全新世早期石笋灰度序列记录的气候环境信息分析——以重庆羊口洞石笋为例

全新世早期石笋灰度序列记录的气候环境信息分析——以重

庆羊口洞石笋为例

崔古月;杨勋林;方默勤;孙喜利;史志超;王宝艳

【摘 要】以采自重庆南川地区金佛山羊口洞中一支石笋YK719为研究对象,利用

精确的230Th测年数据、18O 数据和灰度数据重建了重庆地区早全新世古气候

变化序列.将石笋YK719灰度序列和18O记录进行对比后发现,在弱季风时段,石

笋18O值偏重,石笋灰度值较高,灰度序列表现出“谷”构造;反之亦然.分析显示

羊口洞石笋灰度序列与树轮△14C数据、太阳黑子数据具有较高的相关性,说明太阳

活动是驱动石笋灰度序列变化的一个重要因素.太阳活动可能通过温度和季风降水

两方面来影响石笋灰度的变化:温度升高促使土壤微生物活动量增加,土壤中可溶性

有机碳和CO2含量增加,从而形成较为纯净的方解石沉积物,石笋颜色暗而透明,反

之,石笋表现为不透明乳白色;北大西洋浮冰变化在早全新世可能通过季风—欧亚大

陆雪盖耦合来间接地影响亚洲季风降水变化,从而影响石笋灰度的变化.%One

stalagmite (YK719) from the Yangkou cave at the Jinfo

Mountains,喝什么茶可以减肥 Nanchuan in Chongqing is ud as the rearch object in this

purpo is to reconstruct the climate change in the early

Holocene with accurate-230 Th dating results,18O and grey scale

ison of the grey scale quence and 18O suggests that 18O

value was heavier during the weak monsoon ingly,the grey

scale quence shows a "trough-shaped" r,it showed "a

crest" pa儿科实习小结 ttern when the monsoon was rmore,the grey scale

value has a good correlation with the tree ring △14C data and the sunspot

number,suggesting the solar activity is an important factor in controlling

the variation of grey scale activity might affect the grey scale

value variation via temperature and monsoon precipitation,(1)The increa

of temperature leads to the ri of soil microbial activity and a large

amount of decompod or ganic ile,rock would be

dissolved faster for the ri in the dissolved organic carbon and soil

,the relatively pure calcite would be deposited with darkish and

transparent i,it would be opaque and milky;(2) Solar

activity-induced changes in the North Atlantic floating ice may indirectly

affect the Asian monsoon precipitation variation through the coupling of

the monsoon and Eurasian snow cap in the early Holocene,so as to affect

the change of grey scale values of stalagmites.

【期刊名称】《中国岩溶》

【年(卷),期】2017(036)002

【总页数】8页(P171-178)

