第四纪研究  2020, Vol.40 Issue (4): 936-944   PDF    
重庆金佛洞石笋灰度气候环境意义及全新世千年尺度事件
张日萍1,2, 杨勋林1,2, 张瑞1,2, 鄢应燃1,2, 刘睿恺1,2     
(1 西南大学地理科学学院, 岩溶环境重庆市重点实验室, 重庆 400715;
2 自然资源部岩溶生态环境-重庆南川野外基地, 重庆 408435)
摘要:本文利用采自中国南方地区重庆市金佛洞的一支长228 mm石笋J119,通过9个高精度230Th测年数据和3241个灰度值数据,建立了该洞穴方解石石笋全新世灰度序列,并结合相邻地区黑风洞的石笋灰度数据,研究分析发现:石笋灰度高值对应于石笋表面颜色偏浅部分,杂质含量多,为不纯的方解石,透光性差;石笋灰度低值对应于石笋表面颜色较深部分,为致密且纯净的方解石,属石笋透明层段。石笋J119灰度值序列与其δ13C序列存在着相似的变化趋势,显示它们响应相同的驱动因素,主要反映的是洞穴上方土壤植被和水岩作用情况,间接反映当地季风降水和温度变化。黑风洞与金佛洞石笋灰度记录对比显示,石笋灰度在轨道时间尺度上存在着不同的变化趋势,但是对千年尺度气候突变事件具有相似响应,表明石笋灰度指示的是短时间、区域性的气候环境信息。
关键词石笋    灰度    气候意义    千年尺度    金佛洞    
中图分类号     P597+.2;P532                     文献标识码    A

0 引言

石笋作为研究全球变化的重要地质载体,因其具有定年精确和分辨率高等特点,在古气候重建等方面的应用已取得众多成果[1~9]。在石笋众多的气候代用指标中,δ 18O具有可靠的全球可比性与区域重现性,因此是目前应用最广泛的代用指标,但是关于石笋δ 18O的解释还存在诸多质疑[10~12],因此,利用石笋的多种指标研究过去气候变化成为趋势[13]。石笋灰度因具有采集和分析简单、对石笋样品的损伤较小、分辨率高、可以精准地反映区域气候事件的特点,在古气候研究中越来越受到人们的青睐。Baker等[14]通过将同一地区泥炭沉积物和石笋中的荧光强度进行对比,发现石笋中发光物质波长的增加反映了地表湿度的升高;杨勋林等[15]的研究显示降水量和季风强度对灰度值的影响较大;Tan等[16]的研究显示,石笋灰度值与温度之间存在显著的相关性。张会领等[17]在研究湘西莲花洞文石石笋时发现石笋灰度值受到降水量和温度的影响,并认为当季风强盛时,灰度值会随之上升;反之亦然。而顾宁和吴江滢[18]在研究东北地区暖和洞石笋时也发现石笋灰度值与δ 13C值具有良好对应关系,二者同受地表生物量的影响,灰度峰值指示着季风强弱的变化。张瑞等[19]研究发现渝东南地区石笋灰度值与当地年平均温度呈正相关关系,与年平均湿度、降雨天数呈负相关关系,并提出了灰度值上升可能是指示着极端干旱事件的观点。

上述关于石笋灰度的研究结果显示,石笋灰度值对气候变化的响应较为灵敏,但是关于石笋灰度具体指代的气候环境意义还存在着争议。因此,本文以采自中国西南地区重庆市金佛洞石笋J119为研究对象,利用数字图像分析方法[20],并结合相邻地区黑风洞的石笋灰度数据,探讨该区全新世石笋灰度值指示的气候环境意义,进一步完善对全新世千年尺度弱季风事件的认识和理解。

