ) t c 1 0 i n c t l 。o 。叫1 0 3 l n c t 2 h _ 吖 t 1 0 3 l n a 。 o 。一 1 0 3 l n c t 2 l - k , 吖 1 01 2 81 2 2”03 11 9 3 01 1 61 0 6”02 82 0 6 51 1 i 1 0 0 l ol o 69 3 1 5 2 0 2 5 3 0 4 0 5 0 7 5 1 0 0 l o 2 9 7 9 3 8 9 8 2 7 5 6 1 5 8 7 8 2 7 6 7 l 6 2 5 5 3 9 2 7 周- 汽( i c e - v a p o r ) t c 1 0 3 i n a 1 。o 。1 0 a 2 m ， o ) 0 1 4 41 2 7 注：( a ) m a j o u b e ( 1 9 7 1 ) ：1 0 ) l n a n o = 1 1 3 7 ( 1 0 听。h 4 1 5 6 ( 1 0 们20 6 6 7 ( t 为绝对温度) l o j l 柏2 h 吨4 8 4 4 ( i 0 卯卜7 6 2 4 8 ( 1 0 3 t ) + 5 2 6 1 2 ( t 为绝对温度) b 10 n e i i ( 1 9 6 8 ) ( c ls u z u o k ia n dk u l l i u r a ( 1 9 7 3 ) ( d )