第四纪研究  2020, Vol.40 Issue (4): 1008-1024
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石笋的沉积模式受控于区域的气候-土壤动力学过程[1], 不同地区的石笋微层旋回特征以及各项地球化学指标(同位素、微量元素等)的差异实质上反映了区域间气候条件及其控制下的土壤-生物地球化学特征的变化[1~2]。石笋微层作为一种剖面完整、沉积连续并且具有高分辨率的古气候记录, 在世界不同气候区都有所报道, 并引起了广泛的讨论和研究[3~8]。1997年, 刘东生等[9]在北京石花洞发现了厚度存在年际变化的石笋微层, 并重建了区域气候的干湿变化, 首次在中国将石笋微层应用于古气候重建工作。此后, 谭明等[2, 10~12]对石笋微层年代学和气候学意义, 特别是在石笋微层的分类以及年表构建等方面进行了深入讨论。
近十几年来, 由于U-Th测年精度的不断提高和微钻取样技术的应用[13~14], 以及微层年代学和气候学相关研究方法和准则的建立[11~12], 使得利用石笋微层进行季节到年际尺度上的高分辨率、多指标的古气候与古环境重建成为可能。在中国不同地区的洞穴中, 如石花洞[9, 15]、葫芦洞[16~18]、和尚洞[2]、青天洞[19~21]等均发现物理和地球化学特征存在年际变化的石笋微层[22~26](图 1), 从末次冰期到近200年等不同地质时期都有石笋微层的发现[9, 15, 17~21, 27~42]。在年代学方面, 这些研究通过放射性定年与微层计数相结合的方法建立了高分辨率年代标尺[9, 15, 17~21, 27~46](表 1)。其中一些研究通过现代洞穴监测, 根据碳氧稳定同位素和微量元素的季节-年际循环, 结合石笋微层显微图像, 降低了微层计数的年代误差, 在实现季节尺度上的气候重建方面显示出巨大潜力[43, 47], 特别是对利用无明显微层的石笋构建高分辨率年表提供了支持[6, 44]。在气候学方面, 用于气候重建的代用指标也从微层厚度拓展到利用碳氧稳定同位素、微量元素和灰度等多指标验证的方法, 重建了区域温度、降水, 或亚洲夏季风强度的变化[11, 18, 29, 38, 48]。此外, 针对石笋微层形成机理的研究表明, 洞穴旅游开发、洞穴上方的农业活动等非自然因素, 同样可以引起石笋微层沉积结构的差异, 其气候学意义仍需进一步讨论[49]。
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图 1
中国部分石笋微层记录分布图
1.暖和洞[27]；2.兴隆洞[28]；3.石花洞[9, 15]和苦栗树洞[29]；4.开元洞[30]；5.东石崖洞[31]；6.青天洞[19~21]；7.万象洞[32~33]；8.祥龙洞[34]；9.葫芦洞[17~18, 35]；10.和尚洞[36]；11.峨眉洞[37]；12.七星洞[38]；13.道观洞[39]；14.仙人洞[40~41]；15.董哥洞[42] 地图引自GEBCO(General Bathymetric Chart of the Oceans)(www.gebco.net) Fig. 1 Distribution of some stalagmite laminae records of China. 1. Nuanhe Cave[27]; 2. Xinglong Cave[28]; 3. Shihua Cave[9, 15]and Kulishu Cave[29]; 4. Kaiyuan Cave[30]; 5. Dongshiya Cave[31]; 6. Qingtian Cave[19~21]; 7. Wanxiang Cave[32~33]; 8. Xianglong Cave[34]; 9. Hulu Cave[17~18, 35]; 10. Heshang Cave[36]; 11. Emei Cave[37]; 12. Qixing Cave[38]; 13. Daoguan Cave[39]; 14. Xianren Cave[40~41]; 15. Dongge Cave[42]. The base map is derived from the General Bathymetric Chart of the Oceans(GEBCO)(www.gebco.net) |
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表 1 中国不同地区部分石笋微层记录及其环境/气候意义 Table 1 Laminae records of some stalagmites in different regions of China and their environmental/climatic significance |
虽然石笋微层作为年代学与气候学的代用指标已经广泛地应用于高分辨率古气候与古环境重建, 然而, 石笋在沉积过程中受到表层岩溶带和洞穴环境等不确定性因素影响, 依然存在一些尚未解决的问题。首先, 石笋微层存在亚年层、超年层、伪年层和缺层的现象[11~12, 50], 重建微层年表需要根据微层沉积旋回特征, 在精确的放射性年代数据控制下谨慎讨论[41]；其次, 石笋微层在不同成像条件下(反射光、透射光和荧光等)所呈现出的不同结构[1, 12, 28], 以及数层方法和路径的不同增加了微层计数的误差, 而洞穴沉积环境的特殊性又难以对重建的石笋微层年代序列进行重复性检验[10]；最后, 石笋微层的物理和地球化学特征对地表气候与环境变化之间的响应机制和解译也依然存在争议[18, 34, 38]。本研究将回顾中国石笋微层年代学和微层中各种物理和地球化学指标在古气候和古环境重建工作中的研究进展, 并针对目前石笋微层研究中存在的问题, 以及在古气候研究中的应用等方面提出建议。
1 石笋微层的主要类型与形成机制 1.1 石笋微层的主要类型在石笋剖面或薄片上, 可以用透射光或反射光显微镜直接观察到亮层和暗层交替变化的层状结构, 具有明确形态的微层称为可见微层, 一般由透光层和不透光层组合成年际旋回[11~12]。可见微层在中国的不同地区都有所报道, 包括北京石花洞(图 2A)[47]、山东开元洞[30]、南京葫芦洞[17]、辽宁暖和洞[27]、甘肃万象洞[33]等, 这种微层结构在石笋纵剖面上往往具有明确的沉积旋回界面, 近乎平行的生长层与石笋生长轴相垂直。