1 研究区概况、样品及方法 1.1 研究区概况

石笋样品(J119)采自重庆市南川区金佛山金佛洞(28°50′~29°20′N,107°0′~107°20′ E)(图 1)。金佛山地处四川盆地东南边缘与云贵高原北缘交界带,该地区受到西南季风和东南季风的共同影响,多年平均气温为14.5℃,属于典型的亚热带湿润性季风气候区,气温垂直分异特征明显。温暖多雨且雨热同期的气候条件为区内植被、土壤及岩溶发育提供了一个十分有利的外部环境。金佛山顶以二叠系灰岩为主,岩溶发育强烈[21],其中金佛洞就发育于金佛-羊子洞穴系统,洞口海拔2080m。金佛洞系统受到层面及两组结构面的控制,平面展布呈迷宫状,由一条北东-南西沿地层走向延伸的主通道及其东南侧网络状支通道系统组成。主通道发育高程约为2010m,已低于其附近地表洼地及沟谷底部,是周围地区岩溶地下水的最低排泄通道。地下水流的整体流向为自北东而南西向横跨主通道,即基本上是顺着地层倾向流动。主通道长1838m,宽一般30~50m,最宽122m,高一般15~20m,最高40m,底面积72800余平方米,呈单一廊道状,北东及西南两端为自地表洼地所冲下来的泥石流所堵塞,洞底高度自北东向南西方向逐渐降低。金佛洞内次生化学沉积较少、类型也较少,但空间分布具有一定规律性。但与其他岩溶洞穴不同,金佛洞内钟乳石类沉积主要是由顶、壁沿层面横向渗透水形成,而不是由沿洞顶垂向裂隙运移的重力水形成,后者在洞顶常常形成天井。

图 1 重庆金佛山和金佛洞、黑风洞的位置示意图 Fig. 1 Locations of Jinfo Mountain, Jinfo Cave and Heifeng Cave in Chongqing
1.2 样品及方法

石笋J119总长228mm,整体呈圆柱状,内部由结晶致密的方解石晶体组成。如图 2a,沿着石笋剖面上的生长轴方向用直径为1mm的牙钻钻取了9个年龄样品(表 1),在西安交通大学同位素实验室采用MC-ICP-MS(多接收等离子电感耦合质谱仪)完成测年工作,测得年龄跨度为9.6~1.6kaB.P.;石笋样品的碳氧同位素测试在中国科学院南京地质古生物研究所同位素实验室分析完成,采用MAT-253质谱仪和碳酸盐自动进样装置(Kiel IV)联机测试完成,量测值以相对于VPDB标准表示,分析精度δ 13C测定值标准偏差小于0.03 ‰。石笋灰度测量方法主要分为光面测量和薄片测量,本文选用光面测量法提取石笋J119灰度数据,将抛光过的石笋剖面用酒精和超纯水擦净过后,在黑暗条件下对其进行扫描,截取靠近石笋生长轴且无孔洞和裂纹区域的图像,使用ImageJ软件进行数字化处理提取其RGB值,再通过公式计算得出灰度值[22],根据公式:

图 2 金佛洞石笋J119剖面(a)与灰度图(b) 红色圆点为定年点位置 Fig. 2 Polished longitudinal section(a) and grayscale sequence(b) of stalagmite J119. The red dots are the locations of the dating

表 1 石笋J119 230Th测年结果* Table 1 230Th dating results of stalagmite J119

其中Grey是灰度值;R、G、B分别是红、绿、蓝光的亮度值。

2 结果与讨论 2.1 石笋的年龄模型

表 1提供了石笋J119的230Th年代数据,其覆盖了9.6~1.6kaB.P.时段。据表 1可以看出,所有的230Th年龄都是按正常的顺序排列,说明数据可信。年龄分析表明石笋J119连续生长,无沉积间断,石笋年龄模型是基于连续年龄点之间的线性内插获得的(图 3)。

