重庆地区末次冰期以来石笋的微量元素及古气候记录研究

摘要

全球气候变化及其影响是当今科学研究的热点之一。20世纪以来，全球气候和环境正以前所未有的速度发生变化，一系列全球性重大环境问题已经对人类的生存和发展构成严重威胁。科学地分析这些全球性环境问题的性质、形成的原因、变化的规律，预测其发展趋势，评估其社会经济影响，提出合理的适应对策，是21世纪全球变化研究必须回答的问题。要提高对未来气候变化的预测能力，人类必须充分认识和了解过去气候变化的历史，了解其变化的幅度、机制，作为制定应对全球变化策略的基础，最终实现人与自然协调可持续发展。 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重要发展方向之一。重庆地区地处东亚季风与西南季风系统交汇处，是探讨和研究西南季风演化的良好场所；再加上岩溶面积约占整个地区的40％，岩溶洞穴广泛发育，洞穴内沉积物丰富多样，为当地的研究提供了良好的物质基础。洞穴石笋中蕴藏了丰富的有可能记录古气候变化的物理和化学指标，由于时空差异性使得各种指标的解译存在较大分歧，目前以碳氧稳定同位素指标的研究较为成熟，利用这一指标进行重庆地区古气候重建工作已取得初步成果，在此基础上开展微量元素指标的研究工作，识别其受气候环境变化控制的影响，进一步筛选气候变化的替代指标，以便多种指标相互验证，为重建重庆地区的古气候和古环境提供新的思路。 本文研究的内容主要包括两个方面：洞穴滴水监测和石笋古气候记录。选取重庆武隆芙蓉洞和丰都雪玉洞作为长期监测点，按周或月采集大气降水、土壤、现代洞穴滴水、洞穴池水、洞顶泉水、基岩等，并同步测定洞温、水温建立起滴水中的微量元素指标与当地降水和气温的关系。通过多次野外考察采样，主要选取南川金佛山梁天湾洞、丰都水鸣洞以及奉节新崖洞的四根石笋作为研究对象，用高精度的TIMS-U系测年、沉积学特征和多种气候替代指标重建重庆及周边地区末次冰期及全新世以来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。经初步研究得出以下几点结论： （1）受地下水干扰作用小，主要由大气降水较快渗入洞内形成的滴水所携带的地球化学信息能较好地响应外界气候条件变化，相应沉淀的洞穴次生沉积物才有可能记录准确的气候信息。雪玉洞滴水的元素变化就可以快速、准确地反映外界降水变化，因此其洞穴沉积物保存的古气候信息准确率较高：而芙蓉洞滴水对降水变化响应的时间较为滞后，并且多为当季雨水与古地下水的混合水，元素变化较为复杂，反映外界气候变化的精确性明显不如雪玉洞滴水。 （2）洞穴滴水的微量元素（Ba2+除外）含量及比值都呈现出一定的季节性变化，主要与两方面因素有关：1）土壤淋漓和基岩溶蚀程度；2）水岩作用时间长短。这两种作用的结果是相互抵消的，但在不同的时段可能由其中一种因素作为主导作用，仍可以推断出微量元素含量变化所透漏的气候信息。芙蓉洞和雪玉洞洞穴沉积物的Mg/Ca比值应该可以直接反映滴水中MG/Ca比值的变化，从而可以直接用于反映洞穴外界气候干湿条件的改变，即降水增多，岩溶水在母岩中滞留时间短，Mg/Ca比值降低；反之则升高。 （3）重庆地区石笋微量元素记录是可以作为反映气候环境变化的指标，Mg/Ca比值为首选，与碳氧稳定同位素的对比研究发现，Mg/Ca比值变化与δ13C值的相关性更好，暗示Mg/Ca可能作为古降水变化的气候指标。与洞穴滴水的微量元素研究结果也相符。然而，温度变化对Mg的分配系数影响，以及地表植被、土壤微生物对母液中Mg2+浓度的改变等干扰因素也是不可忽略的，因此在利用Mg/Ca比值恢复古气候变化应结合碳氧同位素进行对比验证，以摒除错误的气候信息。 （4）同一石笋不同元素比值之间的相关性可以反映控制元素比值的因素是否相同。总体来看，石笋中Mg/Ca与Ba/Ca值的相关性很弱，可以认为分别受到降水和土壤微生物作用的影响，而Sr/Ca比值却可以与两者同时保持一定的正相关关系，表明其至少受到以上两种因素共同制约。综合而言，Mg/Ca比值作为气候干湿变化的指标相对比较可靠，受外来干扰较小，而Sr/Ca和Ba/Ca值易受到植被、土壤微生物活动及降水等多重因素影响，作为某一气候替代指标的稳定性较差。 （5）当石笋中碳氧同位素出现同向变化时，微量元素变化（尤其是Mg/Ca比值）与δ18O、δ13C趋于一致，两者所反映的古气候信息也基本相符，如梁天湾洞石笋LT14、新崖洞石笋XY6；当碳氧同位素出现反向变化或是不同步变化时，两者所所反映的古气候信息差异较大，如水鸣洞石笋SM1、新崖洞石笋XY2。是否只有在“暖湿”“冷干”的水热组合模式条件下微量元素所记录的气候信息才是正确的？还需通过进一步研究工作来证实。 （6）重庆地区石笋中mg/Sr与Mg/Ca比值变化一致，主要受Mg2+变化的影响，可以作为古降水指标，而不能反映温度的变化。只有当石笋中的微量元素在岩溶水中的含量或者比值，在所研究时段内不变或者变化很小时，Mg/Sr变化才可能作为古温度变化的代用指标。否则，就需要综合考虑影响微量元素含量或者比值变化的各个因素，以确定其代表的真实环境信息。 （7）重庆地区石笋Mg/Ca比值可以作为气候干湿指标。然而当地的水热条件变化并不一定完全同步，在某些极端气候事件发生的降温过程中若未伴随降水条件的改变，那么Mg/Ca比值可能对极端气候事件的响应不太敏感。