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图 2
石笋微层主要类型图
(A)石花洞石笋透光微层, 在透射光显微镜下观察到石笋微层由厚的透光层和薄的不透光层相间组合而成；(B)峨眉洞石笋荧光微层, 在共聚焦激光荧光显微镜下观察到石笋微层由厚的不发光层和薄的荧光层相间组合而成；(C)青天洞石笋微层及同位素分析图, 其中(a)、(b)分别表示在透光和荧光条件下观察到石笋微层, (c)中粉色和蓝色曲线分别表示δ18O、δ13C的季节性变化, 虚线对应(a)中不透光层的位置 图中S、W分别表示夏季层(summer layers)和冬季层(winter layers)；(A)、(B)和(C)分别引自文献[47]、[37]和[19] Fig. 2 Main types of stalagmite laminae. (A)Laminated stalagmite thin-section photograph of Shihua Cave. Under conventional transmission microscopy, it is observed that the stalagmite laminae couplet composed of a thick transparent layer and a thin opaque layer. (B)Stalagmite fluorescence laminae of Emei Cave. Under confocal laser fluorescent microscopy, it is observed that the stalagmite laminae composed of a thick non-luminescent layer and a thin fluorescent layer. (C)Stalagmite laminae and isotopic analysis of Qingtian Cave. (a)and (b) indicate that the stalagmite microlayer was observed under the condition of light transmitted light and fluorescent light, and the pink and blue curves in (c) indicate the seasonal changes of δ18O and δ13C, respectively, and the dotted line corresponds to the position of the opaque layer in (a). S and W in the figures represent summer layers and winter layers, respectively. Figures (A), (B)and (C)are respectively cited from references[47], [37] and[19] |
石笋中的有机物质能在荧光照射条件下发出荧光, 在激光共聚焦显微镜或紫外线反射光显微镜下呈现近乎平行的发光层, 称为荧光微层[11~12], 例如峨嵋洞等(图 2B)[37]。荧光微层在多数情况下与石笋的不透光暗层分布一致, 并呈现出季节变化, 将石笋透光亮层和不透光暗层与荧光层和非荧光层相互验证可以作为石笋微层年旋回结构的判断依据[19, 28]。
在不同季节形成的石笋微层中微量元素和氧碳稳定同位素的年际循环, 可以形成微量元素/同位素微层(图 2C)[19]。其旋回变化计数能与石笋年层数量和U-Th年代在误差范围内保持一致[6, 43~44]。Fairchild等[51~52]的研究显示, 无论是否可以明显识别石笋微层, 气候的季节性变化足以使石笋中的地球化学成分组成产生变化。在中国季风气候区, 强烈的干湿季对比使洞穴滴水地球化学特征, 包括δ18O、δ13C以及微量元素比值发生季节性变化, 并得到了洞穴监测研究的证实[53~55]。
文石类石笋在生长过程中也可以形成石笋微层[40, 56~58], 暗色文石亚层与亮色文石亚层交替组成旋回变化的沉积年层。两种亚层的物质成分组成往往存在差异, 暗色的文石亚层中含有较多的粘土, 碎屑物质或有机质[57~58]。此外, 文石和方解石的生长层能在石笋微层中交替出现, 洞穴监测工作同样表明, 现代沉积物中的文石和方解石可以发生季节更替, 文石石笋中方解石的出现可能与多雨的气候状况有关[59]。
1.2 石笋微层的形成机制可见微层结构的形成需要洞穴滴水的动力条件、水化学组成, 以及洞穴环境具有季节性的变化[15, 19, 29]。在东亚季风区, 由于强烈的冬夏季气候差异使得地表生物生产力、土壤物质的淋溶以及洞穴滴水的动力条件和化学特征出现明显的季节变化[53~54]。透光层和不透光层组成旋回的石笋微层记录了表层岩溶带的土壤动力学过程[1], 实际上是对外界气候周期性变化的响应[15, 39, 44]。在透射光条件下, 微层中的不透光暗层通常是洞穴滴水携带大量的有机物质和土壤矿物元素沉积而成, 与透光亮层相比较, 在沉积结构、有机质含量等方面存在显著差异[1, 11~12]。例如石花洞的监测工作表明, 石笋微层中的薄不透光暗层是土壤中大量溶解性有机质在雨季脉冲式降水的淋洗下沉积形成的[60~61]。
石笋中荧光层的发光强度与洞穴滴水中溶解有机碳含量有关[47], 是年际时间尺度上土壤有机物质以及Fe、Al、Si等粘土矿物元素有规律地运移到洞穴滴水和石笋中所形成的[1, 62~63]。雨季时洞穴滴水中的溶解有机碳含量较高, 这可能导致石笋内有机质层的形成[61]。例如在土壤中荧光物质(溶解有机碳)的季节性淋溶, 以及现代方解石沉积物沉积速率的季节性差异(夏季沉积速率低, 而秋季至次年春季沉积速率较高)的影响下, 石花洞石笋微层中较薄的不透光暗层(荧光层)形成于雨季, 而较厚的透光亮层形成于旱季[47, 49, 60~61], 进一步支撑了之前研究的判断[9]。