图 3 石笋J119年龄模型 Fig. 3 The model age of the stalagmite J119
2.2 石笋J119灰度变化

计算得到石笋J119灰度值介于33~171之间(图 2b),数值越大表示石笋颜色偏浅,反光度越强,透光性较弱;反之,则表示石笋颜色偏深,反光度越弱,透光性较强。图 2a展示了石笋J119的生长韵律,表明其具有平直而分明的生长层且生长轴方向也基本不发生变化。经软件提取和处理后,本次研究共获取3241个灰度数据,平均分辨率为2.4a。石笋J119灰度值在9.6~1.6kaB.P.期间呈现缓慢减小的趋势(图 4c),在早全新世,石笋灰度值比较高,平均值为93,波动幅度达105;进入中全新世后,灰度值有所下降(平均值58),但期间存在4次较大的波动,表明石笋J119灰度值记录了在早、中全新世季风强盛的背景下[23],亚洲季风气候存在一系列显著的千年-百年尺度震荡;晚全新世石笋灰度值走势趋于平缓,此时整体变化趋势比较平稳,平均振幅为49(图 4)。

图 4 石笋J119灰度与其他记录对比 (a)65°N夏季太阳辐射[24];(b)黑风洞HF01灰度值曲线[25],虚线为多项式拟合趋势曲线;(c)J119灰度曲线,虚线为多项式拟合趋势曲线;(d)J119 δ 13C序列[26];(e)长江中游地区降雨量重建曲线[27] Fig. 4 Comparison of the stalagmite J119 grayscale sequence with other paleoclimatic records. (a)65°N summer insolation curve[24]; (b)The curve of HF01 grayscale sequence in Heifeng Cave[25]; (c)The curve of J119 grayscale sequence; (d)J119 δ 13C record[26]; (e)Reconstructed precipitation of the middle reach of the Yangtze River[27]. The dotted lines are polynomial fitting trend curves
2.3 石笋灰度指代的气候环境意义

石笋J119灰度变化与岩性变化、纹层韵律基本一一对应。灰度高值对应于石笋表面颜色偏浅的黄褐色部分,杂质含量多,有许多亮黄色的条纹,此段石笋多为较疏松、透光能力弱、不纯的方解石,具有较强的反射光能力,从而造成灰度值的增大;石笋灰度低值对应于石笋颜色较深的红褐色部分,此段石笋多为沉积致密、杂质含量少、颜色单一、条纹较少、较纯净的方解石,光线的透射能力强,反射光能力较弱,从而造成灰度值的减小。因此,石笋灰度能够指示石笋的沉积旋回,反映石笋矿物颜色的变化以及内部结构的改变。这与来自中国北方暖和洞的石笋灰度记录类似[18],石笋灰度值能够清晰地记录石笋沉积韵律和沉积岩性,这也得到中国南方天坑洞石笋灰度序列的支持[19]

图 4所示,石笋J119的灰度序列与δ 13C序列存在着相似的变化趋势[26]。石笋J119灰度值震荡上升的区间对应着δ 13C的偏正移动,尤其是在中全新世阶段,二者变化趋势基本一致,在千年至百年尺度上也有相似的峰谷对应。将石笋J119灰度值线性内插后与δ 13C值进行对比分析,发现石笋J119灰度与δ 13C具有显著的相关性(r=0.62,n=307,p < 0.01)。石笋J119的灰度序列与δ 13C序列之间存在较好的对应关系,进一步说明石笋灰度与δ 13C两者可能响应共同的气候环境因素。石笋δ 13C的影响因素复杂,包括当地气候、生物生产率、植被类型等因素。Meyer等[28]在洞穴监测过程中发现,洞穴滴水中的δ 13C大部分来源于上覆植被和土壤中CO2,受基岩和方解石前期沉淀影响较小;李廷勇等[29]结合芙蓉洞监测资料研究发现,洞穴滴水中δ 13C的变化可以在一定程度上反映地表水文的变化。