【关键词】石笋;灰度;全新世早期;东亚季风;太阳活动

【作 者】崔古月;杨勋林;方默勤;孙喜利;史志超;王宝艳

【作者单位】岩溶环境开放实验室/西南大学地理科学学院,重庆400715;国土资源

部岩溶生态环境—重庆南川野外基地,重庆408435

【正文语种】中 文

【中图分类】P532

2016年夏季，我国东部地区普降暴雨，部分城市发生内涝，极端的气候再一次引

起社会对于气候变化的广泛关注。洞穴石笋记录因其高分辨率、定年精确等优点，

在全球气候变化研究中担任着越来越重要的角色[1]。由于长期以来，人们主要关

注石笋碳氧同位素的研究 [2-7]，而对于石笋中其他的气候环境替代指标，如微量

元素、纹层特征有关牛的歇后语 和灰度等[8-12]的研究则不够重视；而且，目前对于氧同位素关于

气候环境意义的解释仍存在争议，加之石笋18O记录采样成本较高，实验周期

长，数据的采集受到采样点分布等限制，需要将其他指标引入研究中来，对已存在

的指标加以佐证[3,5,13]。随着数字成像技术的日臻成熟，使得通过数字扫描得到

高分辨率的石笋剖面灰度数据成为可能，并且可以从中分析出更加准确的古气候信

息[14]，与石笋18O记录相比，灰度数据的采集具有采样方便、实验周期短，且

能够在不损坏石笋样本的前提下得到高分辨率数据等优点。本文以采自重庆金佛山

羊口洞的一根石笋为研究对象，利用数字图像技术对其进行分析，获得了全新世早

期高分辨率的石笋灰度序列，并结合石笋18O记录进行对比研究，通过分析石

笋灰度序列、18O记录、树木年轮14C数据和太阳黑子数之间的关系，初步探

讨石笋灰度序列指示的气候环境意义。

本文研究所采用的石笋YK719采自重庆市南川区金佛山羊口洞。金佛山地处四川

盆地东南边缘与云贵高原北缘交界带，属大娄山北端(图1)。金佛山顶以二叠系灰

岩为主，岩溶发育强烈。山顶存在着一个庞大复杂的地下洞穴系统。羊口洞洞口海

拔高程2 140 m，全长2 245 m，洞穴通道空间规模较大，宽度一般为15～20

m，高度一般为8～12 m，洞底面积约35 000 m2[15]。该地区受到西南季风和

东南季风的共同影响，夏季风影响期间，降水量大，水汽主要来自于印度洋和西太

平洋，多年平均气温为14.5 ℃，多年降水量为1 434 mm，月均降水量在100

mm以上有7个月，即4-10月，占全年降水量的83%。该地区是典型的亚热带

湿润性季风气候区。从山脚到山顶气候垂直变化明显，温差可达5～6 ℃，年均相

对湿度在90%以上[16]。

羊口洞石笋YK719氧稳定同位素数据提取：先沿着石笋生长轴方向将石笋切开，

用抛光机打磨石笋切割面，沿着石笋生长轴中心线采用直径为0.5 mm的牙钻约

每 0.5 mm采一个样，共取得206个氧稳定同位素样品。根据石笋沉积速率变化

挑选186个样品进行18O数据测试。全部分析在西南大学地球化学与同位素实

验室完成，采用Delta-V-Plus 型质谱与碳酸盐自动进样装置( Kiel IV) 联机测试，

每9个样品中加测一个标准样品；实验中标准控制样18O的值进行多次分析，

其偏差<0.1‰，石笋平行样品的分析<0.2‰，结果均相对于VPDB( Vienna Pee

Dee Belemnite) 标准。石笋YK719共测试了11个230Th年代数据(见表1)，根

据建立的生长模型得出覆盖年龄时段为8.3～11.5 ka BP。从表1可以看出，所有

年龄数据都按石笋沉积先后秩序排列，说明数据可信。年龄误差最大为84 a，最

小为39 a，平均误差约为51.5 a，这些年代数据均在美国明尼苏达大学地球科学

系同位素实验室完成，采用多接收电感耦合等离子质谱(MC-ICP-MS)测定。

灰度序列的提取：将抛光过的石笋剖面用酒精和超纯水擦洗过后，在暗室里对其进

行扫描，而后再用古气候记录图像软件对数字化后的灰度矩阵进行分析，其值介于

0～255之间，数值越大表示反光越强，表示石笋颜色也更浅，颜色上呈现出乳白

色，透光性差；反之，则表示石笋则颜色偏暗、较透明，为纯净的方解石构造。

多数研究显示东亚季风区石笋18O主要反应东亚季风信息。Wang等[18]指出

石笋氧同位素记录反映了与夏季风强弱变化相联系的冬夏季降水的比率；Yuan等