在中国东部, 大气降水以及地表植被和生物活动的季节性变化会导致在不同季节形成的石笋微层δ18O、δ13C发生周期性变化[19, 38]。亚洲季风区夏季降水δ18O偏负, 冬季偏正, 相对于δ18O, 虽然石笋δ13C受到的影响因素更加复杂, 但普遍认为其能反映洞穴上部地表植被、土壤生物活动强度以及表层岩溶带水文过程等的变化[64~66]。贵州七星洞的研究表明, 在不同季节形成的石笋微层其δ18O的差异达到了0.5 ‰~0.9 ‰ [38], 湖北青天洞石笋微层δ18O、δ13C也呈现出0.4 ‰~0.8 ‰的季节振荡, 并且与石笋微层的亮层/暗层旋回分布相一致[19]。此外, 气候的季节性以及区域岩溶水文过程的变化也足以使微层中的微量元素比值产生年际脉冲信号[6, 18, 44]。
文石石笋微层中不同亚层的形成同样受到气候季节性变化的控制。Brook等[57]通过文石石笋暗色和亮色亚层中的微量元素分析认为, 两种亚层组成了沉积年层, 其厚度与年降水量有关, 暗层的出现是石笋表面的灰尘堆积或有机质含量增加造成的。来自印度Akalagavi Cave的研究表明, 雨季洞穴滴水滴率的上升造成石笋表面碎屑物质被除去, 形成致密的亮层, 而雨季结束后碎屑物质在石笋表面沉积, 形成针状结构的暗层, 溶解的有机质与文石晶体相结合也可以形成暗色亚层[56]。此外, 来自云南仙人洞文石石笋的研究显示, 在洞穴滴水滴率, CO2脱气的季节性变化影响下, 冬季形成的致密亚层由平行于生长轴的细长柱状文石组成, 而早春形成的多孔亚层主要由针状文石组成, 表明不同亚层的文石晶体结构同样可以发生季节性变化[40, 59]。
1.3 中国东部南北方石笋分类谭明等[1]根据石笋微层的沉积旋回和地球化学特征, 把中国东部地区的石笋微层分为南方型和北方型。在沉积结构方面, 北方型石笋微层的微层界面在透射光条件下呈现出暗层, 由薄暗层与厚亮层组合成年旋回(石花洞[15]、葫芦洞[17]、万象洞[33]、兴隆洞[28]等)(图 3a)；而南方型石笋微层边界清晰, 亮层薄而暗层厚(青天洞[21]、董哥洞[42]等), 在透射光条件下边界清晰, 相间排列(图 3b)。在荧光特征方面, 北方型石笋微层具有双重光性, 微层边界在紫外线照射下能产生荧光(图 3a), 发光物质主要是有机质和Fe、Al、Si等粘土矿物；而南方型微层中有机质含量要比北方型高出一个数量级[1, 62], 原因在于中国北方季风降水主要集中在夏季, 土壤有机质是“脉冲式”的淋滤过程, 而南方地区夏季风降水开始时间早, 土壤有机质呈现出“即时产生即时淋滤”的状态[1]。
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图 3
中国南方型、北方型石笋微层对比图
(a)兴隆洞同一石笋薄片的透光(上)和荧光(下)微层, 透光显微镜下石笋微层由厚的透光层和薄的不透光层相间组合而成, 在荧光条件下观察, 不透光层发出荧光而透光层不发光；(b)青天洞石笋微层图像, 使用偏光显微镜在透光条件下观察到石笋微层由较薄的透光层与较厚的不透光层相间组合而成 (a)和(b)分别引自文献[28]和[21] Fig. 3 Comparison of South and North China type stalagmites laminae. (a)Stalagmite laminated structure in transmitted(top)and fluorescent(bottom)light of Xinglong Cave. Under transmission microscopy, it is observed that the stalagmite laminae couplet composed of a thick transparent layer and a thin opaque layer, under the condition of fluorescence, the opaque layer shows fluorescence while the transparent layer does not; (b)Stalagmite laminate photograph of Qingtian Cave. Under transmission microscopy, it is observed that the stalagmite laminae couplet composed of a thin transparent layer and a thick opaque layer. Figures (a)and (b)are respectively cited from references[28] and[21] |
在可见光下观察到明暗相间的石笋微层沉积旋回结构在亚洲、欧洲、北美洲、南美洲等不同气候地区都有所报道[58, 67~69]。不同地区气候条件下形成的石笋微层在沉积结构和地球化学特征等方面既有联系又有区别。来自新墨西哥的洞穴石笋具有明暗变化的层状结构, 其暗层和亮层分别在干季和滴率增加的湿季沉积形成[69]。在阿曼地区同样发现了具有明显层状结构的石笋, 微层层厚受季风降水量的控制, 虽然该地受印度季风影响, 但是大气降水以细雨的形式集中在夏季[68], 不同于东亚季风区, 夏季的暴雨事件可以改变石笋沉积的层面构造, 颜色等沉积特征[70], 或者形成一种极薄的伪年层[50]。年生的荧光层需要荧光物质季节性地从土壤运移到石笋中[12], 在世界范围内分布广泛。例如, 英国Lower Cave石笋中的发光层是大量的冬季降水冲刷土壤中的溶解有机物而产生的[71], 而在北极和高山地区, 受冰雪融水的影响, 大量的溶解有机质可能在春季产生[72]。洞穴滴水在表层岩溶带的运移过程中受到大气降水、地表生态系统以及岩溶地球化学和水文过程的影响, 不同类型的石笋微层沉积结构以及荧光特征的差异实际上体现了不同地区气候条件和表层岩溶带水文过程的差异, 其分类和特征需要在以后的研究中进一步总结和验证。
2 石笋微层年代学 2.1 石笋微层年代学研究进展 2.1.1 石笋微层的计数方法人工微层计数首先需要使用高分辨率扫描仪或激光扫描共聚焦显微镜, 添加标尺在石笋抛光表面上获得高分辨率的扫描或荧光图像。在观察和计数过程中, 需选用适当的透光条件、焦距以及光源强度, 增强透光亮层与不透光暗层或荧光层之间的明暗对比。在石笋剖面的扫描或荧光图像上, 靠近石笋生长轴, 选择几条直线作为石笋的数层路径。
