石笋多指标记录研究进展

王海川，李新虎，王 鹏，高 涛，贾 伟，张磊磊

（1.兰州大学 地质科学与矿产资源学院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省西部矿产资源重点实验室，甘肃 兰州 730000）

当前，全球气候问题愈发受到人类的关注。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）的最新特别报告中建议：相较于工业化前水平，全球升温幅度应控制在1.5℃内，否则将会对整个地球产生诸多负面影响。因此，人们更加希望通过理解过去全球气候变化来为未来气候变化趋势提供参考。石笋作为继深海沉积物、冰芯、黄土之后的又一古气候研究支柱性材料，其形成是大气降水、洞穴上覆植被和土壤、岩溶渗流系统，甚至微生物参与下的多种地球表生过程的综合产物，与区域水文、生物地球化学过程、岩溶系统过程及矿物结晶机理等有着紧密联系，蕴含了丰富的古气候信息。由于具有沉积连续、时间跨度大，后期蚀变小，且绝对年龄时标精准，代理记录分辨率高、全球对比性强等特点，石笋在全球古气候研究中有着独特优势，挖掘石笋各种代理指标记录的物理及气候意义，从石笋的不同记录来说明过去气候变化既是充分利用石笋这一良好古气候载体的应有之义，同时也是为从不同视野观察过去气候变化，透过记录间的相互比对增强气候变化的信服力。

石笋古气候研究经过几十年的探索，已发展出了丰富的水文气候学代用指标。依据代用指标自身性质，可将它们分为物理指标、化学元素指标与生物指标三大类。物理指标中有纹层灰度、微层厚度、有机质荧光强度、磁学特征、生长速率及沉积学特征等。化学元素指标主要为碳氧稳定同位素与微量元素记录，此外，硫与硫同位素亦有所报道。生物指标上有脂类生物标志物等。常涉及的代用指标有灰度、氧同位素、微量元素等，下面就这三类指标的研究情况进行说明。

1 石笋灰度研究进展

广义的灰度是指样品表面所测的光线强度，在使用不同测量方法时灰度的物理意义也有差异[1]。紫外光照射样品表面测的激发光强度称为荧光，石笋荧光物质主要来源于上覆土壤，反映了土壤中部分分解的有机质丰度[2]。荧光强度的长周期波动受控于土壤中的有机质活动[3]，荧光波长可以指上覆植被类型的变化[4]。透射光灰度反映了暗色颗粒的含量，石笋微层的暗色部分，钡、铁以及黏土含量较高，亮色部分，镁、锶以及小分子有机质较高[5]，主要受温度控制[1]。而反射光光面测量与上述方法相比具有成本低、不破坏样品、操作简单等优势[6]，逐渐应用于石笋灰度测量之中。对南京葫芦洞石笋的扫描图像灰度分析，认为灰度值代表了生长过程中杂质的参与度，反映了洞穴的干湿变化[7-8]。张德忠等[9]发现万象洞石笋灰度与葫芦洞石笋δ18O呈现出负相关关系，并将其作为亚洲夏季风强度的指标。杨勋林等[10]将仙女山隧洞石笋灰度序列与气测气象数据对比，认为灰度蕴含了降水与温度信息，与二者均表现出正相关关系。马乐等[11]对七星洞石笋灰度解释为反映了晶体空隙和杂质的多少，与沉积环境有关，可间接反映环境的变化，另外对来自西南地区的其他洞穴石笋灰度分析表明，灰度响应了太阳活动变化，也可以反映东亚夏季风变化[12-13]。张会领等[14]对莲花洞石笋灰度序列分析认为其受控于太阳辐射变化，与石笋δ18O呈现出负相关关系，反映了降水与温度的变化。张瑞等[15]将天坑洞石笋灰度与气测气象数据对比发现灰度与温度表现出正相关关系，而与降水量关系不显著，但却是当地土壤湿度相关的重要因素：年平均湿度和降雨天数呈现出显著相关性。

需要注意的是，尽管石笋灰度的变化与地表气候有着十分密切的关系，但其意义并不能一概而论。在某些洞穴石笋中，灰度与δ18O呈现负相关关系，与夏季风强度表现出正相关性[7-9，14]。对此可能的解释为：夏季风强度增强（温度高、降雨量大）使得洞穴上覆土壤有机物分解程度加大，滴水中小分子有机质增加，易形成暗色透明物质，造成石笋剖面灰度值减小，反之滴水中的大分子有机质增多，造成石笋剖面灰度值的增大。这也解释了石笋灰度与洞穴地温度、降雨呈现正相关性的现象[10]。而在西南地区洞穴石笋中，灰度与δ18O呈现正相关关系，表现为与东亚夏季风的负相关性[11-13]。