[2]认为石笋18O记录主要反映了水汽由源区向内陆移动的过程中水汽冷凝比率

的多寡，进而反映了夏季风强度的变化；Cai等[4]指出影响石笋18O的因素有

多种，在不同的时间尺度和气候边界条件下，影响石笋18O值及其与气候要素

值的关系也会不同。Liu等[19]在2014年进行的模拟研究表明：在轨道和千年尺

度上，季风环流强弱应该是影响石笋氧同位素组成的主要因素。虽然尚有其他许多

影响因素，但在小尺度上(例如小冰期)，石笋氧同位素记录的解释则需要更加谨慎

[5]。

为了判别石笋YK719的18O记录能否真实地反映古气候信息，故对其氧同位素

序列进行重现性检验 (图2)。本文把石笋YK719和阿曼地区的Qunf洞的Q5石

笋[20-21]进行对比分析，在美就在身边作文 相同研究时段内，通过对Q5石笋中的18O记录通

过线性内插处理后对两个洞穴的石笋18O数据进行了重现性分析，发现两个洞

穴的石笋18O记录变化趋势基本一致(r=0.74，n=186)，具有较好的可重复性，

说明石笋YK719的18O记录动力分馏不明显，可以记录气候环境变化。

石笋YK719的18O记录变化大体以9.7 ka BP为拐点分为前后两个阶段：(1)在

早全新世开始阶段，石笋18O值表现为波动起伏大，整体逐渐偏轻的趋势，在

10.3 ka BP和9.7 ka BP分别出现了两次弱季风事件，这两次弱季风事件则和北

大西洋浮冰事件7和6相对应[22]。羊口洞石笋YK719和Qunf洞石笋Q5的

18O记录虽然在整体变化趋势上基本一致，但是也存在一定的区别，特别是在气

候事件上，石笋YK719较清晰的记录了9.7 ka BP弱季风事件，而石笋Q5记录

的则不够明显；同时，由于分辨率的原因，石笋YK719则没有显示出9.3 ka BP

弱季风事件，而石笋Q5序列则有明显记录，这说明对气候事件的研究需要来自不

同研究点更多记录的验证。(2)在9.7 ka BP以后，石笋YK719 的18O分辨率较

低，整体趋势较为平稳，石笋18O值逐渐偏轻，显示早全新世季风逐渐增强。

石笋YK719 的18O值的整体变化趋势随北半球夏季辐射升高而逐渐偏轻，暗示

随着太阳辐射加强，ITCZ位置逐渐偏北，北半球夏季风逐渐增强[23]，气候相对

稳定，总体为温暖湿润的气候环境[24]，同时，石笋18O的波动显示了东亚季风

也受到北大西洋Bond[22]旋回的影响。

石笋灰度蕴含着丰富的气候环境信息，洞穴上覆植被状况、碳酸钙沉淀、微生物、

降水以及渗流管道等都有可能对其产生影响。Shopov和刘东生等[25-26]在石笋

荧光强度和微层厚度序列中发现了与太阳黑子活动类似的11年周期的记录。秦小

光等[27-28]认为石笋微层的灰度变化主要由滴水携带和原地生长的有机物造成，

北京地区石笋灰度反映了印度季风变化的同时也可以作为气温的指代性指标。汪永

进等[29]认为灰度的变化可以揭示洞穴湿度的变化过程。大量研究表明，石笋灰度

序列同石笋18O记录具有较好的相关性，共同记录了降水对季风变化的响应以

及亚洲季风强度的变化[30-32]；杨勋林等[13]对湖北仙女山隧洞内一根生长周期

为9年的石笋进行了研究，发现石笋灰度蕴含了气温和降水的信息；Duan等[33]

指出，石笋灰度和13C记录共同反映了洞穴上覆地区植被状况的变化，而植被的

变化又与当地的气温与降水有关。可见，在东亚季风区，石笋灰度基本能够反映季

风降水和温度信息。

对比石笋YK719灰度序列、18O曲线以及阿曼Qunf洞Q5石笋18O曲线(图

2)发现，当18O记录表现出偏重趋势，石笋灰度值也偏大；反之亦然。特别是

在季风偏弱的时段，例如，在全新世早期经历的9.7 ka BP和10.3 ka BP附近弱

季风事件中，石笋18O偏重，灰度值偏大，即表现出一个“谷”构造。弱季风

事件时期对应的石笋微层显示为乳白色，这种现象在南京葫芦洞的石笋中也很常见，

乳白色的层位对应于气候条件比较干冷的时期[29]，原因可能是：(1)来自洞顶滴

水中可溶性和非可溶性的物质，特别是在弱季风时期，气候较为干旱，由于地表雨

水在土壤带和渗滤通道滞留的时间较长[34]，夹带了高含量的杂质(如黏土等)；(2)