微层计数时需要根据石笋微层的形成机理确定石笋年层的判断标准, Tan等[11]曾提出了4种判断微层是否为年生的方法, 包括对洞穴滴水的监测以及方解石原位生长实验等。数层中经常将微层图像中每一亮层和暗层旋回变化或者荧光层和非荧光层旋回变化的边界作为年层标志, 选择数层路径的一端作为数层的起始层位, 依次累加计数。遇到年层标志不明显, 或弯曲变形、杂乱、断裂的微层界面, 可以在较为平直处计数或沿着微层边界向石笋两侧延伸, 判断其是否为年层, 不能判断的应标记出误差。数层过程中还可以标记出每一层相对于起始层的深度, 建立石笋微层的相对年代序列。统一标准多人多次重复计数, 减小人为主观性因素造成的误差。
2.1.2 石笋微层的年代方法随着测年技术和数层方法的不断改进, 近20年来国内的石笋微层研究大多将U-Th年代和微层计数相结合(表 1), 以石笋剖面微层序列顶部或底部的U-Th年代作为微层年代的起算年龄, 在误差范围内根据两种年代模型的一致性判断石笋微层的年生性质。此外, 通过计算机软件可以识别石笋微层中各项地球化学指标的年际峰值和周期性变化[6], 为石笋微层年表构建提供参考。
构建微层年表时, 在讨论微层中不同的物理和地球化学指标驱动因素的基础上, 使用多指标验证的方法能够显著减小数层误差, 提高石笋微层年表的可靠性[6]。Li等[43]利用石笋荧光图像与δ13C旋回相结合的方法, 在石花洞XMG-1石笋中(图 4a)识别了143个年层(误差为± 7)(图 4b)；Ban等[44]使用主成分分析的方法进一步对XMG-1石笋中的Sr、Ca、Mg等微量元素进行分析, 根据其峰值的年际变化, 把石笋的年代误差减小到150±1 a(图 4c)；Smith等[6]以及Nagra等[73]同样通过石笋中微量元素的年际变化建立了高分辨率石笋年表。以上研究表明在不能对石笋微层实现准确识别的情况下, 利用多指标验证的方法, 仍可以实现高分辨率微层年代的构建。
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图 4
石花洞XMG-1石笋剖面, 荧光微层, 和δ13C、微量元素变化曲线图
(a)石花洞XMG-1石笋剖面图像, 红色矩形表示用于稳定同位素分析的磨样轨迹；(b)通过激光共聚焦显微镜获得XMG-1石笋的荧光剖面, 白色曲线表示石笋δ13C变化轨迹；(c)绿色和红色曲线分别表示使用LA-ICP-MS对XMG-1石笋剖面两条不同取样轨迹的微量元素测试结果 (P/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca、U/Ca和Mg/Ca)进行主成分分析的变化曲线 (a)和(b)引自文献[43], (c)引自文献[44] Fig. 4 Shihua Cave XMG-1 stalagmite image, fluorescence laminae, and δ13C, trace element analysis results. (a)The image of the XMG- 1. Red rectangles show the micromill sampling track for stable isotope analysis; (b)The confocal images from XMG-1 sample, the δ13C analysis results are shown in white curve; (c)The green and red curves represent the results of principal component analysis of trace elements(P/Ca, Sr/Ca, Ba/Ca, U/Ca and Mg/Ca) of two different sampling trajectories of the XMG-1 stalagmite using LA-ICP-MS. (a) and (b)cited from reference[43], (c)cited from reference[44] |
验证石笋微层年表的准确性, 常用的方法是将石笋微层年代模型与放射性年代模型进行比较, 检查二者在误差范围内是否一致[11~12]。对石笋微层年代模型进行验证的另一种方法, 是对在相同时段内生长的石笋微层进行对比研究和交叉定年, 排除缺层、伪年层以及亚年层和超年层造成的误差[12, 16]。但是由于地下水的运移路径以及石笋在洞穴中具体位置的差异(例如洞口与洞穴深部), 导致滴水的地球化学特征、洞穴通风条件、CO2的脱气程度, 以及石笋的沉积速率等方面具有显著差异, 很难在同一洞穴或者同一地区收集到用于微层年代模型校正的平行样品。目前仅有少数研究对同一洞穴内几根具有共同沉积时段石笋的微层年代进行了交叉验证, 并组合成连续的石笋微层年表[16, 20], 实现同一洞穴或区域间不同石笋微层年表之间的交叉定年依然存在困难和挑战[10~11]。
2.2 石笋微层年代学研究中存在的问题理想条件下用于构建石笋微层年表的石笋应该是层理清晰、沉积连续的, 然而, 石笋的沉积过程往往受到气候变化、极端气候事件以及洞穴滴水的运移路径和洞穴环境变化的影响, 并不匀速和连续。影响石笋微层年沉积性质判别的主要包括微层尖灭、伪年层、缺层、亚年层和超年层[11~12, 41, 50], 这给实际观察和判断带来了困难。
微层尖灭是指由于滴水点位置或滴量变化等原因, 水膜往往不会覆盖整个石笋新生沉积表面, 导致部分微层的生长层可能只出现在靠近滴水点的位置(图 5a)[11]。实际观测或者数层的过程中, 如果选择的数层路径没有经过尖灭的生长层, 极有可能导致这部分生长层被遗漏。