2 石笋化学元素指标研究进展

2.1 石笋δ18O研究进展

δ18O是石笋中最早研究的代理指标之一。受海洋CO2-H2O-CaCO3系统中氧同位分馏与海水温度之间存在联系的启发[16]，早在上世纪60年代欧美学者便对石笋中δ18O与温度联系起来并做出了初步探索[17-18]。O'Neil等[19]更是直接通过实验确定了平衡分馏状态下碳酸盐δ18O与温度之间的关系式，对石笋古气候重建产生重要影响。然而在对这一关系式进行实际应用时，却不得不考虑两个问题：一是如何判断石笋形成时是否为平衡分馏状态？二是如何获取同位素分馏时洞穴系统中的介质水δ18O？Fantidis等[20]通过研究石笋中氧同位素组成变化探讨了石笋中的非平衡分馏，随后Hendy[21]又提出了石笋δ18O是否为平衡分馏下形成的判断条件。尽管后来的研究对平衡分馏检验提出了新的看法——重现性检验[22]，但总的来说石笋形成时是否为平衡分馏的问题已是可以解决的。对于第二个问题的解决则较为困难，海洋中新生代以来海水δ18O可近似认为保持不变，但在洞穴系统中，介质水δ18O是会随着水文环境变化而改变的[23]。为此，有学者提出用现代大气降水δ18O来代替介质水中δ18O，这一方法操作简单，但理论基础值得商榷；也有一些学者认为可以用石笋包裹体水中的δ18O来代替，这忽略了包裹体形成后会与碳酸盐矿物本身发生同位素交换[24]；另外还有学者提出用非含氧矿物包裹体δ18O替代，这一想法可以避开后期发生的同位素交换，通过对食盐包体水组成的研究还原了古介质水δ18O[25]，但洞穴中类似的非含氧矿物数量极为稀少，并不能大范围解决问题。于是有学者提出先测石笋包裹体中δD，然后利用Craig提出的大气降水中δD与δ18O关系计算出古降水δ18O来作为介质水δ18O，这一方案被很多学者引用，但也有学者认为该方案忽略了不同时代背景对大气降水中δD与δ18O的影响[26]，在现有条件下无法定量重建古温度。基于石笋δ18O是当地温度与大气降水δ18O共同影响的结果这一事实，学者逐渐倾向于用石笋δ18O值来讨论当地温度及大气降水性质的定性变化[27]。

在不同区域的气候背景下，石笋δ18O值主控因素也会有差异。在低纬或典型的季风控制区（以亚洲季风区为例），温度对石笋δ18O值影响机理较为复杂[27-29]，石笋δ18O主要继承了当地大气降水性质[30]，模拟和观测资料也证实了这一观点[31-33]，由此石笋δ18O的意义问题已转变成为对洞穴地降水δ18Op控制因素的探索。以信号源-信号传输-信号最终表达的视野来看，就某一洞穴地的降水而言，其δ18O会受到以下3个方面的影响：水汽源区的变化，水汽运移过程中的变化和洞穴地某些效应导致的变化。在对水汽源区理解时，我们首先必须明确的是除高纬度地区外，不同大洋或海区的海水δ18O差异并不大，水汽源的变化是指近源/远源水汽的比例变化，这种变化导致的洞穴地δ18Op变化被命名为环流效应[34]，由于海温变化导致的大气环流改变会使得水汽源发生变化，当水汽源中的近（远）源水汽占比更高时，则洞穴地δ18Op会偏重（轻）。而在水汽运移过程中，上游端利分馏是引起水汽δ18O变化的重要因素，分馏程度越高（低），则剩余水汽中的δ18O越轻（重）[35-37]，环流效应本质上也是上游分馏的体现。除上述两个过程外，洞穴地降雨量效应[28]、冬季温度[38-39]、大气对流活动强度[40]以及陆地循环水效应[41]均可影响降水δ18Op。不难看出，δ18Op作为水汽环流的指标，受到了多尺度时空因素的叠加影响[32]，故在对其意义进行讨论时，应当首先明确其边界条件。自2001著名的南京葫芦洞石笋记录显示出巨大的气候研究价值以来，众多学者已经提供了不同时间段、不同分辨率、不同地域下的石笋δ18O记录，为研究者从不同视野下更加准确全面探讨其意义提供了依据。