除此之外,灰度对于当地水文状况的变化有一定的响应,辽宁暖和洞石笋灰度[18]主要反映滴水中有机质含量的变化,可以指示地表生物量(包括植被生物量和微生物生物量)的变化。张瑞等[19]研究渝东南近百年石笋的灰度变化发现土壤湿度和水岩作用是影响石笋灰度值变化的主要因素。除了受到气候、植被等因素影响外,石笋灰度可能还受到局地环境的影响。重庆黑风洞与金佛洞均处于金佛山地区,两个洞穴相距1km左右。如图 4所示,对2根石笋(HF01、J119)灰度序列进行对比发现,石笋HF01灰度值的多项式拟合曲线整体跟随着太阳辐射变化,但石笋J119灰度变化趋势曲线与太阳辐射变化呈相反趋势,表明石笋灰度值的变化对轨道尺度上太阳辐射的驱动存在着不同的响应。目前,造成这两个洞穴石笋灰度存在差异的具体机制还不清楚,但是这说明洞穴沉积过程和通风条件等非气候因素也可能影响石笋灰度的变化[30]。然而,黑风洞和金佛洞的石笋灰度均能清晰地响应千年尺度的北大西洋冷事件,这说明灰度值可以反映北半球高纬地区的气候变化,也体现了东亚地区与北大西洋高纬度地区的气候遥相关性[1, 31]

在东亚季风区,全新世的石笋灰度记录在轨道尺度上没有显示出一致性[17, 25],这显示石笋灰度反映的是局地的和短时间尺度的气候环境信息。中国北方和南方的石笋纹层和灰度存在着明显的差异[32~33]:中国北方石笋微层和灰度可能主要与干湿季变化明显的气候条件、以及富含有机质和碱性交换态离子的土壤类型密切相关。而中国南方石笋微层和灰度可能主要与较长时间的降水和有机质淋滤以及盛夏高温少降水的配置有关。此外,即使是同处南方的洞穴,其石笋灰度值的变化也存在着不同的气候环境机制,如湖南莲花洞[17]的文石石笋灰度主要通过针状文石晶体和柱状文石晶体的形成来反映外界气候环境的变化。

综上所述,本文提出金佛山地区石笋灰度值在百年-千年尺度上可能反映的是洞穴上方土壤植被状况和水岩作用,间接反映当地气候变率、季风降水和温度变化。当季风降水增加、温度升高时,地表植被覆盖度好,雨水在土壤中下渗速度加快、滞留时间较短,在土壤-围岩中水岩作用减弱,水中溶解的土壤有机质和杂质浓度下降,最终在石笋表面结晶出较为纯净的方解石矿物,进而使石笋灰度值降低;反之,当季风突然减弱、气候干旱时,地表湿度和土壤含水量下降,植被遭到破坏,水分在土壤-围岩中运移速度减缓,土壤水中含有的有机质和杂质浓度升高,使得石笋表面方解石结晶疏松、颗粒较小、颜色发白,因而石笋灰度值升高。

2.4 石笋灰度的千年尺度事件对比

图 5所示,金佛洞石笋J119灰度序列与δ 13C数据均表明全新世存在数次千年尺度气候突变事件。其中,发生在8.4~8.2 ka B.P.、6.0~5.2 ka B.P.和4.4~4.0kaB.P.时段的石笋J119灰度值上升响应于北大西洋冰筏碎屑事件Bond 3~5[34, 37];而发生在8.0~7.7kaB.P.、7.2~6.4kaB.P.时段的波动事件虽然不被认作Bond事件,但在此时段北大西洋染赤铁矿记录也存在显著的上升[34]。在7.2kaB.P.时段,石笋J119灰度值突然从48上升到115,变化幅度达67,随后在6.8kaB.P.附近回弹至38,之后灰度值再次上升,直至6.4kaB.P.灰度值才结束波动。该事件与J119 δ 13C记录存在良好的对应,且起止时间均在年龄误差范围内,通过对J119 δ 13C记录的突变性计算得出,在7.0~6.7kaB.P.时段亚洲季风存在着突变性的弱季风事件[35]。此外,董哥洞石笋氧同位素记录也显示在中全新世的7.2kaB.P.时段曾存在亚洲季风减弱事件[2],来自河南水鸣洞的石笋记录同样表明在7.3~7.1kaB.P.时段亚洲夏季风经历了约两百年的季风减弱阶段,其中有50a为严重干旱期[38]。因此,可以推断石笋J119灰度值在7.2~6.4kaB.P.时段的波动可能是响应于亚洲季风减弱所导致的冷干气候环境。通过与重建的长江中游地区全新世降水量[27]的对比可以发现,石笋J119灰度值在早中全新世发生显著震荡的时段与降水量突然减少的干旱事件对应良好,进一步证明了石笋灰度值的突然上升响应于季风减弱而导致的干旱事件;而在中晚全新世,石笋J119灰度值和δ 13C值波动较小,这可能是因为该时期季风变化相对平稳,呈现出逐渐减弱趋势,气候变率较小,植被逐渐适应气候变化,没有显示出显著突变。虽然有研究[2~3]显示千年尺度的突变事件贯穿整个全新世,但是最近Yang等[39]总结中国东部季风区的全新世石笋记录认为,季风在早全新世变化不稳定,在中晚全新世相对稳定,呈现出逐渐减弱的趋势。