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图 5 (a) 石花洞石笋中的微层尖灭(右侧第3层)；(b)董哥洞石笋中的超年层(蓝色方框内)；(c)石笋微层中年层与亚年层的对比；(d)石花洞石笋中的极薄伪年层, 蓝色曲线表示石笋微层厚度变化, 每个红色圆点表示一层 (a)、(c)引自文献[11], (b)引自文献[42], (d)引自文献[50] Fig. 5 (a)A group of luminescent laminae of Shihua Cave show that one lamina pinches out(number 3 on the right); (b)The supra-annual layer of Dongge Cave stalagmite(in the blue square); (c)Comparison of stalagmite laminae supra-annual and sub-annual layer; (d)The Extremely thin false band in stalagmites of Shihua Cave, the blue curve represents the thickness change of stalagmite laminae, and each red dot represents one layer. Figures (a)and (c)are cited from reference[11], Figures (b)and (d)cited from reference [42] and reference[50], respectively |
当石笋沉积容易受极端气候事件或者十年-百年时间尺度的气候变化影响时, 可能有利于超年层的形成[12]。超年层的特征往往与正常年层存在差别, 例如超年层的颜色可能较深, 微层边界出现弯曲、间断或重叠[42](图 5b), 这种特征在显微镜下较为容易观察和识别, 但是难以判断超年层具体跨越了多少年层, 数层过程中很难对这类微层进行准确计数和厚度测量, 导致出现不可预测的误差。此外, 在洞穴上覆基岩厚度不大的情况下, 地下水混合时间短, 一些月—季节尺度的短期气候信号随洞穴滴水及时传递到洞穴中, 形成亚年际尺度的石笋微层[11~12, 41, 50](图 5c), 数层过程中如果不加以区分, 则很容易把这类年内层当做年层进行计数。
如果洞穴上方气候环境或地下水运移路径发生变化, 洞穴滴水暂时停止供应, 或者石笋沉积表面碎屑物质的混入, 会导致形成的石笋微层并不连续, 出现缺层的现象[11]。石笋的缺层往往伴随沉积间断的出现, 在数层时石笋剖面上如果出现沉积间断或者石笋生长轴发生变化, 需要观察石笋微层的结构和边界, 考虑石笋微层在这些部位的生长是否连续。然而, 在没有平行时段的样品进行交叉验证或者具有精确放射性年龄控制的情况下, 准确判断缺层是否出现及其层数依然存在困难。
在北京石花洞中发现一种具有一般年层的判断标志, 但厚度与正常年层相比极薄, 依然具有界面连续的层面影像的微层[50](图 5d), 通过分别将“包含”和“排除”此类微层的计数结果与U-Th年龄对比, 发现这种极薄微层是与雨季强降水有关的伪年层[50]。伪年层的形成原因较为复杂, 洞穴滴水地球化学特征发生变化, CO2脱气, 以及雨季强降水或极度干旱都有可能形成伪年层(图 5d)[50], 数层过程中难以直观判断这类微层是否为年层。
2.3 已有的解决方法和途径准确的年代是利用石笋微层进行古气候重建的基础和前提, 特别是在气候突变事件中, 地表气候和环境发生变化, 这往往又是容易形成伪年层、缺层的时期, 如何判断和评估这些特殊微层带来的误差, 是在构建基于石笋微层的高分辨率年表时一个必须谨慎识别和讨论的问题。
常用的方法是将放射性年代之间的时间间隔与其之间的微层层数进行比较, 判断二者在误差范围内是否一致, 这种方法要求放射性年龄的误差不能过大(层数的1 %)[11~12]。特别是在记录气候突变事件的微层前后, 以及石笋底部, 沉积间断和生长轴发生变化的部位, 更需要精确的放射性年代数据加以控制, 判断是否出现缺层。但是对一些年龄较老、232Th含量高的石笋样品, 其测年误差可能已经超过微层数层误差, 很难利用高精度的放射性年代判断微层中缺层和伪年层的出现。
中国东部季风区气候季节差异明显, 可以通过洞穴监测工作来判断石笋微层的年生性质。例如Shen等[41]通过结合高精度U-Th年龄(误差±0.5 a)与现代沉积物的观察, 发现不同沉积形态的文石在一年内可以多次交替出现, 在实际数层中极有可能被误判为年生层。针对石花洞的监测表明, 气候的季节性变化控制了石笋方解石的沉积结构, 石笋生长对滴水速率的变化具有非线性的响应关系, 微层中所呈现的由不透光层(有机质层)与透光层组成的年旋回结构及其亚层中微量元素浓度的差异, 是由冬夏季土壤有机物质淋溶和洞穴滴水地球化学特征季节性变化所产生的[47, 49, 60~61]。
石笋年层往往具有特定的结构、性质、地球化学特征以及明显的边界, 观察石笋微层内部的晶体结构也可以为石笋微层沉积结构的年旋回变化特征提供依据。段武辉等[40, 59]通过扫描电镜的观察和洞穴监测发现, 云南仙人洞石笋微层的碳酸盐结构是由明亮和暗色两种不同形态和排列方式的文石晶体亚层所组成年层类型, 是外界气候和环境年际旋回变化的结果, 而文石石笋中方解石的异常出现能够指示降水较多的气候状况。石花洞中现代发育的疏松-致密型微层, 在扫描电镜的观察下呈现出不同的方解石结构, 可能是洞穴开放后旅游等人类活动使洞穴环境发生改变造成的[49]。
在今后的研究中, 一方面应当加强洞穴监测工作中对洞穴滴水有机质含量和微量元素等地球化学特征季节性变化的研究, 探讨石笋微层在不同季节的沉积特征及其机制；另一方面是加强对石笋微层形态和结构方面的研究, 准确识别微层的年层特征, 特别是对石笋微层中亚层的碳酸盐晶体进行观察, 结合洞穴观测工作, 验证其形成过程中不同的气候和环境条件。