目录

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声明

第一章综述

1.1古气候研究概述

1.2石笋古气候记录研究的优势

1.3研究现状

1.3.1石笋定年技术的研究进展

1.3.2石笋气候环境指标意义的研究现状

1.4重庆古气候研究现状及存在问题

第二章绪论

2.1选题背景和意义

2.2研究目标和内容

2.3研究区概况及洞穴分布

2.3.1自然地理概况

2.3.2岩溶洞穴分布

2.4技术路线

2.5拟解决等关键问题

第三章洞穴滴水的水文化学过程

3.1洞穴沉积物的形成过程

3.2芙蓉洞滴水地球化学的空间变化

3.2.1洞穴概况

3.2.2样品采集及分析方法

3.2.3空间变化分析及物质来源

3.3洞穴滴水的季节性变化

3.3.1滴水点的选取

3.3.2洞穴滴水滴率对大气降水的响应

3.3.4滴水中元素含量的季节性变化分析

3.3.5滴水中元素比值变化及气候意义

3.4小结与讨论

第四章梁天湾洞石笋微量元素的研究

4.1研究区概况

4.2样品采集及处理

4.3石笋LT14的年代序列

4.4沉积特征和沉积速率

4.5碳氧同位素记录

4.5.1氧同位素分析

4.5.2碳同位素分析

4.6微量元素记录

4.6.1微量元素含量分析

4.6.2微量元素比值分析

4.6.3微量元素比值与碳氧同位素的相关关系

4.6.4微量元素比值及环境解译

4.6.5 Mg/Sr比值的环境意义

4.6.6生长速率与Mg/Ca比值的关系

4.7小结

第五章水鸣洞石笋微量元素记录

5.1地理位置与地质背景

5.2样品采集和处理

5.3测年结果

5.4沉积特征和生长速率

5.5石笋SM1的碳氧稳定同位素记录

5.6微量元素记录

5.6.1各元素含量分析

5.6.2锶元素含量异常的原因

5.7微量元素比值变化与碳氧同位素对比分析

5.7.1微量元素气候记录

5.7.2石笋SM1与LT14的对比研究

5.8小结

第六章新崖洞石笋XY6、XY2的微量元素研究

6.1 XY6石笋微量元素记录

6.1.1研究区概况

6.1.2样品采集和处理

6.1.3结果与讨论

6.1.4小结

6.2 XY2石笋微量元素古气候记录

6.2.1样品采集和处理

6.2.2结果分析与讨论

6.2.3结语

第七章总结与讨论

7.1主要结论

7.2存在问题及进一步研究方向

参考文献

致 谢

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