在轨道及千年尺度上，整个季风区石笋δ18O上表现出一致的变化趋势，反映了大空间区域上的环流状态，是从水汽源至洞穴点过程中平均夏季风强度的指标[42-43]，与其他反映季风降雨量指标如黄土、湖泊沉积物间的差异也逐渐明朗，即不同记录指标反映了夏季风系统的不同方面[44-45]。夏季风强度增强（减弱），意味着洞穴地有着更高比率的远源（近源）水汽，季风在路径上降雨更多（更少），表现为石笋δ18O偏负（偏正）。而在高频尺度上，石笋δ18O记录表现出明显的区域差异性[11，46-47]。

2.2 石笋微量元素研究进展

在洞穴沉积物中，对微量元素的研究大多集中于在岩溶水中能形成+2价阳离子能够在晶格中取代Ca2+的元素，尤其是Mg、Sr、Ba 3种元素，它们在石笋沉积过程中的含量受到溶液浓度和分配系数的控制[48]，反映了从基岩、上覆土壤中淋出至固定于石笋的整个过程，该过程中的复杂性条件变化决定了石笋中各微量元素的最终含量。大量的研究表明不同元素对同一条件变化的响应是不一致的，同一元素对不同条件变化的响应也并非一致，因此通过单一的Mg、Sr、Ba含量变化来探讨环境变化较为困难，需要认真思考环境的特殊性才能保证气候分析的准确性，因此逐渐发展出通过多元素比值变化来反映气候条件改变。Ca元素是石笋碳酸盐矿物的主要组成元素，其含量较为恒定，常作为背景元素来与微量元素结合使用，它们的比值反映了石笋生长过程中的条件变化。

Mg的分配系数受温度影响较大，温度上升，石笋中Mg/Ca也上升[49]；另一方面，Mg/Ca受到降水的影响，在干旱条件下，降水减少，延长了岩溶水滞留时间，导致了Ca－CO3先期沉积，使得Mg/Ca增大[50]。而Sr含量受温度影响较小，因此也有研究把Mg/Sr作为古温度的代理指标[51]。通常认为Sr/Ca与Ba/Ca的变化受温度影响较小，主要与降水、地表土壤、大气活动等有关，能够反映局地降水与大气环流状况。当Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca的比值变化一致，相关性较高时，意味着三者皆受相同的影响因素控制，比值越大时，表明CaCO3先期沉淀作用越强，水滞留时间也越长，反映了较为干旱的气候状态。同理，三者的值越低，则表明了CaCO3先期沉淀作用越弱，反映了较为湿润的气候状态。而当Mg/Ca、Sr/Ca、Ba/Ca的比值变化不一致，相关性较低时，说明了它们比值变化的控制因素应当是不同的，常常需要与其他指标结合来说明各自的控制因素。

3 结束语

综上所示，石笋中作为良好的古气候地质载体，其气候代用指标十分丰富，石笋中不同代理指标变化是石笋生长过程多种条件制约后的结果，是能够反映古气候变化的良好依据。但在对这些指标进行使用时，应当意识到其变化机制的复杂性，在不同时空状态下影响因子对不同指标的贡献往往是不同的，这也是石笋气候学复杂与吸引人之处。对此的对策是在使用气候代理指标时应结合岩溶过程实际情况，对指标进行综合分析来使用，而不能机械套用他人研究成果，否则便很有可能陷入误区。可以通过多指标的对比验证，保证结果的真实性与可靠性。展望未来，我们应当在充分肯定石笋古气候学的重要性的基础之上，意识到石笋中的很多气候指标受到区域气候的影响，尤其是在亚洲季风区表现的尤为突出，在对气候代理指标进行解译时应当多加小心。此外气候指标多为定性的气候反映，这一定程度上也对指标的气候意义解译带来了一定的模糊性。若能把石笋气候学与实验室数据分析、数值模拟等多种手段结合，跨域学科屏障与物理、化学、生物、大气等学科交叉融合，定量区分出不同影响因素对代理指标变化的贡献，必将把石笋气候学推动到一个新的高度。