用210Pb技术判断年轻石笋封闭性研究

殷建军, 林玉石, 覃嘉铭*, 王 华, 唐 伟

1)中国地质科学院岩溶地质研究所, 广西桂林 541004;

2)国土资源部/广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室, 广西桂林 541004;

3)西南大学地理科学学院, 重庆 400715

用210Pb技术判断年轻石笋封闭性研究

殷建军1,2,3), 林玉石1,2), 覃嘉铭1,2)*, 王 华1), 唐 伟1)

1)中国地质科学院岩溶地质研究所, 广西桂林 541004;

2)国土资源部/广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室, 广西桂林 541004;

3)西南大学地理科学学院, 重庆 400715

通过测试采自桂林地区茅茅头大岩的两个相邻石笋DY-2和DY-3的现代滴水沉积物的210Pb放射性活度发现: (1)处于同一洞穴相距约1.5 m, DY-2石笋初始210Pb放射性活度是DY-3石笋的3.0倍, 接取的现代滴水沉积物DY-2是DY-3的1.7倍,210Pb放射性活度和现代滴水观测均证明DY-3石笋沉积速率大于DY-2石笋, 说明在相同地质背景和地理环境下,210Pb放射性活度可以作为沉积速率的一个判断工具; (2)两石笋210Pb放射性活度剖面均呈现一定的波动性, 这与石笋沉积时存在晶间孔隙且与晶间孔隙的分布和大小、密集度有关, DY-3石笋210Pb放射性活度剖面的紊乱与石笋晶间孔隙相互联通, 后来210Pb与石笋纹层的210Pb发生混合和交换有关; (3)处于非封闭系统的石笋氧同位素是否发生同位素的分馏还需进一步研究。

210Pb放射性活度; 晶间孔隙; 封闭性; 沉积速率

210Pb技术自1993年Baskaran M和Iliffe Thomas M 首次应用于洞穴沉积物年代测定以来, 已经将近20年, 但是由于各种原因的限制,210Pb技术应用于洞穴沉积物定年依然不多。除了年龄确定(Tanahara et al., 1998; Condomines et al., 2006; Paulsen et al., 2003; Yang et al., 2007; 王华等, 2010; Kuo et al.,2011; Li et al., 2011)外,210Pb还被应用于洞穴环境及地质背景的判断(殷建军等, 2011)和极端降水事件的示踪(Jo et al., 2010)。作者在研究石笋沉积结构的过程中发现, 有些石笋沉积并非致密, 石笋剖面存在孔隙, 但这些孔隙是晶间孔隙还是溶蚀孔隙很难通过肉眼判断, 也给石笋年龄测试带来干扰(杨琰等, 2008a, b), 特别是石笋氧同位素的解释。本文以桂林同一个洞穴的两个邻近生长的石笋进行210Pb定年观测研究, 通过现代滴水沉积监测、石笋剖面210Pb连续测试, 尝试应用210Pb技术判断年轻石笋沉积过程中封闭性, 以图对石笋古气候重建中石笋选取和石笋气候信息解读提供一定技术支持。

0 研究区概况

本研究的石笋采自桂林市区西北郊茅茅头大岩,桂林市位于广西壮族自治区东北部, 多年平均气温为 19.5 , ℃ 多年平均降水量 1885 mm(1961—2008年)。气候类型为亚热带季风湿润气候, 气候分干湿两季, 雨季为5—10月份, 旱季为11月至次年4月份, 雨季降水量占到全年降水量的70%。

茅茅头大岩(北纬: 25°18′34.3″, 东经: 110°16′26.9″)位于桂林市区西北的桃花江右岸的光明山,南连著名的旅游洞穴芦笛岩。洞穴围岩为上泥盆统融县组亮晶砂屑灰岩、残余微晶砂屑灰岩和泥晶灰岩及上白垩统红色钙砾岩, 为一规模较大的地下河式洞穴, 洞底标高 179～182 m, 洞穴长 975 m, 宽5～30 m, 高 5～25 m, 面积约 14372 m2(朱学稳等, 1988)。洞穴顶板厚度在百米以上, 最大厚度达到200 m(韩军, 2006)。洞顶植被类型主要为灌木和草本植物, 覆盖度较好。洞内化学沉积物非常丰富, 石笋、石钟乳、流石坝随处可见, 也有大量重力崩塌、坍塌石块和流水携带进入的洞穴砾卵石(岩)和钙华粘土。DY-2和DY-3石笋采自距洞口约400 m处洞道左壁钙华台上, 两笋相距约1.5 m, 均为正在生长的石笋, 其中 DY-2石笋高 10 cm, DY-3石笋高约7 cm, 两石笋均通体白色, 石笋切开后孔隙较多,但颜色变化一致, 由方解石粗晶粒组成, 无明显沉积间断(图 1), 采样时石笋上方正在滴水(均为常年性滴水点), 通过在原位放置玻璃片, 玻璃片上沉积大量现代沉积物(图2), 证明石笋正在生长。

