钙华年层的形成及气候环境因素控制研究

摘要

近年来，随着人们环境意识的提高，对当今气候环境的变化日益重视，从而相关问题的研究也越来越多。钙华作为地表次生碳酸钙沉积物，蕴含着丰富的气候环境信息，而受到环境学者尤其是岩溶学者的极大关注。 冰芯和珊瑚年层记录提供了高分辨率的全球气候环境变化证据，然而，由于这些古气候信息载体地理分布有限，所以难以直接用于大面积陆地环境的气候预测，陆地古气候信息载体有助于对过去气候变化的了解以及未来气候对人类社会影响的预测。过去，这方面的研究主要集中在黄土沉积、湖相沉积和洞穴化学沉积物，它们涉及利用沉积学和地球化学指标替代指标恢复古气候。尤其是石笋，由于石笋微层的存在，使其能够提供温度降水年变化甚至更高分辨率的气候信息而备受重视。 但是因石笋微层较薄和延伸较短而造成样品用量不足，而钙华中也发育丰富的微层，并且微层厚度及其延伸宽度足以进行常规有机质、同位素和微量元素的分析。研究表明：钙华中交互出现的致密和疏松微层分别是在冬－春季和夏－秋季形成的。这一规律反映了方解石沉积速率的季节变化，即沉积速率的增加导致致密的方解石结构。同时还发现，对应于致密微层，其δ13C和δ18O为高值，而对应于疏松微层，其δ13C 和δ18O为低值，从而在整个钙华剖面上出现周期性的δ13C 和δ18O的高值和低值。这样，δ13C （或δ18O）相邻的两个高值或低值之间即为1个完整的年层。所以，通过读取整个钙华剖面上的高值点或低值点数目，即可实现对钙华年层的计数（假定没有年层的缺失）。这使得岩溶区广泛存在的地表钙华沉积（更直接反映气候环境变化）很可能成为又一种非常有前景的可用于高分辨率古气候环境重建的载体。 本文采用水化学仪器自动记录、现场测定和取样实验室分析相结合的方法，在桂林雁山长流水和云南香格里拉县白水台人工渠放置有机玻璃试片，进行钙华沉积野外观测实验，并对研究点的水化学和同位素变化，以及钙华沉积微层进行了研究，并得出了一些初步的结论。 1.通过实验过程中对桂林降水以及长流水中的氘、氧稳定同位素分析，并与桂林雨水线进行比较得出，桂林现代降雨的氘氧同位素主要落在雨水线的下方，主要是由于桂林地处热带，受来自太平洋地区的降水云团以及亚热带的快速蒸发的结果。同时，泉水与降水中的氘、氧同位素有较好的对应关系，说明水中的氘、氧在很大程度上可以反映当地降雨的变化，即可以用作气候环境变化的替代指标来定性的讨论降雨的变化。 2.桂林长流水及白水台人工渠道的水化学参数（电导率，钙离子和重碳酸根离子浓度），由于水中二氧化碳的逸出，碳酸钙的沉积，而沿水流逐渐降低，pH值在水流动过程中逐渐升高，主要原因是碳酸钙沉积速率的变化，导致一些离子迅速降低，此外可能由于水草释放有机酸，而导致pH值的降低，具体原因有待探讨。此外，白水台人工渠泉口和桂林长流水泉口的水温基本不变，前者由于深部岩溶系统的影响，其中主要离子的浓度远高于后者，但由于地处高原水温较低，各种离子的变化不如长流水显著。 3.水中碳稳定同位素值都是从上游到下游逐渐升高，是由于水中二氧化碳在逸出的过程中发生了同位素的分馏，轻的同位素逸出，而重的同位素留在水中的结果，这种现象同样体现在沿水流方向的钙华沉积中,这与世界其它国家和地区是一致的。 4.通过钙华沉积实验得出，颜色深的疏松微层是在春-夏季形成的，因降水丰沛，泉水在流动过程中混进了泥沙等杂质，使形成的碳酸钙含杂质较多，此外因土壤中含有一些金属离子（本身具有颜色）也会随碳酸钙一起沉积下来，导致其较疏松且呈淡黄色；冬-春季节降水较少，泉水混进的泥沙等杂质较少，沉积较快且致密，颜色较浅，这一规律反映了钙华沉积的季节性韵律。同时还发现，对应于疏松微层，其δ13C 和δ18O为低值，而对应于致密微层，其δ13C和δ18O为高值。 本文通过近一年的研究尽管获得了一些认识，但有些认识可能是片面的甚至是错误的，很多问题仍有待解决，如气候环境替代指标的定量化问题、区域性“小气候”对替代指标的影响问题，以及印度季风的影响等等，这些都有待于在今后的工作中不断补充和完善。