石笋Mg/Ca比值记录的三峡库区小冰期气候变化

李国军 杨勋林 张月明 李辰丝 吕春艳

摘 要：利用采自三峡库区水鸣洞石笋（NSM03）的测年数据、微量元素Mg/Ca比值为气候环境指标，并结合石笋δ18O记录分析三峡库区小冰期时期的气候变化。研究结果显示Mg/Ca值，在AD1280开始迅速减小，并持续至AD1300，石笋δ18O记录也显示在AD1280～1300期间明显快速偏重，表明季风迅速减弱，降水持续减少，库区进入小冰期。石笋微量元素比值记录表明，在小冰期时期内部存在明显的降水波动情况，尤其是在AD1400～1650期间，微量元素比值出现大幅度的震荡，表明季风降水在这一时期处于频繁波动期。

关键词：石笋 微量元素 小冰期 三峡库区

中图分类号：P532 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（c）-0204-03

小冰期是近千年以来重要的气候重要事件之一，目前人们主要通过石笋、冰芯、湖泊记录等代用指标来研究这一气候变化事件，并且取得了一定的成果。研究表明小冰期时期的气候并非一直保持寒冷状态，内部出现了冷暖交替的情况[1]，尤其是在AD1400～1650时段，降水季风处于频繁波动期[2]。目前小冰期的研究还存在起止事件不确定、内部气候波动和驱动因素不明确的争议。该文采用石笋微量元素Mg/Ca比值重建长江三峡库区小冰期古气候变化历史，获取高分辨率的气候信息，探索小冰期气候的形成时间及其内部的气候波动，补充当前研究中的不足。

1 研究区概况与分析方法

石笋NSM03采自重庆市丰都县水鸣洞（29°47′00″N，107°47′00″E）。水鸣洞坐落于龙河峡谷内，与雪玉洞毗邻，位于中国西南地区（29°33′18″～30°16′25″N，107°28′03″～108°12′37″E），处于三峡库区内（见图1）。石笋NSM03采自于大厅，总长90 mm，柱状。石笋的测年样品共7个，每个样品约重150 mg，在台湾大学地质系高精度质谱与环境变迁实验室使用MC-IC-MS Neptune测试，年龄误差≤1%（2σ），具体方法参见Shen[3]；石笋微量元素取样是沿石笋中心轴钻取，每个微量元素样品重约1mg，共取89个样品，样品是在西南大学地球化学与同位素实验室完成的，使用分析仪器为Element XR型ICP-MS和Optima-2100DV全谱直读型ICP-OES。

2 讨论与分析

2.1 石笋的定年方法

利用石笋进行古气候的重建，首先要确定石笋的年代，铀系定年是目前应用最广泛的定年方法。石笋NSM03共测试了7个230Th年代数据（表1）。

2.2 石笋Mg/Ca比值的气候意义

目前石笋δ18O记录已经广泛应用于古气候重建，前人研究结果表明[4]：石笋δ18O的变化主要受季风环流强弱和季风降水的影响，石笋δ18O越轻，指示夏季风越强，降水量越大，气候暖湿；反之亦然。

目前石笋Mg/Ca值的古气候意义还存在争议。巴西南部晚更新世石笋记录研究显示Mg/Ca值和季风带来的降雨量大小有关[5]。李清等对重庆梁天洞石笋Mg/Ca及其古气候环境意义进行了分析，发现石笋Mg/Ca与碳同位素具有明显正相关关系，认为可能与碳酸盐先期沉积作用或滴率减小有关，因而间接地响应了降水的变化[6]。在气候较为干旱时期，岩溶水在围岩滞留时间较长，CaCO3优先从渗透水沉积，导致Mg/Ca比值增加[7]。通过图2显示，水鸣洞石笋Mg/Ca值曲线和δ18O曲线的变化趋势基本一致，石笋δ18O值与Mg/Ca比值是呈现正相关关系，如在小冰期开始的时间，他们之间就有着相似的变化特点，表明水鸣洞石笋Mg/Ca比值与季风降水量呈负相关，指示了降水量的大小。

2.3 小冰期气候变化

石笋碳氧稳定同位素用于古气候和古环境重建相对于石笋Mg/Ca比值研究更为成熟，而且被普遍认为是可靠的气候代用指标。在图2中，对比石笋NSM03的δ18O值曲线和Mg/Ca值变化曲线，发现它们之间呈现比较一致的变化趋势。

水鸣洞石笋NSM03的δ18O值和Mg/Ca值的曲线变化显示小冰期的开始时间为AD1280～1300：石笋的δ18O值在AD1250显示明显偏轻，在AD1280迅速偏重，在AD1300前后滑入整条曲线的谷底，为本段记录的500 a年间最重；Mg/Ca值在一阶段也呈现了相似的曲线变化，一直是呈下降趋势，在AD1280～1300更是出现了比较明显的下降，并且降至此阶段的最低点。由于对微量元素影响因素的复杂性和多元性，例如，微生物活动强度改变土壤CO2浓度对Sr2+有较为显著的影响，温度变化对Mg2+的分配系数影响等干扰因素也是不可忽略的。这些因素的影响可能就会导致我们在分析小冰期时期的降水变化存在一定的不足，有待我们进一步的分析和讨论。

3 结论

该文利用重庆丰都水鸣洞石笋NSM03测年数据和Mg/Ca值并结合石笋氧同位素数据重建了三峡库区小冰期的古气候和古环境信息，得出以下结论：水鸣洞石笋的Mg/Ca值可以反映亚洲季风变化。亚洲季风增强时，降雨增加，温度升高，石笋中Mg含量减少；反之亦然。微量元素比值变化曲线与石笋氧稳定同位素值变化曲线具有较为一致的变化趋势，证明石笋微量元素能够较好的感应到外界气候的变化，可以作为记录气候变化的载体。

参考文献

[1] 陈发虎，黄小忠，张家武，等.新疆博斯腾湖记录的亚洲内陆干旱区小冰期湿润气候研究[J].中国科学（D辑：地球科学），2007，37（1）：77-85.

[2] 杨勋林，陈发虎，袁道先，等.高分辨率石笋记录的三峡库区小冰期气候变化[J].地理科学，2013，33（5）：629-634.

[3] SHEN C C，LAWRENCE EDWARDS R，CHENG H，etal.Uranium and Thorium Isotopic and Concentration Measurements by Magnetic Sector Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry[J].Chemical Geology，2002，185（3～4）：165-178.

[4] 程海，艾思本，王先锋，等.中国南方石笋氧同位素记录的重要意义[J].第四纪研究，2005，25（2）：157-63.

[5] Cruz F W，Burns S J，Jercinovic M，et al.Evidence of rainfall variations in Southern Brazil from trace element ratios（Mg/Ca and Sr/Ca）in a Late Pleistocene stalagmite[J].Geochimicaet Cosmochimica Acta，2007，71（9）：2250-2263.

[6] 李清，王建力，李红春，等.重庆地区石笋记录中Mg/Ca比值及古气候意义[J].中国岩溶，2008，27（2）：145-150.

[7] Fairchild I J，Treble P C.Trace elements in speleothems as recorders of environmental change[J].Quaternary Science Reviews，2009，28（5～6）：4149-4168.