图1 DY-2(A)和DY-3(B)石笋剖面Fig.1 Profiles of DY-2 (A) and DY-3 (B) stalagmites

图2 DY-2(左)和DY-3(右)现代沉积物(接取时间: 2010-08-29至2010-12-31)Fig.2 Collected modern sediments of DY-2 (left) and DY-3 (right) stalagmites (collection period from 2010-08-29 to 2010-12-31)

1 研究方法

石笋采集时间为2009年11月27日。样品取回后在西南大学地理科学学院用切割机将石笋沿生长轴切开, 并打磨、抛光。为了避免受到表层210Pb的污染, 样品采集后用封口袋密封放置。沿石笋生长轴中心进行210Pb样品取样, 0～30 mm以2 mm为间隔用刻刀刮取, 30 mm以后以4 mm为间隔进行采样(Lu et al., 2005), 采样时避免跃层和触及石笋表面,避免交叉污染, 为提高计数, 每个样品采集量在0.5～1.0 g。

样品测试是在中国地质科学院岩溶地质研究所测试中心同位素实验室完成的, 测量仪器为美国EG&G Ortec公司生产的920-8 alpha能谱仪, 仪器分辨率 FW=19 keV, 仪器效率为 21%, 测试误差<3%。方法参见文献(王华等, 2008)。

2 结果与讨论

2.1 两石笋初始210Pb放射性活度比较

两个石笋虽然相距仅约1.5 m, 而且石笋结构、生长特征也极为相似, 且上方为同一石旗, 所以可以确定两个石笋水源一致, 只是滴水点为不同的鹅管, 通过测算, DY-2石笋距滴水点高1.6 m, DY-3石笋距滴水点高2.7 m。通过对比2010年8月29日至2010年 12月 31日接取的现代沉积物, 发现 DY-3石笋接取的现代沉积物明显比 DY-2接取的现代沉积物多、沉积厚度更大、且沉积物比较致密(图2), 通过测算, DY-2石笋现代沉积物厚度为0.16～0.40 mm, DY-3石笋现代沉积物为0.30～0.54 mm。通过测试接取的现代沉积物, DY-2 的放射性活度为(6.80±0.43) dpm/g, 而 DY-3石笋的放射性活度为(3.96±0.32) dpm/g, DY-2石笋的放射性活度为DY-3的1.7倍。而且通过测试石笋表层(0～2 mm)的210Pb放射性活度也可以看出, DY-2石笋210Pb放射性活度为(2.49±0.16) dpm/g, DY-3石笋的210Pb放射性活度为(0.84±0.09) dpm/g, DY-2石笋210Pb放射性活度是DY-3石笋放射性活度的3.0倍(表1)。为什么相距很近的两个石笋210Pb放射性活度会相差如此之大呢？研究显示,210Pb的放射性活度与石笋的沉积速率和滴水点的快慢、先成沉积(PCP), 洞穴的封闭程度有关(殷建军等, 2011)。结合本研究石笋, 两个石笋位于同一洞穴, 且滴水点一致, 基本可以排除洞穴封闭程度和滴水点的影响, 那么两个石笋现代沉积物的210Pb放射性活度的差异则来自于沉积速率的差异, 这也从接取的现代沉积物得到了证实, 由于水源一致, 那么滴水的210Pb放射性活度也一致,若沉积速率大, 则单位重量的210Pb放射性活度通量偏低, 而相同厚度的石笋, 若沉积速率大, 则210Pb放射性活度偏低。这也证明了两石笋表层(0～2 mm)沉积序列正常。

2.2 两石笋210Pb放射性活度剖面的比较

210Pb是由238U衰变序列中222Rn衰变产生,210Pb放射性活度随时间发生指数衰减, 但从 DY-2和DY-3石笋的210Pb放射性活度(表 2)剖面可以看出,两个石笋均不是随时间指数衰减, 而是呈现一定的波动性, 特别是 DY-3石笋剖面(图 3)。DY-2石笋210Pb放射性活度波动是由于滴水滴率大、且滴水点位置的变化, 沉积物之间晶间孔隙分布和大小存在差异所致(殷建军等, 2011)。但是通过比较发现DY-3石笋的210Pb放射性活度波动更大, 特别是在34 mm以下,210Pb放射性活度比 34 mm以上大部分都高,不符合210Pb放射性活度随深度发生衰减的规律, 发生紊乱, 可能存在后来的210Pb与已经沉积进入石笋剖面的210Pb的混合和交换, 而在34 mm以上的部分石笋相对致密, 石笋剖面并未见明显的孔隙存在,所以210Pb放射性活度呈现随深度变化发生衰减。

