早全新世季风演化的多指标高分辨率石笋记录研究——以河南老母洞石笋为例

摘要

近年来各地气候异常时有发生，促使我们对气候变化进行研究。过去气候变化是全球变化的重要组成部分，对其研究可以为未来气候环境研究提供理论基础。由于我国的气候环境变化既受全球大气系统的影响而具有全球性一般特点，又受我国特殊地理位置影响而具有区域性特点。因此，我国气候环境的变化具有很大的复杂性，在全球变化的研究中处于较重要地位。近几十年来，人们利用洞穴沉积物、海洋、黄土、冰芯、湖泊、树轮、珊瑚等地质记录已取得丰富的成果。其中，由于洞穴沉积物的高精度年代学及高分辨率等特征，已成为研究几十万年来长尺度及近几千年来短尺度季风气候、环境变化的理想载体。
　　本文以河南省西部栾川县老母洞LM2、LM3石笋为主要研究对象，利用石笋氧、碳同位素及微量元素恢复了过去早全新世的气候变化历史，对其可能的驱动机制进行了探讨，并对老母洞微量元素的控制因素及气候指代意义进行了初步讨论，得出如下结论:
　　(1)利用豫西地区栾川老母洞LM2、LM3石笋氧、碳同位素数据重建了早全新世时段中国北方地区亚洲季风的演化趋势，且分析了两根石笋记录的早全新世弱季风事件。据监测数据分析，认为豫西老母洞石笋δ18O变化指示了季风强弱的变化;早全新世中国南北方石笋氧同位素对弱季风事件的记录并不相同:在LM2石笋中，10.9ka BP到10.13ka BP时段，中国北方石笋氧同位素记录与南方石笋及海湾地区阿曼石笋变化趋势表现出的差异可能是受到区域因素的影响;LM2石笋δ18O曲线并没有记录9.3ka BP冷事件，而是在9.3-9.6ka BP左右记录了一个冷事件-9.5ka事件，与DSY09、Y1、HS-4记录相似，表明在该时段内存在季风的减弱事件，但是由于氧同位素传输的复杂性，使其在南北方表现不同。两根石笋δ18O值曲线均记录了8.2ka事件的开始时段，在时间上亚洲季风区不同地区石笋具有一致性，但是老母洞石笋出现了阶段性下降（中国“8200阶段”），且变幅较大，说明不同区域记录在变化上存在差异，这可能与季风区水汽耦合过程中各个圈层氧同位素对气候事件响应及传输的复杂性有关两根石笋的氧同位素曲线。在8.4-8.5ka BP时段出现了最负值，GRIP冰芯δ18O值在该阶段最为偏正，进一步推断北高纬气候的变化（温度）与亚洲季风强弱变化有关。
　　(2)栾川老母洞石笋微量元素Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca的比值能够较好的响应外界气候条件的变化。通过对微量元素与稳定同位素综合讨论，可以较好的重建古气候变化历史，恢复其古气候演变过程。在早全新世时段，老母洞两根石笋Mg/Ca与δ13C呈正相关关系，降水减少引起大的CO2脱气作用和碳酸盐先期沉积作用(PCP)可能是导致两根石笋δ13C值和Mg/Ca呈正相关的主要因素。Sr/Ca、Ba/Ca变化趋势显示出高度的一致性，暗示两者之间可能受共同的影响因素。它们的变化与δ18O变化趋势相似，因此推断Sr/Ca、Ba/Ca的变化受到降水的影响;根据老母洞上覆基岩中Sr、Ba元素含量分析发现，Sr/Ca、Ba/Ca的变化也受基岩影响;此外，大气粉尘、沙尘、地表植被、上覆土壤也可能是其影响因素。Sr/Ca、Ba/Ca比值受多种因素影响，且主导因素并不明显，将其作为某一气候的代用指标的指示作用并不明显。在强冷事件中，Sr/Ca、Ba/Ca比值的变化是先减少后增加，与Mg/Ca、δ13C和δ18O一致偏正的变化趋势相反，可能是由于强冷事件中植被状况、温度和降水均发生巨大变化有关。鉴于微量元素在岩溶系统中变化的复杂性，还需在今后工作中加强机理研究。
　　(3)通过功率谱分析发现河南老母洞两根石笋氧同位素的周期主要表现为太阳活动周期和ENSO周期，且两根氧同位素石笋与GRIP冰芯δ18O记录的相似，可以推断亚洲季风的强弱与太阳辐射能量的波动、高纬气候的变化及ENSO发生有关。碳同位素和微量元素比值功率谱发现的周期主要表现是太阳活动周期和ENSO周期，说明它们的影响因素与氧同位素因素一致，但是具体影响机制有待于进一步研究。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．1．1 全球气候变化研究的意义

1．1．2 洞穴石笋古气候研究记录的特点

1．1．3 洞穴石笋多指标应用

1．2 国内外研究现状

1．2．1 早全新世时段古气候变化记录的研究现状

1．2．2 微量元素研究现状

1．2．3 河南地区古气候研究成果及存在问题

1．3 研究内容

1．4 技术路线

第2章 研究区概况

2．1 研究区的自然地理概况

2．2 水文与地质概况

2．3 样品采集及实验方法

2．3．1 样品采集

2．3．2 数据分析方法

第3章 老母洞早全新世石笋氧同位素变化及古气候意义

3．1 LM2、LM3年代数据及重现性检验

3．1．1 LM2、LM3石笋年代数据

3．1．2 石笋氧同位素重现性检验

3．2 LM2氧同位素记录及其气候意义

3．2．1 氧同位素记录

3．2．2 该时段LM2石笋δ18O记录的季风减弱事件细节

3．3 LM3石笋氧同位素记录及其气候意义

3．4 老母洞石笋δ18O变化驱动机制探讨

3．5 本章小结

第4章 老母洞早全新世石笋微量元素变化特征及气候意义

4．1 老母洞石笋微量元素变化特征分析

4．1．1 LM2石笋微量元素比值变化特征

4．1．2 LM3石笋微量元素比值变化特征

4．2 石笋微量元素与稳定同位素分析

4．2．1 Mg／Ca比值变化的机理研究

4．2．2 老母洞石笋Mg／Ca比值变化意义

4．2．3 Sr／Ca和Ba／Ca比值机理研究

4．2．4 老母洞石笋Sr／Ca和Ba／Ca比值变化意义

4．3 LM3石笋微量元素比值及碳同位素功率谱分析

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 问题与展望

参考文献

致谢

附录