3 石笋微层在古气候研究中的应用 3.1 微层厚度石笋微层厚度是由降水和气温等气候因素所控制的石笋生长速率所决定的[9, 15, 17, 35, 74]。利用石笋微层厚度进行季节-年际尺度上的古气候重建, 往往需要将微层厚度与洞穴监测或器测资料进行对比研究, 确定微层厚度记录的主要气候信号, 并与其他气候重建资料进行对比验证。刘东生等[9]在中国首次将石笋的厚度变化与器测资料进行对比, 认为微层厚度的变化主要受过饱和水下渗时间长短的控制, 发现微层厚度与区域降水量存在正相关关系, 重建了区域年分辨率上的旱涝变化状况。来自葫芦洞的石笋研究表明, 夏季高温多雨以及较高的土壤CO2浓度使石笋的生长速率加快, 并且微层厚度的变化与石笋δ18O的变化趋势具有一致性, 支持微层厚度可以作为反映降水变化的指标[17, 35]。此外, 微层厚度可以高分辨率地重建包括夏季风降水变化在内的东亚夏季风强度变化。湖北和尚洞[36]的研究表明, 石笋微层厚度与东亚夏季风强度呈负相关关系；山东开元洞的石笋微层厚度变化与夏季风强度的波动和气候的稳定程度密切相关, 微层厚度的增加对应夏季风强度和降水量的高波动期[75]。
石笋微层厚度也可以反映温度的变化。来自和尚洞的洞穴监测工作表明, 石笋方解石晶体生长速率的变化主要由洞穴温度的变化决定, 夏季快而冬季到初春相对较慢[76]。Tan等[15]将石花洞石笋微层厚度与北半球温度替代指标和器测资料进行对比, 发现气温的波动会导致土壤CO2浓度发生显著变化, 从而控制洞穴石笋的沉积速率, 石笋微层可以持续地记录区域夏季温度变化的信号; 陕西祥龙洞的研究也显示石笋生长速率受当年9月到次年5月气温变化的控制[34]。
3.2 微层δ18O、δ13C前文的讨论已经提及石笋微层中的δ18O、δ13C的季节循环可以作为微层计年参考[19]。作为气候变化代用指标, 在千年尺度上, 目前的研究多倾向于将石笋δ18O解译为亚洲夏季风强度的变化指标(表 1), 重建了高分辨率的全新世和末次冰期亚洲夏季风强度变化[21, 29, 31, 42, 46, 77], 例如YD事件的不对称结构(从BA暖期进入YD的过渡阶段需要约340 a, 而YD的快速结束发生在20 a内)(图 6A)[29], 以及YD与Allerød内部结构的对比[19]、2.8 ka B.P.事件[38]、8.2 ka B.P.事件[20, 45]或GIS14、GIS15.2的突变和持续时间等(图 6B)[28]。利用石笋微层δ18O进行古气候重建时, 特别是在年际尺度上, 需要考虑洞穴滴水对外界气候季节性变化的敏感性, 要求洞穴滴水能迅速响应洞穴上方气候和环境的变化, 即岩溶水在基岩中的混合作用对石笋微层δ18O和δ13C造成的影响微乎其微, 重建的结果可以与其他微层气候代用指标(厚度、灰度、微量元素比值)或器测资料进行交叉验证[18, 39]。
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图 6 (A) 反射光条件下苦栗树洞石笋微层影像, 每个白色实心点表示一个年层的亮层, 白色空心点表示石笋δ18O分析的取样位置和结果, YD事件的结束经历了约20 a(b~e)；(B)透射光条件下兴隆洞石笋微层影像, 实心红点表示一个年层, 每10个年层用青点表示, 字母a~d表示用于δ18O分析的取样位置, 三角形和矩形表示过渡到GIS15.2的开始和结束的位置, 计数结果显示向GIS15.2和GIS14的过渡分别持续了74 a和27 a (A)和(B)分别引自文献[29]和[28] Fig. 6 (A)Reflected light image of the Kulishu Cave stalagmite. Solid white dots denote the light-color band in each annual layer, open circles(a~f)are sub-sample positions and results for δ18O analysis, the end of the YD took about 20 a (b~e). (B)Transmitted light image of the Xinglong Cave stalagmite. Solid red and cyan dots denote annual lamina and every tenth lamina, a~d are sub-sample positions for δ18O analysis. The triangle and rectangle denote the position of start and end of transition into GIS15.2. The results showed that the constrained by lamina counting, lasted 74 a and 27 a, respectively. Figures (A)and (B)are cited from reference[29] and reference[28], respectively |
石笋微层δ13C的解译需要结合其他代用指标(如δ18O和微量元素等)以及当地气候环境和洞穴物理环境进行讨论[66, 78]。例如顾宁和吴江滢[27]在对辽宁暖和洞石笋研究中, 利用灰度对δ13C的环境指代意义进行了验证, 并通过回归分析有效去除了非气候因素对石笋δ13C的影响。湖北青天洞石笋微层δ13C与δ18O一样呈现出季节旋回, 表明受植物生物量和土壤CO2产率季节变化的影响, 夏季形成的微层中δ13C比冬季偏负[19]。北京石花洞石笋微层δ13C同样存在显著年际变化, 并应用于石笋微层年表的构建[43]。此外, 形成石笋微层的洞穴滴水往往对外界变化响应迅速[12], 一些极端气候事件, 例如高强度降水导致大气降水在土壤中滞留时间过短, 土壤CO2并未充分溶解到土壤水中, 这种情况下石笋微层δ13C记录可能并不能真实地反映洞穴上方的生态环境状况[64, 79~82]。整体而言, 石笋微层δ13C反映了与植被状况和微生物活动有关的土壤CO2的变化[19, 83], 但是其影响因素十分复杂, 特别是中晚全新世以来人类活动不断增强[84], 利用多指标、多方法解译微层δ13C显得尤为重要。
3.3 微量元素区域温度、降水量以及方解石先期沉淀(Prior Calcite Precipitation, 简称PCP)过程的季节变化通常被认为是石笋微量元素发生变化的主要原因[6, 51~52, 85]。在干湿季明显的中国季风区, 洞穴滴水和石笋微量元素比值季节变化往往更加强烈[53~54]。