仔细观察DY-2石笋, 虽存在晶间孔隙, 但是晶间孔隙规模不大, 且晶间孔隙多沿纹层呈现放射性分布。而在DY-3的石笋采样过程中发现, DY-3石笋孔隙特多, 甚至存在相互连通的现象, 特别是在石笋剖面34 mm以下部分, 而且DY-3石笋表面有孔隙与内部孔隙联通, 滴水沿石笋外壁流动过程中可以不断填充进入石笋, 导致进入已经存在石笋内的210Pb与新鲜滴水的210Pb交换, 导致已经形成的石笋的210Pb放射性活度值高于原来剖面的210Pb放射性活度, 而且交换程度的差异也导致210Pb放射性活度随交换点位置的变化而呈现衰减变化规律(见图3)。当然还不能排除另一种可能, 就是在石笋中存在溶蚀孔隙, 如果石笋存在溶蚀孔隙, 那么石笋形成后由于沉积剖面被破坏, 已经形成的石笋剖面填充新形成的沉积物, 导致石笋剖面中210Pb放射性活度偏高, 但在DY-2和DY-3石笋中均未发现存在溶蚀现象。

表1 DY-2石笋与DY-3石笋初始210Pb放射性活度比较Table 1 Comparison of initial210Pb specific radioactivity between DY-2 stalagmite and DY-3 stalagmite

表2 DY-2石笋与DY-3石笋210Pb放射性活度比较Table 2 Comparison of210Pb specific radioactivity between DY-2 and DY-3 stalagmites

图3 DY-2(左)和DY-3(右)石笋210Pb放射性活度剖面图Fig.3 210Pb specific radioactivity profiles of DY-2 (left) and DY-3 (right) stalagmites

210Pb放射性活度序列的紊乱也说明石笋形成后并非处于封闭体系, 后来滴水的进入是否会与已经形成的石笋进行物质和能量的交换？特别是用来反映气候信息的石笋同位素是否发生了交换？是否会给我们解译石笋同位素信息带来噪音, 甚至导致我们对其进行误判？还需要我们进一步研究。

3 结论

通过比较同一洞穴中相邻两个石笋的210Pb放射性活度剖面和接取的现代沉积物210Pb放射性活度发现:

1)DY-2和 DY-3石笋的初始210Pb放射性活度(0～2 mm)分 别 为 (2.49±0.16) dpm/g 和(0.84±0.09) dpm/g, DY-2石笋210Pb放射性活度是DY-3石笋放射性活度的3.0倍; 而接取的现代沉积物 测 试 发 现 , DY-2 石笋的放射性活度为(6.80±0.43) dpm/g, DY-3石笋的放射性活度为(3.96±0.32) dpm/g, DY-2石笋的放射性活度为DY-3的1.7倍, 说明DY-3石笋沉积速率大于DY-2石笋,且得到了现代监测证实, 方解石沉积、堆积成岩密度DY-3比DY-2大。说明在同一地质背景、地理环境下,210Pb放射性活度大小可以作为沉积速率快慢的判断工具。

2)DY-2石笋的210Pb放射性活度剖面都存在一定的波动性, 可能是由于沉积速率大, 形成时晶间孔隙的大小和密集度差异所致, 但石笋封闭性良好,并不存在后来210Pb的交换; DY-3石笋的210Pb放射性活度剖面明显紊乱, 可能与石笋中存在联通的晶间孔隙, 后来的210Pb进入石笋内部与以前的210Pb发生交换有关。

3)石笋形成过程中, 多数存在晶间、粒间孔隙,但晶间、粒间孔隙在石笋内部彼此联通, 石笋是否封闭凭肉眼无法透视辨认, 特别是石笋形成后是否存在氧同位素的交换, 都是考验石笋研究的重要问题, 对于年轻石笋可以尝试用210Pb技术进行判断,减少对石笋同位素信号的误判。

致谢: 感谢中国地质科学院岩溶地质研究所袁道先院士和宋爱玲女士对本人工作的支持和帮助, 感谢中国地质科学院岩溶地质研究所曹建华研究员、姜光辉副研究员、张强助理研究员以及国土资源部/广西壮族自治区岩溶动力学重点实验室研究生对本研究的帮助, 感谢编辑部老师和审稿专家的宝贵意见和建议。