由于气候干旱，滴水速率下降，导致附着于石笋表面的薄膜水失去了来自洞穴顶板

滴水的频繁扰动，形成了较为稳定的薄膜水，在菌藻类微生物以及通过薄膜水张力

牵引而来的洞内尘粒物质发生了沉积，导致方解石的光学特征受到了影响。当石笋

18O记录处于偏轻时段，灰度序列往往呈现出“峰”构造，表现在石笋剖面上为

色泽偏暗、较透明；反之，石笋剖面则呈现出偏亮、不透明的特征。

与石笋YK719的18O记录相比，灰度序列的振荡幅度要更加明显，呈现出了若

干个“峰、谷”旋回构造，但其整体数值均在160附近波动，没有明显的增大或

者减小；但是，石笋YK719的18O记录在研究时段内则呈现出波动偏轻的特征，

这可能暗示了两者受控于不同的驱动因素，石笋灰度变化在短时间尺度上可能主要

受控于太阳活动引起的太阳能量变化的影响。

为进一步分析羊口洞石笋YK719灰度变化的驱动因素，本文把灰度记录和表征太

阳活动变化的记录进行对比。图3中，14C数据来源于树木年轮[35]，在选取了

相应的时间序列后，发现石笋YK719的灰度序列和14C数据呈现出较好的相关

性；同时与太阳黑子数据在相同研究时段的变化趋势也基本一致。

Eddy[36感恩父母的演讲稿 ]研究发现在太阳活动减弱的蒙德极小期，太阳黑子数很少，极光也很少

出现，而这一时期恰好对应于气候变化的小冰期。从图3中可以看出，石笋灰度

数据和树木年轮14C数据在整体变化趋势上基本一致，表现出相似的若干个旋

回构造：当灰度值处于高值时，14C值也相应地处在偏正的位置，反之，当灰度

值在低值处波动时，14C值也在偏负的位置波动。同样的，灰度序列值和同时期

的太阳黑子数目也存在着较好的对应关系，从整体研究时段上看，当太阳黑子数较

多时，灰度序列值较小，在石笋剖面颜色显示为偏暗、较透明；而太阳黑子数较少

时，灰度序列值较大，在石笋剖面表现为颜色偏亮、不透明的特征。

这可能是因为，当太阳黑子数增加时，太阳活动增强，太阳辐射量增加，使得地表

温度升高，进而促使微生物的活动量人为什么会自杀 增加，大量的有机质被分解出来，增加了石笋

剖面中暗色物质的来源[27]；另外，温度升高会使微生物加大繁殖速度，加快对生

物遗体的分解，而增加渗水中有机质含量，土壤可溶性有机碳含量随温度升高而增

加[37]，土壤中CO2含量增加，会加速溶解基岩，从而形成较为纯净的方解石沉

积物，石笋颜色暗而透明。袁道先的研究显示，在亚洲季风区，土壤中生物成因

CO2的含量在夏季达到高峰，冬季则为低谷，与气温变化一致[38]。灰度序列值

的变化与树木年轮14C数据、太阳黑子有着很好的对应关系，另一种解释是由

于气候系统内部的相互作用放大了太阳活动引起的辐照量的变化[32]。太阳活动和

季风密切的相关性被来自阿曼南部的更长时间的Q5记录石笋所证实，太阳活动诱

导的北大西洋浮冰变化在早全新世可能通过季风-欧亚大陆的雪盖耦合来间接地影

响亚洲季风降水的变化，这种相关性显示了在季风增强后，北半球主要的冰盖消失

导致北大西洋的温盐循环变得更加稳定，与北大西洋向北的热传递变化和大洋深水

作用相比，亚洲季风对太阳驱动变化的响应要更大[20]。

为了进一步研究灰度序列变化的影响因素，特对其进行了功率谱分析(图4)，通过

分析发现其有431 a、196 a、52 a、31 a、24 a、20 a等周期。其中，431 a周

期和大气14C 产率记录所指示的较长时期的太阳周期420 a较为接近[39]，暗

示了灰度序列记录的变化可能受控于太阳黑子变化和太阳风磁场变化。196 a与太

阳活动的双世纪大周期相似，31 a的周期接近树轮记录的14C活动周期[35] ，而

24 a、20 a则更接近于太阳活动的双海尔周期，Cai等[4]在对九仙洞石笋的研究

中发现了明显的23 a周期，20 a的周期在先前对东石崖洞石笋DSY09的研究中

也被发现[40]。这说明太阳活动对石笋灰度序列值的影响很大，这也许可以为石笋

灰度序列成为短尺度太阳活动的代用记录提供一个佐证。52 a与太平洋十年涛动

指数(PDO)的50～70 a周期一致，曾有研究指出，PDO能够通过影响西太平洋副

热带高气压带的位置，进而影响东亚季风的强度[41]。

以上分析显示石笋YK719灰度序列除了直接响应太阳活动周期外，对于PDO的

变化也有很好的响应，这说明影响石笋灰度的因素比较复杂，也从侧面印证了低纬

度地区短尺度季风气候直接响应太阳辐射能量变化这一观点[42]。

本文通过对采自重庆南川地区金佛山羊口洞中一根石笋YK719进行研究，利用石

笋18O数据和灰度数据重建了重庆地区早全新世古气候变化序列，分析发现：

(1)在全新世开始阶段，石笋18O值起伏波动较大，整体呈现偏轻趋势。在10.3

ka BP和9.7 ka BP石笋18O值突然偏重，石笋灰度值也同时偏大，分别指示了

两次弱季风事件，这两次弱季风事件在发生时间上与北大西洋浮冰事件7和6相

对应。北大西洋浮冰变化可能在早全新世通过季风-欧亚大陆雪盖耦合来间接地影

响亚洲季风降水变化，从而影响石笋灰度的变化。

(2)本文发现石笋灰度序列在变化过程中主要响应太阳活动的变化，更多地受到太

阳活动所趋动的太阳辐射能量变化的影响。石笋灰度序列值、太阳黑子数和树轮

14C数据在整体变化趋势上具有较高的相关性，这表明当太阳黑子数相对较多时，

太阳活动较强，从而使得地面温度升高，植被更加发育，微生物的活动也更加活跃，

分解有机质的能力更强，在灰度序列上则表现为数值越小，其颜色也越暗，反之，

其颜色越亮。

(3)石笋灰度序列的功率谱分析也支持上述观点，这为石笋灰度序列在短时间尺度

上能够表征太阳活动提供了一种新的可能性的解释。由于影响石笋灰度序列的因素

较为复杂，因此，关于石笋灰度的影响因素和驱动机制还需要进一步的深入研究。