图 5 石笋J119灰度记录的千年尺度事件及全球对比 (a)北大西洋浮冰碎屑记录指标VM29-191染赤铁矿含量[34];(b) J119 δ 13C序列[26];(c)J119灰度;(d)和尚洞石笋HS4δ 18O序列[27];(e)印度Mavmluh洞石笋KM-A δ 18O序列[35];(f)中国全新世集成气温序列[36]灰色矩形为弱季风、冷干事件 Fig. 5 Comparison of the stalagmite J119 gray scale sequence record and other records in millennial scale events. (a)VM29-191 hematite stained grains record of Northern Atlantic[34]; (b)J119 δ 13C record[26]; (c)J119 grayscale sequence; (d)Heshang Cave HS4 δ 18O record[27]; (e)Indian Mavmluh Cave KM-A δ 18O record[35]; (f)Holocene integrated temperature sequence in China[36]. The gray rectangles represent the cold events

然而,来自中国北方的万象洞石笋WX42A灰度记录[40]显示,季风的迅速衰退导致环境温度突然降低,洞穴滴水碳酸氢钙过饱和度升高,形成晶型规则且排列整齐的方解石晶体,使得石笋透光性增强而反射光能力降低,灰度值减小。而在H1(Heinrich事件)冷旋回时期石笋灰度值相对增大则是因为季风的逐步减弱导致季风区植被土壤状况的持续恶化,土壤层持水能力的下降导致下渗水动力增强,携带较多的杂质进入洞穴,造成沉积物中杂质含量的增加。这说明中国季风区南北方石笋灰度对气候环境变化的响应可能存在着不同的机制,有待于进一步的研究。

2.5 石笋灰度的小波分析

小波分析是研究数据非平稳性程度的有效方法之一。连续小波变换(CWT)法的结果提供了所分析数据的时间-频率或者时间-周期图,可以清楚地看到数据的周期及持续时间[41]。为进行周期性检测,本文以石笋J119灰度的年代为标准进行内插,平均时间间隔为2.4a,利用past3.5软件,对J119灰度序列进行小波分析,得出各指标的小波功率谱等值线图(图 6)[42]

图 6 石笋J119小波分析 Fig. 6 Wavelet spectrum analysis of the stalagmite J119

经小波分析发现,J119灰度记录在7.0~3.0kaB.P.存在512a和256a周期,在4.0~3.0kaB.P.和7.0~5.0kaB.P.存在128a和64a的周期。这些周期主要发生在早中全新世,在3.0kaB.P.没有显示出显著的周期变化,特别是与北大西洋冷事件[43]相关的512a周期基本发生在4.5kaB.P.以前,这表明该区域在晚全新世气候和植被变化比较稳定,这与J119灰度和δ 13C记录变化趋势基本一致。512a周期和256a准周期与北大西洋深层海水(North Atlantic Deep Water)变化影响的深海岩芯色度指标[43]和GISP2冰芯记录[44]变化的550a和530a周期基本一致。其中128a双周期和64a的周期与树轮放射性碳14 C所表征的太阳活动周期(60~70a)相接近,也处于太平洋年代际涛动PDO记录的50~70a周期以内[45]。这些周期说明北大西洋深层水与太阳活动是影响东亚季风变化的因素之一,从而驱动季风区石笋灰度的变化。