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中国地质科学院国家地质实验测试中心磷、砷形态标准物质获批为国家一级标准物质

2012年10月31日, 中国地质科学院国家地质实验测试中心研制的湖底沉积物中磷形态系列标准物质和地下水砷形态系列标准物质通过了全国标准物质管理委员会审查, 获批为国家一级标准物质。

湖底沉积物中磷形态系列标准物质和地下水砷形态系列标准物质的研制填补了我国相关介质形态标准物质的空白。本次共研制了7种地球化学形态标准物质, 其中湖底沉积物中磷形态系列标准物质2种, 定值指标为磷的5种形态; 地下水砷形态系列标准物质5种, 定值指标为砷全量、3价砷和5价砷。两个系列标准物质具有定值含量范围较广、代表性好、适用性强、量值准确、不确定度合理、具可溯源性等特点, 对湖底沉积物中磷形态和地下水砷形态分析工作的量值溯源、质量监控、分析方法确认、仪器校准及实验能力考核等提供了实物标准, 将广泛应用于地球化学研究与调查评价、环境研究等相关领域和部门。

当今世界人们更加关注环境问题, 研究湖底沉积物中磷的赋存形态, 研制相关标准物质, 建立磷的形态方法, 有助于更好地解释内源性磷对于水体富营养化的贡献, 为最终建立治理水体富营养化的理论模型, 从根本上治理水体的富营养化奠定基础。砷元素的毒性大小是随着化合物的形态(价态)不同而变化的, 例如,有机砷的毒性一般比无机砷小的多, 甚至有些形态有机砷的生理毒性不到无机砷的千分之一。所以研制地下水砷元素的形态标准物质, 建立相关分析方法非常重要, 特别是在饮用水和食品的安全性方面。

经过 5年努力, 中国地质科学院国家地质实验测试中心标准化研究室已经成功研制各类国家一级化学形态标准物质总数已达 10种, 分为地下水、土壤与沉积物等不同介质的地球化学标准物质, 初步形成了我国地球化学形态分析标准物质体系。这些标准物质具有品种多、量值准确和适用性强等特点, 必将在我国地球化学和环境领域发挥非常重要的技术支撑作用。

本刊编辑部 采编

Using210Pb Technique to Determine the Closure of Young Stalagmites

YIN Jian-jun1,2,3), LIN Yu-shi1,2), QIN Jia-ming1,2), WANG Hua1), TANG Wei1)
1) Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Guilin, Guangxi 541004;
2) Karst Dynamics Laboratory, Ministry of Land and Resources/Guangxi Zhuang Autonomous Region,
Guilin, Guangxi 541004;
3) School of Geographical Sciences, Southwest University, Chongqing 400715

Based on analyzing the210Pb specific radioactivity of two nearby stalagmites DY-2 and DY-3 in the same cave named Maomaotoudayan cave in Guilin City, the authors obtained the following understanding: (1) although they have grown in the same cave and their distance is about 1.5 meters, the initial210Pb specific radioactivity of DY-2 is 2 times higher than that of DY-3, and the210Pb specific radioactivity of DY-2 is 0.7 times higher than that of DY-3 in modern sediments.And the drip monitoring also certified that the deposition rate of DY-3 is faster than that of DY-2 stalagmite, indicating that the210Pb specific radioactivity could be used as a tool to determine the deposition rate in the same geological background and geographic environment; (2) both of the two stalagmites show fluctuation in the210Pb specific radioactivity profiles, related to the distribution, size and density of intercrystal porosity, the disturbed DY-3 profile might be attributed to the existence of pores in the stalagmite and the mixture of later210Pb with the former210Pb; (3) the problem whether there is an oxygen isotope fractionation in the open system needs further study.

210Pb specific radioactivity; intercrystal porosity; closure; deposition rate

P931.5; P597.1

A

10.3975/cagsb.2012.06.13

本文由国土资源部地调项目“地质碳汇潜力综合研究”项目(编号: 1212011087119)和国家自然科学基金(编号: 41072192)联合资助。

2012-08-22; 改回日期: 2012-10-10。责任编辑: 闫立娟。

殷建军, 男, 1985年生。博士研究生。主要从事岩溶学与环境变化研究。通讯地址: 541004, 广西桂林七星路50号。E-mail: david1985_2005@163.com。

*通讯作者: 覃嘉铭, 男, 1937年生。副研究员。主要从事同位素地质与岩溶古环境重建研究。E-mail: qinjm1@163.com。