微层中不同的微量元素对地表环境的响应过程和主控因素存在差别, 指标的解译需要结合洞穴的实际情况。例如北京石花洞石笋微层中的Sr和Ba主要来自洞穴上覆基岩, 滴水在基岩中的停留时间和PCP是其主导因素, 二者往往呈现正相关关系；而Mg/Ca、P/Ca与Sr/Ca呈现出负相关, 可能与土壤的物质组成和风化强度的联系更加紧密[44, 86]。南京葫芦洞石笋微层Sr/Ca反映了岩溶含水层的降水补给水平, 可以作为季风降雨强度的指标[18]。陕西祥龙洞石笋Sr/Ca和Ba/Ca与石笋生长速率存在明显正相关关系, 而REE/Ca(Rare Earth Element, 简称REE)则受到区域温度变化的控制, 温度上升提高了土壤二氧化碳分压和有机质浓度, 土壤pH值的降低增加了洞穴上覆土壤和基岩中稀土元素的释放[87]。
3.4 微层灰度石笋微层灰度是指在不同的光线条件下(透射光、反射光等)在石笋表面观察到的光线反射强度的变化[48]。不同季节的土壤物质输送模式以及形成的微层沉积结构往往存在差异, 其灰度可以作为洞穴上覆土壤生物量和暗色有机物质的替代指标[9, 48, 88], 可以响应夏季温度和降水量、洞穴环境的干湿度[17]、亚洲夏季风强度[32]以及地表植被等因素的变化[89]。秦小光等[48, 90]总结了适用于灰度测量的石笋样品应该具有气候季节变化明显、洞穴埋藏深度适中、洞穴滴水响应迅速、石笋样品含较多杂质, 且存在纵向变化等条件。
不同分析方法得到的灰度数据具有不同的物理意义, 选用合适的方法能够排除非气候因素造成的不确定性[88, 91], 例如, 使用反射光对石笋剖面进行光面测量, 易受到石笋表面粗糙程度和微层位置变化的干扰, 其效果往往不如利用石笋薄片进行透射光观察[48, 88]。胡超涌等[92]对湖北清江榨洞石笋分析发现, 双波长分光光度法可以有效去除灰度中的虚假气候信息, 胡尊语等[93]进一步通过改进色度表征的方法, 使用高分辨扫描仪获得石笋剖面RGB色度图像, 根据石笋碳酸盐对长波和短波辐射吸收的差异, 将R/B比值作为石笋中有色物质含量的替代指标, 减小了测量误差。总之, 由于石笋灰度受到地表气候环境变化和洞穴滴水运移过程, 以及测量方法和误差等因素的影响, 其主控因素和所指代的气候环境意义还存在很大争议[48], 反映的也是一种区域性信号, 需要结合洞穴环境和石笋样品进行详细讨论。
3.5 石笋微层气候代用指标解译中存在的问题石笋微层厚度和灰度与区域年均温、夏季温度和降水量有着复杂的、非线性响应关系[11, 47], 既可以作为温度的代用指标, 又可以指示区域夏季风强度和旱涝情况[9, 15~17, 35~36], 不同地区的洞穴系统对外界气候变化的敏感程度和响应方式存在区域差异, 不同指标甚至同一指标所指示的气候意义存在地理空间上的差别, 因此微层厚度和灰度所指代的气候意义需要结合洞穴环境和当地气候状况进行讨论。虽然已有研究将石笋微层δ13C和微量元素应用于微层年代和古环境古气候重建工作, 但受到当地温度、降水量、土壤水分、植被类型和微生物活动以及洞穴通风等因素的影响[64~65, 94], 所反映的实际上是一种包含气候因素和非气候因素的混合信号[51, 78]。石笋δ13C和微量元素记录往往难以在大的空间范围内重现, 更多时候表现的是一种区域信号, 将其独立的作为古气候重建代用指标则有很多不确定性。微钻取样方法的应用, 可以使石笋微层δ18O的分辨率达到季节-年际尺度, 将有助于讨论洞穴石笋δ18O的气候意义及其主要控制因素[37], 在记录典型气候突变事件的研究中也具有极大优势[14], 具有重现气候突变事件内部演变过程和精细结构的潜力。
其次, 在不同的时间尺度上, 可能要对石笋气候代用指标的气候意义进行重新解译。例如, 葫芦洞两根石笋微层厚度变化交叉验证的结果显示, 石笋微层厚度在千年-百年尺度上可以反映区域干湿-冷暖的变化, 但在十年尺度上微层厚度与区域温度变化之间的关系是复杂的[16]。石笋δ18O往往被认为是夏季风强度变化的信号[18~19, 23, 38, 95~96], 但是在年际甚至季节尺度上, 特别是利用石笋δ18O作为区域降水量的代用指标时, 其适用性仍需要谨慎讨论[97~98]。
最后, 石笋微层在实现古气候定量重建方面潜力巨大[2, 11, 99~100]。虽然微层中各项地球化学指标响应外界气候变化的过程并不是随机的, 但是由于气候信号的解译以及非气候因素的区域性和复杂性, 这些指标所携带的气候变化信号会产生损失和变形[101], 目前国内仅有少数研究使用石笋微层气候代用指标完成了古气候的定量重建[15, 34]。
3.6 已有的解决方法和途径石笋微层中各项气候代用指标往往受到降水和温度等共同驱动因素的控制[15, 34, 48], 采用多种指标综合分析, 能够提高古气候重建的准确性。Duan等[18]利用δ18O、微层厚度、灰度以及Sr/Ca重建了分辨率优于6年的东亚夏季风以及区域水循环过程的变化, 认为石笋δ18O信号与短时间尺度的局地降水量变化密切相关。由于气候信号在不同的洞穴系统中传输过程存在差异, 特别是在没有器测资料对石笋微层地球化学特征所指代的气候意义进行检验和校正的情况下, 利用石笋微层单一指标进行气候和环境重建仍需谨慎。
石笋微层中各项代用指标对气候环境变化的响应方式有所差别, 根据它们之间的差异可以判断某一指标所指代的气候含义。Tan等[87]对陕西祥龙洞石笋分析发现, 石笋中Sr/Ca、Ba/Ca与当地降水量不具有显著的相关性, 表明水岩相互作用时间并不是石笋Sr/Ca、Ba/Ca的主控因素；将石笋Sr/Ca、Ba/Ca与δ13C进行分析, 发现存在显著的负相关, 而PCP会造成Sr/Ca和Ba/Ca与δ13C产生同向变化, 进一步排除了PCP作为主控因素的可能；最后发现Sr/Ca、Ba/Ca与受当地温度变化控制的石笋生长速率存在显著的正相关关系, 确定了石笋微层Sr/Ca、Ba/Ca所指代的气候意义。Duan等[18]利用同样的分析方法, 将葫芦洞石笋微层Sr/Ca确定为夏季风降水强度的代用指标。
在今后的研究中, 应当加强大尺度气候变化信号(δ18O)与区域环境变化信号(δ13C、微量元素等)的综合分析, 不但可以高分辨率重建区域环境变化对气候突变事件的响应过程和机制, 还可以对石笋古气候代用指标的气候意义进行探讨。其次是要加强利用石笋微层进行古气候定量重建, 关键和难点是要找到某项气候指标的主控因素, 在与器测资料进行对比的基础上, 利用数学和统计方法设计出传递函数, 排除传输过程中非气候因素对气候和环境信号的干扰, 将结果与其他高分辨率古气候重建资料(树轮等)进行对比验证。