3 结论

本文通过对中国西南地区重庆市金佛洞高分辨率石笋J119灰度记录与其他季风区记录的对比分析,初步得出以下结论:

(1) 金佛洞石笋J119灰度高值对应于石笋表面颜色偏浅、杂质含量多的部分,为不纯的方解石;灰度低值对应于石笋颜色较深、杂质含量少的部分,为沉积致密、较纯净的方解石。这说明石笋灰度值能够指示石笋的沉积旋回,很好地反映石笋中矿物颜色的变化及内部结构的改变。

(2) 石笋J119灰度与δ 13C序列具有显著的相关性,说明二者可能受共同的气候环境因素控制,石笋J119的灰度值反映是洞穴上方土壤植被、生物量和水岩作用,间接反映当地季风降水和温度变化。

(3) 金佛洞石笋J119与附近黑风洞石笋HF01的灰度变化趋势在轨道时间尺度上存在着显著差异,表明石笋灰度指示的是短时间尺度、区域性的气候环境信息,因此,在研究长时间尺度石笋灰度序列时,应该采取审慎的态度。

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GRAY-SCALE CLIMATIC SIGNIFICANCE AND MILLENNIUM-SCALE EVENTS OF THE HOLOCENE STALAGMITE IN JINFO CAVE,CHONGQING
Zhang Riping1,2, Yang Xunlin1,2, Zhang Rui1,2, Yan Yingran1,2, Liu Ruikai1,2     
(1 Chongqing Key Laboratory of Karst Environment, School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715;
2 Field Scientific Observation&Research Base of Karst Eco-Environments at Nanchuan in Chongqing, Ministry of Natural Resources of the People's Republic of China, Chongqing 408435)

Abstract

In order to make up for the deficiency of the δ18O index of stalagmite, the research on multiple climate indexes of stalagmite has become a trend. Subsequently, stalagmite grayscale is attracting more and more attention from paleoclimatologists because of its convenient data acquisition and high resolution. However, the climatic environment significance of stalagmite grayscale is still on discuss. Therefore, based on precise 9 230Th data and 3241 grayscale values of the stalagmite J119 from Jinfo cave (28°50'~29°20'N, 107°0'~107°20'E) in Chongqing, China, this paper establishes the grayscale sequence of calcite stalagmites during the Holocene in Southern China to discuss about the significance of climate indicated by grayscale values of stalagmite. The stalagmite J119 is 228 mm in length and the sedimentary period of the whole stalagmite is 9.6~1.6 ka B.P. The stalagmite profile was drilled with a 1 mm diameter dental drill parallel to the growth layer for dating. We polished the stalagmite profile and scrubbed it with alcohol and ultrapure water. After scanning the profile under the condition of darkness, we captured the image near the growth axis without holes and cracks. Finally, we used ImageJ software to extract its RGB values, and yielded 3241 grayscale values through calculation by formula. Through a series of analysis, we find that the peak of grayscale value indicates that the color of stalagmite surface is lighter and impure calcite is deposited. In contrast, the bottom value of grayscale corresponds to the stalagmite with darker color and pure calcite deposits. Besides, the grayscale and δ13C sequences of stalagmite J119 have similar trends, indicating that they respond to the same driving factors. Therefore, stalagmite grayscale mainly reflects the soil vegetation, biomass and water-rock interaction above the cave, and implies the local monsoon precipitation and temperature changes indirectly. In comparison of the stalagmite grayscale sequences from Heifeng cave and Jinfo cave, we infer that stalagmite grayscale has different responses to the driving factors on the orbital time scale, and has similar changes on the millennium scale.
Key words: stalagmite    gray scale    climatic significance    millennium scale    Jinfo Cave