4 结语石笋微层的形成与区域温度、降水、土壤和植被条件、以及各种岩溶动力学过程紧密相关。石笋微层中多种物理和地球化学指标往往具有年代学和气候学的双重意义, 在高分辨率的重建气候突变事件内部结构, 以及重建月-季节时间尺度上的气候变化等方面显示出巨大潜力。但石笋微层的形成受到气候与环境, 区域岩溶过程以及人类活动等复杂因素的影响, 在石笋微层年代学和气候学方面的研究仍存在一系列挑战, 在今后的石笋微层研究中需要注意以下几点：1)通过现代洞穴监测工作, 将洞穴滴水和现代沉积物的物理和地球化学指标与器测资料进行对比和校正, 研究其季节和年际变化特征, 利用数学方法对外界气候和环境变化信号在洞穴系统中的传递过程进行定量化研究。2)使用石笋微层中多种物理和地球化学指标进行古气候重建和交叉验证, 提高石笋微层古气候和古环境重建的准确性。3)加强新技术和新方法的应用。例如对微层的结构进行扫描电镜分析, 微层自动识别, 以及对微层地球化学指标峰值自动计数软件和程序的应用等, 在提高效率的同时有效避免人工识别造成的误差。
致谢: 感谢两位匿名审稿人以及编辑部老师大量的专业性修改意见和建议。
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Li Junyun1,2
Abstract
The stalagmite laminae, as a common karst sedimentary formations, responds to the changes of climate and environment. Because of its characteristics such as ultra-high resolution and accurate dating, it has been widely used in paleoclimate and paleoenvironment reconstruction. This study is on the basis of stalagmite laminae studies that have been published in China, based on the formation mechanism of stalagmite laminae and the classification of stalagmite laminae types, the methods of counting and dating stalagmite laminae, and the response mechanism of various proxy in stalagmite laminae to the climate and environment are summarized, and on this basis, the problems in the researches of stalagmite laminae chronology and climatology are discussed. At present, the following problems need to be faced in the study of stalagmite laminae chronology and climatology. In the construction of the high-resolution chronology of stalagmite laminae, it is necessary to distinguish and exclude the errors caused by special layers (false layers, super annual layers, missing annual layers, etc.), and quantitative reconstruction of the climatic and environmental significance of various physical and geochemical proxies on the interannual-seasonal scales based on different cave environments. The stalagmite laminae have great potential in realizing the internal structure of abrupt climate events and the quantitative reconstruction of paleoclimate. In the future research, the formation mechanism and sedimentary cycle characteristics of stalagmite laminae should be discussed in combination with modern cave monitoring, so as to accurately evaluate the age error caused by false and missing annual layers. Secondly, using multi-proxy comprehensive comparison, quantitatively study the transmission process of climate and environmental signals in the cave system, and the application of new technologies and methods is strengthened to improve the accuracy of interpretation of stalagmite laminae chronology and paleoclimate proxies.
表 1(Table 1)